Simcenter Amesim을 활용한 하이브리드 전기 추진체 모델링, 요구 사항 확인 및 검증

 항공우주 산업은 전환점을 맞이하고 있습니다. 환경 규정을 준수하고 연료 및 유지 관리 비용을 줄이기 위해 업계 리더와 신생 기업은 직면한 문제를 해결할 수 있는 잠재적인 방법으로 추진 전기화를 모색하고 있습니다.

 이러한 새로운 추진 아키텍처의 복잡한 특성으로 인해 설계 및 테스트에는 전기, 공기 역학 및 기계를 고려한 전체적인 접근 방식이 필요합니다. 이는 출시 기간을 단축하는 것뿐만 아니라 새로운 규정을 더 잘 준수하기 위해서도 필요합니다.

 Simcenter Amesim은  다양한 유형의 전기 추진 장치에 대한 설계 요구 사항을 검증하는 데 도움이 되는 다양한 라이브러리(전기 모터, 에너지 저장, 가스 터빈, 항공 및 우주)를 제공합니다.

 이 블로그 게시물에 사용된 모델에서는 기존 연소 엔진 2인승 항공기 추진 장치의 전기화에 중점을 둡니다. 이제 내연기관은 프로펠러를 직접 구동하는 대신 전기 모터에 전력을 공급하는 발전기를 구동하여 프로펠러를 회전시킵니다.

 시뮬레이션 모델의 목적은 아래 요구 사항을 충족하는 적합한 전기 추진 장치(EPU)를 선택하고 검증하는 데 도움을 주는 것입니다.

• 항공기 속도 및 상승률 – ROC
• 항공기 범위

 선택한 추진 장치는 비상 상황(연소 엔진 및/또는 발전기 고장)에도 제대로 작동할 수 있어야 합니다.

 이 기사에서는 먼저 주어진 비행 임무(고도 및 속도)에 대해 다양한 전력 등급의 전기 모터가 어떻게 작동하는지 확인하고 적합한 모터를 선택한 다음 고장 시나리오(발전기 고장)를 실행하여 다양한 배터리가 어떻게 작동하는지 확인합니다. 비상시 최종 충전 상태를 수행합니다.

- 목차

• 개요
• 배터리 성능 곡선
• 프로펠러 맵 생성
• 시나리오 및 결과
• 결론
• 영상: 하이브리드 항공기 추진체의 Pre-Sizing

1) 개요

 Simcenter Amesim  으로 모델링된 하이브리드 전기 항공기는  아래와 같습니다. 연소 엔진 구동 발전기와 배터리가 추진 장치에 동력을 전달합니다.

 위의 시스템은 다음과 같이 구성됩니다.

• 전기 모터(인버터 및 냉각 기능 포함): 항공기 프로펠러를 구동합니다. 모터 모델을 설정하려면 공칭 효율과 최대 출력만 있으면 됩니다.
• 발전기: 기능적 RPM 소스로 모델링된 연소 엔진에 의해 구동됩니다. 모터와 마찬가지로 이를 설정하려면 공칭 효율과 최대 출력이 필요합니다.
• 배터리: 개방 회로 전압 및 저항 조회 테이블을 기반으로 합니다. 이는 이륙 및 상승 단계에서 발전기를 지원하는 데 필요한 부스트 전력을 제공합니다.
• 프로펠러는 또한 조회 테이블(출력 및 추력 계수)을 기반으로 합니다.
• 항공기와 랜딩 기어: 총 중량, 기준 날개 면적 및 항력/양력 계수 맵은 항공기 모델을 설정하는 데 사용됩니다.

2) 배터리 성능 곡선

 이 단계에서는 배터리 성능 맵이 없습니다. 설계 프로세스의 시작 단계에 있으므로 배터리에 대한 대략적인 아이디어(공칭 전압, 전력 및 에너지)만 알고 있다는 점을 기억하십시오. Simcenter Battery Pre-Sizing Tool 을 사용하겠습니다.

 이 도구는 Simcenter Amesim 과 함께 제공되는 배터리 데이터베이스를 스캔   하고 지정된 에너지 대비 전력 비율에 가장 가까운 데이터베이스를 선택하고 가장 가까운 배터리의 성능 곡선을 필요한 수준에 맞게 조정합니다. 사전 크기의 배터리는  정보 그룹의  결과 폴더 아래에 표시됩니다.

3) 프로펠러 성능 곡선

 프로펠러 공급업체의 성능 맵(추력 및 전력 계수)을 사용하거나  Simcenter 프로펠러 성능 맵 생성 도구를 사용하여  대략적인 프로펠러 형상에서 이를 추정할 수 있습니다.

4) 시나리오 및 결과

 항공기의 공기역학적 데이터(양력 및 항력 계수)는 사용 가능한 것으로 가정됩니다(기존 항공기의 추진 시스템을 변경한다는 점을 기억하십시오). 이러한 계수는 Simcenter STAR-CCM+ 와 같은 도구에서 수행된 비행 테스트 또는 CFD 분석의 결과인 경우가 많습니다  .

 이제 고도와 진대기속도(TAS) 프로파일을 사용하여 비행 임무를 설정해 보겠습니다. 이것이 이 글에서 비행 임무를 설정하기 위해 선택한 방식이지만, 상승률(ROC)과 지시 대기 속도(IAS) 또는 마하수 프로파일을 사용하여 비행 임무를 설정하는 것도 일반적입니다.

 2시간 15분의 미션을 시뮬레이션합니다.

 "기본" 임무는 3개의 전기 모터(50kW, 100kW 및 150kW)를 사용하여 실행됩니다.

 목표는 상승률과 필요한 실제 대기 속도로부터 필요한 동력을 도출하는 것이었습니다. 50kW나 100kW 모터로는 충분히 강력하지 않습니다. 그러나 150kW 기계는 상승 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

 시뮬레이션은 또한 각 모터로 달성 된 범위를 보여줍니다. 예를 들어, 50kW 모터는 상승률 및 속도 요구 사항을 충족할 수 없을 뿐만 아니라 범위도 다른 모터의 범위보다 적습니다. 

 이제 기본 임무를 충족하는 150kW 모터를 선택하고 이륙 후 45분(착륙까지 1시간 30분 남았음)에 발생하는 발전기 고장 시나리오를 실행해 보겠습니다.

 이 경우 최종 충전 상태 측면에서 다양한 배터리의 성능은 어떻게 됩니까? 배터리 상태를 위험에 빠뜨리지 않을 만큼 충분한 충전 수준으로 착륙할 수 있습니까?

 여러 개의 배터리를 일괄 처리하면 최종 충전 상태 측면에서 목표를 충족하는 배터리를 선택할 수 있습니다. 착륙 시 최소 20%의 충전 상태를 원합니다. 35kWh로는 충분하지 않지만 40kWh 배터리이면 충분합니다.

 이 블로그 게시물에서는 다루지 않지만  여기에 구축된 Simcenter Amesim  모델을 사용하여 배터리 냉각 시스템의 크기를 조정 하고 열폭주가  배터리 팩에  미치는 영향을 평가할  수도 있습니다.

5) 결론

 이 기사에서는 하이브리드 추진 장치를 사전 설계하고 가정 및 실패 사례 분석을 수행하는 방법을 살펴보았습니다. 이것이 바로  Simcenter Amesim을  사용하여 매개변수화하기 쉬운 기능 모델을 사용하여 시스템 설계를 전면적으로 수행할 수 있는 방법입니다. 아래 비디오를 시청할 수도 있습니다. 이 비디오에서는 이 문서에 제시된 모델을 설정하고 실행하는 다양한 단계를 안내합니다.