Modellbasierte Systementwicklung hybridelektrischer Antriebsstränge

Abstract

Die Elektrifizierung der Antriebe von Leichtflugzeugen birgt ein erhebliches Potenzial zur Emissionsminderung, da Brennstoffzellen während des Betriebs keine Emissionen erzeugen. Allerdings wird der Einsatz solcher Brennstoffzellen durch ihr hohes Gewicht eingeschränkt, wobei insbesondere die schwere Flüssigkeitskühlung als wesentliches Hindernis gilt. Eine vielversprechende Alternative sind luftgekühlte Brennstoffzellen, die ohne zusätzliche Komponenten wie Pumpen auskommen. Diese bieten jedoch nur bis zu einer Leistung von ca. 5 kW Gewichtsvorteile, da bei höheren Leistungen die Kühlöffnungen vergrößert werden müssen, was eine Erhöhung des Strömungswiderstand des Flugzeugs zur Folge hat. Ein innovatives Antriebskonzept auf Basis eines sechspoligen Elektromotors, der von sechs modularen luftgekühlten Brennstoffzellensystemen angetrieben wird, ermöglicht es, auch höhere Leistungsanforderungen mit Brennstoffzellen zu erfüllen. Im Rahmen des Verbundprojektes BeHyPSy (B4 INNOVATIVE HYDROGEN PROPULSION SYSTEM) des Luftfahrtforschungsprogramms wird dieses Konzept für Ultraleichtflugzeuge untersucht. Das Teilprojekt der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg unterstützt die Auslegung, Entwicklung, Erprobung, Optimierung und Anwendung des Antriebssystems durch modellbasierte Systementwicklung. Der Schwerpunkt liegt auf dem methodischen Zusammenwirken virtueller und realer Entwicklungsumgebungen und der effizienten Anwendung der eingesetzten Tools. Der Beitrag umfasst u.a. den Einsatz des System ComposerTM und der Requirements ToolboxTM von MATLAB® zur Erfassung der Systemarchitektur sowie zur Erstellung und Verwaltung der Anforderungen. Besonderes Augenmerk wird auf die Modellierung des Systems in Simulink®/SimscapeTM sowie die Validierung mit einem speziell an der HAW Hamburg aufgebauten Antriebs-Teststand gelegt. Dabei kommen Methoden der statistischen Versuchsplanung und eine dazu gehörige DoE-Software (Design-of-Experiment) zur Anwendung. Dieses Vorgehen soll auf den Verbunddemonstrator übertragen werden. Damit wird die frühzeitige Bereitstellung validierter Simulationen ermöglicht, auf deren Basis weiterführende Untersuchungen des dynamischen Systemverhaltens durchgeführt werden können und ist damit ein wichtiger Baustein, um Frontloading zu realisieren.

The electrification of light aircraft engines has significant potential for reducing emissions, as fuel cells do not produce any emissions during operation. However, the use of such fuel cells is limited by their high weight, with the heavy liquid cooling in particular being a major obstacle. A promising alternative are air-cooled fuel cells, which do not require additional components such as pumps. However, these only offer weight advantages up to an output of approx. 5 kW, since with higher outputs the cooling openings have to be enlarged, which results in an increase in the flow resistance of the aircraft. An innovative drive concept based on a six-pole electric motor powered by six modular air-cooled fuel cell systems makes it possible to meet even higher performance requirements with fuel cells. This concept for ultralight aircraft is being investigated as part of the aviation research programs BeHyPSy (B4 INNOVATIVE HYDROGEN PROPULSION SYSTEM) joint project. The sub-project of the Hamburg University of Applied Sciences supports the design, development, testing, optimization and application of the drive system through model-based system development. The focus is on the methodical interaction of virtual and real development environments and the efficient application of the tools used. The contribution includes, among other things, the use of the System ComposerTM and the Requirements ToolboxTM from MATLAB® to record the system architecture and to create and manage the requirements. Particular attention is paid to modeling the system in Simulink®/SimscapeTM as well as validation with a drive test stand specially set up at HAW Hamburg. Methods of statistical experimental planning and the associated DoE software (design of experiment) are used. This procedure should be transferred to the composite demonstrator. This enables the early provision of validated simulations, on the basis of which further investigations of the dynamic system behavior can be carried out and is therefore an important component in realizing frontloading.