URBAN AIR MOBILITY
Innovationsbeschleunigung in der urbanen Luftmobilität (Urban Air Mobility) durch Hochvolt-Verbindungssysteme mit Hochleistung
Dies ist das erste einer Reihe von Whitepaper von TE Connectivity (TE) über Lösungen für die Herausforderungen von Urban Air Mobility (UAM)-Projekten. Seit über 75 Jahren unterstützen wir unsere Kunden mit einer breiten Palette an Verbindungs- und Sensorprodukten für Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Verteidigungsanwendungen. Als Innovationspartner bietet TE diesen Überblick über ein sich entwickelndes Portfolio von Produkten, die den erheblichen Leistungsbedarf des elektrischen Fliegens decken können.
Chancen
Unsere Urban Air Mobility (UAM)-Projekte kennen keine Grenzen und führen zu revolutionären Neuerungen im Elektroflug. Wie es im Allgemeinen bei Elektro- und Hybrid-Elektroflugzeugen der Fall ist, benötigen elektrische Senkrechtstarter (eVTOLs, Electric Vertical Takeoff and Landing Aircraft), Drehflügler, kommerzielle Drohnen und persönliche Luftfahrzeuge (Personal Air Vehicle, PAV) jedoch erhebliche Mengen an elektrischer Energie für den Start und den Flug. Dies stellt die Konstrukteure vor zahlreiche Herausforderungen, wenn es um elektrische Verbindungen geht, die mit hohen Spannungen und hohen kW-Spitzenleistungen für elektrische Antriebsmotoren, Wandler, Steuerungen, Batterien, Infotainment und Sensoren umgehen müssen. Um erfolgreiche Prototypen und Produkte schnell liefern zu können, profitieren Konstrukteure davon, diese Herausforderungen zu verstehen und sie mit Hilfe der Technologien und des Know-hows von TE nach dem „Follow-the-Wire”-Ansatz zu lösen.
Herausforderungen
Zu Beginn eines Designprojekts ist es sinnvoll, Verbindungen als Teil des Systems ganzheitlich zu betrachten und nicht als nachträgliche Überlegung in letzter Minute. EVERY CONNECTION COUNTS – für Daten und Strom. Im Laufe der Jahre wurden spezielle Produkte eingeführt - und neue Designs werden weiterhin entwickelt - um den Herausforderungen des elektrischen Fliegens gerecht zu werden. Fortschrittliche Lösungen von TE bieten unter anderem folgende Funktionen:
Elektrische Teilentladung verhindern:
Am Boden ist es einfacher, hohe Leistungen zu steuern als in der Luft. Das liegt daran, dass Hochspannung Luft ionisieren kann, die dann leitfähig wird und eine Koronaentladung erzeugt. Der Koronaeffekt ist verantwortlich für elektrische Energieverluste durch Hohlräume und elektrische Abzweigungen, wenn die Isolierung zusammenbricht. Lichtbögen sind die wahrscheinliche Folge. Das Auftreten von Koronaentladungen kann durch die Auswahl geeigneter Isoliermaterialien minimiert werden.
Schäden durch Lichtbogenüberschlag vermeiden:
In Hochspannungsquellen können sich auf der Oberfläche von Polymerisolatoren Kohlenstoffspuren bilden, wodurch der Isolator seine dielektrischen Eigenschaften verliert und zu einem elektrischen Emitter wird. In diesem Fall kann es zu einem Lichtbogen in der Leiterbahn kommen, der zu einem Stromverlust mit hoher Wahrscheinlichkeit einer Entzündung führt. Auch hier müssen die richtigen Isoliermaterialien verwendet werden, um dieses Problem zu vermeiden.
Umgang mit den Auswirkungen der Umgebung auf die Eingangs- und Ausgangsspannung:
Teilentladungen können auftreten, wenn zwei Teile eines Stromkreises, die nicht ausreichend voneinander geschützt sind, hohen Spannungsdifferenzen ausgesetzt sind. Die Spannungsunterschiede werden mit zunehmender Höhe, Temperatur und Frequenz extremer. Die Anfangsspannung ist die Spannung, bei der der Koronaeffekt beginnt; die Ausgangsspannung ist die Spannung, bei der der Koronaeffekt endet. Daher müssen elektrische Systeme geschützt werden, um kritische Spannungsunterschiede in der Betriebsumgebung zu minimieren.
Negierender Skineffekt:
Bei der Festlegung einer geeigneten Abschirmung und Filterung für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC; Electromagnetic Compatibility) müssen die Entwickler den Skineffekt berücksichtigen – die Tendenz des Wechselstroms, in der Nähe der Oberfläche eines Leiters zu fließen. Der Skineffekt ist das Ergebnis von Wirbelströmen, die durch die sich ändernden Magnetfelder des Wechselstroms induziert werden, und ist daher ein Faktor bei fast jedem Wechselstromdesign. Leiterplattenlinien und andere Aspekte von Wechselstromkreisen können so gestaltet werden, dass der Skineffekt vermieden wird, dies erfordert jedoch eine fachkundige Planung.
Verwalten von Größen- und Gewichtsbeschränkungen:
Komponenten, die zur Speicherung und Steuerung von elektrischer Energie mit hoher Leistung eingesetzt werden, können Gewicht und Volumen erhöhen. TE bietet hocheffiziente Relais und Schütze an, die höhere Spannungen und Ströme in einem kompakten Gehäuse verarbeiten können, um die hohen Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) von Elektroflugzeugen zu erfüllen. TE wendet den gleichen Ansatz an, um SWaP-Lösungen für Kabel, Endverschlüsse und Steckverbinder zu minimieren.
Umgang mit thermischen Problemen:
Die Wärmeabfuhr, insbesondere bei Verbundstrukturen, kann eine Herausforderung darstellen. Wenn Drähte und Relais höheren Temperaturen ausgesetzt sind, werden die Ansprechspannung (VPI) und der Spulenwiderstand (RC) beeinflusst. Um die Stabilität zu gewährleisten, ist es wichtig, die stationären Eigenschaften für die Temperatur- und Spannungskombination der Betriebsbedingungen eines Gleichstromrelais zu bestimmen. Dies gilt auch für Wechselstromanwendungen, obwohl ihr VPI weniger Temperaturschwankungen aufweist als bei Gleichstromrelais.
Umgang mit der Stromverwaltung:
Die Hochfrequenzschaltung ermöglicht eine schnelle Busübertragung bei Stromausfall. Es gibt wertvolle Unterschiede zwischen hybriden elektromechanischen und Halbleiter-Leistungsschaltungstechnologien, die die Experten von TE für eine bestimmte Anwendung bewerten können.
Höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit:
Die Anzahl der Starts und Landungen wird bei UAM-Anwendungen deutlich zunehmen. Dadurch wird das elektrische Verbindungssystem zusätzlich belastet. TE ist bestrebt, diese neuen Zuverlässigkeitsniveaus zu verstehen und entsprechende Produktempfehlungen zu geben.
LÖSUNGEN
Die heutigen UAM-Projekte profitieren von der multidisziplinären Entwicklung von Energiemanagementlösungen, die TE für die Automobil-, Luftfahrt-, Energie- und Eisenbahnindustrie eingeführt hat. TE arbeitet mit Normungsgremien wie der Society of Automotive Engineers (SAE) zusammen, um die Herausforderungen zu bewältigen, die sich aus den höheren Strom- und Spannungswerten ergeben. Darüber hinaus sind TE Experten direkt an Voice of Customer (VOC)-Initiativen beteiligt, um Einblicke in die Lösung von Problemen bei der Stromversorgung von Flugzeugen auf Subsystem- und Komponentenebene zu geben. Für Entwickler zeigt eine „Follow-the-Wire”-Methodik die kritischen Faktoren bei der Auswahl geeigneter Hochleistungs- und Spannungslösungen auf. TE erfüllt diese Anforderungen mit bekannten Energiemanagement-Produktfamilien:
KILOVAC Hochvoltrelais und -schütze:
Seit 1964 werden die kleinen, leichten Relais und Schütze der Produktlinie KILOVAC in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt sowie in militärischen Anwendungen eingesetzt. Die Hochspannungsrelais und -schütze von KILOVAC bieten ein hervorragendes Größen-Leistungs-Verhältnis und sind für Nennspannungen bis 70 kV DC und Ströme bis 1.000 A ausgelegt. Die hermetisch gedichteten KILOVAC Produkte eignen sich für raue Umgebungen, funktionieren über einen weiten Temperaturbereich und zeichnen sich durch ein hervorragendes Schock- und Vibrationsverhalten aus.
Hartman Relais, Schütze und Schaltgeräte:
Die Hartman Produktlinie wird häufig zum Schalten von elektrischer Energie in Verkehrsflugzeugen und anderen hochentwickelten Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt, die sehr spezielle Komponenten erfordern. Unsere HARTMAN Wechsel- und Gleichstromschütze sind leichte, umweltfreundliche (abgedichtete) Konstruktionen, die die geltenden MIL-PRF-6106-Anforderungen und/oder spezifische Kundenspezifikationen erfüllen. Wechselstromschütze sind für bis zu 500 Ampere und leichte Hochleistungs-Gleichstromschütze für bis zu 1.000 Ampere ausgelegt. Für die schwierigsten Umgebungsbedingungen sind hermetisch abgedichtete Gehäuse erhältlich. Konfigurationen mit mehreren Hauptkontakten und Hilfskontaktkonfigurationen sind verfügbar. Darüber hinaus können modulare Hartman Leistungsverteilungseinheiten oder Backplane-Schalttafeln für Starr- und Drehflügleranwendungen angepasst werden.
Raychem Hochleistungskunststoffe und Produkte zum Schutz von Umweltdichtungen:
Das vor über 60 Jahren von dem Elektroingenieur Paul Cook entwickelte vernetzte Polymer, das in Warmschrumpfschläuchen und anderen Produkten von Raychem verwendet wird, widersteht wiederholten Erhitzungs- und Abkühlungszyklen und behält dabei seine ursprüngliche Größe und Schutzeigenschaften.
AMP-Hochleistungs-Backplane-Stromversorgung; STRATO-THERM und COPALUM Kabelschuhe:
STRATO-THERM Kabelschuhe, Kabelverbinder und Ersatzdrahtkappen sind für Hochtemperaturanwendungen bis 649 °C ausgelegt. Die abgedichteten COPALUM Lite Kabelschuhe und Kabelverbinder sind bis zu 60 Prozent leichter als herkömmliche Kabelschuhe aus Kupfer und tragen so zur Gewichtsreduzierung von Flugzeugen bei.
DEUTSCH Industriestandard-Steckverbinder für Leistung und Spannung:
Seit mehr als 70 Jahren arbeiten DEUTSCH Produkte zuverlässig in anspruchsvollen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt, der Wehrtechnik, der Nutzfahrzeuge und des Motorsports. Heute umfasst die DEUTSCH Produktlinie von TE Drähte, Kontakte und Steckverbinder, darunter auch militärische Komponenten wie die DEUTSCH Steckverbinderserie MIL-DTL-38999.
AMP-Hochleistungs-Backplane-Stromversorgung; STRATO-THERM und COPALUM Kabelschuhe:
STRATO-THERM Kabelschuhe, Kabelverbinder und Ersatzdrahtkappen sind für Hochtemperaturanwendungen bis 649 °C ausgelegt. Die abgedichteten COPALUM Lite Kabelschuhe und Kabelverbinder sind bis zu 60 Prozent leichter als herkömmliche Kabelschuhe aus Kupfer und tragen so zur Gewichtsreduzierung von Flugzeugen bei.
IMPLEMENTIERUNG
Das breite TE Produktportfolio ermöglicht es UAM-Entwicklern, zuverlässige und fortschrittliche Technologien zu finden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Markteinführungszeit zu erreichen. TE hat eine lange Tradition in der Automobil-, Energie- und Luftfahrtindustrie und bietet innovative Lösungen, die auch den anspruchsvollsten Anforderungen gerecht werden. Nutzen Sie unser Know-how bei der Entwicklung, Anpassung, Herstellung und Implementierung aller Komponenten entlang des Kabels des angeschlossenen Flugzeugs: Sensoren, Monitore, Schutzschalter, Verkabelung, Baugruppen und mehr. Erfahren Sie, wie unsere leistungsstarken Lösungen UAM-Projekten zu einem schnelleren Start verhelfen. Für Hochvoltrelais, Schütze und verwandte Technologien von TE siehe unser virtuelles Entwicklerkit zu Energiemanagement für alternative Energien.
