2021年9月8日

绿色鼓掌|飞车和e-VTOL车辆
未来的交通减少排放

Kaushik Rajashekara, IEEE

飞行汽车和eVTOL(电动垂直起降)车辆的进步正在重塑交通运输的未来。除了帮助我们更快地到达目的地并减少道路交通拥堵外,飞行汽车和eVTOL汽车还有助于大幅减少全球交通运输产生的温室气体(GHG)排放。

有几家公司称他们正在开发的汽车为“飞行汽车”,但这些汽车不能像普通汽车那样在公路上行驶。在这篇文章中,“会飞的汽车”一词只用于指在道路上像汽车一样行驶,在天空中像飞机或直升机一样飞行的车辆。Aeromobil、PAL-V(个人空中和陆地车辆)、Terrafugia Transition和TF-X概念车都是飞行汽车的好例子[1],但此时并非所有车辆都具有垂直起降功能。2016年,只有大约六家公司在开发飞行汽车和eVTOL汽车;现在全世界有250多家公司正在进行这项工作。

由于许多提议中的eVTOL飞机将像电动汽车一样完全靠电池驱动,它们将更加清洁和安静。如果它们使用可再生能源充电,将有助于人类朝着实现零排放和到2100年将全球气温上升控制在1.5摄氏度以下的目标前进。据分析,载客量为3人的垂直起降车辆与平均载客量为1.54人的地面车辆相比,每客车公里的温室气体排放量比内燃机汽车(ICEVs)低52%,比纯电动汽车(ev)低6%。[2]

飞行汽车和eVTOL汽车也可以改变城市的发展方式,尽量减少道路和桥梁的基础设施建设,避免砍伐一些树木。在这些方面,飞行汽车和eVTOL的持续发展可能有助于改善环境[1].此外,需要建造的机场将减少,从而减少空中交通管制问题。新的组件行业将出现——电子、机械、电子、信号、控制和通信——许多其他相关学科也将形成。

定义的空间

设计飞行车或EVTOL的困难比设计小型飞机或普通汽车更具挑战性。许多EVTOL概念基于分布式电动推进(DEP) - 使用多个电动机,每个电动机旋转简单的螺旋桨,以产生高效,安静和安全的系统。垂直飞行社会定义了五类EVTOL[3]

  • 矢量推力evtol有一个机翼,用于高效巡航,并使用相同的推进系统,用于悬停和巡航。Aurora LightningStrike、Joby Aviation S2和S4以及Lilium Jet都属于这一类。S4由6个5叶螺旋桨组成,由独立的电力推进单元提供动力,其中4个位于机翼上,另外2个位于机尾。四个螺旋桨垂直倾斜,包括它的整个发动机发动机舱,两个螺旋桨垂直倾斜与一个连杆机构。新型Lilium喷气机采用分布式推进策略,在机翼和前鸭翼中嵌入36个小型电动管道风扇。
  • 升力+巡航evtol有一个机翼用于高效巡航,就像矢量推力evtol一样,但它们使用两种不同的推进系统用于悬停和巡航飞行。极光飞行科学、基蒂霍克科拉和Zee Aero Z-P2 eVTOL都属于这一类。
  • 无翼eVTOLs有多旋翼,带有大型圆盘驱动器表面,使它们在悬停时效率很高,但它们没有机翼来进行有效巡航。这些车辆适用于城市的短程操作,例如空中出租车,它可以在交通堵塞的上空飞行。这类的例子是亿航184和Volocopter 2X。
  • 气垫车是一种多旋翼飞机,飞行员坐在鞍座上或站着时,可以像摩托车一样飞行。
  • eHelos是一种传统的电动直升机。

Evtol最近的大多数发展都集中在矢量推力,电梯+巡航和无翼类型上。

独特的设计要求

地面车辆的设计要求与飞机的设计要求不同,即试图将两套飞行器系统中的两套要求组合的任务存在许多挑战。例如,从飞机到地面模式的飞行汽车的过渡,反之亦然必须是无缝的,以便平滑运行。而且,为了减少系统的总重量,将推进系统与道路和航空旅行相结合可能是由于不同要求的主要挑战。

还有其他重大挑战:

  • 考虑到垂直起飞、降落和逆风巡航时的大量功率需求,一次能源来源可实现最高的功率和能量密度;
  • 为给定的车辆优化推进体系结构,考虑牵引力与飞行载荷的不同,以及道路驾驶和飞行要求下飞行汽车的空气动力学问题;
  • 控制整个飞行中稳定运行的控制算法,结合推进控制器和快速响应电机控制系统来管理飞行期间的稳定;
  • 在不断变化的情况和天气条件下确定给定飞行型材的右海拔高度水平,以及由于极端天气条件,核算效果;
  • 信号,通信,安全性和可靠性问题;
  • 满足所有的监管要求,这对于公路和航空旅行来说是非常不同的。

此外,对处理数百或数千辆空中车辆需要充足的空中交通管制。并且,为了保持这些车辆安全,他们必须是自主的,并提供许多其他先进技术,例如自动巡航控制,飞行员/乘客自动弹出,非常可靠的3D视觉等。

船上力量

选择电池的主要考虑因素是功率密度,能量密度,重量,体积,循环寿命,工作温度范围,安全性,材料回收,维护和成本。满足电池重量的功率和能量要求,对于EVTOL车辆是电力和节能的必备。电池管理系统是平衡各个电池和模块的充电状态,热管理对于实现高循环寿命和长寿命很重要。目前,最佳锂离子电池提供约200WH / kg至250wH / kg的能量密度。这些电池足以用于飞行汽车,用于道路运行和带有一个或两个乘客的短程EVTOL运行。

有几家公司正在研究其他技术,可以提供比目前锂离子电池更高的能量密度和功率密度。一些公司正在研究锂硫(Li-S)电池技术。例如,OXIS Energy已经在电池水平上达到了450wh/kg,预计到2025年将达到600wh/kg (www.oxisenergy.com)。

另一种新兴技术是固态电池,其中锂离子电池中的液体电解质用固体电解质代替。据报道这种类型的电池更安全,提供长循环寿命,并具有更快的充电时间。玻璃固态电池可以具有比锂离子更高的能量密度较高的三倍。但这些电池仍在细胞层面的研究阶段,并且必须解决与技术挑战和制造有关的几个问题。Quantumsuma,Solid Power和一些其他公司正在致力于这种技术。

另一种电池技术可能是锂空气电池,理论上它的能量是同等重量的锂离子电池的5到10倍。但由于技术上的挑战和充电问题,可充电的锂空气电池可能在数年内无法投入商用。

质子交换膜(PEM)燃料电池在为飞车和纯eVTOL车辆提供所需电力方面具有巨大潜力。主要问题与氢气供应有关,并将整个系统保持在车内的安全环境中。智能能源和其他几家燃料电池制造商正在努力超越美国市场燃料电池组的能源消耗(DoE)技术目标为2kW/kg。随着储氢和燃料电池组技术的进步,氢燃料电池将在航空脱碳战略中发挥关键作用,因为它们可以有效地为飞机提供动力。

电机

电动机的选择,技术,功率密度和热管理对于实现EVTOL和飞行汽车的高效率非常重要。正在使用的电动机数量取决于飞机设计。例如,18个无刷直流电动机驱动固定间距螺旋桨排列在晶格环上的螺旋桨供电,在演示期间动力了volocopter vc200空中出租车。三十六款电机在管道翼和豆类中转动风扇,动力最近飞行的电动百合射流。但是,具有EVTOL能力的飞行汽车完全不同的配置,带有一个或两个电机用于接地推进和用于起飞和着陆的单独倾斜转子或升降机。如果是倾斜转子系统,则相同也可以用于飞行期间的前进推进。地面推进和EVTOL所需的电机在几个方面有不同的要求。虽然两者都需要高扭矩密度电动机,但EVTOL系统更喜欢高扭矩的电动机,但在直接驱动器中的每分钟(RPM)的相对较低的转速(RPM),以减少螺旋桨尖端速度和减轻噪音而不需要变速箱。

在eVTOL汽车中,永磁体(PM)由于其高效率和功率密度而得到越来越多的应用。例如,XV-24A LightningStrike的提升风扇使用了带有复合定子和嵌入式电磁导体的PM电机,以实现最佳的功率重量比。Lilium Jet还使用了具有正弦反电动势(EMF)的PM同步电机。大多数这些PM电机是正弦反电动势同步电机,将提供平稳的转矩操作。

尽管感应电机坚固耐用,技术先进,但其瞬态响应非常缓慢。因此,电机的反应时间较长,特别是对于多转子电机以及转子用于控制飞行动力学时。此外,效率和功率密度也没有粉末冶金机器那么高。

与永磁电机相比,开关磁阻电机在运行过程中噪音非常大,转矩脉动更大,效率更低,尺寸更大,重量更重。与永磁电机相比,同步磁阻电机功率因数低,性能相对较差。

PM机器将继续成为很长一段时间的正确选择,特别是对于飞行汽车和仅用于EVTOL的车辆。监控电机的条件对于检测诸如轴承,转子和定子故障的任何即将发生的故障非常重要,以及确保飞机满足高可靠性标准。

电力电子及电机控制

电力电子技术与电动汽车一样,是开发飞行汽车和eVTOL系统的有利技术。功率半导体器件、转换器/逆变器、控制和开关策略、单个单元的封装、热管理和系统集成的选择对于高效和高性能车辆的开发非常重要。

宽带隙(WBG)器件,如碳化硅(SiC)器件,具有固有的抗辐射性、高温操作能力、高压和功率处理能力、高功率效率和灵活性,最适合eVTOL系统。更宽的带隙、更大的临界电场和更高的热导率使SiC器件能够在更高的温度和电压下工作。这提供了比纯硅器件更高的功率密度和电流密度,从而实现了高功率密度转换器。

另一种WBG器件,氮化镓(GaN)器件,由于其优异的材料性能,如高电子迁移率,高击穿场和高电子速度,预计将具有比硅基器件更高的性能。然而,氮化镓器件仍然不能满足eVTOL系统所需的高功率水平。

除电源装置外,高性能控制方法,如直接扭矩和磁通控制或现场方向控制对于使用逆变器控制电机是必不可少的,用于稳定和高效的操作。

与电动汽车一样,eVTOL系统的发展趋势是将电机和逆变器集成为一个单元,以实现更高的功率密度、易于热管理、减少电缆长度(进而降低对电磁干扰的敏感性)和易于维护。例如,H3X(https://www.h3x.tech/)正在开发一种集成的、齿轮传动的、高速电机与SiC逆变系统hpdm -250。H3X表示,它可以连续提供13千瓦/公斤的电力,超过了美国高级研究计划局能源(ARPA-E)在最近授予的用于电动飞机应用的ASCEND项目中对12千瓦/公斤的要求。罗尔斯-罗伊斯开发了一种集成电机驱动器(RRP200D),输出功率为200kW,扭矩重量比约为30nm / kg (https://www.rolls-royce.com/innovation/propulsion/air-taxis.asp)。美国宇航局还资助和展示了较大且较高的功率密度电机。

其他问题

对于实际和大规模部署,飞车和仅eVTOL的车辆必须是智能、连接和自动的。为了实现这一点,必须解决这些车辆的通信和控制方面的问题。最重要的考虑是安全;快速充气降落伞、安全气囊、吸能座椅和相关功能在城市地区运行时,还必须考虑噪音因素。运行高度也起着重要作用,车辆可能必须在隐形车道上对齐。其他问题,如稳定性、空气动力推进问题、适航性、飞行试验、认证和经济性等,也需要注意离子。

运输的未来

eVTOL汽车将彻底改变未来的交通运输。这些飞机是无污染的,安全,快速,噪音非常低,他们可以设计适应不同的天气条件。随着电池技术的改进,空中出租车等eVTOL汽车将变得更加可持续,飞行距离更长,速度更快。

尽管近年来,人们越来越重视仅限evtole的车辆,但同时也在努力开发既能在公路上行驶又能在天空中行驶的飞行汽车。随着技术和基础设施的发展,像Aeromobile、PAL-V、ASKA、Terrafugia TF-X这样的飞行汽车有可能成为未来所有个人交通工具的发展方向。目前,这些都是纯内燃发动机或混合动力汽车。在未来,这些也可以转换为纯电动操作与eVTOL能力。

对这些汽车来说,充电基础设施也很重要。有几家公司正在努力开发基于可再生能源的广泛充电基础设施,这可能会显著减少公路和航空运输的排放。

在长距离飞行方面,可以搭载10 ~ 15名乘客的混合推进和垂直起降能力的小型飞机可能是未来的发展方向。这些飞机可以使用距离居民区更近的小型机场进行操作。

持续的研究和开发行业,学术界和政府全球将进一步推进EVTOL车辆的技术,使其更加可行,较长的范围和更高的性能,安全性,可靠性和更低的成本。这些车辆的进步对于帮助将全球温度升高在1.5摄氏度范围内,并降低全球变暖的影响至关重要。

IEEE终身研究员,美国国家工程院院士,Kaushik Rajashekara是休斯顿大学电气与计算机工程系的杰出教授。他获得了2021年的IEEE奖章环境和安全技术进步”贡献的交通电气化技术减少排放和提高能源效率”在2021年IEEE视野,创新,挑战峰会(IEEE维克峰会)&纪念仪式。


参考

K. Rajashekara, Q. Wang, K. Matsuse,“飞行汽车-挑战和推进策略”,IEEE电气化杂志,第4卷,2016年3月,第46 - 57页。乐动体育集团

[2] Akshat Kasliwal,Noah J.Furbush,James H.Gawron等,“飞行汽车在可持续机动中的作用”,《自然通讯》,第10卷,2019年,第1555条。

[3] Alessandro Bacchini和Enrico Cestino,“电动VTOL配置比较”,MDPI航空航天,2019,6,26。