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Die Erfindung betrifft ein elektrifiziertes Luftfahrzeug, ein Verfahren zur Rückgewinnung einer kinetischen und/oder potenziellen Energie und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Luftfahrzeugs.
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Aus der
WO2010123601 ist ein elektrisch angetriebenes senkrecht startendes (Vertical Takeoff and Landing) VTOL-Luftfahrzeuge bekannt, welches einen oder mehrere erste elektrische Energiespeicher umfasst, die in der Lage sind, einen oder mehrere Elektromotoren mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine Ausführung des VTOL-Luftfahrzeugs umfasst mehrere zweite Energiequellen (z. B. Batterien, Motoren, Generatoren, Brennstoffzellen, Halbzellen usw.), welche die Elektromotoren antreiben können, wenn die ersten Energiespeicher ausfallen oder erschöpft sind.
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Das erfindungsgemäße elektrifizierte Luftfahrzeug umfasst
- a) zumindest eine elektromechanische Maschine, die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug in einem Kraftmaschinenbetrieb anzutreiben und eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Luftfahrzeugs in einem Arbeitsmaschinenbetrieb zu rekuperieren,
- b) zumindest einen Energiespeicher, der dazu ausgebildet ist, eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine bereitzustellen,
- c) eine Brennstoffzelle, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine bereitzustellen und
- d) eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist,
- - bei einem Steigflug des Luftfahrzeugs eine Übertragung einer elektrischen Energie von der Brennstoffzelle und/oder dem Energiespeicher zur elektromechanischen Maschine zu steuern und
- - bei einem Sinkflug des Luftfahrzeugs eine Übertragung einer elektrischen rekuperierten Energie von der elektromechanischen Maschine zu einem Elektrolyseur und/oder zum Energiespeicher zu steuern.
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Unter dem Begriff Luftfahrzeug werden dabei, konform zur Klassifizierung der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO), Flugzeuge, wie ein- oder mehrmotorige Land- und/oder Wasserflugzeuge, Drehflügler, Luftschiffe, Segelflugzeuge sowie Luftfahrzeuge mit vertikaler Start- und Landefähigkeit verstanden.
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Dadurch, dass die Steuereinheit bei einem Sinkflug des Luftfahrzeugs die Übertragung einer elektrischen rekuperierten Energie von der elektromechanischen Maschine zum Elektrolyseur und zum Energiespeicher steuert, kann festgelegt werden, in welcher Form die rekuperierte Energie gespeichert wird. Dabei können Randbedingungen, wie ein Ladezustand des Energiespeichers, ein zu erwartender Energieverbrauch oder ein Energieumwandlungswirkungsgrad berücksichtigt werden, um eine Verbesserung einer Betriebseffizienz des Luftfahrzeugs und/oder eine Erhöhung einer Reichweite des Luftfahrzeugs zu ermöglichen. Die Speicherung und eine zeitlich nachgelagerte Nutzung der rekuperierten Energie erlaubt darüber hinaus eine kleinere Dimensionierung des Energiespeichers und eine Verkürzung von Ladezeiten an Bodenstationen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Rückgewinnung einer kinetischen und/oder potenziellen Energie eines elektrifizierten Luftfahrzeugs umfasst die Schritte:
- S11; Umwandeln einer kinetischen und/oder potenziellen Energie des Luftfahrzeugs in eine elektrische Energie mittels einer elektromechanischen Maschine;
- S12: Übertragen der elektrischen Energie an einen Elektrolyseur und/oder einen Energiespeicher, wobei das Übertragen mittels einer Steuereinheit gesteuert wird;
- S13: Aufladen des Energiespeichers und/oder Erzeugen eines Brennstoffs durch den Elektrolyseur mittels der elektrischen Energie.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Luftfahrzeugs umfasst die Schritte:
- S21: Übertragen von Informationen über einen Ladezustand eines Energiespeichers, einen Ladezustand eines Brennstoffreservoirs und eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Luftfahrzeugs an eine Recheneinheit;
- S22: Berechnen einer Reichweite des Luftfahrzeugs, wobei die Reichweite eine Missionsreichweite und eine Reservereichweite umfasst;
- S23: Vergleichen der berechneten Reichweite mit einer Sollreichweite;
- S24: Initiieren zumindest einer der folgenden Aktionen basierend auf einem Ergebnis der Berechnung und/oder des Vergleichs:
- - Übermitteln des Ergebnisses der Berechnung und/oder des Vergleichs an eine Institution innerhalb oder außerhalb des Luftfahrzeugs;
- - Starten oder fortsetzen eines Ladevorgangs des Luftfahrzeugs;
- - Beenden eines Ladevorgangs des Luftfahrzeugs;
- - Starten und/oder fortsetzen eines Flugs des Luftfahrzeugs;
- - Initiieren eines Landevorgangs des Luftfahrzeugs.
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Durch das initiieren der Aktionen werden die Ergebnisse der Reichweitenberechnung sowie des Vergleichs der berechneten Reichweite mit der Sollreichweite für Betreiber des Luftfahrzeuges nutzbar gemacht. Die Ergebnisse können so beispielsweise von Piloten oder Bodenstationen für weitere Flug- und oder Betankungsplanungen berücksichtigt werden.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrifizierten Luftfahrzeugs,
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Flugstreckenplans,
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrifizierten Luftfahrzeugs und
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rückgewinnung einer kinetischen und/oder potenziellen Energie eines elektrifizierten Luftfahrzeugs.
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Das in 1 gezeigte elektrifizierte Luftfahrzeug 1 ist ein senkrecht startendes Flugtaxi (VTOL), welches für den Transport von mehreren Passagieren ausgelegt ist. Das Flugtaxi 1 umfasst vier elektromechanische Maschinen 2a, 2b, 2c, 2d. Im Ausführungsbeispiel sind die elektromechanischen Maschinen Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d, von denen je zwei in einem Front- und zwei in einem Heckbereich des Flugtaxis 1 angeordnet sind. Die Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d sind dazu ausgebildet, das Flugtaxi 1 in einem Kraftmaschinenbetrieb durch eine Umwandlung einer elektrischen Energie in eine mechanische Energie anzutreiben. Ferner sind die Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d dazu ausgebildet, in einem Arbeitsmaschinenbetrieb eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Flugtaxis 1 zu rekuperieren.
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Weiterhin umfasst das Flugtaxi 1 zwei Energiespeicher 3a, 3b. Im Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicher in einem Flügelbereich des Lufttaxis 1 angeordnete Lithium-Ionen-Akkumulatoren 3a, 3b. Bei einem Betrieb des Flugtaxis 1 wird elektrische Energie aus den Akkumulatoren 3a, 3b zum Antreiben der Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d bereitgestellt.
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Des Weiteren umfasst das Flugtaxi 1 eine Brennstoffzelle 4, 5, die reversibel als Elektrolyseur (reversible fuel cell, RFC) betreibbar ist, sowie ein Brennstoffreservoir 7. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC) 4, 5. Bei einem Betrieb des Flugtaxis 1 wird Wasserstoff aus dem Brennstoffreservoir 7 zur Brennstoffzelle 4, 5 geleitet. In der Brennstoffzelle 4, 5 wird der Wasserstoff durch eine kontinuierliche chemische Reaktion mit Luftsauerstoff in Wasser umgesetzt. Dabei wird im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das entstandene Wasser wird in einem Brennproduktreservoir (nicht gezeigt) gespeichert. Die aus dem Wasserstoff freigesetzte elektrische Energie wird zum Antreiben der Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d bereitgestellt.
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Darüber hinaus umfasst das Flugtaxi 1 eine Steuereinheit 6a, 6b. Die Steuereinheit 6a, 6b ist dazu ausgebildet und eingerichtet, bei einem Steigflug, einem Konstanthöhenflug oder einem stationären Schwebeflug des Flugtaxis 1 eine Übertragung elektrischer Energie von der Brennstoffzelle 4, 5 und den Akkumulatoren 3a, 3b zu den Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d zu steuern. Ferner ist die Steuereinheit 6a, 6b dazu ausgebildet und eingerichtet, bei einem Sinkflug des Flugtaxis 1 eine Übertragung einer elektrischen rekuperierten Energie von den Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d zur reversibel betreibbaren Brennstoffzelle 4, 5 und zu den Akkumulatoren 3a, 3b zu steuern. Die Akkumulatoren 3a, 3b werden mittels der elektrischen rekuperierten Energie geladen. In der Brennstoffzelle 4, 5 wird die elektrische rekuperierte Energie in einem Elektrolyseurbetrieb genutzt, um Wasser, welches aus dem Brennproduktreservoir bezogen wird, in Wasserstoff umzuwandeln. Der Wasserstoff wird anschließend in das Brennstoffreservoir 7 geleitet. Dadurch wird die rekuperierte Energie über ausgedehnte Zeiträume hinweg in chemischer Form gespeichert und für einen späteren Einsatz, z.B. in Folgemissionen, nutzbar gemacht.
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Die Steuereinheit 6a, 6b ist ferner dazu ausgebildet und eigerichtet, eine Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Akkumulatoren 3a, 3b und der Brennstoffzelle 4, 5 zu steuern. Dabei werden die Ladezustände der Akkumulatoren 3a, 3b sowie des Brennstoffreservoirs 7 durch die Steuereinheit 6a, 6b berücksichtigt. Im Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle 4, 5 bei niedrigem Ladezustand der Akkumulatoren 3a, 3b genutzt, um einen Ladestrom zum Laden der Akkumulatoren 3a, 3b bereitzustellen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn keine externen Lademöglichkeiten zum Aufladen der Akkumulatoren 3a, 3b zur Verfügung stehen und bei einem bevorstehenden Flugbetrieb Lastspitzen erwartet werden, die einen Parallelbetrieb der Akkumulatoren 3a, 3b und der Brennstoffzelle 4, 5 erforderlich machen.
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Des Weiteren umfasst das Flugtaxi 1 eine Recheneinheit 8, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Reichweite 9 des Flugtaxis 1 zu berechnen. Bei der Berechnung werden die Ladezustände der Akkumulatoren 3a, 3b und des Brennstoffreservoirs 7 sowie eine kinetische und eine potenzielle Energie des Flugtaxis 1 berücksichtigt. In 2 ist die berechnete Reichweite 9 in einem Flugstreckenplan dargestellt. Der Flugstreckenplan umfasst eine auf einer Abszissenachse aufgetragene Flugstrecke 13 und eine auf einer Ordinatenachse aufgetragene Flughöhe 14. Die berechnete Reichweite 9 untergliedert sich in eine Missionsreichweite 10 und eine Reservereichweite 11.
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Im Ausführungsbeispiel wird das Flugtaxi 1 mit dem in 3 gezeigten Verfahren betrieben.
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Zu einem ersten Zeitpunkt befindet sich das Flugtaxi 1 an einer Bodenstation. Dort werden die Akkumulatoren 3a, 3b geladen und das Brennstoffreservoir 7 mit Wasserstoff betankt. Währenddessen werden in einem ersten Schritt des Verfahrens S21 fortlaufend Informationen über die aktuellen Ladezustände der Akkumulatoren 3a, 3b und des Brennstoffreservoirs 7 an die Recheneinheit 8 übertragen. In einem zweiten Schritt S22 berechnet die Recheneinheit 8 die Reichweite 9 des Flugtaxis 1 für eine bevorstehenden Mission kontinuierlich. Die Reichweite 9 setzt sich dabei aus der Missionsreichweite 10 und der Reservereichweite 11 zusammen. Neben den aktuellen Ladezuständen der Akkumulatoren 3a, 3b und des Brennstoffreservoirs 7 wird bei der Berechnung auch eine zu erwartende Rekuperationsenergie der bevorstehenden Mission berücksichtigt. In einem dritten Schritt S23 vergleicht die Recheneinheit 8 die berechnete Reservereichweite 11 kontinuierlich mit einer gesetzlich vorgeschriebenen Reservereichweite. Bei Ladezuständen der Akkumulatoren 3a, 3b und einem Betankungszustand des Brennstoffreservoirs 7, bei welchem die berechnete Reservereichweite 11 die vorgeschriebene Reservereichweite unterschreitet, wird von der Recheneinheit 8 eine Meldung generiert, die das Ergebnis des Vergleichs und eine Empfehlung den Lade- und Betankungsvorgang fortzusetzen umfasst. In einem vierten Schritt S24 wird die Meldung an einen Piloten 12 des Flugtaxis 1 und eine Kommandozentrale der Bodenstation (nicht gezeigt) übermittelt. Im Ausführungsbeispiel werden daraufhin das Betanken des Brennstoffreservoirs 7 und das Laden der Akkumulatoren 3a, 3b fortgesetzt.
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Zu einem zweiten Zeitpunkt, an welchem der Betankungs- und Beladungsprozess fortgeschritten ist, ergibt ein Vergleich S23 durch die Recheneinheit 8, dass die berechnete Reservereichweite 11 die gesetzlich vorgeschriebene Reservereichweite übersteigt. Daraufhin initiiert S24 die Recheneinheit 8 durch Meldung an die Kommandozentrale der Bodenstation eine Beendigung der Betankung des Brennstoffreservoirs 7 und der Ladung der Akkumulatoren 3a, 3b. Im Ausführungsbeispiel wird durch die Beendigung der Betankung verhindert, dass unnötiger Brennstoff und somit unnötiges Gewicht in der bevorstehenden Mission mitgeführt werden.
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Zu einem dritten Zeitpunkt befindet sich das Flugtaxi 1 in der Luft auf einem Missionsflug. Während des Fluges berechnet S22 die Recheneinheit 8 die Reichweite 9 des Flugtaxis 1 kontinuierlich. Ferner vergleicht S23 die Recheneinheit 8 die berechnete Reichweite 9 kontinuierlich mit der Sollreichweite. Bei einem planmäßigen Flugbetrieb, bei welchem die Sollreichweite die berechnete Reichweite 9 übersteigt, initiiert S24 die Recheneinheit 8 in regelmäßigen Abständen die Generation von Meldungen an den Piloten 12, in welchen dieser über die Ladezustände der Akkumulatoren 3a, 3b und des Brennstoffreservoirs 7 sowie über die berechnete Reichweite 9 informiert wird.
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In einem Szenario, in welchem es, beispielsweise aufgrund eines technischen Defektes am Flugtaxi 1 oder unerwarteter Wettereffekte, zu einem unplanmäßigen Flugbetrieb kommt, bei welchem die Sollreichweite die berechnete Reichweite 9 unterschreitet, generiert die Recheneinheit 8 eine Warnmeldung an den Piloten 12.
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Zu einem vierten Zeitpunkt befindet sich das Flugtaxi 1 bei einem Landevorgang in einem Sinkflug. Beim Sinkflug wird das in 4 gezeigte Verfahren zur Rückgewinnung einer kinetischen und/oder potenziellen Energie durchgeführt. In einem ersten Schritt S11 des Verfahrens wandeln die Motorgeneratoren 2a, 2b, 2c, 2d eine potenzielle und eine kinetische Energie des Flugtaxis 1 in eine elektrische Energie um. In einem zweiten Schritt des Verfahrens S12 wird die elektrische Energie an die reversibel betreibbare Brennstoffzelle 4, 5 und die Akkumulatoren 3a, 3b übertragen, wobei eine Verteilung der elektrischen Energie mittels der Steuereinheit 6a, 6b gesteuert wird. In einem dritten Schritt des Verfahrens S13 werden die Akkumulatoren 3a, 3b mit der rekuperierten elektrischen Energie aufgeladen. Weiterhin wird durch die Brennstoffzelle 4, 5 mittels der rekuperierten elektrischen Energie Wasserstoff erzeugt, welcher anschließend in des Brennstoffreservoir 7 geleitet wird. Durch dieses Verfahren wird die rekuperierte Energie einer langfristigen Speicherung zugänglich gemacht. Zurückgewonnene Energie kann in Folgemissionen verwendet werden, wodurch eine Gesamtbetriebseffizienz des Flugtaxis 1 erhöht wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs (nicht gezeigt) erfolgt ein Betrieb des Luftfahrzeugs autonom. Beladevorgänge von Energiespeichern und Brennstoffreservoiren werden basierend auf Reichweitenberechnungen der Recheneinheit vollautomatisch initiiert und ausgeführt. Flüge werden ebenfalls autonom ohne einen im Luftfahrzeug befindlichen Piloten durchgeführt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs (nicht gezeigt) ist die Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Durch ihren hohen Wirkungsgrad von 50 % ermöglicht der Einsatz der SOFC-Brennstoffzelle eine effizientere Nutzung der im Brennstoff gespeicherten chemischen Energie, als bei vergleichbaren PEFC-Brennstoffzellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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