Ein geringer Treibstoffverbrauch ist aufgrund von ökologischen und ökonomischen Zielen für die zivile Luftfahrt von großer Bedeutung. Daher werden seit Jahrzehnten konventionell hydraulisch oder pneumatisch betriebene Flugzeugsysteme durch elektrisch betriebene Systeme ersetzt. Dieser Trend wird auch als „More Electric Aircraft (MEA)“ bezeichnet. In bisherigen Studien waren MEA-Architekturen zwar effizienter, jedoch deutlich schwerer als die konventionellen Architekturen. Basierend auf ökonomischen Modellen wird in der vorliegenden Arbeit die modellbasierte Entwicklung eines intelligenten Energiemanagements für Flugzeug-Energiesysteme demonstriert. Das Energiemanagement ermöglicht eine deutliche Reduktion der Systemmasse, verbessert die Energieeffizienz und kann damit den Treibstoffverbrauch eines MEA beträchtlich reduzieren. Insbesondere durch die integrierte und frühzeitige Entwicklung des Energiemanagements mit dem elektrischen System in der Modellbeschreibungssprache Modelica lassen sich die Systemkomponenten mit realistischen Lastprofilen dimensionieren und dadurch die Systemmasse reduzieren.
Anhand eines elektrischen Referenzsystems wird das Optimierungspotenzial des Energiemanagements bezüglich Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung quantifiziert und am Systemmodell validiert. Es ergibt sich für das Systemmodell eine Reduktion der Systemmasse um 32 % sowie eine leichte Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die multiphysikalische Implementierung des Energiemanagements lässt sich dieses auch für das thermische Management im Flugzeug verwenden. Hierbei kann eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz für die Bereitstellung von Kühlleistung erzielt werden. Aufgrund der erreichten Vorteile sollte ein Energiemanagement bei der Entwicklung zukünftiger Flugzeugenergiesysteme in Betracht gezogen werden. Insbesondere beim MEA existiert ein großes Optimierungspotenzial durch das Energiemanagement. Die Ausführungen in der vorliegenden Arbeit sollen als Motivation für die Flugzeugindustrie dienen, mit realistischen Lastprofilen zu dimensionieren und die modellbasierte und integrierte Entwicklung eines Energiemanagements mit den Energiesystemen bereits in frühen Entwicklungsphasen durchzuführen. / Low fuel consumption is a major concern in civil aerospace due to environmental and economic objectives. Hence, conventional hydraulically or pneumatically driven aircraft systems have been replaced by electrically driven systems for decades. This trend is also known as More Electric Aircraft (MEA). In former studies, MEA architectures were more efficient, but much heavier than their conventional counterparts. The present work demonstrates the model-based development of intelligent energy management algorithms for aircraft energy systems based on economic models. This energy management facilitates a significant reduction of system mass, improves energy efficiency and can hence reduce fuel consumption of MEA considerably. In particular, the integrated development of an energy management along with the electrical system in the Modelica modelling language enables sizing of system components with realistic load profiles. Hence, this reduces the system mass.
The optimization potential of the energy management is quantified and validated by means of an electrical reference system model. Applying the energy management, the mass of this system model can be reduced by 32 % and the energy efficiency can be improved slightly. Due to the multi-physical modelling of the energy management, it can also be applied to thermal management of aircraft systems. Thus, the energy efficiency of the cooling system can be improved significantly. As a result of the demonstrated benefits, an energy management should be considered for future development of aircraft energy systems. Especially for MEA, there is tremendous optimization potential for the energy management. Hence, the present work shall motivate aircraft industry to size aircraft systems with realistic load profiles and perform a model-based and integrated development of the energy management along with the electrical system in early phases of the system design process.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-qucosa-217893 |
| Date | 26 January 2017 |
| Creators | Schlabe, Daniel |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Lienig, Prof. Dr.-Ing. habil. Jens Lienig, Hon.-Prof. Dr.-Ing. Martin Otter |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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