Convertitori DC-DC per sistemi ausiliari di potenza di alta affidabilità per eVTOL

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Convertitori DC-DC per sistemi ausiliari di potenza di alta affidabilità per eVTOL
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I velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) sono ora in fase di sviluppo per il trasporto di passeggeri e merci. In queste applicazioni, i convertitori DC-DC ad alta affidabilità in configurazione ridondante sono utilizzati per fornire energia ausiliaria ai sistemi critici di navigazione e controllo del volo. Questo articolo esamina le specifiche elettriche e meccaniche dei convertitori DC-DC che potrebbero essere necessarie per lo sviluppo dei sistemi di alimentazione ed esplora i moduli disponibili sul mercato che potrebbero essere utilizzati.

I velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) sono destinati a diventare sempre più presenti nei nostri cieli, con una fonte di settore che stima un incredibile CAGR del 52% per il mercato tra il 2023 e il 2030. Il primo velivolo completamente certificato FAA è in arrivo: Joby Aviation, ad esempio, ha superato tre delle cinque fasi richieste a partire da febbraio 2024. Si tratta di un aerotaxi con un pilota, quattro passeggeri e con sei rotori che possono essere inclinati per un volo verticale o orizzontale; può raggiungere fino a 200 miglia orarie.

I concetti di auto volante esistono da decenni, ma ora il passaggio all’aviazione sostenibile sta ”spingendo” il mercato in questa direzione. Anche i costi sono considerati un vantaggio, con tariffe previste per i passeggeri di pochi dollari per miglio, rendendo un viaggio in aero-taxi veloce, silenzioso e conveniente per i consumatori.

La principale preoccupazione è la sicurezza

Ciò che non attrae è la possibilità di guasti ai sistemi di un velivolo eVTOL. Sebbene alcuni progetti siano in grado di planare, altri non lo sono ancora, e qualsiasi velivolo è particolarmente vulnerabile durante la fase verticale di volo. Inoltre, i potenziali passeggeri diffideranno dell’obiettivo dell’industria di operare in modo autonomo. I progettisti di eVTOL sanno che in teoria questa tipologia di aereo può essere più affidabile di un pilota umano, ma solo se dimostreranno che i sistemi elettronici saranno robusti, anche dopo molteplici guasti.

Ciò significa che la ridondanza e il monitoraggio devono essere al centro di tutti gli apparati di bordo: dalle batterie ai rotori, alla rete di conversione e distribuzione dell’energia, all’elettronica di controllo del volo e della navigazione. Allo stesso tempo, qualsiasi sistema  all’interno dei velivoli deve essere il più piccolo, leggero ed efficiente possibile per ottenere la massima autonomia delle batterie. Questo si ottiene grazie a un utilizzo intensivo di apparati elettronici, attuatori elettrici e motori in configurazione fly-by-wire, che sostituisce i pesanti componenti meccanici e i relativi collegamenti tradizionali.

L’affidabilità di questi componenti e sistemi ridondanti è fondamentale e l’Agenzia europea per la sicurezza aerea (EASA) ha fissato un requisito di tempo medio tra i guasti (MTBF) migliore di un miliardo di ore per gli eVTOL. In altre parole, ciò significa un tasso di guasto inferiore a 10-9 per ora di volo. Ciò equivale, ad esempio, a non avere guasti catastrofici in undici anni di volo ininterrotti per ogni velivolo di una flotta di 10.000 unità, con un livello di confidenza ben definito. Questo risultato, ovviamente, non è praticamente raggiungibile con un singolo sistema, per cui è necessario un back up attraverso la ridondanza delle apparecchiature in caso di guasto. Infatti, quando l’elettronica è utilizzata per il controllo del volo, è necessario prevedere anche un possibile guasto parziale: se un comando a una manetta è impreciso a causa del degrado di un componente, questo può essere pericoloso quanto un guasto totale, per cui una pratica comune è quella di avere una ridondanza in linea, in cui le uscite del sistema sono sottoposte a controlli incrociati o controllate l’una rispetto all’altra in varie fasi. Per ottenere la massima affidabilità, si potrebbero utilizzare almeno tre sistemi ridondati, perché con due soli, se si registra una discrepanza, non è detto che si sappia quale sia il sistema impreciso da ignorare. Ad esempio, lo Space Shuttle originale aveva quattro sistemi di controllo di volo in linea identici e ridondanti, con un quinto come ulteriore back up.

Anche la distribuzione dell’energia deve essere ridondante

Le configurazioni di sistemi ridondanti non devono avere alcuna modalità di guasto, dei componenti o delle connessioni, che possa colpire tutti i sottosistemi insieme. Un motivo di particolare preoccupazione è relativa alla parte di alimentazione e distribuzione della potenza.

Un documento della NASA calcola che in teoria per un quadrimotore per 6 passeggeri, sarebbero necessarie almeno tre batterie per soddisfare il tasso di guasto di 10-9 all’ora, due delle quali dovrebbero essere sufficienti per un volo sicuro. Sarebbero, inoltre, necessari quattro azionamenti e motori separati per ciascun rotore, con possibilità di operare in sicurezza con due qualsiasi guasti.

Inoltre, si può prevedere che l’energia distribuita in un velivolo eVTOL sarà tutta in corrente continua, con le batterie principali a tensione relativamente alta e convertitori DC-DC ad alta potenza che generano bus a tensione inferiore,  24 o 48V, o a una tensione per apparecchiature specifiche come le luci. Altri DC-DC a livello di scheda fornirebbero le tensioni finali per l’elettronica di bordo. I sistemi ridondanti potrebbero essere completamente isolati per evitare modalità di guasto comuni, ma ciò comporta lo svantaggio che un guasto a un singolo bus di alimentazione manda in tilt l’intero sistema, costringendo a un immediato intervento precauzionale e in emergenza nel caso in cui si verifichi un secondo guasto in una qualsiasi parte del sistema rimanente. In alternativa, l’alimentazione può essere reindirizzata, tramite l’inserimento, in diversi punti dell’architettura di sistema, di diodi o circuiti di commutazione in modo che, se una linea si guasta, le altre condividono il carico e l’elettronica a valle continua a funzionare normalmente. Un pilota potrebbe, quindi, decidere di continuare a volare, sapendo quale parte si è guastata e quanto è critica. Questo sistema, tuttavia, si basa molto sul monitoraggio e la segnalazione del guasto del componente e, cosa importante, il circuito di monitoraggio stesso deve essere progettato con cura in modo da non costituire un singolo punto di guasto. Inoltre, deve essere testato regolarmente per verificarne il corretto funzionamento. L’approccio del reindirizzamento dell’alimentazione, tramite sistemi di commutazione, implica anche che ogni bus di alimentazione e ogni conversione DC-DC devono essere in grado di fornire la propria parte di corrente più quella di qualsiasi unità in avaria; quindi, ognuna deve essere sovradimensionata per il suo normale carico di funzionamento. Questo comporta un aggravio di costi, dimensioni e peso che potrebbe non essere accettabile. Il lato positivo, tuttavia, è che in condizioni normali, se si condivide la corrente, ogni DC-DC sarà utilizzato in modo soft, contribuendo a una maggiore durata e affidabilità del convertitore. La Figura 1 mostra un sistema in cui i convertitori DC-DC sono alimentati da barre di alimentazione con monitoraggio e segnali di allarme per la condivisione della corrente.

Figura 1: Convertitori DC-DC per alimentazioni ausiliarie, con sistemi di commutazione per la massima funzionalità

In questo caso, il monitoraggio deve essere in grado di rilevare se ogni uscita DC-DC è valida e se un diodo di commutazione va in cortocircuito, cosa che potrebbe non essere notata altrimenti. In questo caso, un DC-DC che si guasta con un’uscita in cortocircuito verso terra, trascinerebbe l’alimentazione di entrambi i sistemi di controllo di volo nell’esempio di figura 1. Nella figura, se l’ingresso del blocco “controllo di volo” va in cortocircuito, si interrompono anche entrambe le uscite DC-DC, per cui sarebbe necessario un fusibile o un interruttore automatico per ogni linea di alimentazione.

L’ambiente di lavoro

Essendo una nuova applicazione, non esistono standard storici per l’ambiente operativo dell’elettronica nei velivoli  eVTOL, come, invece, accade per l’automotive o l’avionica tradizionale. Tuttavia, non  significa che non ci sono necessariamente requisiti da soddisfare. Ad esempio, gli standard avionici esistenti prevedono transienti ad alta energia sui bus di alimentazione, ma nell’applicazione eVTOL questi ultimi possono essere “progettati” senza tenerne in considerazione. Inoltre, è necessario avere un certo grado di filtraggio e di protezione dai transitori. Gli standard di qualità delle linee di alimentazione potrebbero riferirsi ai requisiti militari più severi, ad esempio, alle MIL-STD-704F e MIL-STD-1275, con possibili eccezioni concordate, e la MIL-STD-461 per la compatibilità elettromagnetica.

È probabile che l’ambiente sia relativamente ostico, con effetti importanti causati da urti e vibrazioni; anche la temperatura di esercizio e lo shock termico potrebbero avere un impatto severo sui componenti. Un altro riferimento è la DO-160 che determina le “Condizioni ambientali e procedure di prova per apparecchiature aviotrasportate”, pubblicata dalla Commissione tecnica radio per l’aeronautica.

È probabile che il raffreddamento dei convertitori di potenza si basi sulla conduzione attraverso piastre di raffreddamento fino al telaio del velivolo, poiché le ventole sarebbero troppo inaffidabili e i livelli di raffreddamento per convezione sarebbero difficili da garantire, oltre a richiedere dimensioni maggiori della meccanica del DC-DC. In ogni caso, i convertitori devono essere altamente efficienti per ottenere le minori dimensioni meccaniche possibili e la massima affidabilità, a fronte del minimo aumento della temperatura interna e. quindi. del minimo spreco di energia. Con la variazione dell’altitudine, dell’umidità e della qualità dell’aria, sarebbero da preferire i componenti incapsulati.

Un esempio di soluzione per la conversione DC-DC su scheda nei velivoli eVTOL

 Mentre i DC-DC principali ad alta potenza che convertono la tensione della batteria su un bus da 24 o 28 V potrebbero essere progettati su misura, i DC-DC a valle, montati su scheda, possono essere scelti tra i componenti disponibili in commercio. La Figura 2 mostra una soluzione che utilizza componenti di GAÏA Converter, che ha una lunga esperienza nella fornitura di prodotti di conversione di potenza per il mercato hi-rel. Un filtro EMC, codice articolo FGDS12A100, consente di essere conforme allo standard militare MIL-STD-461, mentre il modulo di pre-condizionamento LHUG150 taglia i picchi e le sovratensioni secondo la MIL-STD-1275, fornendo al contempo la gestione di un hold-up attivo che compensi i buchi di alimentazione grazie alla presenza di un condensatore esterno. Quest’ultimo viene mantenuto carico e ad un tensione alta, indipendentemente dall’ingresso. Il modulo LHUG150 gestisce carichi fino a 150W totali per tensioni nominali comprese tra 9 e 60VDC e incorpora la protezione contro l’inversione di polarità, il controllo dello spunto di corrente e l’avvio graduale (soft start).

Figura 2: Un esempio di sistema di DC-DC su scheda per un’applicazione eVTOL conforme ai comuni standard avionici.

I convertitori DC-DC con carico finale illustrati in Figura 2 appartengono alla gamma compatta MGD di GAÏA Converter, disponibile con potenze da 4 a 500W. I componenti incapsulati sono adatti per il raffreddamento a piastra fredda e sono dotati di remote sense, trim di tensione, funzione ON-OFF e funzioni di protezione che includono sovratensione e sovracorrente in uscita, sovratemperatura e buco di tensione in ingresso. L’isolamento è di 1500 V CC.

Conclusione

Le architetture dei sistemi di alimentazione per eVTOL non sono ancora state ben definite e, data l’ampia varietà di configurazioni possibili, dai piccoli droni senza pilota ai velivoli multiposto per il trasporto di passeggeri, è possibile che non esista mai un unico standard. Tuttavia, l’uso di DC-DC modulari e scalabili di un fornitore come GAÏA Converter, con la sua esperienza e le sue certificazioni nel mercato hi-rel, si traduce in una soluzione economica, sicura e protetta.

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