MA – System Level Design and Simulation of a Hydrogen Powertrain for UAVs with a Modular MATLAB Toolbox

Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein hybrides Antriebssystem für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) mit einer Busspannung von 400 V untersucht werden. Angesichts der steigenden Anforderungen an nachhaltige und effiziente Antriebslösungen zielt die Arbeit darauf ab, eine vollständige Antriebsstrangarchitektur zu entwerfen, zu simulieren und – wenn möglich – zu validieren. Ein zentrales Element ist die Entwicklung einer modularen MATLAB/Simulink-Toolbox, die eine dynamische Leistungsanalyse in verschiedenen Flugphasen und unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ermöglicht.

Die Arbeit beginnt mit einer umfassenden Literaturrecherche zu bestehenden wasserstoffelektrischen UAV-Systemen und deren Architekturen. Dabei werden aktuelle Simulationswerkzeuge analysiert, um bestehende Lücken in der Modellierung zu identifizieren und die Notwendigkeit einer modularen Lösung zu begründen. Im Anschluss erfolgt die detaillierte Gestaltung des Antriebsstrangs, der die Integration von Batterie, Brennstoffzelle, DC/DC-Wandler, Wechselrichter und Elektromotor umfasst. Jedes Subsystem wird in einem bestehenden MATLAB/Simulink-Modell modelliert, wobei die dynamischen Eigenschaften und das Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Energiemanagementsystems, das die Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Batterie optimiert. Hierbei werden Steuerungsstrategien implementiert, die auf dem Ladezustand (SoC) basieren. Die Toolbox ermöglicht es den Nutzern, UAV-Spezifikationen, Komponentenmaße und Missionsprofile einzugeben und liefert wertvolle Ausgaben wie Energieverbrauch, Brennstoffzellen-Effizienz und SoC-Verlauf.

Die Validierung erfolgt durch Simulationen mit realistischen Missionsdaten, wobei die Auswirkungen von Gegenwinden und Lastvariationen analysiert werden. Die Ergebnisse umfassen Leistungskennzahlen und grafische Darstellungen, die die Effizienz des Antriebsstrangs unter verschiedenen Bedingungen verdeutlichen. Die Arbeit bietet die Möglichkeit, innovative Ansätze im Bereich der Wasserstofftechnologie und der Regelungstechnik in Kooperation mit einem Drohnenhersteller zu erforschen und zu entwickeln.

Bearbeiter: Hrishikesh Surya

Betreuer: Markus Meindl (IISB), Dr.-Ing. Daniel Etter (Odonata)

Verantwortlicher:  Prof. Dr.-Ing. Martin März