至今,航空通用电子技术已经有超过一个世纪的发展历史,可以说它是eVTOL行业发展的基石,不仅关系到飞行器的性能和安全,也是推动eVTOL技术创新和商业化的关键因素。但毕竟就像油车和电车的区别,eVTOL采用的电驱动力,和传统燃油动力的飞行器有着本质区别,究竟这百年的经验,eVTOL能用到多少?又有哪些部分需要自己去摸索创新?

随着全球对可持续交通解决方案的需求日益增长,电动垂直起降(eVTOL)技术正迅速成为航空领域的一个创新焦点。eVTOL飞行器兼具直升机可以垂直起降和固定翼飞机速度更快、航程更远的优点,具有零排放、低噪音、灵活机动、高效率和高安全性等特点,被广泛认为是未来城市空中交通和短途运输的关键技术。

根据Morgan Stanley的预测,eVTOL的全球市场规模将在2040年达到1万亿美元,这其中又分为低空物流、空中出租车、短途航空以及公共服务等四大细分市场,前两者将占据绝大部分市场份额。其中中国的市场规模将突破2600亿美元,去年年底的中央经济工作会议上,也首次明确将低空经济列为“战略性新兴产业”。

目前,eVTOL技术正处于快速发展阶段,许多公司和研究机构都在积极开发相关的飞行器设计、电池技术、飞行控制系统等。然而,这一领域的快速发展也带来了一系列挑战,包括技术成熟度、安全性、法规制定以及市场接受度等。

在这样的背景下,航空通用电子技术的应用显得尤为重要。20世纪初,无线电技术的发展使得飞行员能够与地面进行通信,成为航空电子技术的早期形式之一,20世纪20年代的导航系统,30到40年代二战期间诞生的雷达技术,20世纪中叶飞控系统的电子化,一直到21世纪航空电子系统已经实现高度集成化和网络化。

至今,航空通用电子技术已经有超过一个世纪的发展历史,可以说它是eVTOL行业发展的基石,不仅关系到飞行器的性能和安全,也是推动eVTOL技术创新和商业化的关键因素。但毕竟就像油车和电车的区别,eVTOL采用的电驱动力,和传统内燃机的飞行器有着本质区别,究竟这百年的经验,eVTOL能用到多少?又有哪些部分需要自己去摸索创新?

5月22日,由AspenCore、简阳市临空经济产业园管理委员会、四川知识产权运营中心等联合主办的2024中国国际航空电子(低空经济)产业创新发展大会在成都举办,同期的“航空通用电子与eVTOL技术创新应用论坛”邀请到来自行业上下游的企业专家,就相关议题进行分享和探讨。

空天地一体化 AI 指控平台,构建低空互联立体指挥体系

当前,无人机在应急应用中要面对突发事件多、地形复杂、通信难度高以及设备种类繁多等难题,而信息滞后严重、统一调度管理能力落后则是指挥体系最薄弱的地方。

成都时代星光科技有限公司董事长彭彦平介绍了空天地一体化AI指控平台,该平台旨在构建低空互联立体指挥体系,由多个组成部分构成,包括C20远程指控中心、指控中心行业管控软件、A20型空天地一体化AI指控平台、W20智能无人机系统以及AI指控平台智能管控软件。

成都时代星光科技有限公司董事长 彭彦平

彭彦平详细介绍了W20和W21智能无人机系统的特点,包括有效载荷、多数据链融合通信、高精度定位、多功能任务组合、续航时间、防雨抗风能力以及远程监管等。

谈到战狼A20空天地一体化AI指控平台时,他表示,该平台具有动中通卫星通信系统、天通卫星电话、数据语音对讲系统、无人机多链路融合控制、4G/5G高速数据终端等功能。此外他还重点介绍了A20空天地一体化AI指控车,其功能包括图传系统、音视频会议系统、车载智能无人机机场和指挥控制,配备人性化的现场办公和指挥中心,可以实现数据智能快速处理以及机动高效出行。

整套系统可用于智能无人机城市部署应用、W20+A20应急机动部署应用等场景,在火灾、塌方、泥石流、水灾等自然灾害救援,以及物资抛送中将发挥重要作用。

关于eVTOL线束设计及航空连接器应用

2007年底,美国联邦航空局(FAA)在FAR25-123修改案中正式提出了电气互连系统(Electrical Wiring Interconnection System,EWIS)概念,同时新增了H部,并将其提高到飞机系统级别。 2011年,中国民航规章CCAR 25部也增加了H部分条款要求。

EWIS是指任何导线、线路装置,或其组合,包括端点装置,安装于飞机的任何部位用于两个或多个端点之间传输电能(包括数据和信号)。而当前eVTOL所采用的线束设计正是围绕EWIS来做的。

华丰史密斯互连资深工程师苏敏在演讲中表示,eVTOL线束设计包括高压能源动力和低压信号控制两大类,其中前者用于电池部分的设计与传统飞机设计完全不同,是设计中的难点和重点;后者则与传统飞机设计生产相似,可沿用之前的标准。

华丰史密斯互连资深工程师 苏敏

据介绍,华丰史密斯互连掌握了多项航空级线束的核心技术,如双曲面线簧孔技术、弹簧探针接触技术以及高速Quadrax技术。这些技术特别适用于芯片测试,提供稳定、易于维护、长寿命的测试解决方案。

苏敏表示,eVTOL线束低压综合信号在设计和制造上都有不少难点,例如连接器和电缆的物料选型需满足AS9100D航空航天质量体系标准,工艺制造需满足IPC加工要求。

在eVTOL线束高压设计方面,同样面临选型标准和依据的问题,由于传统航空航天器采用燃油动力,没有参考标准,所以目前eVTOL高压部分的线束标准主要参考新能源汽车部件的制造标准T/CSAE 178-2021,例如充电接口。“这就带来一个问题——新能源汽车的生产制造工艺可靠性能否满足eVTOL要求?新能源汽车工艺制造出来的线束应按什么标准来进行质量相关测试及检验?” 苏敏说到。

航天航空用晶振国产替代方案

晶振是一种利用石英晶体的压电效应来控制振荡频率的电子元件,广泛应用于通信、导航、汽车电子等领域。晶振的发展经历了起步期、发展期和快速发展期,目前正处于产品多样化和应用多元化的阶段。中国政府在“十四五”规划和其他政策文件中强调了推动数字产业化和提升核心电子元器件的重要性,为晶振国产化提供了政策支持。

晶宇兴科技销售副总 施美林

我国的军品质量等级,大致分为三个,其中S是宇航级,主要用于卫星、飞船和火箭;B是军级,主要用于导弹和飞机;C为普军级,主要用于车船、武器装备和地面设备。

晶宇兴科技销售副总 施美林在演讲中介绍了QC级晶振国产化替代方案。所谓Q级元器件,是指符合国际AEC-Q100或AEC-Q200标准的元器件,C级元器件,是指符合中国军标GJB1648A-2011的普军级元器件。

QC级元器件即同时符合上述两种标准的元器件,具有高稳定、高可靠、高性能、高性价比和高产能的特点。结合自身军品、车规品特点,晶宇兴公司推出的高性能双质量级别的石英晶振产品,旨在满足军方对低成本、快速生产和高可靠性的需求,特别是在无人机、小飞弹和无人战车等领域。

施美林表示,晶宇兴公司是一家拥有20多年经验的石英晶振生产商,通过了IATF16949和GJB9001C质量体系认证。公司产品具有小体积、低功耗、高可靠性、高稳定性和低相噪等特点,并在军品级、汽车级和工业级应用中都有广泛应用,“晶振在无人机中是心脏级别的元器件,通信、姿态控制、图像识别、动力控制和主控模块中都不可或缺,期待与合作伙伴共同推动低空经济和无人机等新兴产业的发展。”

碳化硅技术助力eVTOL产业

作为一种宽带隙(WBG)半导体材料,碳化硅(SiC)比传统硅材料具有更高的导通和开关性能,能够在更高的温度下工作而不受损害。在eVTOL的电力推进系统中,使用基于SiC的功率器件可以保障高温环境中的稳定运行,减少能量损耗,更高的电压承受力也能提高eVTOL的整体能效。

安森美(onsemi)资深工程师 周坦然

安森美资深工程师 周坦然在演讲中介绍了SiC在eVTOL应用中的优势。他表示,SiC技术能够改善功率器件的尺寸、重量和功率密度,同时提高开关频率、阻断电压,并减少导通状态下的损耗。此外,SiC还有助于降低冷却系统的复杂性、成本和尺寸,并提高质量和可靠性。

周坦然表示,如今各大航空航天器制造公司都在积极布局SiC。以通用(GE)为例,13 年内投资了超过 1.5 亿美元积极开发先进的SiC 模块,可将 GE 的LRU功率密度提高 2 倍,同时将重量减轻 50%,大大简化互连布局。据悉, GE目前正在开发一种基于 SiC 的轻型逆变器,用于兆瓦级功率转换。

eVTOL的安全性之所以远高于直升机,归功于其电机分布式动力带来的高度稳定性,多旋翼带来额外的安全冗余,其安全性足以比肩传统固定翼飞机,甚至更高。在电机的选用方面,PMSM(永磁同步电机)因其高效率和快速响应特性,非常适合eVTOL的推进系统,尤其是在起飞和降落阶段,而ACIM(交流感应电机)则因其成本效益和结构简单,在某些应用场景下也是一个不错的选择。设计者需要根据eVTOL的具体要求和预算,权衡这些因素来选择最合适的电机类型。

总体来看,SiC 功率器件可提高 eVTOL 中各种电力电子设备的性能,并且可用性与先进电力系统部署的增加具有协同作用。onsemi 提供先进的SiC封装解决方案,包括分立封装、灌胶封装和转移成型封装,并为 SiC MOSFET 提供隔离和非隔离式栅极驱动器。

eVTOL电池系统需要更精密的测量技术

虽然eVTOL的前景广阔,而且目前已经可以平替一部分小型直升机,但要取代大型直升机还不太现实,这主要是受到当前电池能量密度的限制。相对于电动汽车,飞行器对重量更加敏感,“堆电池”增加续航的方式是不可取的。

目前,eVTOL电池的能量密度已达到285瓦时每千克(Wh/kg),但为了提高eVTOL的航程和性能,2030年的目标是达到500Wh/kg,而2040年的远期目标是1000Wh/kg。功率密度对于eVTOL的起飞、爬升和紧急机动等阶段至关重要,2030年eVTOL行业对电池的目标功率密度1.25千瓦每千克(kW/kg),而2040年的目标是2.5kW/kg。

此外,在电池倍率(EETC编按:C-rate,指电池充放电速率的量度)上,要求达到≥5C,意味着电池需在五分之一小时内完成充电或放电。循环次数(EETC编按:指的是电池可以进行充放电的次数)则要求≥10000次。

Isabellenhuette大中华区高级经理 丁洁早

Isabellenhuette大中华区高级经理 丁洁早在演讲中表示,eVTOL电池系统需要在能量存储、功率输出、充电速度和耐用性等方面具有优异的性能。“这些技术要求推动着电池技术的发展,也对电池精密测量技术提出了更高的要求。”

资料显示,德国Isabellenhuette公司是一家拥有五百年历史的公司,发明了多种电阻合金和ISA-WELD®技术,这些技术和产品可以间接地为eVTOL电池系统的精密测量提供支持。

例如ISA-WELD® 精密分流器作为最新电流测量技术,在eVTOL电池系统中应用可以显著提高电池管理系统(BMS)的SoC计算精度,增加续航里程,且在-40~105度范围内保持一致的精度。此外,Isabellenhuette的技术还支持长循环寿命,降低电池更换成本,可提升eVTOL全生命周期内的盈利能力。

“去年3月,峰飞航空科技的eVTOL飞行器完成了单次充电飞行250.3公里的世界纪录。这里面就有ISA精密测量技术的助力。” 丁洁早说道。

谈到eVTOL电池系统的未来设计趋势,丁洁早认为在技术进步、政策变化和eVTOL需求增长的推动下,电池系统的未来设计将在多个方面发生演变,“包括提高安全性、模块化与可扩展性和更高的功率密度。ISA精密测量技术提供多系列化产品,方便客户灵活设计,并且符合ASIL-D。”

圆桌讨论:航空通用电子技术之于eVTOL

在主题为《航空通用电子在 eVTOL 技术创新应用上的机遇与挑战》的圆桌讨论环节,邀请到了来自华丰史密斯互连、Isabellenhütte以及四川九洲空管科技的资深专家,就eVTOL技术创新应用上的机遇与挑战进行深入探讨。

由左到右依次为,主持人:《电子工程专辑》执行主分析师Luffy Liu,

嘉宾:华丰史密斯互连 资深工程师 苏敏

Isabellenhuette大中华区 高级经理 丁洁早

四川九洲空管科技民机事业部 总经理 安强

我们身处一个航空技术急速变革的时代,随着城市空中交通(UAM)概念的兴起,eVTOL无疑代表着未来城市空中出行的重要方向。结合当前全球航空电子技术的发展趋势,嘉宾们认为最令人兴奋的eVTOL技术创新点是将大批电动汽车企业和新创企业,带进了这个原本只有行业巨头垄断飞行器产业。目前eVTOL单次飞行的价格还比较贵,适合对经济成本不敏感,对时间成本敏感的商务人士,但展望未来,嘉宾们认为eVTOL有可能像电动汽车一样,成为人人能用的消费品,由于其自动驾驶的属性,甚至不需要像开直升机那样考驾照。

本次圆桌的主题是航空通用电子技术在eVTOL领域中的应用,过去业界普遍认为,eVTOL使用的电子技术,是航空通用电子技术的一个子集,但是针对eVTOL的特点进行了特别优化和设计。但如今在各位嘉宾看来,eVTOL行业在整个航空电子领域扮演了一个全新的破局者角色,它同时具备飞行器和电动汽车的特点,但却没有特定的标准来指导厂商如何去做,所以大家一致认为,eVTOL领域目前最亟待解决的问题是标准化。包括元器件、电池、自动驾驶飞控系统、动力系统甚至外形尺寸。

所有嘉宾都认为,在eVTOL技术的应用中,安全和可靠性是至关重要的。考虑到安全、效率与可持续发展,航空通用电子需要平衡技术创新与行业标准的制定,“守正出奇”来确保eVTOL技术在全球范围内的平稳落地与广泛应用。当前这条赛道上的领先玩家只有中美两国,谁能率先引领产业发展,谁能尽快在全球获取更大的市场,谁就能率先引领适航取证等相关产业标准和国际规则。嘉宾们认为,中国企业应该先行动起来,因为我们完全有条件、也必须去抢下全球第一个eVTOL标准的高地。

对于既有的航空通用电子技术标准,是否会成为eVTOL行业创新的阻碍,嘉宾们认为不能一概而论。未来标准化路径需要基于之前的飞控、导航、通信标准上,针对eVTOL在监控诊断、能效管理、安全性、智能化上做加强,此外鉴于eVTOL未来的消费级特性,还要考虑元器件要有更低的成本和适合更大批量的生产。

经过深入讨论,与会观众对航空通用电子和eVTOL技术有了更全面的认识。航空通用电子技术在eVTOL技术创新应用中扮演着至关重要的角色,它不仅是技术进步的推动力,更是安全、可靠飞行的保障。同时,我们也看到了这一领域面临的挑战,包括技术成熟度、法规制定、市场接受度等,特别是如今天空中飞行器数量日益增多的情况下,更需要好的空中交通管理系统来强化“天空中的交规”,例如在飞行其中集成监控和预警系统,充分利用地理围栏技术,实施统一的通信协议并制定法规标准。

最后嘉宾们期待在下一届大会上,有更多的eVTOL从业者参与进来,共议低空经济大势,促进行业健康有序发展。

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