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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Netzteil sowie ein elektrisches Bordnetz eines Luft- oder Raumfahrzeugs.
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In Bordnetzen von Verkehrsflugzeugen werden verschiedene Spannungskabel verwendet. Es gibt etwa Kombinationen aus 28 V Gleichstrom-Kabeln und 115 V Wechselstrom-Kabeln. Ein 115-V-Wechselstrom-System benötigt beispielsweise einen Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler und dann einen Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler, um Verbraucher mit z.B. 12 V Gleichstrom zu versorgen. Ein 28 V Gleichstrom-System, benötigt einen Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler, um Verbraucher z.B. mit 12 V DC zu versorgen.
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Wechselspannungssysteme haben in der Regel mehr ungenutzte Leistung und weisen darüber hinaus auch eine höhere Effizienz von benötigtem Gewicht zu bereitgestellter Leistung auf. Insofern wäre es in der Luft- und Raumfahrttechnik erwünscht, den gesamten Strombedarf nur mit den effizientesten Netzen zu decken, was auch technisch möglich wäre. Allerdings werden hierfür im Verteilsystem Konverter bzw. Wandler, oder im Verbraucher Netzteile benötigt, welche zwischen dem Wechselstrom-Bordnetz und den Verbrauchern, welche Gleichstrom benötigen, geschaltet werden müssen.
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Derartige Netzteile benötigen Platz und besitzen ein mitunter hohes Gewicht, unter anderem auch weil es gewünscht wird, derartige Netzteile mit einer Energiespeicherfunktion zu versehen, um die Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie auch dann zu gewährleisten, wenn das Bordnetz kurzzeitig ausfällt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Größe und Gewicht eines für ein Bordnetz eines Luft- oder Raumfahrzeugs geeigneten Netzteils zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Netzteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und durch ein elektrisches Bordnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Demgemäß ist ein Netzteil vorgesehen. Das Netzteil umfasst ein Gehäuse mit mindestens einem Eingangsanschluss und mindestens einem Ausgangsanschluss, einen in dem Gehäuse angeordneten Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler, welcher mit dem mindestens einen Eingangsanschluss verbunden ist, einen in dem Gehäuse angeordneten Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler, welcher mit dem mindestens einen Ausgangsanschluss verbunden ist, und einen Kondensator, welcher einen strukturellen Teil des Gehäuses bildet.
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Darüber hinaus ist ein elektrisches Bordnetz eines Luft- oder Raumfahrzeugs vorgesehen. Das elektrische Bordnetz umfasst ein Wechselspannungsnetz, ein erfindungsgemäßes Netzteil, wobei der mindestens eine Eingangsanschluss des Netzteils mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist, und mindestens einen elektrischen Gleichspannungsverbraucher, welcher mit dem mindestens einen Ausgangsanschluss des Netzteils verbunden ist.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, das für ein Netzteil notwendige Gehäuse mit den Funktionen eines Kondensators zur Speicherung von elektrischer Energie zu kombinieren. Hierdurch können große Einsparungen bei Größe und Gewicht für das Netzteil erzielt werden, was besonders in der Luft- und Raumfahrttechnik besonders vorteilhaft ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Kondensator in Form eines Superkondensators ausgebildet sein. Superkondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren und bestehen aus zwei Elektroden, die durch einen elektrisch durchlässigen Separator mechanisch voneinander getrennt, aber durch einen Elektrolyten elektrisch miteinander verbunden sind. Aufgrund ihrer extrem hohen Leistungsdichte sind Superkondensatoren besonders für die Verwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik geeignet.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Superkondensator ein Laminat aus Faserverbundkunststoff aufweisen. Dies stellt eine vorteilhaft gewichts- und platzspatende Ausführungsform eines Superkondensators dar.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Superkondensator eine Separatorschicht, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff, zwei die Separatorschicht einfassende Elektrodenschichten, insbesondere aus mit Kohlenstoff-Aerogel getränktem kohlefaserverstärktem Kunststoff, zwei die Elektrodenschichten einfassende Sammelschichten, insbesondere aus Graphen, und zwei die Sammelschichten einfassende Schutzschichten, insbesondere aus Thermoplast, aufweisen. Dies stellt eine vorteilhaft leicht zu fertigende Ausführungsform eines Superkondensators bei vorteilhaft großer mechanischer Stabilität dar, weswegen ein derartiger Superkondensator besonders für die strukturelle Bildung eines Gehäuses geeignet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse mindestens eine Außenwand aufweisen und der Kondensator zumindest einen strukturellen Teil der mindestens einen Außenwand, insbesondere die gesamte mindestens eine Außenwand, bilden. Hierdurch kann der Anteil des Superkondensators an dem Gehäuse, und damit die zu speichernde elektrische Energie, vorteilhaft maximiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die mindestens eine Außenwand als austauschbare Außenwand ausgebildet. Dies ermöglicht das Vorteilhafte Austauschen einzelner Bestandteile des Gehäuses, insbesondere des Kondensators, zu Reparatur- und Wartungszwecken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Kondensator elektrisch zwischen dem Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler und dem Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler geschaltet sein. Hierdurch kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass auch bei einem Störfall weiterhin elektrische Energie an dem mindestens einen Ausgangsanschluss bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Kondensator dazu ausgebildet sein, mit einem externen Stromnetz verbunden zu werden. Dies ermöglicht die vorteilhafte Versorgung weiterer elektrischer Abnehmer mit elektrischer Energie.
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Gemäß einer Weiterbildung des elektrischen Bordnetzes kann dieses weiterhin ein Notfallnetz aufweisen, wobei das Notfallnetz mit dem Kondensator des Netzteils verbunden ist. Hierdurch können eventuelle Notfallleitungen vorteilhafter Weise eingespart werden, da auch in einem Störfall die Versorgung sicherheitskritischer Systeme mit elektrischer Energie durch den Kondensator gewährleistet werden kann.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Netzteils;
- 2 eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform eines Netzteils;
- 3 eine schematische Explosionsdarstellung des Netzteils aus 2;
- 4 eine schematische Detailansicht eines Teils des in 3 gezeigten Netzteils; und
- 5 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Netzteils 100. Das Netzteil weist ein Gehäuse 110 auf, welches über einen Eingangsanschluss 111 und einen Ausgangsanschluss 112 verfügt. Innerhalb des Gehäuses sind ein Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 sowie ein Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 angeordnet. Der Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 ist mit dem Eingangsanschluss 111 verbunden. Der Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 ist mit dem Ausgangsanschluss 112 verbunden. Des Weiteren weist das Netzteil einen Kondensator 103 auf, welcher einen strukturellen Teil des Gehäuses 110 bildet.
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2 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Netzteils 100. Das Netzteil weist ein Gehäuse 110 auf, welches vier austauschbare Außenwände 113 als Seitenwände sowie einem Deckel 114 aufweist, welche an einem Rahmen 115 befestigt sind. Eine der austauschbaren Außenwände 113 weist insgesamt drei Ausgangsanschlüsse 112 auf.
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3 zeigt eine schematische Explosionsansicht des in 2 gezeigten Netzteils. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass der Deckel 114 des Gehäuses 110 mittels Schrauben an dem Rahmen 115 befestigt ist. Wenn der Deckel 114 vom Rahmen 115 gelöst ist, können die austauschbaren Außenwände 113 aus dem Rahmen 115 entfernt werden. Der Rahmen 115 umschließt weiterhin einen Boden 116 des Gehäuses. Eine der austauschbaren Außenwände 113 weist weiterhin zwei Eingangsanschlüsse 111 auf.
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In 3 sind auch der Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 und der Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 zu sehen, welche innerhalb des Gehäuses 110 angeordnet sind und zwar derart, dass in geschlossenem Zustand der Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 mit den zwei Eingangsanschlüssen 111 verbunden ist und der Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 mit zwei der drei Ausgangsanschlüsse 112 verbunden ist.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die austauschbaren Außenwände 113 jeweils zumindest teilweise durch Superkondensatoren gebildet. Dies wird im Folgenden in 4 näher erörtert. 3 zeigt, dass die austauschbaren Außenwände 113 mittels am Boden 116 des Gehäuses verlaufenden Leitungen miteinander und mit dem Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 und dem Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 verbunden sind. Die austauschbaren Außenwände 113, bzw. die Superkondensatoren, fungieren hierdurch als Kondensator 103 im Sinne der Erfindung. Über eine der Leitungen ist der Kondensator 103 auch mit dem dritten Ausgangsanschluss 112 verbunden.
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4 zeigt eine schematische Detailansicht der in 3 eingekreisten Ecke einer der austauchbaren Außenwände 113. Die austauschbare Seitenwand 113 ist in Form eines Faserverbund-Laminats ausgebildet, welches nach dem folgenden Muster einen Superkondensator bildet.
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Die austauschbare Seitenwand 113 weist eine zentrale Schicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff auf, welche als Separatorschicht 1034 des Superkondensators dient. Auf beiden Seiten der Separatorschicht 1034 sind jeweils Schichten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff angeordnet, welche mit einem Kohlenstoff-Aerogel getränkt sind und dadurch als Elektrodenschichten 1033 des Superkondensators dienen. Auf den Außenseiten der Elektrodenschichten 1033 sind jeweils Graphen-Schichten angeordnet, welche als Sammelschichten 1032 des Superkondensators dienen. An den Außenseiten der Sammelschichten 1032 sind Schutzschichten 1031 aus einem Thermoplast angeordnet.
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Auf diese Weise vereint die austauschbare Seitenwand 113 eine Kombination aus strukturellem Bauteil des Gehäuses 110 und Kondensator 103 des Netzteils 100. Hierdurch kann äußerst Vorteilhaft Größe und Gewicht des Netzteils 100 reduziert werden.
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5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Bordnetzes 200 eines Luft- oder Raumfahrzeugs. Das Bordnetz 200 weist ein Wechselspannungsnetz 201 auf. Dieses Wechselspannungsnetz 201 ist mit dem Eingangsanschluss 111 eines Netzteils 100 verbunden. Ein Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 des Netzteils ist mit dem Eingangsanschluss 111 sowie mit einem Kondensator 103 des Netzteils 100 verbunden. Der Kondensator 103 ist wiederum mit einem Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 des Netzteils 100 verbunden der wiederum mit einem Ausgangsanschluss 112 des Netzteils verbunden ist. Insgesamt sechs elektrische Gleichspannungsverbraucher 202 sind mit dem Ausgangsanschluss 112 des Netzteils 100 verbunden.
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Der Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler 101 wandelt den Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes 201 in Gleichspannung um, mit welcher der Kondensator 103 aufgeladen wird. Der Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler 102 wandelt die an dem Kondensator 103 anliegende Spannung daraufhin derart um, dass die elektrischen Gleichspannungsverbraucher 202 mit Elektrizität versorgt werden können.
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Durch diese Anordnung können die elektrischen Gleichspannungsverbraucher 202 auch bei einem Ausfall des Wechselspannungsnetzes 201, zumindest für eine gewisse Zeit, weiterhin mit Elektrizität versorgt werden.
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5 zeigt weiterhin eine optionale Verbindung des Kondensators 103 mit einem Notfallnetz 203 des Bordnetzes 200. Eine derartige Verbindung erlaubt einen Anschluss der an dem Notfallnetz 203 hängenden sicherheitskritischen Funktionen an das normale Wechselspannungsnetz 201 des Bordnetzes 200. Bisher wurde ein derartiger Anschluss eher vermieden, da im Notfall das normale Wechselspannungsnetz 201 eines Luft- oder Raumfahrzeuges abgeschaltet werden könnte. In einem derartigen Fall ermöglicht die in 5 gezeigte Schaltung eine weitere Funktion der sicherheitskritischen Komponenten, da diese durch den Kondensator 103 des Netzteils 100 weiterhin mit Elektrizität versorgt werden würden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Netzteil
- 101
- Wechselspannung-Gleichspannung-Wandler
- 102
- Gleichspannung-Gleichspannung-Wandler
- 103
- Kondensator
- 110
- Gehäuse
- 111
- Eingangsanschluss
- 112
- Ausgangsanschluss
- 113
- Außenwand
- 114
- Deckel
- 115
- Rahmen
- 116
- Boden
- 200
- Bordnetz
- 201
- Wechselspannungsnetz
- 202
- elektrischer Gleichspannungsverbraucher
- 203
- Notfallnetz
