混合动力及全电动飞机已渐成新趋势

联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

近日，2019年巴黎航空展（Paris Air Show 2019）圆满落幕，其中全电动飞机“爱丽丝”（Alice）备受关注。该飞机一次可承载9人，充电一次最多可飞行1000km左右，飞行高度达3000m以上，其尾部设置有一个主“推进式”螺旋桨，两边翼尖上亦设置了螺旋桨，均由电池供电。

在巴黎航展上，以“爱丽丝”为代表的全电飞机成批出现，代表航空界正在进行着一场动力变革。随着对环境保护、安全飞行、客户舒适和节能等更高的要求，以及电池技术的快速发展，人们开始对飞机的一次能源系统（发动机）进行革命：①对现有发动机提高效率、降低燃油消耗，因而产生了飞机发动机的电力混合动力技术，使发动机燃油消耗大为降低，发动机效率大为提升；②对现有发动机进行彻底革命，用电动力来推动飞机，产生了飞机的电力推进技术，即电动飞机技术。

据了解，飞机燃油的能量密度大约为12700kW·h/kg，而目前电池能量密度最大也只达到500W·h/kg，且还不具备足够的可靠性以满足高要求的航空旅行安全标准。因此，在电池能量密度尚未达到所需要的能量密度前，从传统的发动机驱动到电力驱动需要一个过渡方案，即电力混合动力推进技术。

通过将燃气涡轮与电力技术相结合，采用能量密集的液态燃料的燃气涡轮，混合动力技术可以实现新型飞机发动机的无噪声和高效电力推进。传统燃气涡轮航空发动机的总体效率为35%~50%，但混合动力电推进系统通过结合两个或更多功率转换器，有可能进一步提高发动机的效率，同时电力推进系统还可以降低发动机的噪声。目前，该技术已广泛应用于多种民用航空及军用航空中，如波音787系列飞机、空客A380和A350系列飞机以及美国F-35战斗机等。

现在，产业界已加快了创新的步伐。英国航空发动机制造商劳斯莱斯（Rolls-Royce）收购了德国西门子公司（Siemens）的电动和混合电动航空业务；美国联合技术公司（UTX）计划和国防承包商雷神（Raytheon）合作，将于2022年推出油电混合飞机；空中客车（Airbus）也计划在2022年以前实验混合动力飞机。

当前，电池主要用于辅助动力，特别是在起飞的时候。国内外研发重点多半集中于能在飞机起飞和爬升过程提供电动推力的混合动力引擎开发。据瑞士银行（UBS）预估，到2040年飞机用混合动力引擎的销售额将达1780亿美元，至于电动垂直起降飞行器（eVTOL）市场将在2030年达到2850亿美元。

电力电子技术和电池技术的进步使得电力推进技术成为可能，电池的储能密度每年都在快速地提升，油电混合、多电到全电飞机技术将经历一个逐步发展的过程。

相关研究显示：电动飞机中电力推进系统的效率要比燃油发动机的效率高2~3倍，电力推进系统功重比（kW/kg）要比燃油发动机的高出许多，电力驱动飞机将使得飞机的机动性和实用性更强、飞机电力系统的故障模式将更为清晰，它降低了飞机系统的导线重量、提高了系统效率、减少了全生命周期成本、降低了飞机排放噪声，使得飞机派遣率更为有效。

据策略咨询公司Roland Berger数据显示，2018年正在研发的电动飞机数量增加约50%，达到170架。到2019年底，这个数字可能会增至200架。此外，瑞典和挪威计划到2040年将所有短程航班更换成全电动飞机。如同电动汽车的发展轨迹一样，在全球环保强力诉求下，当前航空界的发展正在全面向全电动飞机的方向飞驰。