DUPPE, Carsten (Schleifweg 3, Kürnach, 97273, DE)
BANDORF, Matthias (Im Gries22, Dittelbrunn, 97456, DE)
DUPPE, Carsten (Schleifweg 3, Kürnach, 97273, DE)
| Patentansprüche Stromversorgungseinheit für ein Luftfahrzeug, umfassend eine Energiebereitstellungskomponente zur Bereitstellung elektrischer Energie und einen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher durch einen kinetischen Energiespeicher gebildet ist. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der kinetische Energiespeicher zum Lastspitzenausgleich der Energiebereitstellungskomponente ausgebildet ist. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Generator zur Wandlung einer kinetischen Energie des kinetischen Energiespeichers in elektrische Energie umfasst. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Zuschalteinheit zum mechanischen Zuschalten und/oder zum elektrischen Zuschalten des Generators umfasst. Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiebereitstellungskomponente durch einen Akkumulator, durch ein Hilfstriebwerk oder durch eine Brennstoffzelle gebildet ist. Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen elektrischen Motor zum mechanischen Laden des kinetischen Energiespeichers umfasst. 7. Stromversorgungseinheit nach einem auf Anspruch 3 rückbezogenen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor und der Generator durch eine einzige elektrische Maschine gebildet sind. 8. Stromversorgungseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Motor durch eine Staudruckturbine antreibbar ist. 9. Luftfahrzeug mit einer Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 10. Luftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kinetische Energiespeicher weiterhin zur kurzzeitigen Versorgung einer Steuereinrichtung zum Steuern des Luftfahrzeuges ausgebildet ist. |
Beschreibung Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für ein Luftfahrzeug, beispielsweise für einen Hubschrauber oder für ein Starrflügelflugzeug. Bei der Stromversorgungseinheit handelt es sich insbesondere um zumindest einen Teil des Stromversorgungsnetzes, welches auch als Bordnetz bezeichnet wird. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug als solches.
Aus der DE 38 29 457 A1 ist ein Sofortbereitschaftsaggregat für eine dyna- mische unterbrechungsfreie Stromversorgung bekannt, welches insbesondere für die Verwendung in Krankenhäusern, EDV-Zentralen und ähnlich sensiblen Bereichen vorgesehen ist. Das Sofortbereitschaftsaggregat soll eine Notversorgung im Ernstfall gewährleisten. Auch soll es geringste Netzschwankungen ausgleichen und eine nahezu konstante Frequenz sicherstel- len. Hierfür weist das Sofortbereitschaftsaggregat einen Generator und einen Generatorantriebsmotor auf, die mit einem als Energiespeicher dienenden separat angetriebenen Schwungradsystem gekoppelt sind.
Aus der DE 10 2008 041 298 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Starterunterstützung in einem Kraftfahrzeug bekannt. Die Unterstützungsvorrichtung dient der Unterstützung eines Kfz-Akkumulators, welcher von einem Kfz-Bordnetz sowie von einem Kfz-Starter belastet wird. Die Unterstützungs- Vorrichtung umfasst einen Temporärenergiespeicher und eine Ankopplungs- einrichtung. Der Temporärenergiespeicher kann als Speicher kinetischer Energie ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Temporärenergiespeicher durch eine Schwungmasse und einen mit der Schwungmasse verbundenen elektrischen Wandler gebildet sein.
Die DE 27 16 538 C2 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Lage und zur Regulierung der Bordspannung eines Raumfahrzeuges. Bei diesem Verfahren wird eine in einem Generatorbetrieb zu betreibende Trägheitsanordnung dazu benutzt, die Bordspannung des Raumfahrzeuges zu regulieren.
Aus der DE 10 2007 017 820 A1 ist ein Energieversorgungssystem eines Luftfahrzeuges bekannt, welches wenigstens eine Brennstoffzelle umfasst. Verbraucher im Energieversorgungssystem stehen mit der Brennstoffzelle derart in Verbindung, dass sie im Notbetrieb unmittelbar oder mittelbar von der Brennstoffzelle mit Energie versorgt werden können. Das Energieversorgungssystem weist weiterhin wenigstens einen aktiven Energiespeicher auf, welcher die Verbraucher zumindest zeitweise mit Energie versorgen kann. Diese Lösung soll eine unterbrechungsfreie Stromversorgung im Notbetrieb gewährleisten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Lösung weist das Energieversorgungssystem einen bidirektionalen Wandler auf, welcher einen Energiefluss von dem Energiespeicher zu der normalen Energieversorgung des Flugzeuges ermöglicht. In Bezug auf den bidirektionalen Wandler wird vorgeschlagen, dass dieser auch durch eine sonstige in der Notver- sorgung vorhandene Energie, wie beispielsweise eine Schwungmasse gestützt werden kann. Die Funktion der Schwungmasse wird jedoch nicht näher beschrieben.
Die DE 10 2005 002 545 A1 zeigt eine Energiepuffereinrichtung für ein Flug- zeug. Die Energiepuffereinrichtung dient insbesondere der Energieversorgung eines Verbrauchers in dem Flugzeug. Es sollen in erster Linie Verbraucher versorgt werden, welche nur kurzzeitig eingeschaltet werden, wie bei- spielsweise Hubantnebe für Trolly-Lifts oder Hubantriebe für Bins oder Hatracks. Die Energiepuffereinrichtung umfasst zumindest einen Energiespeicher, welcher bevorzugt durch einen Kondensator gebildet ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Stromversorgung in Luftfahrzeugen derart zu verbessern, dass diese jederzeit durch eine Stützung abgesichert werden kann, wobei die Stützung kurzfristig, insbesondere auch in Notsituationen verfügbar sein soll.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinheit gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Luftfahrzeug gemäß dem beigefügten Anspruch 9 gelöst. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit ist für ein Luftfahrzeug vorgesehen. Folglich weist die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit Merkmale auf, welche sie für die Verwendung in einem Luftfahrzeug auszeichnen, sodass sie sich von Stromversorgungseinheiten anderer Art, beispielsweise von Stromversorgungseinheiten für Kraftfahrzeuge oder für Raumfahrzeuge unterscheidet. Die Verwendungsbestimmung wirkt insoweit einschränkend. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann für ein beliebiges Luftfahrzeug vorgesehen sein, beispielsweise für einen Hubschrauber oder für einen Starrflügler, wie ein Passagierflugzeug oder ein Transportflugzeug. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit kann beispielsweise eine Auxiliary Power Unit (APU) des Luftfahrzeuges ausbilden. Jedenfalls bildet die Stromversorgungseinheit zumindest einen Teil des Stromversorgungsnetzes des Luftfahrzeuges. Derartige Stromversorgungsnetze werden auch als Bordnetze bezeichnet und dienen der Versorgung elektrischer Verbraucher, wie elektrische Steuerungseinrichtungen zur Steu- erung des Fluges, Einrichtungen zum Starten von Triebwerken, Klimaanlagen, Beleuchtungen oder auch von den Passagieren zu nutzende elektrische Verbraucher. Im Weiteren kann die erfindungsgemäße Stromversor- gungseinheit durch das Stromversorgungsnetz als solches gebildet sein, sodass das Stromversorgungsnetz eines Luftfahrzeuges in gleicher Weise einen Gegenstand der Erfindung darstellt. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit umfasst zumindest eine Energiebereitstellungskomponente zur Bereitstellung elektrischer Energie und einen Energiespeicher. Die Energiebereitstellungskomponente und der Energiespeicher dienen innerhalb der Stromversorgungseinheit zur Bereitstellung von Energie, wodurch ein oder mehrere an die Stromversorgungseinheit angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Die Energiebe- reitstellungskomponente zeichnet sich dadurch aus, dass sie elektrische Energie bereitstellt, beispielsweise als Speicher in Form eines Akkumulators oder als Wandler in Form einer Brennstoffzelle oder eines Hilfstriebwerkes. Der Energiespeicher zeichnet sich dadurch aus, dass er mit einer Energiemenge geladen werden kann, welche zu einem Bedarfszeitpunkt wieder aus dem Energiespeicher entnommen werden kann. Grundsätzlich unterscheidet sich die Energiebereitstellungskomponente von dem Energiespeicher, insbesondere dadurch, dass die Energiebereitstellungskomponente und der Energiespeicher auf unterschiedlichen Prinzipien der Energiebereitstellung/- speicherung basieren. Erfindungsgemäß ist der Energiespeicher durch ei- nen kinetischen Energiespeicher gebildet. In dem kinetischen Energiespeicher kann kinetische Energie gespeichert werden, welche im Bedarfsfall wieder aus dem kinetischen Energiespeicher entnommen werden kann. Die entnommene kinetische Energie kann innerhalb der Stromversorgungseinheit in elektrische Energie gewandelt werden, um die an die Strom- Versorgungseinheit angeschlossenen Verbraucher zu speisen. Der kinetische Energiespeicher kann beispielsweise durch eine drehbare Schwungmasse gebildet sein.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit besteht darin, dass die im kinetischen Energiespeicher gespeicherte Energie äußerst kurzfristig verfügbar ist, was insbesondere in Notsituationen von besonderer Bedeutung ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit derart ausgebildet sein, dass sie in einer Notsituation eine Einrichtung zum Steuern des Luftfahrzeuges, beispielsweise eine Landeklappe eines Starrflügelflugzeuges oder ein Blattverstellsystem eines Hubschraubers kurzfristig mit Energie versorgen kann, um eine Notlandung des Luftfahrzeuges zu ermöglichen. Im Gegensatz zu anderen Energiespeichern kann der kinetische Energiespeicher für eine hohe Belastung ausgeführt werden, sodass er in der Notsituation große Energiemengen bereitstellen kann. Ein weiterer Vorteil des kinetischen Energiespeichers besteht darin, dass er weitgehend unabhängig von anderen Systemen zur Energieversorgung fungiert, wodurch u. a. gewährleistet werden kann, dass in einem Schadensfall zumindest einer der Energiespeicher mit einer hohen Wahrscheinlichkeit verfügbar ist. Auch kann der kinetische Energiespeicher im Vergleich zu anderen Energiespeichern hoch zyklisch belastet werden, ohne dass sich dies negativ auf seine Lebensdauer oder Zuverlässigkeit auswirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ist der kinetische Energiespeicher zum Lastspitzenaus- gleich der Energiebereitstellungskomponente ausgebildet. Dadurch kann auch in Phasen erhöhten Leistungsbedarfs, insbesondere während des Starts und der Landung oder während des Einsatzes an einem Terminal, Energie aus dem kinetischen Energiespeicher entnommen werden. Folglich ist keine besondere Leistungsreduktion der Verbraucher, beispielsweise einer Klimaanlage oder einer Kabinenbeleuchtung notwendig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit umfasst diese weiterhin einen Generator zur Wandlung einer kinetischen Energie des kinetischen Energiespeichers in elektrische Energie. Mithilfe des Generators ist es möglich, elektrische Energie bereit- zustellen, welche als kinetische Energie dem Energiespeicher entnommen wurde. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit umfasst bevorzugt weiterhin eine Zuschalteinheit zum mechanischen Zuschalten und/oder zum elektrischen Zuschalten des Generators. Besonders bevorzugt erlaubt die Zuschalteinheit sowohl das mechanische Zuschalten als auch das elektrische Zuschalten des Generators. Durch das mechanische Zuschalten wird der kinetische Energiespeicher mit dem Generator mechanisch verbunden. Hierfür umfasst die Zuschalteinheit bevorzugt eine Kupplung, mit welcher eine Welle des kinetischen Energiespeichers mit einer Welle des Generators drehfest verbunden werden kann. Um den Generator elektrisch zuschalten zu können, umfasst die Zuschalteinheit bevorzugt elektrische Schaltelemente, welche den Generator elektrisch mit elektrischen Komponenten der Stromversorgungseinheit verbinden. Mithilfe der Zuschalteinheit ist es möglich, zu einem Bedarfszeitpunkt die im kinetischen Energiespeicher gespeicherte kinetische Energie aus dem kinetischen Energiespeicher zu entneh- men und zur Stromversorgung zur Verfügung zu stellen.
Bei der Energiebereitstellungskomponente kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Komponente zur Bereitstellung von Energie handeln, die beispielsweise bereits gemäß dem Stand der Technik zur Stromversorgung in Luftfahrzeugen verwendet wird. Dabei ist die Energiebereitstellungskomponente bevorzugt durch einen Akkumulator, durch ein Hilfstriebwerk oder durch eine Brennstoffzelle gebildet. Die Energiebereitstellungskomponente und der kinetische Energiespeicher ergänzen sich in ihren Eigenschaften in Bezug auf die Bereitstellung von Energie, sodass durch diese Kombination eine sichere Energieversorgung gewährleistet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit umfasst diese weiterhin einen elektrischen Motor zum mechanischen Laden des kinetischen Energiespeichers. Beispielsweise kann der elektrische Motor dazu dienen, eine Schwungmasse des kinetischen Energiespeichers zum Rotieren zu bringen. Dabei erfolgt eine Wandlung elektrischer Energie in kinetische Energie. Die elektrische Energie zum Betreiben des elektrischen Motors kann aus dem Stromversorgungsnetz des Luftfahrzeuges entnommen werden, insbesondere dann, wenn dieses durch andere Aggregate gespeist wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromver- sorgungseinheit kann ist diese derart ausgeführt, dass der elektrische Motor in einer Notfallsituation durch einen Treibwerksgenerator, welcher durch ein Triebwerk zum Antrieb des Luftfahrzeuges angetrieben wird, gespeist werden kann. Folglich kann die in einer Notfallsituation in dem Triebwerk vorhandene Restenergie zum Laden des kinetischen Energiespeichers genutzt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ist der Motor durch eine Staudruckturbine (Ram Air Turbine) antreibbar, welche insbesondere in einer Notfallsituation in Betrieb genommen wird, beispielsweise durch ein Ausklappen der Staudruckturbine.
Der Generator und der elektrische Motor sind bevorzugt durch eine einzige Maschine gebildet, welche alternierend in einem Motorbetrieb und in einem Generatorbetrieb betrieben werden kann. Hierdurch ist eine aufwandsarme Kopplung des kinetischen Energiespeichers an elektrische Komponenten der erfindungsgemäßen Stromeinheit mit nur einer einzigen elektrischen Maschine ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit bildet bevorzugt das Bordnetz des Luftfahrzeuges, wobei das Bordnetz die Energiebereitstellungskomponente und den kinetischen Energiespeicher umfasst. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist beispielsweise durch einen Hubschrauber oder durch ein Passagierflugzeug gebildet. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist mit einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinheit ausgestattet, wobei die Stromversorgungseinheit bevorzugt Teile oder die Gesamtheit des Stromversorgungsnetzes des Luftfahrzeuges bildet.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges besteht dar- in, dass die Stromversorgung im Luftfahrzeug hohen Sicherheitsanforderungen gerecht wird. Dabei ist die Stromversorgung auch in besonderen Situationen, wie beispielsweise während des Starts oder während der Landung oder auch in Notsituationen gewährleistet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges ist der kinetische Energiespeicher weiterhin zur kurzzeitigen Versorgung einer Steuereinrichtung zum Steuern des Luftfahrzeuges ausgebildet. Beispielsweise kann ein durch einen Hubschrauber gebildetes erfindungsgemäßes Luftfahrzeug derart ausgebildet sein, dass bei einem Trieb- werksausfall die Notlandung des Hubschraubers dadurch ermöglicht wird, dass der kinetische Energiespeicher eine Blattverstellung am Rotor des Hubschraubers ermöglicht. Beim Starrflugler kann durch das Ausfahren der Landeklappen eine sichere und unfallfreie Landung durchgeführt werden. Der Energiespeicher kann dafür die Energie liefern.
Next Patent: ELECTRIC WHEEL DRIVE