Methodischer Ansatz zur Integration von Modellen, statistischen Voruntersuchungen und Architekturvarianten in den frühen Entwicklungsphasen eines hybridelektrischen Teststands

Abstract

Dieser Beitrag entwickelt eine Methodik zur Integration von Modellbildung, statistischer Analyse und Architekturuntersuchungen in frühen Entwicklungsphasen hybridelektrischer Antriebssysteme für die Luftfahrt. Die Zielsetzung ist, die Entwicklungszeit bezogen auf die Untersuchung des Antriebsstrangs angesichts zunehmender Systemkomplexität zu verkürzen und dazu hardwarebezogene Entwicklungsschritte mithilfe virtueller Entwicklungsumgebungen und Methoden in frühere Phasen vorzuziehen (Frontloading) und dabei agile Arbeitsmethoden anzuwenden. Ausgangspunkt ist die Notwendigkeit, klimaneutrale Antriebe zu realisieren und gleichzeitig den hohen technischen Anforderungen an Brennstoffzellen-Hybridsystemen gerecht zu werden. Besonders im Bereich der Ultraleichtflugzeuge eröffnen sich hier Chancen, neue Konzepte unter geringen regulatorischen Hürden zu erproben. Das Untersuchungsobjekt ist ein modularer, luftgekühlter Brennstoffzellenantrieb, der als Multi-String-Architektur aufgebaut ist. Mehrere Brennstoffzellenstränge versorgen jeweils Teilbereiche des Motors und ermöglichen so Gewichtsvorteile, Redundanz und flexible Betriebsstrategien. Um die Komplexität beherrschbar zu machen, werden klare Systemgrenzen definiert und die Subsysteme – Brennstoffzelle, Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor – zunächst in vereinfachten Simulationsmodellen abgebildet. Diese dienen der schnellen Integration und werden schrittweise zu detaillierten Modellen weiterentwickelt, die physikalische Effekte und Wechselwirkungen realitätsnah erfassen. Die Kopplung der Subsysteme erfordert besondere Maßnahmen, um Stabilität, Realisierbarkeit und Konvergenz sicherzustellen. Hierzu werden unter anderem Filtermechanismen eingesetzt, die numerische Schwingungen dämpfen, ohne die physikalischen Eigenschaften zu verfälschen. Parallel dazu werden verschiedene Solver-Einstellungen untersucht, um die Anforderungen an Genauigkeit, Rechenzeit und Echtzeitfähigkeit im Prüfstandbetrieb zu erfüllen. Ein automatisierter Prozess zur Auswertung und statistischen Analyse der Simulationsergebnisse stellt sicher, dass Einflussgrößen effizient identifiziert und Architekturentscheidungen fundiert getroffen werden können. Durch die Integration in ein dSPACE-System wird schließlich die Kopplung von Simulation und realem Teststand ermöglicht. Dies erlaubt Hardware-in-the-Loop-Experimente, mit denen Modelle validiert und Betriebsstrategien überprüft werden können. Die Arbeit zeigt damit einen durchgängigen methodischen Ansatz, der eine parallele Entwicklung von Simulation und Experiment erlaubt, Risiken frühzeitig adressiert und eine robuste Grundlage für die Auslegung hybridelektrischer Brennstoffzellenantriebe in der Luftfahrt schafft.

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.