随着AAM飞机接近生产，相互竞争的充电标准凸显出来。

 

 

 

2023年秋天，行业向先进空中交通（AAM）社区提供了三种不同的充电标准。每个系统都已经开发了很长一段时间，在10月底德国奥格斯堡的Airtec 2023。Electro.Aero介绍了SAE国际工作组多年来制定电动飞机充电标准会议的最新进展。两周后，Joby和Beta公布了各自追求的不同充电系统的细节。

 

本文概述了这三种主要方法。但首先是快速回顾一下空中出租车生态系统的Uber Elevate第一个全面框架和拟议的充电系统。值得注意的是，Joby在继承了Uber Elevate的工作后，其开发的GEACS充电标准是对目前航空充电标准竞争的补充，而不是一种同质化的无效工作。

 

 

 

 

— 1 —

 

ChargePoint（Uber Elevate）

 

2018年1月，在VFS第五届eVTOL年度研讨会上，ChargePoint的Alan Dowdell提到了汽车和其他充电系统的交流和直流充电标准的差异，并希望eVTOL行业不要重蹈覆辙。

 

 

ChargePoint为Uber Elevate开发了一款2兆瓦的充电器概念

 

Uber在2017年4月的第一届Elevate峰会上宣布与自称“世界领先、最开放的电动汽车充电网络”的ChargePoint建立合作关系，以及在七分钟内增加电池储备。

 

 

这些高功率的快速充电将补充每次飞行中使用的能量，空中出租车通过在每次上下客之间持续“加满”电池至约80%的充电状态来支持数小时的运行；然后，在每次“高峰时段”出行需求激增之前，都可以充满电。

 

 

 

ChargePoint在2018年5月的第二届Elevate峰会上公布了其电动半卡车和eVTOL飞机的2MW高功率充电概念设计。为了满足性能要求，最多需要四个BMS（电池管理系统）接口和四个500A的传输电路。每个传输电路的电压范围从200伏到1000伏。为了促进自主数据和整机性能有效载荷的卸载，还包括高速数据传输。连接器必须坚固耐用，并且易于插入和拆卸。此外，连接器还支持在飞机或半卡车充电时为其提供可选的辅助液体冷却。

 

 

 

在Uber终止其Elevate计划后，可能不会采用ChargePoint的方法。

 

 

 

 

— 2 —

 

SAE国际标准（ARP6968和AIR7357）

 

SAE International（最初成立于1905年，前身为汽车工程师协会）是一个国际公认的标准开发组织（SDO），拥有240多个技术委员会，利用了近9000名志愿者的专业知识。SAE和其他SDO已经在世界各地制定了电动汽车的充电标准。

 

 

最畅销的电动汽车制造商特斯拉开发了一种专有系统，因此北美的大多数其他汽车都使用了组合充电系统Combo 1（CCS1），将上一代圆形交流插头与直流快速充电端口相结合。在欧盟（EU），强制要求使用不兼容的版本Combo 2（CCS2）（即使是特斯拉），而GB/T 20234交直流充电器是中国唯一允许使用的系统，中国生产的电动汽车是世界上最多的。日本也有CHAdeMO直流充电标准。

 

 

 

然而，2022年11月，Telsa向公众开放了其专有连接器设计，称之为北美充电标准（NACS）连接器；这就是现在公开的（草案）SAE J3400连接器。自那以后，大多数主要汽车公司都宣布，他们将为在北美销售的汽车配备NACS充电器，但马自达、三菱、Stellantis（克莱斯勒、菲亚特等）和大众汽车集团除外。欧洲的特斯拉汽车使用CCS2标准，而中国的特斯拉汽车则使用GB/T标准。因此，NACS不仅将成为SAE标准，而且将成为北美几乎所有新车都将使用的事实上的标准。

 

 

几种电动汽车充电连接器标准

 

 

 

澳大利亚电动飞机充电系统开发商Electro.Aero于2019年2月开始与SAE International合作制定飞机充电的行业标准。Electro.Aero联合创始人Joshua Portlock主持了SAE AE-7D飞机储能和充电委员会制定航空航天推荐ARP6968“轻型电动飞机导电充电连接套件”的工作，适用于高达500千瓦的飞机充电要求；预计将于2024年敲定。

 

 

 

Electro.Aero销售的移动充电装置可提供7至240千瓦的连续充电功率。这些单元可与SAE ARP6968以及汽车CCS1、CCS2和GB/T充电标准互连连接，并且这些单元可以在标准之间重新配置。Electro指出，汽车CCS充电器除非水平插入，否则无法工作，有一个带未使用AC引脚的大而重的插座，并且没有28V辅助电源；此外，还有两种独立的标准，CCS1和CCS2。

 

 

 

 

用于重型电动公共汽车和卡车的兆瓦级充电系统（MCS）可能是计划AIR7357标准的基础

 

 

尽管SAE的ARP6968连接器是基于中国GB/T直流插头，Electro.Aero强调了新标准对飞机的好处。优点包括更高的电压（高达1000伏），航空标准的28伏辅助电源在充电完成后保持开启，以实现更好的电池健康和自动化，锁一插上电源就会激活，并自动开始充电，它最多可以为1785个电池充电（比GB/T限值高出7倍）。

 

 

 

SAE委员会目前正在为需要超过500千瓦的飞机编写航空航天信息报告（AIR）。AIR7357“飞机兆瓦和极快速充电”于2020年11月启动。SAE网站阐述了其基本原理：“当前标准（AS6968、J1772等）不包括中等尺寸飞机应用的极快速充电（XFC）所需的功率水平（150至200千瓦时电池在5摄氏度或更高的温度下充电）以及不断发展的通勤和单通道概念（500千瓦时至>1兆瓦时）在2摄氏度或以上的温度下充电）。需要了解此类充电的设计考虑因素，并建立此类充电的用例，以帮助行业制定适当的设备标准。

 

 

几种电动汽车充电连接器标准

 

与ARP6968在物理上基于GB/T汽车标准的方式类似，AIR7357标准目前正在探索利用充电接口倡议（CharIN）e.V.为重型电动公交车和卡车的汽车兆瓦充电系统（MCS）开发的耦合器，尽管SAE J3271仍在进行这项工作。值得注意的是，这种讨论依赖于流体冷却充电电缆来实现35-A以上，但流体不通过三角形充电插头。由于MCS/J3271尚未最终确定，航空级AIR7357仍处于早期开发阶段；预计几年内不会最终定稿。

 

 

 

FlyOne多年来一直在商业运营一支双座电动Pipistrel Alpha Electro训练飞机机队。它使用便携式外部空调，通过管道连接到电池进气口，在澳大利亚的夏季高温下冷却电池——温度通常超过35°C——这避免了电池在充电时过热，并减少了容量下降。与液冷系统相比，这种解决方案更简单、更轻、更可靠，维护成本更低，因此应尽可能考虑小型飞机的机外空调。

 

 

 

 

 

— 3 —

 

Joby航空（GEACS）

 

Uber在2020年投资了Joby，然后剥离了其Elevate计划，将人员和知识产权转移给了这家空中出租车公司。凭借从Uber近五年的UAM研发中吸取的教训，Joby专注于快速充电，以及在多组冗余电池系统中促进最佳电池调节的充电方法，以最大限度地提高其飞机的生产力，旨在使其尽可能保持在空中，赚取收入。

 

此外，为了安全和冗余，Joby在机翼和前动力短舱中分布了四个分离、隔离的电池组，在过去十年中重复了其设计，并开发了最初计划的专有系统。2023年夏末，Joby决定向世界开放其全球航空充电系统（GEACS）规范；也许这是因为越来越多的整机即将获得认证，并看到特斯拉的例子，开放了一个允许eVTOL基础设施发展的标准，或者其他商业原因。Joby开始接触其他eVTOL原始设备制造商（OEM），其他几家公司表示对Joby的集成方法感兴趣。

 

 

 

Joby于11月7日发布了GEACS规范概述。Joby说，这种方法的关键是“集成电池调节、安全和高速数据卸载的好处，有望满足FAA提出的安全和网络安全要求，以及同时为多个独立电池组充电的能力。隔离电池模块和这些其他功能将导致“较低的认证负担”，尽管其他人质疑冷却液和高压充电线的接近程度。

 

 

Joby GEACS集成充电连接器

 

 

 

Joby的GEACS可能在SAE AIR7357标准内与MCS竞争，因为它仍处于早期信息报告阶段。为了在重量和充电时间上高效，兆瓦级飞机可能需要机外液体冷却来进行电池调节。

 

 

 

Joby发布了一份关于其充电系统技术细节的传单，强调了其方法和优点，称以太网连接确保了飞机生成的大量数据可以快速安全地下载。流体联轴器和电连接器的设计可最大限度地减少连接和断开的复杂性和作用力。

 

 

 

此外，GEACS包括与外部温度控制源交换冷却液，从而在整个充电周期中将机组电池组保持在理想温度，而不需要完整的机载热管理系统。这与飞行前的预处理一样，能够在对电池寿命影响最小的情况下进行快速充电。它被设计为通过其两个通道中的每一个输出150–1000 VDC和高达300 A；由于Joby S4有四个电池，它一次需要两个连接器，每个连接器同时为两个独立的电池组充电和冷却。

 

 

 

当然，还有残余液体的重量（“带防腐剂的去离子40%乙二醇”），以及飞机内的泵和控制器。另一方面，对于需要快速充电的UAM任务，如果充电连接器中没有集成液体冷却系统，则必须连接一个单独的系统来循环冷却剂，例如，可能会用空气将液体从飞机电池系统中冲洗出来。此外，不需要快速周转的小型电动常规或短距起降（eCTOL或eSTOL）飞机可能完全不需要液体冷却。感到意外的是，Lilium宣称自己的eVTOL飞机经过精心设计，不需要外部冷却。

 

 

 

 

 

— 4 —

 

BETA技术（CCS）

 

总部位于佛蒙特州伯灵顿的Beta在过去几年里一直对其充电基础设施计划和进展直言不讳。除了A250 eVTOL和CX300 Alia eCTOL飞机的飞行测试原型外，Beta还在2019年推出了其首个安装带机组人员休息站、办公空间和储能电池的高架着陆台。Beta已经建立了一个由15个充电站组成的网络，从佛蒙特州到佛罗里达州或阿肯色州，并于2023年10月驾驶Alia进行了3200公里的飞行，前往美国空军的杜克机场。Beta明年将在东海岸和墨西哥湾沿岸以及加利福尼亚州的55个额外地点安装充电器，并计划继续扩大充电网络。

 

Beta一直在为其电动飞机使用CCS1标准，一直在安装多模式充电站，这些充电站可以用于飞机或汽车。Beta的充电模块也设计为高达1000 VDC，持续320千瓦的功率输出将在50分钟内为ALIA飞机充电。

 

 

 

Beta现在还有一个Mini Cube，设计为独立的3级直流快速充电器，可与所有CCS整机（包括空中和地面车辆）一起使用，提供60A、40kW的连续输出功率。

 

 

 

Beta的Alia、Archer的Midnight和许多非VTOL AAM公司在体系结构上存在重大差异。虽然Joby有四个独立的电池组，但其他公司选择了并联电池架构进行充电。Alia和Ampaire EEL eSTOL试验台等设计的座舱下方有电池组，让人想起特斯拉的“滑板”配置。这有助于更好地连接外部冷却系统。Beta有一个与充电器分开插入的热管理系统，这使OEM在设计冷却系统时具有更大的灵活性。

 

 

 

11月7日，Beta和Archer发布合作，加快在整个电动航空行业采用可互操作充电系统，并主张将基于CCS的标准用作eVTOL充电的单一全球标准。

 

 

Beta的CCS1连接器插头

 

 

 

GAMA于2023年8月发布题为“充电基础设施的互操作性”报告，该报告由13家AAM公司签署。签署方指出，虽然充电需求将随着时间的推移而变化，但这里的重点是共享、兼容或可互操作的基础设施优势，并承诺在北美使用CCS1插头，在欧洲使用CCS2插头。尽管两个插头在没有适配器的情况下相互不兼容，但充电器将使用当地CCS标准与所有飞机进行互操作。

 

 

 

EUROCAE标准ED-308的标题为“VTOL充电基础设施指南”，于2023年2月发布。该文件包括对垂直起降的eVTOL充电基础设施的最低要求。该技术标准确认CCS2（欧盟授权标准）适用于电动飞机充电，是“一种现成的解决方案。作为第二步，一旦该标准得到充分描述和成熟，该文件的未来发布将把范围扩展到MCS。

 

 

 

 

 

 

— 5 —

 

向何处去？

 

全球至少有10种不同类型的电动汽车插头配置在被积极使用。Wisk Aero表示，虽然其最初的飞机使用CCS1标准，但Wisk还设计了与Joby所展示的非常相似的系统，以用于其生产的eVTOL飞机。

 

 

很明显，在未来AAM基础设施中安装的充电器方面存在不同的选择。如果其他OEM认为将冷却液集成到充电连接器中更好，那么像GEACS这样的产品可能会得到更广泛的使用。如果不是这样，北美的CCS1和欧洲的CCS2可能在短期内成为无处不在的飞机充电插头，直到ARP6968可能成为国际公认的标准。时间会告诉我们，它们是否会在中短期内和平共存，未来是否会有一个统一的兆瓦级充电耦合器，或者AAM运营国家是否会有某种政府授权的标准，就像欧盟和中国的电动汽车一样。

 

 

 

最初的OEM决策总是以整机为中心，SAE标准则是由充电制造商制定的，他们有许多飞机制造商作为客户来广泛支持。理想的解决方案是，最佳的整体充电标准将在国际上得到普遍接受，而不是针对国家或整机。

 

 

 

原文作者：Mike Hirschberg