《Aerospace》：Key Technologies and System Integration for More-Electric Aircraft Power Systems: Research Progress, Challenges and Future Directions
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航空业占全球碳排放总量的2%。随着全球碳排放持续增加，多电飞机（MEA）概念近年来被提出以降低航空业排放。MEA发展趋势是用更多电气部件替代传统液压、机械和气动部件，消除部分非电能的使用。本文从MEA的背景和概念出发，介绍了其基本概念与架构，以及机载电气系统的
航空业占全球碳排放总量的2%。随着全球碳排放持续增加，多电飞机（MEA）概念近年来被提出以降低航空业排放。MEA发展趋势是用更多电气部件替代传统液压、机械和气动部件，消除部分非电能的使用。本文从MEA的背景和概念出发，介绍了其基本概念与架构，以及机载电气系统的能量供应需求。综述回顾了高功率密度电源、能量利用、热管理、机载储能和故障安全方面的研究进展。通过对比现有技术成果，本文识别了发电、功率变换、热管理和储能之间的相互作用，分析了它们对机载电力系统质量、任务能耗和供电可靠性的影响。利用MEA与电动飞机推进（EAP）之间的功能差异，厘清了二者电气技术的共同基础及其应用条件。最后，本文明确了MEA发展的优先方向，包括发电与变换设备更高的功率密度和效率、轻量化热管理、能量回收和高比能储能，以及智能电源管理、故障后供电恢复、电池安装防护和适航符合性验证。
论文主体内容总结如下：
2. MEA功能范围、系统架构与任务需求
本节界定了MEA的功能范围，即以发动机起动、飞控作动、环境控制、防冰和刹车等机载功能的电气化为主要特征；而电动飞机推进（EAP）则利用电能产生推进推力，包括全电、混合电和涡轮电等构型。两者均使用电机、功率变换器和储能装置，但负载功能与任务需求不同。论文指出，电气化改变了功率传输和指令传输方式，电传飞控（FBW）通过电信号传输控制指令，而功率电传（PBW）通过电缆传输作动功率。电液静压作动器（EHA）由电机驱动局部液压泵，通过液压缸提供机械输出。传统飞机通过机械、液压、气动和电气分支为机载设备供能，而MEA将更多功率传输任务转移到电网，在负载端保留必要的液压、气动或热转换。起动发电机将电能转换为发动机轴上的机械功，并将轴功转换为电能。在供电架构方面，交流供电主要有恒速恒频（CSCF）、变速恒频（VSCF）和变频交流（VFAC）三种形式。在役商用MEA采用不同的电气化路径，如波音787采用每台发动机两台250 kVA变频起动发电机和235 V变频交流供电，而空客A380和A350保留发动机引气和部分中央液压功能。MEA电力系统分析必须明确负载功能、运行阶段和故障后供电能力要求。
3. MEA电力系统关键技术
3.1 机载发电与起动发电一体化技术
本节研究起动发电一体化技术，即同一电机既用于发动机起动又用于机载发电。绕线转子同步起动发电机已应用于波音787，永磁起动发电机利用转子永磁体产生磁场。发动机起动能力受可用电源容量和其他机载负载供电安排的约束。在励磁能力与电源容量的协调权衡方面，研究了三相励磁在相同转子磁场电流需求下的最小输入电压和最小输入视在功率，发现两者出现在不同供电频率。在起动电流、损耗优化与状态估计方面，采用最大转矩电流比（MTPA）控制确定满足给定转矩所需最小电枢电流的工作点，并研究了电流频率（I/f）控制向基于转子位置估计的磁场定向控制（FOC）的转换。在宽转速范围电压调节与功率接口方面，研究了变速绕线转子同步发电机的电压调节，结合电磁、冷却和结构分析进行设计验证。故障后输出与热限制方面，研究了旋转整流器故障诊断、多三相绕组容错结构以及绕组温升对持续供电能力的限制。
3.2 功率变换与配电
本节研究不同电压等级、交流频率和功率流向的匹配问题。在电压接口与隔离需求方面，研究了双有源桥（DAB）和串联谐振变换器等隔离式直流/直流变换方案，以及高压变压器绝缘、散热和寄生参数的综合设计。在宽禁带器件与拓扑权衡方面，比较了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件对变换器损耗和设备质量的影响，研究了输入串联输出并联（ISOP）、中点钳位（NPC）和有源中点钳位（ANPC）等拓扑方案。在滤波器与功率器件集成方面，研究了将共模和差模电感集成到同一磁芯、利用母排寄生参数抑制高频噪声等集成方法。
3.3 MEA中的再生能量回收与再利用
3.3.1 EHA作动响应、损耗控制与再生能量局部吸收
本节研究电液静压作动器（EHA）的损耗控制和再生能量吸收。通过主动调节泵排量，在低速重载时降低排量以减少电机转矩需求，试验中电机铜损热量从91.9 kJ降至42.3 kJ。在能量回收电液静压作动器（ER-EHA）中，利用单向阀限制负载反向驱动，通过高压蓄能器存储液压能。对于电池供电的电机械作动器（EMA），采用锂电池和超级电容混合储能，按作动功率方向和储能荷电状态（SOC）分配功率。
3.3.2 其他母线再生方法及作动任务约束
本节研究再生功率进入共享母线的路径，包括双向起动发电机系统将多余电能转换为机械功传递给发动机轴系。对于双电机差动滚珠丝杠EMA，研究了不同卡滞故障下可用的传动模式和性能限制。实时测试模型保留了主要动力学特性，但未建模温度分布对作动性能的反馈。系统级比较表明，虽然电气供电设备比中央液压供电设备更轻，但完整EMA和EHA系统仍比伺服液压系统更重。
3.3.3 电动轮驱动与制动能量回收的工业发展
本节介绍电动滑行和制动能量回收的工业项目进展。霍尼韦尔和赛峰联合开发的电动绿色滑行系统（EGTS）在A320上完成地面演示，但倒车滑行时制动能量仍通过电阻耗散。SOG PEERS项目结合四象限电机驱动与局部储能，SUNSET项目完成了35 kW双向储能接口的实验室充放电测试。空客牵头的SONATA项目结合电动滑行和制动能量回收，开发目标为350 kW峰值功率、约56 N·m/kg比转矩的轴向磁通轮毂电机，以及15 kW/kg比功率的碳化硅功率模块。
3.3.4 空调与电气系统中的热能转换与回收
本节研究热电发电机集成到外流阀和蒙皮换热器以回收机载电气系统废热，数值分析表明蒙皮安装构型功率密度为0.382 kW/m2，总输出210 W。系统级分析表明有机朗肯循环（ORC）机组转换效率为15%至18%，比功率为1.0至1.5 kW/kg，联合循环构型可产生高达570 kW附加功率并降低总燃油消耗0.6%至4%。
