DE102017102657A1

DE102017102657A1 - Energieversorgungssystem für elektrische Verbraucher eines Luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102017102657A1
Application number: DE102017102657.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Schult; Joerg WANGEMANN
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Es ist ein Energieversorgungssystem (1) für elektrische Verbraucher (14, 15, 17) eines Luftfahrzeugs (300) angegeben. Das Energieversorgungssystem weist eine Energiequelle (12, 12A), zumindest einen Hochspannungsverbraucher, zumindest einen Niederspannungsverbraucher und eine Verteileinrichtung (5) auf. Die Verteileinrichtung (5) koppelt die Energiequelle (12, 12A) mit dem Hochspannungsverbraucher und dem Niederspannungsverbraucher derart, dass diese mit Energie versorgt werden können. Die Verteileinrichtung (5) weist eine Ausgangsschnittstelle (6) mit einer Vielzahl von Potentialabgriffen (6.1, 6.2, 6.n) auf, wobei die Potentialabgriffe so angeordnet sind, dass sie einen Gesamtpotentialunterschied auf der Ausgangsschnittstelle in mehrere Potentialabschnitte unterteilen, wobei der Hochspannungsverbraucher mit zumindest zwei ersten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über zumindest zwei Potentialabschnitte erstrecken, und wobei der Niederspannungsverbraucher mit zumindest zwei zweiten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über einen einzelnen Potentialabschnitt erstrecken.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein die Bereitstellung von elektrischer Energie für elektrische Verbraucher in Luftfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Energieversorgungssystem für elektrische Verbraucher eines Luftfahrzeugs sowie ein Luftfahrzeug mit einem solchen Energieversorgungssystem.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Ein Gegenstand aktueller Forschungen auf dem Gebiet der Luftfahrt ist die Erprobung neuer und alternativer Antriebskonzepte für den Vortrieb oder für Nebenaggregate von Luftfahrzeugen.
Man ist bestrebt, neben Energiespeichern, insbesondere wiederaufladbaren Energiespeichern, auch andere elektrische Energiequellen, wie z.B. Solarzellen und Solarzellenpacks, Photovoltaikmodule, Brennstoffzellen oder dergleichen, einzusetzen.
In der Regel liefern derartige elektrische Energiequellen eine Gleichspannung. Zum Antrieb wird die Gleichspannung häufig in Wechselrichtern zu Wechselspannung umgesetzt, um so als Wechselspannungsmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen - insbesondere Wechselstrommotoren - zu betreiben.
DE 10 2011 105 880 A1 und US 9,162,770 B2 beschreiben allgemein einen elektrischen Antrieb für ein Luftfahrzeug mit einer Batterie zum Speichern von elektrischer Energie und mit einem elektrischen Motor zum Antreiben eines Propellers.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein Energieversorgungssystem für ein Luftfahrzeug anzugeben, welches sowohl für Hochspannungsverbraucher als auch für Niederspannungsverbraucher eingesetzt werden kann.
Es ist ein Energieversorgungssystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Energieversorgungssystem für elektrische Verbraucher eines Luftfahrzeugs angegeben. Das Energieversorgungssystem weist eine Energiequelle, zumindest einen Hochspannungsverbraucher, zumindest einen Niederspannungsverbraucher und eine Verteileinrichtung auf. Die Verteileinrichtung koppelt die Energiequelle mit dem Hochspannungsverbraucher und dem Niederspannungsverbraucher so, dass diese Verbraucher mit Energie versorgt werden können. Die Verteileinrichtung weist eine Ausgangsschnittstelle mit einer Vielzahl von Potentialabgriffen auf, wobei die Potentialabgriffe so angeordnet sind, dass sie einen Gesamtpotentialunterschied auf der Ausgangsschnittstelle in mehrere Potentialabschnitte unterteilen, wobei der Hochspannungsverbraucher mit zumindest zwei ersten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über zumindest zwei Potentialabschnitte erstrecken und wobei der Niederspannungsverbraucher mit zumindest zwei zweiten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über einen einzelnen Potentialabschnitt erstrecken.
Daraus ist ersichtlich, dass die Verteileinrichtung geeignet ist, sowohl Hochspannungsverbraucher als auch Niederspannungsverbraucher auf einfache Art und Weise mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, zu versorgen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die Verteileinrichtung mit aufwendigen und komplexen Elementen versehen sein muss, welche die Ausgangsschnittstelle und auch die Verbraucher überwachen und die Verteileinrichtung sowie das gesamte Energieversorgungssystem gegen Fehlfunktionen schützen bzw. absichern.
Vielmehr ist die Ausgangsschnittstelle so gestaltet, dass die Vielzahl von Potentialabgriffen im Niederspannungsbereich arbeiten. In anderen Worten stellt eine maximale Potentialdifferenz zwischen zwei Potentialabgriffen eine Niederspannung dar. Aus diesem Grund können zum Schalten bzw. Unterbrechen der an den Potentialabgriffen anliegenden Spannung Komponenten genutzt werden, welche typischerweise im Niederspannungsbereich Verwendung finden. Insbesondere kann daher auf die Verwendung von aufwendigen, teuren und komplexen Hochspannungskomponenten verzichtet werden.
Dennoch ist die Verteileinrichtung geeignet, Hochspannungsverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierzu wird der Hochspannungsverbraucher mit mehreren Potentialabgriffen auf der Ausgangsschnittstelle verbunden, so das eine sich ergebende gesamte Potentialdifferenz eine für den Betrieb des Hochspannungsverbrauchers benötigte elektrische Spannung darstellt.
Die Verteileinrichtung kann als Leitwerk bzw. Schaltwerk zum Aufnehmen, Verteilen und Abgeben von elektrischer Energie beschrieben werden. Beispielsweise kann die Verteileinrichtung gemäß den Grundsätzen einer Busarchitektur aufgebaut sein. Hierzu kann die Verteileinrichtung eine Vielzahl von Leitungen aufweisen, welche sich durch den Rumpf eines Flugzeugs erstrecken und an welchen an den geeigneten bzw. geforderten Stellen Potentialabgriffe vorgesehen sind, um elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die Verteileinrichtung weist geeignete Sicherungsmechanismen auf, welche geeignet und ausgeführt sind, die Abgabe von elektrischer Energie über einen oder mehrere Potentialabgriffe zu unterbrechen, wenn eine Fehlfunktion in der Verteileinrichtung oder an einem angeschlossenen Verbraucher festgestellt wird. Zu diesem Zweck sind üblicherweise Schaltwerke vorgesehen, welche einen Stromfluss unterbrechen. Die Schaltwerke können Halbleiterelemente oder auch galvanische Trennelemente sein. Die Schaltwerke müssen insbesondere in Anbetracht der genutzten Spannungen bzw. Spannungsbereiche entsprechend ausgestaltet sein, um die besagten Spannungen ohne eigene Fehlfunktionen schalten bzw. unterbrechen zu können. Gerade im Hochspannungsbereich müssen diese Schaltwerke besondere Anforderungen erfüllen.
Diese Anforderungen können dazu führen, dass die Schaltwerke im Vergleich zum Niederspannungsbereich ein erhöhtes Gewicht haben und auch teurer in der Anschaffung sind. Indes ist es gerade im Bereich der Luftfahrt wünschenswert, Komponenten mit niedrigem Gewicht zu verwenden. Durch die besondere Verbindung des Hochspannungsverbrauchers und des Niederspannungsverbrauchers mit der Verteileinrichtung sowie den Aufbau der Verteileinrichtung wird ermöglicht, dass zum Zwecke der Absicherung des Energieversorgungssystems Niederspannungskomponenten in der Verteileinrichtung verwendet werden können.
Vorliegend wird unter dem Begriff der Hochspannung eine Spannung von 1000 V oder höher verstanden. Umgekehrt wird unter dem Begriff einer Niederspannung eine Spannung von unter 1000 V, beispielsweise mehrere 100 V, beispielsweise bis zu 300 V oder 400 V, verstanden. Den Potentialabgriffen kann ein elektrisches Potential so zugeordnet werden, dass eine beliebige Hochspannung als ganzzahliges Vielfaches der Potentialdifferenz zwischen zwei Potentialabgriffen bereitgestellt werden kann.
Beispielsweise kann die Verteileinrichtung in Form einer Verteilerschiene in einem Luftfahrzeug realisiert sein. Die Verteilerschiene kann genutzt werden, um elektrische Antriebssysteme und andere Niederspannungsverbraucher in dem Luftfahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Dabei kann auf bereits existierende Niederspannungskomponenten zurückgegriffen werden, um damit auch Antriebssysteme mit elektrischer Energie zu versorgen, welche typischerweise mit Hochspannungen betrieben werden. Wie bereits erwähnt, kann auf die Verwendung von Leistungsschaltern oder Schutzschaltern bzw. Stromkreisunterbrechern aus dem Hochspannungsbereich verzichtet werden. Der Aufbau des Energieversorgungssystems ermöglicht eine gute Skalierbarkeit und eine gute und flexible Anpassung an verschiedene Szenarien und an Verbraucher, welche unterschiedlichste Betriebsspannungen erfordern. Das Energieversorgungssystem ermöglicht eine hohe Wiederverwendung ähnlicher oder gar identischer Komponenten, und eine dedizierte Gestaltung der in der Verteileinrichtung verwendeten Komponenten für unterschiedliche Spannungen bzw. Spannungsbereiche kann entfallen.
Gemäß einem alternativen Beispiel kann die Verteileinrichtung als elektrisches Leitelement ausgestaltet sein, welches mehrere konzentrische Lagen aufweist, welche ein erstes elektrisch leitfähiges Element (z.B. eine Ader) umgeben. Das erste elektrisch leitfähige Element kann beispielsweise ein Draht sein. Dieser Draht ist von einer ersten Isolationslage umgeben. Die erste Isolationslage kann von einer ersten elektrisch leitfähigen Lage umgeben sein, welche wiederum von einer zweiten Isolationslage umgeben sein kann. Die Verteileinrichtung gemäß diesem Beispiel kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von elektrisch leitfähigen Lagen und Isolationslagen aufweisen, welche ausgehend von dem im Zentrum angeordneten ersten leitfähigen Element jeweils abwechselnd angebracht sind. In einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen den elektrisch leitfähigen Lagen zusätzlich zu der Isolationslage auch eine elektrische Abschirmung angeordnet sein. Die elektrisch leitfähigen Lagen können jeweils einem vorgegebenen Potential zugeordnet sein und über mindestens einen geeigneten Spannungsabgriff verfügen, so dass die jeweiligen Potentialstufen an den geforderten Stellen abgegriffen werden können. Besonders vorteilhaft werden die Potentialstufen der Reihe nach und/oder gleichmäßig aufgeteilt, so dass eine möglichst geringe und/oder gleiche Potentialdifferenz (Spannung) zwischen den Stufen entsteht und dass die äußere Lage dem Potential der Umgebung am nächsten ist, oder direkt mit diesem verbunden ist (GND). Diese Erläuterungen gelten prinzipiell und für die Verteileinrichtung im Allgemeinen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jeder Potentialabgriff einem vorgegebenen oder vorgebbaren elektrischen Spannungspotential zugeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gesamtpotentialunterschied in mehrere gleich große Potentialabschnitte unterteilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht ein Potentialabschnitt einer Potentialdifferenz zwischen zwei Potentialabgriffen der Ausgangsschnittstelle entspricht und ist kleiner oder gleich 350 V.
In anderen Worten ist ein Potentialabschnitt diejenige elektrische Spannung, welche der Potentialdifferenz zwischen zwei Potentialabgriffen entspricht. Ein Potentialabschnitt kann so bemessen oder ausgestaltet sein, dass die entsprechende elektrische Spannung unmittelbar zum Betreiben von Niederspannungsverbrauchern in einem Luftfahrzeug genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verteileinrichtung mit Niederspannungskomponenten aufgebaut, welche für einen Betrieb mit Spannungen kleiner als 1000 Volt ausgelegt sind.
Insbesondere können die Niederspannungskomponenten für einen Betrieb mit Spannungen von mehreren 100 V, beispielsweise maximal 300 V bis 400 V, ausgelegt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Hochspannungsverbraucher eine Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug ist.
Beispielsweise ist die Antriebseinheit ein modularer Motor, welcher mit einem Propeller koppelbar ist. Der modulare Motor ist ausgeführt und angeordnet, den Propeller über eine Welle anzutreiben, so dass eine Vortriebskraft erzeugt wird, um das Luftfahrzeug zu bewegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Niederspannungsverbraucher vorgesehen ist, in einer Kabine eines Luftfahrzeugs verwendet zu werden.
Bei dem Niederspannungsverbraucher kann es sich um jeglichen elektrischen Verbraucher an Bord eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Passagierflugzeugs, handeln. Beispielsweise kann der Niederspannungsverbraucher einem Lüftungssystem des Luftfahrzeugs zugeordnet sein und eine Antriebseinheit für das Lüftungssystem aufweisen. Die Antriebseinheit für das Lüftungssystem kann ein Elektromotor sein, welcher ausgeführt und angeordnet ist, in dem Lüftungssystem einen Luftstrom zu erzeugen. Hierzu kann die Antriebseinheit mit geeigneten Komponenten versehen und/oder gekoppelt sein. Der Niederspannungsverbraucher kann weiterhin ein Beleuchtungssystem oder eine Küchenmaschine (Ofen, Kühlschrank, Kaffeemaschine, usw.) sein. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Aufzählung nur beispielhaft und keinesfalls beschränken ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verteileinrichtung eine Eingangsschnittstelle auf, über welche die Energiequelle mit der Verteileinrichtung gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Energiequelle eine modulare Energiequelle mit einer Mehrzahl von Spannungsquellen.
Die modulare Energiequelle kann beispielsweise eine Batterie, eine Brennstoffzelle oder eine Photovoltaikanlage sein. Im Falle eines Fehlers oder einer Fehlfunktion in einem der Module der Energiequelle kann das entsprechende Modul überbrückt werden. Dies ist für die Verbraucher zunächst ohne Folge, da diese auch mit einer reduzierten Spannung betrieben werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die modulare Energiequelle zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher und zumindest einen Generator auf.
Beispielsweise weist ein Generator ein Triebwerk auf, welches den Generator antreibt, so dass elektrische Energie erzeugt wird, welche für den Betrieb der elektrischen Verbraucher (Hochspannungsverbraucher und Niederspannungsverbraucher) genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verteileinrichtung angeordnet, Energie von dem zumindest einen Generator sowohl an den Hochspannungsverbraucher und den Niederspannungsverbraucher zu leiten als auch zum Laden des wiederaufladbaren Energiespeichers zu verwenden.
Damit kann elektrische Energie von dem wiederaufladbaren Energiespeicher bedarfsorientiert abgerufen werden, wohingegen der Generator ausgeführt und betrieben sein kann, elektrische Energie gleichmäßig zu erzeugen, d.h., dass die erzeugte elektrische Energie auf einem konstanten Niveau oder einem im Wesentlichen konstanten Niveau gehalten ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Spannungsquellen Gleichspannungsquellen, welche zueinander in Reihe geschaltet sind und welche mit der Eingangsschnittstelle der Verteileinrichtung so gekoppelt sind, dass ihre jeweiligen bereitgestellten Spannungen von der Verteileinrichtung einzeln an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden können oder zum Erzeugen einer größeren Spannung vor der Abgabe über die Ausgangsschnittstelle addiert werden können.
Genau wie auf der Ausgangsschnittstelle können auf der Eingangsschnittstelle elektrische Potenzialdifferenzen zu einer größeren Gesamtdifferenz kumuliert bzw. kombiniert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeug angegeben. Das Luftfahrzeug weist ein Energieversorgungssystem wie hierin beschrieben, zumindest einen Hochspannungsverbraucher in Form einer elektrischen Antriebseinheit und zumindest einen Niederspannungsverbraucher auf. Dabei ist das Energieversorgungssystem angeordnet, den zumindest einen Hochspannungsverbraucher und den zumindest einen Niederspannungsverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
Figurenliste
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Darin zeigt:

1 eine schematische Blockdarstellung eines elektrischen Antriebssystems für ein Luftfahrzeug mit in Serie geschalteten Wechselrichtern und einer Ausgleichsschaltung;
2 eine weitere schematische Darstellung des elektrischen Antriebssystems der 1 mit zusätzlichen Stromunterbrechern oder Trennschaltern;
3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems für Luftfahrzeuge;
4 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem mehrphasigen oder modularen Motor für den Vortrieb eines Luftfahrzeugs;
5 die gleiche Darstellung wie in 4, jedoch mit dem Motor ausgebildet als modularer Motor;
6 eine schematische Darstellung eines Energieversorgungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit einem Energieversorgungssystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen in den 1 bis 5 einzelne Funktionsblöcke zeigen, welche in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 zu einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem kombiniert werden. Der Einfachheit halber werden die einzelnen Funktionsblöcke jedoch in den 1 bis 5 separat beschrieben.
In 1 ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Antriebssystems 10 für ein Luftfahrzeug dargestellt. Das Antriebssystem 10 weist eine modulare Energiequelle 12 und einen modularen Motor 14 auf. Der modulare Motor 14 ist ein Beispiel für eine modulare elektrische Maschine 15.
Die modulare Energiequelle 12 hat mehrere elektrische Gleichspannungsquellen S1, S2, ..., Sn mit n >= 2. In dem dargestellten allgemeinen Blockdiagramm ist eine erste Gleichspannungsquelle S1 und eine zweite Gleichspannungsquelle S2 sowie eine weitere Gleichspannungsquelle Sn dargestellt.
Der modulare Motor weist mehrere Motormodule M1 M2, ..., Mn mit n >= 2. Die Motormodule M1 ... Mn sind Beispiele für elektrische Maschinenmodule 16.1, 16.2, 16.n, die ein Modul der elektrischen Maschine 15 bilden, welche in einer Ausbildung als elektrische Motormodule oder in einem Motormodus elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandeln können und in einer Ausbildung als Generatormodule oder in einem Generatormodus mechanische Bewegung in elektrische Energie umsetzen können.
Die Motormodule M1, ..., Mn bzw. die elektrischen Maschinenmodule 16.1, ..., 16.n sind als Mehrphasenmodule mit m-Phasen (m >= 2) ausgebildet und werden von zugeordneten elektrischen Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn über eine entsprechende Anzahl von Wechselrichtern 18.1, 18.2, ..., 18.n, die die Gleichspannung aus der modularen Energiequelle 12 in Wechselspannung umwandeln (oder umgekehrt im Generatormodus oder Generatorbetrieb, die Wechselspannung aus den elektrischen Maschinenmodulen in Gleichspannung für die modulare Energiequelle 12 umwandeln), mit der modularen Energiequelle 12 verbunden.
Wenigstens sind ein erster Wechselrichter 18.1 und ein zweiter Wechselrichter 18.2 vorgesehen (bei n = 2). Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist wenigstens ein weiterer Wechselrichter 18.n (bei n > 2) vorgesehen.
Die Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n sind in Maschinensteuereinheiten MCU1, MCU2, MCUn implementiert.
Die Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n weisen jeweils eine Spannungsmesseinrichtung 20.1, 20.2, 20.n zum Messen der an dem jeweiligen Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n anliegenden Wechselrichter-Gleichspannung V, eine WechselrichterStrommesseinrichtung 22.1, 22.2, 22.n zum Messen des durch den jeweiligen Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n fließenden Wechselrichter-Gleichspannungsstroms A und eine Wechselrichtersteuerung 24.1, 24.2, 24.n sowie zugeordnete Kapazitätselemente, wie beispielsweise einen Kondensator 26.1, 26.2, 26.n, auf. Die Wechselrichtersteuerung 24.1, 24.2, 24.n ist beispielsweise als Software in der jeweiligen Maschinensteuereinheit MCU1, MCU2, MCUn implementiert.
Gemäß der Darstellung in den 1, 2, 4 und 5 sind die Wechselrichter 18.1, ..., 18.n in Reihe geschaltet und an die Anschlüsse der modularen Energiequelle 12 angeschlossen.
Wie weiter in diesen Figuren dargestellt, sind die Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn der modularen Energiequelle 12 ebenfalls in Reihe geschaltet, um so die GesamtGleichspannung Vs der modularen Energiequelle 12 zur Verfügung zu stellen.
Die Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn können gleichartig oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie können Batterien oder Akkumulatoren, Batteriepakete oder Akkumulatorenpakete, Brennstoffzellen, Photovoltaik-Einrichtungen oder sonstige Einrichtungen zum Umwandeln von Sonnenlicht in elektrische Energie, insbesondere Solarpanele, Solarzellen oder Solarzellenpanele oder beliebige Kombinationen daraus sein.
Weiter ist eine Ausgleichschaltung 30 zum Ausgleichen unterschiedlicher Leistungen der elektrischen Gleichspannungsquellen S1, Sn vorgesehen. Die Ausgleichschaltung 30 weist wenigstens eine Ausgleichsleitung 31 auf, die einerseits an einem Spannungsquellen-Mittelabgriff 33 zwischen zwei Gleichspannungsquellen S1, S2 bzw. S2, Sn und andererseits an einem Wechselrichter-Mittelabgriff 32 zwischen zwei Wechselrichtern 18.1, 18.2 bzw. 18.2, 18.n angreift.
Vorzugsweise sind n-1 Ausgleichsleitungen 31.1, ..., 31.n-1 vorgesehen, die jeweils die Mittelabgriffe 33.1, ..., 33.n-1 zwischen aufeinanderfolgenden Gleichspannungsquellen S1, S2, Sn mit Mittelabgriffen 32.1, ..., 32.n-1 entsprechender aufeinanderfolgender Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n verbinden.
Weiter ist eine Kommunikationseinrichtung 34 vorgesehen, über welche die Wechselrichtersteuerungen 24.1, 24.2, 24.n in Kommunikationsverbindung stehen, um zumindest die Information über die an den jeweiligen Gleichstromanschlussquellen der jeweiligen Wechselrichter 18.1, 18.2, 18.n anliegende Wechselrichter-Gleichspannung V aus den zugeordneten Gleichspannungsmesseinrichtungen 20.1, 20.2, 20.n austauschen.
Besonders bevorzugt werden über die Kommunikationseinrichtung 34 weitere Informationen über die an der modularen Energiequelle 12 gelieferten Gesamtgleichspannung - gemessen über eine Gesamtgleichspannungsmesseinrichtung 36 - sowie Informationen über die über die einzelnen Ausgleichsleitungen 31, 31 .1, 31.n-1 fließenden Ströme A1, A2, ..., An-1 ausgetauscht. Hierzu weisen die Mittelwechselrichterabgriffe 32 entsprechende Strommesseinrichtungen 38 auf. Die Kommunikationseinrichtung 34 ist zum Austausch der Spannungswerte und Stromwerte in Echtzeit ausgebildet.
Die vorgeschlagene und in 1 in allgemeiner Form wiedergegebene elektronische Architektur kann auf jede Art von elektrischer Maschine angewandt werden. Es wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen von Folgendem ausgegangen.
Jedes Maschinenmodul 16.1, ..., 16.n ist von dem anderen Modul magnetisch isoliert oder ist nur einer kleinen magnetischen Wechselwirkung damit unterworfen. Die elektrischen Maschinenmodule 16.1, ..., 16.n können mechanisch gekoppelt sein und somit Teil einer modularen elektrischen Maschine 15, wie beispielsweise Teil des modularen Motors 14, sein. Dies ist beispielsweise in den 1, 2, 4 und 5 wiedergegeben. Jedoch ist eine derartige mechanische Kopplung für einige Anwendungen nicht notwendig. Beispiele für mechanische Lasten ohne mechanische Kopplung sind einige Gebläse in einem verteilten Ventilationssystem oder die elektrischen Triebwerke eines verteilten Elektroluftfahrzeugvortriebssystems. Jedes Motormodul M1, M2, ..., Mn sollte entsprechend der Nennspannung und dem Nennstrom des Wechselrichtermoduls 18.1, ..., 18.n ausgelegt sein. Die Motormodule M1, ..., Mn bzw. allgemein die elektrischen Maschinenmodule 16.1, ..., 16.n können in irgendeiner Art und Weise verteilt sein.
Die Wechselrichter 18.1, ... 18.n können gemäß unterschiedlicher Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandler-Topologien entworfen und/oder implementiert sein. Die Wechselrichter 18.1 können z.B. einfache Inverter, Multilevel-Inverter oder Wechselrichtereinrichtungen mit der Möglichkeit einer Impedanzanpassung oder Impedanzsteuerung unter Verwendung einer zusätzlichen Verstärkerstufe oder auch kombinierte Lösungen sowie Z-Source-Inverter sein. Letztere können insbesondere dann gut brauchbar sein, wenn die Energiequelle 12 in einem breiten und jeweils individuellen Spannungsbereich arbeitet. Dies kann insbesondere bei unterschiedlichen Solarpanelen der Fall sein, die einer unterschiedlichen Sonnenstrahlungsmenge ausgesetzt sein können. So kann die verbleibende Leistung durch Verstärkung der Spannung auf den erwünschten Wert maximiert werden.
Insbesondere können die Wechselrichtersteuerungen 24.1, ..., 24.n durch die Kommunikationseinrichtung 34 Informationen in Echtzeit austauschen und so Steueraufgaben und insbesondere auch Aufgaben des Managements der modularen Energiequelle 12 übernehmen.
Die Art und Weise, wie die Wechselrichtersteuerungen 24.1, ..., 24.n eventuell mittels einer nicht näher dargestellten Zentralsteuerung oder durch verteilte Steuerungen (nicht dargestellt) gesteuert werden, ergibt sich insbesondere aus der im Folgenden wiedergegebenen Darstellung der Betriebsweise des in 1 dargestellten elektrischen Antriebssystems 10.
Das Blockdiagramm der 1 zeigt die Betriebsweise und Konfigurationen, die diese vorgeschlagene Betriebsweise anwenden.
Der modulare Motor 14 ist z.B. ein mehrphasiger Motor, welcher aus den einzelnen Motormodulen M1, ..., Mn mit n >= 2 aufgebaut ist. Jedes Motormodul M1, ..., Mn ist mehrphasig ausgebildet.
Jeder Wechselrichter 18.1, ..., 18.n erfasst wenigstens seine eigene Wechselrichtergleichspannung V, die über seine Gleichspannungsanschlüsse hinweg anliegt. Stromsensoren - Strommesseinrichtung 38 - zum Messen der Ströme A, A1, A2 sind für Batteriemanagement-Anwendungen brauchbar.
Die Ausgleichsleitungen 31.1, ..., 31 .n-1 der Ausgleichschaltung 30 dienen zum Ausbalancieren/Einstellung der Leistung zwischen den einzelnen Modulen S1, ..., Sn der modularen Energiequelle 12. Die entsprechenden Ausgleichsleitungen 31.1, ..., 31.n-1 der Mittelabgriffe 32.1, ..., 32.n-1; 33.1, ..., 33.n-1 haben einen Nennstrom, der auf einen maximalen Differenzstrom ausgelegt ist, welcher weniger als der Nennstrom durch die Versorgungsleitungen 40 zwischen der modularen Energiequelle 12 und dem modularen Motor 14 ist - dies zumindest bei den meisten Anwendungen.
Die Kommunikationseinrichtung 34 verteilt zumindest einige der Spannungszustände zu einigen der Wechselrichtersteuerungen 24.1, ..., 24.n bzw. zwischen einigen der Wechselrichtersteuerungen 24.1, ..., 24.n. Dies erfolgt beispielsweise in Echtzeit.
Als eine Option können (nicht dargestellte) passive Spannungsbegrenzungsvorrichtungen, wie z.B. Varistoren, Ableitwiderstände, Suppressordioden oder dergleichen, an jedem Leistungseingang der Wechselrichter 18.1, ..., 18.n installiert werden, um sicherzustellen, dass an den Wechselrichtern 18.1, ..., 18.n - insbesondere wenn diese als MCU ausgebildet sind - keine Überspannung auftritt, wenn diese passiv sind oder wenn die Energiequelle eingeschaltet wird.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des elektrischen Antriebssystems 10, das bis auf die folgenden näher dargelegten Unterschiede dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 entspricht. Die gleichen Elemente des elektrischen Antriebssystems 10 werden mit den gleichen Bezugszeichen wiedergegeben, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
Zusätzlich zu den oben wiedergegebenen Merkmalen des elektrischen Antriebssystems 10 gemäß der ersten Ausführungsform in 1 weist bei der zweiten Ausführungsform wenigstens eine der Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn eine Spannungsquellenschalteinrichtung 42 zum Abschalten eines Anschlusses der Gleichspannungsquelle bzw. zum Trennen der Gleichspannungsquelle S1, ..., Sn sowie eine Überbrückungseinrichtung 44 zum Überbrücken der Gleichspannungsquelle auf. Beispielsweise ist im Bereich eines Anschlusses der Gleichspannungsquelle ein Trennschalter 46 vorgesehen. Als Beispiel für die Überbrückungseinrichtung 44 ist in 2 eine Diode 48 gezeigt.
Ein weiterer Unterschied der Ausgestaltung gemäß 2 zu derjenigen gemäß 1 liegt darin, dass die wenigstens eine Ausgleichsleitung 31 mit einer Ausgleichsleitungsschalteinrichtung 50 versehen sein kann, mit der die Ausgleichsleitung 31 durchgeschaltet oder unterbrochen werden kann. Auch hier kann ein Schalter, z.B. Halbleiterschalter, Schutzschalter oder Trennschalter 52 vorgesehen sein.
Die Trennschalter 46, 52 sind vorzugsweise durch Signalbetätigung ansteuerbar, um im Rahmen eines Batteriemanagements eine Schaltung bei Vorliegen entsprechender Bedingungen automatisch durchzuführen.
Demnach ist bei besonderen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 2 gezeigt, die Ausgleichschaltung 30 mit zusätzlichen Schaltern oder Trennschaltern 52 versehen, um ein Fortschreiten eines Ausfalls im Falle eines Kurzschlusses in einem der Wechselrichter 24.1, ..., 24.n zu vermeiden. Dies ist in 2 sowie in den Beispielen der 4 und 5 dargestellt. Die Trennschalter 50 müssen in ihrer Nennspannung nur auf die Spannungen einer der Spannungsquellen S1, ..., Sn bzw. auf die Spannung nur einer der Wechselrichter 24.1, ..., 24.n und nur auf den Maximalstrom, der durch die zugeordnete Ausgleichsleitung 31 fließen kann, ausgelegt werden, was relativ einfache und kleine Trennschalter 50 erlaubt. Es ist somit die Verwendung von Festkörperschaltern oder Halbleiterschaltern möglich, was eine Modulation mit einer hohen Frequenz ermöglicht.
Wie in 2 angedeutet, kann die Energiequelle 12 eine oder mehrere Spannungsquellenschalteinrichtungen 42 aufweisen, mit denen ein Kurzschluss oder ein Ausfall wenigstens einer der Spannungsquellen S1, ..., Sn gehandhabt werden kann. Vorzugsweise sind mehrere oder alle der Spannungsquellen S1, ..., Sn mit einer derartigen Spannungsquellenschalteinrichtung 42 versehen.
Die in 2 angedeuteten Dioden 48 sind ein Beispiel für irgendeine Art von Schaltvorrichtung zum Umgehen oder Überbrücken eines Spannungsquellenmoduls der modularen Energiequelle 12. Demnach ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der modularen Energiequelle wenigstens eine der Spannungsquellen S1-Sn mit einer Schaltvorrichtung zum Umgehen bzw. Überbrücken dieser Spannungsquelle S1, ..., Sn im Fall eines Kurzschlusses oder eines Ausfalls derselben versehen.
Ein Ausfall oder ein Versagen einer Spannungsquelle kann als hochohmiger Fall mit großer Impedanz bezeichnet werden, wohingegen ein Kurzschluss als niederohmiger Fall mit geringer Impedanz bezeichnet werden kann. Bei einem Ausfall oder Versagen einer Spannungsquelle S1, ..., Sn, oder bei einem Kurzschluss, gibt es beispielsweise die folgenden Optionen:

- Es wird keine Handlung zum Beheben des Ausfalles durchgeführt, und der Strom fließt weiter durch die Spannungsquelle oder die Umgehungsschaltung (z.B. die Diode 48). Dies ist hauptsächlich bei hochohmiger Quelle relevant, wenn ein Strom die Quelle nicht (mehr) passieren kann.
- Die Spannungsquellenschalteinrichtung 42 (z.B. Trennschalter 46) wird geöffnet, um die ausgefallene Spannungsquelle S1, ..., Sn zu isolieren. Es kann auch aus anderen Gründen angebracht sein, ein Quellmodul oder ein anderes Gerät zu isolieren, beispielsweise Überhitzung. Im Falle einer einzigen Stromquelle fließt der Strom dann durch die Überbrückungseinrichtung 48. Im Falle von mehreren Stromquellen können die elektrischen Verbraucher (eines oder mehrere Motormodule bzw. eines oder mehrere Lastmodule) den aufgenommenen Strom reduzieren, um die verbleibenden Stromquellen nicht zu überlasten. Es fließt dann ein Ausgleichsstrom durch die Leitungen 31.1 bis 31.n.
- Es kann auch angebracht sein, die Schalteinrichtungen 42 alternierend zu betreiben, so dass eine Stromquelle abwechselnd Strom liefert bzw. von den Überbrückungseinrichtungen 48 überbrückt wird. In einem solchen Fall kann der Strom durch die Ausgleichsleitungen verringert werden. Auch kann der Strom durch die Ausgleichsleitungen auf null herabgesetzt werden. Als Folge davon wird das Spannungsniveau eines Lastmoduls reduziert. Es ist weiterhin möglich, einen oder mehrere Schalter 50 zu öffnen. Funktional betrachtet kann der hier beschriebene alternierende Betrieb auch als Abwärtswandler bzw. Tiefsetzsteller beschrieben werden und kann gegebenenfalls den Einsatz von Glättungsdrosseln erfordern. Jeweils eine Glättungsdrossel kann verbraucherseitig und unmittelbar anschließend an den Knoten der Schalteinrichtungen 42 und der Kathode der Diode 48 angeordnet sein.
- Bei einer Ausgestaltung würden beide zuvor genannten Fälle dazu führen, dass das zugeordnete Wechselrichtermodul 18.1, ..., 18.n seinen Betrieb einstellt. Als eine Option kann eine zugeordnete Ausgleichsleitungsschalteinrichtung 50 geöffnet werden, um dem zugeordneten Wechselrichter-Modul 18.1, ..., 18.n eine Fortsetzung seines Betriebs zu ermöglichen. Im Ergebnis kann dies zu einer entsprechend geringeren Gesamtspannung führen.

In weiteren nicht dargestellten Ausgestaltungen sind Trennschalter oder Sicherungen zwischen dem zugeordneten Wechselrichter 18.1, ..., 18.n und dem zugeordneten elektrischen Maschinenmodul 16.1, ..., 16.n vorgesehen. Derartige Sicherungen oder Trennschalter können für einige Motortechnologien oder Motorauslegungen wünschenswert sein. Sie sind beispielsweise nicht erforderlich für Asynchron-Motoren, (geschaltete) Reluktanzmotoren und auch für einige Permanentmagnetmotoren, bei denen die Induktivität der Motorphasen ausreichend ist, den Kurzschlussstrom auf einen Wert unterhalb eines kritischen Werts zu begrenzen.
Wie oben bereits angedeutet, können zentrale oder verteilte Steuerungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Wenn bei einer Ausgestaltung gemäß 2 einer der Wechselrichter 18.1, ..., 18.n in einen Kurzschlusszustand verfällt, können die Ausgleichsleitungsschalteinrichtungen 50 bzw. Trennschalter 52 geöffnet werden. Es können dabei einer von mehreren Trennschaltern 52 bzw. eine von mehreren Ausgleichsleitungsschalteinrichtungen 50 geöffnet werden, oder es können auch mehrere dieser Ausgleichsleitungsschalteinrichtungen 50 bzw. Trennschalter 52 geöffnet werden. In einem solchen Zustand ist dann die Einstellung der Leistung der einzelnen Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn nicht mehr möglich, es sei denn, ein Tiefsetzsteller (oder Spannungswandler im Allgemeinen) wird verwendet, wie weiter oben beschrieben. In einem solchen Fall sollten die Gleichspannungsanschluss-Spannungen der jeweiligen Wechselrichter 18.1, ..., 18.n gesteuert bzw. geregelt werden. Da die Spannungswerte wenigstens der Gesamtspannung Vs der modularen Energiequelle 12 oder die Gleichspannungsanschluss-Spannung (Wechselrichter-Gleichspannung V) der einzelnen Wechselrichter 18.1, ..., 18.n bekannt sind, ist es möglich, den Motorstrom oder die Motorleistung durch Anwendung geeigneter Steuerverfahren oder Regelverfahren in den Maschinensteuereinheit MCU1, ..., MCUn bzw. allgemeiner in den Wechselrichter-Steuerungen 24.1, ..., 24.n anzuwenden, um die Spannungswerte in einem Ausgleich zu halten oder auf erwünschten Werten zu halten. Es ist weiterhin möglich, die Leistung zwischen den Wechselrichtern 18.1, ..., 18.n bzw. den elektrischen Maschinenmodulen 16.1, ..., 16.n einzustellen, indem man die Gleichspannungsanschluss-Spannung (Wechselrichtergleichspannung V) auf den erforderlichen Wert regelt bzw. steuert.
Im Folgenden werden anhand der 3 bis 5 Beispiele zur Verwendung des elektrischen Antriebssystems 10 in oder an Luftfahrzeugen 300 näher erläutert.
3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem nach dem Stand der Technik für einen redundanten Antrieb, wie z.B. ein Luftfahrzeugvortriebssystem. Es sind mehrere getrennte Motoren Mn jeweils mit eigenem Wechselrichter 18.n und eigener Gleichspannungsquelle Sn vorgesehen, wovon in 3 lediglich jeweils eines dargestellt ist.
4 zeigt, dass die mechanischen Komponenten des Vortriebssystems, wie z.B. Propeller 62 oder Propellergetriebe, z.B. nur einmalig vorgesehen sein können, wenn die Ausfallwahrscheinlichkeit für derartige mechanische Komponenten gering ist. In 4 ist ein Multiphasenmotor gezeigt, bei dem mehrere Phasen zur Redundanz vorgesehen sind, wobei jede Phase mit einem der Wechselrichter 18.1 - 18.n in der entsprechenden Konfiguration vorgesehen ist, und weiter auch die modulare Energiequelle 12 in der angeschlossen ist.
5 zeigt eine ganz vergleichbare Ausgestaltung, bei der mehrere Motormodule M1, ..., Mn auf einer Welle 60 arbeiten, um so den modularen Motor 14 zu bilden, der das Vortriebssystem antreibt.
Die 4 und 5 zeigen demnach ein elektrisches Antriebssystem 10 mit einem Multiphasenmotor und/oder einem modularen Motor 14, mit Maschinensteuereinheiten MCU1, ..., MCUn zum Bilden der Wechselrichter 18.1, ..., 18.n, die in Serie geschaltet sind, der Ausgleichschaltung 30 und der modularen Energiequelle 12 mit Gleichspannungsquellen S1, ..., Sn in Reihenschaltung. Die Motorphasen bzw. Motormodule M1, ..., Mn können in irgendeiner Weise angeordnet werden, und zwar mit oder ohne magnetischer Kopplung. Bei den Ausführungsformen der 4 und 5 sind die elektrischen Maschinenmodule 16.1, ..., 16.n mechanisch gekoppelt, z.B. durch eine Verbindung mit der gleichen Welle.
5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel, wobei die Motormodule M1, M2, Mn als getrennte elektrische Maschinen ausgeführt sind, die durch zugeordnete Wechselrichter 18.1, ..., 18.n in Reihenverbindung mit Energie versorgt werden, wobei die Ausgleichschaltung 30 - hier mit Ausgleichsleitungsschalteinrichtung 50 - und die modulare Energiequelle 12 vorgesehen ist. Die elektrischen Maschinenmodule 16.1, ..., 16.n können vollständig getrennt ausgeführt sein - beispielsweise wie dargestellt mit eigenen Wellen 60.1, ..., 60.n und einer eigenen Vortriebseinrichtung 62.1, ..., 62.n, wie z.B. einem Propeller 62; sie könnten auch mechanisch gekoppelt sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Energieversorgungssystems 1 mit verschiedenen Funktionsmodulen, welche über die Verteileinrichtung 5 so gekoppelt sind, dass elektrische Verbraucher 14, 15, 17 mit elektrischer Energie von den Energiequellen 12 und 12A versorgt werden.
In der Darstellung der 6 sind vier Funktionsmodule gezeigt. Unten links ist eine Energiequelle 12 in Form einer modularen Energiequelle gezeigt. Diese modulare Energiequelle weist mehrere Energiespeicher S1, S2, Sn auf, so wie dies schon in den vorangehenden 1, 2, 4 und 5 gezeigt wurde. Oben links in der Darstellung der 6 ist eine Generatoreinheit bzw. ein Generator 12A gezeigt. Der Generator 12A weist mehrere Generatormodule G1.1, ..., G1.n auf, welche in diesem Beispiel mit einer Gasturbine angetrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Die elektrische Energie der Generatormodule wird über die Leistungsmodule PEM1.1, ..., PEM1.n an die Verteileinrichtung 5 übertragen, und zwar vergleichbar zu dem Bereitstellen elektrischer Energie durch die Energiequelle 12 an die Verteileinrichtung 5.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der Einheit 12A um eine kombinierte Generator- und Vortriebseinheit handelt, welche sowohl zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Bewegungsenergie als auch zum Erzeugen von Vortriebskraft aus elektrischer Energie ausgeführt und geeignet ist. Auch wenn die kombinierte Generator- und Vortriebseinheit 12A mit der Eingangsschnittstelle 7 verbunden ist, kann die Einheit 12A als Verbraucher von elektrischer Energie fungieren, da über die Schnittstelle 7 elektrische Energie auch ausgegeben und nicht nur aufgenommen werden kann.
Das oben rechts dargestellte Funktionsmodul ist ein elektrisches Vortriebssystem, wie dies schematisch bereits in den 4 und 5 gezeigt ist. Für Einzelheiten hierzu wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Der modulare Motor 14 ist mit mehreren Potentialabgriffen 6.1, 6.2, ..., 6.n der Ausgangsschnittstelle 6 der Verteileinrichtung 5 elektrisch verbunden. Zwischen jeweils benachbarten Potentialabgriffen 6.1 und 6.2, 6.2 und 6.3, 6.3 und 6.n liegt eine vorgegebene Potentialdifferenz an, so das in Summe über alle Potentialabgriffen 6.1 bis 6.n eine für den modularen Motor 14 geeignete Hochspannung abgegriffen wird. Für Einzelheiten betreffend die Steuerung der Motormodule M2.1, ..., M2.n wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 5 verwiesen.
Letztlich ist ein weiteres Funktionsmodul unten rechts in 6 gezeigt. Bei diesem weiteren Funktionsmodul handelt es sich um mehrere Niederspannungsverbraucher, welche beispielhaft als Motoren M3.1, ... M3.n eines Lüftungssystems eines Luftfahrzeugs dargestellt sind. Jeder dieser Motoren ist über eine entsprechende Steuerung MCU3.1, ..., MCU3.n an jeweils zwei benachbarte Potentialabgriffe der Ausgangsschnittstelle 6 der Verteileinrichtung 5 angeschlossen, so dass jeder einzelne dieser Motoren mit einer Niederspannung betrieben wird.
Damit können an die Verteileinrichtung 5 sowohl Hochspannungsverbraucher als auch Niederspannungsverbraucher angeschlossen werden. In Abhängigkeit davon, welche Potentialabgriffe der Ausgangsschnittstelle 6 genutzt werden, nimmt der entsprechende Verbraucher eine (über mehrere Potentialabgriffe und Potenzialabschnitte kumulierte) Hochspannung oder eine (über lediglich zwei unmittelbar benachbarte und lediglich einen einzelnen Potentialabschnitt umfassende Potentialabgriffe) Niederspannung auf. Dies Potentialdifferenz zwischen zwei benachbarten Potentialabgriffen kann gleich groß und so bemessen sein, dass dies Potentialdifferenz zwischen mehreren Potentialabgriffen zu einer Hochspannung summiert werden kann.
Die Potentialabgriffe, mit denen der Hochspannungsverbraucher 14, 15 gekoppelt ist, werden als erste Potentialabgriffe bzw. erste Gruppe von Potentialabgriffen bezeichnet, wohingegen diejenigen Potentialabgriffe, mit denen die Niederspannungsverbraucher 17 gekoppelt sind, als zweite Potentialabgriffe bzw. zweite Gruppe von Potentialabgriffen bezeichnet werden.
7 zeigt schematisch ein Luftfahrzeug 300 in Form eines Passagierflugzeugs, wobei das Luftfahrzeug 300 ein Energieversorgungssystem 1 wie vorstehend beschrieben aufweist. Das Energieversorgungssystem 1 ist vorgesehen, elektrische Verbraucher innerhalb des Flugzeugs (typischerweise Niederspannungsverbraucher) sowie Hochspannungsmotoren eines elektrischen Antriebssystems des Luftfahrzeugs mit elektrischer Energie von einem Generator oder aus einem Energiespeicher zu versorgen. Insbesondere verläuft die Verteileinrichtung 5 wie hierin beschrieben durch einen Rumpf des Luftfahrzeugs 300 und die Generatoren, Energiespeicher bzw. Energiequellen sowie die Niederspannungsverbraucher und die Hochspannungsverbraucher sind an geeigneten Stellen mit der Verteileinrichtung 5 elektrisch verbunden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Energieversorgungssystem
5: Verteileinrichtung
6: Ausgangsschnittstelle
6.1, 6.n: Potentialabgriff
7: Eingangsschnittstelle
10: elektrisches Antriebssystem
12: Energiequelle
12A: kombinierte Generator- und Vortriebseinheit
14: modularer Motor, Hochspannungsverbraucher
15: modulare elektrische Maschine
16.1: erstes elektrisches Maschinenmodul
16.2: zweites elektrisches Maschinenmodul
16.n: weiteres elektrisches Maschinenmodul
17: Niederspannungsverbraucher
18.1: erster Wechselrichter
18.2: zweiter Wechselrichter
18.n: weiterer Wechselrichter
20.1: erste Gleichspannungsmesseinrichtung
20.2: zweite Gleichspannungsmesseinrichtung
20.n: weitere Gleichspannungsmesseinrichtung
22.1: erste Wechselrichterstrommesseinrichtung
22.2: zweite Wechselrichterstrommesseinrichtung
22.n: weitere Wechselrichterstrommesseinrichtung
24.1: erste Wechselrichtersteuerung
24.2: zweite Wechselrichtersteuerung
24.n: weitere Wechselrichtersteuerung
26.1: erster Kondensator
26.2: zweiter Kondensator
26.n: weitere Kondensator
30: Ausgleichsschaltung
31: Ausgleichsleitung
31.1: erste Anschlussleitung
31.n: weitere Anschlussleitung
32: Wechselrichter-Mittelabgriff
32.1: erster Wechselrichter-Mittelabgriff
32.n-1: weiterer Wechselrichter-Mittelabgriff
33: Spannungsquellen-Mittelabgriff
33.1: erster Spannungsquellen-Mittelabgriff
33.n-1: weiterer Spannungsquellen-Mittelabgriff
34: Kommunikationseinrichtung
36: Gesamtgleichsspannungsmesseinrichtung
38: Strommesseinrichtung (Ausgleichsleitung)
40: Versorgungsleitung
42: Spannungsquellenschalteinrichtung
44: Überbrückungseinrichtung
46: Trennschalter
48: Diode
50: Ausgleichsleitungsschalteinrichtung
52: Trennschalter
60: Welle
60.1: erste Welle
60.n: weitere Welle
62: Propeller
62.1: erste mechanische Vortriebseinrichtung
62.n: weitere mechanische Vortriebseinrichtung
300: Luftfahrzeug
A: Wechselrichter-Gleichspannungsstrom
A1: Ausgleichsstrom
A2: Ausgleichsstrom
S1: erste Gleichspannungsquelle
S2: zweite Gleichspannungsquelle
Sn: weitere Gleichspannungsquelle
M1: erstes Motormodul
M2: zweites Motormodul
Mn: weiteres Motormodul
MCU1: erste Maschinensteuereinheit
MCU2: zweite Maschinensteuereinheit
MCUn: weitere Maschinensteuereinheit
V: Wechselrichter-Gleichspannung
Vs: Gesamtgleichspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011105880 A1 [0005]
US 9162770 B2 [0005]

Claims

Energieversorgungssystem (1) für elektrische Verbraucher (14, 15, 17) eines Luftfahrzeugs (300), aufweisend: eine Energiequelle (12, 12A); zumindest einen Hochspannungsverbraucher; zumindest einen Niederspannungsverbraucher; eine Verteileinrichtung (5), welche die Energiequelle (12, 12A) mit dem Hochspannungsverbraucher und dem Niederspannungsverbraucher so koppelt, dass diese mit Energie versorgt werden können; wobei die Verteileinrichtung (5) eine Ausgangsschnittstelle (6) mit einer Vielzahl von Potentialabgriffen (6.1, 6.2, 6.n) aufweist; wobei die Potentialabgriffe so angeordnet sind, dass sie einen Gesamtpotentialunterschied auf der Ausgangsschnittstelle in mehrere Potentialabschnitte unterteilen; wobei der Hochspannungsverbraucher mit zumindest zwei ersten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über zumindest zwei Potentialabschnitte erstrecken; wobei der Niederspannungsverbraucher mit zumindest zwei zweiten Potentialabgriffen gekoppelt ist, die sich über einen einzelnen Potentialabschnitt erstrecken.
Energieversorgungssystem (1) gemäß Anspruch 1, wobei jeder Potentialabgriff einem vorgegebenen oder vorgebbaren Spannungspotential zugeordnet ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Gesamtpotentialunterschied in mehrere gleich große Potentialabschnitte unterteilt ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Potentialabschnitt einer Potentialdifferenz zwischen zwei Potentialabgriffen der Ausgangsschnittstelle entspricht und kleiner oder gleich 350 V ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteileinrichtung (5) mit Niederspannungskomponenten aufgebaut ist, welche für einen Betrieb mit Spannungen kleiner als 1000 Volt ausgelegt sind.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochspannungsverbraucher eine Antriebseinheit für ein Luftfahrzeug ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß Anspruch 6, wobei die Antriebseinheit ein modularer Motor (14) ist, welcher mit einem Propeller (62) koppelbar ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Niederspannungsverbraucher vorgesehen ist, in einer Kabine eines Luftfahrzeugs verwendet zu werden.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Niederspannungsverbraucher einem Lüftungssystem des Luftfahrzeugs zugeordnet ist und eine Antriebseinheit für das Lüftungssystem aufweist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteileinrichtung (5) eine Eingangsschnittstelle (7) aufweist, über welche die Energiequelle mit der Verteileinrichtung gekoppelt ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle eine modulare Energiequelle mit einer Mehrzahl von Spannungsquellen ist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß Anspruch 11, wobei die modulare Energiequelle zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher und zumindest einen Generator aufweist.
Energieversorgungssystem (1) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Verteileinrichtung (5) angeordnet ist, Energie von dem zumindest einen Generator sowohl an den Hochspannungsverbraucher und den Niederspannungsverbraucher zu leiten als auch zum Laden des wiederaufladbaren Energiespeichers zu verwenden.
Energieversorgungssystem (1) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Spannungsquellen Gleichspannungsquellen sind, welche zueinander in Reihe geschaltet sind und welche mit der Eingangsschnittstelle der Verteileinrichtung so gekoppelt sind, dass ihre jeweiligen bereitgestellten Spannungen von der Verteileinrichtung einzeln an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden können oder zum Erzeugen einer größeren Spannung vor der Abgabe über die Ausgangsschnittstelle addiert werden können.
Luftfahrzeug (300), aufweisend: ein Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; einen Hochspannungsverbraucher in Form einer elektrischen Antriebseinheit; einen Niederspannungsverbraucher; wobei das Energieversorgungssystem angeordnet ist, den Hochspannungsverbraucher und den Niederspannungsverbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.