电动垂直起降飞行器：城市空中交通的未来

2024年5月18日 约翰·W·科拉尔,大卫·门齐，卢克·帝国利，埃利亚斯·比尔吉瑟，乔纳斯·E· Huber电动垂直起降飞机城市空中交通的未来瑞士联邦理工学院（苏黎世）电力电子系统实验室 www.pes.ee.ethz.ch 2024年5月18日 ►►►►►►►提纲从前……eVTOL 飞机概念能量 / 动力源电机技术车载电力电子超快电池充电可持续性 ●《如何操作魔法飞毯——专为“年轻或身高有限人士”设计》手册从前……■“魔法地毯”—出现在“一千零一夜”和现代文学中■悄无声息地、迅速地 / 瞬间将用户带到目的地 今天的动力●利用3D-Airspace缓解地面交通拥堵——“飞行汽车”■2015—类型。旧金山居民每年通勤花费230小时于工作与住所之间■500´000小时生产效率损失 / 单日 ● 使用3D-Airspace缓解地面交通拥堵——“飞行汽车”今天的动力■2015—类型。旧金山居民每年通勤花费230小时于工作与住所之间■500´000小时生产力损失 / 单日 ●—■■■—■—城市空中交通 (UAM)— 4x2 旋转器 | 人员舱 | 电动汽车底盘 (空中客车 & 奥迪至2019年)“按需式”UAM城市出租车 / 市内 / 城间作为主要用例的运输分布式电推进安静 / 高效 / 干净 / 安全垂直起降飞机“垂直港口）/ 没有跑道”“Pop.Up Next”模块化全电动无人机 ■—eVTOL飞机类型全电动能源供应电池或混合电池/燃料电池组合■四旋翼飞行器— 无翅 / 分配推力飞行 / 短距离■升力-推力— 翅膀 / 独立升力与推力单元 / 低复杂性■矢量推力— 翅膀/推进单元旋转以提供升力与推力 eVTOL 与 直升机• 噪音低15dB• 维护 $ 110,-/小时 (25%)• 营运成本 $ 35…70,-/小时 (20%) • 零排放• 未来完全自动化—无飞行员 • 灾难性故障1/109小时（10）-4) • 小型起降足迹 eVTOL飞机概念(1)●欧空局认证流程进行中(目标：2024)●货运VoloDrone宣布■伏尔铼斯科普特（德国）—VoloCity■18 电动旋翼 | 垂直升力与悬停飞行 | 900公斤最大起飞重量■2 乘客 | 110km/h 航速 | 36km 续航 eVTOL 飞机概念 (2)●最初使用化石燃料驱动 |过渡到燃料电池电源●小操作空间| 适用于城市区域 / 服务年限 2028 - 2030■地铁天桥 (前身为以色列都市航空有限公司)—城市鹰■2 慢速涡轮涵道风扇 | 垂直升力与水平飞行 | 最大起飞重量 2000kg■4乘客 | 280公里/小时巡航速度 | 280公里续航里程 eVTOL 飞机概念（3）●优步升华由 Joby Aviation 于 2020 年收购 / 计划商业运营2024●电池供电 | 范围扩展 w/混合燃料电池/电池架构宣布■乔比航空（美国）——乔比S4 2.0■6 倾斜螺旋桨|垂直升力与水平飞行|2200公斤最大起飞重量■4 乘客 | 320 公里/小时 巡航速度 | 240 公里 范围 eVTOL 飞机概念（4）●与汉莎航空合作 / 商业运营计划于2025年●电池技术极端要求 / 总推进功率320kW（水平飞行）■百合花（德国）—百合Jet■36 带导流罩电动风扇 | 推力矢量 — 垂直升力与水平飞行 | 最大起飞重量3100kg■6名乘客 | 280公里/小时巡航速度 | 250公里续航里程 eVTOL 飞机概念（5）●2020年成功进行载人试验飞行 / 计划进行型号认证2025●批量生产30公斤有效载荷货运无人机计划中■Skydrive株式会社（日本）—SkyDrive SD-03■4x2 电机 | 垂直升力与悬停飞行 | 最大起飞重量400公斤■1 乘客 | 50km/h 航行速度 | < 10km 续航里程 城市空中交通—任务简介●大范围— 高规格能源电池●高负载— 高规格功率 / 高倍率电池●高车辆利用率 | 低电池成本$$$ / 小电池— 快速高压充电 / 高C率 / 高循环次数■多旋翼eVTOL—大磁盘执行器→低磁盘负载 σ→高效率悬浮/低L|D→低巡航效率■矢量推力eVTOL—翅膀→高 L|D→有效巡航/低悬停效率 ●●●电池—运行要求大范围— 高规格能源电池高负载— 高规格功率 / 高倍率电池高车辆利用率 | 低电池成本$$$ / 小电池— 快速高压充电 / 高C率 / 高循环次数■多旋翼eVTOL—大磁盘执行器→低磁盘负载 σ→高效率悬浮/低L|D→低巡航效率■矢量推力eVTOL—翅膀→高 L|D→有效巡航/低悬停效率 电池技术●能量/功率密度影响有效载荷和航程 —与电动汽车相比，要求远高●H燃料电池—典型值 500…1500Wh/kg | 400…600W/kg - 取决于负载和续航里程2■The“与”-挑战—高比功率&高规格 能量&高倍率&高循环寿命■技术相互关系顺便说一句。功率规格 / 能量规格 / C率（典型5C） / 循环寿命（典型>2000）■电池包 Wh/kg — 典型值 80…90% 的电芯 5C … 12分钟1C … 1小时内充/放电soa … 当前技术水平 ● 多目标对比分析—2级（ZVS）| 多电平 | 部分功率处理拓扑燃料电池/电池电力电子接口■重叠输入/输出电压范围—升降压DC/DC变换器■设计示例—模块式150kW系统—15kW模块|U= 480…800V |U= 450…720VFC蝙蝠 燃料电池/电池电力电子接口相关分享电感线圈●多目标竞争分析—2级（SiC）f= 275kHz| 三级（氮化镓）f= 400kHz(f= 800kHz)swsw sw,eff●任务效率— 50% 爬升 / 50% 巡航 / 下降时无燃料电池动力 – DC/DC 转换器关闭●系统考虑—电池与燃料电池重量与转换器重量 –高效转换器优势■重叠输入/输出电压范围—升降压DC/DC变换器■模块—15kW |U= 480…800V |U= 450…720V |T= 80°C,T< 150°CFC蝙蝠C j γρ3η= 98.1%γρ3η= 98.8%●●—比较评估 — 2L与3L转换器2xm= 346g= 44kW/kg= 82kW/dm(mission)两级转换器m= 175g= 86千瓦/千克= 108千瓦/立方分米（任务）三级转换器试验系统功率密度高于计算值，由于3D打印冷板和夹层结构超高功率密度20kW/kg 的设计目标可通过低复杂度的两级方法实现■重叠输入/输出电压范围—升降压DC/DC变换器■模块—15kW|U= 480…800V|U= 450…720VFC蝙蝠 ●23级转换器 — 硬件演示器3D打印氧化铝HO-Cooler / 600V氮化镓电力晶体管■重叠输入/输出电压范围—升降压DC/DC变换器■模块—15kW|U= 480…800V|U= 450…720VFC蝙蝠 γ=@η=98.1%三级转换器——实验结果@额定功率86kW/kg任务■重叠输入/输出电压范围—升降压DC/DC变换器■模块—15kW|U= 480…800V|U= 450…720VFC蝙蝠 eVTOL飞机电动技术●城市客机展示者 (2020) —8x 100kW 直接驱动劳斯莱斯（西门子）先进电机技术●4x2 整流共轴螺旋桨– 低噪声 |400kg 信托/导管| 250公斤有效载荷 | 120公里/小时，持续15分钟■行业领先—30牛米/千克 | 15千瓦/千克■根据扭矩M (!)进行电机缩放 | P = M.ω–高速/功率密度与变速箱或直驱■先进/低重量径向式或轴向式电机含概念与集成磁齿轮—20kw/kg 目标 ● 充电桩2兆瓦充电连接器（最大1000V/4 x 500A）含液冷与高速数据传输超快电池充电■20%→100%对 200…400kWh 电池在 15…20 分钟内充电—■兆瓦充电系统(MCS)— 用于重型卡车 | 公交车—eVTOL飞机AIR7357标准基础 强制要求高eVTOL使用 ●→33●3-Φ 6.6kV 输入 / 350kW 基于SST的电动汽车充电器 (1)≈ 2000 × 1000 × 2000 mm功率密度0.09千瓦/分米(System)| ≈ 0.18千瓦/分米(SST/电池组，含隔离装置)-40% 占地面积 / -70% 重量vs. 基于LFT的解决方案 / 转移量降低83%■3x7 = 21 个单元格| 5kHz 1.7kV Si-IGBT AC/DC 级 |50kHz 1.7kV碳化硅1050V/400V直流/直流转换器矩阵切换输出用于 21x 17kW→■1x 350kW充电接口配置 & 级联电池均衡■强制风冷 3-Φ 6.6kV 输入 / 350kW 基于SST的电动汽车充电器 (2)功率密度→●0.09千瓦/分米3(System)| ≈ 0.18千瓦/分米3(SST/电池组，含隔离装置)●-40% 占地面积 / -70% 重量vs. 基于LFT的解决方案 / 转移量降低83%■3x7 = 21 个单元格| 5kHz 1.7kV Si-IGBT AC/DC 级 |50kHz 1.7kV碳化硅1050V/400V直流/直流转换器矩阵切换输出用于 21x 17kW→■1x 350kW充电接口配置 & 级联电池均衡■强制风冷 ● 标准化单体电池设计的缺点 & 电池可访问性要求可替代■更换耗尽电的电池仅5分钟 (!)■在受控环境下对电池进行再充电 @ 低能量 $$$ 时间段 — 更换电池 来源：https://wassafss.medium.com 城市空中交通（UAM）市场预测●行业预计将于2025年 ready for take-off—25% 预计年复合增长率● 由2050估计年营收约90亿美元(≈10亿，2030年)■160´000 乘客无人机期望2050—添加。服务/维修等的市场■900亿美元投资在1 st二零二零年的一半—20x2016年（全年） — 计划于 2024 年获得 EASA 认证的“VoloCity”认证与未来空域交互概念来源：Y.李等 | 应用于科学■美国联邦航空管理局(美国联邦航空管理局)/ 欧盟航空安全局(EASA)—法规与认证■建筑/塔楼与噪声敏感区—低空空中交通走廊及等待区域的定义 UAM比较评估(1)■研究(2015)关于城市间通勤的成本/时间—eVTOL 飞机与汽车■“按需”城市空中交通—优步直升机为1st步骤● 城际航班—垂直端口相对短偏移传输时间 |节省时间 & 高效的eVTOL利用率● 百合花—6名乘客 | 250公里续航里程 | 280公里/小时巡航速度 | 每天飞行20-25次 UAM比较评估（2）●EV和ICEV→220 Wh/乘客-英里和 1000 Wh/乘客-英里●eVTOL 飞机→130瓦/乘客-英里≈1200瓦时/乘客英里 取决于设计和载客量■eVTOL飞机提供2x … 6x更快的点到点移动方式■最高300英里续航，可搭载7名乘客，采用最新电池技术 谢谢！