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Elektrische Systemarchitekturen für hybrid-elektrische Flugzeuge

Elektrische Energie- und Leistungssysteme für Antriebssysteme zukünftiger Transportflugzeuge erfordern ein optimiertes Design der elektrischen Systemarchitektur (ESA) in Bezug auf Effizienz und Masse. Eine typische ESA für einen Antriebsstrang besteht aus Elektromotoren, Leistungsquellen in Form von Batterien sowie Leistungselektronik einschließlich Konverter oder Inverter, Übertragungskabel, Schutzvorrichtungen und Kühlsystemen.

Erhöhte Systemspannungen haben das Potenzial, die gesamte Systemmasse auf Flugzeugebene zu reduzieren, fördern aber auch in typischen Reiseflughöhen die Bildung von Lichtbögen. Erste Untersuchungen zeigen, dass hohe Spannungen auch aus Sicht der Übertragungseffizienz von Vorteil sind. Die höchste Sensitivität gegenüber der gewählten Systemspannung zeigt die Leistungselektronik, vor allem hinsichtlich der Leitungs- und Schaltverluste, die für eine bestimmte Auslegungsleistung optimiert werden können. Einen weiteren Freiheitsgrad bietet auch die Wahl der Systemarchitektur. Zwei Auslegungsphilosophien der Architektur wurden untersucht, die konstante Systemspannungs- (KSSA) und die variable Systemspannungsarchitektur (VSSA). Die KSSA hält eine konstante Systemspannung über den Gesamtbetrieb aufrecht, während die VSSA eine Fluktuation des Spannungsniveaus, beispielsweise hervorgerufen durch eine Batterie, erlaubt. Für beide Architekturen wurde eine optimale Systemspannung in der Nähe der Betriebsspannung des Elektromotors ermittelt, die in diesem Szenario im niedrigen Kilovoltbereich lag. Bei diesem Spannungsniveau und unter heutigen Technologie-Annahmen konnten Gesamtsystem-Wirkungsgrade von 90 % bis 95 % erreicht werden. Aus Sicht der Effizienz ist es daher nicht notwendig, die Spannung in noch höhere Bereiche zu treiben.

  • Architekturoptionen: Zwei verschiedene Strategien wurden untersucht, um elektrische Komponenten miteinander zu verbinden. Die konstante Systemspannungs- und die variable Systemspannungsarchitektur.Architekturoptionen: Zwei verschiedene Strategien wurden untersucht, um elektrische Komponenten miteinander zu verbinden. Die konstante Systemspannungs- und die variable Systemspannungsarchitektur.
  • Spannungseinfluss: Verlustanteile der einzelnen installierten Komponenten in einer konstanten Systemspannungsarchitektur bei verschiedenen AuslegungsspannungenSpannungseinfluss: Verlustanteile der einzelnen installierten Komponenten in einer konstanten Systemspannungsarchitektur bei verschiedenen Auslegungsspannungen