T. Albrecht, K. Kochan

Die Elektrifizierung von Antriebssystemen in der Luftfahrt bietet erhebliches Potenzial zur Emissionsreduktion. Wasserstoffbetriebene, hybridelektrische Systeme verbinden lokalen emissionsfreien Betrieb mit hoher Energiedichte und ermöglichen größere Reichweiten, kleinere Batterien und kürzere Umlaufzeiten gegenüber rein batterieelektrischen Systemen. Solche Systeme bestehen aus stark vernetzten Komponenten, deren Anord-nung und Koordination die Gesamtleistung entscheidend beeinflusst. Dieser Beitrag beschreibt die architektonische Optimierung einer Multi-String-Konfiguration für ein wasserstoffbetriebenes, hybridelektrisches Ultraleichtflugzeug mit luftgekühlten Brennstoffzellen. Die Gesamtleistung wird auf mehreren parallel betriebenen Brennstoffzellen verteilt, wodurch leichtere Luftkühlung anstelle schwererer Flüssigkeitskühlung möglich wird. Ein Schwerpunkt liegt auf der Auswahl der Anzahl und Leistung der Brennstoffzellen sowie des Leistungsmanagement zwischen Brennstoffzellen und Batterie, da diese Entscheidungen die Dimensionierung weiterer Komponenten maßgeblich bestimmen. Das Ziel ist es daher, eine methodische Grundlage für diese frühen Entscheidungen im Entwicklungsprozess zu schaffen. Die Multi-String-Architektur wird im Rahmen des Verbundprojekts BeHyPSy (B4 Innovative Hydrogen Propulsion System) erforscht, mit dem Ziel, sie in das Ultraleichtflugzeug Breezer UL B400-6 zu integrieren. Die HAW Hamburg nutzt modellbasierte Systementwicklung (MBSE), um Architekturen zu modellieren, zu simulieren und zu bewerten sowie neue Optimierungsmethoden zu entwickeln. Das Optimierungsverfahren basiert auf genetischen Algorithmen in der MATLAB® Optimization Toolbox™ und berücksichtigt gekoppelte thermisch-elektrische Wechselwirkungen. Neben Einzelzieloptimierungen, wie der Minimierung von Masse oder Energieverbrauch, werden auch Mehrzieloptimierungen durchgeführt, um Pareto-optimale Lösungen zu identifizieren. Die Methodik bietet einen neuartigen Ansatz für die frühe Konzeptphase wasserstoff-elektrischer Antriebe mit luftgekühlten Brennstoffzellen.

The electrification of propulsion systems in aviation offers significant potential for emissions reduction. Hydrogen-powered, hybrid-electric systems combine locally emission-free operation with high energy density, enabling longer ranges, smaller batteries, and shorter turnaround times compared to purely battery-electric systems. Such systems consist of highly interconnected components, whose arrangement and coordination critically influence overall performance. This article describes the architectural optimization of a multi-string configuration for a hydrogen-powered, hybrid-electric ultralight aircraft with air-cooled fuel cells. The total power is distributed across several fuel cells operating in parallel, enabling lighter air cooling instead of heavier liquid cooling. A focus is on selecting the number and output of the fuel cells as well as the power management between fuel cells and battery, as these decisions significantly determine the sizing of other components. The goal is therefore to establish a methodical foundation for these early decisions in the development process. The multi-string architecture is being researched within the framework of the joint project BeHyPSy (B4 Innovative Hydrogen Propulsion System), with the aim of integrating it into the ultralight aircraft Breezer UL B400-6. HAW Hamburg uses model-based systems engineering (MBSE) to model, simulate, and evaluate architectures as well as to develop new optimization methods. The optimization process is based on genetic algorithms in the MATLAB® Optimization Toolbox™ and takes into account coupled thermal-electric interactions. In addition to single-objective optimizations, such as minimizing mass or energy consumption, multi-objective optimizations are also carried out to identify Pareto-optimal solutions. The methodology offers a novel approach for the early concept phase of hydrogen-electric drives with air-cooled fuel cells.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2025, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2025

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 10 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2510241133417.312509179375

10.25967/650068

Architekturoptimierung, evolutionäre Algorithmen

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Albrecht, T.; Kochan, K. (2025): Generativer Entwurf hybridelektrischer Luftfahrtantriebe unter Verwendung evolutionärer Algorithmen. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/650068. urn:nbn:de:101:1-2510241133417.312509179375.

24.10.2025