Verfahren zum Antrieb eines Luftfahrzeugs und Luftfahrzeug Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Luft ^¬ fahrzeugs und ein Luftfahrzeug.

In jüngerer Zeit gewinnt die elektrische Luftfahrt zunehmend an Bedeutung. In der elektrischen Luftfahrt sind insbesondere seriell-hybride Antriebssysteme Gegenstand aktiver Entwick ^¬ lung. Bei solchen hybriden Antriebssystemen wird mittels eines Generators, der an einen Verbrennungsmotor gekoppelt ist, zusätzlich elektrische Energie erzeugt und einem elektrischen Motor zugeführt. Der Generator kann also erforderlichenfalls eine Entleerung eines elektrischen Energiespeichers eines elektrischen Flugzeugs kompensieren. Der Vorteil seriellhybrider Antriebssysteme besteht darin, dass sowohl der elektrische Motor als auch der Verbrennungsmotor bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten laufen können und dadurch in beiden die maximale Leistung oder der maximale Wirkungs ^¬ grad bei gegebenem Verbrauch erzielt werden kann. Um den elektrischen Motor und den Verbrennungsmotor voneinander zu entkoppeln, müssen zwischen Generator und elektrischem Motor Leistungselektroniken bestehend aus mehreren Umrichtern ein- gesetzt werden, durch welche die am Generator generierte

Spannung sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude moduliert werden kann.

Leistungsumrichter weisen üblicherweise Halbleiterbauelemen- te, insbesondere IGBTs und/oder Leistungs-MOSFETs , auf, wel ^¬ che durch kosmische Strahlung stark gefährdet sind. Kosmische Strahlung bildet in typischen Reiseflughöhen von Flugzeugen von ca. 10 Kilometern eine erhebliche Gefahr für Halbleiterbauelemente. Der Fluss der kosmischen Strahlung ist in dieser Höhe um einen Faktor von etwa 20 bis 60 höher ist als auf Meereshöhe. Umrichter scheiden deshalb aufgrund eines sehr wahrscheinlichen Ausfalls regelmäßig aus. Es ist bekannt, diesen Umstand durch eine dauerhafte Vermin ^¬ derung der Betriebsspannung an den Halbleiterbauelementen oder durch eine Vergrößerung der Halbleiterschicht zu umge ^¬ hen. Jedoch wird mit diesen Maßnahmen das Gewicht von Umrich- tern erhöht. Das Leistungsgewicht (Leistung pro Masse) wird dadurch stark verringert, was in der Luftfahrt ein Aus ^¬ schlusskriterium bilden kann. Wird hingegen die Dicke der Halbleiterschicht erhöht, so kann die Wahrscheinlichkeit ei ^¬ nes Ausfalls der Halbleiterbauelemente sogar erhöht sein, da die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit des Halbleitermaterials mit kosmischer Strahlung proportional mit der Dicke ansteigt.

Es ist ferner bekannt, bei Umrichtern Halbleiterbauelemente in Form von SiC- oder GaN-basierten Bauteilen zu verwenden. SiC und GaN haben eine höhere Bandlücke als Si, was zu einer starken Verminderung eines strahlungsbedingten Lawinendurch- bruchs führt. Allerdings sind SiC- und GaN-Bauteile teuer, denn die Kristallstruktur von SiC und GaN ist komplexer als jene von Silizium, sodass das Wachstum und die Bearbeitung dieser Materialien erschwert sind.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Antrieb eines Luftfahrzeugs anzugeben sowie ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Luftfahrzeug anzugeben. Insbesondere sollen das Verfahren und das Luftfahrzeug einen ausfallsicheren Antrieb des Luftfahrzeugs ermöglichen ohne notwendig das Gewicht des Antriebs zu erhöhen. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Luftfahrzeug mit dem in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Antrieb eines Luftfahr ^¬ zeugs nutzt einen Multilevelumrichter mit zumindest zwei Umrichtermodulen. An zumindest einem der Umrichtermodule wird in einem ersten Betriebszustand eine erste Betriebsspannung und in einem zweiten Betriebszustand eine zweite, gegenüber der ersten geringere, Betriebsspannung angelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Erfindungsge ^¬ danken, ein Luftfahrzeug mittels eines etwa Motoren und Gene ^¬ ratoren verbindenden Multilevelumrichters derart anzutreiben, dass der Multilevelumrichter des Luftfahrzeugs stromdimensio- niert ausgelegt ist. Dies bedeutet, dass zwar in einem ersten Betriebszustand, zweckmäßig in Situationen, in welchen das Luftfahrzeug keiner nennenswerten kosmischen Strahlung ausgesetzt ist, das oder die Umrichtermodule des

Multilevelumrichters mit hoher Spannung und reduzierten Strö- men betrieben werden. Jedoch wird in einem zweiten Betriebszustand, vorteilhafterweise in einen solchen Betriebszustand, bei welchem das Luftfahrzeug vermehrt kosmischer Strahlung ausgesetzt ist - etwa sobald eine notwendige Flughöhe er ^¬ reicht ist, eine geringere Spannung für das oder die

Umrichtermodule vorgesehen. Die angelegte Spannung und/oder eine Sperrspannung des Halbleiterbausteins ist die dominie ^¬ rende Einflussgröße auf die Lebensdauer von Halbleiterbauele ^¬ menten bei einem hohen Fluss von kosmischer Strahlung. So ändert sich in Reiseflughöhe bereits bei Spannungsänderungen von wenigen 10 Volt nahe einer Schwellspannung die infolge kosmischer Strahlung im Halbleiterbauteil, etwa in einem IGBT, generierte Ladungsmenge um zwei bis drei Größenordnun ^¬ gen. Diese Ladung lässt das Halbleiterbauteil kurzzeitig lei ^¬ tend werden. Die hierdurch bedingte Hitze zerstört dann das Halbleiterbauteil. Erfindungsgemäß tritt dieser Umstand nicht auf .

Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Multilevelumrichter in zwei oder mehrere Umrichtermodule elektrisch und mechanisch getrennt. So kann bei gleichen

Strömen bezogen auf jeweils ein einzelnes Umrichtermodul mit kleineren Spannungen gearbeitet werden. Somit kann die Wahrscheinlichkeit für die Zerstörung von Halbleiterbauteilen der Umrichtermodule des Multilevelumrichters durch kosmische Strahlung wesentlich reduziert werden.

Vorteilhafterweise können regelmäßig weitere Komponenten von Luftfahrzeugantrieben mit mehreren unterschiedlichen Spannungslagen arbeiten. Die Sicherheit beim Start des Luftfahrzeugs ist zweckmäßig durch eine Überdimensionierung des

Multilevelumrichters gegeben. Sicherheit während des Reise ^¬ flugs hingegen ist durch mehrere redundante und als Umrichter fungierende Umrichtermodule gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine Gewichtserhö ^¬ hung des Antriebs und folglich auch nicht des Luftfahrzeugs. Zugleich lässt sich eine erhöhte Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit komischer Strahlung vermeiden. Der teure Einsatz von Umrichtermodulen mit Halbleiterbauelementen, welche mit SiC und/oder GaN gebildet sind, ist erfindungsgemäß nicht er ^¬ forderlich .

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an zumindest zwei der Umrichtermodule im ers ^¬ ten Betriebszustand je eine erste Betriebsspannung und in ei ^¬ nem zweiten Betriebszustand je eine zweite, jeweils gegenüber der ersten geringere, Betriebsspannung angelegt.

Besonders vorteilhaft sind zumindest das erste und das zweite der zumindest zwei Umrichtermodule austauschbar ähnlich, vor ^¬ zugsweise baugleich, ausgebildet. So können etwa

Umrichtermodule, je nachdem, ob sie im ersten oder im zweiten Betriebszustand betrieben werden, seriell oder parallel ge ^¬ schaltet werden. Zweckmäßig ist der Multilevelumrichter ein Spannungszwischenkreisumrichter .

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an sämtlichen Umrichtermodulen im ersten Betriebszustand je eine erste Betriebsspannung und in einem zweiten Betriebszustand je eine zweite, jeweils gegenüber der ersten geringere, Be ^¬ triebsspannung angelegt. Zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erste und zweite Betriebsspannung gepulst angelegt, wobei die zwei ^¬ te Betriebsspannung gegenüber der ersten Betriebsspannung längere Pulsdauern aufweist. In dieser Weiterbildung der Erfindung wird das reduzierte Spannungsniveau zum einen teil ^¬ weise durch die längere Pulsdauer kompensiert. Zum anderen wird das reduzierte Spannungsniveau zweckmäßig durch einen höheren Strom kompensiert.

Bevorzugt wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Multilevelumrichter zur Umrichtung einer generierten Wechselspannung eines Generators in eine einen Antriebsmotor speisende Wechselspannung herangezogen. In dieser Weiterbildung der Erfindung wird der Multilevelumrichter dazu herangezogen, Wechselspannung, etwa zur geeigneten Anpassung der Frequenz zwischen Generator und Antriebsmotor, umzurichten. Zweckmäßig ist der Multilevelumrichter ein Spannungszwischenkreisumrich- ter mit Submodulen, welche mittels Leistungshalbleiterbautei- len schaltbar sind. Zweckmäßig werden bei dem erfindungsgemä ^¬ ßen Verfahren die Leistungshalbleiterbauteile mittels

Pulsweitenmodulation oder mittels einer sonstigen Modulation geschaltet . Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Betriebszustand während oder nach einem Start herbeigeführt und/oder vor oder während einer Landung des Luftfahrzeugs beendet. In dieser Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der zweite Betriebszustand ganz oder vorwiegend auf die Phase des Reiseflugs des Luftfahr ^¬ zeugs. Gerade in dieser Phase ist der Multilevelumrichter des Flugzeugs einem hohen Fluss kosmischer Strahlung ausgesetzt, sodass in dieser Weiterbildung der Erfindung das oder die Submodule in der Phase des Reiseflugs vor kosmischer Strah- lung geschützt sind. Weiterhin erfordert der Reiseflug keine maximale Leistungsbereitstellung wie es die Phasen des Starts und ggf. auch der Landung erfordern. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die mittels des

Multilevelumrichters bereitgestellte Leistung in zweitem Be ^¬ triebszustand höchstens 80 Prozent der Maximalleistung im ersten Betriebszustand, bevorzugt beträgt die Leistung im zweiten Betriebszustand höchstens 70 Prozent und idealerweise höchstens 60 Prozent. Regelmäßig ist der Leistungsbedarf beim Reiseflug erheblich geringer als beim Start. Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der erste Betriebszustand vor und/oder während zumindest eines Teils des Starts des Luftfahrzeugs und/oder vor und/oder während zumindest eines Teils der Landung des Luftfahrzeugs herbeige ^¬ führt. In dieser Weiterbildung der Erfindung wird gerade in denjenigen Flugphasen, in denen sofortige Leistungsbereitstellungen erforderlich werden können, eine hohe Maximalleistung ermöglicht.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der zweite Betriebszustand oberhalb einer Mindesthöhe des Luft ^¬ fahrzeugs herbeigeführt. Die Flughöhe des Luftfahrzeugs über dem Meeresspiegel ist der dominierende Parameter für den Strom kosmischer Strahlung, dem das Luftfahrzeug ausgesetzt ist .

Zweckmäßig wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Antrieb eines Hybridflugzeuges durchgeführt. Gerade bei Hybridflug ^¬ zeugen stellt sich das Problem einer Umsetzung von Generatorleistung in Motorleistung mittels Umsetzern.

Der Vorteil eines solchen Hybridflugzeugs liegt darin, dass diese Leistungsspitzen durch eine Batterie bedient werden, während der Generator und die Turbine deutlich kleiner und sparsamer ausgelegt werden können.

Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug weist einen Elektroantrieb auf, welcher zumindest einen

Multilevelumrichter mit mindestens zwei Umrichtermodulen um- fasst. Die mindestens zwei Umrichtermodule sind jeweils zur Speisung in einem ersten Betriebszustand mit einer ersten Be- triebsspannung und in einem zweiten Betriebszustand mit einer zweiten, gegenüber der jeweils ersten geringeren, Betriebsspannung ausgebildet und verschaltet.

Die Vorteile des vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens gelten für das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ent ^¬ sprechend .

In vorteilhafter Weiterbildung ist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug eine Steuereinrichtung vorhanden, welche ausge- bildet ist, in Abhängigkeit von der Flughöhe oder eines Flug ^¬ manövers, insbesondere abhängig von einem eingeleiteten oder bevorstehenden Start- oder Landevorgang, jeweils den ersten und/oder den zweiten Betriebszustand zu schalten. Zweckmäßig setzt die Steuereinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren wie oben beschrieben um. Geeigneter weise erhält die Steuereinrichtung als Eingangsgröße ein Maß für die Flughöhe des Luftfahrzeugs, welches mittels eines Erfassungsmittels er- fasst wird. Abhängig von dem Maß für die Flughöhe wird der erste und/oder zweite Betriebszustand geschaltet.

Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ein Flugzeug, insbesondere ein hybridelektrisches Flugzeug.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Luftfahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem

Multilevelumrichter schematisch in einem Blockschaltbild, Fig. 2 den Multilevelumrichter des Luftfahrzeugs gem. Fig. 1 schematisch in einem Blockschaltbild sowie

Fig. 3 ein Umrichtermodul des Multilevelumrichters gem.

Fig. 2 schematisch in einem Blockschaltbild.

Das in Fig. 1 dargestellte Luftfahrzeug ist ein hybridelekt ^¬ risches Flugzeug 10 und weist einen Antriebsstrang 20 auf. Der Antriebsstrang 20 umfasst eine Turbine 30, welche wie an sich bekannt im Bedarfsfall mittels Verbrennung von Treib ^¬ stoff mechanische Rotationsenergie bereitstellt und einem Ge ^¬ nerator 40 zur Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie übermittelt. Der Generator 40 stellt die elekt ^¬ rische Energie mittels einer ausgangsseitigen Wechselspannung zur Verfügung.

Der Generator 40 speist einen Gleichrichter 50, der die Wechselspannung des Generators 40 gleichrichtet. Anstelle eines Gleichrichters 50 kann in einem weiteren, nicht eigens darge- stellten Ausführungsbeispiel ein aktiver Umrichter vorgesehen sein. Mittels der gleichgerichteten Spannung wird im Falle überschüssiger mittels des Generators 40 bereitgestellter Energie eine elektrische Batterie 60 des hybridelektrischen Flugzeugs 10 geladen. Die Batterie 60 ist als dauerhafte Energiequelle des Elektroflugzeugs 10 vorgesehen. Im Falle einer Entleerung der Batterie 60 oder eines stark ansteigenden Energiebedarfs können die Turbine 30 und der Generator 40 zur ergänzenden Energieversorgung hinzugezogen werden. Abtriebsseitig von Gleichrichter 50 und Batterie 60 ist an diese ein modular aufgebauter Multilevelumrichter 70 angebunden, welcher die von Gleichrichter 50 und/oder Batterie 60 gelieferte Gleichspannung in eine zum Betrieb eines Propel ^¬ lermotors 80 des Flugzeugs 10 taugliche Wechselspannung ge- eigneter Frequenz umrichtet. Der Propellermotor 80 ist mechanisch zum Antrieb eines Propellers 90 des Flugzeugs 10 ange ^¬ bunden . Der Multilevelumrichter 70 bildet einen Spannungszwischen- kreisumrichter, welcher (s.a. Fig. 3) je Phase U, V, W jeweils drei parallel geschaltete Serienschaltungen von jeweils zwei Umrichtermodulen SM aufweist. Die einzelnen

Umrichtermodule SM umfassen jeweils zwei mittels IGBTs (IGBT = engl. „ insulated-gate bipolar transistor ) realisierte Schalter TO, Tl mit zwei Freilaufdioden DO, Dl. Grundsätzlich können in weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dargestellten entsprechen, auch andere Transistoren, bei- spielsweise Leistungs-MOSFETs , als Schalter eingesetzt wer ^¬ den. Mittels einer Pulsweitenmodulation (grundsätzlich können in weiteren Ausführungsbeispielen auch andere Modulationsverfahren zum Einsatz kommen) werden die Schalter TO, Tl geschaltet. Die hier am Kondensator C anliegende Zwischenkreis- Spannung V _c des Zwischenkreises zwischen P und N wird mittels des Umrichtermoduls SM jeweils in die Phasenspannung V _SM ei ^¬ nes Umrichtermoduls umgesetzt.

In der Regel fordert der Propellermotor 80 während des Fluges des Flugzeugs 10 ein sehr vorhersehbares Lastprofil: So tre ^¬ ten nur am Anfang während eines Starts und eines Steigflugs des Flugzeugs 10 Leistungsspitzen auf. Während der übrigen Flugzeit, insbesondere während des Reisefluges werden nur ca. 60 % dieser Leistung benötigt.

Entsprechend werden Leistungsspitzen mittels der Batterie 60 bedient, während Turbine 30 und Generator 40 kleiner dimen ^¬ sioniert sind. Die Leistung, die den Propellermotor 80 speist, wird mittels des Multilevelumrichters 70 über den Strom des

Multilevelumrichters 70 gesteuert, indem an einzelne Halblei ^¬ terbauelemente von Submodulen des Multilevelumrichters 70, hier an die Schalter TO, Tl, Spannungspulse angepasster Höhe und Länge geschaltet werden.

Diese Spannungen erweisen sich bei großen Flughöhen des Flugzeugs 10 als sehr kritisch: Grundsätzlich nimmt ab einer be- stimmten Flughöhe des Flugzeugs 10 aufgrund der kosmischen Strahlung die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schalter TO, Tl stark zu. Dabei hängt die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der kosmi ^¬ schen Strahlung bei einer solchen Flughöhe mit der jeweils anliegenden Spannung zusammen: Wird ein bestimmter Wert der Spannung überschritten, so wird bei der Wechselwirkung des Halbleiterbauteilsmit kosmischer Strahlung so viel Ladung im Halbleiterbauteil generiert, dass dieses kurzzeitig leitend wird und durch Erhitzung permanent zerstört wird.

Beim Multilevelumrichter 70 des erfindungsgemäßen Flugzeugs 10 tritt dieses Problem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfah- ren, mittels welchem der Mutlilevelumrichter 70 gesteuert wird, nicht auf.

Das Flugzeug 10 wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nun wie folgt angetrieben:

Da sich das Flugzeug 10 während des Starts und während des Beginns des Steigflugs noch immer eine vergleichsweise gerin ^¬ ge Höhe erreicht, ist der Teilchenfluss der kosmischen Strah ^¬ lung am Ort des Flugzeugs 10 und somit am Ort des

Multilevelumrichters 70 sehr klein (zum Vergleich: der Teil- chenfluss ist auf Meeresniveau etwa um den Faktor 150 kleiner als bei 12 Kilometern Höhe) .

Folglich ist der Teilchenfluss der kosmischen Strahlung beim Start und beim anfänglichen Steigflug des Flugzeugs 10 un ^¬ problematisch .

Beim Reiseflug bei 12 Kilometern Flughöhe, also der typischen Reiseflughöhe, hingegen ist die kosmische Strahlung besonders kritisch: Um dem zu begegnen, wird die Flughöhe des Flugzeugs 10 mittels einer in der Zeichnung nicht explizit dargestell ^¬ ten Steuereinrichtung kontinuierlich erfasst. Oberhalb einer Schwellhöhe, welche das Flugzeug 10 nach dem Start und während des Steigfluges passiert, wird nun die am Zwischenkreis des Multilevelumrichters 70 anliegende Spannung und folglich auch die Spannung V _c an den Umrichtermodulen SM des Multilevelumrichters 70 abgesenkt, sodass die

Umrichtermodule SM in diesem Betriebszustand mit Spannungs ^¬ pulsen mit abgesenkter Spannung geschaltet sind. Dabei werden die Spannungspulse zugleich mit jeweils länger andauernder Pulsdauer geschaltet. Um die geforderte Leistung bereitzu- stellen, fließen zudem höhere Ströme, welche auf mehrere ein ^¬ zelne, kleinere Submodule 200 des Multilevelumrichters 70 verteilt werden. Details des Multilevelumrichters 70 sind beispielhaft in Fig. 3 dargestellt.