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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的自然發展。然而，這些新應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航電子設備的電源。在本文中，我們將介紹一些輔助直流電源架構、它們的特性以及高可靠性和可用性的實際實現。 科幻電影展現了未來的景象，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。現在，這將成為現實，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的一部分。 當然，自 20 世紀 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動機噪音大、污染嚴重，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發展而來，但在商業實現方面存在很大差異，尤其是載客認證，特別是因為 eVTOL 飛機的目標是實現自主。這是一個新領域，沒有明確的型號核準和產品認證途徑，盡管歐洲航空安全局 (EASA) 和美國聯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、基礎設施和環境影響。 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備必須具有與任何傳統飛機相同的防護措施和容錯能力，這意味著關鍵系統的冗余。這些至少是電機和表面控制、導航和通信。所需可靠性的衡量標準是“災難性故障率”，EASA 給出的值為 10-9 每飛行小時，有時以其倒數表示，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，不會有超過一架發生災難性故障，這應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 - 假設使用壽命期間故障率恒定。對于單個飛行器來說，這相當于飛行 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 等計算標準的結果可能存在顯著差異。 量化冗余量 無論使用何種計算標準，電動垂直起降飛行器中的電子設備在沒有冗余的情況下實際上無法在使用壽命期間實現 10 億小時的 MTBF。然而，簡單的系統復制卻能帶來巨大的改進。如果故障被修復并且復制系統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，每個系統的故障率為 λ（每小時），修復率為 μ（每小時），并且飛行器至少需要 k 個系統。 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，因此只需要一個，修復時間為三小時 (μ=1/3)，λ 計算為 1.3 x 10-5 故障/小時或 MTBF 為 77kHrs，這是系統的實際數字。 監控至關重要 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，如果系統出現故障時能夠無縫切換，系統會有效地恢復到可靠性較低的系統，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實的，但由 DC-DC 轉換器產生的輔助電源軌及其固有的高內應力水平和溫度也應該被復制以實現冗余。 必須采取預防措施，確保一個失敗不會導致另一個失敗。不過，監控更加簡單，因為輸出電壓通常是預先確定的且不變。 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）。該布置的優點是可以連續監控兩個單元的運行狀況，從而確保在單次故障后繼續發揮功能。監控還必須是獨立的，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控中，例如，短路二極管可能允許“正常”功能，但如果其驅動 DC-DC 因輸出本身短路而出現故障，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 中的系統可以在沒有選通二極管和電源監控的情況下運行。這是否能帶來系統可靠性的整體優勢將取決于 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 發生故障，即使這意味著包含一些無壓力的監控和電源共享組件。 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 關閉或空閑，并且在主 DC-DC 發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可靠性將取決于應用細節。使用未通電的備用設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。任何反應延遲也可能導致輸出電壓下降。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換開關都是單點故障——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，需要仔細設計才能實現極低的故障率。
圖 2：“離線”布置中的冗余 DC-DC eVTOL 輔助電源軌發電的實際實施 轉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 轉換器生成。該電壓可能用于輔助電源系統，例如照明、執行器和小型電機，因此噪音可能相對較大，并且可能適用航空電子/軍事電源質量標準，例如 MIL 標準 1275、704、461 和 DO-160。更多的轉換器（可能具有隔離功能）將產生更低的清潔電壓，以便在電路板周圍分配。典型的系統可能看起來像 圖3。
圖 3：eVTOL 應用中的配電系統概要 這里，Gaia 轉換器 [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 的預調節器模塊可根據電能質量標準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。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調節器模塊同步。兩個同步相位可最大限度地減少輸入紋波電流和產生的噪聲。所有部件均具有遠程感應、電壓微調、開關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 以適應環境，并提供貼殼冷卻選項。 結論 由于 eVTOL 市場的標準和配置仍不確定，使用符合航空電子標準并通過適當監控進行冗余配置的現成 DC-DC 轉換器有助于加快上市速度，同時最大限度地降低開發風險。具有良好記錄的 Gaia 等零件也將是實現所需質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 |
