下一代飞机将比从前更环保、更可持续。第一架电动、氢动力和混合动力飞机计划于2035年投入商用。不是每一项技术都成熟到几乎100%零排放或适用于所有范围。因此，工程师从电池、燃料电池、氨、氢燃烧和可持续航空燃料(SAF)等方面来考虑各种技术应用，其中可持续航空燃料(SAF)已经使用了一段时间，主要是与普通煤油的混合物。

我们离实现行业碳中和目标还有很长的路要走，但我们已经走上了正轨。如此重大的转变需要行业和供应商花费时间来调整。根据不同技术需要，必须建立和扩大供应链，以满足未来从源头到终端使用的需求，包括发电、储存和运输。

但是有哪些区别呢

除了类型、储存技术和它们的固有属性，最大的区别在于它们的状态或燃料转换的状态。虽然SAF、氨和氢可以在常规喷气发动机中燃烧(氨和氢需要新的燃烧室设计)，它们也可以用来驱动发电机发电。氢，以及氨，可以用于燃料电池发电，当然，还有电池。还可以直接燃烧产生推力，正如几十年来喷气发动机做的那样。而电力对航空航天工业来说相对较新，至少对于大型飞机的推进。

对于航空航天业来说，最大的变化是由于技术的差异，需要对从燃料/能源储存到终端用户(电动机或喷气发动机)的整个推进系统进行彻底的重新思考。整个飞机的集成也将不得不改变，对开发团队和新式飞机的认证来说都是未知和挑战。

那么电机和电动飞机复杂在哪里

总所周知，电机已经存在很长时间了。在自动扶梯、电梯、其他电动机器和电动汽车中已经使用了大约十年。飞机面临着与电动汽车几乎相同的挑战，不同的是，与飞机相比，汽车在旅途中停下来的问题简直是微不足道的。考虑到新技术的应用，航空航天业将面临越来越多的审查，并将应用冗余系统。自从手机电池燃烧的丑闻以来，采取预防措施很有必要，特别是在航空领域。

让我们更近距离地看一下航空航天工业中的技术和需求。无论能源是来自燃料电池还是电池，提供的都是直流电(DC)，而电机需要交流电(AC)才能运行。将直流电转换为交流电，需要一套逆变器，如果不需要冗余，和所有关键系统一样，每个电机至少需要一个逆变器。

逆变器是电力电子模块的一种。电力电子设备处理电能转换，通常利用功率半导体进行固态开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物场效应管(MOSFET)。小型飞机的电机功率为400千瓦至1兆瓦，商用喷气飞机的电机功率约为2兆瓦(2台1兆瓦的电机)。对于大型飞机来说，要么有几个发动机分布在机翼上，要么有几个更强大的发动机。作为对比，保时捷Taycan Turbo S在短时间内的超增压功率为560千瓦，其系统电压为800 V，由于功率很大，电流为700 A。

这意味着，根据飞机的系统电压，有很多电力通过电线（也称为母线）从电源运行到电机。电力电子设备通常位于两种地方：

1.  在机身电源附近

2.  安装在发动机附近或上面

这将影响冷却方法以及通过母线的电流类型。如果逆变器是在机身，交流电通过母线运行到电机。如果逆变器靠近或在电机上，那么直流电通过母线。这也会对母线及其冷却有影响。甚至有研究使用低温氢(在大约-250°C到-260°C)来冷却母线，使用正确的母线材料时，使它们超导。如果绝缘没有做好，这样的低温也会影响他们周围的环境 。附近的材料会对其耐用性产生负面影响。

图1  IGBT逆变母线电磁仿真

交流母线也会产生磁场，这就带来了母线和环境之间更多的热与电磁挑战。许多人可能还记得那些老式的汽车，你的手机上每接到一个电话，你的汽车收音机扬声器就会发出断断续续的嗡嗡声。这是由绝缘不良的电线造成的，手机的电磁辐射会产生电流，导致扬声器嗡嗡作响。不过这是一个很好的提醒，说明你的电话很快就会响！

更不用说电机本身，它需要满足航空航天工业的要求。这一切都始于电机的设计，其中有许多电机拓扑可供选择。每种技术都有优点和缺点，所以工程师要做出正确的选择，并在详细模拟仿真的帮助下尽可能减轻弊端，以最佳方式改进设计。因此需要对电机冷却进行低频电磁和热仿真，这可能需要研究各种冷却方法。

但是这么多年过去了，难道我们对电子电力还不够了解吗

我们了解，正是因为我们了解，才更需要在航空航天领域考虑更多，以实现适当和安全的应用。通过Simcenter测试解决方案，工程师可以对逆变器中的IGBT和MOSFET等电力电子器件进行功率循环测试。这种功率循环测试通过对器件在寿命周期内进行老化试验，然后测量其热阻和结构，以查看器件由于结温波动，在何时以及何处开始产生降级。从而获得有关器件寿命和失效的重要信息，有助于改进设计。

这种由于材料之间的热膨胀系数不一致或材料老化降级引起的热-结构应力会造成组件的热结构之间产生分层，类似于橡皮筋会因温度变化而变脆。与此同时，热界面材料(TIM)或其他层也会降级。如果你想了解更多，请在于资料下载专区http://www.simu-cad.com/down-1883.aspx进行延伸阅读。

图3 为结构函数和Simcenter Power Tester测量的IGBT器件。展示从0到35000次循环过程中，由于器件降级导致结构函数变化。随着热阻增加，器件经历了从die attach层降级到最终失效

除了热效应外，这种高频开关的电磁干扰(EMI)对其设计、在电源电路中的实现及其环境也有影响。就像前面提到的汽车扬声器一样，这种干扰会导致系统连接的电子设备出现故障。Simcenter工具可以模拟这种效果，以便尽早更改设计。

图4 采用SmartCell网格划分技术，获得的液冷IGBT模块的热仿真结果

通过电梯发动机等应用，我们可能已很了解这些器件了，但在航空航天应用中我们将面临着更严格的规则和法规。工程师们希望确保它们在不影响其他组件的情况下，以安全的方式最佳地工作。在进行热、结构、电磁干扰等类型的模拟仿真时，工程师们需要始终关注测试方面的事情。

那么，乘坐电动飞机安全吗？

它和乘坐其他任何飞机一样安全。工程师们正在努力使飞机尽可能安全，Simcenter仿真和测试工具可以帮助工程师应对航天新时代的新挑战。

如您对热仿真与热测试产品和解决方案感兴趣，想了解我们的方案如何能够帮助您，以及什么产品适合您，敬请联系上海坤道SimuCAD。