Erforschung von Batterietests für die Luftfahrt

Mar 27, 2023

Worte von Jonathan Dyble

Alternative Treibstoffe in der Luftfahrt beginnen zunehmend an Bedeutung zu gewinnen. Im November 2021 brachen Ingenieure von Rolls Royce mit Spirit of Innovation den elektrischen Geschwindigkeitsrekord. Das modifizierte Sportflugzeug, ausgestattet mit der neuesten Batterietechnologie und einem vollelektrischen Antriebsstrang, erreichte eine Geschwindigkeit von 555,9 km/h (345,4 Meilen pro Stunde). Es ist nun weit über ein Jahr her, dass dieses Kunststück und die Technologien für den Elektroantrieb erreicht wurden und Hybridflugzeuge entwickeln sich immer weiter. Beispielsweise wird erwartet, dass das vollelektrische Experimentalflugzeug X-57 der NASA, das Lithiumbatterien verwendet, um Elektromotoren für 14 Propeller anzutreiben und sich auf die Untersuchung der Auswirkungen verteilter elektrischer Antriebe konzentriert, bald fliegen wird.

Trotz der Probleme rund um die Elektrifizierung gehen Brancheninsider davon aus, dass Elektroflugzeuge mittelfristig für kommerzielle Kurzstreckenflüge geeignet sind.

Allerdings stehen Flugzeughersteller, die elektrische Antriebssysteme entwickeln, sowohl Hybrid- als auch Elektroantriebe, weiterhin vor vielen Herausforderungen. Von der Entscheidung, welche Batteriezellen verwendet werden sollen, über die Konfiguration der Zellen, die Optimierung von Größe, Gewicht und Leistung bis hin zur genauen Beurteilung der Leistung der Batterien in realen Anwendungsfällen müssen Ingenieure bei der Entwicklung ihrer Teststrategien noch viele neue Technologien und Ansätze erkunden Endprodukte.

Windkanaltests validierten die Leistung des Propellers und der Kühlprozesse des Elektromotors für den Airbus EcoPulse (Bild: Airbus)

Glücklicherweise ebnet der Sektor der Elektrofahrzeuge (EV) den Weg für schnellere Fortschritte. Lithium-Ionen-Batterietechnologien, vor allem für Elektrofahrzeuge, haben sich in den letzten 15 Jahren dramatisch weiterentwickelt. Das US-Energieministerium (DOE) schätzt, dass der Preis für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge im Jahr 2022 rund 89 % niedriger war als im Jahr 2008. Bloomberg prognostiziert, dass die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien in diesem Jahr unter 100 US-Dollar/kWh und unter 61 US-Dollar sinken werden /kWh bis 2030, bis dahin werden sie Preisparität mit herkömmlichen Kraftstoffmodellen erreichen, falls dies nicht bereits geschehen ist.

Allerdings ist es schwierig, diesen Fortschritt aus der Automobilbranche auf die Luft- und Raumfahrtbranche zu übertragen. Dabei geht es nicht einfach darum, die für den Automobilbereich zugelassenen Batterien für den Einsatz in Flugzeugen hochzuskalieren.

„Die Technologie, die den Batterien auf Zellebene zugrunde liegt, ist im Grunde die gleiche für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie. Doch in der ersten Phase der Elektrifizierung der Luft- und Raumfahrt führen die verschiedenen Anwendungen zu erheblichen Veränderungen in allen Elementen der Design-, Entwicklungs-, Herstellungs- und Zertifizierungsprozesse“, erklärt Martin Dowson, Chefingenieur und Leiter der Batteriesystemtechnik und -forschung bei WMG im Vereinigten Königreich.

WMG ist eine akademische Abteilung an der University of Warwick, die seit ihrer Einführung EV-Batteriepakete für Automobilhersteller testet und nun zunehmend auch den Luft- und Raumfahrtsektor bedient. Dowson ist mit den technischen und regulatorischen Herausforderungen rund um den Batterieeinsatz in Flugzeugen bestens vertraut.

„Luft- und Raumfahrtunternehmen müssen tatsächlich nachweisen, dass Batterien sicher sind, während sich Automobilunternehmen eher auf das Bestehen diskreter Sicherheitstests konzentrieren“, sagt er.

„Autos haben nur ein Batteriepaket pro Fahrzeug, während Flugzeuge ein Energiespeichersystem benötigen, das aus mehreren Paketen besteht und so konfiguriert ist, dass es robust gegenüber dem Ausfall einzelner Elemente ist. Darüber hinaus sind sowohl auf System- als auch auf Paketebene wichtige Funktionen von einem Automobilpaket wird in einer Luft- und Raumfahrtanwendung sicherheitskritisch werden.“

Hier weist Dowson auf die Bedeutung von SOX (State Of X) hin, einer modellbasierten Schätzung verschiedener Batteriezustände wie Ladezustand (SOC), Energiezustand (SOE), Leistungszustand (SOP) und Gesundheitszustand (SOH). SOX bietet Einblicke in den Zustand und die Leistung von Zellen in modernen Batteriemanagementsystemen.

„Im Automobilbereich weist SOX einen Fehlermodus auf“, sagt Dowson. „Dies kann zur Unzufriedenheit der Kunden führen, da beispielsweise die Leistung des Fahrzeugs bei niedrigen Ladezuständen etwas nachlassen kann.“

„Aber in einer Luft- und Raumfahrtanwendung werden diese Daten von entscheidender Bedeutung für die Fähigkeit eines Flugzeugs, sicher zu landen oder Abbruchszenarien durchzuführen – energie- und leistungshungrige Operationen. Bei Automobilanwendungen können Fahrer langsamer werden und nach Hause humpeln. Flugzeuge sind nicht erschwinglich.“ dieser Luxus.“

Das höhere Risikoszenario des Fliegens bedeutet, dass der Luft- und Raumfahrtsektor alternative Batterietechnologien und -techniken benötigt. Die Prüfstandards sind deutlich höher, wenn Ausfälle und Irrtümer eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, katastrophale Vorfälle zu verursachen.

„Durch Batterietests wird in der Regel die Eignung der Batterie für die beabsichtigte Anwendung ermittelt. Dieser Prozess wird als Qualifikationstest bezeichnet“, sagt Michael Galea, Professor für elektrische Maschinen und Antriebe am Fachbereich industrielle Stromumwandlung an der Universität Malta.

„Während der Qualifizierungstests müssen die Batteriekapazität, der Innenwiderstand und das Ausmaß der Selbstentladung ermittelt werden, die allesamt Indikatoren für den Gesundheitszustand der Batterie sind. Zu den Tests gehören unter anderem Zyklustests und die Messung von Batterieparametern, wie etwa der während des Gebrauchs erzeugten Wärme.“ "

Ohne eine universelle beste Batterietechnologie für Elektroflugzeuge und weil unterschiedliche Anwendungsfälle unterschiedliche Lösungen erfordern, besteht die größte Herausforderung für Ingenieure darin, die Eignung von Batterien für ihre Luft- und Raumfahrtanwendungen zu beurteilen.

Wichtige Entscheidungen müssen darüber getroffen werden, welche Art von Batteriezellen für ihr Flugzeug am besten geeignet sind, wie sie konfiguriert und integriert sind und wie ihre Größe, ihr Gewicht und ihre Leistung optimiert werden, wobei der Sicherheit Priorität eingeräumt werden muss. Galea sagt: „Ein Ingenieur muss die Leistung im Hinblick auf Folgendes berücksichtigen.“ Leistungsdichte und Energiedichte sowie Sicherheit im Hinblick auf Angemessenheit, Zuverlässigkeit, Überwachung des Ladezustands und des Gesundheitszustands, mit zugehörigen Backup-Plänen im Falle einer Verschlechterung.

„Dennoch sind Sicherheit und Leistung zwei Designziele, die sich in der Luft- und Raumfahrt oft widersprechen. Während die Angabe einer Batterie in kWh/kg für die Industrie attraktiv ist, kann eine höhere kWh/kg ein erhöhtes Risiko von thermischen Problemen und Verlusten bedeuten.“ der Stromversorgung zum Antrieb der Flugzeugsysteme.“

Der Innovationsgeist von Rolls-Royce nutzte über 6.000 Zellen – das energiedichteste Batteriepaket, das jemals für ein Flugzeug gebaut wurde (Bild: Rolls-Royce)

Pipistrel, Hersteller des Velis Electro, des weltweit ersten und einzigen Muster-zertifizierten Elektroflugzeugs, hat hart daran gearbeitet, ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Sicherheit zu finden. Das Unternehmen wurde 2022 vom US-Luftfahrtriesen Textron übernommen.

„Wir haben die Entwicklung von Lithiumbatterien vor mehr als 15 Jahren mit kommerziellen Standardzellen begonnen“, sagt Tine Tomažič, Group Chief Technology Officer und Direktorin für Forschung und Entwicklung bei Pipistrel Vertical Solutions.

„Pipistrel hat Prozesse entwickelt, um geeignete Kandidaten für Batteriezellen zu identifizieren. Zu diesen Tests gehören Leistungsprüfungen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und Batteriealterung mit unterschiedlichen Lade-/Entladeprofilen. Wir testen auch die Robustheit in heißen und kalten Umgebungen und bei Einwirkungen, testen die Entlüftungseigenschaften und führen weitere Tests durch kalorimetrische Abflussauswertungen.“

Galea ist davon überzeugt, dass der beste Weg, jede dieser Eigenschaften und auch andere erfolgreich zu testen, darin besteht, genaue Modelle der Batteriezellen selbst zu bauen, sie als Batteriepakete zu verpacken und diese Modelle in das Flugzeug oder die Flugzeug-Subsystemmodelle zu integrieren.

„Elektrochemische Modelle, die experimentell validiert werden, sind am genauesten und können für das Design und die Lebensdaueranalyse verwendet werden“, sagt Galea. „So früh wie möglich sollte eine Auswahlliste von Kandidatenzellen anhand der Missionsprofile getestet werden, um die Leistung und Verschlechterung zu verstehen, bevor der Beschaffungs- und Verpackungsdesignprozess zu weit nach unten geht.“

„Die vollständige Charakterisierung einer Zelle ist ein drei- bis sechsmonatiger Prozess. Dies liegt daran, dass das Verhalten einer Zelle empfindlich auf Ladezustand, Temperatur, Leistungsabgabe und Alterung reagiert.“

Tests vor der Bewerbung sind nur ein Teil des Puzzles. Die Analyse ist ebenso wichtig wie die Implementierung, um zu beurteilen, ob eine Batterie erfolgreich eingesetzt wurde, da sie die Identifizierung von Verbesserungsmöglichkeiten oder Anwendungen ermöglicht, bei denen in zukünftigen Projekten möglicherweise Alternativen erforderlich sind.

Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Ingenieure neben ersten Testbemühungen auch daran arbeiten, die Leistung von Batterien in realen Anwendungsfällen zu beurteilen. Es wird erwartet, dass die Aktivitäten in diesem Bereich in den kommenden Jahren zunehmen, da elektrifizierte Flugzeuge näher an den Markt rücken.

Auch hier arbeiten die Ingenieure von Pipistrel intensiv an dieser Front und haben mehrere Schwerpunktbereiche identifiziert, in denen Verbesserungen an den bestehenden Modellen möglich sind.

„Wir arbeiten derzeit in verschiedenen Richtungen, wenn es um die Batterieentwicklung geht“, erklärt Tomažič. „Dazu gehören mehrere Forschungsprogramme rund um die Batteriechemie, die Optimierung der strukturellen Integration, thermodynamische Optimierungen wie Flüssigkeits- und Hybridkühlung, bedarfsgesteuerte Wartung mit längeren Batterielebensdauern und Überlegungen zur Nachhaltigkeit des Lebenszyklus mit Lösungen für das zweite Batterieleben.“

Die Fortschritte an diesen Fronten sind positiv. Aber die Luft- und Raumfahrtindustrie muss ihren eigenen Übergang zu Netto-Null-Anwendungen planen. Darüber hinaus müssen Ingenieure genau untersuchen, welche Technologien angesichts der differenzierten Anforderungen des Sektors für Flugzeuge am effektivsten funktionieren.

Pipistrels Velis Electro ist ein elektrisches Trainingsflugzeug, das von einem flüssigkeitsgekühlten 24,8-kWh-Batteriepaket angetrieben wird und 72 kg wiegt (Bild: Pipistrel)

Für Galea erfordert dies kreatives Denken von außen und den Einsatz neuartiger, innovativer Entwicklungstechniken und Technologien wie digitale Zwillinge, hochpräzise Modelle und Hardware-in-the-Loop-Systeme.

„Zukünftig sollte das Testen von Batterien nur noch dazu dienen, bestimmte Aspekte neuer Produkte experimentell zu validieren und nachzuweisen, dass die Daten korrekt in die oben genannten Systeme eingegeben werden“, skizziert er seine Vision.

„Die Anforderungen an Elektroflugzeuge müssen hinsichtlich der Energiedichtefähigkeit und der Zuverlässigkeit für die Zertifizierung um eine Größenordnung verbessert werden.

„Dies kann heute nur durch eine Änderung der Designprozesse erreicht werden, vom traditionellen Design, der Herstellung und der Zerstörungsprüfung von Mustern hin zu Prozessen, bei denen alle Designziele von Beginn des Entwicklungsprozesses an einbezogen werden.“

Zweifellos wird eine Kombination verschiedener Methoden erforderlich sein, und es ist noch ein langer Weg, um die derzeitige Leistungslücke bei Flugzeugen zu schließen. Galea sieht in Hybridanwendungen die realistischsten Lösungen für den kommerziellen Einsatz in naher Zukunft.

„Die derzeit im Einsatz befindlichen Flugzeuge mit dem höchsten elektrischen Energiebedarf erfordern eine Gesamtstromerzeugungskapazität von 1 MW an Bord. Es wird jedoch geschätzt, dass für Verkehrsflugzeuge wie einen A320 oder eine B737 die Antriebsleistung, die für eine vollelektrische Version erforderlich wäre, etwas höher wäre.“ in der Größenordnung von 40 MW“, sagt Galea.

„Aus der Perspektive der Batterien und der elektrischen Komponenten wird der Weg in die Zukunft wahrscheinlich nicht in vollelektrischen Fahrzeugen liegen, außer bei Leichtflugzeugen und Modellen mit bis zu 50 bis 100 Passagieren.“

Die wahrscheinlichen Lösungen werden Hybrid- oder turboelektrische Flugzeuge sein.“

Galea schätzt, dass die Industrie Batteriezellen mit einer Leistung von mindestens 400 Wh/kg benötigt – etwas, mit dem wir wirklich erst in etwa fünf Jahren rechnen können –, um diese Plattformen zu erreichen. In diesem Sinne bleibt die Branche in diesem Bereich in Bezug auf Batterien sehr aufmerksam.