细数电动飞机连接性的10大挑战

eVTOL 和 UAM 飞机设计人员正在通过先进的连接解决方案,来解决电池、吊舱和快速充电站的电压和功率挑战。

图1:城市空中交通 (UAM) 车辆示意图

正如电动汽车 (EV) 正在彻底改变汽车行业一样,电动飞机有望提高航空旅行的可持续性和便利性。城市空中/高级空中机动 (UAM/AAM) 的空中出租车和电动垂直起降 (eVTOL) 车辆的设计人员,在连接高压 (HV) 和大功率 (HP) 系统时面临着众多挑战。电线互连系统 (EWIS) 工程师和 eVTOL 飞机设计师正在寻找广泛的解决方案来应对这 10 个连接挑战。
一、更高的电压 (kV)、功率 (MW)
应用高压电缆和电力系统对电气工程师来说并不是什么新鲜事,但为混合动力和电动飞机应用适当的技术却带来了新的情况。
通过使用按线设计的方法,EWIS 工程师要确保所有链路——连接器、接线、护套/绝缘、转换器、接触器、电源共享网络等——都能处理电动飞机特有的电压和环境条件。
更高的电压见于:
1、传统飞机的电气系统采用 115VAC/400Hz 和 270VDC,具有 HV 电源要求,通常限制为 230VAC。在 eVTOL 飞机中,垂直起飞和悬停期间升力所需的整个旋翼区域的推力需要无刷 800VDC 电机提供从 2,300 rpm 到 20,000 rpm 的风扇速度。
2、在快速充电站中使用的发电机、功率转换器和控制器中会遇到高压交流电 (AC)。其他电气差异包括非线性功率共享网络和多向充电路径。
为更高电压进行设计意味着使用具有更厚介电材料的产品,这些材料更重、更硬并占用更多空间。先进的电源布线必须允许吊舱和机翼的布线和动态弯曲的灵活性,优化布线重量、电缆横截面,并考虑带状(扁平)电缆几何形状。
相应的 HV 连接器解决方案必须在非传统连接器几何形状中实现通常高达 1,000A 的载流能力。连接解决方案必须满足电动飞机具有挑战性的功率密度、电源频率以及尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求。
二、减轻局部放电/电晕效应
在高空管理 HV 比在地面上更复杂。HV 可以更快地电离周围的空气颗粒,并产生灾难性的影响,这是由于高度较低的空气密度,因为受约束较少的颗粒可以更快地达到更高的速度。释放的能量会产生电晕放电,从而通过绝缘体中的空隙、空腔和电气树状结构引起功率损失。两个点/表面之间的电压间隙可能会发生放电,因为该区域中的材料不能包含高电场。放电还可以引发电弧,可能引发火灾。选择适合 HV 条件的电介质材料和结构——例如耐电晕聚四氟乙烯 (PTFE)——可将绝缘击穿的放电风险降至最低。
三、提高了更恶劣环境、频繁维护和检查、冲击、振动的可靠性

图2、TE的无人电源连接器可为每个触点提供高达 80A 的电流和混合电源灵活性。

eVTOL 车辆的飞行距离比商用飞机短,预计每天会进行多次起飞和着陆。互连需要可靠并能承受更频繁着陆和起飞的振动和冲击。可靠性至关重要,因为 eVTOL 飞越人口稠密的城市环境。
为了帮助确保性能,需要轻松检查电子/电气隔间。连接器、模制电缆组件和安全系紧装置上的应力消除,有助于避免摩擦组件和材料疲劳。高可靠性连接产品包括:高性能、抗疲劳和抗应力松弛连接器材料,以及连接器接触系统中的冗余。
四、减重溢价
与通过燃烧燃料变得更轻的传统飞机不同,eVTOL 飞机的重量不会随着距离的增加而减少,并且放电电池实际上是自重,因此 EWIS 设计人员需要计算并仔细比较给定安培数和接线架构的连接组件的重量。先进的轻质材料(塑料和复合材料)和 3D 打印可以创建尺寸合适的组件,以实现紧凑的空间和重量优化。
高效继电器和接触器可用于在紧凑的占地面积内处理 HV 和高电流。先进的高压继电器和接触器在有用的尺寸功率比内提供高达 70kVDC 的额定电压和高达 1,000A 的额定电流。紧凑型电缆、终端和连接器也可用于优化尺寸、重量和额定功率。
五、抗电弧起痕,液压油
更高的电压是引起灾难性故障等异常原因。灰尘、湿气、废气和其他污染物可以为电流穿过材料创造路径。然后可能会发生放电,这可能会导致飞行中发生爆炸,或者在快速充电的飞机处于高湿度环境时在地面上发生爆炸。
电弧跟踪指数可用于评估给定电压在材料表面是否干净或受污染时传播的难易程度。电线采用双壁结构,使用辐射交联改性材料,即使在被液压和除冰液污染时也能抵抗碳弧跟踪。
六、严格的可燃性、毒性、烟雾要求
飞机内的空气在封闭空间内循环,因此所有材料都具有可燃性、烟雾和毒性等级。连接器、接线护套和其他绝缘材料必须能够自熄,并限制有毒烟雾的排放。
硅胶可能适用于高压,但点燃时往往会冒烟。卤化阻燃剂直接作用于火焰的化学性质,但烟雾可能有毒。低烟零卤素或低烟无卤素的阻燃材料是理想的。

图3、KILOVAC CAP120 高压接触器。

七、高度、压力影响
随着海拔、温度和频率的增加,电压差变得极端。给定材料支持局部放电起始电压 (PDIV) 和局部放电消光电压 (PDEV) 的条件可以绘制成 Paschen 曲线。这些点可用于确定在特定高度和导电表面之间的距离所需的电介质绝缘厚度。
较高的海拔使系统更容易受到局部放电的影响,并促进水渗入组件间隙并最终出现腐蚀。电源开关和雷击会导致电力电缆系统出现浪涌,从而导致电缆电压瞬间超过 PDIV,最终导致绝缘侵蚀或灾难性故障。
八、处理工作温度范围、热管理要求
在电池充电循环中,必须在更高的能量传输和更高的温度之间取得平衡。在大功率充电 (HPC) 期间,各个组件在 HV 路径上的电阻点处会受到极端温度的影响。每个微欧 (µΩ) 的电阻都必须最小化。
降低电阻的领域包括电缆端子、接触界面(压接和接触类型)和接触材料。采用液冷电缆和在对流或传导冷却散热器中铺设电缆也是解决方案。热传感和热建模可用于为地面充电系统设计冷却生态系统,并在着陆和起飞时检测电涌期间的高温。
九、新的布线、管理、压接技术
高压连接器中的锋利边缘和不光滑的导电表面会产生集中的电压梯度,从而导致电晕放电。电密封压接区域应使表面和电气几何形状平滑,以减少电压应力。
几何形状的任何变化都需要分析以确定:如果该边缘会导致局部放电或电晕效应,则必须修改结构以降低该风险。高压公用电力线使用圆形电晕环来防止电晕损失,因此可以在高压电缆中添加圆形特征来控制电应力。即使是从屏蔽电缆中伸出的一根松散的电线也会导致出现问题。
十、适应大批量生产
虽然不直接属于 EWIS 工程师的职权范围,但设计人员必须考虑制造商大规模处理组件的生产、交付和质量的能力。由于eVTOL 市场预计将呈指数级增长,因此大量供应优质组件的能力至关重要。
所有产品都应经过 100% 的测试和检查,以确保其性能和适用性。能够为当今苛刻的航空航天和 eVTOL 计划处理工具、供应链、成本控制和认证的制造商,可以解决未来的创新电动飞机项目难题。
来源:连接器世界网


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