BeHyPSy

Die Luftfahrt steht vor der Herausforderung, Emissionen deutlich zu reduzieren, ohne dabei an Leistungsfähigkeit und Sicherheit einzubüßen. Insbesondere hybride, wasserstoffbasierte Antriebssysteme bieten hierfür ein großes technisches Potenzial. Im Forschungsprojekt BeHyPSy entwickelt die HAW Hamburg gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung innovative hybrid-elektrische Antriebsarchitekturen für Ultraleichtflugzeuge. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Systementwicklung und Modellierung
Im Zentrum des Projekts steht die modellbasierte Systementwicklung (MBSE). Dafür wurden umfassende Anforderungen sowohl an das Flugzeug als auch an das Antriebssystem definiert und in einer durchgängigen Systemarchitektur mit zentralem Schnittstellenmanagement abgebildet. Ein gemeinsames Architekturmodell beschreibt alle relevanten Komponenten sowie deren Wechselwirkungen und bildet die zentrale Grundlage für die Zusammenarbeit im gesamten Projektverbund.

Auf dieser Basis werden detaillierte Simulationsmodelle der wesentlichen Teilsysteme entwickelt, zu denen ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem, das Batteriesystem, die Leistungselektronik sowie der Elektromotor gehören. Alle Modelle werden in einer übergeordneten Integrationsplattform zusammengeführt, die als „System of Systems“ komplexe Wechselwirkungen bereits in einer frühen Entwicklungsphase virtuell abbildet und analysierbar macht. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Echtzeitfähigkeit der Modelle, da diese eine spätere Nutzung im Hardware-in-the-Loop-Betrieb ermöglichen sollen.

Architekturoptimierung
Ein wesentlicher innovativer Ansatz im Projekt ist die Entwicklung von Multi-String-Antriebsarchitekturen, bei denen mehrere Antriebssegmente parallel einen Elektromotor speisen. Dadurch wird eine flexible Leistungsverteilung ermöglicht, die sowohl Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit als auch hinsichtlich Redundanz bietet.

Zur Auslegung dieser Architekturen kommen numerische Optimierungsverfahren zum Einsatz. Mithilfe genetischer Algorithmen werden unterschiedliche Systemkonfigurationen systematisch untersucht und hinsichtlich Gewichts, Effizienz und thermischen Randbedingungen bewertet. Auf diese Weise können optimale Architekturkonzepte identifiziert und bestehende Zielkonflikte analysiert werden.

Teststand und Validierung
Zur experimentellen Absicherung der entwickelten Konzepte wird an der HAW Hamburg ein skalierter Wasserstoff-Teststand aufgebaut. Das dort untersuchte Antriebssystem entspricht der im Simulationsmodell betrachteten Architektur. Die erzeugte Drehmomentabgabe wird über einen Bremsmotor sowie eine elektrische Last abgeführt, wodurch realistische Fluglastprofile im Teststand nachgebildet werden können.

Die Kopplung von Simulation und realer Hardware erfolgt über Hardware-in-the-Loop. Dabei werden physische Komponenten mit virtuellen Modellen verbunden, sodass das Gesamtsystem unter realitätsnahen Bedingungen untersucht werden kann. Dadurch lassen sich Systemverhalten detailliert analysieren, Fehlerfälle gezielt untersuchen sowie Regelungsstrategien validieren und optimieren.

Verwertung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wird eine Promotionsverfahren zur Optimierung der Architektur und Betriebsstrategie hybridelektrischer Antriebstränge durchgeführt. Studierende können zudem über zahlreiche Studien-, Projekt- und Abschlussarbeiten, aktiv an aktuellen Fragestellungen der hybridelektrischen Antriebstechnik mitwirken. 
Die Projektergebnisse fließen zudem direkt in die Lehre der HAW Hamburg ein und werden in Modulen wie Elektrotechnik, Messtechnik, Regelungstechnik und Flugzeugsysteme im Studiengang Flugzeugtechnik eingesetzt. 

Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts BeHyPSy:
https://reposit.haw-hamburg.de/cris/project/pj05244