Die Energieversorgung unbemannter Flugobjekte (UAV) erfolgt gegenwärtig über Batterie-Module. Diese sind als zusätzliche Bauteile in die Struktur eingebracht. Daher erhöht sich das Gesamtgewicht der Struktur deutlich. Im Sinne der Energiespeicherung existieren verschiedene multifunktionale Konzeptansätze. Hierunter zählen strukturelle, elektrische Energiespeicherungssysteme (SEES). Bei diesen Konzepten erfolgt die Energiespeicherung in den Bauteilen bei gleichzeitiger Erfüllung struktureller Eigenschaften. Somit gelten diese als masselose Energiespeicherungssysteme. Im Rahmen dieser Thesis erfolgt eine Betrachtung verschiedener SEES. Schließlich werden strukturelle Superkondensatoren (SSC) zur Integration in ein UAV ausgewählt. Als Integrationsobjekt dient die Drohne DJI Matrice 600 Pro. Ein SSC mit besten Eigenschaften wird anhand einer systematischen Methode aus der aktuellen Literatur ermittelt. Dieser Favorit wird konzeptionell in die Drohne integriert. Diesbezüglich erfolgen verschiedene, physikalische Berechnungen zu elektrischen Eigenschaften und anliegenden Kräften, sodass Rückschlüsse zur Leistungsfähigkeit getroffen werden können. Im weiteren Verlauf wird eine Mehrkörpersimulation mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) am Untersuchungsobjekt durchgeführt. Mit der Kenntnis über die anliegenden Beanspruchungen erfolgt weiterführend eine detailgetreue, strukturmechanische Analyse des SSC unter Verwendung der FEM an repräsentativen Volumenelementen. Fortan wird das multiphysikalische Kopplungsphänomen im strukturellen Elektrolyten simuliert. Hierfür werden mathematische Abhängigkeiten von mechanischen Einwirkungen auf geometrisch, veränderliche Größen ermittelt. Diese werden in eine elektrochemische Simulation überführt, sodass das multiphysikalische Kopplungsphänomen berechnet wird. Als Ergebnis zeigt sich, dass die Kompression des Elektrolyten negative Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften hat...:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Strukturelle elektrische Energiespeicherungssysteme
2.2 Superkondensatoren – Aufbau und Funktionsweise
2.3 Berechnungsgrößen am strukturellen Superkondensator
3 Stand der Forschung
3.1 Literaturrecherche – Strukturelle Superkondensatoren
3.2 Festlegung von Parametern und Auswahl des SSC
4 Anwendungsfall: DJI Matrice 600 Pro
4.1 Produktanalyse DJI Matrice 600 Pro
4.2 Integration des strukturellen Superkondensators in die Struktur
4.3 Berechnung elektrischer Eigenschaften
4.4 Analyse und Berechnung der wirkenden Kräfte
4.5 FEM-Mehrkörpersimulation am UAV-Anwendungsfall
5 Strukturmechanische Simulation am SSC
5.1 SSC-Bereichsanalyse und Simulationsaufgabe
5.2 Repräsentative Volumenelemente und Einheitszelle
5.3 Simulation Bereich 1: Poröse Faser in der Matrix
5.4 Simulation Bereich 2: Fasern in der Matrix
5.5 Simulation Bereich 3: Poröser Elektrolyt
6 Multiphysikalische SSC-Simulation
6.1 Multiphysikalischer Kopplungseffekt
6.2 Analyse der geometrischen Größen Porosität und Tortuosität
6.3 Multiphysikalische Simulation mit COMSOL Multiphysics
Zusammenfassung und Ausblick
Literatur / Unmanned aerial vehicles (UAV) are currently powered by batteries, which are integrated as additional components within their structure. However, the substantial weight of these batteries
leads to increased energy consumption and reduced flight time. In addition to battery-based energy systems, there are alternative concepts that serve multifunctional roles. Structural electrical
energy storage systems (SEES) for example carry loads and offer electrical energy storage functions
at the same time. In this work, structural Supercapacitors (SSC) are selected as SEES candidates. A
systematic approach is employed to integrate an SSC into the DJI Matrice 600 Pro done as an UAV
use case. The efficiency of the integrated system is assessed through various physical calculations.
Subsequently, a multi-body simulation using the finite element method is conducted on the chosen
UAV model. Furthermore, representative volume elements are defined within the structural supercapacitor, and simulations are performed to comprehend the underlying processes. During the
exploration of multiphysical coupling effects between mechanical stresses and electrochemical behaviors, certain geometric parameters are identified as influential factors. Regression analysis is
employed to formulate mathematical equations representing these dependencies for simulation
purposes. A multiphysical simulation is executed, considering compression as a representative
load case. The results are evaluated using cyclic voltammetry. The study concludes that mechanical
compression loads have an adverse effect on the electrochemical properties of the structural supercapacitor:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Strukturelle elektrische Energiespeicherungssysteme
2.2 Superkondensatoren – Aufbau und Funktionsweise
2.3 Berechnungsgrößen am strukturellen Superkondensator
3 Stand der Forschung
3.1 Literaturrecherche – Strukturelle Superkondensatoren
3.2 Festlegung von Parametern und Auswahl des SSC
4 Anwendungsfall: DJI Matrice 600 Pro
4.1 Produktanalyse DJI Matrice 600 Pro
4.2 Integration des strukturellen Superkondensators in die Struktur
4.3 Berechnung elektrischer Eigenschaften
4.4 Analyse und Berechnung der wirkenden Kräfte
4.5 FEM-Mehrkörpersimulation am UAV-Anwendungsfall
5 Strukturmechanische Simulation am SSC
5.1 SSC-Bereichsanalyse und Simulationsaufgabe
5.2 Repräsentative Volumenelemente und Einheitszelle
5.3 Simulation Bereich 1: Poröse Faser in der Matrix
5.4 Simulation Bereich 2: Fasern in der Matrix
5.5 Simulation Bereich 3: Poröser Elektrolyt
6 Multiphysikalische SSC-Simulation
6.1 Multiphysikalischer Kopplungseffekt
6.2 Analyse der geometrischen Größen Porosität und Tortuosität
6.3 Multiphysikalische Simulation mit COMSOL Multiphysics
Zusammenfassung und Ausblick
Literatur
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87475 |
| Date | 18 October 2023 |
| Creators | Kahlmeyer, Gabriel |
| Contributors | Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:masterThesis, info:eu-repo/semantics/masterThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0028 seconds