DE102022204760A1 - Electrical arrangement for an aircraft - Google Patents

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Maria Kimmerle
Markus Christmann
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Abstract

Eine elektrische Anordnung (1; 1') für ein Luftfahrzeug (2; 2') umfasst: ein Niedrigspannungssystem (10; 10') mit einer Batterie (100) und zumindest einem Verbraucher (101), der an die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10') angeschlossen ist, um von der Batterie (100) mit elektrischem Strom versorgt zu werden, ein Höherspannungssystem (11; 11') mit einer Batterie (110), welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10'), und zumindest einem Elektromotor (111), mittels dem ein Rotor (12) antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen und der an die Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') angeschlossen ist, um von der Batterie (110) mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei der zumindest eine Verbraucher (101) des Niedrigspannungssystems (10; 10`) eine Flugsteuerungsvorrichtung (102) umfasst, und wobei das Niedrigspannungssystem (10; 10') von dem Höherspannungssystem (11; 11') getrennt ist.

Figure DE102022204760A1_0000
An electrical arrangement (1; 1') for an aircraft (2; 2') comprises: a low-voltage system (10; 10') with a battery (100) and at least one consumer (101) which is connected to the battery (100) of the Low-voltage system (10; 10') is connected to be supplied with electrical power from the battery (100), a higher-voltage system (11; 11') with a battery (110) which has a higher electrical output voltage than the battery (100 ) of the low-voltage system (10; 10'), and at least one electric motor (111), by means of which a rotor (12) can be driven in order to generate thrust and/or lift and which is connected to the battery (110) of the higher-voltage system (11; 11 ') is connected to be supplied with electrical power from the battery (110), wherein the at least one consumer (101) of the low-voltage system (10; 10`) comprises a flight control device (102), and wherein the low-voltage system (10; 10 ') is separated from the higher voltage system (11; 11').
Figure DE102022204760A1_0000

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Anordnung für ein Luftfahrzeug und auf ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Anordnung.The present disclosure relates in particular to an electrical arrangement for an aircraft and to an aircraft with such an electrical arrangement.

Luftfahrzeuge werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, z.B. Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerke, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotor(en) ermöglichen einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Fortschritte in der Batterietechnologie ermöglichen immer weitere Einsatzbereiche von elektrischen Antrieben.Aircraft are powered in a variety of configurations. Combustion engines, e.g. piston engines or gas turbine engines, enable long ranges and high speeds. Drives with one or more electric motors enable the use of sustainably generated energy and are sometimes particularly low-maintenance and quiet. Advances in battery technology are enabling ever wider areas of application for electric drives.

Im Luftfahrtbereich können Defekte an Bauteilen besonders schwerwiegende Auswirkungen haben. Daher ist es stets wünschenswert, möglichst sichere Antriebe zu schaffen. In vielen Fällen kann potentiellen Ausfällen bestimmter Bauteile durch den Einsatz mehrerer redundanter Bauteile begegnet werden. Hierdurch wird allerdings in der Regel auch die Komplexität des gesamten Aufbaus erhöht, ggf. auch das Gesamtgewicht.In the aviation sector, defects in components can have particularly serious consequences. It is therefore always desirable to create drives that are as safe as possible. In many cases, potential failures of certain components can be countered by using several redundant components. However, this usually also increases the complexity of the entire structure, and possibly also the total weight.

Die WO 2019/145777 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Anordnung mit redundanten Feldspulen, sodass der Ausfall einer Feldspule kompensiert werden kann.The WO 2019/145777 A1 For example, describes an electrical arrangement with redundant field coils so that the failure of a field coil can be compensated for.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Anordnung bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved electrical arrangement.

Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Anordnung für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, umfassend: ein Niedrigspannungssystem mit einer Batterie und zumindest einem Verbraucher, der an die Batterie des Niedrigspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden, ein Höherspannungssystem mit einer Batterie, welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie des Niedrigspannungssystems, und mit zumindest einem Elektromotor, mittels dem ein Rotor antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb für das Luftfahrzeug zu erzeugen, wobei der Elektromotor an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Dabei ist vorgesehen, dass der zumindest eine Verbraucher des Niedrigspannungssystems eine Flugsteuerungsvorrichtung umfasst, und wobei das Niedrigspannungssystem von dem Höherspannungssystem getrennt ist.According to one aspect, an electrical arrangement for an aircraft is provided, comprising: a low-voltage system with a battery and at least one load connected to the battery of the low-voltage system in order to be supplied with electrical power from the battery, a higher-voltage system with a battery, which has a higher electrical output voltage than the battery of the low-voltage system, and with at least one electric motor by means of which a rotor can be driven in order to generate thrust and / or lift for the aircraft, the electric motor being connected to the battery of the higher-voltage system in order to to be supplied with electrical power from the battery. It is provided that the at least one consumer of the low-voltage system comprises a flight control device, and the low-voltage system is separated from the higher-voltage system.

Das basiert auf der Erkenntnis, dass eine Versorgung des potentiell besonders sicherheitsrelevanten und empfindlichen, zumindest einen Verbrauchers des Niedrigspannungssystems über die Batterie mit der verhältnismäßig niedrigen Ausgangsspannung eine wesentlich erhöhte Sicherheit ermöglicht, als im Vergleich dazu eine Versorgung dieses zumindest einen Verbrauchers über einen Gleichspannungswandler durch die Batterie des Höherspannungssystems. Denn ein Defekt beispielsweise in dem Gleichspannungswandler oder in einer anderen Komponente des Höherspannungssystems könnte den zumindest einen Verbraucher beschädigen. Wird durch einen solchen Defekt die Flugsteuerungsvorrichtung beschädigt, könnte dies besonders große Gefahren zur Folge haben. Durch die Trennung des Niedrigspannungssystems von dem Höherspannungssystem können solche Risiken mit einer besonders einfachen Lösung minimiert oder gar gänzlich ausgeschlossen werden. Die Batterie des Niedrigspannungssystems weist eine ausreichend große Kapazität auf, um den zumindest einen Verbraucher vom Start bis zur Landung mit Strom zu dessen Betrieb zu versorgen.This is based on the knowledge that supplying the potentially particularly safety-relevant and sensitive, at least one consumer of the low-voltage system via the battery with the relatively low output voltage enables significantly increased safety than, in comparison, supplying this at least one consumer via a DC-DC converter Higher voltage system battery. A defect, for example in the DC-DC converter or in another component of the higher-voltage system, could damage at least one consumer. If the flight control device is damaged by such a defect, this could result in particularly serious dangers. By separating the low-voltage system from the higher-voltage system, such risks can be minimized or even completely eliminated with a particularly simple solution. The battery of the low-voltage system has a sufficiently large capacity to supply the at least one consumer with power for its operation from takeoff to landing.

Das Niedrigspannungssystem ist von dem Höherspannungssystem derart elektrisch getrennt, dass keine elektrische Leistung vom Höherspannungssystem an das Niedrigspannungssystem übertragbar ist. Das Niedrigspannungssystem ist von dem Höherspannungssystem galvanisch getrennt, insbesondere in Bezug auf die leistungsführenden Leitungen, welche Energie von der Batterie des Höherspannungssystems zum Elektromotor übertragen. Insbesondere ist das Niedrigspannungssystem von dem Höherspannungssystem elektromagnetisch getrennt. Die Stromkreise, welche an die Batterie des Höherspannungssystems direkt angeschlossen sind oder indirekt damit gekoppelt sind, sind vollständig von den Stromkreisen des Niedrigspannungssystems getrennt (insbesondere auch beabstandet).The low-voltage system is electrically separated from the higher-voltage system in such a way that no electrical power can be transferred from the higher-voltage system to the low-voltage system. The low-voltage system is galvanically isolated from the higher-voltage system, in particular with regard to the power-carrying lines, which transmit energy from the battery of the higher-voltage system to the electric motor. In particular, the low-voltage system is electromagnetically separated from the higher-voltage system. The circuits that are directly connected to the battery of the higher voltage system or are indirectly coupled to it are completely separated from the circuits of the low voltage system (in particular also spaced apart).

Es kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Niedrigspannungssystems eine elektrische Ausgangsspannung von unter 100 V aufweist, insbesondere von unter 50 V. Optional handelt es sich bei der elektrischen Ausgangsspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems um eine Kleinspannung. Das Niedrigspannungssystem stellt insbesondere eine Gleichspannung als Ausgangsspannung bereit. Die Batterie umfasst mehrere Batteriezellen und optional eine Elektronik. Bei der Ausgangsspannung der Batterie handelt es sich insbesondere um die Nominalspannung der Batterie.It can be provided that the battery of the low-voltage system has an electrical output voltage of less than 100 V, in particular less than 50 V. Optionally, the electrical output voltage of the battery of the low-voltage system is a low voltage. The low-voltage system in particular provides a direct voltage as an output voltage. The battery includes several battery cells and optional electronics. The output voltage of the battery is, in particular, the nominal voltage of the battery.

Die Batterie des Höherspannungssystems kann eine elektrische Ausgangsspannung von über 100 V aufweisen, insbesondere von über 300 V. Optional handelt es sich um eine Spannung von über 1000 V. Das Höherspannungssystem stellt insbesondere eine Gleichspannung als Ausgangsspannung bereit. Die Batterie des Höherspannungssystems umfasst mehrere Batteriezellen und optional eine Elektronik. Bei der Ausgangsspannung der Batterie des Höherspannungssystems handelt es sich insbesondere um die Nominalspannung der Batterie. Die Batterie des Höherspannungssystems weist z.B. eine größere Anzahl von Batteriezellen auf als die Batterie des Niedrigspannungssystems.The battery of the higher-voltage system can have an electrical output voltage of over 100 V, in particular over 300 V. Optionally, it is a voltage of over 1000 V. The higher-voltage system in particular provides a direct voltage as the output voltage. The battery of the higher voltage system tems includes several battery cells and optional electronics. The output voltage of the battery of the higher voltage system is in particular the nominal voltage of the battery. The battery of the higher voltage system has, for example, a larger number of battery cells than the battery of the low voltage system.

Mittels der Flugsteuerungsvorrichtung ist z.B. der zumindest eine Elektromotor direkt oder indirekt steuerbar, z.B. über eine Motorsteuerung.By means of the flight control device, for example, the at least one electric motor can be controlled directly or indirectly, for example via a motor control.

Die Flugsteuerungsvorrichtung umfasst z.B. eine Avionik und/oder einen Flugsteuerungscomputer oder besteht daraus. Optional umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung ein Navigationssystem. Diese Komponenten sind besonders sensibel und wichtig für einen sicheren Flug.The flight control device includes, for example, or consists of avionics and/or a flight control computer. Optionally, the flight control device includes a navigation system. These components are particularly sensitive and important for a safe flight.

Optional umfasst das Höherspannungssystem einen Gleichspannungswandler. Es kann vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Antriebsstrangkomponente über den Gleichspannungswandler an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von dieser Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden.Optionally, the higher voltage system includes a DC-DC converter. It can be provided that an additional drive train component is connected to the battery of the higher voltage system via the DC-DC converter in order to be supplied with electrical power by this battery.

Gemäß einer Weiterbildung ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, die elektrische Ausgangsspannung der Höherspannungsbatterie in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. So können Niedrigspannungskomponenten, z.B. solche, die eine große Redundanz aufweisen, über die Batterie des Höherspannungssystems mit Strom versorgt werden.According to a further development, the DC-DC converter is designed to convert the electrical output voltage of the higher-voltage battery into a lower voltage. This means that low-voltage components, e.g. those that have a lot of redundancy, can be supplied with power via the battery of the higher-voltage system.

Die umgewandelte niedrigere Spannung kann gleich groß (oder in etwa gleich groß) sein wie die elektrische Ausgangsspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems. Das ermöglicht den Einsatz von Standardkomponenten.The converted lower voltage may be the same (or approximately the same) as the electrical output voltage of the battery of the low voltage system. This enables the use of standard components.

In einer alternativen (oder zusätzlichen) Ausgestaltung ist eine Antriebsstrangkomponente an die Batterie des Niedrigspannungssystems angeschlossen, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden. So kann auch diese Antriebsstrangkomponente mit besonders großer Sicherheit betrieben werden.In an alternative (or additional) embodiment, a powertrain component is connected to the battery of the low voltage system to be supplied with electrical power from the battery. This means that this drive train component can also be operated with a particularly high degree of safety.

Die Antriebsstrangkomponente umfasst insbesondere elektronische Bauteile.The drive train component includes in particular electronic components.

Bei der Batterie des Höherspannungssystems kann eine größere Anzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet sein als bei der Batterie des Niedrigspannungssystems, um so die höhere Spannung zu erzielen.The higher voltage system battery may have a larger number of battery cells connected in series than the low voltage system battery to achieve the higher voltage.

Der Rotor umfasst beispielsweise mehrere Rotorschaufeln. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Rotor um einen Propeller oder um einen Fan.The rotor includes, for example, several rotor blades. For example, the rotor is a propeller or a fan.

Optional umfasst die elektrische Anordnung mehrere Höherspannungssysteme, jeweils mit einer Batterie, welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie des Niedrigspannungssystems, und zumindest einem Elektromotor, mittels dem jeweils ein Rotor antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen, und der an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei das Niedrigspannungssystem von jedem der Höherspannungssysteme getrennt ist.Optionally, the electrical arrangement comprises a plurality of higher-voltage systems, each with a battery which has a higher electrical output voltage than the battery of the low-voltage system, and at least one electric motor, by means of which a rotor can be driven in order to generate thrust and/or lift, and the the battery of the higher voltage system is connected to be supplied with electrical power by the battery, the low voltage system being separated from each of the higher voltage systems.

Gemäß einem Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, umfassend die elektrische Anordnung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Die elektrische Anordnung erzeugt Schub und/oder Auftrieb für das Luftfahrzeug. Bei einem Luftfahrzeug kommen die oben genannten Vorteile besonders zum Tragen.According to one aspect, an aircraft is provided comprising the electrical arrangement according to any embodiment described herein. The electrical arrangement generates thrust and/or lift for the aircraft. The advantages mentioned above are particularly noticeable in an aircraft.

Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen in schematischen Darstellungen:

  • 1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Rotor;
  • 2 ein Luftfahrzeug in Form eines VTOL-Flugzeugs mit mehreren elektrisch angetriebenen Rotoren;
  • 3 eine elektrische Anordnung des Luftfahrzeugs gemäß 1 und für das Luftfahrzeug gemäß 2;
  • 4 eine alternativ ausgebildete elektrische Anordnung für das Luftfahrzeug gemäß 1 und gemäß 2; und
  • 5 eine elektrische Anordnung mit mehreren Höherspannungssystemen für das Luftfahrzeug gemäß 2.
Embodiments will now be described by way of example with reference to the figures; in the figures show in schematic representations:
  • 1 an aircraft in the form of an airplane with an electrically driven rotor;
  • 2 an aircraft in the form of a VTOL aircraft with multiple electrically powered rotors;
  • 3 an electrical arrangement of the aircraft according to 1 and for the aircraft according to 2 ;
  • 4 an alternatively designed electrical arrangement for the aircraft 1 and according to 2 ; and
  • 5 an electrical arrangement with several higher voltage systems for the aircraft 2 .

1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs mit einem Rumpf 20 und Flügeln 21. 1 shows an aircraft 2 in the form of an electrically powered aircraft with a fuselage 20 and wings 21.

Das Luftfahrzeug 2 umfasst eine elektrische Anordnung mit einem Rotor 12, der durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Rotor 12 umfasst mehrere, hier exemplarisch zwei Rotorschaufeln 121. Die Rotorschaufeln 121 sind im gezeigten Beispiel an einer Nabe montiert und bilden damit einen Propeller. In alternativen Ausgestaltungen umfasst das Luftfahrzeug 2 einen Fan anstelle eines Propellers und/oder mehrere elektrische Anordnungen mit jeweils zumindest einem Propeller oder Fan.The aircraft 2 includes an electrical arrangement with a rotor 12 which is driven by an electric motor. The rotor 12 comprises several, here as an example two rotor blades 121. In the example shown, the rotor blades 121 are mounted on a hub and thus form a propeller. In alternative embodiments, the aircraft 2 includes a fan instead of a propeller and/or several electrical arrangements, each with at least one propeller or fan.

2 zeigt ein Luftfahrzeug 2', das mehrere Rotoren 12 aufweist. Vorliegend ist das Luftfahrzeug 2' beispielhaft als VTOL-Luftfahrzeug ausgebildet, konkret als VTOL-Flugzeug. Senkrecht startende und landende Luftfahrzeuge, z.B. Flugzeuge, werden regelmäßig als VTOL-Luftfahrzeuge bezeichnet, wobei sich die Abkürzung VTOL von „Vertical Take-Off and Landing“, also Senkrechtstart und -landung, ableitet. VTOL-Luftfahrzeuge sind zu Senkrechtstart und -landung ausgebildet. Ein VTOL-Luftfahrzeug profitiert besonders von den Vorteilen der hierin beschriebenen elektrische Anordnungen. Das Luftfahrzeug 2' umfasst mehrere elektrische Anordnungen gemäß der nachstehend erläuterten 3, alternativ oder zusätzlich gemäß der weiter unten erläuterten 4, alternativ oder zusätzlich eine elektrische Anordnung gemäß 5. 2 shows an aircraft 2 'that has several rotors 12. In the present case, the aircraft 2' is designed, for example, as a VTOL aircraft, specifically as a VTOL aircraft. Vertical take-off and landing aircraft, such as airplanes, are regularly referred to as VTOL aircraft, with the abbreviation VTOL being derived from “Vertical Take-Off and Landing”. VTOL aircraft are trained for vertical takeoff and landing. A VTOL aircraft particularly benefits from the advantages of the electrical arrangements described herein. The aircraft 2' includes several electrical arrangements as explained below 3 , alternatively or additionally according to those explained below 4 , alternatively or additionally an electrical arrangement according to 5 .

3 zeigt eine elektrische Anordnung 1 für ein Luftfahrzeug, und zwar konkret die elektrische Anordnung des Luftfahrzeugs 2 gemäß 1. Die elektrische Anordnung 1 umfasst ein Niedrigspannungssystem 10 und ein Höherspannungssystem 11. Bei dem Niedrigspannungssystem 10 handelt es sich z.B. um ein Niederspannungssystem, das auch als LV-System bezeichnet werden kann. Bei dem Höherspannungssystem 11 handelt es sich z.B. um ein Hochspannungssystem, das auch als HV-System bezeichnet werden kann. 3 shows an electrical arrangement 1 for an aircraft, specifically the electrical arrangement of the aircraft 2 according to 1 . The electrical arrangement 1 includes a low-voltage system 10 and a higher-voltage system 11. The low-voltage system 10 is, for example, a low-voltage system, which can also be referred to as an LV system. The higher-voltage system 11 is, for example, a high-voltage system that can also be referred to as an HV system.

Das Niedrigspannungssystem 10 umfasst eine Batterie 100 und zumindest einem Verbraucher 101. Der Verbraucher 101 ist an die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 angeschlossen, um von der Batterie 100 mit elektrischem Strom versorgt zu werden.The low-voltage system 10 includes a battery 100 and at least one consumer 101. The consumer 101 is connected to the battery 100 of the low-voltage system 10 in order to be supplied with electrical power by the battery 100.

Das Höherspannungssystem 11 umfasst ebenfalls eine Batterie 110. Diese Batterie 110 weist eine höhere elektrische Ausgangsspannung als Nennspannung auf als die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10. Ferner umfasst das Höherspannungssystem 11 zumindest einen Elektromotor 111. Mittels dem Elektromotor 111 ist der Rotor 12 antreibbar, um Schub und/oder Auftrieb des Luftfahrzeugs 2 zu erzeugen. Der Elektromotor 111 ist an die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 angeschlossen, um von der Batterie 110 mit elektrischem Strom versorgt zu werden und Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen.The higher-voltage system 11 also includes a battery 110. This battery 110 has a higher electrical output voltage than the nominal voltage than the battery 100 of the low-voltage system 10. Furthermore, the higher-voltage system 11 includes at least one electric motor 111. The rotor 12 can be driven by means of the electric motor 111 to provide thrust and/or to generate lift of the aircraft 2. The electric motor 111 is connected to the battery 110 of the higher voltage system 11 to be supplied with electrical power by the battery 110 and to generate thrust and/or lift.

Dabei ist vorgesehen, dass der zumindest eine Verbraucher 101 des Niedrigspannungssystems 10 eine Flugsteuerungsvorrichtung 102 umfasst. Ferner ist vorgesehen, dass das Niedrigspannungssystem 10 von dem Höherspannungssystem 11 elektrisch getrennt ist (konkret: galvanisch getrennt). Dies ist in 3 durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 bezüglich elektrischer Interaktionen getrennt. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 isoliert. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 ist keine Energie austauschbar. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 existiert keine elektrisch leitende Verbindung und keine Energie übertragende Kopplung (z.B. über einen Transformator oder dergleichen). Ein optionaler Austausch von Signalen (eine Kommunikation) zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 erfolgt ebenfalls elektrisch getrennt und/oder über handelsübliche Signalleitungen (z.B. Netzwerkkabel), über welche keine substanzielle elektrische Energie übertragbar ist.It is provided that the at least one consumer 101 of the low-voltage system 10 includes a flight control device 102. Furthermore, it is provided that the low-voltage system 10 is electrically separated from the higher-voltage system 11 (specifically: galvanically isolated). This is in 3 illustrated by a dashed line. The low voltage system 10 is separated from the higher voltage system 11 with respect to electrical interactions. The low voltage system 10 is isolated from the higher voltage system 11. No energy can be exchanged between the low voltage system 10 and the higher voltage system 11. Between the low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11 there is no electrically conductive connection and no energy-transmitting coupling (eg via a transformer or the like). An optional exchange of signals (communication) between the low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11 also takes place electrically separately and/or via commercially available signal lines (eg network cables), via which no substantial electrical energy can be transferred.

Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind vollständig elektrisch voneinander getrennt. Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind galvanisch voneinander getrennt. Die Stromkreise des Niedrigspannungssystems 10 und die Stromkreise des Höherspannungssystems 11 sind elektrisch voneinander isoliert. Vorliegend sind das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 derart voneinander separiert, dass auch keine magnetische Kopplung vorliegt, z.B. über einen Transformator oder dergleichen. Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind voneinander unabhängig.The low voltage system 10 and the higher voltage system 11 are completely electrically isolated from one another. The low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11 are galvanically isolated from one another. The circuits of the low voltage system 10 and the circuits of the higher voltage system 11 are electrically isolated from each other. In the present case, the low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11 are separated from one another in such a way that there is no magnetic coupling, for example via a transformer or the like. The low voltage system 10 and the higher voltage system 11 are independent of each other.

Die Nennspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems 10 ist niedriger als die Nennspannung der Batterie des Höherspannungssystems 11. Die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 weist vorliegend eine elektrische Ausgangsspannung von unter 100 V aufweist, nämlich von unter 50 V, konkret von zwischen 20 und 30 V (im gezeigten Beispiel von 28 V). Die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 weist demgegenüber eine elektrische Ausgangsspannung von über 100 V auf, insbesondere von über 300 V, konkret von über 500 V. Bei der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 sind eine größere Anzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet als bei der Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10. Der oder die Stromkreise des Höherspannungssystems 11, welche durch die elektrische Ausgangsspannung der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 versorgt werden und/oder diese Ausgangsspannung führen, sind elektrisch (und magnetisch) vom Niedrigspannungssystem 10 getrennt (und dazu beabstandet und insbesondere auch nicht über einen Transformator oder dergleichen gekoppelt, also allgemein nicht wirkverbunden).The nominal voltage of the battery of the low-voltage system 10 is lower than the nominal voltage of the battery of the higher-voltage system 11. The battery 100 of the low-voltage system 10 in the present case has an electrical output voltage of less than 100 V, namely less than 50 V, specifically between 20 and 30 V (im shown example of 28 V). The battery 110 of the higher voltage system 11, in contrast, has an electrical output voltage of over 100 V, in particular of over 300 V, specifically over 500 V. In the battery 110 of the higher voltage system 11, a larger number of battery cells are connected in series than in the battery 100 of the low-voltage system 10. The circuit(s) of the higher-voltage system 11, which are supplied by the electrical output voltage of the battery 110 of the higher-voltage system 11 and/or carry this output voltage, are electrically (and magnetically) separated from the low-voltage system 10 (and spaced therefrom and in particular not coupled via a transformer or the like, i.e. generally not actively connected).

Mittels der Flugsteuerungsvorrichtung 102 ist z.B. der zumindest eine Elektromotor 111 direkt oder indirekt steuerbar. Konkret umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung 102 eine Avionik (und/oder einen Flugsteuerungscomputer). Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 weist Flugkontrollfunktionen auf und/oder eine Navigationsfunktion. Vorliegend umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung 102 ein Navigationssystem. Ferner ist die Flugsteuerungsvorrichtung 102 (optional) dazu eingerichtet, Sensordaten auszulesen und zu verarbeiten. Beispielsweise steuert die Flugsteuerungsvorrichtung 102 Ruder, und/oder Leitwerke und/oder eine Motorsteuerung, beispielsweise basierend auf Eingaben eines Piloten und/oder auf den Sensordaten. Die Signale hierzu werden z.B. über optische Elemente wie Lichtwellenleiter gesendet. Insbesondere weisen Signalleitungen, über welche zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 Signale übermittelbar sind, jeweils eine galvanische Trennung auf, z.B. über einen oder mehrere Optokoppler. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 ist z.B. eine Isolationssperre vorgesehen. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 in Bezug auf (optionale) Signalleitungen elektrisch getrennt. Insbesondere ist ein Kommunikationsnetzwerk der elektrischen Anordnung 1, welches das Niedrigspannungssystem 10 mit dem Höherspannungssystem 11 kommunikativ verbindet, elektrisch von einem Leistungsspannungsnetzwerk des Höherspannungssystem 11 getrennt.By means of the flight control device 102, for example, the at least one electric motor 111 is directly or indirectly controllable. Specifically, the flight control device 102 includes avionics (and/or a flight control computer). The flight control device 102 has flight control functions and/or a navigation function. In the present case, the flight control device 102 includes a navigation system. Furthermore, the flight control device 102 is (optionally) set up to read out and process sensor data. For example, the flight control device 102 controls rudders, and/or tail units and/or an engine control, for example based on inputs from a pilot and/or on the sensor data. The signals for this are sent, for example, via optical elements such as optical fibers. In particular, signal lines via which signals can be transmitted between the low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11 each have a galvanic isolation, for example via one or more optocouplers. For example, an insulation barrier is provided between the low-voltage system 10 and the higher-voltage system 11. The low voltage system 10 is electrically isolated from the higher voltage system 11 with respect to (optional) signal lines. In particular, a communication network of the electrical arrangement 1, which communicatively connects the low-voltage system 10 to the higher-voltage system 11, is electrically separated from a power voltage network of the higher-voltage system 11.

Die elektrische Anordnung 1 umfasst ferner einen Gleichspannungswandler 13 und (zumindest) eine Antriebsstrangkomponente 14. Die Antriebsstrangkomponente 14 steht im gezeigten Beispiel (optional) stellvertretend für das gesamte Niedrigspannungssystem des Antriebsstrangs.The electrical arrangement 1 further comprises a DC-DC converter 13 and (at least) one drive train component 14. In the example shown, the drive train component 14 (optionally) represents the entire low-voltage system of the drive train.

Die Antriebsstrangkomponente 14 ist über den Gleichspannungswandler 13 an die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 elektrisch angeschlossen, um von der Batterie 110 mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Der Gleichspannungswandler 13 wandelt eine höhere Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung um und stellt die niedrigere Gleichspannung an die Antriebsstrangkomponente 14 bereit. Diese niedrigere Gleichspannung ist z.B. so hoch wie die Gleichspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems 10.The drive train component 14 is electrically connected to the battery 110 of the higher voltage system 11 via the DC-DC converter 13 in order to be supplied with electrical power by the battery 110. The DC-DC converter 13 converts a higher DC voltage into a lower DC voltage and provides the lower DC voltage to the powertrain component 14. This lower DC voltage is, for example, as high as the DC voltage of the battery of the low-voltage system 10.

Die Antriebsstrangkomponente 14 umfasst elektronische Bauteile. Die Antriebsstrangkomponente 14 steht z.B. in kommunikativer Verbindung mit der Flugsteuerungsvorrichtung 102. Vorliegend handelt es sich bei der Antriebsstrangkomponente 14 um die Motorsteuerung. Die Motorsteuerung steuert den Elektromotor 111.The powertrain component 14 includes electronic components. The drive train component 14 is, for example, in communicative connection with the flight control device 102. In the present case, the drive train component 14 is the engine control. The engine control controls the electric motor 111.

Durch die Separierung des Niedrigspannungssystems 10 vom Höherspannungssystem 11 wird der zumindest eine Verbraucher 101 vor etwaigen Defekten im Höherspannungssystem 11 geschützt.By separating the low-voltage system 10 from the higher-voltage system 11, the at least one consumer 101 is protected from any defects in the higher-voltage system 11.

4 zeigt eine elektrische Anordnung 1' für jedes der Luftfahrzeuge 2, 2'. Die elektrische Anordnung 1' umfasst wiederum ein Niedrigspannungssystem 10' und ein Höherspannungssystem 11'. 4 shows an electrical arrangement 1' for each of the aircraft 2, 2'. The electrical arrangement 1' in turn comprises a low-voltage system 10' and a higher-voltage system 11'.

Das Niedrigspannungssystem 10' weist analog zur vorstehend beschriebenen elektrische Anordnung 1 gemäß 3 eine Batterie 100 und einen daran angeschlossenen Verbraucher mit einer Flugsteuerungsvorrichtung 102 auf. Zusätzlich ist die Antriebsstrangkomponente 14 ebenfalls an die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 angeschlossen, um von der Batterie 100 mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Im Beispiel der 4 sind sämtliche Systeme des Luftfahrzeugs (insbesondere sämtliche im Luftahrzeug fest verbaute Systeme), welche mit einer im Vergleich zum Höherspannungssystem 11' niedrigeren Spannung betrieben werden, vom Höherspannungssystem 11' getrennt und (optional) mit dem Niedrigspannungssystem 10 elektrisch gekoppelt.The low-voltage system 10 'has an analogous structure to the electrical arrangement 1 described above 3 a battery 100 and a consumer connected to it with a flight control device 102. In addition, the powertrain component 14 is also connected to the battery 100 of the low voltage system 10 to be supplied with electrical power from the battery 100. In the example of 4 All systems of the aircraft (in particular all systems permanently installed in the aircraft), which are operated with a lower voltage compared to the higher voltage system 11 ', are separated from the higher voltage system 11' and (optionally) electrically coupled to the low voltage system 10.

Im Höherspannungssystem 11' wird wiederum der Elektromotor 111 durch Energie aus der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11' angetrieben.In the higher-voltage system 11', the electric motor 111 is in turn driven by energy from the battery 110 of the higher-voltage system 11'.

Hierbei kann auch die Antriebsstrangkomponente 14 vor Defekten im Höherspannungssystem 11' geschützt werden.The drive train component 14 can also be protected from defects in the higher voltage system 11'.

Ein weiterer Vorteil der elektrischen Anordnung 1' liegt darin, dass elektromagnetische Interferenzen zwischen den einzelnen Niedrigspannungskomponenten reduziert werden kann, da auf einen Wandler verzichtet werden kann.A further advantage of the electrical arrangement 1' is that electromagnetic interference between the individual low-voltage components can be reduced because a converter can be dispensed with.

5 zeigt eine weitere elektrische Anordnung, konkret für das Luftfahrzeug 2' gemäß 2. Diese elektrische Anordnung ist wie die elektrische Anordnung 1 gemäß 3 ausgestaltet, wobei die Antriebanordnung gemäß 5 im Unterschied dazu mehrere parallele Höherspannungssysteme 11 umfasst, jeweils eine für einen oder mehrere Elektromotoren 111. 5 shows another electrical arrangement, specifically for the aircraft 2 'according to 2 . This electrical arrangement is like the electrical arrangement 1 according to 3 designed, the drive arrangement according to 5 In contrast, it includes several parallel higher voltage systems 11, each one for one or more electric motors 111.

Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 steuert die Motorsteuerungen der Antriebsstrangkomponenten 14 der einzelnen Höherspannungssysteme 11.The flight control device 102 controls the engine controls of the drive train components 14 of the individual higher voltage systems 11.

Bei einem Defekt in einem der Höherspannungssysteme 11 bleibt das Niedrigspannungssystem 10 geschützt. Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 und die übrigen Höherspannungssysteme 11 bleiben intakt.If there is a defect in one of the higher voltage systems 11, the low voltage system 10 remains protected. The flight control device 102 and the other higher voltage systems 11 remain intact.

Ebenso können bei der elektrischen Anordnung 1' gemäß 4 (analog zur elektrischen Anordnung gemäß 5) mehrere Höherspannungssysteme 11' vorgesehen sein.Likewise, with the electrical arrangement 1 'according to 4 (analogous to the electrical arrangement according to 5 ) several higher voltage systems 11 'can be provided.

Optional sind (in jeder hierin beschriebenen elektrischen Anordnung) mehrere redundante Niedrigspannungssysteme 10; 10' vorgesehen.Optionally (in any electrical arrangement described herein) are a plurality of redundant low voltage systems 10; 10' provided.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1; 1'1; 1'
elektrische Anordnungelectrical arrangement
10; 10'10; 10'
NiedrigspannungssystemLow voltage system
100100
Batteriebattery
101101
Verbraucherconsumer
102102
FlugsteuerungsvorrichtungFlight control device
11; 11'11; 11'
HöherspannungssystemHigher voltage system
110110
Batteriebattery
111111
ElektromotorElectric motor
1212
Rotorrotor
121121
RotorschaufelRotor blade
1313
GleichspannungswandlerDC-DC converter
1414
AntriebsstrangkomponentePowertrain component
2; 2'2; 2'
Luftfahrzeugaircraft
2020
Rumpfhull
2121
Flügelwing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2019145777 A1 [0004]WO 2019145777 A1 [0004]

Claims (14)

Elektrische Anordnung (1; 1') für ein Luftfahrzeug (2; 2'), umfassend: - ein Niedrigspannungssystem (10; 10') mit einer Batterie (100) und zumindest einem Verbraucher (101), der an die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10') angeschlossen ist, um von der Batterie (100) mit elektrischem Strom versorgt zu werden, - ein Höherspannungssystem (11; 11') mit einer Batterie (110), welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10'), und zumindest einem Elektromotor (111), mittels dem ein Rotor (12) antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen, und der an die Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') angeschlossen ist, um von der Batterie (110) mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei der zumindest eine Verbraucher (101) des Niedrigspannungssystems (10; 10`) eine Flugsteuerungsvorrichtung (102) umfasst, und wobei das Niedrigspannungssystem (10; 10') von dem Höherspannungssystem (11; 11') getrennt ist.Electrical arrangement (1; 1') for an aircraft (2; 2'), comprising: - a low-voltage system (10; 10') with a battery (100) and at least one consumer (101) which is connected to the battery (100) of the low-voltage system (10; 10') in order to be supplied with electrical power from the battery (100). to be supplied with electricity, - a higher-voltage system (11; 11') with a battery (110), which has a higher electrical output voltage than the battery (100) of the low-voltage system (10; 10'), and at least one electric motor (111), by means of which a rotor ( 12) can be driven to generate thrust and/or buoyancy, and which is connected to the battery (110) of the higher voltage system (11; 11') in order to be supplied with electrical power by the battery (110), the at least a consumer (101) of the low-voltage system (10; 10`) comprises a flight control device (102), and wherein the low-voltage system (10; 10') is separated from the higher-voltage system (11; 11'). Elektrische Anordnung (1; 1') nach Anspruch 1, wobei die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10') eine elektrische Ausgangsspannung von unter 100 V aufweist, insbesondere von unter 50 V.Electrical arrangement (1; 1') according to Claim 1 , wherein the battery (100) of the low-voltage system (10; 10') has an electrical output voltage of less than 100 V, in particular less than 50 V. Elektrische Anordnung (1; 1') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') eine elektrische Ausgangsspannung von über 100 V aufweist, insbesondere von über 300 V.Electrical arrangement (1; 1') according to Claim 1 or 2 , wherein the battery (110) of the higher voltage system (11; 11') has an electrical output voltage of over 100 V, in particular over 300 V. Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Flugsteuerungsvorrichtung (102) der zumindest eine Elektromotor (111) direkt oder indirekt steuerbar ist.Electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims, wherein the at least one electric motor (111) can be controlled directly or indirectly by means of the flight control device (102). Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flugsteuerungsvorrichtung (102) eine Avionik und/oder einen Flugsteuerungscomputer umfasst oder daraus besteht.Electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims, wherein the flight control device (102) comprises or consists of avionics and/or a flight control computer. Elektrische Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Antriebsstrangkomponente (14) über einen Gleichspannungswandler (13) an die Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') angeschlossen ist, um von der Batterie (110) mit elektrischem Strom versorgt zu werden.Electrical arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein a drive train component (14) is connected to the battery (110) of the higher voltage system (11; 11 ') via a DC-DC converter (13) in order to be supplied with electrical power from the battery (110). to be taken care of. Elektrische Anordnung (1) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler (13) dazu ausgebildet ist, die elektrische Ausgangsspannung der Hochspannungsbatterie (110) in eine niedrigere Spannung umzuwandeln.Electrical arrangement (1) according to Claim 6 , wherein the DC-DC converter (13) is designed to convert the electrical output voltage of the high-voltage battery (110) into a lower voltage. Elektrische Anordnung (1) nach Anspruch 7, wobei die umgewandelte niedrigere Spannung gleich groß ist wie die elektrische Ausgangsspannung der Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10').Electrical arrangement (1) according to Claim 7 , wherein the converted lower voltage is the same as the electrical output voltage of the battery (100) of the low-voltage system (10; 10 '). Elektrische Anordnung (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Antriebsstrangkomponente (14) an die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10') angeschlossen ist, um von der Batterie (100) mit elektrischem Strom versorgt zu werden.Electrical arrangement (1 ') according to one of Claims 1 until 5 , wherein a powertrain component (14) is connected to the battery (100) of the low-voltage system (10; 10 ') to be supplied with electrical power from the battery (100). Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Antriebsstrangkomponente (14) elektronische Bauteile umfasst.Electrical arrangement (1; 1') according to one of Claims 6 until 9 , wherein the drive train component (14) comprises electronic components. Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') eine größere Anzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet sind als bei der Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10').Electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims, wherein a larger number of battery cells are connected in series in the battery (110) of the higher voltage system (11; 11') than in the battery (100) of the low voltage system (10; 10'). Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (12) mehrere Rotorschaufeln (121) umfasst.Electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims, wherein the rotor (12) comprises a plurality of rotor blades (121). Elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere Höherspannungssysteme (11; 11'), jeweils mit einer Batterie (110), welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie (100) des Niedrigspannungssystems (10; 10'), und zumindest einem Elektromotor (111), mittels dem ein Rotor (12) antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen, und der an die Batterie (110) des Höherspannungssystems (11; 11') angeschlossen ist, um von der Batterie (110) mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei das Niedrigspannungssystem (10; 10') von jedem der Höherspannungssysteme (11; 11') getrennt ist.Electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims, comprising a plurality of higher-voltage systems (11; 11'), each with a battery (110) which has a higher electrical output voltage than the battery (100) of the low-voltage system (10; 10 '), and at least one electric motor (111), by means of which a rotor (12) can be driven in order to generate thrust and/or lift, and which is connected to the battery (110) of the higher-voltage system (11; 11'), in order to to be supplied with electrical power from the battery (110), the low voltage system (10; 10') being separated from each of the higher voltage systems (11; 11'). Luftfahrzeug (2; 2'), umfassend die elektrische Anordnung (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Aircraft (2; 2'), comprising the electrical arrangement (1; 1') according to one of the preceding claims.
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