Elektrische & hybride Flugzeugantriebe
Electric Propulsion als integriertes Antriebssystem
Elektrische und hybride Flugzeugantriebe verbinden Energieversorgung, Leistungselektronik, Elektromotor beziehungsweise Generator, Regelung, Kühlung und Propulsor zu einem gemeinsamen Antriebssystem. Bei hybriden Systemen kommen weitere Energiequellen und Energiewandler hinzu. Silver Atena entwickelt elektrische Antriebssysteme und sicherheitskritische Elektronik für Aerospace-Anwendungen und betrachtet dabei die Wechselwirkungen zwischen Energiequelle, Leistungswandlung, Antriebssteuerung und übergeordneter Flugzeugarchitektur.
Herausforderungen bei elektrischen und hybriden Flugzeugantrieben
Elektrische Flugzeugantriebe müssen die geforderte Leistung bei möglichst geringer Masse und begrenztem Bauraum unter den besonderen Betriebs- und Umweltbedingungen der Luftfahrt bereitstellen.
Die Komponenten des Antriebsstrangs lassen sich nicht unabhängig voneinander auslegen. Spannung, Leistung und Dynamik der Energiequelle beeinflussen Inverter und elektrische Maschine. Wirkungsgrad und Verlustleistung bestimmen den Kühlbedarf. Motor- und Inverterregelung prägen das dynamische Verhalten des Antriebs. Gleichzeitig stellen Safety, Isolation, elektromagnetische Verträglichkeit und Nachweisführung Anforderungen an die gesamte Architektur.
Bei hybriden Antriebssystemen kommt das Zusammenspiel mehrerer Energiequellen und Energiepfade hinzu. Betriebsstrategie und Energiemanagement koordinieren, wie die erforderliche Leistung abhängig von Flugphase, Lastanforderung und Systemzustand bereitgestellt wird.
Die Systemarchitektur bildet deshalb die Grundlage für die Abstimmung des vollständigen elektrischen oder hybriden Antriebssystems.
Leistungen für elektrische und hybride Flugzeugantriebe
Je nach Projekt umfasst die Entwicklung einzelne Komponenten wie einen Antriebsinverter, Teilfunktionen des Antriebssystems oder die Integration eines zusammenhängenden elektrischen Antriebsstrangs.
Elektrische und hybride Antriebsarchitektur
Ausgangspunkt sind die Anforderungen an Luftfahrzeug, Antriebsfunktion und Energieversorgung. Das Requirements Engineering strukturiert sie, die Systemarchitektur überführt sie in eine technische Struktur. Betrachtet werden unter anderem Energiequelle, Spannungsebenen, elektrische Maschine beziehungsweise Generator, Inverter, Propulsor, Kühlung und die Schnittstellen zur Flugzeugarchitektur.
Hochvolt-Energieversorgung und Energiemanagement
Je nach Antriebskonzept können Batterien, Brennstoffzellensysteme oder hybride Energiequellen Teil der Architektur sein. Silver Atena stimmt ihre Schnittstellen mit Spannungsebene, Leistungsbedarf, Lastprofilen und den Anforderungen des Antriebs ab. Ihre Integration wird mit Spannungsebene, Leistungsbedarf, Lastprofilen und den Anforderungen des Antriebs abgestimmt. Bei hybriden Systemen koordiniert das Energiemanagement, welche Energiequelle in welchem Betriebszustand welchen Anteil der Leistung bereitstellt.
Antriebsinverter für elektrische Flugzeugantriebe
Der Inverter verbindet die Gleichspannungs-Energieversorgung mit der elektrischen Maschine und steuert den Energiefluss. Silver Atena entwickelt Leistungselektronik und DC/AC-Wechselrichter für elektrische Antriebssysteme. Bei Aerospace-Anwendungen stehen unter anderem Leistungsdichte und Gewicht, Wirkungsgrad, Schutz- und Diagnosefunktionen, EMV, elektrische Isolation und thermische Auslegung im Fokus.
Elektromotor, Generator und Propulsor im Gesamtsystem
Elektrische Maschine, Inverter und Propulsor bestimmen gemeinsam das Verhalten des Antriebs. Drehmoment, Drehzahl, Leistungsbereich und Dynamik müssen zur Anwendung passen, und die Propeller- oder Fan-Charakteristik beeinflusst die Anforderungen an Motor und Regelung. Bei hybriden Architekturen können zusätzlich Generatoren Teil des Systems sein. Welche Entwicklungsanteile Silver Atena selbst übernimmt, richtet sich nach dem Projektumfang.
Regelung und Antriebssteuerung
Die Regelungs- und Funktionsentwicklung setzt die Anforderungen an Drehmoment, Drehzahl und dynamisches Verhalten in Regelalgorithmen um. Dazu gehören je nach Anwendung Strom-, Drehmoment- und Drehzahlregelung, Betriebszustandssteuerung, Begrenzungs- und Schutzfunktionen, Diagnose und definierte Fehlerreaktionen. Regelung, Embedded Software, Hardware und Systemarchitektur werden gemeinsam abgestimmt.
Thermik, Kühlung und EMV
Hohe elektrische Leistungen verursachen Verluste in Leistungselektronik und elektrischer Maschine. Das Kühlkonzept beeinflusst deshalb Leistungsdichte, Bauraum, Gewicht und die nutzbare Dauerleistung. Je nach Leistung, Einbauort und Betriebsprofil können Luft- oder Flüssigkeitskühlungen erforderlich sein. EMV und Thermomanagement werden bereits während der System- und Elektronikentwicklung berücksichtigt.
Safety und Fehlertoleranz elektrischer Flugzeugantriebe
Der Vortrieb gehört zu den zentralen Funktionen eines Luftfahrzeugs. Fehler in Energieversorgung, Inverter, elektrischer Maschine, Sensorik oder Regelung können das gesamte Antriebssystem beeinflussen. System Safety wird deshalb bereits bei Anforderungen und Architektur berücksichtigt. Aus dem Safety Assessment ergeben sich die Kritikalität der Funktionen und die projektspezifischen Maßnahmen, etwa Redundanz, Monitoring, Leistungs- oder Drehmomentbegrenzung und definierte Fehlerreaktionen.
Entwicklungsprozess für Electric Propulsion
Die konkreten Schritte richten sich nach Antriebskonzept, Leistung, Kritikalität und Systemumfang.
- Anforderungen und Antriebskonzept analysieren: Anforderungen an Leistung, Drehzahl, Betriebsbereiche, Energieversorgung, Gewicht, Bauraum und Umweltbedingungen werden analysiert und validiert. Safety-Anforderungen und Schnittstellen zur Flugzeugarchitektur werden von Beginn an berücksichtigt.
- Antriebs- und Energiearchitektur definieren: Energiequelle, Leistungselektronik, elektrische Maschine, Propulsor und Kühlung werden in einer gemeinsamen Systemarchitektur strukturiert. Bei hybriden Konzepten kommen Energiepfade und Betriebsstrategien der unterschiedlichen Energiequellen hinzu.
- Komponenten und Schnittstellen auslegen: Inverter, elektrische Maschine beziehungsweise Generator, Sensorik und weitere Komponenten werden je nach Projekt entwickelt, spezifiziert, ausgewählt oder in das Gesamtsystem integriert. Elektrische, kommunikative, thermische und mechanische Schnittstellen werden definiert und abgestimmt.
- Regelung und Betriebsstrategie entwickeln: Regelalgorithmen bestimmen das dynamische Verhalten des elektrischen Antriebs.
- Antriebssystem integrieren: Elektrische Maschine, Inverter, Steuerung, Sensorik und Energieversorgung werden schrittweise zusammengeführt. Dabei werden auch Schnittstellen zu übergeordneten Flugzeug- und Energiesystemen berücksichtigt.
- Antriebssystem verifizieren und qualifizieren: Das integrierte System wird gegen die definierten Anforderungen verifiziert. Funktion, Leistung, Dynamik sowie das Verhalten an Betriebsgrenzen und in festgelegten Fehlerfällen werden geprüft. Die Umweltqualifikation ergänzt diese Absicherung um relevante mechanische, klimatische und elektromagnetische Bedingungen.
Normen und Standards für Electric Propulsion
Abhängig von Antriebssystem, Kritikalität, Zulassungskontext und Entwicklungsumfang können insbesondere folgende Standards und Richtlinien relevant sein:
- SAE ARP4754B: Entwicklung ziviler Luftfahrzeuge und Systeme
- SAE ARP4761A: Safety-Assessment-Prozess für zivile Luftfahrzeuge und Systeme
- RTCA DO-178C: Software in luftgestützten Systemen und Geräten
- RTCA DO-254: elektronische Hardware in luftgestützten Systemen
- RTCA DO-160G: Umweltbedingungen und Prüfverfahren für luftgestützte Geräte
- EN 9100: Qualitätsmanagementsysteme in Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung
Welche Dokumente, Ausgaben, Nachweisziele und Design Assurance Levels gelten, ergibt sich aus Flugzeugarchitektur, Antriebssystem und Zulassungsbasis.
Anwendungen elektrischer und hybrider Flugzeugantriebe
Elektrische Propulsionssysteme können je nach Plattform, Leistungsbedarf und Integrationskonzept unterschiedlich aufgebaut sein.
Elektrische Propellerantriebe
Bei elektrischen Propellerantrieben werden elektrische Maschine, Inverter und Propeller als zusammenhängender Antriebsstrang betrachtet. Die Auslegung richtet sich unter anderem nach Leistung, Drehzahlbereich, Wirkungsgrad, Kühlung und den Anforderungen der jeweiligen Flugplattform. Solche Antriebe können in rein elektrischen oder hybriden Architekturen eingesetzt werden.
Electric-Fan-Systeme
Electric-Fan-Systeme verbinden eine elektrische Maschine mit Fan und Antriebsinverter. Motor, Inverter, Kühlung und mechanische Integration müssen aufeinander abgestimmt werden. Hinzu kommen Schnittstellen zur Energieversorgung sowie zu übergeordneten Steuerungs- und Überwachungssystemen.
Aero-Antriebsinverter
Aero-Antriebsinverter übernehmen Leistungswandlung und Motorregelung innerhalb des elektrischen Flugzeugantriebs. Ihre Auslegung verbindet Anforderungen an Leistungsdichte, Gewicht, thermisches Verhalten, EMV, Monitoring und Integration in das Aerospace-System.
eVTOL-Antriebe
eVTOL-Architekturen können mehrere elektrische Antriebseinheiten mit einer gemeinsamen Energieversorgung und übergeordneten Steuerung verbinden. Dadurch gewinnen Leistungsverteilung, Redundanz, Monitoring und die Koordination der einzelnen Antriebe innerhalb der Gesamtarchitektur an Bedeutung.
Weitere mögliche Anwendungen sind hybride Flugzeugantriebe, elektrische Antriebe für UAVs sowie elektrische Maschinen und Generatoren.
Für elektrifizierte Bordsysteme außerhalb des eigentlichen Vortriebs, etwa elektrische Hilfsantriebe, bietet Silver Atena Leistungen im Bereich More Electric Aircraft.
Vorteile für Electric-Propulsion-Projekte
- Antriebsstrang frühzeitig als Gesamtsystem auslegen
Energieversorgung, Inverter, elektrische Maschine, Propulsor und Kühlung werden gemeinsam betrachtet. Zielkonflikte zwischen Leistung, Wirkungsgrad, Gewicht und Bauraum werden dadurch frühzeitig sichtbar. - Schnittstellen zwischen Energie und Antrieb klar definieren
Eine abgestimmte Antriebs- und Energiearchitektur schafft eindeutige technische Schnittstellen zwischen Energiequelle, Leistungselektronik, Motor und übergeordnetem Flugzeugsystem. - Leistungsdichte und Energiebedarf gemeinsam bewerten
Wirkungsgrad, Verlustleistung, Kühlung und Gewicht werden entsprechend den Anforderungen des Gesamtantriebs bewertet. - Fehlerverhalten und Nachweise früh berücksichtigen
Safety, Degradationsverhalten, Diagnose sowie Verifikations- und Qualifikationsanforderungen werden bereits in Architektur und Entwicklung berücksichtigt.
Electric Propulsion im Zusammenspiel der Fachbereiche
Elektrische und hybride Flugzeugantriebe verbinden mehrere Entwicklungs- und Technologiekompetenzen.
- Systemarchitektur und Energieversorgung
Die Systemarchitektur beschreibt den technischen Aufbau des Antriebssystems und seine Schnittstellen zur Flugzeugarchitektur. Die Energieversorgung stellt die erforderliche elektrische Leistung bereit und beeinflusst Spannungsebene, Leistungselektronik und Betriebsstrategie. - Leistungselektronik und elektrische Antriebe
Die Leistungselektronik übernimmt Wandlung und Steuerung der elektrischen Energie. Die Entwicklung elektrischer Antriebe betrachtet das Zusammenspiel von elektrischer Maschine, Inverter, Sensorik und Regelung. - Regelung und Embedded Software
Die Regelungs- und Funktionsentwicklung definiert das dynamische Verhalten des Antriebs. Embedded Software setzt Steuerungs-, Kommunikations-, Diagnose- und hardwarenahe Funktionen auf der Elektronik um. - Safety, Test und Qualifikation
System Safety definiert Anforderungen an Fehlerverhalten und Sicherheitsmechanismen. Test und Validierung sowie Umwelterprobung und Qualifikation unterstützen die funktionale und umweltbezogene Absicherung des Antriebssystems.
Warum Silver Atena für elektrische und hybride Flugzeugantriebe?
- Systemauslegung und Integration entlang des elektrischen Antriebsstrangs
Silver Atena verbindet Systemarchitektur, Energieversorgung, Leistungselektronik, elektrische Antriebe, Regelung und Test. Dadurch können die technischen Wechselwirkungen entlang des elektrischen Antriebsstrangs gemeinsam betrachtet werden. - Leistungselektronik und elektrische Aerospace-Antriebe
Silver Atena entwickelt Leistungselektronik, Regelungsfunktionen und Embedded Software für elektrische Antriebssysteme in Aerospace-Anwendungen. - Entwicklung und Absicherung in einem abgestimmten Prozess
Systementwicklung, Hardware, Embedded Software, Regelung, Safety und Test werden innerhalb des Entwicklungsprozesses aufeinander abgestimmt. Je nach Projekt reicht unser Leistungsumfang von der Antriebs- und Energiearchitektur über Komponentenentwicklung und Integration bis zur Verifikation und Qualifikation.
Elektrische und hybride Flugzeugantriebe für Ihr Aerospace-Projekt
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