Grumm, Florian

Electrification of aviation with fuel cells requires a redundant and fail-safe system design. To achieve this, multi-3phase systems can offer advantages through segmentation and redundancy. Fuel cell systems, directly coupled to the machine segments without additional batteries, enable additional increases in energy and power density. In this work, multi-source multi-3-phase propulsion system architectures are presented, tested and validated, which show advantages regarding the redundancy of propulsion systems. It is shown that the system is able to compensate multiple failing segments during partial loading.

Zur Messung der zeit- und frequenzabhängigen Netzimpedanz werden an der Professur für elektrische Energiesysteme der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg mobile Messanlagen für die Mittel- und Hochspannung entwickelt. Diese Arbeit beschreibt den Lösungsansatz zum Erlangen der Spannungsfestigkeit der 110-kV-Messanlage unter dem Einsatz minimaler Mittel und der Verwendung des bestehenden Designs.

Der Luftfahrt stehen in naher Zukunft einige notwendige Veränderungen bevor. Während die Flugkilometer voraussichtlich weiter steigen werden, müssen die Emissionen global drastisch gesenkt werden. Neben Antriebssystemen, die die Emissionen reduzieren, scheint das Ziel des emissionsfreien Fliegens nur durch elektrische Antriebe realisierbar zu sein. Eine hier untersuchte Möglichkeit stellt das Fliegen mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen dar. Mithilfe von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien kann ein Antriebssystem ohne CO₂ oder NOₓ Emissionen verwirklicht werden. Dazu wird ein neuartiges Antriebssystem nach dem H₂-to-Torque-Konzept vorgestellt, wodurch auf eine vereinfachte Elektronik ohne Gleichspannungswandler zurückgegriffen werden kann. Durch ein Multisegment-System enthält das Antriebssystem eine inhärente Redundanz, die im Fehlerfall den sicheren Betrieb weiterhin gewährleistet. Die elektronische Architektur beinhaltet Motor String Power Control Units, welche den hybriden elektrischen Energiefluss aus Brennstoffzelle und Batterie regeln. Nachgeschaltet sind jeweils Motor Control Units, die die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandeln, um den Elektromotor anzutreiben.

Diese Veröffentlichung beschreibt den Aufbau, die Vermessung und die Bewertung von Netzimpedanznachbildungen zur Analyse von Störaussendungen von elektrischen Verbrauchern der Niederspannungsebene. Grundlage für den Amplituden- und Phasengang der Netzimpedanz ist die Norm DIN IEC/TS 62578, die für Frequenzen bis 9 kHz gültig ist. Da die Impedanznachbildung aus einem Netzwerk aus passiven Bauteilen besteht, wird der Einfluss von Bauteiltoleranzen auf den Amplituden- und Phasengang der Impedanz untersucht. Dafür werden mittels Parametervariation alle Kombinationen der Toleranzen simuliert, um die maximalen Abweichungen vom definierten Verlauf zu bestimmen. Aus dem Vergleich der Vermessung mit den Simulationen der Bauteiltoleranzen sind Optimierungspotentiale für die Netznachbildung ableitbar.

The electrical power for conventional commercial aircraft is typically generated as a desired by-product of thrust generation by combustion engines. Thereby, generators driven by the engines supply power to the aircraft´s electrical system. In order to reduce climate damaging emissions, aircraft manufacturers develop hydrogen-powered aircraft propulsion systems, such as the H2-to-Torque-Concept. Parallel fuel cells are coupled to the electric motor via parallel inverter. In this concept, the central generators for the aircraft electrical system are missing. Hence, the aircraft electrical system has to be powered by a different source. One solution is to integrate fuel cell systems in the conventional onboard power supply. This paper looks at how a fuel cell system can power a conventional aircraft electrical system with a mains AC voltage.

Multi-3-phase PMSM with isolated inverters and controls per 3-phase machine segment are beneficial for electric aviation, providing redundancy and segregation. Partial operation of machine segments can further be utilized for efficiency optimization. Thus, synchronization techniques are required for the re-startup of machine segments, and re-synchronization to the rotation machine. This work proposes a technique for sensorless non-intrusive segment synchronization of segmented multi-3-phase PMSM. A sensorless, non-intrusive and signal-less synchronization using BEMF measurement and an SMO input signal switchover is implemented and validated using a pHiL test setup for up to six 3-phase machine segments.

To increase the service life or durability of PEM fuel cells, no-load operation at open circuit voltage has to be avoided to reduce destructive electrochemical effects. This paper shows two approaches to realize a regulated base-load with a fuel cell protection unit for application in aircraft multi-powertrain-concepts. Firstly, a clocked MOSFET in the form of a chopper circuit, and secondly, a MOSFET in linear operation as current source. This contribution describes the design concept of both approaches and the validation of prototypes in a laboratory pHiL-environment. Both approaches are proven to be viable solutions, with the current source approach resulting in smoother operation.

Dieser Applikationshinweis beschreibt die Gefahr, die bei unzureichender Überstrom-Absicherung von DC-SPDs in DC-Schnell-Ladesystemen besteht. DC-Schnell-Ladesysteme verbinden sich direkt mit der Traktionsbatterie eines elektrischen Kraftfahrzeuges. Tritt ein niederohmiger Kurzschluss des DC-SPD‘s auf, speist die Traktionsbatterie den entstehenden Kurzschlussstrom. Aufgrund der hohen Kurzschlussströme von Traktionsbatterien im Kiloampere-Bereich entsteht bei unzureichender Überstrom-Absicherung des DC-SPD‘s eine Brandgefahr innerhalb des DC-Schnell-Ladesystems. In diesem Beitrag werden zwei Maßnahmen zur Überstrom-Absicherung der DC-SPDs vorgestellt, um die Brandgefahr zu vermeiden.

Hydrogen fuel cells have become one of the most viable power sources for electric aircraft. Models representing the electrical behavior of the fuel cell stack over the full dynamic operation region are essential for the development of power electronic energy systems powered by fuel cell stacks. This work presents an electrical equivalent circuit model for PEM fuel cell stacks representing the static and dynamic electrical behavior of the fuel cell stack under pulsed loads up to frequencies of 10 kHz. Dynamic phenomena on time scales slower than the considered timescale of power-electronic switching, such as reactant flow, membrane hydration, and temperature effects, are considered stationary. The parameterization method proposed is developed on measured data from a 110 W PEM fuel cell stack and validated with a set of measured data from a 2 kW stack. The time-domain simulated behavior of the parameterized model shows an accurate representation of the measured behavior: the parameterized model reproduces both the static polarization behavior and the behavior under high-frequency pulsed loading with errors of less than 1% with respect to the nominal stack voltage. The model is suitable for dynamic simulation of power electronic systems directly connected to fuel cell stacks and can be parameterized without special electrochemical impedance spectroscopy measurements.

DC chargers shorten BEV charging time compared to onboard chargers due to their higher power. The shortened charging time is beneficial for public charging hubs with multiple charge points, as it increases the number of BEVs that can be charged per day. As the DC chargers of public charging hubs are mostly located outdoors, SPDs must be installed to protect the chargers and BEVs from transient overvoltages. In this paper the options to protect SPD from short circuit currents, considering the SPD configuration in DC chargers connected to BEV, is analyzed.