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作者：GAIA 用于貨運和客運的電動垂直起降 (eVTOL) 飛機是目前司空見慣的無人機技術(shù)的自然發(fā)展。然而，這些新應(yīng)用的可靠性是首要考慮因素，其核心是在故障條件下維持飛行控制和導(dǎo)航電子設(shè)備的電源。在本文中，我們將介紹一些輔助直流電源架構(gòu)、它們的特性以及高可靠性和可用性的實際實現(xiàn)。 科幻電影展現(xiàn)了未來的景象，飛行出租車嗡嗡作響，英雄飛行員躲避摩天大樓和其他飛機�，F(xiàn)在，這將成為現(xiàn)實，至少以不那么瘋狂的方式，著名的 2023 年巴黎航空展上展示了潛在空中出租車的真實飛行演示機 Volocopter [1] 以及許多其他從小規(guī)模開始的模型- 最大的航空航天制造商。盡管電影中的空中出租車通常似乎具有某種反重力驅(qū)動裝置，但我們可能乘坐的空中出租車將是電動的，這是即將推出的 eVTOL 或電動垂直起降技術(shù)的一部分。 當(dāng)然，自 20 世紀(jì) 40 年代起，我們就開始使用直升機作為“出租車”，但它們的燃氣渦輪發(fā)動機噪音大、污染嚴(yán)重，而且只適合超級富豪。小型電動垂直起降飛機非常安靜，可能無排放，德國公司 Lilium 表示，作為出租車，它們最終可能比出租車更便宜，可能是每公里 2-3 美元 [2]。 eVTOL 客機運動顯然是從無人機技術(shù)發(fā)展而來，但在商業(yè)實現(xiàn)方面存在很大差異，尤其是載客認證，特別是因為 eVTOL 飛機的目標(biāo)是實現(xiàn)自主。這是一個新領(lǐng)域，沒有明確的型號核準(zhǔn)和產(chǎn)品認證途徑，盡管歐洲航空安全局 (EASA) 和美國聯(lián)邦航空局正在解決這個問題，有跡象表明認證可以通過視具體情況而定。從操作上來說，飛機需要在城市環(huán)境中飛行才能作為出租車，并且可能需要指定的“垂直起降場”，并考慮到所有明顯的安全、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境影響。 eVTOL 飛行器必須具有容錯能力 盡管需要最小的重量和尺寸，但 eVTOL 飛行器中的控制電子設(shè)備必須具有與任何傳統(tǒng)飛機相同的防護措施和容錯能力，這意味著關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余。這些至少是電機和表面控制、導(dǎo)航和通信。所需可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)是“災(zāi)難性故障率”，EASA 給出的值為 10-9 每飛行小時，有時以其倒數(shù)表示，即十億小時的平均故障間隔時間 (MTBF)。這聽起來可能非常保守，但當(dāng)這種飛行器變得普遍時，例如服役 10,000 架，這意味著在 11 年的累計飛行中，不會有超過一架發(fā)生災(zāi)難性故障，這應(yīng)該遠遠超出典型的使用壽命。請注意，它是 期間 這11年，不是11年后 - 假設(shè)使用壽命期間故障率恒定。對于單個飛行器來說，這相當(dāng)于飛行 11 年后的生存概率為 0.99999，這聽起來令人放心。但困難在于確定組件的故障率，因為 MIL-HDBK-217F 和 Telcordia SR-332 等計算標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果可能存在顯著差異。 量化冗余量 無論使用何種計算標(biāo)準(zhǔn)，電動垂直起降飛行器中的電子設(shè)備在沒有冗余的情況下實際上無法在使用壽命期間實現(xiàn) 10 億小時的 MTBF。然而，簡單的系統(tǒng)復(fù)制卻能帶來巨大的改進。如果故障被修復(fù)并且復(fù)制系統(tǒng)均以相同的故障率主動上線，則總故障率 λ時間 由[3]給出： 
這適用于 n 個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的故障率為 λ（每小時），修復(fù)率為 μ（每小時），并且飛行器至少需要 k 個系統(tǒng)。 達到故障率 λ時間 共 10 個-9 每飛行一小時，有 2 個冗余系統(tǒng)，因此只需要一個，修復(fù)時間為三小時 (μ=1/3)，λ 計算為 1.3 x 10-5 故障/小時或 MTBF 為 77kHrs，這是系統(tǒng)的實際數(shù)字。 監(jiān)控至關(guān)重要 剛剛計算出的故障率值確實取決于故障的立即檢測和及時糾正。對于主動冗余系統(tǒng)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠無縫切換，系統(tǒng)會有效地恢復(fù)到可靠性較低的系統(tǒng)，因此警報必須立即記錄故障。但一個問題是檢測“軟”故障，其中一臺計算機說，只是向冗余對中的另一臺計算機發(fā)出不同的命令。如果一個人說“鼻子朝上”，另一個說“鼻子朝下”，哪一個是正確的？因此，冗余集中可能需要至少三個，以便可以對輸出進行“投票”。 雖然只有一個主牽引電池是現(xiàn)實的，但由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輔助電源軌及其固有的高內(nèi)應(yīng)力水平和溫度也應(yīng)該被復(fù)制以實現(xiàn)冗余。 必須采取預(yù)防措施，確保一個失敗不會導(dǎo)致另一個失敗。不過，監(jiān)控更加簡單，因為輸出電壓通常是預(yù)先確定的且不變。 配置冗余輔助電源軌 配置冗余輔助電源軌時有一些選擇。例如，該布置可以是“在線”的，兩個 DC-DC 連續(xù)運行，共享電源，并通過隔離二極管將輸出門控在一起（圖1）。該布置的優(yōu)點是可以連續(xù)監(jiān)控兩個單元的運行狀況，從而確保在單次故障后繼續(xù)發(fā)揮功能。監(jiān)控還必須是獨立的，任何均流控制都不得引入單點故障。門控二極管或有時 MOSFET 也必須仔細選擇并包含在監(jiān)控中，例如，短路二極管可能允許“正�！惫δ�，但如果其驅(qū)動 DC-DC 因輸出本身短路而出現(xiàn)故障，則門控電源軌將無法正常工作。會被拖下去。每個 DC-DC 必須能夠提供滿負載和任何瞬變，這意味著在正常運行中它們將在低應(yīng)力下運行，從而提高可靠性。
圖 1：“在線”布置中的冗余輔助 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 如果認為一個 DC-DC 故障會禁用整個飛行控制通道，則圖 1 中的系統(tǒng)可以在沒有選通二極管和電源監(jiān)控的情況下運行。這是否能帶來系統(tǒng)可靠性的整體優(yōu)勢將取決于 DC-DC 及其負載的實際故障率。這是主觀的，但飛行員可能寧愿讓兩臺飛行控制計算機完全運行，而其中一臺 DC-DC 發(fā)生故障，即使這意味著包含一些無壓力的監(jiān)控和電源共享組件。 離線備份是一種選擇 另一種替代方案是離線布置，其中一個 DC-DC 關(guān)閉或空閑，并且在主 DC-DC 發(fā)生故障時物理地接通（圖2）。這可能是一種更簡單的布置，無需選通和均流所需的組件。然而，主 DC-DC 提供滿載，并且比在線布置承受的壓力更高，從而增加了故障率。由于離線 DC-DC 在正常運行中不會“耗盡”其任何使用壽命，因此系統(tǒng)可靠性的提高抵消了這一影響。在線或離線配置能否全面提高系統(tǒng)可靠性將取決于應(yīng)用細節(jié)。使用未通電的備用設(shè)備進行離線操作的一個缺點是，您必須相信在緊急情況下需要時它會通電。為了確保這一點，需要定期切換到第二個 DC-DC，并且可能需要定期交換初級和次級 DC-DC，以均衡其剩余壽命。任何反應(yīng)延遲也可能導(dǎo)致輸出電壓下降。這可能需要額外的保持措施，例如大型并聯(lián)電容器，其本身將顯著增加故障率計算。也許最大的問題是任何轉(zhuǎn)換開關(guān)都是單點故障——如果是機械的，它自然會具有很高的固有故障率。如果是電子的，則會帶來損耗，需要仔細設(shè)計才能實現(xiàn)極低的故障率。
圖 2：“離線”布置中的冗余 DC-DC eVTOL 輔助電源軌發(fā)電的實際實施 轉(zhuǎn)子的主電池將處于相對較高的電壓，類似于電動汽車，以在高功率水平下保持電流可控。這意味著中間總線電壓可能是 24V 或 28VDC，由門控冗余的高功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器生成。該電壓可能用于輔助電源系統(tǒng)，例如照明、執(zhí)行器和小型電機，因此噪音可能相對較大，并且可能適用航空電子/軍事電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，例如 MIL 標(biāo)準(zhǔn) 1275、704、461 和 DO-160。更多的轉(zhuǎn)換器（可能具有隔離功能）將產(chǎn)生更低的清潔電壓，以便在電路板周圍分配。典型的系統(tǒng)可能看起來像 圖3。
圖 3：eVTOL 應(yīng)用中的配電系統(tǒng)概要 這里，Gaia 轉(zhuǎn)換器 [4] 的單片 EMI 濾波器可衰減 24/28VDC 總線上雙向的快速瞬變和噪聲，而 LHUG 系列 Gaia 的預(yù)調(diào)節(jié)器模塊可根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)處理較慢的浪涌和驟降。它還包括反極性保護、浪涌控制和軟啟動。另一個功能是有源保持模式，在正常操作中，外部電容器被充電到高電壓，而與輸入無關(guān)。這是在功率下降后切換的，以相對較小的電容值提供延長的保持時間。 所示的下游 DC-DC 來自 Gaia，在本例中具有高達 80W 的各種額定值，并且可以相互同步并與預(yù)調(diào)節(jié)器模塊同步。兩個同步相位可最大限度地減少輸入紋波電流和產(chǎn)生的噪聲。所有部件均具有遠程感應(yīng)、電壓微調(diào)、開關(guān)功能以及安全保護功能，包括輸出過壓和過流、過溫和輸入欠壓。所述 Gaia 的 DC-DC 為航空電子級、封裝、PCB 安裝，額定溫度高達 105°C 以適應(yīng)環(huán)境，并提供貼殼冷卻選項。 結(jié)論 由于 eVTOL 市場的標(biāo)準(zhǔn)和配置仍不確定，使用符合航空電子標(biāo)準(zhǔn)并通過適當(dāng)監(jiān)控進行冗余配置的現(xiàn)成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器有助于加快上市速度，同時最大限度地降低開發(fā)風(fēng)險。具有良好記錄的 Gaia 等零件也將是實現(xiàn)所需質(zhì)量和可靠性水平的安全方法。 參考 [1] https://www.volocopter.com/en [2] https://lilium.com/Lilium [3] Rome Laboratory Reliability Engineer’s toolkit. April 1993 [4] www.gaia-converter.com |
