大功率電動飛機(jī)常見連接挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)工程師在處理電動旋翼飛機(jī)和城市空中移動性(UAM)應(yīng)用中的高壓和高電流水平時(shí)，必須克服許多連接挑戰(zhàn)。

電動垂直起降(eVTOL)飛機(jī)、旋翼飛機(jī)和個人飛行器(PAVs)使用大量的電力來起飛和維持飛行。因此，設(shè)計(jì)工程師在處理電力推進(jìn)電機(jī)、逆變器、控制器、電池、信息娛樂系統(tǒng)和傳感器的高壓和功率高峰值輸出時(shí)，面臨著許多電氣互連的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)師可以通過了解如何使用正確的產(chǎn)品選擇和跟蹤設(shè)計(jì)方法來解決10個常見的高功率連接挑戰(zhàn)。

許多商用無人機(jī)和eVTOL項(xiàng)目正在使用電力推進(jìn)發(fā)動機(jī)，定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和駕駛艙系統(tǒng)的改進(jìn)激勵設(shè)計(jì)師探索優(yōu)化組件，包括低壓和高帶寬互連技術(shù)，用于UAM創(chuàng)新中的線路可更換單元。

EVTOL飛機(jī)面臨的電氣挑戰(zhàn)

1、防止部分放電，減少電暈效應(yīng)和空洞，防止絕緣擊穿和電篩狀結(jié)構(gòu)。

管理空氣中的高壓(HV)比在地面上更為復(fù)雜。HV可以電離周圍的空氣，然后成為導(dǎo)電產(chǎn)生電暈放電。電暈效應(yīng)是通過空洞、空腔和電樹狀造成的電力損失。自主電離放電可以引發(fā)電弧，并有可能引發(fā)火災(zāi)。選擇具有非常適合高壓條件的介電性能材料，如抗電暈聚四氟乙烯(PTFE)，是有效減少由于絕緣破裂造成的電暈放電風(fēng)險(xiǎn)的一種方法。

2、臨界電壓應(yīng)力需要保護(hù)不同電壓的技術(shù)。

用于保護(hù)導(dǎo)體部件的技術(shù)選擇取決于導(dǎo)體周圍電場的特性和強(qiáng)度(電壓梯度)。使用大半徑導(dǎo)體的連接器和避免尖點(diǎn)和邊緣的設(shè)計(jì)有助于減少相對低能量電暈效應(yīng)的空氣電離。為了防止空氣電離破壞針之間的介電，每對導(dǎo)體針必須保持足夠的間隙距離。這些值將會隨著海拔高度和溫度的變化而變化。放電也可以發(fā)生在絕緣或靠近絕緣表面。在絕緣表面上的一個局部的、部分導(dǎo)電的路徑被稱為電弧路徑。為了減少沿絕緣外部的放電，每一對導(dǎo)電部件必須保持足夠的爬電距離。爬電距離通常等于或大于間隙距離。最小爬電距離可通過絕緣層的比較跟蹤指數(shù)(CTI)來確定。

3、在電線之間產(chǎn)生電弧，避免電弧損傷有助于減少絕緣斷裂。

聚合物絕緣體外表面的電流可能會產(chǎn)生碳軌道，破壞絕緣。碳軌道會導(dǎo)致絕緣體失去其介電特性，轉(zhuǎn)而成為一種電子發(fā)射器。電弧可以發(fā)生在導(dǎo)電路徑上，導(dǎo)致功率損失與引起電弧。如前所述，保持適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x和使用在高壓條件下保持其介電性能的絕緣材料是至關(guān)重要的。

4、處理高工作電壓(>3kV直流)需要選擇能承受極端電力的繼電器和接觸器。

較高工作電壓對用于推進(jìn)電機(jī)電源開關(guān)、電池充電管理、乘客舒適加熱和輔助功能的繼電器和接觸器提出了重大要求。高壓繼電器和接觸器可用于滿足高要求的峰值負(fù)載容量、工作溫度、線圈效率、短路保護(hù)、斷路容量和其它關(guān)鍵要求，如強(qiáng)大的沖擊和振動性能。

5、處理表面效應(yīng)有助于減少反向渦流，可降低較高頻率導(dǎo)體的有效電阻。

在確定適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電磁兼容性(EMC)時(shí)，設(shè)計(jì)者必須考慮表面效應(yīng)，尤其是交流電流越來接近導(dǎo)體表面。表面效應(yīng)是交流電磁場變化引起渦流的結(jié)果，是幾乎所有交流電設(shè)計(jì)中的一個問題。PCB路徑和交流電源電路的其它元件可以被設(shè)計(jì)來抵消表秒效應(yīng)，但需要專家規(guī)劃。

6、在飛機(jī)載荷中管理尺寸和重量約束要求選擇更小和更輕的連接器。

在工業(yè)應(yīng)用中，用于大功率電能存儲和管理的組件往往很大。幸運(yùn)的是，對于飛機(jī)來說，高效的繼電器和接觸器可以在一個緊湊的占地空間內(nèi)處理更高電壓和更大電流。例如，來自TE連接(TE)的KILOVAC 高壓繼電器和接觸器提供高達(dá)70 kV直流的額定電壓和高達(dá)1000安培(A)的額定電流，同時(shí)提供有用的尺寸功率比。緊湊的電纜、終端和連接器也可滿足要求的尺寸、重量和功率(SWaP)要求。

為惡劣的環(huán)境設(shè)計(jì)的TE連接的 KILOVAC CAP120 接觸器為小型設(shè)備提供特殊和輕的性能。作為流行的MAP和CAP系列接觸器的縮小版，CAP120接觸器的尺寸小和重量輕，為150A/600VDC設(shè)備開辟了新的應(yīng)用可能性。高中斷等級400VDC1000A和600VDC600A，有助于提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。CAP120接觸器在UAM應(yīng)用中提供了可靠和持久的性能。

熱管理挑戰(zhàn)

1、管理熱問題需要有策略在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中散熱，創(chuàng)造一個穩(wěn)定的電氣/電子環(huán)境。

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中釋放熱量是困難的。拾取電壓(VPI)和線圈電阻(RC)隨著導(dǎo)線和繼電器溫度的變化而變化。為了確保電氣的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員必須確定直流繼電器工作條件下的溫度和電壓組合的穩(wěn)態(tài)特性。交流應(yīng)用也是如此，盡管它們的VPI隨溫度的變化小于直流繼電器。這種評估確保了正確的產(chǎn)品選擇。

2、電池充電周期需要通過優(yōu)化熱量分配和平衡來實(shí)現(xiàn)更高的能量傳輸速率。

直流電(DC)的大功率充電(HPC)是在eVTOL和UAM應(yīng)用中提出的電氣負(fù)載配置挑戰(zhàn)。各個部件在沿高壓路徑的電阻點(diǎn)上受到極端溫度的影響。為了HPC系統(tǒng)安全，仿真模擬可以沿著完整的高壓路徑應(yīng)用動態(tài)負(fù)載輪廓來識別潛在的熱瓶頸。應(yīng)降低電阻的區(qū)域包括電纜連接(終端技術(shù))、接觸接口(卷曲和接觸類型)、接觸材料，以及應(yīng)用優(yōu)化的高壓接觸器和繼電器。熱傳感、熱系統(tǒng)保護(hù)和熱建模也可以用于避免熱點(diǎn)，并設(shè)計(jì)一個能夠承載短時(shí)間動態(tài)負(fù)荷的高壓路徑。

電源管理挑戰(zhàn)

1、處理電源管理要求需要使用高頻切換，在斷電時(shí)快速總線傳輸。

變頻交流功率用于典型的飛機(jī)負(fù)荷。但固定頻率為400Hz的交流電源可以使更小、更輕的變壓器和電機(jī)，以及在電源丟失時(shí)更快地傳輸總線電源，所有這些都是eVTOL應(yīng)用的理想選擇。密封的外殼在惡劣環(huán)境中提供保護(hù)。模塊化配電裝置或背翼式面板可為固定翼飛機(jī)和旋翼飛機(jī)的應(yīng)用而定制。

2、混合機(jī)電和固態(tài)電力交換技術(shù)需要評估兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

固態(tài)繼電器(SSRs)提供無聲操作，低電干擾，廣泛輸入電壓范圍，低功耗，和沒有電弧。此外，零電壓交叉使浪涌電流最小化。ssr本質(zhì)上是電子電路，它們不使用運(yùn)動部件，可以抵抗物理危險(xiǎn)的影響，包括沖擊、振動和海拔高度的變化。但與任何電子電路一樣，ssr對環(huán)境熱很敏感，需要一個散熱器。它們也很容易受到電力激增的影響。

機(jī)電繼電器(EMRs)能承受浪涌和過載，可以將任何交流或直流負(fù)載切換到最大額定值。EMR將在一個較寬的溫度范圍內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行，而不需要一個散熱器。

然而，當(dāng)觸點(diǎn)打開和關(guān)閉時(shí)，EMR就會產(chǎn)生電弧，這可能會影響附近對射頻干擾(RFI)敏感的設(shè)備。因此，EMR適用于可容忍RFI的重浪涌電流或尖峰電壓的應(yīng)用。

迎接大功率的挑戰(zhàn)

為了發(fā)現(xiàn)影響功率和信號可靠性的隱藏因素，設(shè)計(jì)者可以采用一種跟蹤的方法。成功取決于整體互聯(lián)作為系統(tǒng)的一部分，而不是事后的思考。換句話說，每一個連接都很重要。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組還提供了解決子系統(tǒng)和組件級技術(shù)問題的見解。

廣泛的TE連接產(chǎn)品滿足了UAM和eVTOL項(xiàng)目的獨(dú)特需求。

在高功率應(yīng)用方面具有廣泛專業(yè)知識的解決方案提供商可以幫助設(shè)計(jì)師在性能、成本和上市時(shí)間之間取得正確平衡。需要快速迭代原型，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師通過與能夠設(shè)計(jì)、定制、制造和實(shí)現(xiàn)所有組件的制造商合作而受益。擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的連接合作伙伴還可以提供創(chuàng)新的解決方案，幫助eVTOL和UAM項(xiàng)目克服障礙。

審核編輯：湯梓紅