一套eVTOL混动架构：峰值功率与冗余怎么兼顾

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电动垂直起降飞行器的功率需求并不均匀。垂直起降需要高功率，水平巡航所需功率明显较低；与此同时，推进、电源和配电系统还要在单一故障后维持安全飞行和着陆。把这两类约束放在一起，系统设计就不能只讨论电池能量密度或发电机效率，还要同时处理峰值功率、持续功率、储能余量和故障后的供电重构。

背景：

高峰值功率与one-fail-safe

要求同时存在

电动化使VTOL构型拥有更多电推进组合，也把电气系统推到飞行安全链路的核心位置。相关适航要求强调动力、能源和电气系统需要具备冗余，使飞行器在单一故障发生后仍能继续安全飞行和着陆(one-fail-safe)。如果简单复制电机、电源和配电设备，冗余可以增加，但重量、成本和尺寸也会同步上升，进而影响整机设计。

另一项约束来自飞行周期本身。垂直起降阶段需要较大的瞬时功率，水平巡航的持续功率较低。若所有电源都按垂直起降峰值配置，会出现明显的容量冗余。若仅依靠电池承担全程能量，又需要同时兼顾峰值输出和续航。混合动力架构因此需要解决两个问题：不同阶段如何分配功率，以及单个部件失效后如何保持供电。

当前存在的问题：

能量管理与安全冗余

容易彼此叠加

常见处理路径包括两类。一类在电池包层面增加较复杂的能量管理，通过专门模块细化电池工作点；另一类增加电力生成源，让发电源主要承担水平推进，把电池更多留给起飞和着陆。前者提高了储能侧控制复杂度，后者能够减轻巡航阶段的电池负担，但单一故障后的持续供电仍需要额外设计。

问题的核心在于，正常能量管理与故障冗余如果分别设计，系统很容易出现重复配置。电池需要为峰值功率留余量，发电源需要承担持续功率；同时还要为母线、推进组和电源故障准备备份路径。单纯增加第二套相同设备，会直接增加质量和成本。更合适的做法，是让正常飞行时的电能分配网络在故障后也能承担重构供电功能。

解决方案：

用可重构配电网络

连接两类电源

如图1所示，基础构型由两组水平推进系统、四组垂直推进系统、四组储能单元和一套发电源组成。每个垂直推进组包含一对旋翼、两台电机、对应逆变器、一组电池和独立电气母线。两组水平推进系统通过切换装置接入不同垂直推进组的母线输出。发电源通过两路功率变换器接入两条配电母线。这样，推进、电池和发电源处于同一套可重构网络内，同时保持分区隔离。

图1 混合动力电气架构及可重构配电关系

这套架构把两类电源按功率特性分工。示例中，四组电池在100%输出条件下合计可提供600 kW，发电源额定输出为80 kW。发电源可以采用涡轮发电机，也可以采用氢燃料电池等电力生成方式。推进需求高于发电源输出时，电池补足差额；推进需求低于发电源输出时，剩余功率用于充电。电池由此成为高功率、较短持续时间的能量缓冲，发电源承担较低功率、较长持续时间的供能。

如图2所示，垂直起飞阶段总功率约680 kW，其中电池提供600 kW，发电源提供80 kW，电池SOC由约75%~95%降至55%~70%。向水平飞行过渡时，功率由约680 kW逐步降至80 kW，SOC继续降至约10%~30%。进入水平巡航后，推进功率约80 kW，电池原则上停止放电；发电源维持运行，未被推进系统消耗的功率用于给电池充电。下降阶段推进系统不消耗功率，发电源可继续充电，使SOC恢复到100%。

图2 典型飞行周期中的功率与电池SOC变化

为便于比较各阶段的功率水平与SOC区间，图3按相同示例参数进行了可视化整理。返程由水平向垂直过渡时，功率约升至340 kW，SOC由100%降至约85%~95%；垂直着陆结束后，SOC约为75%~90%。在这一示例飞行循环中，落地后的电量回到接近下一次起飞所需区间，因此并不要求每两个航班之间都进行地面充电。

图3 典型飞行周期功率需求与SOC区间

控制侧也尽量降低电池的主动调度负担。如图4所示，功率控制首先根据推进需求决定发电源工作点。发电源尚未达到目标输出时，电池补偿电流缺口；发电源满功率后仍不足时，电池继续补足差值；当发电能力高于推进负荷且电池需要充电时，剩余功率进入电池。电池保留常规BMS功能，用于保护和状态反馈，其余功率平衡由系统电气关系自然完成。

图4 发电源与电池之间的功率控制逻辑

安全冗余依赖故障隔离和供电重构。如图5所示，垂直推进组发生电气故障后，接触器可切除故障支路，二极管用于限制故障向外传播，另一垂直推进组的储能可以通过切换路径继续为相关负载供电。示例工况下，电池可提高到约100 kW输出，发电源允许短时间运行到110%~120%，用于补偿约80 kW的失效功率。若发电源失效，则四组电池承担维持飞行所需的功率；若一组水平推进系统失效，剩余水平推进组提高输出，电池承担突然增加的功率需求。

图5 垂直推进组失效后的隔离与供电重构示意

这套设计把正常能量管理和单故障安全放进同一套母线、开关和储能体系中。80 kW级发电源覆盖水平飞行和充电需求，600 kW级电池侧功率覆盖垂直起降峰值；故障发生后，原本用于功率分配的母线和切换装置转为备用供电路径。发电源按持续功率与充电需求定尺寸，电池按垂直起降峰值、过渡段能量和故障储备定尺寸。80 kW、600 kW、680 kW和340 kW均属于示例工作点，实际设计需要根据具体飞行任务重新匹配。