电动飞机型号研制周期紧、飞行试验成本高、试飞风险难以完全规避。动力系统（含能源系统、电源系统、电驱动系统）在地面充分验证之后，型号才能进入首飞，这是行业普遍采用的研制节奏。本文的演示对象是其中的电源系统，即能量通路上 DC-DC 与 DC-AC 两级功率变换。

地面验证要处理的问题可以概括为三类：

能量通路上各级变换器在真实工况下能否稳定工作；

控制器、保护逻辑、上下电时序在故障注入条件下能否正确响应；

多个子系统联合运行时，电磁兼容、热分布、机械振动等耦合效应是否落在可接受范围内。

实物系统在地面难以逐项复现这些问题：故障工况往往伴随破坏性，无法在样机上反复施加，全工况扫描的成本与周期难以承受，试验条件本身也难以做到严格可重复。仿真因此成为电动飞机型号研制中的关键工具，价值在于支撑和优化实物试验决策，减少无效迭代。

二、电源系统的位置与两级变换

电动飞机的能量通路可以简化为：电池组→DC-DC 变换→高压直流母线→逆变（DC-AC）→电动机→螺旋桨（涵道风扇）。按源、网、载三段来看：电池组与能源系统为源，高压直流母线为网，电机与机载交流负载为载。链路上有两级功率变换，各自承担不同的职责。

电动飞机能量通路俯视示意图.png

图 1电动飞机能量通路示意

（1）DC-DC 环节：把随 SOC 大幅变化的电池电压变换为稳定的高压直流母线，是源与网之间的接口；

（2）DC-AC 环节：把直流母线逆变为驱动电机所需的交流电，并兼顾机载交流负载，是网与载之间的接口。

（3）两级变换器同处能量通路的咽喉位置，其状态直接影响母线电压稳定、电能质量、动态响应与故障穿越能力。相比传统飞机，电动飞机的电源系统在以下三方面的要求更为严格：

（4）为多台电驱动电机提供稳压母线，单台电机的功率波动会在母线上叠加，对母线动态带宽与抗扰能力的要求高于传统飞机；

从同一母线取电的二次电源（飞控、航电、舵机、液压泵等）种类与数量增加，对中间母线电能质量的要求更严；在故障条件下维持关键负载供电，对冗余切换与故障穿越能力的要求相应提高。这一节点上的失稳或保护误动作，对飞行安全的影响是系统级的，其地面验证的完备性要求也因此高于一般工业电源。

三、实时仿真验证：为什么做，以及平台的算力构成

上一节说明了两级变换在能量通路上的位置，接下来的问题是如何在地面上把它们跑起来。离线仿真运行在自己的时间尺度上，与真实时间不同步，适合验证算法原理与稳态特性，但反映不了采样时序、计算延迟与中断抖动对控制环的影响。实时仿真验证补上的正是这一段。

3.1 实时仿真验证的意义

实时仿真验证，是把被控对象或部分实物以实时模型形式部署在仿真机上，按真实时间轴推进。被控对象——这里指 DC-DC 与 DC-AC 的主电路——以模型形式运行在 FPGA 上，按固定步长逐步求解，每一步计算都必须在确定时间之内完成。主电路改为模型之后，第一节归纳的三类问题中，第一类（各级变换器在真实工况下能否稳定工作）可以在模型侧做通量扫描；第二类中与故障注入、保护动作时序相关的部分可在模型侧反复施加，不对实物造成损伤；第三类多物理场耦合问题不在本次算例范围内，可在同一平台上以用例形式叠加，作为后续迁移方向。

故障工况不再具有破坏性：故障在模型侧注入，可反复施加，不损伤任何硬件。

工况可以严格复现：同一组工况参数可原样重放，便于回归对比。

拓扑改动在模型侧完成：调整相数、开关频率、滤波参数或调制方式，只需修改模型并重新自动生成代码，不必改动硬件配置。

3.2 CPU + FPGA 联合仿真架构

灵思创奇 Links-XIL 平台由上位机软件、实时仿真机与 I/O 板卡三部分组成。上位机软件 RTSimPlus 负责模型搭建、代码生成、编译下载与运行管理；实时仿真机提供 CPU 与 FPGA 两类并行计算资源；I/O 板卡提供数字量、模拟量与通信接口，数字量通道可采集 PWM 脉冲与分合闸状态，模拟量通道可以 ±10 V 回送电压、电流反馈，平台具备上述 I/O 接口能力。在当前算例中，主电路与控制模型均在仿真机内闭环运行，架构图中的被测控制器为 HIL 阶段的接入对象；接入真实控制器后，经 I/O 板卡构成信号级 HIL 闭环。

图 2Links-XIL 平台组成与 I/O 接口

这样做的好处是，仿真规模不再由单一指标决定。需要开关分辨率的环节放进 FPGA，需要建模柔性与复杂逻辑的环节放进 CPU，各自取用所需资源。决定能做多大的，是 FPGA 的可用资源与 CPU 的核数，两者都可以通过增加板卡扩展。

四、DC-DC 实时仿真验证：八相交错Buck

电池电压随荷电状态大幅变化，DC-DC 承担母线稳压与能量双向流动，是源与网之间的接口。起飞爬升与复飞阶段的功率阶跃，最先冲击的就是这一级。

图 3八相交错并联同步Buck主电路

被测对象为八相交错并联同步 Buck，8 相交错，每相含同步上下管各 1 个，共 16 个可控开关器件。开关频率 100 kHz，调制方式为八相交错 PWM，控制采用 PI 控制器。主电路部署在 FPGA，步长 0.5 µs；控制模型部署在 CPU，两侧同步闭环。在上位机 RTSimPlus 主控软件中启动模型，运行结束后上传数据。

离线仿真与 FPGA 实时仿真的输出电压曲线在稳态段与阶跃响应上基本重合，对比如图 4 所示：

图 4DC-DC 输出电压波形：离线仿真与 FPGA 实时仿真对比

在这一级上能做什么测试？

以下为平台在该对象上支持、可按用例形式叠加的测试项；本次算例已完成的验证为输出电压波形与离线仿真的一致性。

Ø 稳态全域扫描：输入电压随 SOC 变化，负载从轻载到满载，逐点扫描输出电压与效率。

Ø 动态响应：推进功率阶跃、负载投切，观测母线电压的超调与恢复过程。

Ø 移相与纹波：八相交错的核心收益来自纹波抵消，取决于各相移相是否准确、电感电流是否均衡。

Ø 相间均流：在模型侧设定器件参数与驱动延时的不一致量，观测均流偏差及其对热分布与单点失效风险的影响；真实硬件的离散性需接入实物后验证。

Ø 切相与降功率：模拟部分相失效或轻载效率优化，观测在线切相后的母线稳定性。

五、DC-AC 实时仿真验证：I 型三电平 NPC 逆变

在整机中，逆变级把高压直流母线变为驱动电机所需的交流电，同时兼顾机载交流负载，是网与载之间的接口；推进功率的每一次变化，都由这一级最终执行。本次算例为逆变级独立验证，输入侧采用直流电压源等效高压直流母线，不与前级DC-DC直接闭环；文中“直流母线”均指该等效直流输入。实际系统中该直流输入可由前级DC-DC输出与母线电容共同提供，后续可将两级模型或实物联合起来。

被测对象采用I型三电平NPC拓扑（I-NPC，亦可简写为INPC）。每相桥臂含4个带反并联二极管的开关器件与2个钳位二极管，三相共18个开关器件；直流侧由上下两个电容分压并引出中点，输出端接LCL滤波器。开关频率20khz,调制方式为SVPWM，控制结构为双闭环，并结合直流侧中点电位均压。主电路部署在FPGA，步长1μs。