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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine elektrische Anordnung für ein Luftfahrzeug und auf ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Anordnung.
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Luftfahrzeuge werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, z.B. Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerke, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotor(en) ermöglichen einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Fortschritte in der Batterietechnologie ermöglichen immer weitere Einsatzbereiche von elektrischen Antrieben.
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Im Luftfahrtbereich können Defekte an Bauteilen besonders schwerwiegende Auswirkungen haben. Daher ist es stets wünschenswert, möglichst sichere Antriebe zu schaffen. In vielen Fällen kann potentiellen Ausfällen bestimmter Bauteile durch den Einsatz mehrerer redundanter Bauteile begegnet werden. Hierdurch wird allerdings in der Regel auch die Komplexität des gesamten Aufbaus erhöht, ggf. auch das Gesamtgewicht.
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Die
WO 2019/145777 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Anordnung mit redundanten Feldspulen, sodass der Ausfall einer Feldspule kompensiert werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte elektrische Anordnung bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Anordnung für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, umfassend: ein Niedrigspannungssystem mit einer Batterie und zumindest einem Verbraucher, der an die Batterie des Niedrigspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden, ein Höherspannungssystem mit einer Batterie, welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie des Niedrigspannungssystems, und mit zumindest einem Elektromotor, mittels dem ein Rotor antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb für das Luftfahrzeug zu erzeugen, wobei der Elektromotor an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Dabei ist vorgesehen, dass der zumindest eine Verbraucher des Niedrigspannungssystems eine Flugsteuerungsvorrichtung umfasst, und wobei das Niedrigspannungssystem von dem Höherspannungssystem getrennt ist.
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Das basiert auf der Erkenntnis, dass eine Versorgung des potentiell besonders sicherheitsrelevanten und empfindlichen, zumindest einen Verbrauchers des Niedrigspannungssystems über die Batterie mit der verhältnismäßig niedrigen Ausgangsspannung eine wesentlich erhöhte Sicherheit ermöglicht, als im Vergleich dazu eine Versorgung dieses zumindest einen Verbrauchers über einen Gleichspannungswandler durch die Batterie des Höherspannungssystems. Denn ein Defekt beispielsweise in dem Gleichspannungswandler oder in einer anderen Komponente des Höherspannungssystems könnte den zumindest einen Verbraucher beschädigen. Wird durch einen solchen Defekt die Flugsteuerungsvorrichtung beschädigt, könnte dies besonders große Gefahren zur Folge haben. Durch die Trennung des Niedrigspannungssystems von dem Höherspannungssystem können solche Risiken mit einer besonders einfachen Lösung minimiert oder gar gänzlich ausgeschlossen werden. Die Batterie des Niedrigspannungssystems weist eine ausreichend große Kapazität auf, um den zumindest einen Verbraucher vom Start bis zur Landung mit Strom zu dessen Betrieb zu versorgen.
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Das Niedrigspannungssystem ist von dem Höherspannungssystem derart elektrisch getrennt, dass keine elektrische Leistung vom Höherspannungssystem an das Niedrigspannungssystem übertragbar ist. Das Niedrigspannungssystem ist von dem Höherspannungssystem galvanisch getrennt, insbesondere in Bezug auf die leistungsführenden Leitungen, welche Energie von der Batterie des Höherspannungssystems zum Elektromotor übertragen. Insbesondere ist das Niedrigspannungssystem von dem Höherspannungssystem elektromagnetisch getrennt. Die Stromkreise, welche an die Batterie des Höherspannungssystems direkt angeschlossen sind oder indirekt damit gekoppelt sind, sind vollständig von den Stromkreisen des Niedrigspannungssystems getrennt (insbesondere auch beabstandet).
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Es kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Niedrigspannungssystems eine elektrische Ausgangsspannung von unter 100 V aufweist, insbesondere von unter 50 V. Optional handelt es sich bei der elektrischen Ausgangsspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems um eine Kleinspannung. Das Niedrigspannungssystem stellt insbesondere eine Gleichspannung als Ausgangsspannung bereit. Die Batterie umfasst mehrere Batteriezellen und optional eine Elektronik. Bei der Ausgangsspannung der Batterie handelt es sich insbesondere um die Nominalspannung der Batterie.
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Die Batterie des Höherspannungssystems kann eine elektrische Ausgangsspannung von über 100 V aufweisen, insbesondere von über 300 V. Optional handelt es sich um eine Spannung von über 1000 V. Das Höherspannungssystem stellt insbesondere eine Gleichspannung als Ausgangsspannung bereit. Die Batterie des Höherspannungssystems umfasst mehrere Batteriezellen und optional eine Elektronik. Bei der Ausgangsspannung der Batterie des Höherspannungssystems handelt es sich insbesondere um die Nominalspannung der Batterie. Die Batterie des Höherspannungssystems weist z.B. eine größere Anzahl von Batteriezellen auf als die Batterie des Niedrigspannungssystems.
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Mittels der Flugsteuerungsvorrichtung ist z.B. der zumindest eine Elektromotor direkt oder indirekt steuerbar, z.B. über eine Motorsteuerung.
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Die Flugsteuerungsvorrichtung umfasst z.B. eine Avionik und/oder einen Flugsteuerungscomputer oder besteht daraus. Optional umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung ein Navigationssystem. Diese Komponenten sind besonders sensibel und wichtig für einen sicheren Flug.
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Optional umfasst das Höherspannungssystem einen Gleichspannungswandler. Es kann vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Antriebsstrangkomponente über den Gleichspannungswandler an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von dieser Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, die elektrische Ausgangsspannung der Höherspannungsbatterie in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. So können Niedrigspannungskomponenten, z.B. solche, die eine große Redundanz aufweisen, über die Batterie des Höherspannungssystems mit Strom versorgt werden.
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Die umgewandelte niedrigere Spannung kann gleich groß (oder in etwa gleich groß) sein wie die elektrische Ausgangsspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems. Das ermöglicht den Einsatz von Standardkomponenten.
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In einer alternativen (oder zusätzlichen) Ausgestaltung ist eine Antriebsstrangkomponente an die Batterie des Niedrigspannungssystems angeschlossen, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden. So kann auch diese Antriebsstrangkomponente mit besonders großer Sicherheit betrieben werden.
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Die Antriebsstrangkomponente umfasst insbesondere elektronische Bauteile.
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Bei der Batterie des Höherspannungssystems kann eine größere Anzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet sein als bei der Batterie des Niedrigspannungssystems, um so die höhere Spannung zu erzielen.
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Der Rotor umfasst beispielsweise mehrere Rotorschaufeln. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Rotor um einen Propeller oder um einen Fan.
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Optional umfasst die elektrische Anordnung mehrere Höherspannungssysteme, jeweils mit einer Batterie, welche eine höhere elektrische Ausgangsspannung aufweist als die Batterie des Niedrigspannungssystems, und zumindest einem Elektromotor, mittels dem jeweils ein Rotor antreibbar ist, um Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen, und der an die Batterie des Höherspannungssystems angeschlossen ist, um von der Batterie mit elektrischem Strom versorgt zu werden, wobei das Niedrigspannungssystem von jedem der Höherspannungssysteme getrennt ist.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, umfassend die elektrische Anordnung nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Die elektrische Anordnung erzeugt Schub und/oder Auftrieb für das Luftfahrzeug. Bei einem Luftfahrzeug kommen die oben genannten Vorteile besonders zum Tragen.
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Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen in schematischen Darstellungen:
- 1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Rotor;
- 2 ein Luftfahrzeug in Form eines VTOL-Flugzeugs mit mehreren elektrisch angetriebenen Rotoren;
- 3 eine elektrische Anordnung des Luftfahrzeugs gemäß 1 und für das Luftfahrzeug gemäß 2;
- 4 eine alternativ ausgebildete elektrische Anordnung für das Luftfahrzeug gemäß 1 und gemäß 2; und
- 5 eine elektrische Anordnung mit mehreren Höherspannungssystemen für das Luftfahrzeug gemäß 2.
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1 zeigt ein Luftfahrzeug 2 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs mit einem Rumpf 20 und Flügeln 21.
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Das Luftfahrzeug 2 umfasst eine elektrische Anordnung mit einem Rotor 12, der durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Rotor 12 umfasst mehrere, hier exemplarisch zwei Rotorschaufeln 121. Die Rotorschaufeln 121 sind im gezeigten Beispiel an einer Nabe montiert und bilden damit einen Propeller. In alternativen Ausgestaltungen umfasst das Luftfahrzeug 2 einen Fan anstelle eines Propellers und/oder mehrere elektrische Anordnungen mit jeweils zumindest einem Propeller oder Fan.
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2 zeigt ein Luftfahrzeug 2', das mehrere Rotoren 12 aufweist. Vorliegend ist das Luftfahrzeug 2' beispielhaft als VTOL-Luftfahrzeug ausgebildet, konkret als VTOL-Flugzeug. Senkrecht startende und landende Luftfahrzeuge, z.B. Flugzeuge, werden regelmäßig als VTOL-Luftfahrzeuge bezeichnet, wobei sich die Abkürzung VTOL von „Vertical Take-Off and Landing“, also Senkrechtstart und -landung, ableitet. VTOL-Luftfahrzeuge sind zu Senkrechtstart und -landung ausgebildet. Ein VTOL-Luftfahrzeug profitiert besonders von den Vorteilen der hierin beschriebenen elektrische Anordnungen. Das Luftfahrzeug 2' umfasst mehrere elektrische Anordnungen gemäß der nachstehend erläuterten 3, alternativ oder zusätzlich gemäß der weiter unten erläuterten 4, alternativ oder zusätzlich eine elektrische Anordnung gemäß 5.
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3 zeigt eine elektrische Anordnung 1 für ein Luftfahrzeug, und zwar konkret die elektrische Anordnung des Luftfahrzeugs 2 gemäß 1. Die elektrische Anordnung 1 umfasst ein Niedrigspannungssystem 10 und ein Höherspannungssystem 11. Bei dem Niedrigspannungssystem 10 handelt es sich z.B. um ein Niederspannungssystem, das auch als LV-System bezeichnet werden kann. Bei dem Höherspannungssystem 11 handelt es sich z.B. um ein Hochspannungssystem, das auch als HV-System bezeichnet werden kann.
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Das Niedrigspannungssystem 10 umfasst eine Batterie 100 und zumindest einem Verbraucher 101. Der Verbraucher 101 ist an die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 angeschlossen, um von der Batterie 100 mit elektrischem Strom versorgt zu werden.
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Das Höherspannungssystem 11 umfasst ebenfalls eine Batterie 110. Diese Batterie 110 weist eine höhere elektrische Ausgangsspannung als Nennspannung auf als die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10. Ferner umfasst das Höherspannungssystem 11 zumindest einen Elektromotor 111. Mittels dem Elektromotor 111 ist der Rotor 12 antreibbar, um Schub und/oder Auftrieb des Luftfahrzeugs 2 zu erzeugen. Der Elektromotor 111 ist an die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 angeschlossen, um von der Batterie 110 mit elektrischem Strom versorgt zu werden und Schub und/oder Auftrieb zu erzeugen.
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Dabei ist vorgesehen, dass der zumindest eine Verbraucher 101 des Niedrigspannungssystems 10 eine Flugsteuerungsvorrichtung 102 umfasst. Ferner ist vorgesehen, dass das Niedrigspannungssystem 10 von dem Höherspannungssystem 11 elektrisch getrennt ist (konkret: galvanisch getrennt). Dies ist in 3 durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 bezüglich elektrischer Interaktionen getrennt. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 isoliert. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 ist keine Energie austauschbar. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 existiert keine elektrisch leitende Verbindung und keine Energie übertragende Kopplung (z.B. über einen Transformator oder dergleichen). Ein optionaler Austausch von Signalen (eine Kommunikation) zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 erfolgt ebenfalls elektrisch getrennt und/oder über handelsübliche Signalleitungen (z.B. Netzwerkkabel), über welche keine substanzielle elektrische Energie übertragbar ist.
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Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind vollständig elektrisch voneinander getrennt. Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind galvanisch voneinander getrennt. Die Stromkreise des Niedrigspannungssystems 10 und die Stromkreise des Höherspannungssystems 11 sind elektrisch voneinander isoliert. Vorliegend sind das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 derart voneinander separiert, dass auch keine magnetische Kopplung vorliegt, z.B. über einen Transformator oder dergleichen. Das Niedrigspannungssystem 10 und das Höherspannungssystem 11 sind voneinander unabhängig.
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Die Nennspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems 10 ist niedriger als die Nennspannung der Batterie des Höherspannungssystems 11. Die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 weist vorliegend eine elektrische Ausgangsspannung von unter 100 V aufweist, nämlich von unter 50 V, konkret von zwischen 20 und 30 V (im gezeigten Beispiel von 28 V). Die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 weist demgegenüber eine elektrische Ausgangsspannung von über 100 V auf, insbesondere von über 300 V, konkret von über 500 V. Bei der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 sind eine größere Anzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet als bei der Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10. Der oder die Stromkreise des Höherspannungssystems 11, welche durch die elektrische Ausgangsspannung der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 versorgt werden und/oder diese Ausgangsspannung führen, sind elektrisch (und magnetisch) vom Niedrigspannungssystem 10 getrennt (und dazu beabstandet und insbesondere auch nicht über einen Transformator oder dergleichen gekoppelt, also allgemein nicht wirkverbunden).
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Mittels der Flugsteuerungsvorrichtung 102 ist z.B. der zumindest eine Elektromotor 111 direkt oder indirekt steuerbar. Konkret umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung 102 eine Avionik (und/oder einen Flugsteuerungscomputer). Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 weist Flugkontrollfunktionen auf und/oder eine Navigationsfunktion. Vorliegend umfasst die Flugsteuerungsvorrichtung 102 ein Navigationssystem. Ferner ist die Flugsteuerungsvorrichtung 102 (optional) dazu eingerichtet, Sensordaten auszulesen und zu verarbeiten. Beispielsweise steuert die Flugsteuerungsvorrichtung 102 Ruder, und/oder Leitwerke und/oder eine Motorsteuerung, beispielsweise basierend auf Eingaben eines Piloten und/oder auf den Sensordaten. Die Signale hierzu werden z.B. über optische Elemente wie Lichtwellenleiter gesendet. Insbesondere weisen Signalleitungen, über welche zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 Signale übermittelbar sind, jeweils eine galvanische Trennung auf, z.B. über einen oder mehrere Optokoppler. Zwischen dem Niedrigspannungssystem 10 und dem Höherspannungssystem 11 ist z.B. eine Isolationssperre vorgesehen. Das Niedrigspannungssystem 10 ist von dem Höherspannungssystem 11 in Bezug auf (optionale) Signalleitungen elektrisch getrennt. Insbesondere ist ein Kommunikationsnetzwerk der elektrischen Anordnung 1, welches das Niedrigspannungssystem 10 mit dem Höherspannungssystem 11 kommunikativ verbindet, elektrisch von einem Leistungsspannungsnetzwerk des Höherspannungssystem 11 getrennt.
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Die elektrische Anordnung 1 umfasst ferner einen Gleichspannungswandler 13 und (zumindest) eine Antriebsstrangkomponente 14. Die Antriebsstrangkomponente 14 steht im gezeigten Beispiel (optional) stellvertretend für das gesamte Niedrigspannungssystem des Antriebsstrangs.
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Die Antriebsstrangkomponente 14 ist über den Gleichspannungswandler 13 an die Batterie 110 des Höherspannungssystems 11 elektrisch angeschlossen, um von der Batterie 110 mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Der Gleichspannungswandler 13 wandelt eine höhere Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung um und stellt die niedrigere Gleichspannung an die Antriebsstrangkomponente 14 bereit. Diese niedrigere Gleichspannung ist z.B. so hoch wie die Gleichspannung der Batterie des Niedrigspannungssystems 10.
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Die Antriebsstrangkomponente 14 umfasst elektronische Bauteile. Die Antriebsstrangkomponente 14 steht z.B. in kommunikativer Verbindung mit der Flugsteuerungsvorrichtung 102. Vorliegend handelt es sich bei der Antriebsstrangkomponente 14 um die Motorsteuerung. Die Motorsteuerung steuert den Elektromotor 111.
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Durch die Separierung des Niedrigspannungssystems 10 vom Höherspannungssystem 11 wird der zumindest eine Verbraucher 101 vor etwaigen Defekten im Höherspannungssystem 11 geschützt.
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4 zeigt eine elektrische Anordnung 1' für jedes der Luftfahrzeuge 2, 2'. Die elektrische Anordnung 1' umfasst wiederum ein Niedrigspannungssystem 10' und ein Höherspannungssystem 11'.
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Das Niedrigspannungssystem 10' weist analog zur vorstehend beschriebenen elektrische Anordnung 1 gemäß 3 eine Batterie 100 und einen daran angeschlossenen Verbraucher mit einer Flugsteuerungsvorrichtung 102 auf. Zusätzlich ist die Antriebsstrangkomponente 14 ebenfalls an die Batterie 100 des Niedrigspannungssystems 10 angeschlossen, um von der Batterie 100 mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Im Beispiel der 4 sind sämtliche Systeme des Luftfahrzeugs (insbesondere sämtliche im Luftahrzeug fest verbaute Systeme), welche mit einer im Vergleich zum Höherspannungssystem 11' niedrigeren Spannung betrieben werden, vom Höherspannungssystem 11' getrennt und (optional) mit dem Niedrigspannungssystem 10 elektrisch gekoppelt.
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Im Höherspannungssystem 11' wird wiederum der Elektromotor 111 durch Energie aus der Batterie 110 des Höherspannungssystems 11' angetrieben.
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Hierbei kann auch die Antriebsstrangkomponente 14 vor Defekten im Höherspannungssystem 11' geschützt werden.
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Ein weiterer Vorteil der elektrischen Anordnung 1' liegt darin, dass elektromagnetische Interferenzen zwischen den einzelnen Niedrigspannungskomponenten reduziert werden kann, da auf einen Wandler verzichtet werden kann.
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5 zeigt eine weitere elektrische Anordnung, konkret für das Luftfahrzeug 2' gemäß 2. Diese elektrische Anordnung ist wie die elektrische Anordnung 1 gemäß 3 ausgestaltet, wobei die Antriebanordnung gemäß 5 im Unterschied dazu mehrere parallele Höherspannungssysteme 11 umfasst, jeweils eine für einen oder mehrere Elektromotoren 111.
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Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 steuert die Motorsteuerungen der Antriebsstrangkomponenten 14 der einzelnen Höherspannungssysteme 11.
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Bei einem Defekt in einem der Höherspannungssysteme 11 bleibt das Niedrigspannungssystem 10 geschützt. Die Flugsteuerungsvorrichtung 102 und die übrigen Höherspannungssysteme 11 bleiben intakt.
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Ebenso können bei der elektrischen Anordnung 1' gemäß 4 (analog zur elektrischen Anordnung gemäß 5) mehrere Höherspannungssysteme 11' vorgesehen sein.
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Optional sind (in jeder hierin beschriebenen elektrischen Anordnung) mehrere redundante Niedrigspannungssysteme 10; 10' vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 1'
- elektrische Anordnung
- 10; 10'
- Niedrigspannungssystem
- 100
- Batterie
- 101
- Verbraucher
- 102
- Flugsteuerungsvorrichtung
- 11; 11'
- Höherspannungssystem
- 110
- Batterie
- 111
- Elektromotor
- 12
- Rotor
- 121
- Rotorschaufel
- 13
- Gleichspannungswandler
- 14
- Antriebsstrangkomponente
- 2; 2'
- Luftfahrzeug
- 20
- Rumpf
- 21
- Flügel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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