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全电动飞机和火车会是下一步吗?

2022-02-04 07:53:57 Bill Schweber 阅读:
毫无疑问,过去几年中,电动汽车(EV)从基本元器件到系统级架构的方方面面都得到了极大改善。虽说全电动汽车没有成为消费者首选得到广泛使用,但也可以利用了,不妨合理思考它们的一些技术能否适用于其他交通运输方式,如飞机、火车和汽车中的任意一种?

毫无疑问,过去几年中,电动汽车(EV)从基本元器件到系统级架构的方方面面都得到了极大改善。虽说全电动汽车没有成为消费者首选得到广泛使用,但也可以利用了,不妨合理思考它们的一些技术能否适用于其他交通运输方式,如飞机、火车和汽车中的任意一种?ndvednc

(注:2020年,“纯”电动汽车约占美国汽车销量的2%,在其他地区的销量略高,但相差无几。至于2年、5年和10年后的数据如何,专家和汽车制造商对此预测不一,有人表示到2030年电动汽车的销量会达到50%,其他人认为还差得远。依我看,你做的预测同样可信。)ndvednc

以电动汽车推动发展,为重新思考其他交通方式开辟了道路,因为电动汽车的进展可以被借鉴和调整。这是技术进步的正常连锁反应,为相关领域(有时甚至是不相关的领域)创造了新机遇。电动汽车在电池、电池管理、电机、电机控制等领域进行的研发、评估、量产和道路测试,推动了其他交通方式的电气化技术。ndvednc

例如,人们对电动空中出租车重燃兴趣,这是一种用作短途旅行的垂直起降(VTOL)飞机。传统直升机通常是一个主旋翼带一个尾桨(用以抵消主旋翼所产生的反扭矩),空中出租车则不同,其目前实际运用的装置类似于一台具有分布式推进系统的小型无人机。这种设计在飞机的延长臂上安装了四个、六个或更多个小型独立电机和螺旋桨。电力充足,能对电机进行自由布局、设计和控制,是传统直升机所无法做到的。ndvednc

当然实际上要复杂得多。如果发动机发生故障,传统的固定翼飞机能滑行一段距离,而传统的直升机可以自转旋翼(持续一段时间),产生足够的升力,许多情况下尚能着陆。然而,这些空中出租车没有这样的升力面,如果发动机失灵,只会“像石头一样”滚落。因此,额外的可靠性和冗余尤其重要,因为一旦断电将迅速酿成灾难。ndvednc

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图1:Joby Aviation公司的六发动机电动垂直起降飞行器(eVTOL),尝试将发动机倾斜90°做从爬升/下降到向前的运动,以期获得直升机和飞机所具备的优势。(图片来源:Joby Aviation)ndvednc

其中一些空中出租车通过倾转旋翼来结合固定翼和旋翼二者的优越性。Joby Aviation公司的六发动机eVTOL采用了这种设计,如图1所示,该设计也应用于军方的V-22鱼鹰式倾转旋翼机,属于非电动VTOL。虽然“鱼鹰”飞机的诞生困难重重——主要由于液压油会在倾转的衔接处泄漏——但相比之下,在对其转子发动机输电电缆进行“扭转”时要容易得多,尤其是它们只需旋转90°。ndvednc

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图2:Pipistrel Aircraft公司的Velis Electro飞机和许多小型飞机外形相似,不过它是全电动的。(图片来源:Pipistrel Aircraft)ndvednc

但为什么要将电动飞机限制在空中出租车呢?也有用小型飞机试验,如图2中Pipistrel Aircraft公司的Velis Electro飞机,以及图3中Eviation公司的Alice飞机。两者都是为较短的飞行里程和适中的载客量而设计。ndvednc

当然,美国国家航空航天局(NASA)和其他公司有更宏大的想法。如果你有了一架全电动的小型飞机,也许就能造一架更大的电动飞机?难题这就来了。虽然一些技术进步很好地扩大了规模,但电动飞机的体积却没变大。大型飞机(假设是波音787梦想客机)所需的电量远远大于电池容量。ndvednc

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图3:相比之下,Eviation公司的Alice飞机具有极为时尚的未来感设计和发动机布局。(图片来源:Eviation)ndvednc

需承认的一些基本数据如下:波音787的大型煤油涡扇发动机的功率约为12,000Wh/kg,而性能顶级的锂离子电池功率约为300Wh/kg,相差了40倍。就算电动飞机的电动发动机功率高于喷气式发动机,但依然任重而道远。此外,液体燃料飞机的一个次要优势在于飞机燃烧燃料时重量会减轻,而电动汽车则不然。ndvednc

火车方面如何?

空中出租车和小型飞机可能因为“炫酷”而备受关注,但如果用在更寻常的地方,电力的实际效益可能更大,此举很快也要实现了。美国的铁路可运输大量货物——其数量和比例取决于你所关注的指标——并且其效率要高于卡车运输。考虑到美国的地理距离和其他因素,这些货运列车不同于某些国家采用悬链线驱动的全电动发动机,而是靠电传动内燃机车提供动力,由车载的柴油发动机(通常为5K至12K马力)驱动交流发电机,交流发电机再输出电能驱动轴装牵引电机。ndvednc

与飞机相比,铁路的相关技术问题更有界限、更标准化、更清晰明确,这是一大优势。近期,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL,位于加利福尼亚州)研究人员所带领的团队,在Nature Energy期刊上发表了一篇论文,题为“Economic, environmental and grid-resilience benefits of converting diesel trains to battery-electric(论柴油火车转换为电池动力火车的经济、环境和弹性电网效益)”,为这些电传动内燃机车的全面电气化提供了详细建议和分析。ndvednc

该设计是在机车后方设置一辆装载电池的动力车,与牵引电机的电源子系统相连,以代替柴油发动机和交流发电机(可保留作备用)。该动力车可以是一辆经过专门设计的煤水车,也可以是一辆装载大型电池模块的平板车,可以根据需要进行升降,或用在其他地方作备用电源组,如图4所示ndvednc

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图 4:电力机车的电池可以放在一辆特制的煤水车上,或放在一辆装载可拆卸电池模块的标准平板车上(如图所示)。(图片来源:赛特科技日报)ndvednc

该论文从技术、成本和实用性多个角度审视这项提议,有理有据指出它可以节约成本和提升环境效益。我当然无法查明他们的假设(而且有多个)可能过于乐观的领域。不过我很喜欢他们所列出的一张表,显示出他们的结论对原始假设中增量的敏感性,如图5所示。ndvednc

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图5:Nature Energy上的这篇论文对其关键假设进行了敏感性分析,以确定一系列净现值(NPV)结果。(图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室通过Nature Energy提供)ndvednc

他们的提议中有几点谬误。第一批机车毫无疑问是以蒸汽为动力的,且几乎都会拉一辆装载木材或煤炭作为燃料的煤水车。因此,他们所提出的设计有些类似《回到未来》片中的理念。ndvednc

此外,不仅现实中原尺寸的火车面临机车的供电问题——哪怕是模型火车也要考虑这个问题。这些模型火车的动力,无论大小,都是通过轨道(铁轨)传到车轮,由细小的电刷接收,将电流输送到模型的电动发动机中。ndvednc

虽然让铁轨具有双重用途看似是一宏伟大计,且几乎无损耗,但实际上还是存在一些与拾取电刷有关的问题,如间歇式连接、铁轨间隙以及“反向循环”,即一条轨道回路到自身,从而产生短路。为避免这种情况,模型火车的列车长必须在火车进入环路时手动切换轨道的极性或添加一个自动的极性转换模块。ndvednc

当下一些火车模型的产品供应商,例如美国CVP公司的AirWire900电池供电的无线DCC控制系统,提供带有车载电池的系统,可装在机车后方的煤水车中,提供20~30分钟的运行时间。通过车载电池组为发动机提供动力,铁轨不仅仍作火车的行驶轨道,还解决了将轨道用作电力轨道的所有相关问题。某种程度上说,LBNL一文中的提议和分析,在更大的规模上展现了建模者的想法。ndvednc

您对全电动空中出租车、小型飞机、甚至中大型飞机的可行性有何见解?可取但不切实际?也许在十多年后得以实现?抑或是,电池能量密度的大小和相关的技术问题短期内难以克服?以及货运列车是否会先于飞机采用电池供电?ndvednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EE Times,参考链接:Are All-Electric Planes and Trains Next?,由Franklin Zhao编译。)ndvednc

本文为《电子技术设计》2022年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ndvednc

责编:Franklin
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  • “波音787的大型煤油涡扇发动机的功率约为12,000Wh/kg,而性能顶级的锂离子电池功率约为300Wh/kg,相差了40倍。”
    恕我直言:大型煤油涡扇发动机的功率密度应该对应电机的功率密度,航空煤油的有效能量密度对应锂离子电池的能量密度。

Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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