电动飞机发动机和逆变器测试的更多挑战

航空航天测试要求在飞行前对所有电气和机械系统进行严格的可靠性测试和验证。HBK eDrive系统提供了帮助。

Electric power testing test center industries 600p

近年来，人们对电动飞机和采用更多电动技术的飞机越来越感兴趣，其中包括新型纯电动飞行器、无人机、硬式飞艇，以及配备高效电动组件的传统飞行器。由于航空航天测试的特性以及系统的高度复杂性，对这些系统和组件进行验证面临诸多挑战。航空航天测试要求，飞机及机载零部件投入飞行前，必须对所有电气与机械系统开展严苛的可靠性测试及验证。许多能够实现高可靠性水平的技术，同时也给设计和测量带来了技术挑战。

与陆地应用相比，使用多台电机或多相电机将导致系统复杂度更高。本文将详细探讨电动飞机测试中面临的一些挑战，以及 HBK eDrive系统如何帮助克服这些挑战，其中包括试验台搭建、高复杂度测试、高频功率测量、机电测试和高压测试。

HBK eDrive 功率分析仪具备独特的功能，使其成为开发和验证电动飞机动力总成的理想测量系统。eDrive 解决方案简化了测试复杂性，使得用户能更快速地进行测试，并为测试过程提供高度可追溯性。它通过记录大量电气和机械通道的连续数据，然后实时处理这些数据以计算功率和效率。

电动螺旋桨评测所需的测量数据

许多早期的全电动推进系统都采用一个或多个电动螺旋桨作为主要推进源。虽然许多机构将电力推进视为一种新型的交通方式，但另有机构致力于证明电力推进相较于内燃机推进更具能效优势。为此，各个公司必须确保其飞机的整个动力传动系统具备极高的效率。他们还希望实现最大的效率，以延长车辆的续航里程。要得出一个总效率数值，并确信该数值足以支持飞机飞越特定航程，就需要对动力传动系统的所有组件进行全面测试。对于电动螺旋桨而言，这将包括一个或多个逆变器、电机和螺旋桨。

此类推进系统的电动力总成如图1所示。有一个电源，它向逆变器提供电压和电流。逆变器接收交流或直流电，并将其转换为变频交流电压和电流。虽然汽车和工业应用中的交流电源通常为三相，但在航空航天领域，出于冗余考虑，采用六相、九相甚至更多相的电源已变得非常普遍。多相电流将为电机供电，电机输出转矩和转速以驱动螺旋桨旋转，从而产生气流和推力。要测定系统的整体效率以及各组件的效率，必须测量上述所有参数。

图1：电动螺旋桨试验台的组成部分

要计算螺旋桨效率，需要测量推力和气流参数。除常规电机测试所需测量的扭矩、转速、电压与电流外，还需开展上述多项测试，这对测试系统提出了更高要求：多数可精准测量电功率或旋转机械功率的设备，无法同步采集计算螺旋桨效率所需的额外信号。由于所有信号时间对齐，通过单台设备对整套链路进行一体化连续测量，可获得更准确的测量结果。

设计试验台时，灵活性和进行各种测试的能力应优先考虑。电动力总成的完整验证，不仅要包含测功机负载测试等传统电机验证项目，还需完成包括螺旋桨及其他机械部件在内的整套螺旋桨效率验证。图2中所示的拟建试验台旨在进行完整的螺旋桨效率测试；不过，它也可以与传统负载相结合，进行深入的电机/逆变器分析。该试验台包括用于安装推进系统的刚性支撑结构、用于测量推力的测力元件、电机系统、扭矩传感器、联轴器，以及用于安装螺旋桨或载荷机的安装支架和附件组成。该试验台将配备用于测量多相电流和电压的外部传感器和用于监测空气动力学的外部传感器组成。可以很容易地添加用于温度、噪声或振动的其它传感器。如图1所示，这些传感器可直接集成到单个 eDrive系统中，以进行简单有序的测试。

电动螺旋桨测试程序

电动螺旋桨测试包括对动力传动系统整个工作范围的特性分析，以准确评估其效率；这意味着必须正确分析螺旋桨的整个飞行周期，才能获得准确的航程数据。该飞机还需应对飞行过程中可能出现的干扰和故障。为了表征这些不同的效率和工况，测试将涵盖启动、起飞、稳态以及可能出现的扰动工况。这些状态将各自关注不同的值。电机启动过程会检测设备的动态性能，包括效率和功耗。稳态分析可在不同空气密度下评估效率，并能排除干扰。故障测试旨在分析故障发生的原因、过程，以及系统在故障期间的表现。

图3展示了一个测试示例，该测试在电动螺旋桨测试中综合考虑了所有这些工况。如测试开始时非线性功率所示，螺旋桨的启动过程呈现出非常明显的非线性特征。随后，螺旋桨会在稳定状态下运行一段时间，然后才需要抑制扰动。这三项功率的下降表明发生了扰动。当出现导致螺旋桨停转的故障时，试验即告结束。

这对工程师来说是一次极具价值的测试，因为它能连续数分钟显示原始信号和功率水平的测量数据。工程师将能够精确控制诸如启动和故障等工况，从而能够利用实际负载对系统进行校准和调试。动态功率数据使工程师能够了解整个飞行过程中的效率。最后，采集故障数据以及故障发生前的全过程时段数据，能够帮助工程师诊断问题并完成整改优化。

图 2：电动螺旋桨动力总成测试台。Park 2018

能够通过一个系统完成所有这些测试，并准确记录所有电气和机械信号的数据，将大大简化测试流程。由于功率测量的特性，对整个系统及动态功率进行表征，并非像听起来那么简单。功率测量，特别是效率测量，必须与逆变器交流波形在同一时间周期内进行平均计算为此，所有机械和电气数据均需在同一时间戳下采集，并按同一时间段进行平均。这一点稍后会详细讨论。

此类系统级测试有助于理解系统级交互，并为进行组件级优化和设计变更提供准确的信息。

系统级测试还面临着多台设备效率、控制以及温度和振动特性分析等额外挑战，这使得测试要求更加严苛，需要涵盖多种输入参数和计算。eDrive 系统允许用户在较长时间内持续测量所有这些信号，从而加快开发进度，并简化设置流程。

图 3：包含启动、稳态、扰动和故障的动态螺旋桨试验

用于系统测试的简易软件安装与配置

除了测量各类信号以完成电动航空推进系统测试外，还会涉及多种设备或复杂程度更高的设备，例如齿轮传动级或冗余逆变器。若要搭建一个更复杂的测试环境，可能需要投入大量精力，将硬件和软件与更传统的系统进行集成。除了能够测量大量通道和多种信号外，eDrive 系统还配备了功能强大的软件，可简化设置和可视化操作。

无人机就是一种复杂系统的典型代表，它配备了四个或更多电机和逆变器，每个电机和逆变器都有各自独立运行的电压和电流参数。每台电机、逆变器都有独立效率，但同时也影响子系统的效率以及整个系统的效率。这给测试工作带来了挑战，因为这是一种独特的动力总成，使用场景较为罕见，且可能没有专门针对此类配置或特定组件问题而设计的测试设备。除了单纯的测量数据外，用户可能还希望获得动力总成的图形化展示，以便向管理人员或客户展示。

eDrive 系统通过将大量通道数据整合到单个数据采集单元中来解决这些问题，并配备了一个名为 eDrive Creator 的软件图形用户界面（GUI），用户可以通过该界面设计独特的动力总成配置。通过拖放模块来定义动力总成组件、输入和输出，并设定待计算的效率值。这使得包含多个功率级或功率器件的复杂结构变得易于分析。eDrive 生成器会自动生成用于实时计算的功率和效率方程。在多通道系统中，这将减少硬件和软件的配置，并缩短后期处理时间。

图4展示了一个由电池供电、配备四个电动螺旋桨的无人机测试装置示例，该装置安装了监测仪器，用于研究控制器的功能和效率。无人机电池的电能被输送至四个逆变器，将直流电转换为交流电，供四个电机使用。在此次测试中，工程师们旨在分析无人机起飞过程中的功率和效率。为此，他们需要测量每组逆变器/电机组合的功率和效率，以及整个系统的总效率。“eDrive Creator”窗口会显示每个动力总成组件、其名称以及系统总效率，从而为用户提供直观的反馈。当用户点击一个或多个图块时，将看到一个显示区域，可在其中查看该组件的各个信号。

图4：在eDrive Creator中，可视化展示四电机无人机大型测试装置的整体架构。

图5展示了一架四旋翼飞行器在其中一台电机失效时的起飞示例。我们看到其中三路通道的有效电压与电流均出现上升。其中两个螺旋桨状态稳定，但略有动态变化；而第三个螺旋桨则剧烈变化，试图补偿故障机器的影响。此类测试有助于了解系统控制器在正常运行或发生故障时的运行状况。

像四旋翼飞行器这样的复杂测试，与其他测试一样，也需要可视化展示和记录。配置完成后，计算公式将在下一次测试中部署并执行。所有记录的数据和实时计算的数据都会被存储，只要硬盘空间充足，用户即可执行并查看完整的测试（例如系统动力学测试），且不会出现数据丢失或需要触发事件的情况。

这些显示界面不仅能向用户实时反馈测试过程中的情况，还允许用户在测试结束后回溯查看，以便进行审查和验证。此功能是 eDrive 软件的原生功能，可让用户频繁更改测试设置，而无需花费大量精力重新配置测试计算机。

图5：测试过程中，四台无人机螺旋桨电机的有效电压与电流图形化展示。

对现代测试而言，可视化并存储实时计算数据是必不可少的。因此，eDrive 系统采用了实时公式数据库（RTFDB），该数据库在 DSP 上以离散时间方式执行所有方程。在实时运行功率、效率、控制及其他方程后，这些数据将被存储并可供可视化和反馈使用，从而最大限度地缩短后处理分析时间，消除显示延迟，并向自动化系统提供反馈，以实现全自动测试或HIL仿真。

在上例中，螺旋桨效率可以直接通过测量获得，也可以通过计算与测量相结合的方式获得。RTFDB 利用传感器输入、常量和方程来显示和记录任何数值。用户可以访问DSP，来定义自己的运算公式。此外，该功能还支持通过EtherCAT或CAN总线广播测试数据，以便向自动化系统提供实时反馈。在试验台上获得实时反馈，使操作员能够演示并执行上述各种测试以及HIL测试。

结合测得的旋转功率、交流电功率和直流电功率，工程师只需通过一次测试和一套系统，即可评估整个系统或各组成部分的效率。

高基频功率测试

在电气化领域，有一种趋势是采用更高极数和更高基频的设备，这给功率测量带来了挑战，因为以往的设备都是针对50-60赫兹进行调谐和额定设计的。对于许多工作频率在数百赫兹或千赫兹的航空航天应用而言，这是远远不够的。eDrive 系统通过周期检测算法解决了高基频测量的问题，该算法能够处理高达数十kHz 范围的基频。逐个周期地采集测量数据，即使频率发生变化，也能确保功率计算的准确性。这一点在风扇测试中尤为重要，因为没有负载设备来固定转速。图6展示了一个基本频率波动的高频测试示例，其中电机的基本频率在345 Hz至350 Hz之间波动。

周期检测算法会对 DSP 中的电流进行滤波，并确定过零点。它利用这些过零点来确定用于功率和效率计算的半周期时间。该操作在DSP上以半周期速率实时完成的。在半周期内进行计算，即使基频并非静态，也能实现精确的动态测试，或对非常高分辨率的稳态效率测量进行平均处理。

eDrive 系统还具有记录所有瞬时数据的额外优势，因此用户可以对结果充满信心，并在需要时进行复现。如果测试过程中出现问题，记录的数据可作为故障排查的依据，并允许用户在软件中重新运行测试，从而避免浪费时间和资源重新进行测试。

图6：高频基频和效率测量

飞机的机电一体化测试

在电动推进测试中，机械输出可以呈现多种形式。这可能是螺旋桨产生的推力和气流，也可能是机器发出的噪音，或是飞机的振动模式。了解电气现象与机械输出之间的相互作用，对负责动力总成、NVH、可靠性及耐久性的设计工程师而言具有重要价值。振动是飞机推进试验台上的一个重要测量指标。不同的速度和负载会导致不同的振动程度。变频器的开关与控制策略也会影响电机的振动，这进一步凸显了将振动、转矩和PWM信号相互关联的必要性。

加速度计还可以帮助确定故障或逆变器控制变化将对系统结构产生何种影响。eDrive 系统不仅能记录所有加速度计及其他机械信号，还能提供非常精确的功率测量数据。正因如此，eDrive系统是同时进行多项测试的理想解决方案。

图7展示了一个风扇电机测试的示例，该图将电压、电流、力及振动数据整合在同一张图表中。这展示了在飞机型式试验中，NVH测试与动力总成测试如何同步进行并相互关联。NVH团队和动力总成团队均可访问完整的数据集，以便了解问题发生的原因以及测试过程中的各项条件。

图7：电风扇测试，其中测量电压、电流、推力和振动

高压

提高系统的电压等级具有吸引力，因为这可以降低电流及相关损耗。高电压的弊端在于，它不仅会受到高度效应的影响，还存在各种安全隐患。HBK在高压测量领域拥有悠久的历史，在开关设备及雷击试验方面积累了丰富的测量高压及高压瞬态信号的经验。由于涉及人员安全、设备安全、精度和噪声等问题，这些测试变得极具挑战性。借助各种技术，eDrive 系统能够安全、准确地进行这些测量，这些测量结果可用于前文所述的功率计算，或用于分析雷电冲击或电晕放电等瞬态现象。高压测量的一大独特特点在于采用光纤解决方案，该方案能在测量端将信号数字化，并通过光纤电缆传输回数据采集系统。这使得该系统对操作人员和设备而言都是安全的，并具备很高的抗干扰能力。

结论

电动飞机的测试面临着独特的挑战，包括复杂程度、测量项目数量以及信号类型的多样性。除了信号数量之外，电动飞机还通过采用更高的电压和频率来突破技术极限。使用 HBK eDrive，即可轻松、快速且准确地完成测量。

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来源

Park, D., Lee, Y., Cho, T., & Kim, C.(2018).太阳能高空长航时无人机的螺旋桨设计与性能评估。《国际航空航天工程学报》，2018年，第1–24页。

关于作者

Mitch Marks，业务发展经理——eDrive Testing
Hottinger Brüel & Kjær A/S

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电动螺旋桨评测所需的测量数据

图1：电动螺旋桨试验台的组成部分

电动螺旋桨测试程序

图 2：电动螺旋桨动力总成测试台。Park 2018

图 3：包含启动、稳态、扰动和故障的动态螺旋桨试验

用于系统测试的简易软件安装与配置

图4：在eDrive Creator中，可视化展示四电机无人机大型测试装置的整体架构。

图5：测试过程中，四台无人机螺旋桨电机的有效电压与电流图形化展示。

高基频功率测试

图6：高频基频和效率测量

飞机的机电一体化测试

图7：电风扇测试，其中测量电压、电流、推力和振动

高压

结论

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