Motivation mit Zielsetzung
Die Verpflichtung zur Reduzierung der CO2-Emissionen sowie der Trend zur Nutzung von erneuerbaren Energiequellen und zu höheren Umweltschutzstandards in der Luftfahrt haben zu einem erhöhten Interesse und einem wachsenden Markt für Hybrid- oder vollelektrische Luftfahrzeuge geführt. Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Entwicklung eines sicheren Batteriepacks, das in einem solchen Flugzeug als Kernkomponente eingesetzt werden kann.
Abbildung 1: Multi-Level Batteriepack für Luftfahrtanwendungen
Stand von Wissenschaft und Technik mit Neuheit des Lösungsansatzes
Die Multi-Level-Technologie ermöglicht nicht nur eine größere Systemflexibilität, sondern auch einen qualitativ anderen Wirkungsgrad. In klassischen Systemen mit fest verbundenen Batterien gibt es, auch mit ständiger Überwachung, keine Möglichkeit das System gezielt zu beinflussen. Mit der Multi-Level-Technologie können Batterie-Zellen, die derzeit für die Erzeugung der Ausgangsspannung unerwünscht sind, z. B. weil sie zu heiß oder leer sind, übersprungen werden. Der Verzicht auf die aktive Nutzung solcher Zellen eliminiert deren negativen Einfluss auf benachbarte Zellen, erlaubt eine gleichmäßige Entladung der Batterien, eine thermische Balancierung und verlängert die Lebensdauer der Batterien. Dies wiederum erhöht die Sicherheit des Systems, da gefährliche Situationen auf der Grundlage der Daten der ständigen Überwachung des aktuellen Batteriezustands (Temperatur, Strom, Spannung) vermieden werden können. So kann in dem Fall, dass eine Zelle thermisch durchgeht, nicht nur diese Zelle selbst beinflusst werden, sondern es können auch benachbarte Zellen schnell entladen werden, damit diese von der kaputten Zelle nicht angesteckt werden können.
Ergebnisse
Die Entwicklung des Batteriepacks umfasst alle Komponenten, d.h. mechanisch bis zur Software, und wird in Zusammenarbeit mit verschiedenen Kooperationspartnern und den anderen Projektteilen umgesetzt. Ein Teilbereich besteht aus Simulationen, die in der Simulink-Umgebung durchgeführt werden. Sie umfassen das gesamte Batteriepack und ermöglichen die Bewertung von Verlusten und der Systemeffizienz unter verschiedenen Kontrollalgorithmen der Ausgangsspannungserzeugung, Balancingprinzipien oder Systemtypologien. Diese Modelle werden in den Echtzeitsimulationen am Institut für Aeronautical Engineering als Teil des Gesamtflugzeugsmodells genutzt.
Zusätzlich ist die Simulink-Umgebung Teil der Toolchain für die luftfahrtkonforme Softwareentwicklung, die am Institut für Aeronautical Engineering entwickelt wird. Die erzeugten Modelle werden genutzt, um Code für die Batteriekontroller zu generieren. Dadurch werden möglichst viele der Luftfahrtnormen und -standards automatisiert geprüft und gleichzeitig ist ein digitaler Zwilling des Batteriepacks bereits Bestandteil der Entwicklung.
Als Schnittstelle für die jeweilig eingesetzten Mikrokontroller wird im Rahmen des Projektes zusätzlich Code manuell entwickelt, um die Hardwarekomponenten optimal in das Gesamtsystem einzubinden. Auch die Entwicklung dieser Code Komponenten ist in die Toolchain integriert. Dieser Entwicklungsprozess wird für den Battery Main Controller und für den Battery Cell Controller eingesetzt.
Die Hardware für letzteren wurde im Rahmen des Projekts zur Untersuchung und Evaluation in mehreren Varianten erstellt. Neben einem klassischem Konstantspannungssystem wurden vor allem verschiedene Multi-Level-Systeme erstellt. Diese sind: Eine Cross-Switch-Topologie für ein Modul aus 12 Zellen, Einzelzellmodule mit zwei Schaltern als Halbbrücke sowie mit drei Schaltern als Battery Modular Multilevel Management System und ein Modul aus 12 Zellen mt zwei Schaltern als Halbbrücken in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner des Projekts, der Bavertis GmbH. Der letzte Aspekt der Entwicklung des Batteriemoduls ist die Konstruktion der Anlage selbst, mechanische Layouts und Modelle, welche in Zusammenarbeit mit der Electric Flytrain AG durchgeführt wird. Am Ende des Projektes ist geplant, das komplette Batteriepaket zu bauen, in den Antriebsstrang auf dem Prüfstand zu integrieren und in Betrieb zu nehmen.
Verwertungsperspektive
Die entwickelte Batterie besteht aus mehreren einzelnen Batteriemodulen. Dadurch ist sie flexibel und kann bei veränderten Systemanforderungen durch Hinzufügen oder Entfernen mehrerer Module auf die vorgegebenen Bedürfnisse skaliert werden. Andererseits erlaubt dieser modulare Ansatz, von einzelnen Batteriemodulen zu sprechen, die als Komplettprodukt in zivilen und militärischen Anwendungen für mobilere und kleinere Flugkörper wie Quadcopter oder Drohnen eingesetzt werden können. Auf Basis des entwickelten Ansatzes eines Multi-Level Systems als adaptive Spannungsquelle soll das System erweitert werden und die Batterie auch als Direktinverter genutzt werden, um alle Vorteile der Multi-Level Technologie nutzen zu können.
Ansprechpartner und am Projekt beteiligte Mitarbeiter