- Titel
- Konzeption und Entwurf eines strukturellen Energiespeichers für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:l189-qucosa2-874754
- Datum der Einreichung
- 11.08.2023
- Abstract (DE)
- Die Energieversorgung unbemannter Flugobjekte (UAV) erfolgt gegenwärtig über Batterie-Module. Diese sind als zusätzliche Bauteile in die Struktur eingebracht. Daher erhöht sich das Gesamtgewicht der Struktur deutlich. Im Sinne der Energiespeicherung existieren verschiedene multifunktionale Konzeptansätze. Hierunter zählen strukturelle, elektrische Energiespeicherungssysteme (SEES). Bei diesen Konzepten erfolgt die Energiespeicherung in den Bauteilen bei gleichzeitiger Erfüllung struktureller Eigenschaften. Somit gelten diese als masselose Energiespeicherungssysteme. Im Rahmen dieser Thesis erfolgt eine Betrachtung verschiedener SEES. Schließlich werden strukturelle Superkondensatoren (SSC) zur Integration in ein UAV ausgewählt. Als Integrationsobjekt dient die Drohne DJI Matrice 600 Pro. Ein SSC mit besten Eigenschaften wird anhand einer systematischen Methode aus der aktuellen Literatur ermittelt. Dieser Favorit wird konzeptionell in die Drohne integriert. Diesbezüglich erfolgen verschiedene, physikalische Berechnungen zu elektrischen Eigenschaften und anliegenden Kräften, sodass Rückschlüsse zur Leistungsfähigkeit getroffen werden können. Im weiteren Verlauf wird eine Mehrkörpersimulation mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) am Untersuchungsobjekt durchgeführt. Mit der Kenntnis über die anliegenden Beanspruchungen erfolgt weiterführend eine detailgetreue, strukturmechanische Analyse des SSC unter Verwendung der FEM an repräsentativen Volumenelementen. Fortan wird das multiphysikalische Kopplungsphänomen im strukturellen Elektrolyten simuliert. Hierfür werden mathematische Abhängigkeiten von mechanischen Einwirkungen auf geometrisch, veränderliche Größen ermittelt. Diese werden in eine elektrochemische Simulation überführt, sodass das multiphysikalische Kopplungsphänomen berechnet wird. Als Ergebnis zeigt sich, dass die Kompression des Elektrolyten negative Auswirkungen auf die elektrochemischen Eigenschaften hat...
- Abstract (EN)
- Unmanned aerial vehicles (UAV) are currently powered by batteries, which are integrated as additional components within their structure. However, the substantial weight of these batteries leads to increased energy consumption and reduced flight time. In addition to battery-based energy systems, there are alternative concepts that serve multifunctional roles. Structural electrical energy storage systems (SEES) for example carry loads and offer electrical energy storage functions at the same time. In this work, structural Supercapacitors (SSC) are selected as SEES candidates. A systematic approach is employed to integrate an SSC into the DJI Matrice 600 Pro done as an UAV use case. The efficiency of the integrated system is assessed through various physical calculations. Subsequently, a multi-body simulation using the finite element method is conducted on the chosen UAV model. Furthermore, representative volume elements are defined within the structural supercapacitor, and simulations are performed to comprehend the underlying processes. During the exploration of multiphysical coupling effects between mechanical stresses and electrochemical behaviors, certain geometric parameters are identified as influential factors. Regression analysis is employed to formulate mathematical equations representing these dependencies for simulation purposes. A multiphysical simulation is executed, considering compression as a representative load case. The results are evaluated using cyclic voltammetry. The study concludes that mechanical compression loads have an adverse effect on the electrochemical properties of the structural supercapacitor
- Freie Schlagwörter (EN)
- Multifunctional Energy Storage Composites (MESC), Solid Polymer Electrolyte, Mechanical-electrochemical coupling simulation, Unmanned Aerial Vehicles (UAV), Structural Supercapacitor
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:l189-qucosa2-874754
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 18.10.2023
- Dokumenttyp
- Masterarbeit / Staatsexamensarbeit
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Strukturelle elektrische Energiespeicherungssysteme 2.2 Superkondensatoren – Aufbau und Funktionsweise 2.3 Berechnungsgrößen am strukturellen Superkondensator 3 Stand der Forschung 3.1 Literaturrecherche – Strukturelle Superkondensatoren 3.2 Festlegung von Parametern und Auswahl des SSC 4 Anwendungsfall: DJI Matrice 600 Pro 4.1 Produktanalyse DJI Matrice 600 Pro 4.2 Integration des strukturellen Superkondensators in die Struktur 4.3 Berechnung elektrischer Eigenschaften 4.4 Analyse und Berechnung der wirkenden Kräfte 4.5 FEM-Mehrkörpersimulation am UAV-Anwendungsfall 5 Strukturmechanische Simulation am SSC 5.1 SSC-Bereichsanalyse und Simulationsaufgabe 5.2 Repräsentative Volumenelemente und Einheitszelle 5.3 Simulation Bereich 1: Poröse Faser in der Matrix 5.4 Simulation Bereich 2: Fasern in der Matrix 5.5 Simulation Bereich 3: Poröser Elektrolyt 6 Multiphysikalische SSC-Simulation 6.1 Multiphysikalischer Kopplungseffekt 6.2 Analyse der geometrischen Größen Porosität und Tortuosität 6.3 Multiphysikalische Simulation mit COMSOL Multiphysics Zusammenfassung und Ausblick Literatur