Architektur- und Systemoptimierung



Einleitung

Während der Architekturentwurfs werden verschiedene Varianten auf ihre Vor- und Nachteile untersucht. Je nach Problem werden zu jeder Variante unterschiedliche Studien durchgeführt, beispielsweise die Festlegung der dimensionierenden Betriebszustände und -lasten, die Abschätzung des Gewichts oder Sicherheitsanalysen.

In diesem Kontext werden Architektur- und Systemoptimierung genutzt. Diese Methoden liefern Antworten auf die Frage nach dem bestmöglichen Entwurf. Im allgemeinen umfasst dies die Aspekte der Topologie (“Welche Subsysteme und Komponenten werden auf welche Art miteinander verschaltet?”), Dimensionierung (“Wie sind die internen und externen Geometrien und Abmessungen der relevanten Komponenten?”) sowie Betriebsmanagement (“Wie wird das System in allen relevanten Fällen betrieben?”)

Die Entscheidungen im frühen Entwurf haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und den Wert jedes Produktes. Architektur- und Systemoptimierungsmethoden sind in dieser Hinsicht sehr wertvoll, speziell für hochintegrierte Systeme. Diesbezüglich sind elektrifizierte Flugzeugsysteme unter den herausforderndsten Anwendungen. Zusammen mit Industriepartnern betreibt das Team Energiesysteme Forschung an generischen Methoden und Werkzeugen für derartige Probleme.

Virtual Iron Bird

 
Das Ziel war die Identifizierung, Optimierung und Validierung innovativer Bordsystem-Architekturen und -Geräte, um die Sekundärleistungsentnahme aus den Triebwerken und somit den Kraftstoffverbrauch zu senken.
 
In diesem Rahmen wurden geeignete Bordsystem-Architekturen konzipiert und mit einer konventionellen Architektur verglichen. Im Fokus standen mehrere "More-" und "Full-Electric" Konzepte mit in den Triebwerken integrierten Starter/Generatoren, Betrieb der Klimaanlage ohne oder mit reduzierter Zapfluftmenge, sowie teilweisem oder ganzem Ersatz der Hydraulikversorgung von Flugsteuer-, Fahrwerk- und Bremsaktuatoren durch elektrische Versorgung. Die Auswirkungen dieser Konzepte hinsichtlich Sekundärleistungsentnahme, Gewicht, Zuverlässigkeit und Kosten wurden bewertet.
 
Das Team Energiesysteme hat dazu eine Modellierungs- und Simulationsplattform, genannt Virtual Iron Bird, entwickelt und diese für die Bewertung und Optimierung der verschiedenen Flugzeug-Bordsystem-Architekturen genutzt.
 

Entwurfsumgebung für neuartige Flugzeugklimaanlagen

 
In enger Zusammenarbeit mit einem strategischen Industriepartner entwickelt das Team Energiesysteme eine Entwurfsumgebung für neuartige Flugzeugklimaanlagen und Kühlsysteme in Verkehrsflugzeugen (diese werden allgemein Environmental Control Systems oder Air Management Systems genannt).
 
Die Entwurfsumgebung enthält eine eigene Modellierungs- und Simulationsinfrastruktur sowie Entwurf- und Optimierungswerkzeuge. Sie enthält Modelle für konventionelle Referenzanlagen sowie einen modularen Baukasten um unkonventionelle Systeme zusammen zu setzen. Diese Modelle erlauben es Entwürfe im frühen Entwurf anhand von Güteparametern wie Systemgewicht, Treibstoffverbrauch sowie Leistungskennziffern wie elektrischem Leistungsbedarf oder Zapfluftmenge zu bewerten.
 
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Beispielhafte Optimierungsergebnisse auf Flugzeugebene mit widersprüchlichen Gütefunktionen
 
Auf dieser Modellierungsschicht setzt eine Optimierungsschicht auf, die die bestmöglichen unkonventionellen Entwürfe bestimmt.
 

Optimierung Elektrischer Bordnetz Architekturen

Das Team Energiesysteme entwickelt ein integriertes, auf physikalischer Modellierung und Simulation beruhendes Werkzeug, das den Entwurfsprozess elektrischer Bordnetz Architekturen zu verbessern hilft. Mithilfe des sogenannten Electric Network Architecture Design Optimization Tool (ENADOT) können Architekturentwürfe hinsichtlich der Bilanzen von elektrischer Leistung in normalen, abnormalen und dimensionierenden Betriebsfällen, Verluste (Kühlbedarf), Gewicht, sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit ausgewertet, verglichen und optimiert werden. ENADOT ist in der objekt-orientierten, physikalischen Modellierungssprache Modelica implementiert und verwendet einen stationären Modellierungsansatz, was für Betrachtungen auf Architekturebene effizient ist.

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Beispielhafte Minimalpfade, die automatisch von der Topologie eines Bordnetzes abgeleitet wurden

Um die verschiedenen, teilweise konkurrierenden Entwurfskriterien elektrischer Bordnetz Architekturen gemeinsam auswerten zu können, verfügt ENADOT über diverse automatisierte Analyse- und Optimierungsfunktionen.

Generatoroptimierung

 
Das Team Energiesysteme entwickelt in europäischen Projekten und unterstützt von Industriepartnern Methoden und Werkzeuge zur Auslegung und Beurteilung des Elektrischen Bordnetzwerks. Das beinhaltet alle Teilkomponenten von der elektrischen Energieerzeugung und Verteilung bis hin zu den Verbrauchern. Das Ergebnis des mehrzieligen Entwurfs soll ein Optimum aus Effizienz, Gewicht und Netzwerkqualität und –stabilität darstellen. Alle Designentscheidungen müssen durch qualitative und quantitative Messzahlen begründet sein. Gerade bei der Generatorauslegung gibt es neuerdings eine Vielzahl von neuen Anforderungen und Randbedingungen in einem sich wandelnden System, weg von klassischer Wechselstromverteilung mit resistiven Verbrauchern hin zu gleichstromversorgten aktiven Lasten.
 
Unser Technologieportfolio beinhaltet eine spezialisierte Entwicklungs- und Simulationsumgebung. Dies umfasst unter anderem eine Kette von Werkzeugen zur Entwicklung von extern erregten Synchronmaschinen. Dabei werden analytische und simulationsbasierte Methoden angewandt. Bei der Modellierung wurde spezieller Wert auf Effizienz gelegt. Das beinhaltet eine optimale Wahl der Modellierungstiefe in verschiedenen Abstraktionsebenen und Methoden zur Initialisierung im eingeschwungenen Zustand.

 


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