Innovative elektrische Flugzeugbordnetze für eine optimierte Bordstromverteilung
Brice Hervé S. D. Nya
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Brice Hervé S. D. Nya, Innovative elektrische Flugzeugbordnetze für eine optimierte Bordstromverteilung (2020), VDE Verlag, Berlin, ISBN: 9783800752133
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Beschreibung / Abstract
Seit Jahrzehnten gibt es einen anhaltenden Trend in Flugzeugbordnetzen mit der Zunahme elektrischer Verbraucher und abnehmenden mechanischen, hydraulischen sowie pneumatischen Verbrauchern. Dieser Trend ist in der Luftfahrtbranche als More Electric Aircraft (MEA) bekannt und hat sich schon beim A380, bei der B787 und zuletzt auch beim A350 abgezeichnet.
Heutzutage zählen hybrid-elektrische Flugzeuge (engl. Hybrid Electric Aircraft, HEA) und rein elektrische Flugzeuge (engl. All Electric Aircraft, AEA) und indirekt das Ziel eines emissionsfreien Luftverkehrs zu den größten industriellen Herausforderungen. In nur wenigen Jahren wurden rasante Fortschritte erzielt. So wurden in jüngster Zeit sogar eine Reihe von Kleinelektroflugzeugen entwickelt. Das elektrische Bordsystem spielt daher immer mehr eine entscheidende Rolle für den reibungslosen Betrieb eines Flugzeugs.
Für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie gehören Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz sowie Systemraumbedarf und -gewicht zu den wichtigsten Entwurfsaspekten. So hat beispielsweise die Reduzierung der Anzahl der Energiesektoren eine bessere Rationalisierung des Energiemanagements an Bord bewirkt. Andere Entwurfsaspekte, die für die Optimierungsprozesse relevant sind, werden als Entwurfsvariablen behandelt; unter anderem zählen dazu Bordnetzarchitekturen bzw. -topologien sowie Verteilungsstrukturen. Zur Optimierung des Bordnetzsystems müssen alle Teilsysteme mit ihren gegenseitigen Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Somit ist es dann möglich, die mathematischen Optimierungsansätze unter bestimmten Aufteilungsbedingungen des Bordnetzsystems anzuwenden. Die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Entwurfsvariablen führt zu einem Optimierungsansatz mit mehreren Kriterien: Dem sogenannten „multikriteriellen Optimierungsansatz" oder „multiobjektiven Optimierungsansatz".
Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie dem mechanistischen, dem systemischen, dem globalen oder dem kollaborativen Optimierungsansatz werden bei multikriteriellen Optimierungsverfahren mehrere Entwurfsvariablen unter gleichzeitiger Berücksichtigung mehrerer Zielfunktionen betrachtet, welche sich teilweise widersprechen können. Die Kombination aus architektonischen, topologischen und parametrischen Optimierungsansätzen führt zur Reduzierung der Gesamtkabellänge des Verteilungssystems sowie des Gesamtgewichts des Flugzeugbordnetzes.Seit Jahrzehnten gibt es einen anhaltenden Trend in Flugzeugbordnetzen mit der Zunahme elektrischer Verbraucher und abnehmenden mechanischen, hydraulischen sowie pneumatischen Verbrauchern. Dieser Trend ist in der Luftfahrtbranche als More Electric Aircraft (MEA) bekannt und hat sich schon beim A380, bei der B787 und zuletzt auch beim A350 abgezeichnet.
Heutzutage zählen hybrid-elektrische Flugzeuge (engl. Hybrid Electric Aircraft, HEA) und rein elektrische Flugzeuge (engl. All Electric Aircraft, AEA) und indirekt das Ziel eines emissionsfreien Luftverkehrs zu den größten industriellen Herausforderungen. In nur wenigen Jahren wurden rasante Fortschritte erzielt. So wurden in jüngster Zeit sogar eine Reihe von Kleinelektroflugzeugen entwickelt. Das elektrische Bordsystem spielt daher immer mehr eine entscheidende Rolle für den reibungslosen Betrieb eines Flugzeugs.
Für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie gehören Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz sowie Systemraumbedarf und -gewicht zu den wichtigsten Entwurfsaspekten. So hat beispielsweise die Reduzierung der Anzahl der Energiesektoren eine bessere Rationalisierung des Energiemanagements an Bord bewirkt. Andere Entwurfsaspekte, die für die Optimierungsprozesse relevant sind, werden als Entwurfsvariablen behandelt; unter anderem zählen dazu Bordnetzarchitekturen bzw. -topologien sowie Verteilungsstrukturen. Zur Optimierung des Bordnetzsystems müssen alle Teilsysteme mit ihren gegenseitigen Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Somit ist es dann möglich, die mathematischen Optimierungsansätze unter bestimmten Aufteilungsbedingungen des Bordnetzsystems anzuwenden. Die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Entwurfsvariablen führt zu einem Optimierungsansatz mit mehreren Kriterien: Dem sogenannten „multikriteriellen Optimierungsansatz" oder „multiobjektiven Optimierungsansatz".
Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie dem mechanistischen, dem systemischen, dem globalen oder dem kollaborativen Optimierungsansatz werden bei multikriteriellen Optimierungsverfahren mehrere Entwurfsvariablen unter gleichzeitiger Berücksichtigung mehrerer Zielfunktionen betrachtet, welche sich teilweise widersprechen können. Die Kombination aus architektonischen, topologischen und parametrischen Optimierungsansätzen führt zur Reduzierung der Gesamtkabellänge des Verteilungssystems sowie des Gesamtgewichts des Flugzeugbordnetzes.
Heutzutage zählen hybrid-elektrische Flugzeuge (engl. Hybrid Electric Aircraft, HEA) und rein elektrische Flugzeuge (engl. All Electric Aircraft, AEA) und indirekt das Ziel eines emissionsfreien Luftverkehrs zu den größten industriellen Herausforderungen. In nur wenigen Jahren wurden rasante Fortschritte erzielt. So wurden in jüngster Zeit sogar eine Reihe von Kleinelektroflugzeugen entwickelt. Das elektrische Bordsystem spielt daher immer mehr eine entscheidende Rolle für den reibungslosen Betrieb eines Flugzeugs.
Für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie gehören Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz sowie Systemraumbedarf und -gewicht zu den wichtigsten Entwurfsaspekten. So hat beispielsweise die Reduzierung der Anzahl der Energiesektoren eine bessere Rationalisierung des Energiemanagements an Bord bewirkt. Andere Entwurfsaspekte, die für die Optimierungsprozesse relevant sind, werden als Entwurfsvariablen behandelt; unter anderem zählen dazu Bordnetzarchitekturen bzw. -topologien sowie Verteilungsstrukturen. Zur Optimierung des Bordnetzsystems müssen alle Teilsysteme mit ihren gegenseitigen Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Somit ist es dann möglich, die mathematischen Optimierungsansätze unter bestimmten Aufteilungsbedingungen des Bordnetzsystems anzuwenden. Die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Entwurfsvariablen führt zu einem Optimierungsansatz mit mehreren Kriterien: Dem sogenannten „multikriteriellen Optimierungsansatz" oder „multiobjektiven Optimierungsansatz".
Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie dem mechanistischen, dem systemischen, dem globalen oder dem kollaborativen Optimierungsansatz werden bei multikriteriellen Optimierungsverfahren mehrere Entwurfsvariablen unter gleichzeitiger Berücksichtigung mehrerer Zielfunktionen betrachtet, welche sich teilweise widersprechen können. Die Kombination aus architektonischen, topologischen und parametrischen Optimierungsansätzen führt zur Reduzierung der Gesamtkabellänge des Verteilungssystems sowie des Gesamtgewichts des Flugzeugbordnetzes.Seit Jahrzehnten gibt es einen anhaltenden Trend in Flugzeugbordnetzen mit der Zunahme elektrischer Verbraucher und abnehmenden mechanischen, hydraulischen sowie pneumatischen Verbrauchern. Dieser Trend ist in der Luftfahrtbranche als More Electric Aircraft (MEA) bekannt und hat sich schon beim A380, bei der B787 und zuletzt auch beim A350 abgezeichnet.
Heutzutage zählen hybrid-elektrische Flugzeuge (engl. Hybrid Electric Aircraft, HEA) und rein elektrische Flugzeuge (engl. All Electric Aircraft, AEA) und indirekt das Ziel eines emissionsfreien Luftverkehrs zu den größten industriellen Herausforderungen. In nur wenigen Jahren wurden rasante Fortschritte erzielt. So wurden in jüngster Zeit sogar eine Reihe von Kleinelektroflugzeugen entwickelt. Das elektrische Bordsystem spielt daher immer mehr eine entscheidende Rolle für den reibungslosen Betrieb eines Flugzeugs.
Für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie gehören Sicherheit, Zuverlässigkeit, Effizienz sowie Systemraumbedarf und -gewicht zu den wichtigsten Entwurfsaspekten. So hat beispielsweise die Reduzierung der Anzahl der Energiesektoren eine bessere Rationalisierung des Energiemanagements an Bord bewirkt. Andere Entwurfsaspekte, die für die Optimierungsprozesse relevant sind, werden als Entwurfsvariablen behandelt; unter anderem zählen dazu Bordnetzarchitekturen bzw. -topologien sowie Verteilungsstrukturen. Zur Optimierung des Bordnetzsystems müssen alle Teilsysteme mit ihren gegenseitigen Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Somit ist es dann möglich, die mathematischen Optimierungsansätze unter bestimmten Aufteilungsbedingungen des Bordnetzsystems anzuwenden. Die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Entwurfsvariablen führt zu einem Optimierungsansatz mit mehreren Kriterien: Dem sogenannten „multikriteriellen Optimierungsansatz" oder „multiobjektiven Optimierungsansatz".
Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie dem mechanistischen, dem systemischen, dem globalen oder dem kollaborativen Optimierungsansatz werden bei multikriteriellen Optimierungsverfahren mehrere Entwurfsvariablen unter gleichzeitiger Berücksichtigung mehrerer Zielfunktionen betrachtet, welche sich teilweise widersprechen können. Die Kombination aus architektonischen, topologischen und parametrischen Optimierungsansätzen führt zur Reduzierung der Gesamtkabellänge des Verteilungssystems sowie des Gesamtgewichts des Flugzeugbordnetzes.
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
- Innovative elektrische Flugzeugbordnetze für eine optimierte Bordstromverteilung
- Titelseite
- Impressum
- Titelseite Dissertation
- Gutachter
- Danksagung
- Kurzvita
- Kurzfassung
- Abstract
- Thesen
- Inhalt
- Nomenklatur
- 1. Einleitung
- 1.1. Problematik der schwankenden Ölpreise
- 1.2. Problematik der Abhängigkeit von der Primärenergie
- 1.3. Motivation
- 1.4. Ziel der Arbeit und methodische Vorgehensweise
- 2. Technische Entwicklungen von Flugzeugbordnetzen
- 2.1. Vom konventionellen zum modernen Flugzeug
- 2.2. Vergleich der Energieformen im Flugzeug
- 2.3. Funktion des elektrischen Flugzeugbordnetzes
- 2.4. Topologien des Flugzeugbordnetzes
- 2.5. Flugzeugbordnetzarchitekturen
- 2.6. Elektrische Energieerzeugung im Flugzeugbordnetz
- 2.7. Entwicklung im elektrischen Bordnetz
- 2.8. Weg zu rein elektrischen Flugzeugen
- 2.9. Bordstromoptimierung durch die Entwicklung von rein elektrischen Flugzeugen
- 2.10. Kapitelzusammenfassung
- 3. Optimierungspotenziale des elektrischen Bordnetzsystems
- 3.1. Konzeptionelle Optimierungsparameter
- 3.2. Bilanz der elektrischen Energie
- 3.3. Architektonische Optimierung
- 3.4. Technische Rahmenbedingungen
- 3.5. Kapitelzusammenfassung
- 4. Gewichtsoptimierungsstrategien für elektrische Flugzeugbordnetze
- 4.1. Vom mechanistischen zum systemischen Ansatz
- 4.2. Optimierungsansatz durch Systemaufteilung
- 4.3. Optimierung des Bordsystems mit kollaborativ-multikriteriellem Ansatz
- 4.4. Mathematische Formulierung
- 4.5. Kapitelzusammenfassung
- 5. Gewichtsmodellierung der elektrischen Verteilungsstruktur im Flugzeug
- 5.1. Hauptkomponenten von Flugzeugen
- 5.2. Gewicht der anderen Ausrüstung und Teilsysteme
- 5.3. Zusammenstellung der Flugzeuggewichtskomponenten
- 5.4. Zusammenstellung des Gewichts eines elektrischen Bordnetzsystems
- 5.5. Elektrische Verkabelung im Flugzeug
- 5.6. Gewichtsberechnung des elektrischen Bordnetzsystems
- 5.7. Mathematische Modellierung des Gewichts des Verteilungssystems
- 5.8. Auswertung der Architekturmodelle
- 5.9. Zusammenfassung der Gewichtsmodellierung
- 5.10. Umwandlung der Verteilungsstruktur
- 5.11. Kapitelzusammenfassung
- 6. Weitere Optimierungsansätze für das elektrische Bordnetz im Flugzeug
- 6.1. Optimierung des Energieverbrauchs
- 6.2. Topologie eines Powermanagements
- 6.3. Problematik der Leistungsdimensionierung im Flugzeugbordnetz
- 6.4. Einsatz eines Energiemanagements mit Lastpriorisierung
- 6.5. Kapitelzusammenfassung
- 7. Zusammenfassung und Ausblick
- 7.1. Zusammenfassung
- 7.2. Ausblick
- A. Anhang
- A.1. Vergleich zwischen Aluminium- und Kupfer-Kabel
- A.2. Kabelauslegung im Flugzeugbordnetz
- A.3. Spannungsabfall auf Leitungen
- B. Wissenschaftlicher Tätigkeitsnachweis
- Stichwortverzeichnis
- Literaturverzeichnis
- Lebenslauf
- Curriculum Vitae
- Kurzfassung / Schlagwörter
- Ihre Meinung zählt!