DE102016226337A1

DE102016226337A1 - Elektrisches Antriebssystem mit Hybrid-Kabel

Info

Publication number: DE102016226337A1
Application number: DE102016226337.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wollenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2018-07-05
Also published as: WO2018122297A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Luftfahrzeug. Das Antriebssystem weist elektrische Komponenten auf, die bei vergleichsweise hohen Betriebsspannungen betrieben werden. Um negative Effekte des Paschen-Gesetzes auf die jeweilige Durchschlagsspannung aufgrund geringer Umgebungsdrucke in großen Flughöhen zu kompensieren, wird an entsprechenden Orten der elektrischen Komponenten mit Hilfe eines Gasdrucksystems ein Umgebungsdruck aufrecht erhalten, der bspw. dem Umgebungsdruck auf Meereshöhe entspricht. Hierzu werden spezielle Hybrid-Kabel eingesetzt, die sowohl die zum Betrieb der elektrischen Komponente benötigte elektrische Energie als auch das Gas zum Erzeugen und Aufrechterhalten des gewünschten Druckes bereitstellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Maßnahme zur Erhöhung der Betriebssicherheit des elektrischen Antriebssystems.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Folgenden unter einem elektrischen Antriebssystem auch ein hybridelektrisches Antriebssystem verstanden wird, d.h. der Begriff „elektrisches Antriebssystem“ umfasst sowohl rein elektrische Antriebssysteme als auch Antriebssysteme, in denen elektrische Maschinen mit Verbrennungskraftmaschinen kombiniert sind.
Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, bspw. von Flugzeugen oder Helikoptern, werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und bspw. einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in einer Batterie gespeichert und/oder dem Elektromotor zugeführt werden kann.
Zum Betreiben der elektrischen Betriebsmittel bzw. Komponenten des elektrischen Antriebssystems werden entsprechende Betriebsspannungen benötigt. Diese Betriebsspannungen steigen bspw. mit der zum Antreiben des Luftfahrzeugs benötigten Leistung. Es ist bspw. davon auszugehen, dass zum Betreiben zukünftiger elektrischer oder hybrid-elektrischer Verkehrsflugzeuge Betriebsspannungen in Größenordnungen von ca. 1500V bis 3000V benötigt werden, während in aktuellen, turbinengetriebenen Verkehrsflugzeugen die elektrischen Spannungen bei höchstens 340V zur Versorgung des Bordnetzes liegen.
Generell ist davon auszugehen, dass mit steigender Betriebsspannung auch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Betriebsspannung über einer jeweils gegebenen Durchschlagsspannung liegt. Dabei wird unter der Durchschlagsspannung diejenige elektrische Spannung verstanden, die überschritten werden muss, damit ein elektrischer Durchschlag bzw. ein Spannungsdurchschlag auftritt. Es ist also aus Sicherheitsgründen grundsätzlich zu vermeiden, dass die Betriebsspannung die Durchschlagsspannung überschreitet.
Die durch das Paschen-Gesetz beschriebene Durchschlagsspannung hängt u.a. von dem jeweils herrschenden Umgebungsdruck p sowie vom Abstand d der Elektroden ab, an denen die Betriebsspannung anliegt. Bei ansonsten jeweils konstanten Parametern fällt dabei die Durchschlagsspannung typischerweise mit fallendem Umgebungsdruck p sowie auch mit fallendem Elektrodenabstand d. Es ist davon auszugehen, dass bspw. im Anwendungsfall in einem Luftfahrzeug bei großer Höhe und dem damit verbundenen reduzierten Umgebungsdruck p die Durchschlagsspannung vergleichsweise niedrig ist. Dies führt dazu, dass dementsprechend niedrige Betriebsspannungen gewählt werden müssen, um sicherzustellen, dass in den elektrischen Betriebsmitteln auch bei großer Höhe keine elektrischen Durchschläge auftreten. Insbesondere im Anwendungsfall des elektrischen Fliegens ist jedoch davon auszugehen, dass die oben bereits erwähnten vergleichsweise hohen Betriebsspannungen eingesetzt werden müssen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, auch in großer Höhe elektrische Durchschläge bei den gegebenen Betriebsspannungen eines elektrischen Antriebssystems zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene elektrische Antriebssystem, durch die in Anspruch 11 beschriebene Verbindungseinrichtung und durch das Betriebsverfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Das elektrisches Antriebssystem, welches insbesondere für ein Luftfahrzeug verwendbar ist, weist eine elektrische Komponente auf, welche insbesondere bei einer Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird. Die elektrische Komponente weist ihrerseits ein Volumen auf, in dem sich zwei einander zugeordnete und voneinander beabstandete elektrische Kontakte bzw. Elektroden befinden, die zumindest im Betriebszustand der elektrischen Komponente eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen. Weiterhin ist ein Gasdrucksystem zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere Luft, vorgesehen, um in dem Volumen einen vorgebbaren Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Das Gasdrucksystem ist über eine Verbindungseinrichtung mit der elektrischen Komponente und mit dem Volumen derart fluidisch verbunden, dass das Gas zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Umgebungsdruckes in dem Volumen bereitstellbar ist.
Die elektrische Komponente ist ein Bauteil des elektrischen Antriebssystems, welches elektrische Energie bereitstellt, bspw. ein Generator oder eine Batterie, welches elektrische Energie verbraucht bzw. verarbeitet, bspw. ein Elektromotor oder ein Umrichter, oder welches elektrische Energie transportiert, bspw. ein Kabel. Auch können Subsysteme dieser genannten Bauteile derartige elektrische Komponenten darstellen.
Weiterhin kann eine weitere derartige elektrische Komponente vorgesehen sein, die ebenfalls insbesondere bei einer Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird. Die weitere elektrische Komponente weist ein weiteres Volumen auf, in dem sich zwei weitere einander zugeordnete und voneinander beabstandete elektrische Kontakte bzw. Elektroden befinden, die zumindest im Betriebszustand der weiteren elektrischen Komponente eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen. Die beiden elektrischen Komponenten sind über eine weitere Verbindungseinrichtung derart miteinander verbunden, dass das Gas zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines weiteren vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem weiteren Volumen über die weitere Verbindungseinrichtung dem weiteren Volumen bereitstellbar ist.
Jede Verbindungseinrichtung ist vorteilhafterweise eine elektrische Verbindung, insbesondere ein elektrisches Kabel, des Antriebssystems zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den jeweiligen elektrischen Kontakten in dem Volumen der jeweiligen elektrischen Komponente, mit der die jeweilige Verbindungseinrichtung verbunden ist, d.h. zum Zuführen oder Abführen von elektrischer Energie zu der oder von der jeweiligen elektrischen Komponente. Dies bietet den Vorteil, dass zur Zuführung des Gases keine separate Einrichtung verwendet werden muss und dass das Gas zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Umgebungsdruckes automatisch an dem Ort verfügbar ist, an dem auch die Betriebsspannung anliegt.
Jede elektrische Verbindung weist einen elektrischen Leiter zum Transport der elektrischen Energie sowie einen schlauchartigen Hohlraum zur Transport des Gases auf. Der elektrische Leiter erstreckt sich in einer Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung zwischen zwei Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung. Der schlauchartige Hohlraum erstreckt sich ebenfalls in der Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung zwischen den beiden Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung, ist also im Wesentlichen parallel zum elektrischen Leiter orientiert, und ist vorgesehen, um das Gas entlang des Hohlraums und damit entlang der Verbindungseinrichtung zwischen den Endbereichen zu transportieren und im jeweiligen Volumen bereitzustellen.
Dabei ist die Verbindungseinrichtung mit jedem ihrer Endbereiche derart mit der jeweiligen elektrischen Komponente verbindbar, dass der Hohlraum und das Volumen in direktem oder indirektem fluidischem Kontakt miteinander sind, so dass das Gas von dem Gasdrucksystem über den Hohlraum in dem Volumen bereitstellbar ist.
In einer Ausführungsform sind der elektrische Leiter und der Hohlraum koaxial zueinander angeordnet.
Dabei kann in einer Variante der elektrische Leiter den Hohlraum in einer Umfangsrichtung der Verbindungseinrichtung umgeben, so dass also der Hohlraum in radialer Richtung innerhalb des elektrischen Leiters angeordnet ist.
In einer weiteren Variante umgibt der Hohlraum den elektrischen Leiter in der Umfangsrichtung der Verbindungseinrichtung, so dass also der elektrische Leiter in radialer Richtung innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind der elektrische Leiter und der Hohlraum nebeneinander angeordnet, d.h. hintereinander in einer Richtung gesehen, welche senkrecht auf der Längserstreckung des elektrischen Leiters steht.
Eine zu diesem Zweck ausgebildete elektrische Verbindungseinrichtung bzw. Hybrid-Kabel zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den elektrischen Kontakten einer elektrischen Komponente eines elektrischen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug und zum Bereitstellen eines Gases in einem Volumen der elektrischen Komponente zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines vorgebbaren Druckes in dem Volumen weist also einen elektrischen Leiter sowie einen schlauchartigen Hohlraum auf. Der elektrische Leiter sowie auch der schlauchartige Hohlraum erstrecken sich in einer Längsrichtung der Verbindungseinrichtung zwischen zwei Endbereichen der Verbindungseinrichtung, sind also im Wesentlichen parallel zueinander orientiert. Dabei ist der Hohlraum vorgesehen, um dem Volumen das gasförmige Medium zuzuführen, um in dem Volumen einen vorgegebenen Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
Wie bereits erwähnt können der elektrische Leiter und der Hohlraum koaxial zueinander oder aber nebeneinander angeordnet sein.
In einem Betriebsverfahren für das elektrische Antriebssystem des Luftfahrzeugs stellt das Gasdrucksystem das Gas in dem Volumen über die mit dem Volumen fluidisch verbundene elektrische Verbindungseinrichtung derart bereit, dass ein vorgebbarer Druck in dem Volumen erzeugt und aufrecht erhalten wird.
Dabei erfolgt die Vorgabe des Drucks in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz der Elektroden in dem Volumen der elektrischen Komponente und gemäß dem Paschen-Gesetz derart, dass die aus dem Paschen-Gesetz folgende Durchschlagsspannung stets höher ist als die Potentialdifferenz. Hierfür wird angenommen, dass das Paschen-Gesetz den Zusammenhang zwischen Durchschlagsspannung UD und Druck folgendermaßen beschreibt: $UD = \frac{B}{ln (A \cdot p \cdot d) - ln (ln (1 + γ^{- 1})} \cdot p \cdot d$
Dabei steht p für den Gasdruck, d für den Abstand der beteiligten Elektroden in dem Volumen, γ für den 3. Townsend-Koeffizienten und A sowie B für Konstanten. Faktisch ist in einer konkreten Anwendung bzw. bei gegebener Geometrie der elektrischen Maschine lediglich der Druck p beeinflussbar. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Ansatz ausgenutzt.
Die Erfindung ist insbesondere in derartigen Anwendungsfällen vorteilhaft, bei denen in einem Luftfahrzeug hohe Betriebsspannungen eingesetzt werden, d.h. insbesondere Betriebsspannungen größer als ca. 300V. Dies ist bspw. der Fall bei elektrischen Betriebsmitteln bzw. Komponenten eines elektrischen oder hybrid-elektrischen Primär-Antriebssystems an Bord des Luftfahrzeugs, bei denen Betriebsspannungen in Größenordnungen von über 1000V eingesetzt werden können. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich diese Komponenten in unbedruckten Bereichen des Luftfahrzeugs befinden, also bspw. außerhalb der bedruckten Kabine des Luftfahrzeugs. Diese unbedruckten Bereiche sind dementsprechend den äußeren Bedingungen in der momentanen Umgebung des Luftfahrzeugs ausgesetzt, d.h. in diesen Bereichen herrscht ein Umgebungs- bzw. Luftdruck, der dem Atmosphärendruck in der Höhe entspricht, in der sich das Luftfahrzeug momentan befindet. Demzufolge kann der Umgebungsdruck in den unbedruckten Bereichen des Luftfahrzeugs sehr niedrig sein. Bspw. beträgt der Atmosphärendruck in einer Flughöhe von 12.000m in etwa 200hPa und sämtliche Komponenten außerhalb der bedruckten Kabine sind diesem niedrigen Umgebungsdruck ausgesetzt, was dazu führt, dass die Durchschlagsspannung gemäß dem Paschen-Gesetz stark herabgesetzt ist. Die Erfindung dient nun dazu, unter diesen Bedingungen sicherzustellen, dass elektrische Durchschläge bzw. Lichtbögen in bzw. an den elektrischen Komponenten verhindert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass mit Hilfe der Vorrichtung zum Aufrechterhalten des vorbestimmten Umgebungsdruckes in bzw. an den elektrischen Komponenten ein Druck bereitgestellt wird, der insbesondere gemäß dem Paschen-Gesetz garantiert, dass die jeweilige Durchschlagsspannung jederzeit größer ist als die Betriebsspannung der jeweiligen Komponente.
Die Erfindung basiert demnach auf dem Konzept, den Umgebungsdruck an den betroffenen Stellen, bspw. Steckverbinder, durch geeignete Maßnahmen derart zu steigern, dass die Durchschlagspannung entsprechend erhöht und ein Durchschlag bzw. Lichtbogen auch bei kleinen Luft- und Kriechstrecken zwischen elektrischen Polen bzw. Elektroden der jeweiligen Komponente, wie man sie in üblichen Applikationen auf der Erdoberfläche verwendet, verhindert wird.
Es wird hierzu an relevanten Stellen, d.h. an Stellen, an denen ein Potential von >300V vorliegt, ein konstanter Umgebungsdruck in der Größenordnung des mittleren Luftdruckes auf Meereshöhe, ca. 1.000hPa, eingestellt.
Für die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung dieses konstanten Umgebungsdruckes wird die genannte Vorrichtung eingesetzt, bspw. ein entsprechendes Gasdrucksystem zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere Luft.
Um das durch das Gasdrucksystem bedruckte Gas an den vorgesehenen Stellen bereitzustellen, werden Hybrid-Leitungen verwendet, in denen sowohl elektrischer Strom als auch das Gas geführt werden können. Es werden also quasi die ohnehin benötigten elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den elektrischen Komponenten verwendet, um zusätzlich zur Übertragung von elektrischer Energie auch das zum Bedrucken benötigte Gas zu transportieren, so dass das Gas und damit der erhöhte Druck unmittelbar an denjenigen Stellen zur Verfügung steht, an denen es potentiell zu elektrischen Durchschlägen kommen könnte, da dort die vergleichsweise hohen elektrischen Spannungen herrschen.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigen:

1 ein elektrisches Antriebssystem für ein Flugzeug,
2 einen Querschnitt einer ersten Variante einer ersten Ausführungsform eines Hybrid-Kabels,
3 einen Querschnitt einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform des Hybrid-Kabels,
4 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Hybrid-Kabels,
5 ein Volumen mit elektrischen Kontakten.

Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“ und „radial“ auf das in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Kabel beziehen. Derartige Kabel weisen, abgesehen von eventuellen kurvigen Verläufen, zumindest abschnittsweise einen im Wesentlichen geraden Verlauf auf, wobei die Erstreckung in Verlaufsrichtung wesentlich größer ist als diejenige in einer senkrecht zur Verlaufsrichtung stehenden Richtung. Die Verlaufsrichtung entspricht nun der „axialen“ Richtung, während die „radiale“ Richtung senkrecht darauf steht.
Die 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht ein elektrisches Antriebssystem 100 für ein nicht dargestelltes Flugzeug. Dieses Antriebssystem 100 kann in dem Flugzeug installiert werden, um ein Vortriebsmittel des Flugzeugs, bspw. einen Propeller anzutreiben, so dass in der Folge das Flugzeug in Bewegung gesetzt werden kann.
Das Antriebssystem 100 weist eine Gruppe von elektrischen Komponenten 110, 120, 130 auf. Die Gruppe umfasst dabei eine Batterie 110, einen Wechselrichter 120 sowie einen Elektromotor 130. Die Batterie 110 ist über den Wechselrichter 120 mit dem Elektromotor 130 verbunden, so dass eine von der Batterie 110 bereitgestellte Gleichspannung durch den Wechselrichter 120 in eine zum Betrieb des Elektromotors 130 geeignete Wechselspannung gewandelt wird. Der Elektromotor 130 ist seinerseits über einen Welle 11 mit dem Propeller 10 des nicht dargestellten Flugzeugs verbunden, um diesen anzutreiben.
Wie einleitend erwähnt arbeiten die Komponenten 110, 120, 130 des elektrischen Antriebssystems 100 mit Betriebsspannungen in einer Größenordnung von >1000V, um sicherzustellen, dass das Antriebssystem 100 in Kombination mit dem Propeller 10 ausreichend Vortrieb für das Flugzeug erzeugt. Zumindest die gezeigten Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 werden sich typischerweise nicht in einem bedruckten Bereich des Flugzeugs befinden und sind dementsprechend zumindest indirekt dem Druck in der äußeren Umgebung des Flugzeugs ausgesetzt, der bekanntermaßen mit größer werdender Flughöhe fällt. Dies wirkt sich, beschrieben durch das Paschen-Gesetz, negativ auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elektrischen Durchschlägen in diesen elektrischen Komponenten 110, 120, 130 aus.
Das Paschen-Gesetz stellt eine Näherungsbeziehung für die Durchschlagsspannung UD dar in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern dar und kann wie folgt formuliert werden: $UD = \frac{B}{ln (A \cdot p \cdot d) - ln (ln (1 + γ^{- 1})} \cdot p \cdot d$
Dabei steht p für den Gasdruck, d für den Abstand der beteiligten Elektroden 102, 103 in dem Volumen 101, γ für den 3. Townsend-Koeffizienten und A sowie B für Konstanten. Faktisch ist in einer konkreten Anwendung bzw. bei gegebener Geometrie der elektrischen Maschine lediglich der Druck p beeinflussbar. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Ansatz ausgenutzt.
Um dem sicherheitskritischen Effekt der erhöhten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elektrischen Durchschlägen entgegenzuwirken, weist das Antriebssystem 100 ein Gasdrucksystem 150 auf. Das Gasdrucksystem 150 ist eingerichtet, um ein Medium 151, bspw. ein Gas oder ein Gasgemisch wie etwa Luft, unter einem vorgebbaren Druck an denjenigen Orten der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 bereitzustellen, an denen die Gefahr von elektrischen Durchschlägen besteht. Dabei kann der Einfachheit halber angenommen werden, dass sich an derartigen Orten jeweils zwei oder mehr Elektroden 102, 103 (siehe 5) bzw. elektrische Pole in einem Volumen 101 befinden, in dem der Druck im Wesentlichen dem Umgebungsdruck des Flugzeugs entspricht. Der Übersichtlichkeit wegen sind die Elektroden 102, 103 in den Volumina 101 nicht dargestellt. Die Elektroden 102, 103 in einem solchen Volumen 101 weisen zumindest im Betriebszustand des Antriebssystems 100 eine Potentialdifferenz auf, die bspw. größer ist als 300V, insbesondere im Fall des elektrischen Antriebssystems 100 erwartungsgemäß sogar größer als 1000V, so dass also insbesondere bei Umgebungsdrücken in typischen Reiseflughöhen die Gefahr von elektrischen Durchschlägen signifikant ist. Das Gasdrucksystem 150 bewirkt nun dadurch, dass es das Medium 151 an den genannten Orten bzw. in den Volumina 101 bereitstellt, dass dort vorgebbare Drücke erzeugt und aufrecht erhalten werden können. Dies hat zur Folge, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von elektrischen Durchschlägen signifikant an den Orten bzw. in den Volumina 101 der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 reduziert werden kann, indem mithilfe des zugeführten Mediums in den Volumina 101 bspw. ein Druck erzeugt wird, der dem Luftdruck auf Meereshöhe entspricht.
Derartige Volumina 101, in denen jeweils wie oben beschrieben mehrere Elektroden 102, 103 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen angeordnet sind, befinden sich insbesondere an denjenigen Orten der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100, an denen diese Komponenten 110, 120, 130 mit elektrischen Zu- oder Ableitungen bzw. Kabeln 140 verbunden werden, über die elektrische Energie zu- bzw. abgeführt wird. In der in 1 dargestellten Ausführung finden sich die Volumina 101 am Ausgang der Batterie 110, an dem ein Kabel 140 angeschlossen ist, über das elektrische Energie aus der Batterie 110 dem Umrichter 120 zugeführt wird. Dementsprechend befindet sich auch am Eingang des Umrichters 120 ein derartiges Volumen 101. Gleiches gilt für den Ausgang des Umrichters 120, der seinerseits über einen ersten Kabelabschnitt 140, einen Steckverbinder 160 und einen weiteren Kabelabschnitt 140 mit dem Eingang des Elektromotors 130 verbunden ist, um dem Elektromotor 130 über seinen Eingang die zum Betrieb benötigte elektrische Energie zuzuführen. An den entsprechenden Orten weisen also sowohl der Steckverbinder 160 als auch der Elektromotor 130 Volumina 101 auf.
Um in den Volumina 101 einen ausreichenden Druck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, weist das Gasdrucksystem 150 in einer vergleichsweise einfachen Ausführungsform einen Kompressor 152 auf, der bspw. Umgebungsluft ansaugt, komprimiert und die komprimierte Luft 151 in einen Druckbehälter 153 befördert. Der Druckbehälter 153 ist über ein regelbares Ventil 154 und eine Gasleitung 155 mit der Anordnung der elektrischen Komponenten 110, 120, 130 des Antriebssystems 100 verbunden, im dargestellten Beispiel mit der Batterie 110, um das bedruckte Gas 151 dem elektrischen Antriebssystem 100 und dort insbesondere den Volumina 101 zuzuführen. Die Batterie 110 stellt, allerdings lediglich exemplarisch, die erste von einer Reihe von Komponenten dar, die mit dem bedruckten Gas 151 versorgt werden sollen. Ebenso kann je nach räumlicher Anordnung der Komponenten und des Gasdrucksystems 150 zueinander bspw. der Umrichter 120 oder der Elektromotor 130 die erste, mit der Gasleitung 155 verbundene Komponente sein. Um nun das Gas 151 auch zwischen den Komponenten 110, 120, 130 befördern zu können, wird nun das ohnehin zur Übertragung der elektrischen Energie vorhandene Kabel 140 in einer speziellen Ausführung als Hybrid-Kabel verwendet.
Die Gasleitung 155, die das bedruckte Gas 151 vom Druckbehälter 153 zur ersten Komponente liefert, d.h. im dargestellten Fall zur Batterie 110, kann eine handelsübliche Schlauch- oder Rohrverbindung sein, an die keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Das Hybrid-Kabel 140, das sich jeweils zwischen zwei der Komponenten 110, 120, 130 erstreckt, erfüllt dagegen eine Doppelfunktion, da es sowohl elektrische Energie als auch das bedruckte Gas 151 zwischen den jeweils angeschlossenen Komponenten 110, 120, 130 transportiert. Hierzu ist das Hybrid-Kabel 140 wie exemplarisch in den 2, 3, 4 dargestellt ausgebildet.
Das Hybrid-Kabel 140 weist einen elektrischen Leiter 141 zum Transport von elektrischer Energie zu der oder von der elektrischen Komponente 110, 120, 130 auf, an die das Hybrid-Kabel 140 angeschlossen ist. Der elektrische Leiter 141 erstreckt sich in einer Längsrichtung des Hybrid-Kabel 140 zwischen zwei Endbereichen des Hybrid-Kabel 140, wobei in den Endbereichen bspw. Stecker vorgesehen sein können (nicht dargestellt), mit denen das Hybrid-Kabel 140 mit der jeweils anzuschließenden Komponente 110, 120, 130 verbunden werden kann. Dementsprechend würden die Komponenten 110, 120, 130 zu den Steckern passende Buchsen aufweisen (ebenfalls nicht dargestellt). Dabei wird das Hybrid-Kabel 140 an denjenigen Orten mit der jeweiligen Komponente 110, 120, 130 verbunden, an denen sich jeweils die Volumina 101 befinden. Die dort befindlichen Elektroden 102, 103 der Komponente 110, 120, 130 sind dann bei angeschlossenem Hybrid-Kabel 140 in Kontakt mit dem elektrischen Leiter 141 des Kabels 140, so dass der jeweiligen Komponente 110, 120, 130 über das Kabel 140 elektrische Energie zu- oder abgeführt werden kann.
Zusätzlich zu dem elektrischen Leiter 141 weist das Hybrid-Kabel 140 einen schlauchartigen Hohlraum 142 auf, der sich ebenfalls in der Längsrichtung des Hybrid-Kabel 140 zwischen den beiden Endbereichen erstreckt, also im Wesentlichen parallel zum elektrischen Leiter 141 orientiert ist. Der Hohlraum 142 ist nun dazu vorgesehen, um das Gas 151 zwischen den mit Hilfe des Hybrid-Kabels 140 miteinander verbundenen Komponenten 110, 120, 130 zu transportieren und damit zu erreichen, dass in den entsprechenden Volumina der zur Vermeidung elektrischer Durchschläge benötigte Druck erzeugt und aufrechterhalten wird.
Konsequenterweise ist das Hybrid-Kabel 140 mit einem seiner Endbereiche derart mit der jeweiligen elektrischen Komponente 110, 120, 130 verbindbar, dass der Hohlraum 142 und das Volumen 101 der angeschlossenen Komponente 110, 120, 130 in direktem oder indirektem fluidischem Kontakt miteinander sind, so dass das Gas 151 über den Hohlraum 142 in dem jeweiligen Volumen 101 bereitstellbar ist.
Aus der Verwendung des Hybrid-Kabels 140 ergibt sich der Vorteil, dass lediglich eine Verbindungsvorrichtung verwendet werden muss, über die sowohl elektrische Energie als auch das Gas 151 befördert werden kann. Zum Anderen ergibt sich der Vorteil, dass das Gas 151 und damit der gewünschte Druck unmittelbar an den Orten und Volumina 101 zur Verfügung steht, an denen es benötigt wird, dass das Gas 151 also nicht von einem eventuellen Anschlusspunkt der Gasleitung zu dem jeweiligen Volumen 101 geführt werden muss.
Um den jeweils zur Vermeidung elektrischer Durchschläge benötigten Druck in den verschiedenen Volumina 101 zu erzeugen, sind bestimmte Gasflüsse nötig, die über das Ventil 154 einstellbar sind. Eine Steuerung 190 ist eingerichtet, um bspw. in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im elektrischen Antriebssystem 100 das Ventil 154 derart zu regeln, dass die benötigten Drücke in den Volumina 101 erreicht werden. Zur Ermittlung der momentanen Druckverhältnisse können an den geeigneten Stellen entsprechende Drucksensoren vorhanden sein, die ihre Messwerte an die Steuerung 190 übermitteln. Gegebenenfalls können zusätzlich zum Regelventil 154 weitere, durch die Steuerung 190 regelbare Einrichtungen 154' vorgesehen sein, um nicht nur den Gasfluss in der zuführenden Gasleitung 155 zu beeinflussen, sondern auch in der Hybrid-Leitung 140, bspw. zwischen Steckverbinder 160 und Elektromotor 130 oder an anderen geeigneten Stellen. Derartige Einrichtungen 154' können regelbare Ventile sein oder aber bspw. Pumpen, Kompressoren o.ä., die einen eventuellen Druckabfall aufgrund der Länge des Hybrid-Kabels 140 dadurch kompensieren, dass sie das ihnen zugeführte Gas erneut auf den benötigten Druck bringen.
In der 1 ist ein System dargestellt, bei dem die elektrischen Komponenten 110, 120, 130 sowohl bzgl. der elektrischen Versorgung als auch bzgl. der Versorgung mit dem Gas 151 hintereinander, also in Reihe geschaltet angeordnet sind. Dementsprechend muss das Gas 151, das einer der Komponenten 110, 120, 130 in der Reihe zugeführt wird, an einem Ausgang der jeweiligen Komponente zur Verfügung gestellt werden, um dort in die Hybrid-Leitung 140 eingespeist und der nächsten Komponente in der Reihe zugeführt zu werden.
Bspw. weist der Umrichter 120 innerhalb oder außerhalb seines Gehäuses eine Gasleitung 123 auf, die das an seinem Eingang 121 angeordnete Volumen 101 mit dem am Ausgang 122 angeordneten Volumen 101 fluidisch verbindet, so dass das Gas 151 von einem Volumen 101 zum anderen Volumen 101 gelangen kann.
Entsprechendes gilt in der in 1 dargestellten Ausführung auch für die Batterie 110 sowie für den Steckverbinder 160, d.h. auch diese Komponenten weisen interne oder externe Gasleitungen 113, 163 auf, die ihre jeweiligen Volumina 101 miteinander verbinden.
Zwei Varianten einer ersten Ausführungsform des Hybrid-Kabels 140 sind in den 2, 3 dargestellt. In der ersten Ausführungsform sind der elektrische Leiter 141 und der Hohlraum 142 koaxial zueinander angeordnet und von einer als Isolation und Schirm wirkenden Schicht 143 umgeben.
In der ersten Variante des koaxialen Hybrid-Kabels 140, die in 2 in Form eines Querschnitts durch die Hybrid-Leitung 140 veranschaulicht wird, umgibt der elektrische Leiter 141 den Hohlraum 142 in einer Umfangsrichtung des Hybrid-Kabels 140. Der Hohlraum 142 ist also in radialer Richtung gesehen innerhalb des elektrischen Leiters 141 angeordnet.
In der zweiten, in der 3 ebenfalls in einem Querschnitt dargestellten Variante des koaxialen Hybrid-Kabels 140 umgibt der Hohlraum 142 den elektrischen Leiter 141 in der Umfangsrichtung des Hybrid-Kabels 140, d.h. der elektrische Leiter 141 ist in radialer Richtung gesehen innerhalb des Hohlraums 142 angeordnet.
Die 4 zeigt eine zweite denkbare Ausführungsform des Hybrid-Kabels 140, ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung.
Anders als in der koaxialen, ersten Ausführungsform der Hybrid-Leitung 140 sind der elektrische Leiter 141 und der schlauchartige Hohlraum 142 in der zweiten Ausführungsform nebeneinander angeordnet, so dass keine der beiden Einrichtungen 141, 142 des Hybrid-Kabels die jeweils andere umgibt.
Alle mittels derartiger Hybrid-Kabel 140 verbundenen elektrischen Komponente 110, 120, 130 sind derart gasdicht bzw. gasdurchlässig ausgeführt, dass während des bedruckten Betriebes möglichst wenig, jedoch ein Mindestmaß an Gas durch den herrschenden Überdruck aus dem Gasdrucksystem an die Umgebung abgegeben wird. Somit wird ein energiearmer Betrieb des Gasdrucksystems gewährleistet. Zur Sicherstellung des benötigten Gasdruckbereiches können wie erwähnt Druckmessgeräte vorgesehen sein, so dass die Steuerung 190 basierend auf den Messwerten der Druckmessgeräte wie ebenfalls erwähnt das Regelventil 154 sowie ggf. weitere Ventile und/oder den Kompressor 152 derart steuert oder regelt, dass in den verschiedenen Volumina die gewünschten Drücke erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird durch die Kombination der elektrischen Leitung 141 mit dem Hohlraum 142 desweiteren bewirkt, dass abhängig vom eingesetzten Volumenstrom des Gases 151 im Hohlraum 142 ein Teil der Ohmschen Verlustwärme im elektrischen Leiter 141 des Hybrid-Kabels 140 abgeführt werden kann.
Die 5 zeigt der Vollständigkeit halber und exemplarisch ein Volumen 101 und die in dem Volumen angeordneten Elektroden bzw. elektrischen Kontakte 102, 103.
Bezugszeichen

10: Propeller
11: Welle
100: elektrisches Antriebssystem
101: Volumen
102: Elektrode
103: Elektrode
110: elektrische Komponente, Batterie
113: Gasleitung
120: elektrische Komponente, Wechselrichter
121: Eingang
122: Ausgang
123: Gasleitung
130: elektrische Komponente, Elektromotor
140: Hybrid-Kabel
141: elektrischer Leiter
142: schlauchartiger Hohlraum
143: Isolationsschicht
150: Gasdrucksystem
151: Medium, Gas, Gasgemisch, Luft
152: Kompressor
153: Druckbehälter
154: Ventil
155: Gasleitung
160: Steckverbinder
163: Gasleitung
190: Steuerung

Claims

Elektrisches Antriebssystem (100), insbesondere für ein Luftfahrzeug, aufweisend - eine elektrische Komponente (110, 120, 130, 160), welche insbesondere bei einer Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird, wobei die elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) ein Volumen (101) aufweist, in dem sich zwei einander zugeordnete und voneinander beabstandete elektrische Kontakte (102, 103) befinden, die zumindest im Betriebszustand der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen, - ein Gasdrucksystem (150) zum Bereitstellen eines Gases (151), insbesondere Luft, zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem Volumen (101), wobei - das Gasdrucksystem (151) über eine Verbindungseinrichtung (140) mit der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) und mit dem Volumen (101) derart fluidisch verbunden ist, dass das Gas (151) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Umgebungsdruckes in dem Volumen (101) bereitstellbar ist.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) vorgesehen ist, die insbesondere bei einer Betriebsspannung U>300V, insbesondere U>400V, betrieben wird, wobei die weitere elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) ein weiteres Volumen (101) aufweist, in dem sich zwei weitere einander zugeordnete und voneinander beabstandete elektrische Kontakte (102, 103) befinden, die zumindest im Betriebszustand der weiteren elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eine im Wesentlichen der Betriebsspannung entsprechende Potentialdifferenz aufweisen, wobei die elektrischen Komponenten (110, 120, 130, 160) über eine weitere Verbindungseinrichtung (140) derart miteinander verbunden sind, dass das Gas (151) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines weiteren vorgebbaren Umgebungsdruckes in dem weiteren Volumen (101) über die weitere Verbindungseinrichtung (140) dem weiteren Volumen (101) bereitstellbar ist.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbindungseinrichtung (140) eine elektrische Verbindung (140), insbesondere ein elektrisches Kabel, des Antriebssystems (100) zum Transport von elektrischer Energie zu den oder von den jeweiligen elektrischen Kontakten (102, 103) der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) ist, mit der die jeweilige Verbindungseinrichtung (140) verbunden ist.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektrische Verbindung (140) aufweist: - einen elektrischen Leiter (141) zum Transport der elektrischen Energie, wobei sich der elektrische Leiter (141) in einer Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) zwischen zwei Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) erstreckt, - einen schlauchartigen Hohlraum (142), der sich in der Längsrichtung der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) zwischen den beiden Endbereichen der jeweiligen Verbindungseinrichtung (140) erstreckt und der vorgesehen ist, um das Gas (151) entlang des Hohlraums (142) zu transportieren und im jeweiligen Volumen (101) bereitzustellen.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) koaxial zueinander angeordnet sind.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (142) in radialer Richtung innerhalb des elektrischen Leiters (141) angeordnet ist.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) in radialer Richtung innerhalb des Hohlraums (142) angeordnet ist.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) nebeneinander angeordnet sind.
Elektrisches Antriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (110, 120, 130, 160) ein Elektromotor (130), ein Generator, ein Umrichter (120) oder eine Batterie (110) ist.
Elektrische Verbindungseinrichtung, insbesondere Hybrid-Kabel, zum Transport von elektrischer Energie zu oder von elektrischen Kontakten (102, 103) einer elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) eines elektrischen Antriebssystems (100) für ein Luftfahrzeug und zum Bereitstellen eines Gases in einem Volumen (101) der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines vorgebbaren Druckes in dem Volumen (101), aufweisend - einen elektrischen Leiter (141), der sich in einer Längsrichtung der Verbindungseinrichtung (140) zwischen zwei Enden der Verbindungseinrichtung (140) erstreckt, - einen schlauchartigen Hohlraum (142), der sich in der Längsrichtung der Verbindungseinrichtung (140) zwischen den beiden Enden der Verbindungseinrichtung (140) erstreckt und der vorgesehen ist, um dem Volumen (101) ein gasförmiges Medium (151) zuzuführen, um in dem Volumen (101) einen vorgegebenen Umgebungsdruck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
Elektrische Verbindungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) koaxial zueinander angeordnet sind.
Elektrische Verbindungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (141) und der Hohlraum (142) nebeneinander angeordnet sind.
Betriebsverfahren für ein elektrisches Antriebssystem (100) eines Luftfahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gasdrucksystem (150) das Gas (151) in dem Volumen (101) über eine mit dem Volumen (101) fluidisch verbundene elektrische Verbindungseinrichtung (140) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 derart bereitstellt, dass ein vorgebbarer Druck in dem Volumen (101) erzeugt und aufrecht erhalten wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des Drucks in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz der Kontakte (102, 103) in dem Volumen (101) der elektrischen Komponente (110, 120, 130, 160) und gemäß dem Paschen-Gesetz derart erfolgt, dass die aus dem Paschen-Gesetz folgende Durchschlagsspannung stets höher ist als die Potentialdifferenz.