DE102021003064A1

DE102021003064A1 - Luftfahrzeug mit Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102021003064A1
Application number: DE102021003064.8A
Authority: DE
Inventors: Ernst Scheid
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2020-07-25
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-01-27
Also published as: DE102020004510A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit einem Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Luftfahrzeugs.Das Luftfahrzeug (1) umfassta) zumindest eine Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d), die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug (1) anzutreiben,b) zumindest eine elektromechanische Maschine (3a, 3b, 3c, 3d), die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug (1)- bei einem Steigflug oder Konstanthöhenflug anzutreiben und- bei einem Sinkflug eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Luftfahrzeugs (1) zu rekuperieren undc) eine Brennstoffzelle (5), die dazu ausgebildet ist, eine chemische Energie eines Brennstoffs in eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine (3a, 3b, 3c, 3d) umzuwandeln und mittels einer rekuperierten Energie Brennstoff zu erzeugen, wobei der Brennstoff für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d) nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit einem Hybridantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Luftfahrzeugs.
Aus der DE102006056354B4 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Flugzeug, umfassend eine Gasturbinenvorrichtung, einen Elektromotor und eine Brennstoffzelle, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Energie zum Betreiben des Elektromotors bereitzustellen, bekannt.
Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug umfasst

a) zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug anzutreiben,
b) zumindest eine elektromechanische Maschine, die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug
- - bei einem Steigflug oder Konstanthöhenflug anzutreiben und
- - bei einem Sinkflug eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Luftfahrzeugs zu rekuperieren und
c) eine Brennstoffzelle, die dazu ausgebildet ist, eine chemische Energie eines Brennstoffs in eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine umzuwandeln und mittels einer rekuperierten Energie Brennstoff zu erzeugen,

Dadurch, dass der Brennstoff für einen Betrieb der Brennstoffzelle und der Verbrennungskraftmaschine nutzbar ist, genügt ein einzelnes Brennstoffreservoir zum Betrieb beider Antriebsmodalitäten (elektrisch und verbrennungsmechanisch) des Luftfahrzeugs sowie zur Speicherung rekuperierter Energie in chemischer Form. Dies ermöglicht einen Verzicht auf Antriebsbatteriesysteme oder deren kleinere Dimensionierung. Dadurch wird Gewicht eingespart und eine Reichweite des Luftfahrzeugs erhöht.
Vorzugsweise sind die elektromechanische Maschine und die Verbrennungskraftmaschine dazu ausgebildet, eine gemeinsame Luftschraube anzutreiben. Dies ermöglicht eine weitere Gewichtseinsparung im Vergleich zu Luftfahrzeugen mit Hybridantrieben, deren Antriebsmodalitäten separate Luftschrauben antreiben.
Besonders bevorzugt umfasst das Luftfahrzeug eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und der elektromechanischen Maschine anhand einer vorgegebenen Antriebsenergiezusammenstellung zu steuern. So kann beispielsweise vorgegeben werden, bei einem Flug über ein städtisches Gebiet nur die elektromechanische Maschine für den Antrieb zu nutzen, um Betriebsgeräusche des Luftfahrzeugs zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Luftfahrzeugs umfasst die Schritte:

S1: Rekuperieren einer kinetischen und/oder potenziellen Energie des Luftfahrzeugs mittels einer elektromechanischen Maschine;
S2: Erzeugen eines Brennstoffs mittels einer rekuperierten Energie;
S3: Antreiben einer Verbrennungskraftmaschine mittels des Brennstoffs.

Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs und
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Luftfahrzeugs.

Das in 1 gezeigte Luftfahrzeug 1 ist ein senkrecht startendes Flugtaxi, welches für den Transport von mehreren Passagieren ausgelegt ist. Das Flugtaxi 1 umfasst vier mit Wasserstoff betreibbare Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d, die dazu ausgebildet sind, das Flugtaxi 1 anzutreiben. Zwei Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2d sind in einem Frontbereich des Flugtaxis 1 angeordnet und zwei 2b, 2c in einem Heckbereich. Weiterhin umfasst das Flugtaxi 1 vier elektromechanische Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d. Im Ausführungsbeispiel sind die elektromechanischen Maschinen Motorgeneratoren 3a, 3b, 3c, 3d, von denen ebenfalls je zwei in einem Front- und zwei in einem Heckbereich des Flugtaxis 1 angeordnet sind. Die Motorgeneratoren 3a, 3b, 3c, 3d sind dazu ausgebildet, das Flugtaxi 1 bei einem Steigflug oder Konstanthöhenflug anzutreiben und bei einem Sinkflug eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Flugtaxis 1 zu rekuperieren.
Jeweils eine der Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d und einer der Motorgeneratoren 3a, 3b, 3c, 3d sind nahe beieinander im Flugtaxis 1 angeordnet. Sie sind jeweils über eine Kupplung mit einer gemeinsamen Welle, an welcher eine gemeinsame Luftschraube 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet ist, verbunden und dazu ausgebildet, diese anzutreiben. Dadurch kann, im Vergleich zu Systemen, bei welchen unterschiedliche Antriebsstränge verschiedenen Luftschrauben antreiben, Gewicht eigespart werden.
Des Weiteren umfasst das Flugtaxi 1 eine Brennstoffzelle 5, die reversibel als Elektrolyseur (reversible fuel cell, RFC) betreibbar ist, sowie ein Brennstoffreservoir 8. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC) 5. Die Brennstoffzelle 5 ist dazu ausgebildet, Wasserstoff aus dem Brennstoffreservoir 8 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 3a, 3b, 3c, 3d bereitgestellt.
Weiterhin ist die Brennstoffzelle 5 dazu ausgebildet, mittels der rekuperierten elektrischen Energie und Wasser aus dem Brennproduktreservoir in einem Elektrolyseurbetrieb Wasserstoff zu erzeugen. Der Wasserstoff wird anschließend in das Brennstoffreservoir 8 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.
Getankter oder durch Rekuperation gewonnener Wasserstoff kann im Flugtaxi 1 sowohl zum Betrieb der Brennstoffzellen 5 als auch zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen genutzt werden. Daher wird nur ein Brennstoffreservoir 8 zum Betrieb des Flugtaxis 1 benötigt. Auf den Einsatz schwerer Antriebsbatteriesysteme zur Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie kann im Ausführungsbeispiel verzichtet werden.
Darüber hinaus umfasst das Flugtaxi 1 eine Steuereinheit 6, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d und der elektromechanischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d anhand einer vorgegebenen Antriebsenergiezusammenstellung zu steuern. Dadurch können mit dem Betrieb der Antriebseinheiten einhergehende Emissionen, wie beispielsweise Schallemissionen der 2a, 2b, 2c, 2d Verbrennungskraftmaschinen, an aktuelle Anforderungen angepasst werden. Bei Startvorgängen oder Tiefflügen in innerstädtischen Gebieten kann das Flugtaxi 1 durch die Vorgabe einer gewünschten Antriebsenergiezusammenstellung beispielsweise rein elektrisch betrieben werden, um Betriebsgeräusche zu reduzieren.
Des Weiteren umfasst das Flugtaxi 1 eine Recheneinheit 7, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Reichweite des Flugtaxis 1 zu berechnen. Bei der Berechnung wird ein Ladezustand des Brennstoffreservoirs 8 sowie eine kinetische und eine potenzielle Energie des Flugtaxis 1 berücksichtigt. Die berechnete Reichweite kann weiterhin in eine Missionsreichweite und eine Reservereichweite untergliedert werden.
Ferner ist die Recheneinheit 7 ist dazu ausgebildet und eingerichtet, der Steuereinheit 6 eine Antriebsenergiezusammenstellung vorzugeben. Dadurch können beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d und der elektromechanischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d Ergebnisse der Reichweitenberechnung berücksichtigt werden. Ergibt die Reichweitenberechnung während eines Flugbetriebes beispielsweise, dass ein Risiko besteht, Reservereichweitenvorgaben nicht einzuhalten, kann die Recheneinheit 7 eine Antriebsenergiezusammensetzung vorgeben, in welcher die energieeffizientere Antriebsmodalität bevorzugt wird.
Im Folgenden wird der Betrieb des Flugtaxis 1 beim Betanken und bei einem Missionsflug erläutert.
Das Betanken des Flugtaxis 1 erfolgt an einer Bodenstation. Dort wird das Brennstoffreservoir 8 mit Wasserstoff beladen. Währenddessen werden fortlaufend Informationen über den aktuellen Ladezustand des Brennstoffreservoirs 8 an die Recheneinheit-7 übertragen. Die Recheneinheit 7 berechnet die Reichweite des Flugtaxis 1 für eine bevorstehenden Mission kontinuierlich. Die Reichweite setzt sich dabei aus einer Missionsreichweite und einer Reservereichweite zusammen. Neben dem aktuellen Ladezustand des Brennstoffreservoirs 8 wird bei der Berechnung auch eine zu erwartende Rekuperationsenergie der bevorstehenden Mission berücksichtigt. Bei einem Betankungszustand des Brennstoffreservoirs 8, bei welchem die berechnete Reservereichweite eine vorgeschriebene Reservereichweite überschreitet, wird von der Recheneinheit 7 eine Meldung generiert, die das Ergebnis des der Berechnung und eine Empfehlung, den Lade- und Betankungsvorgang zu beenden, umfasst. Die Meldung wird an eine Kommandozentrale der Bodenstation (nicht gezeigt) übermittelt. Im Ausführungsbeispiel wird daraufhin der Betankungsprozess beendet, um kein unnötiges Gewicht in Form von überschüssigem Brennstoff mitzuführen.
Nach dem Betanken startet das Flugtaxi 1 einen Missionsflug. Dabei steuert die Steuereinheit 6 den Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d und der elektromechanischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d anhand einer vorgegebenen Antriebsenergiezusammenstellung. Beim Start in einem innerstädtischen Gebiet werden gemäß einer vorgegebenen Antriebsenergiezusammenstellung nur die elektromechanischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d eingesetzt, um Betriebsgeräusche des Flugtaxis 1 zu minimieren. Nach Verlassen des innerstädtischen Gebiets werden die Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d als hauptsächliche Antriebseinheit genutzt, da diese im Ausführungsbeispiel einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als die elektrischen Antriebsstränge.
Bei Sinkflügen, beispielsweise bei Landevorgängen, wird eine potenzielle und eine kinetische Energie des Flugtaxis 1 rekuperiert, in chemischer Form gespeichert und für Folgemissionen nutzbar macht. Dazu wird das Flugtaxi 1 mit dem in 2 gezeigten Verfahren betrieben. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird eine kinetischen und/oder potenziellen Energie des Flugtaxis 1 mittels der elektromechanischen Maschinen 3a, 3b, 3c, 3d rekuperiert. In einem zweiten Schritt des Verfahrens S2 wird mittels der rekuperierten Energie Wasserstoff erzeugt. In einem dritten Schritt des Verfahrens S3 wird der Wasserstoff für einen Betrieb Verbrennungskraftmaschinen 2a, 2b, 2c, 2d eingesetzt. Durch die Speicherung und Wiederverwendung Zurückgewonnener Energie wird dabei eine Gesamtbetriebseffizienz des Flugtaxis 1 erhöht.
In einem weiterhin Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umfasst ein erfindungsgemäßes Luftfahrzeug einen zusätzlichen elektrischen Energiespeicher, ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator. Bei einem Betrieb des Flugtaxis kann elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher zum Antreiben der Motorgeneratoren bereitgestellt werden. Weiterhin kann rekuperierte Energie dazu genutzt werden, den elektrischen Energiespeicher zu laden. Dadurch werden, im Vergleich zu einer ausschließlichen Speicherung der rekuperierten Energie in Form von Brennstoff, Umwandlungsverluste reduziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006056354 B4 [0002]

Claims

Luftfahrzeug (1), umfassend a) zumindest eine Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d), die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug (1) anzutreiben, b) zumindest eine elektromechanische Maschine (3a, 3b, 3c, 3d), die dazu ausgebildet ist, das Luftfahrzeug (1) - bei einem Steigflug oder Konstanthöhenflug anzutreiben und - bei einem Sinkflug eine kinetische und/oder potenzielle Energie des Luftfahrzeugs (1) zu rekuperieren und c) eine Brennstoffzelle (5), die dazu ausgebildet ist, eine chemische Energie eines Brennstoffs in eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine (3a, 3b, 3c, 3d) umzuwandeln und mittels einer rekuperierten Energie Brennstoff zu erzeugen, wobei der Brennstoff für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d) nutzbar ist.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, wobei die elektromechanische Maschine (3a, 3b, 3c, 3d) und die Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d) dazu ausgebildet sind, eine gemeinsame Luftschraube (4a, 4b, 4c, 4d) anzutreiben.
Luftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen elektrischen Energiespeicher, der dazu ausgebildet ist, mittels der rekuperierten elektrischen Energie geladen zu werden und eine elektrische Energie für einen Betrieb der elektromechanischen Maschine (3a, 3b, 3c, 3d) bereitzustellen.
Luftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Steuereinheit (6), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d) und der elektromechanischen Maschine (3a, 3b, 3c, 3d) anhand einer vorgegebenen Antriebsenergiezusammenstellung zu steuern.
Luftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Recheneinheit (7), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Reichweite des Luftfahrzeugs (1) anhand eines Ladezustandes eines Brennstoffreserviors (8) und/oder eines Ladezustandes eines elektrischen Energiespeichers und/oder der kinetischen und/oder potenziellen Energie des Luftfahrzeugs (1) zu berechnen.
Luftfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (7) dazu ausgebildet ist, der Steuereinheit (6) eine Antriebsenergiezusammenstellung vorzugeben.
Verfahren zum Betreiben eines Luftfahrzeugs (1), umfassend die Schritte: S1: Rekuperieren einer kinetischen und/oder potenziellen Energie des Luftfahrzeugs (1) mittels einer elektromechanischen Maschine (3a, 3b, 3c, 3d); S2: Erzeugen eines Brennstoffs mittels einer rekuperierten Energie; S3: Antreiben einer Verbrennungskraftmaschine (2a, 2b, 2c, 2d) mittels des Brennstoffs.