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Airbus EcoPulse - Hochspannung über den Wolken

Die Hochspannungsbatterietechnologie von Airbus muss ihre Leistungsfähigkeit beim Flugtest beweisen. Laut Airbus ist der EcoPulse-Akku der "Technologiebaustein", mit dem zukünftige Flugzeuge die Dekarbonisierung weiter vorantreiben können.

Beim EcoPulse Flugtest testet Airbus den selbst entwickelten, sensationell leichten Hochspannungsakku .| Foto: Airbus
Beim EcoPulse Flugtest testet Airbus den selbst entwickelten, sensationell leichten Hochspannungsakku .| Foto: Airbus
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Thomas Kanzler

Im Juni letzten Jahres führte Airbus in seinem Werk in Filton, Großbritannien, erste EcoPulse-Windkanaltests durch. Bei diesen Tests wurden die Leistungsmerkmale des Propellers und das Kühlverfahren der sechs elektrischen Antriebseinheiten bewertet. Im Jahr 2022 ist die Montage des Demonstrators - einer von Flugzeughersteller Daher gelieferten Leichtflugzeugplattform - in vollem Gange und ebnet den Weg für den ersten Testflug im Laufe dieses Jahres.

Jetzt richten wir das Augenmerk auf einen weiteren wichtigen Baustein, der für den EcoPulse-Demonstrator fertiggestellt wird: das von Airbus Defence and Space in Toulouse entwickelte Hochspannungs-Lithium-Ionen-Hauptbatteriesystem. Auch wenn diese neue Batterie visuell nicht im Mittelpunkt steht, so ist sie doch eine bedeutende Innovation, die für die Elektrifizierungsdemonstration mit EcoPulse von zentraler Bedeutung ist, zumal sie die Grenzen für den Einsatz von Hochspannungsbatterien in einem Flugzeug verschiebt.

Akku im Paket unter dem Rumpf

Die Batterie selbst ist etwa 2,3 m lang, 75 cm breit und 20 cm tief. Sie ist unter dem Rumpf angebracht und in eine verstärkte aerodynamische Verkleidung integriert. Die Batterie ist eine der beiden Stromquellen des Fluggeräts, die andere ist der von Safran gelieferter Bordstromerzeugungsaggregat e-Auxiliary Power Unit (e-APU).

„Wir haben vor einigen Jahren mit der Arbeit an der Hochspannungs-Li-Ionen-Batterie begonnen, und diesen Prototyp haben wir komplett selbst entwickelt“, erläutert Julien Laurent, Leiter des Airbus-Batterieprojekts.

Leicht, kompakt, mit sehr hoher Batterieleistung und Energiedichte

Die Batterie erreicht diese Ziele dank mehrjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit im Rahmen der Airbus-Initiativen zur Elektrifizierung und Nachhaltigkeit von Flugzeugen. Weniger leistungsfähige Hochspannungsbatterien wurden zuvor in CityAirbus und Airbus Helicopters FlightLab installiert. Das Ergebnis dieser schrittweisen Fortschritte ist diese neueste Lithium-Ionen-Hochspannungsbatterie. Die für EcoPulse konzipierte Einheit wiegt rund 350 kg, kann 800 Volt Gleichstrom erzeugen und bis zu 350 Kilowatt Leistung liefern.

Diese Leistung reicht nicht nur aus, um die sechs elektrischen Antriebe von EcoPulse je nach Testbedingungen anzutreiben, sondern entspricht auch in etwa dem, was für die antriebslosen Sekundärsysteme eines Verkehrsflugzeugs erforderlich wäre. Letztere werden von Airbus im Rahmen seiner Forschung zur "Mikro-Hybridisierung" gesondert untersucht, wobei das Konzept der Hochspannungsbatterie ein wichtiger "Technologiebaustein" ist.

Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Hochspannungsbatterie

„Wir haben vor einigen Jahren mit der Arbeit an der Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterie begonnen", erinnert sich Julien Laurent, „und diesen Prototyp haben wir komplett selbst entwickelt. Unser Entwurf umfasste mehrere Tausend Lithium-Ionen-Zellen, wobei verschiedene Sicherheitsmaßnahmen zur Vermeidung eines thermischen Durchgehens vorgesehen waren, wie z. B. die Verbindung jeder einzelnen Zelle durch Drahtbonding. Ein weiterer innovativer Bestandteil ist das aktive Kühlsystem, das die optimale Temperatur für den normalen Betrieb gewährleistet. Darüber hinaus umfasst dieses Batteriesystem auch ein maßgeschneidertes Batteriemanagementsystem. Dieses trägt dazu bei, den Wartungsaufwand zu minimieren, da es über eingebaute Testfunktionen verfügt und den Ladezustand anzeigt oder anzeigt, ob die Zellen neu balanciert werden müssen."

Die Hochspannungsfähigkeit der Batterie ist in diesem Zusammenhang einzigartig, da sie heute weder in der Luft- und Raumfahrt noch in der Automobilbranche verfügbar ist. Insbesondere die schwereren Batterien, die heute in Flugzeugen verwendet werden, haben in der Regel eine recht niedrige Spannung - 28 Vdc - und ihre geringe Energiedichte bedeutet, dass sie hauptsächlich zum Starten der APU und für Notfälle verwendet werden. Darüber hinaus basieren die meisten dieser Batterien auf Nickel-Cadmium (NiCad), das gemäß der REACH-Verordnung der EU bald alternativen, umweltverträglichen Batterietypen wie Lithium-Ionen weichen muss.

Akkus von E-Fahrzeugen sind in der Luft zu schwer

Was die Automobilindustrie betrifft, so gibt es derzeit zwar Batterien für den Antrieb von Elektroautos, doch sind diese für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt zu sperrig und schwer. 

„Es gibt derzeit keine eigenständigen, handelsüblichen Batteriesysteme, die unseren Anforderungen an Sicherheit und Leistung gerecht werden können“, erklärt Julien Laurent.

Fertigungs- und Testziele

Nach der Auswahl der Zellen und der anschließenden Integration des Designs für EcoPulse werden in Kürze mehrere Prototyp-/Musterbatterien in Toulouse gemäß den strengen Luftfahrtnormen getestet. Bei diesen Tests werden die Leistung sowie die Umwelt- und Sicherheitsmerkmale bewertet, so dass das Team sicher sein kann, dass sich die Batterien nach dem Einbau in das EcoPulse-Fahrzeug ordnungsgemäß und sicher verhalten. Durch das Verständnis des Verhaltens von Hochspannungsbatterien dank dieser Tests möchte Airbus wichtige Kompetenzen für die Anwendung von Mikro-Hybridisierungsarchitekturen in zukünftigen Flugzeugen entwickeln, beispielsweise zur Optimierung des Strom-/Energiemanagements von Nicht-Antriebsfunktionen wie Klimaanlagen, Autopilot und Flugsteuerung.

Was bedeutet das?

Ein leistungsstarker E-Fahrzeug Akku wiegt bis zu 700 Kilogramm. Die Airbus-Ingenieure haben ein Wunderwerk vollbracht: Bei der Hälfte des Gewichts etwa die doppelte Leistung!

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