IMA Monitoring Control€¦ · Control & Monitoring Multifunktionale Integration Erzeugung elektrischer Leistung Tankinertisierung Feuerunterdrückung Brauchwassergewinnung Herausforderungen

Folie 1 10.5.2016, München

Robert Doering, M.Sc.

Modellierung und Automation von multifunktionalen

Brennstoffzellensystemen

Matlab Expo 2016 Deutschland

H2

Air

Exh

au

st

Coolant

H2

Tank

Cargo

Bay

Fuel

Tank

Cabin

Overboard

Cabin

Cabin

Inle

t

Overboard

Ove

rbo

ard

Ove

rbo

ard

Air

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



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



Die Brennstoffzelle in der Luftfahrt - MFFCS

H2

Air

Exh

au

st

Coolant

H2

Tank

Cargo

Bay

Fuel

Tank

Cabin

Overboard

Cabin

Cabin

Inle

t

Overboard

Ove

rbo

ard

Ove

rbo

ard

Air

Coolant

H2

Air

FCS1

FCS2

Dryer

System

IMA


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



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



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

H2

Air

Exh

au

st

Coolant

H2

Tank

Cargo

Bay

Fuel

Tank

Cabin

Overboard

Cabin

Cabin

Inle

t

Overboard

Ove

rbo

ard

Ove

rbo

ard

Air

Coolant

H2

Air

FCS1

FCS2

Dryer

System

IMA


Control &

Monitoring

Modellinitialisierung

Potentialdifferenzfreie Initialisierung

Keine initialen Flüsse

Externe Berechnung aller Initialwerte

Unstetigkeiten

Homotopie-Verfahren

C2-Funktionen für algebraische

Randbedingungen



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



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



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




Systemautomation & Regelung

H2

Air

Exh

au

st

Coolant

H2

Tank

Cargo

Bay

Fuel

Tank

Cabin

Overboard

Cabin

Cabin

Inle

t

Overboard

Ove

rbo

ard

Ove

rbo

ard

Air

Coolant

H2

Air

FCS1

FCS2

Dryer

System

IMA


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



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

au

st

Coolant

H2

Tank

Cargo

Bay

Fuel

Tank

Cabin

Overboard

Cabin

Cabin

Inle

t

Overboard

Ove

rbo

ard

Ove

rbo

ard

Air

Coolant

H2

Air

FCS1

FCS2

Dryer

System

IMA


Control &

Monitoring

Documents

IMA Monitoring Control€¦ · Control & Monitoring Multifunktionale Integration Erzeugung elektrischer Leistung Tankinertisierung Feuerunterdrückung Brauchwassergewinnung Herausforderungen