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TRANSCRIPT
Folie 1 10.5.2016, München
Robert Doering, M.Sc.
Modellierung und Automation von multifunktionalen
Brennstoffzellensystemen
Matlab Expo 2016 Deutschland
H2
Air
Exh
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Coolant
H2
Tank
Cargo
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Fuel
Tank
Cabin
Overboard
Cabin
Cabin
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Overboard
Ove
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Coolant
H2
Air
FCS1
FCS2
Dryer
System
IMA
Interface to Components
Control &
Monitoring
Folie 2 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Inhalt
Brennstoffzelle in der Luftfahrt
Modellbildung
Fallbeispiel
Zusammenfassung
Folie 3 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Die Brennstoffzelle in der Luftfahrt - Motivation
Wirtschaftliche- & Umweltaspekte
Flight Path 2050
− 75% CO2 Reduktion
− 90% NOx Reduktion
− 65% Noise Reduktion
− Emissionsfreies Taxiing
Emissionshandel
Flughafengebühren
Brennstoffzelle
Emissionsfrei
Hoher Wirkungsgrad
Geringes Leistungsgewicht
Integrationskonzepte
Fuel Cell in Cabine
Green Taxiing
Multifunktionale Integration
© Diehl Aerospace GmbH © easyJet
© Intelligent Energy
Flight Path 2050
Folie 4 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Die Brennstoffzelle in der Luftfahrt - MFFCS
H2
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Cargo
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Fuel
Tank
Cabin
Overboard
Cabin
Cabin
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Overboard
Ove
rbo
ard
Ove
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Air
Coolant
H2
Air
FCS1
FCS2
Dryer
System
IMA
Interface to Components
Control &
MonitoringMultifunktionale Integration
Erzeugung elektrischer Leistung
Tankinertisierung
Feuerunterdrückung
Brauchwassergewinnung
Herausforderungen
Komplexe Systemarchitekturen
Betriebsumfeld / Umweltbedingungen
Betriebszustände
− Großer Temperaturbereich (~ -50 – 100°C)
− Variable Fluidzusammensetzung (z.B. xiO2)
− Phasenwechsel
Systemautomation & Regelung
Modellbasierte Entwicklung zur…
Bewertung von Systemkonzepten
Frühzeitigen Identifizierung kritischer
Betriebszustände
Evaluierung von Regelungs- und
Automationskonzepten
Folie 5 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Modellbildung – Komponentenbibliothek
MFFCS Komponentenbibliothek
Drei Detaillierungsgerade
Implementiert in Matlab Simscape
− Physikalische Modellierungssprache
− „balanced-domain-approach“
− Flexible, intuitive, textuelle Beschreibung von
Komponentenverhalten
Unterschiedlichste Komponenten
− Rohrleitungen
− Ventile
− Wärmetauscher
− Brennstoffzellen
− …
6 physikalische Domänen
Domänen
Kühlmittel-Domäne
− Massenstrom, Enthalpiestrom
− Druck, Temperatur
− Stoffwerte = f(T)
Gas-Domänen
− Gesamtmassenstrom,
Einzelmassenströme,
Enthalpiestrom
− Druck, Massenanteile,
Temperatur
− Stoffwerte = f(T)
− Phasenwechsel Wasser
…
Sicherstellung eines numerisch robusten
Gesamtsystemverhalten ist nicht trivial
Folie 6 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Modellbildung – Herausforderungen & Lösungsstrategien
Ursachen numerische Komplexität
Großes Gleichungssystem
Umfangreiche Wechselwirkungen
Steifes Gleichungssystem
Implizite Zusammenhänge
− Architektur bedingt
− Physikalisch bedingt
Unstetiges Verhalten (z.B.
Strömungssituation)
DAE-System mit Index > 1
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H2
Tank
Cargo
Bay
Fuel
Tank
Cabin
Overboard
Cabin
Cabin
Inle
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Overboard
Ove
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Air
Coolant
H2
Air
FCS1
FCS2
Dryer
System
IMA
Interface to Components
Control &
Monitoring
Modellinitialisierung
Potentialdifferenzfreie Initialisierung
Keine initialen Flüsse
Externe Berechnung aller Initialwerte
Unstetigkeiten
Homotopie-Verfahren
C2-Funktionen für algebraische
Randbedingungen
Folie 7 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Modellbildung – Umgang mit Unstetigkeiten I
Druckverlust in Rohrströmungen
Laminare vs. Turbulente Strömungen:
∆𝑝𝑙𝑎𝑚 = 𝑚 𝑔𝑎𝑠 ∙ 𝜉𝑙𝑎𝑚 ∙ 𝑘1
∆𝑝𝑡𝑢𝑟𝑏 = 𝑚 𝑔𝑎𝑠2 ∙ 𝜉𝑡𝑢𝑟𝑏 ∙ 𝑘2
laminar
region
transient
region
turbulent
region
Homotopie-Verfahren
Stetige Deformation zwischen zwei Abbildungen:
∆𝑝 = 1 − ℎ(𝑅𝑒) ∙ ∆𝑝𝑙𝑎𝑚 + ℎ(𝑅𝑒) ∙ ∆𝑝𝑡𝑢𝑟𝑏
Hier: Stetig differenzierbare Deformation
C2-differenzierbarer Transitionsbereich
ℎ′ 𝑅𝑒 = 𝑅𝑒 − 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑚,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
𝑅𝑒𝑡𝑢𝑟𝑏,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 − 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑚,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
ℎ 𝑅𝑒 = 3 ∙ ℎ′ 𝑅𝑒 2 − 2 ∙ ℎ′ 𝑅𝑒 3
Folie 8 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Modellbildung – Umgang mit Unstetigkeiten II
Phasenwechsel
Sättigungspartialdruck über Wagner-
Ambrose-Gleichung (𝑥𝑖𝐻20,𝑠𝑎𝑡 = f(T,p,xix))
Zunächst: 𝑥𝑖𝐻2𝑂 > 𝑥𝑖𝐻20,𝑠𝑎𝑡
𝑥𝑖𝐻2𝑂_𝑙𝑖𝑞= 0 ⋁ 𝑥𝑖𝐻2𝑂𝑙𝑖𝑞= 𝑥𝑖𝐻20 − 𝑥𝑖𝐻20,𝑠𝑎𝑡
kein stetig differenzierbarer Übergang
klassisches Homotopieverfahren ineffektiv
Tangens Hyperbolicus als Homotopieoperator
𝑥𝑖𝐻2𝑂𝑙𝑖𝑞= 𝑥𝑖𝐻20 − 𝑥𝑖𝐻20,𝑠𝑎𝑡 ∙ ℎ 𝑥𝑖𝐻2𝑂 , 𝑥𝑖𝐻2𝑂,𝑠𝑎𝑡
„Unterschwinger“ erfordert initialen Offset
ℎ 𝑥𝑖𝐻2𝑂, 𝑥𝑖𝐻2𝑂,𝑠𝑎𝑡 =1
2∙ tanh 𝑔𝑟𝑎𝑑 ∙ 𝑥𝑖𝐻2𝑂 − 𝑥𝑖𝐻2𝑂,𝑠𝑎𝑡 +
1
2 Existiert eine Funktion, welche stetig
differenzierbar von 0 auf 1 wächst?
Fallunterscheidungsfreie Homotopie
Folie 9 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Fallbeispiel – O2-Rezirkulation I
O2-Betrieb Brennstoffzelle
Keine (Bleed)Luft verfügbar Höherer Wirkungsgrad Leichtere Systemlösung
O2-Supply
H2O-Tank
O2-Valve
Purge-Valve
Pu
rge
Lin
e
Drucksensor
Folie 10
Fallbeispiel – O2-Rezirkulation II
Anlaufverhalten im O2-Betrieb
Initiale Menge N2 im ReCirc-Pfad vorhanden
Erreichbarer O2-Partialdruck bleibt limitiert
Betriebsstrategie zum „Spülen“ erforderlich
Durch „Purgen“ kann N2-Partialdruck
signifikant gesenkt werden
Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Folie 11 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Systemautomation & Regelung
H2
Air
Exh
au
st
Coolant
H2
Tank
Cargo
Bay
Fuel
Tank
Cabin
Overboard
Cabin
Cabin
Inle
t
Overboard
Ove
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ard
Ove
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ard
Air
Coolant
H2
Air
FCS1
FCS2
Dryer
System
IMA
Interface to Components
Control &
Monitoring
(Feedback) ControlStatecharts & Monitoring
Compressor 1
Pressure Valve 1
Shut-off Valves
Air Supply
1
Cockpit
Systems
Flight
Warning
System
Integrated
Control
Panels
Cockpit &
Display
Systems
Su
pe
rvis
ory
Ap
plic
atio
n
Aircraft
Power
Management
Compressor 2
Pressure Valve 2
Shut-off Valves
H2 Tank Heater
Recirc. Pump 1
Pressure Valve 1Hydrogen
Supply 1
Recirc. Pump 2
Pressure Valve 2
Coolant Pump 1
Mixing Valve 1
Cooling
System 1
Coolant Pump 2
Mixing Valve 2
FanVentilation
Cargo Diverter Valve
Power Management Power Electronics
Control Valve 2
Dryer
Fuel Tank
Inerting
Cooling
System 2
Air
Supply 2
Shut-off ValvesShut-off Valves
Hydrogen
Supply 2
Hierarchisches Konzept
Reglerauslegung mit Simulink®
Automation mittels Stateflow®
Interface zu Cockpit-Systemen
Folie 12 Modellierung und Automatisierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen
Robert Doering, M.Sc., TU Hamburg
Zusammenfassung
Brennstoffzelle in der Luftfahrt
Ökologisches & ökonomisches Potential
Verschiedene Integrationskonzepte
Modellbasierte Entwicklung
Modellbildung
Komponentenbibliothek
Modellierungsstrategie
Automation & Regelung
Erzeugung elektrischer Leistung
Tankinertisierung
Feuerunterdrückung
Brauchwassergewinnung
(Feedback) ControlStatecharts & Monitoring
Compressor 1
Pressure Valve 1
Shut-off Valves
Air Supply
1
Cockpit
Systems
Flight
Warning
System
Integrated
Control
Panels
Cockpit &
Display
Systems
Su
pe
rvis
ory
Ap
plic
atio
n
Aircraft
Power
Management
Compressor 2
Pressure Valve 2
Shut-off Valves
H2 Tank Heater
Recirc. Pump 1
Pressure Valve 1Hydrogen
Supply 1
Recirc. Pump 2
Pressure Valve 2
Coolant Pump 1
Mixing Valve 1
Cooling
System 1
Coolant Pump 2
Mixing Valve 2
FanVentilation
Cargo Diverter Valve
Power Management Power Electronics
Control Valve 2
Dryer
Fuel Tank
Inerting
Cooling
System 2
Air
Supply 2
Shut-off ValvesShut-off Valves
Hydrogen
Supply 2
H2
Air
Exh
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st
Coolant
H2
Tank
Cargo
Bay
Fuel
Tank
Cabin
Overboard
Cabin
Cabin
Inle
t
Overboard
Ove
rbo
ard
Ove
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ard
Air
Coolant
H2
Air
FCS1
FCS2
Dryer
System
IMA
Interface to Components
Control &
Monitoring