派克漢尼汾PARKER: 固態(tài)功率控制器助力未來飛行
2023-03-11 09:41:44
縱觀當(dāng)前市場，航空業(yè)正在逐步擺脫化石燃料的限制：混合動力飛機(jī)和全電飛機(jī)已成為發(fā)展新趨勢。隨著 “低排放”和“碳中和”的需求不斷增長，OEM制造商希望在保障乘客需求的同時(shí)，滿足世界各國的環(huán)保目標(biāo)––這種趨勢催生業(yè)界對多電飛機(jī)（MEA）的關(guān)注。
“傳統(tǒng)”飛機(jī)各大機(jī)載系統(tǒng)的動力主要來自于航空發(fā)動機(jī)，而“傳統(tǒng)”航空發(fā)動機(jī)消耗的正是化石燃料：
- 發(fā)動機(jī)齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機(jī)，為航電、照明和普通機(jī)艙電器等機(jī)載電力設(shè)備提供電力；
- 引氣系統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)高壓空氣為座艙增壓系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)供電；
- 發(fā)動機(jī)齒輪箱還驅(qū)動著液壓泵，為飛行控制系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、艙門作動系統(tǒng)及各類滑油泵、燃油泵等機(jī)械系統(tǒng)提供動力。
在“傳統(tǒng)”飛機(jī)的發(fā)動機(jī)子系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)部件領(lǐng)域，派克宇航已積累數(shù)十年的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。
多電化發(fā)展
飛機(jī)設(shè)計(jì)向多電化方向演變后，以上機(jī)載系統(tǒng)的實(shí)施方式也將隨之改變。無論飛機(jī)采用噴氣式發(fā)動機(jī)、混合動力、抑或全電驅(qū)動模式，其液壓、氣動、滑油、燃油系統(tǒng)以及飛控、環(huán)控、剎車等系統(tǒng)中使用的機(jī)械泵都將被電動泵和電作動器取代。
在多電化發(fā)展的初期，以上系統(tǒng)仍將依靠燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)供能；但最終，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)將被全電馬達(dá)和電池取代。這一變化將首先從通勤運(yùn)輸機(jī)和城市空中交通等小型平臺開始，最終推廣到全行業(yè)。
從氣動、液壓動力轉(zhuǎn)變到電力驅(qū)動，電力處理能力和處理效率是關(guān)鍵。多電飛機(jī)的系統(tǒng)電壓將從28伏直流電和115伏交流電上升到1000伏直流電，所需電力將由發(fā)電機(jī)和電池組共同提供，需用一套先進(jìn)靈活的配電系統(tǒng)管理電力需求。
新需求催生新方案
隨著電能供需增加，設(shè)計(jì)上須考慮短路或過載條件下可能引發(fā)的重大損害。舉個(gè)例子，如果270伏鋰離子電池發(fā)生短路，幾微秒內(nèi)短路線路上的電流就能超過2000安培。目前機(jī)上使用的典型電氣接口由機(jī)械繼電器和連接器組成，其設(shè)備速度不僅不能防止故障傳送，更可能在故障中發(fā)生不可逆的熔斷。這種現(xiàn)狀推動了業(yè)界對耐高電壓和高功率電力總線的需求。
為回應(yīng)這項(xiàng)需求，派克宇航流體系統(tǒng)分部開發(fā)了一種模塊化的固態(tài)功率控制器（SSPC）。作為獨(dú)立使用的單元，SSPC替代了原來的機(jī)械繼電器或連接器。在大型配電系統(tǒng)中，多個(gè)固態(tài)功率控制器可以整合為一個(gè)固態(tài)配電單元（SSEDU）。如果把SSPC想象成一個(gè)單獨(dú)的斷路器，那么SSEDU就是包含多個(gè)斷路器的斷路器箱。一個(gè)SSEDU可以配置兩個(gè)或更多的SSPC，每個(gè)SSPC提供一條獨(dú)立的控制通道。
利用先進(jìn)的碳化硅技術(shù)，派克宇航的SSPC采用了模塊化架構(gòu)，延展出適配多種平臺的潛力，顯著降低設(shè)計(jì)和驗(yàn)證費(fèi)用。
SSPC的部分特性如下：
- 每個(gè)通道均具備高速度、高效率、高功率密度的特性
- 高速故障緩解及總線重置
- 可編程的I2T故障保護(hù)
- 浪涌電流緩解（用于高電容輸入載荷）
- 低RDSon效率大幅提升
- 雙向和雙極SSPC選項(xiàng)
- 離散量輸入或通信總線控制
- 支持ARINC 429、Mil-Std-1553、CAN及其他總線
SSPC的倍增效益
在多通道配置中，每一個(gè)SSPC均可單獨(dú)編程，也能夠與其他SSPC組合使用，從而提供大量的電源開/關(guān)構(gòu)型。在同一個(gè)SSEDU中，可配置上電排序、電源及負(fù)載隔離、電源布線、電流雙向流從而實(shí)現(xiàn)電池充放電，且每個(gè)SSPC上的電壓、電流、溫度和其他性能與故障數(shù)據(jù)均可讀取。
派克宇航SSPC的原始概念是在配電系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)一種具備保護(hù)和控制功能的模塊，且該設(shè)計(jì)應(yīng)具有可擴(kuò)展性和靈活性。成品SSPC模塊不僅符合概念，更提供超越技術(shù)規(guī)范的額外收益：
? 減少研發(fā)費(fèi)用（NRE）和研發(fā)時(shí)間
? 減少平臺取證成本和取證時(shí)間
? 在跨平臺和應(yīng)用中，可基于通用的子部件用相似性進(jìn)行取證
? 降低對關(guān)鍵組件或關(guān)鍵供應(yīng)商的依賴
? 提升集成新技術(shù)的可行性
? 能夠在多個(gè)應(yīng)用中使用相同的零件號
派克已完成對第一代SSEDU的測試。第一代SSEDU設(shè)計(jì)為8通道，每個(gè)通道配置為270伏直流電，電流負(fù)載為20至150安培，試驗(yàn)驗(yàn)證了可程控和手動切換控制、可脫開的短路故障緩解、啟動和運(yùn)行階段過流保護(hù)、持續(xù)加載熱效率及單個(gè)通道支持雙向電流的功能。
研發(fā)中的第二代SSPC采用雙通道設(shè)計(jì)，體積更緊湊，質(zhì)量更輕，熱效率更高。全功能演示產(chǎn)品將證明，派克SSPC和SSED適合新一代多電飛機(jī)所需的各類控制、保護(hù)和拓展性部件應(yīng)用。
