Größere Batterien aus Lithium-Ionen-Zellen finden schrittweise Einzug in die Luftfahrt. Bisher werden die Batteriesysteme aufwändig und speziell für einzelne Anwendung ausgelegt. Insbesondere der Wunsch viel Batteriekapazität in einem unveränderbaren Bauraum zu installieren erfordert Individuallösungen. Das verursacht jedoch hohe Kosten. Deshalb haben wir uns zum Ziel genommen ein modulares Batteriekonzept in unser Portfolio zu bringen, das durch geringere Kosten und kürzere Entwicklungszeiten mehr Flugzeugherstellern den Einstieg in diese saubere Technologie ermöglicht.
Das modulare Batteriesystem soll folgende Eigenschaften haben:
- Skalierbarkeit der Spannung
- Skalierbarkeit der Kapazität
- Passendes skalierbares Batterie Management System
- Möglichkeit einzelne Module im Flugzeug verteilt anzubringen
- Erfüllung der Minimalanforderungen für eine erfolgreiche Autorisierung als Flugzeugkomponente
Im Projekt “Sicher und leise Fliegen durch hohen Automatisierungsgrad und elektrische Antriebe am Beispiel des e-Schlepps” (SiFlA) wird ein modulares Batteriekonzept entwickelt und gebaut.
Das modulare Konzept wird die Kosten und die Zeit für die Batterieintegration deutlich reduzieren. Zusätzlich können diese Batteriemodule schnell und unkompliziert ausgetauscht werden. In Zusammenarbeit mit der Garrecht Avionik GmbH, dem Institut für Flugmechanik und Flugregelung (Universität Stuttgart) und dem Institut für Flugzeugbau (Universität Stuttgart) wird das modulare Batteriekonzept und die passende Ladetechnik ausgelegt, gebaut und in das Forschungsflugzeug e-Genius integriert. Damit wird die Praxistauglichkeit der Batteriemodule getestet.
Förderkennzeichen: 20Q1938A, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
Projektlaufzeit: Juni 2021 bis August 2024.
Mögliche Flugzeuganwendungen für die Elektrifizierung
Für die Auslegung eines modularen Batteriesystems ist die Auswahl der Flugzeuge wichtig. D.h. welche Flugzeugmissionen lassen sich gut elektrifizieren, weil der Flieger keine langen Strecken und keine großen Lasten transportieren muss. Beispielsweise bietet sich der Schleppbetrieb oder der Trainerflugbetrieb gut zur Elektrifizierung an, die Flugzeuge nahe am Flughafen bleiben und die Flugzeiten kurz sind.
Wichtig in dem Zusammenhang ist es Flugzeuge auszusuchen, die nicht nur passend für die Anwendung sind, sondern auch möglichst gute Voraussetzung für eine Elektrifizierung mitbringen. Diese sind:
- Gute Aerodynamik
- Geringes Leergewicht mit hohen maximalen Startgewicht
Im Bereich der Leichtflugzeuge (LSA oder CS22) gibt es gute Beispiele von Flugzeugen, die sich verhältnismäßig einfach elektrifizieren lassen.
Für die Abschätzung der benötigten Batteriekapazität werden die Antriebskonfigurationen der Referenzflugzeuge übernommen. Mögliche Effizienzsteigerungen durch eine veränderte Positionierung der Propeller oder verteile elektrische Antriebe werden nicht betrachtet. Diese Änderungen würden den Zertifizierungsaufwand beträchtlich steigern und machen einen kommerziellen Einsatz der Batterien dort innerhalb der nächsten Jahre unwahrscheinlich.
Das Batteriesystem
Geplant ist ein modulares Design, welches ermöglicht, eine große Bandbreite von Leichtflugzeugen mit möglichst wenig Aufwand zu elektrifizieren. Dabei lässt sich das System durch die hohe Skalierbarkeit flexibel an das jeweilige Luftfahrzeugmuster anpassen. Durch die modulare Konfiguration können so Hochspannungssysteme mit bis zu 800 V Nennspannung realisiert werden, welche bis zu 240 kW Spitzenleistung und 80 kWh Kapazität bereitstellen. Damit steht auch längeren elektrischen Flügen nichts mehr im Wege. Auch die Flugleistungen profitieren von einer hohen Spitzenleistung und adäquaten Reserven. In dem öffentlich geförderten Kooperationsprojekt “SiFlA”, wird zunächst der elektrische Motorsegler “e-Genius” der Universität Stuttgart mit einem 400 V System ausgestattet.
Auf Modulebene werden folgende Parameter realisiert:
- Nennspannung 50,4 V (max. 60 V)
- Kapazität 100 Ah (5 kWh)
- 24 kg Gewicht
- Abmaße: 580 mm x 340 mm x 80 mm
Durch die Skalierbarkeit können sowohl Systemspannung als auch -kapazität individuell angepasst werden. Auch vollständig redundante Systeme zur Erhöhung der Ausfallsicherheit sind möglich.
Zur Steuerung und Überwachung wird ein Batterie-Management-System mit Master-Slave-Architektur eingesetzt, welches außerdem ein flexibel anpassbares Interface für die Kommunikation mit dem Flugzeug beinhaltet. Sämtliche notwendige Infrastruktur, wie zum Beispiel Schalter, Sicherungen und eine Vorladeschaltung sind bereits in das Batterie-System integriert.
