Regleranalyse eines elektrischen Wasserstoffantriebsstrangs für die Schuberzeugung in Verkehrsflugzeugen

Kurzfassung

Die auch im Bereich der Luftfahrt notwendige Abkehr von fossilen Kraftstoffen macht es erforderlich alternative Antriebstechnologien zu entwickeln. Ein vielversprechendes Konzept hierfür sind elektrische Antriebe, für die eine geeignete Energiequelle bereitgestellt werden muss. Da Brennstoffzellen Wasserstoff emissionsfrei zu elektrischer Energie wandeln und auf Systemebene eine höhere Energiedichte als Batterien aufweisen, werden diese als eine favorisierte Lösung zur Bereitstellung der elektrischen Leistung angesehen. Die Integration solcher neuartigen Antriebe in Flugzeuge bringt einige technische Herausforderungen mit sich. Es ist daher unter anderem notwendig, Verständnis über die dynamischen Zusammenhänge innerhalb des Antriebsstranges und Anforderungen an das Brennstoffzellensystem zu gewinnen. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein Regelungskonzept für einen wasserstoffbetriebenen Flugzeug-Antriebsstrang erstellt. Dazu wird ein regelungstechnisch orientiertes Modell des Brennstoffzellensystems implementiert und mit einem einfachen Elektromotor- und Propellermodell gekoppelt. Der Antriebsstrang wird beispielhaft für eine Cessna 172 ausgelegt. Über ein punktmassenbasiertes Flugzeugmodell wird eine generische Flugmission simuliert und so die Randbedingungen für den Betrieb des Antriebsstrangs generiert. Die Auslegung der Regler betrifft insbesondere die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems bestehend aus Verdichter und Druckhalteventil. Zudem wird die Regelung des Gleichspannungswandlers zur Regulierung der Netzspannung und die Regelung des Antriebsmotors zur Schuberzeugung entworfen. Die Ergebnisse zeigen, dass der entworfene Antriebsstrang in der Lage ist, die erforderliche Antriebsleistung bereitzustellen. Bei der Luftversorgung zeigt sich, dass aufgrund der Kopplung zwischen der Regelstrecke des Luftmassenstroms und Kathodendrucks eine zentrale Regelung erforderlich ist. Weiterhin wird ersichtlich, dass ein Kompromiss zwischen Leistungsbereitstellung und Aufrechterhaltung des Sauerstoffuberschussverhältnisses besteht, der im Entwurfsprozess der Regelung berücksichtigt werden muss.