大功率电动飞机常见连接挑战

2023-03-31 11:58

设计工程师在处理电动旋翼飞机和城市空中移动性(UAM)应用中的高压和高电流水平时，必须克服许多连接挑战。

电动垂直起降(eVTOL)飞机、旋翼飞机和个人飞行器(PAVs)使用大量的电力来起飞和维持飞行。因此，设计工程师在处理电力推进电机、逆变器、控制器、电池、信息娱乐系统和传感器的高压和功率高峰值输出时，面临着许多电气互连的挑战。设计师可以通过了解如何使用正确的产品选择和跟踪设计方法来解决10个常见的高功率连接挑战。

上图为一架电动飞机，设计可容纳9名乘客和2名机组人员。(图片由Matti Blume提供)

许多商用无人机和eVTOL项目正在使用电力推进发动机，定位系统、网络和驾驶舱系统的改进激励设计师探索优化组件，包括低压和高带宽互连技术，用于UAM创新中的线路可更换单元。

EVTOL飞机面临的电气挑战

1、防止部分放电，减少电晕效应和空洞，防止绝缘击穿和电筛状结构。

管理空气中的高压(HV)比在地面上更为复杂。HV可以电离周围的空气，然后成为导电产生电晕放电。电晕效应是通过空洞、空腔和电树状造成的电力损失。自主电离放电可以引发电弧，并有可能引发火灾。选择具有非常适合高压条件的介电性能材料，如抗电晕聚四氟乙烯(PTFE)，是有效减少由于绝缘破裂造成的电晕放电风险的一种方法。

2、临界电压应力需要保护不同电压的技术。

用于保护导体部件的技术选择取决于导体周围电场的特性和强度(电压梯度)。使用大半径导体的连接器和避免尖点和边缘的设计有助于减少相对低能量电晕效应的空气电离。为了防止空气电离破坏针之间的介电，每对导体针必须保持足够的间隙距离。这些值将会随着海拔高度和温度的变化而变化。放电也可以发生在绝缘或靠近绝缘表面。在绝缘表面上的一个局部的、部分导电的路径被称为电弧路径。为了减少沿绝缘外部的放电，每一对导电部件必须保持足够的爬电距离。爬电距离通常等于或大于间隙距离。最小爬电距离可通过绝缘层的比较跟踪指数(CTI)来确定。

3、在电线之间产生电弧，避免电弧损伤有助于减少绝缘断裂。

聚合物绝缘体外表面的电流可能会产生碳轨道，破坏绝缘。碳轨道会导致绝缘体失去其介电特性，转而成为一种电子发射器。电弧可以发生在导电路径上，导致功率损失与引起电弧。如前所述，保持适当的爬电距离和使用在高压条件下保持其介电性能的绝缘材料是至关重要的。

4、处理高工作电压(>3kV直流)需要选择能承受极端电力的继电器和接触器。

较高工作电压对用于推进电机电源开关、电池充电管理、乘客舒适加热和辅助功能的继电器和接触器提出了重大要求。高压继电器和接触器可用于满足高要求的峰值负载容量、工作温度、线圈效率、短路保护、断路容量和其它关键要求，如强大的冲击和振动性能。

5、处理表面效应有助于减少反向涡流，可降低较高频率导体的有效电阻。

在确定适当的电磁兼容性(EMC)时，设计者必须考虑表面效应，尤其是交流电流越来接近导体表面。表面效应是交流电磁场变化引起涡流的结果，是几乎所有交流电设计中的一个问题。PCB路径和交流电源电路的其它元件可以被设计来抵消表秒效应，但需要专家规划。

6、在飞机载荷中管理尺寸和重量约束要求选择更小和更轻的连接器。

在工业应用中，用于大功率电能存储和管理的组件往往很大。幸运的是，对于飞机来说，高效的继电器和接触器可以在一个紧凑的占地空间内处理更高电压和更大电流。例如，来自TE连接(TE)的KILOVAC 高压继电器和接触器提供高达70 kV直流的额定电压和高达1000安培(A)的额定电流，同时提供有用的尺寸功率比。紧凑的电缆、终端和连接器也可满足要求的尺寸、重量和功率(SWaP)要求。

为恶劣的环境设计的TE连接的 KILOVAC CAP120 接触器为小型设备提供特殊和轻的性能。作为流行的MAP和CAP系列接触器的缩小版，CAP120接触器的尺寸小和重量轻，为150A/600VDC设备开辟了新的应用可能性。高中断等级400VDC1000A和600VDC600A，有助于提高系统的灵活性和可靠性。CAP120接触器在UAM应用中提供了可靠和持久的性能。

热管理挑战

1、管理热问题需要有策略在复合材料结构中散热，创造一个稳定的电气/电子环境。

在复合材料结构中释放热量是困难的。拾取电压(VPI)和线圈电阻(RC)随着导线和继电器温度的变化而变化。为了确保电气的稳定性，设计人员必须确定直流继电器工作条件下的温度和电压组合的稳态特性。交流应用也是如此，尽管它们的VPI随温度的变化小于直流继电器。这种评估确保了正确的产品选择。

2、电池充电周期需要通过优化热量分配和平衡来实现更高的能量传输速率。

直流电(DC)的大功率充电(HPC)是在eVTOL和UAM应用中提出的电气负载配置挑战。各个部件在沿高压路径的电阻点上受到极端温度的影响。为了HPC系统安全，仿真模拟可以沿着完整的高压路径应用动态负载轮廓来识别潜在的热瓶颈。应降低电阻的区域包括电缆连接(终端技术)、接触接口(卷曲和接触类型)、接触材料，以及应用优化的高压接触器和继电器。热传感、热系统保护和热建模也可以用于避免热点，并设计一个能够承载短时间动态负荷的高压路径。

电源管理挑战

1、处理电源管理要求需要使用高频切换，在断电时快速总线传输。

变频交流功率用于典型的飞机负荷。但固定频率为400Hz的交流电源可以使更小、更轻的变压器和电机，以及在电源丢失时更快地传输总线电源，所有这些都是eVTOL应用的理想选择。密封的外壳在恶劣环境中提供保护。模块化配电装置或背翼式面板可为固定翼飞机和旋翼飞机的应用而定制。

2、混合机电和固态电力交换技术需要评估两者的优缺点。

固态继电器(SSRs)提供无声操作，低电干扰，广泛输入电压范围，低功耗，和没有电弧。此外，零电压交叉使浪涌电流最小化。ssr本质上是电子电路，它们不使用运动部件，可以抵抗物理危险的影响，包括冲击、振动和海拔高度的变化。但与任何电子电路一样，ssr对环境热很敏感，需要一个散热器。它们也很容易受到电力激增的影响。

机电继电器(EMRs)能承受浪涌和过载，可以将任何交流或直流负载切换到最大额定值。EMR将在一个较宽的温度范围内满负荷运行，而不需要一个散热器。

然而，当触点打开和关闭时，EMR就会产生电弧，这可能会影响附近对射频干扰(RFI)敏感的设备。因此，EMR适用于可容忍RFI的重浪涌电流或尖峰电压的应用。

迎接大功率的挑战

为了发现影响功率和信号可靠性的隐藏因素，设计者可以采用一种跟踪的方法。成功取决于整体互联作为系统的一部分，而不是事后的思考。换句话说，每一个连接都很重要。行业标准组还提供了解决子系统和组件级技术问题的见解。