摘要：在电动飞机的研发热潮下，电气系统的设计和要求都发生了较为显著的变化，如何把握电气系统在电动飞机平台上的发展技术路线和其关键技术成为电动飞机平台研发中的重要问题。本文通过借鉴汽车平台、运载火箭平台上电气系统的发展趋势，结合航空电气系统的发展，提出了在电动飞机架构下电气系统的变化及其发展趋势。最后，提出了相关关键技术。

关键词：电动飞机;电气系统;趋势对比;关键技术

引言：电动飞机的发展，大致分为两个阶段，第一阶段是以多/全电飞机的发展为标志，即是使用机上电力系统对原有次级功率的替代，部分或全部取代原来的液压、气压、机械等系统;第二阶段以电推进技术的发展为标志，以电机带动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生前进动力的飞机，电机电源来自蓄电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容或无线功率传输等。

汽车电气系统的发展过程

目前行业内普遍比较认同的是博世提出的汽车电子电气架构演进趋势[1]，该演进趋势包括3个大阶段和6个小阶段，3个大阶段依次是分布式电子电气架构，域集中电子电气架构，车辆集中电子电气架构。每个大阶段又包含2个小阶段，从而形成了6个小阶段，依次是模块化、集成化、集中化、域融合、车载电脑和车-云计算[2]。

1.1第一阶段：分布式电子电气架构

该阶段的特点是功能模块化，并在此基础上有一个小规模的升级，在架构上减少了功能单一的模块，将车辆功能小范围向其他控制器中进行融合。

局限性在于功能控制模块的独立开发，虽然确保了模块自身的功能要求，但在CAN总线通信的传输信号带宽有限，导致了资源无法共享，运算资源浪费。

该阶段特点是模块化、通信有限、模块之间有很高的壁垒。

1.2第二阶段：域集中电子电气架构

该阶段逐渐的特点是逐渐脱离了模块化软件与硬件捆绑的限制，引入了车载以太网高速通讯，形成了“域”的概念。

域划分以功能为导向，通常分为动力总成域、底盘系统域、车身电子域、智能座舱域及智能驾驶域。该架构将核心复杂算法集成在域控制器中，不仅大幅减少了冗余软件的开发量，还大大精简和优化了其他控制器。

1.3第三阶段：车辆集中电子电气架构

该阶段的特点是电子电气架构从以系统功能为导向转变为以位置区域为导向，由中央车载电脑和多个区域控制器（Zone ECUs）组成。

以位置区域为导向的电子电气架构采取就近原则布线，可减少车辆线束敷设的长度，从而减轻重量，降低成本，但随之而来的是控制软件的开发难度加大。

运载火箭电气系统技术发展

2.1运载火箭电气系统基础架构

运载火箭电气系统主要负责实现飞行过程及地面测试过程中的导航制导控制、参数测量、遥测遥控、供配电管理以及故障诊断功能，是运载火箭运行的大脑中枢和神经网络。

2.2运载火箭电气系统的发展阶段

电气系统基础架构约束了电气系统功能的实现方式，规定了单机设备的物理形式和功能划分，是决定运载火箭电气系统性能的关键。

因此以基础架构的变化为标准，可将其划分为以下几个阶段。

1） 第一阶段：特点是箭上设备种类和数量多，规模庞大，可靠性低，自动化程度低，使用维护复杂。

具体表现为箭上设备仅实现某种特定功能;采用28V母线体制，容量百W级;设备之间采用模拟信号传输，软件少，规模小。

2） 第二阶段：特点是模块化设计、定制化开发、点对点数字传输，软件配置多，但功能相对单一。箭上电气系统的设备复杂，依旧采用28V母线体制，容量百W级，部分功能系统之间存在冗余，规模庞大，使用维护成本高，设备定制化程度高。

3） 第三阶段：特点是各系统独立、模块化设计、定制化开发、总线互联。电气系统在电池容量和数据通信架构上有所升级。

虽然仍旧采用28V母线体制，但总容量增加到+kW级。箭地之间采用LCDS高速传输，设备之间1553B数字总线进行信息传输。每个软件配置包含多项功能，软件规模中等，部分功能采用操作系统进行管理。

4） 第四阶段：特点是统一规划、轻质高效、高速互联、智慧自主。电气系统将传统控制、测量系统进行一体化设计，统一电子架构、统一供配电、统一数据总线，系统高度集成，性能大幅提升，箭上设备数量、重量、体积大大缩减，接口简化，箭上电缆显著减少;具备自适应控制、自主故障诊断和容错处理、子级独立测试、轨迹重规划等复杂功能。

电动飞机电气系统发展趋势

3.1电动飞机背景下电气系统的发展趋势

随着航空技术和其他科学技术的迅速发展，飞机性能有了大幅度提高，用电设备迅速增加，电源功率不断增大，致使电网重量过重，驾驶舱十分拥挤，而且带来维护性、扩展性和可靠性差，自动化程度低、响应速度慢，这就严重影响了飞机整体性能的提高。

随着电动飞机的发展，传统的电气系统从功能定义、设计方式和验证方法各个方面都已经显得无法适应，而随着机上电能对液压、气压、机械等二次功率的统一，现阶段的电气系统所包含的内容也发生了变化。

通过借鉴运载火箭和汽车平台电气系统的发展规律，可以发现类似的复杂运载工具上电气系统的发展呈现出比较一致的以下显著特征：

1） 控制智能化趋势：从汽车平台电子电气架构和运载火箭电气系统的发展可以看出，其功能控制都经历了分立式、模块化、控制集中化、自动化进而智能化的过程。

随着机上用电负载大量增加，只能依靠计算机实现对负载进行自动管理。而通过固态功率控制器SSPC和机电功率控制器EMPC实现对负载的控制、状态检测、故障隔离及系统重构是电动飞机电气系统的基本需求。

然而随着飞机电气化程度的加深，电控技术的成熟，大量的机载设备和控制单元势必要依赖更加高效和经济的控制模式，所以控制自动化是电动飞机发展的必要阶段。

2） 通信网络化趋势：从汽车平台电子电气架构EEA和运载火箭电气系统的发展可以看出，随着技术的进步，通信都经历了从模拟信号到数字信号的转变，通信带宽逐渐增加，通信数据量由少量到海量，通信方式由点到点通讯到总线通讯进而网络化的过程。

传统的电气系统与通信系统的耦合并不强，但随着飞机电气化的发展，机载设备、传感器、控制器的增加会带来巨量的数据，飞机、系统、设备、传感器、控制装置之间的数据交换和通讯畅通是飞机电气化、数字化的基础。

3） 软件定义硬件趋势：从汽车平台电子电气架构和运载火箭电气系统的发展可以看出，箭/车载软件在最初阶段都是处于很边缘化的位置，只能够实现简单的功能，且数量很少。随着技术的进步，其所控制的对象逐渐由与安全无关的娱乐系统逐渐开始进入与安全高度相关的驾驶系统，在汽车平台上更是出现了“软件定义汽车”的趋势。

软件控制的对象越来越多，其体量和规模也越来越大，这是电气系统在电动飞机背景下发展的必然趋势。

4） 设计一体化趋势：电动飞机背景下的电气系统从电能角度看实际上是一个多变换器的电力电子系统，从控制和信息角度看是一个由微处理器构成的计算机网络。

无论从哪个角度，都离不开控制、通信和软件三类技术之间的互相支撑。随着模块化软件与硬件捆绑的逐渐脱离，控制向着自动化、智能化的方向发展，软件向着集中化、集成化方向发展，而通信能力和效率的提升为这种发展提供了支撑。控制技术需要依赖复杂的软件算法得以实现自动化、智能化;软件通过控制技术的进步而形成更加复杂的算法、更多的功能和更大的体量。

3.2电气系统的发展趋势的特点

综上所述，电动飞机电气系统设计问题具有高维多目标、高维设计空间、多约束、多学科以及多层次嵌套等特点。

高维多目标：电气系统的设计是一个复杂的工程问题，包含可靠性、维修性、重量、成本和电能质量等多个设计目标，计算复杂度较高。

高维设计空间：电气系统设计参数包含网络拓扑、各部件容量和能量分配的相关参数等，构成了高维的设计空间。

多约束：电气系统的设计必须遵循一定的规则，因此其设计必然受到设计参数、状态参数和目标参数等多个约束的影响，加剧了求解过程的复杂性。

多学科：电动飞机电气系统设计及其优化问题涉及动力、电、机械、液、气、热等多个学科和子系统，各学科、子系统和设计问题之间相互作用和影响，导致系统参数互相耦合，需要权衡设计。

多层次嵌套：电气系统设计是一个两层嵌套决策问题：上层通过系统的改造影响能量分配路径的选择，属于静态设计问题;下层则依据设计者的投资决策去选择效用最大的路径，属于动态设计问题。此外，系统的静态设计又是一个多层嵌套决策问题：顶层通过对改变子系统间的拓扑结构改善系统性能;底层通过部件/器件工艺技术的选择提升系统性能[4]。

所以设计人员需要借助数字化、智能化的一体化设计手段才能解决上述问题，降低系统的设计难度。

电动飞机电气系统关键技术

2.4机电一体化设计（机电综合技术）

传统飞机机载设备相对分散、独立的控制和管理模式使得硬件利用率低、连线错综复杂，无法满足电气化发展对可靠性、重量和损耗的需求。通过机电一体化设计，在架构层面可以更合理的进行资源协调分配，功能层面可以通过通用化设计有效提高资源的有效利用，而部件层面则可以显著提高飞机可靠性，同时降低维护成本。

各机电子系统除要满足自身的功能外，还要从飞机整体出发，综合考虑机、电、液、热等多方面，基于优化的思想，权衡系统性能参数，实现电气系统功能、能量、控制和物理4个方面的综合设计，形成一个综合化系统，根据飞机不同状态自动调整系统，实现飞机系统功能、性能和成本最优化[5]。

在机电一体化设计中，主要的关键技术是电气系统智能化设计平台，主要包括：多学科建模技术、 智能化多学科设计优化技术、基于虚拟显示的分布式仿真验证技术。

目前，国外的先进机型已经开始采用机电综合控制系统，使每个机电子系统完成资源的协调分配、故障后系统重构、飞机综合健康管理等任务。与国外的先进水平相比，中国还需要开展更深入的研究工作。

2.5能量管理和热管理技术

多电飞机的用电设备发生了很大的变化，这就向飞机电能管理提出了新的需求，不仅需要稳态功率的管理，也需要瞬态功率的管理，以减小用电设备功率大幅度突变时对供电系统性能的影响，并且还要合理和高效地使用电能，减小电源和配电系统在新的条件下的体积和质量。

另外，所有电气设备工作时都产生损耗，并转为热量。而多电飞机的发展，复合材料大量采用，飞机飞行速度的提高，借助开口引进冲压空气也受到了限制，飞机散热条件不断恶化，从而使机内设备局部温度急剧升高，甚至会导致设备的损坏，因而多电飞机的热管理的迫切性也大幅度增加。实际上，热管理也是能量管理，即无法做有效功的那部分能量的管理。

飞机热管理系统将调动各种因素（如冲压空气和储热设备等）使飞机的每个部件的温度处于合理的范围以内。显然，最重要的是，要提高电气设备的效率，减小能量损耗。最近几年，国内外正在大力开展多电飞机能量和热管理的研究，为多电飞机的进一步发展创造条件[6]。

参考文献：

[1] NAVALE V M， WILLIAMS K， LAGOSPIRIS A， et a1. （R） evolution of E/E Architectures[J]. SAE International Journal of Passenger Cars： Electronic and Electrical Systems， 2015，8（2）： 282-288.

[2] 张政. 车辆电子电气架构演进趋势研究[J]. 汽车文摘，2021（12）： 29-33.

[3] 张宏德，彭越，徐利杰等.运载火箭箭上电气系统基础架构研究[J].计算机测量与控制，2022，30（1）：147-153.

[4]王莉，戴泽华，杨善水，等.电气化飞机电力系统智能化设计研究综述[J].航空学报，2019，40（2）：522405.WANG L，DAI Z H，YANG S S，et al.Review of intelligent design of electrified aircraft power system [J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinic，2019，40（2）：522405（in Chinese）. Doi：10.7527/S1000-6893.2018.22405

[5]郑伟，解向军.先进战斗机综合机电系统试验技术研究[J].飞机设计，2010，30（5）：31-35.

[6]严仰光. 多电飞机与电力电子[J].南京航空航天大学学报，2014，46