Entwicklung eines skalierten Teststands zur experimentellen Untersuchung hybrid-elektrischer Wasserstoffantriebe

Abstract

Die Dekarbonisierung der Luftfahrt erfordert neuartige Antriebskonzepte zur signifikanten Reduktion von Emissionen. Hybrid-elektrische Antriebssysteme auf Basis von Wasserstoff bieten hierbei ein erhebliches Potenzial. Im Rahmen des Verbundvorhabens BeHyPSy (B4 Innovative Hydrogen Propulsion System) wird eine modulare, segmentierte Antriebsarchitektur für Ultraleichtflugzeuge untersucht. Zur Analyse und Bewertung dieser Architektur wird ein physischer, skalierter Antriebsteststand entwickelt und aufgebaut. Der Teststand bildet die sechs parallelen Antriebssegmente, die einen gemeinsamen, mehrsträngigen Elektromotor speisen, durch ein physisches Brennstoffzellensegment und fünf in Echtzeit emulierte Segmente ab. Durch die Aufteilung der Gesamtleistung wird eine erhöhte Systemredundanz sowie der Einsatz luftgekühlter Brennstoffzellensysteme ermöglicht. Der Versuchsaufbau im Leistungsbereich bis 3,6 kW erlaubt die experimentelle Untersuchung der Leistungsaufteilung, der Segmentkopplung und zugehöriger Betriebsstrategien sowie der dynamischen Wechselwirkungen innerhalb des Gesamtsystems. Eine gekoppelte Lastmaschine ermöglicht die Abbildung missionsbasierter Lastprofile unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Im Fokus der experimentellen Untersuchungen stehen die Erfassung und Analyse elektrischer Leistungsflüsse, Spannungs- und Stromverteilungen sowie des transienten Systemverhaltens bei variierenden Lastanforderungen. Die Messdaten sollen der Charakterisierung der Antriebsarchitektur sowie der Validierung entwickelter Simulationsmodelle dienen. Steuerung, Regelung, Datenerfassung und Echtzeitverarbeitung erfolgen über ein leistungsfähiges Echtzeitsystem. Der entwickelte Teststand stellt eine experimentelle Plattform zur systematischen Analyse modularer, segmentierter hybrid-elektrischer Wasserstoffantriebe dar und ermöglicht die Bewertung von Redundanzkonzepten und Skalierungsstrategien für zukünftige Luftfahrtsysteme.

Decarbonizing aviation requires novel propulsion concepts to significantly reduce emissions. Hydrogen-based hybrid-electric propulsion systems offer considerable potential in this regard. As part of the collaborative project BeHyPSy (B4 Innovative Hydrogen Propulsion System), a modular, segmented propulsion architecture for ultralight aircraft is being investigated. To analyze and evaluate this architecture, a physical, scaled-down propulsion test rig is being developed and constructed. The test rig replicates the six parallel propulsion segments—which feed a shared, multi-winding electric motor—using one physical fuel cell segment and five segments emulated in real time. Distributing the total power output enables increased system redundancy and the use of air-cooled fuel cell systems. The experimental setup, operating in the power range of up to 3.6 kW, allows for the experimental investigation of power distribution, segment coupling, associated operating strategies, and dynamic interactions within the overall system. A coupled load machine enables the simulation of mission-based load profiles under realistic operating conditions. The experimental investigations focus on capturing and analyzing electrical power flows, voltage and current distributions, and transient system behavior under varying load demands. The measurement data will serve to characterize the propulsion architecture and validate the simulation models developed. Control, regulation, data acquisition, and real-time processing are handled by a high-performance real-time system. The developed test rig serves as an experimental platform for the systematic analysis of modular, segmented hybrid-electric hydrogen propulsion systems, enabling the evaluation of redundancy concepts and scaling strategies for future aviation systems.