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Datamate-Steckverbinder von Harwin für eVTOL-Flugzeuge

(Quelle: designprojects - stock.adobe.com)

Sogenannte eVTOL-Flugzeuge (Electric Vertical Take-Off and Landing Aircraft) sind elektrisch betriebene Luftfahrzeuge, die in der Lage sind, senkrecht zu starten und zu landen. Sie revolutionieren den Luftfahrtsektor, ähnlich wie Elektrofahrzeuge die Automobilindustrie verändert haben. In den letzten 12 Jahren wurden 12,8 Milliarden US-Dollar¹ in die eVTOL-Industrie investiert und damit Entwicklungsprojekte von rund 200 Unternehmen weltweit vorangetrieben. Diese Fluggeräte sind flexibel einsetzbar und eignen sich besonders für den Einsatz in Städten. Mit eVTOLs entstehen nun Lufttaxis, die umweltfreundlichere, schnellere und effizientere Transfers von Städten zu Flughäfen anbieten und die bestehenden Hubschrauberdienste ersetzen können. Zudem beschränken eVTOL-Flugzeuge die Lärmbelästigung und Luftverschmutzung auf ein Minimum und können rund um die Uhr eingesetzt werden. Sie sind so konzipiert, dass sie sowohl einen vertikalen als auch einen horizontalen Antrieb haben. Da eVTOLs kleiner und leichter als herkömmliche Flugzeuge sind, müssen sie aus robusten Materialien bestehen, um Sicherheit und Leistung zu gewährleisten.

Deshalb kommt bei eVTOLs jeder Entscheidung des Entwicklers eine besondere Bedeutung zu. Diese neue Dimension der urbanen Mobilität per Fluggerät stellt die Entwickler vor zahlreiche Herausforderungen, darunter das Energie- und Datenmanagement in rauen Flugumgebungen. Im Mittelpunkt dieser Herausforderungen steht die Entwicklung eines leistungsfähigen Batteriemanagementsystems (BMS). Diese kritische Komponente gewährleistet die maximale Leistung, Sicherheit und Lebensdauer der Energiequelle des Fluggeräts. In diesem Beitrag untersuchen wir die entscheidende Rolle, die Leistung und Signalintegrität im BMS für eVTOL-Designs spielen.

BMS in eVTOLs: Darauf kommt es an

Große Lithium-Ionen-Batterien, wie sie auch in Elektrofahrzeugen verwendet werden, sind die primäre Energiequelle für eVTOL-Flugzeuge. Doch durch die Anforderungen von eVTOL-Diensten wird das Energiemanagement buchstäblich auf eine neue Ebene gehoben. Wenn sich das Fluggerät Tausende von Metern in der Luft befindet, kann jede Störung der Batterie oder des Stromversorgungssystems schwerwiegende Folgen haben.

Das BMS ist entscheidend für die Erhaltung des Zustands der Batterie. Dazu überwacht und steuert es kontinuierlich verschiedene Parameter wie Strom, Spannung und Temperatur. Das gewährleistet optimale Leistung und Effizienz und trägt zur Sicherheit der Passagiere bei. Ein Fehler oder Ausfall des BMS kann zu gefährlichen Situationen führen, beispielsweise zu einem plötzlichen Höhenverlust aufgrund eines Stromausfalls. Daher muss jede Komponente des BMS sorgfältig ausgewählt und konstruiert werden – auch die Steckverbindungen.

Auswahl der richtigen Steckverbinder

Die Auswahl der optimalen Steckverbinder für Batteriemanagementsysteme in eVTOL-Flugzeugen ist eine komplexe Aufgabe, bei der verschiedene wichtige Faktoren berücksichtigt werden müssen. Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse bei eVTOLs, die in hohem Maße auf den elektrischen Antrieb angewiesen sind, müssen kompakte Komponenten eingesetzt werden, die nur wenig Platz auf der Platine beanspruchen und ein niedriges Profil aufweisen. Dies gilt auch für die Steckverbinder, da eVTOL-Batteriepacks oft aus zahlreichen Lithium-Ionen-Zellen bestehen. Durch kompakte Steckverbinder mit eng beieinander liegenden Kontakten kann die Datenerfassung optimiert und ein effizientes Batteriemanagement unterstützt werden.

Auch das Gewicht spielt aufgrund der strengen Gewichtsvorgaben bei eVTOL-Designs eine entscheidende Rolle. Sowohl der Rumpf als auch die Komponenten an Bord müssen leicht sein, damit möglichst viele Passagiere oder Fracht geladen werden können, was wiederum die Betriebseffizienz des Fluggeräts erhöht. Neben Größe und Gewicht sind auch Zuverlässigkeit und Robustheit entscheidend. Für die Sicherheit der Passagiere müssen die Steckverbinder eine lange Lebensdauer ohne Ausfälle gewährleisten und rauen Bedingungen wie Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen standhalten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI). Da sich diese Komponenten in der Nähe verschiedener elektrischer Signalquellen befinden, ist eine EMI-Abschirmung unerlässlich, damit die Datenqualität nicht beeinträchtigt wird, was sich wiederum nachteilig auf die Entscheidungen des Batteriemanagementsystems auswirken könnte.

In der kostensensiblen eVTOL-Branche ist eine sorgfältige Stücklistenverwaltung von entscheidender Bedeutung. Die Unternehmen sollten Standardprodukte (Commercial Off-The-Shelf, COTS) gegenüber kundenspezifisch gefertigten Komponenten bevorzugen, um die Qualität zu gewährleisten und gleichzeitig die Kosten im Griff zu behalten.

Apropos Qualität: Es ist wichtig, mit Steckverbinder-Lieferanten zusammenzuarbeiten, die sich an weltweit anerkannte Qualitätsstandards halten. Angesichts der schwerwiegenden Folgen, die geringfügige Produktionsabweichungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie nach sich ziehen können, ist die Sicherstellung einer lückenlosen Reproduzierbarkeit der Produktion ein absolutes Muss. Wenn diese Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden, kann sichergestellt werden, dass sichere, zuverlässige und effiziente eVTOL-Lösungen auf den Markt gebracht werden.

Datamate-Steckverbinder: Integrität von Verbindungen bei BMS für eVTOLs sicherstellen

Mit seinen Datamate-Steckverbindern hat Harwin eine herausragende Stellung unter den Herstellern von Steckverbindern, die die oben genannten Kriterien erfüllen. Diese Steckverbinder zeichnen sich durch eine extrem hohe Zuverlässigkeit aus und sind so konzipiert, dass sie den in eVTOL-Umgebungen üblichen Vibrationen, Stößen und Temperaturextremen standhalten. Die Datamate-Steckverbinder von Harwin bieten eine Schlagfestigkeit von 100 G, eine Stoßfestigkeit von 40 G und eine Vibrationsfestigkeit von 10 G und können einen Strom von 3 A bis 3,3 A an einem einzelnen Kontakt übertragen. Zudem sind sie für den Betrieb bei extremen Temperaturen von -55 °C bis +125 °C geeignet. Sie verfügen über Harwins patentierte Vier-Finger-Beryllium-Kupfer-Kontakttechnologie, die eine hohe mechanische und elektrische Belastbarkeit sicherstellt. Das gewährleistet eine hohe Integrität der Verbindung ohne Datenverlust und ist für die Aufrechterhaltung einer genauen und zuverlässigen BMS-Funktionalität unerlässlich.

Aufgrund ihrer kleinen und leichten Bauweise eignen sich Datamate-Steckverbinder hervorragend für eVTOLs, bei denen das Gewicht und der Platzbedarf eine wichtige Rolle spielen (Abbildung 1). Die kompakte Bauweise geht dabei jedoch nicht auf Kosten von Robustheit und Zuverlässigkeit. Diese Steckverbinder können hohen Schock- und Vibrationsbelastungen standhalten und arbeiten äußerst zuverlässig.

Abbildung 1: Die kompakten, leichten Datamate Hi-Rel-Steckverbinder von Harwin mit einem Raster von 2 mm bieten erhebliche Vorteile für eVTOL-Designs, beispielsweise eine patentierte 4-Finger-Konstruktion, die dafür sorgt, dass die Verbindungen selbst bei extremen Stößen, Vibrationen und Temperaturschwankungen nicht beeinträchtigt werden. (Quelle: Mouser Electronics)

Die Datamate-Steckverbinder sind zudem sehr unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), was entscheidend ist, um die Qualität der vom BMS überwachten und kontrollierten Daten zu gewährleisten. Diese Steckverbinder sind mit verschiedenen Verriegelungsmechanismen erhältlich und bieten so eine hohe Flexibilität, damit Entwickler die beste Lösung für den verfügbaren Platz und die Betriebsbedingungen wählen können.

Fazit

Die eVTOL-Revolution ist da, und sie definiert die bisher gewohnte städtische Mobilität neu. Weltweit stehen Unternehmen vor der Aufgabe, ihre Fluggeräte in die Luft zu bringen, und müssen sich dabei mit vielen komplexen Design-Herausforderungen auseinandersetzen. Dazu zählt auch die Implementierung eines zuverlässigen und effektiven BMS. Die Datamate-Steckverbinder von Harwin bieten aufgrund ihrer Kompaktheit, ihres geringen Gewichts, ihrer Robustheit und hohen Zuverlässigkeit eine optimale Lösung für BMS-Verbindungen und gewährleisten den sicheren und effizienten Betrieb von eVTOL-Flugzeugen. Wenn wir in neue Bereiche von Technologie und Transport vordringen, kommt es auf jede Komponente, jedes Detail und jede Entscheidung des Entwicklers an. Harwin ist bereit, diese Entwicklung zu unterstützen.

Autorin

Nicolette Emmino ist Content-Strategin und Co-Leiterin bei ReBoot eMedia. Sie verbindet über ein Jahrzehnt Branchenwissen mit ihrer Leidenschaft für die Erstellung von Inhalten und arbeitet unermüdlich daran, komplexe Themen in verständliche Inhalte für die Elektronikbranche zu übertragen. Sie möchte Hersteller und Händler nicht nur über Trends auf dem Laufenden halten, sondern sie auch als Pioniere in ihrem Bereich positionieren.

Quellen

• 1. A milestone year for future air mobility, 8. Februar 2022. https://www.mckinsey.com/industries/aerospace-and-defense/our-insights/future-air-mobility-blog/a-milestone-year-for-future-air-mobility.