大功率電動飛機常見連接挑戰

設計工程師在處理電動旋翼飛機和城市空中移動性(UAM)應用中的高壓和高電流水平時，必須克服許多連接挑戰。

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

許多商用無人機和eVTOL項目正在使用電力推進發動機，定位系統、網絡和駕駛艙系統的改進激勵設計師探索優化組件，包括低壓和高帶寬互連技術，用于UAM創新中的線路可更換單元。

EVTOL飛機面臨的電氣挑戰

1、防止部分放電，減少電暈效應和空洞，防止絕緣擊穿和電篩狀結構。

管理空氣中的高壓(HV)比在地面上更為復雜。HV可以電離周圍的空氣，然后成為導電產生電暈放電。電暈效應是通過空洞、空腔和電樹狀造成的電力損失。自主電離放電可以引發電弧，并有可能引發火災。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險的一種方法。

2、臨界電壓應力需要保護不同電壓的技術。

用于保護導體部件的技術選擇取決于導體周圍電場的特性和強度(電壓梯度)。使用大半徑導體的連接器和避免尖點和邊緣的設計有助于減少相對低能量電暈效應的空氣電離。為了防止空氣電離破壞針之間的介電，每對導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(CTI)來確定。

3、在電線之間產生電弧，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生碳軌道，破壞絕緣。碳軌道會導致絕緣體失去其介電特性，轉而成為一種電子發射器。電弧可以發生在導電路徑上，導致功率損失與引起電弧。如前所述，保持適當的爬電距離和使用在高壓條件下保持其介電性能的絕緣材料是至關重要的。

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電機電源開關、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載容量、工作溫度、線圈效率、短路保護、斷路容量和其它關鍵要求，如強大的沖擊和振動性能。

5、處理表面效應有助于減少反向渦流，可降低較高頻率導體的有效電阻。

在確定適當的電磁兼容性(EMC)時，設計者必須考慮表面效應，尤其是交流電流越來接近導體表面。表面效應是交流電磁場變化引起渦流的結果，是幾乎所有交流電設計中的一個問題。PCB路徑和交流電源電路的其它元件可以被設計來抵消表秒效應，但需要專家規劃。

6、在飛機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。

在工業應用中，用于大功率電能存儲和管理的組件往往很大。幸運的是，對于飛機來說，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70 kV直流的額定電壓和高達1000安培(A)的額定電流，同時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。

為惡劣的環境設計的TE連接的 KILOVAC CAP120 接觸器為小型設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設備開辟了新的應用可能性。高中斷等級400VDC1000A和600VDC600A，有助于提高系統的靈活性和可靠性。CAP120接觸器在UAM應用中提供了可靠和持久的性能。

熱管理挑戰

1、管理熱問題需要有策略在復合材料結構中散熱，創造一個穩定的電氣/電子環境。

在復合材料結構中釋放熱量是困難的。拾取電壓(VPI)和線圈電阻(RC)隨著導線和繼電器溫度的變化而變化。為了確保電氣的穩定性，設計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態特性。交流應用也是如此，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品選擇。

2、電池充電周期需要通過優化熱量分配和平衡來實現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應用中提出的電氣負載配置挑戰。各個部件在沿高壓路徑的電阻點上受到極端溫度的影響。為了HPC系統安全，仿真模擬可以沿著完整的高壓路徑應用動態負載輪廓來識別潛在的熱瓶頸。應降低電阻的區域包括電纜連接(終端技術)、接觸接口(卷曲和接觸類型)、接觸材料，以及應用優化的高壓接觸器和繼電器。熱傳感、熱系統保護和熱建模也可以用于避免熱點，并設計一個能夠承載短時間動態負荷的高壓路徑。

電源管理挑戰

1、處理電源管理要求需要使用高頻切換，在斷電時快速總線傳輸。

變頻交流功率用于典型的飛機負荷。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，以及在電源丟失時更快地傳輸總線電源，所有這些都是eVTOL應用的理想選擇。密封的外殼在惡劣環境中提供保護。模塊化配電裝置或背翼式面板可為固定翼飛機和旋翼飛機的應用而定制。

2、混合機電和固態電力交換技術需要評估兩者的優缺點。

固態繼電器(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本質上是電子電路，它們不使用運動部件，可以抵抗物理危險的影響，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。

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

然而，當觸點打開和關閉時，EMR就會產生電弧，這可能會影響附近對射頻干擾(RFI)敏感的設備。因此，EMR適用于可容忍RFI的重浪涌電流或尖峰電壓的應用。

迎接大功率的挑戰

為了發現影響功率和信號可靠性的隱藏因素，設計者可以采用一種跟蹤的方法。成功取決于整體互聯作為系統的一部分，而不是事后的思考。換句話說，每一個連接都很重要。行業標準組還提供了解決子系統和組件級技術問題的見解。

廣泛的TE連接產品滿足了UAM和eVTOL項目的獨特需求。

在高功率應用方面具有廣泛專業知識的解決方案提供商可以幫助設計師在性能、成本和上市時間之間取得正確平衡。需要快速迭代原型，產品設計師通過與能夠設計、定制、制造和實現所有組件的制造商合作而受益。擁有豐富經驗的連接合作伙伴還可以提供創新的解決方案，幫助eVTOL和UAM項目克服障礙。

審核編輯：湯梓紅