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作者：GAIA 用于貨運(yùn)和客運(yùn)的電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)是目前司空見(jiàn)慣的無(wú)人機(jī)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(shí)際實(shí)現(xiàn)。 科幻電影展現(xiàn)了未來(lái)的景象，飛行出租車(chē)嗡嗡作響，英雄飛行員躲避摩天大樓和其他飛機(jī)�，F(xiàn)在，這將成為現(xiàn)實(shí)，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(chē)的真實(shí)飛行演示機(jī) Volocopter [1] 以及許多其他從小規(guī)模開(kāi)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(chē)通常似乎具有某種反重力驅(qū)動(dòng)裝置，但我們可能乘坐的空中出租車(chē)將是電動(dòng)的，這是即將推出的 eVTOL 或電動(dòng)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(kāi)始使用直升機(jī)作為“出租車(chē)”，但它們的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噪音大、污染嚴(yán)重，而且只適合超級(jí)富豪。小型電動(dòng)垂直起降飛機(jī)非常安靜，可能無(wú)排放，德國(guó)公司 Lilium 表示，作為出租車(chē)，它們最終可能比出租車(chē)更便宜，可能是每公里 2-3 美元 [2]。 eVTOL 客機(jī)運(yùn)動(dòng)顯然是從無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，但在商業(yè)實(shí)現(xiàn)方面存在很大差異，尤其是載客認(rèn)證，特別是因?yàn)?eVTOL 飛機(jī)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自主。這是一個(gè)新領(lǐng)域，沒(méi)有明確的型號(hào)核準(zhǔn)和產(chǎn)品認(rèn)證途徑，盡管歐洲航空安全局 (EASA) 和美國(guó)聯(lián)邦航空局正在解決這個(gè)問(wèn)題，有跡象表明認(rèn)證可以通過(guò)視具體情況而定。從操作上來(lái)說(shuō)，飛機(jī)需要在城市環(huán)境中飛行才能作為出租車(chē)，并且可能需要指定的“垂直起降場(chǎng)”，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(cuò)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(jī)相同的防護(hù)措施和容錯(cuò)能力，這意味著關(guān)鍵系統(tǒng)的冗余。這些至少是電機(jī)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(shí)，有時(shí)以其倒數(shù)表示，即十億小時(shí)的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)。這聽(tīng)起來(lái)可能非常保守，但當(dāng)這種飛行器變得普遍時(shí)，例如服役 10,000 架，這意味著在 11 年的累計(jì)飛行中，不會(huì)有超過(guò)一架發(fā)生災(zāi)難性故障，這應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出典型的使用壽命。請(qǐng)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(duì)于單個(gè)飛行器來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于飛行 11 年后的生存概率為 0.99999，這聽(tīng)起來(lái)令人放心。但困難在于確定組件的故障率，因?yàn)?MIL-HDBK-217F 和 Telcordia SR-332 等計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果可能存在顯著差異。 量化冗余量 無(wú)論使用何種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)垂直起降飛行器中的電子設(shè)備在沒(méi)有冗余的情況下實(shí)際上無(wú)法在使用壽命期間實(shí)現(xiàn) 10 億小時(shí)的 MTBF。然而，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)復(fù)制卻能帶來(lái)巨大的改進(jìn)。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(dòng)上線(xiàn)，則總故障率 λ時(shí)間 由[3]給出： 
這適用于 n 個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的故障率為 λ（每小時(shí)），修復(fù)率為 μ（每小時(shí)），并且飛行器至少需要 k 個(gè)系統(tǒng)。 達(dá)到故障率 λ時(shí)間 共 10 個(gè)-9 每飛行一小時(shí)，有 2 個(gè)冗余系統(tǒng)，因此只需要一個(gè)，修復(fù)時(shí)間為三小時(shí) (μ=1/3)，λ 計(jì)算為 1.3 x 10-5 故障/小時(shí)或 MTBF 為 77kHrs，這是系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)字。 監(jiān)控至關(guān)重要 剛剛計(jì)算出的故障率值確實(shí)取決于故障的立即檢測(cè)和及時(shí)糾正。對(duì)于主動(dòng)冗余系統(tǒng)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠無(wú)縫切換，系統(tǒng)會(huì)有效地恢復(fù)到可靠性較低的系統(tǒng)，因此警報(bào)必須立即記錄故障。但一個(gè)問(wèn)題是檢測(cè)“軟”故障，其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)說(shuō)，只是向冗余對(duì)中的另一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出不同的命令。如果一個(gè)人說(shuō)“鼻子朝上”，另一個(gè)說(shuō)“鼻子朝下”，哪一個(gè)是正確的？因此，冗余集中可能需要至少三個(gè)，以便可以對(duì)輸出進(jìn)行“投票”。 雖然只有一個(gè)主牽引電池是現(xiàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)冗余。 必須采取預(yù)防措施，確保一個(gè)失敗不會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)失敗。不過(guò)，監(jiān)控更加簡(jiǎn)單，因?yàn)檩敵?a href="http://m.54549.cn/keyword/電壓" target="_blank" class="relatedlink">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(shí)有一些選擇。例如，該布置可以是“在線(xiàn)”的，兩個(gè) DC-DC 連續(xù)運(yùn)行，共享電源，并通過(guò)隔離二極管將輸出門(mén)控在一起（圖1）。該布置的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)監(jiān)控兩個(gè)單元的運(yùn)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(dú)立的，任何均流控制都不得引入單點(diǎn)故障。門(mén)控二極管或有時(shí) MOSFET 也必須仔細(xì)選擇并包含在監(jiān)控中，例如，短路二極管可能允許“正常”功能，但如果其驅(qū)動(dòng) DC-DC 因輸出本身短路而出現(xiàn)故障，則門(mén)控電源軌將無(wú)法正常工作。會(huì)被拖下去。每個(gè) DC-DC 必須能夠提供滿(mǎn)負(fù)載和任何瞬變，這意味著在正常運(yùn)行中它們將在低應(yīng)力下運(yùn)行，從而提高可靠性。
圖 1：“在線(xiàn)”布置中的冗余輔助 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 如果認(rèn)為一個(gè) DC-DC 故障會(huì)禁用整個(gè)飛行控制通道，則圖 1 中的系統(tǒng)可以在沒(méi)有選通二極管和電源監(jiān)控的情況下運(yùn)行。這是否能帶來(lái)系統(tǒng)可靠性的整體優(yōu)勢(shì)將取決于 DC-DC 及其負(fù)載的實(shí)際故障率。這是主觀的，但飛行員可能寧愿讓兩臺(tái)飛行控制計(jì)算機(jī)完全運(yùn)行，而其中一臺(tái) DC-DC 發(fā)生故障，即使這意味著包含一些無(wú)壓力的監(jiān)控和電源共享組件。 離線(xiàn)備份是一種選擇 另一種替代方案是離線(xiàn)布置，其中一個(gè) DC-DC 關(guān)閉或空閑，并且在主 DC-DC 發(fā)生故障時(shí)物理地接通（圖2）。這可能是一種更簡(jiǎn)單的布置，無(wú)需選通和均流所需的組件。然而，主 DC-DC 提供滿(mǎn)載，并且比在線(xiàn)布置承受的壓力更高，從而增加了故障率。由于離線(xiàn) DC-DC 在正常運(yùn)行中不會(huì)“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(xiàn)或離線(xiàn)配置能否全面提高系統(tǒng)可靠性將取決于應(yīng)用細(xì)節(jié)。使用未通電的備用設(shè)備進(jìn)行離線(xiàn)操作的一個(gè)缺點(diǎn)是，您必須相信在緊急情況下需要時(shí)它會(huì)通電。為了確保這一點(diǎn)，需要定期切換到第二個(gè) DC-DC，并且可能需要定期交換初級(jí)和次級(jí) 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(jì)算。也許最大的問(wèn)題是任何轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)都是單點(diǎn)故障——如果是機(jī)械的，它自然會(huì)具有很高的固有故障率。如果是電子的，則會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)極低的故障率。
圖 2：“離線(xiàn)”布置中的冗余 DC-DC eVTOL 輔助電源軌發(fā)電的實(shí)際實(shí)施 轉(zhuǎn)子的主電池將處于相對(duì)較高的電壓，類(lèi)似于電動(dòng)汽車(chē)，以在高功率水平下保持電流可控。這意味著中間總線(xiàn)電壓可能是 24V 或 28VDC，由門(mén)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(jī)，因此噪音可能相對(duì)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?chē)峙�。典型的系統(tǒng)可能看起來(lái)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(xiàn)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(hù)、浪涌控制和軟啟動(dòng)。另一個(gè)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(wú)關(guān)。這是在功率下降后切換的，以相對(duì)較小的電容值提供延長(zhǎng)的保持時(shí)間。 所示的下游 DC-DC 來(lái)自 Gaia，在本例中具有高達(dá) 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(gè)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(yuǎn)程感應(yīng)、電壓微調(diào)、開(kāi)關(guān)功能以及安全保護(hù)功能，包括輸出過(guò)壓和過(guò)流、過(guò)溫和輸入欠壓。所述 Gaia 的 DC-DC 為航空電子級(jí)、封裝、PCB 安裝，額定溫度高達(dá) 105°C 以適應(yīng)環(huán)境，并提供貼殼冷卻選項(xiàng)。 結(jié)論 由于 eVTOL 市場(chǎng)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(guò)適當(dāng)監(jiān)控進(jìn)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(shí)最大限度地降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。具有良好記錄的 Gaia 等零件也將是實(shí)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 |
