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Die Erfindung betrifft eine Bordküche eines Passagierflugzeuges.
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Derartige aus der Praxis bekannte Bordküchen, auch Galleys genannt (siehe z.B. „Wikipedia, ‚Galley‘, https://de.wikipedia.org/wiki/Galley, abgerufen am 22.11.2018“), enthalten in der Regel eine Mehrzahl von Elektrogeräten. Diese weisen in Summe eine erhebliche elektrische Anschlussleistung von z.B. 15kW auf.
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Aus der
US 2018 / 0 138 716 A1 st ein System zur Flugzeugleistungsverteilung bekannt. Dieses umfasst eine Energiequelle zum Liefern einer Eingangsleistung; ein Busschütz; eine Reihe von Schaltern, die zwischen dem Busschütz und einer Reihe von wesentlichen und nicht wesentlichen Einrichtungen angeschlossen sind; eine Stromanalysekomponente zum Bestimmen eines Leistungspegels, der von der Stromquelle durch den Satz von wesentlichen und nicht wesentlichen Vorrichtungen entnommen wird; eine Variationsreduzierungskomponente zum Bestimmen eines Energieversorgungsplans des Satzes wesentlicher und nicht wesentlicher Vorrichtungen auf der Grundlage einer Reduzierung der zeitlichen Variation der Eingangsleistung, die von der Energiequelle zum Busschütz gezogen wird und eine Schaltersteuerkomponente, die konfiguriert ist, um den Satz von Schaltern gemäß dem Energieversorgungsplan einzustellen. Wenn zu viel Leistung entnommen wird, wird der Schaltersatz so konfiguriert, dass er die maximale Nennleistung der Quelle nicht überschreitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieversorgung einer Bordküche zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gerätemodul nach Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Das Gerätemodul ist ein solches für eine Bordküche eines Passagierflugzeuges. Die Erfindung ist auch auf andere Verbraucheransammlungen anstelle der Bordküche in sonstigen Fluggeräten anstelle des Passagierflugzeuges übertragbar. Solche Ansammlungen sind dann für die Erfindung interessant, wenn deren summierte Gesamtleistung vergleichsweise hoch im Vergleich zu deren gesamter Energieaufnahme während eines Fluges ist. D.h., wenn die Gesamtleistung im Vergleich zur Flugdauer nur kurzzeitig benötigt wird. Die Erfindung wird jedoch vorliegend beispielhaft anhand der betreffenden Bordküche dargestellt, da hier die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist.
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Das Gerätemodul enthält mindestens einen, insbesondere eine Mehrzahl, insbesondere mindestens 2, 3, 4, 5, 8 oder mehr, elektrischen Verbraucher. Ein Verbraucher ist zum Beispiel ein Kühlschrank oder ein Beleuchtungselement, ein Heißgetränkebereiter (Beverage Maker), ein Ofen (Convection Oven, Bread Oven), eine Mikrowelle, eine Kaffeemaschine, ein Wasserkocher usw.
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Das Gerätemodul weist intern eine summierte elektrische Maximalleistung aller Verbraucher auf. „Intern“ bedeutet, dass diese Leistungsaufnahme innerhalb des Gerätemoduls stattfindet. Hierbei werden die maximal möglichen, von den jeweiligen Geräten zu einem beliebigen Zeitpunkt aufnehmbaren Leistungen aller Geräte summiert. Die Maximalleistung entspricht somit der Summenleistung aller Geräte, wenn diese zum gleichen Zeitpunkt alle mit ihrer maximalen Leistungsaufnahme arbeiten würden. Die Einzelleistung eines Gerätes ist hierbei also dessen Spitzenleistung, für eine vereinfachte Ermittlung der Maximalleistung kann auch dessen Nennleistung verwendet werden. Möglich ist auch, eine exemplarische, typbezogene oder individuelle Leistungsmessung durchzuführen.
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Da die Leistungsaufnahme der Bordküche (mit montiertem Gerätemodul / im Betrieb) derjenigen des Gerätemoduls entspricht, wird im Folgenden der Anschaulichkeit halber auch von der „Bordküche“ synonym für das Gerätemodul gesprochen.
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Das Gerätemodul weist einen Leistungseingang bzw. elektrischen Eingangsanschluss auf. Dieser dient zur externen Versorgung des Gerätemoduls aus einem Bordnetz des Passagierflugzeuges bzw. zum elektrischen Anschluss an das Bordnetz. Der Leistungseingang weist jeweils eine aktuelle elektrische Eingangsleistung auf. Dies ist die Leistung, die das Gerätemodul, d.h. ggf. die Direktverbraucher (siehe unten) und der Energiespeicher im aktuellen Moment als Summenleistung tatsächlich bezieht. Das Gerätemodul wird also zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der entsprechenden Eingangsleistung aus dem Bordnetz gespeist. Der Leistungseingang ist insbesondere ein 28VDC-, 115VAC-, 230VAC- oder 270VDC-Eingang und/oder insbesondere dreiphasig ausgeführt.
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Das Gerätemodul enthält einen elektrischen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie aus dem Leistungseingang und - intern, also innerhalb des Gerätemoduls - zur Abgabe der zwischengespeicherten Energie an mindestens einen der Verbraucher (oder zur Rückspeisung in das Bordnetz, siehe unten). Der Energiespeicher des Gerätemoduls wird gemäß der Anzahl und Zeitdauer des Spitzen-Leistungsverbrauchs der angeschlossenen Verbraucher konfiguriert. Die entsprechenden Überlegungen zur Maximalleistung oben gelten sinngemäß auch für die Auslegung des Energiespeichers. Hier kann z.B. die Nennleistung aller Verbraucher mit deren Betriebsdauer multipliziert werden. Alternativ können aber auch Verbrauchsmessungen durchgeführt werden, denn z.B. bei einem Ofen wird die Nennleistung nur pulsweise (in Heizphasen) abgerufen, so dass die tatsächlich verbrauchte Energiemengen geringer ausfällt als Nennleistung mal Betriebsdauer.
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Das Gerätemodul enthält außerdem eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist - z.B. durch Verdrahtung, Programmierung usw. - dazu eingerichtet bzw. ausgestaltet, die Eingangsleistung stets auf einen Maximalwert zu begrenzen. Der Maximalwert ist dabei kleiner als die Maximalleistung, entspricht also nicht dem Summenwert der angeschlossenen Verbraucher. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, gegebenenfalls von den Verbrauchern aktuell nicht benötigte (von „extern“ kommende) Eingangsleistung als Leistungsüberschuss („intern“) dem Energiespeicher zuzuführen und gegebenenfalls aktuell benötigte („interne“) Mehrleistung für Verbraucher, die nicht („extern“) aus dem Leistungseingang gedeckt ist, den Verbrauchern („intern“) aus dem Energiespeicher zuzuführen. Unter „gegebenenfalls“ ist dabei jeweils zu verstehen, dass diese Situation je nach Betriebszustand der Verbraucher eintreten kann oder nicht.
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Die Erfindung geht dabei von einer Betrachtung des Gerätemoduls im störungsfreien bestimmungsgemäßen Betrieb aus. Die Eingangsleistung wird von der Steuereinheit im Betrieb also stets auf einen Wert begrenzt, der höchstens dem Maximalwert entspricht. Die Eingangsleitung kann dabei also Null sein, kleiner als der Maximalwert sein oder auch dem Maximalwert entsprechen. Der Maximalwert wird jedenfalls niemals überstiegen. Die jeweils restliche aktuelle, von den Verbrauchern benötigte Mehrleistung, gegebenenfalls auch die gesamte Verbraucherleistung (bei einer Eingangsleistung von Null) wird also aus dem Energiespeicher bezogen.
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Verbraucher, deren Leistungsaufnahme größer dem Maximalwert ist, müssen daher zumindest teilweise aus dem Energiespeicher versorgt werden, denn über den Leistungseingang kann eine derartig hohe Leistung nicht zugeführt werden.
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Die „Mehrleistung“ ist also eine benötigte Differenzleistung der Verbraucher, die nicht aus dem Leistungsanschluss gedeckt werden kann bzw. aktuell nicht gedeckt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Bordküche (Galley) für die Zubereitung von Speisen einen hohen Energiebedarf hat, aber nur für einen sehr kurzen Zeitraum, verglichen mit einer gesamten Flugdauer bei einer Mission (einem Flug). Das Bordnetz bzw. dessen Leistungsanschluss für die Bordküche (an deren Leistungseingang) wird in der bisherigen Praxis (permanent) für diesen Leistungs-Peak ausgelegt.
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Die Erfindung beruht auf der grundlegenden Idee, ein Konzept zur Reduzierung von Anschlussleistungen (z.B. in einer Bordküche) eines (Passagier-) Flugzeuges zu realisieren.
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Gemäß der Erfindung wird daher eine intelligente Batteriepufferung (Energiespeicher) - insbesondere kontinuierlich - mit einer steten kleinen „externen“ Energiemenge bzw. Leistung aus dem Bordnetz geladen. Zum Abrufzeitpunkt (Betrieb der Verbraucher, z.B. Kochen, Backen, ...) stellt das Gerätemodul bzw. die Steuereinheit bzw. der Energiespeicher dann „intern“ für einen relativ kurzen Zeitraum den ausreichend hohen Energiebedarf (Leistungsbedarf) der Galley zur Verfügung. Dabei wird insbesondere das Bordnetz vor Leistungssprüngen geschützt.
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Gemäß der Erfindung kann daher das Gerätemodul „extern“, d.h. am Leistungseingang nicht die „interne“ Maximalleistung aller Verbraucher aufweisen, sondern nur einen zu definierenden Bruchteil davon (z.B. 10%).
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Gemäß der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Stromgenerator des Passagierflugzeugs z.B. bis zu 50% (oder mehr oder weniger) kleiner dimensioniert werden kann. Die Zuleitungen inklusive der Sicherungselemente zur Bordküche können bis zu einem Zehntel kleiner dimensioniert und damit auch viel leichter werden. Alternativ steht bei gleichbleibender Stromgeneratorgröße (viel) Energie bzw. Leistung für andere Applikationen zur Verfügung. Der Galley, oder anderen Verbrauchern, die nur kurzfristig Energie benötigen, muss nicht mehr permanent die maximale Anschlussleistung angeboten werden. Die Erfindung ist somit nicht nur auf ein Gerätemodul für eine Bordküche beschränkt, sondern kann generell für jegliche Verbraucher genutzt werden, die in Relation zu einer Flugdauer nur kurzzeitig einen sehr hohen Leistungsbedarf haben.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich eine sogenannte iLEG (innovative Low Energy Galley), die vom Flugzeugbordnetz anstatt der Bereitstellung eines leistungsstarken (z.B. 15kW) Anschlusses, aufgrund intelligenter Energiespeicher (Batterie-) Pufferung nur noch eine vergleichsweise niedrige Anschlussleistung (z.B. ca. 1,4kW) benötigt. Damit kann die Anschlussleistung auf einen kleineren Wert - z.B. insbesondere auf weniger als 1/10 - im Vergleich zu dem ursprünglichen konventionellen Wert reduziert werden.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich also ein intelligenter Batteriepuffer mit ausgangsseitig hohem, kurzzeitigem Energiefluss (Leistung) bzw. eine Galley mit Energiepuffer (insbesondere z.B. Batterie/Akkumulator-Puffer). Die Erfindung eignet sich zum Einsatz in einer Galley oder anderen Applikationen mit kurzfristigem, hohem Energiebedarf (Leistungsbedarf).
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Bei einer geeigneten Dimensionierung eines Energiespeichers benötigt dieser (im fehlerfreien Fall) über mehrere Jahre hinweg (z.B. 3 oder 5 Jahre) keinen Service. In diesem Zeitraum werden also, außer bei Fehlerreparaturen, auch keine Serviceaktionen für den Energiespeicher, z.B. die Batterien, benötigt.
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Heutige Energiespeicher in Form von Batterien degradieren erst nach ca. 3000 Totalentladungszyklen ihren Kapazitätswert um ca. 10 %. D.h., unter der Annahme, dass ein Flugzeug pro Tag drei Missionen zu je 4-6 Stunden fliegt, wird die Batteriekapazität erst nach ca. 3 Jahren auf 90 % abfallen. Beispielsweise hätte dann ein 1,8kWh-Energiespeicher noch eine erforderliche Kapazität von 1,6kWh.
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Die komplette Elektrik (einschließlich Energiespeicher, z.B. Batterie) des Gerätemoduls kann (bei Fertigstellung der Bordküche im Passagierflugzeug) innerhalb der Bordküche integriert werden. Der Betreiber des Flugzeugs, z.B. eine Airline, benötigt keine neuen Prozesse oder eine separate Infrastruktur, um Energie an Bord zu bringen. Das Gerätemodul weist keine extrem hohe thermische Verlustleistung auf, die ein eigenes Entsorgungssystem erfordern würde. Es ist also kein spezieller Aufwand für die Entsorgung der entstehenden Verlustleistung (Wärme) nötig. Bei dem Gerätemodul handelt es sich um ein sehr einfaches, transparentes System, das keine weitere Schnittstelle zum Flugzeug benötigt.
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Die vergleichsweise hohe Anschlussleistung für die Verbraucher wird nur Bordküchenintern in der Kette Energiespeicher - (ggf. Konverter) - Verbraucher benötigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Maximalwert der Eingangsleistung höchstens 70% der Maximalleistung der Verbraucher. Insbesondere beträgt der Maximalwert höchstens 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10% oder 5% der Maximalleistung. So kann eine besonders günstige (Aufwand in Form eines Energiespeichers usw. gegen Nutzen) Reduzierung der Anschlussleistung für die Bordküche, Verkleinerung des Generators, Reduzierung von Kabelquerschnitten usw. - wie oben erläutert - im Passagierflugzeug gegenüber einem 100%-Anschluss (Maximalwert = Maximalleistung) vorgenommen werden.
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Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Eingangsleistung stets auf dem Maximalwert zu halten, so lange der Energiespeicher einen Soll-Ladezustand noch nicht erreicht hat oder nach einem konfigurierbaren Profil zu steuern. Die Eingangsleistung wird nach der ersten Variante also dauerhaft auf dem Maximalwert gehalten, nicht auf einem kleineren Wert, unabhängig davon, ob ein Leistungsüberschuss besteht. Lediglich wenn z.B. der Energiespeicher voll ist und kein Verbraucher Energie abruft, dann wird die Eingangsleistung zu Null. Jede überschüssige Leistung in Bezug auf den Maximalwert, die aktuell nicht von den Verbrauchern benötigt wird, wird dabei dem Energiespeicher zugeführt und dort gespeichert. Insbesondere wird der Maximalwert dabei dauerhaft bzw. in Flugphasen mit regulärer Energieverfügbarkeit für die Bordküche gehalten. Ausnahmen sind dann lediglich bestimmte besondere Situationen, z.B. ein Notfall, Landung, Start des Flugzeugs usw., in denen auch bei klassischen Bordküchen deren Leistungsversorgung eingeschränkt oder abgeschaltet wird. Der Soll-Ladezustand ist dabei über der Zeit variabel, z.B. kann er sich vor und nach der planmäßigen Zubereitung einer Mahlzeit unterscheiden.
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Gemäß der zweiten Alternative wird, um z.B. Leistungsschwankungen im restlichen Bordnetz auszugleichen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens einer der Verbraucher ein Direktverbraucher, der unter Umgehung des Energiespeichers direkt aus dem Leistungseingang mit Energie versorgt ist. Insbesondere ist dessen Anteil an der Maximalleistung in der Steuereinheit berücksichtigt. Die Steuereinheit steuert dann z.B. nur den „Rest“ der Eingangsleistung, d.h. der Maximalwert wird um die Leistung des Direktverbrauchers reduziert, um das Bordnetz schlussendlich doch nur höchstens mit dem Maximalwert an Leistung für die Bordküche zu belasten. Insbesondere reagiert die Steuereinheit dabei abhängig von der tatsächlichen Leistungsaufnahme des Direktverbrauchers, die dann z.B. durch einen Leistungsmesser ermittelt wird. Insbesondere ist die Steuereinheit auch in diesem Fall so eingerichtet, dass die Summe der Leistungsaufnahmen aller Verbraucher und des Energiespeichers den Maximalwert nicht übersteigt, insbesondere ideal genau auf dem Maximalwert gehalten wird. Die Summe ist die Summe der Nennleistungen, der Maximalleistungen oder gemittelter Leistungen. Ein solcher Direktverbraucher ist insbesondere ein Kühlschrank oder ein Beleuchtungselement der Bordküche. Die Leistungsaufnahme dieser Geräte kann z.B. gegenüber den Leistungsspitzen der Bordküche vernachlässigt werden und/oder ist über der Missionsdauer zumindest annähernd konstant.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform steht also mindestens einer der Direktverbraucher nicht unter der Beobachtung der Steuereinheit. So entsteht ein besonders einfaches Gesamtsystem.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform beträgt die Summe der maximalen Leistungsaufnahmen der Direktverbraucher höchstens 40% des Maximalwertes. Insbesondere beträgt die Summe höchstens 20%, 15%, 10%, 5%, 3%, 2% oder 1 %. Insbesondere ist dann die Steuereinheit fest auf einen Maximalwert von z.B. 60%, 80%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98% oder 99% desjenigen Leistungswerte ausgelegt, mit dem das Bordnetz von der Bordküche maximal belastet werden soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens einer der Verbraucher ein Speicherverbraucher, der ausschließlich über den Energiespeicher mit Energie versorgt ist. Der Speicherverbraucher wird also ausschließlich mit Energie versorgt, die dem Energiespeicher tatsächlich entnommen wird oder mit vom Leistungseingang durch den Energiespeicher „durchgeschleifter“ Energie. Der Speicherverbraucher steht insbesondere vollständig unter der Kontrolle der Steuereinheit, d.h. dessen aktueller Leistungsbedarf ist der Steuereinheit bekannt und die aktuelle Leistungsversorgung des Speicherverbrauchers wird vollständig von der Steuereinheit kontrolliert. Insbesondere weist der Speicherverbraucher eine maximale oder reguläre Eingangsleistung auf, die über dem Maximalwert liegt. Der Speicherverbraucher ist insbesondere ein solcher zur Erwärmung und/oder Zubereitung von Getränken und/oder Speisen, insbesondere ein Beverage Maker, Convection Oven oder Bread Oven. Verbraucher, insbesondere leistungsstarke Verbraucher, können als Speicherverbraucher besonders gut im Gerätemodul integriert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher in mindestens zwei voneinander getrennte bzw. unabhängige Teilspeicher unterteilt. Insbesondere ist jedem der Teilspeicher mindestens einer der Speicherverbraucher - falls vorhanden - ausschließlich zugeordnet, u.a. ist der Speicherverbraucher daher nur von diesem Teilspeicher versorgt. Insbesondere ist auch die Steuereinheit in mindestens zwei Teileinheiten unterteilt. Insbesondere ist jedem der Energiespeicher eine eigene Teileinheit ausschließlich zugeordnet. Jeder der Energiespeicher ist dabei autark bzw. sind diese unabhängig voneinander. So können z.B. bei Ausfall eines Energiespeichers die Verbraucher am anderen Energiespeicher weiterbetrieben werden, was zu einer Redundanz bzw. der Möglichkeit eines Notbetriebs einer Bordküche führt. Insbesondere sind die Teilspeicher räumlich getrennt voneinander anordenbar. Dies führt zu einer verteilten Speicherlösung.
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Mindestens einer oder alle der Teilspeicher oder auch der Energiespeicher ist dabei insbesondere in einem Plug-In-Gehäuse (Insert) untergebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher ein Akkumulator und der Akkumulator weist genau eine oder mindestens eine oder insbesondere mindestens zwei, drei, vier, fünf oder insbesondere eine Vielzahl von Einzelzellen, auf, wobei die Einzelzellen bei mindestens zwei - bei einer Vielzahl auch in Teilgruppen - insbesondere räumlich getrennt voneinander anordenbar sind. Der gesamte Energiespeicher kann somit verteilt und platzsparend, zum Beispiel unter Ausnutzung mehrerer kleiner, in einem bestehenden Bordküchendesign vorhandener und bisher nicht genutzter, Hohlräume in die Bordküche integriert werden, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen. In Bezug auf thermisch kritische Akkumulatoren kann auch die Gefahr eines thermal runaway, der dann von einer Teilgruppe bzw. einer Einzelzelle des Akkumulators nicht auf andere Teilgruppen übergreifen kann, reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Energiespeicher mit einem DoD-Wert (Depth of Discharge) von kleiner 100%, insbesondere maximal 95%, 90%, 85%, 80%, 75% oder 70% zu betreiben. Dies bedeutet, dass z.B. maximal 80% der Kapazität des Energiespeichers bei dessen Ladung und Entladung genutzt werden. Insbesondere werden DOD-Werte von maximal 65%, 50%, 35% oder 20% gewählt. Ein niedriger DoD-Wert begünstigt die Haltbarkeit eines Energiespeichers, insbesondere im Fall von Akkumulatoren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Gerätemodul eine Rückspeiseeinheit zur Rückspeisung der im Energiespeicher gespeicherten Energie in das Bordnetz. So kann z.B. bei Ausfall sonstiger Energiequellen im Passagierflugzeug das Bordnetz aus dem Gerätemodul mit Energie versorgt werden. Der Energiespeicher ist dann mit anderen Worten ein „Ersatznotstromspeicher“ für das Passagierflugzeug.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Bordküche gemäß Patentanspruch 10 mit einem erfindungsgemäßen Gerätemodul. In der Bordküche befindet sich das Gerätemodul also im Montagezustand, die Bordküche befindet sich eingebaut im Passagierflugzeug. Die Bordküche und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gerätemodul erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Bordküche ein Gerätemodul, bei dem der Energiespeicher in mindestens zwei getrennte Teilspeicher unterteilt ist, die räumlich getrennt voneinander anordenbar sind. Die Teilspeicher (oder Teilgruppen, siehe oben) sind räumlich verteilt in der Bordküche angeordnet. Durch die räumliche Verteilung ist eine jeweilige ausreichende passive Entwärmung jedes Teilspeichers bzw. Teilgruppe möglich. Insbesondere sind die Teilspeicher bzw. Teilgruppen im Hinblick auf die konkrete Ausführung der Bordküche und des Flugzeugs derart angeordnet, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb eine ausreichende Entwärmung sichergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich sind die Teilspeicher bzw. Teilgruppen auch so verteilt angeordnet, dass der zusätzlich nötige Bauraum für den Energiespeicher hinsichtlich der Bordküche gegenüber einer gepackten einteiligen, nicht verteilten Anordnung des Energiespeichers optimiert bzw. reduziert ist. Eine entsprechende Ausführungsform ist insbesondere für einen Lilon-Akkumulator (Lithium-Ionen) günstig. Der Akkumulator bzw. die Batterie kann damit „großflächig“ in der Bordküche verbaut werden. Damit entfallen Kühlungsprobleme. Außerdem wird das sogenannte „Runaway“-Problem entschärft, da keine bzw. eine weniger enge thermische Kopplung zwischen Nachbarzellen (Einzelzellen bzw. Teilgruppen) des Akkumulators im Vergleich zu einer nicht verteilten Bauweise besteht.
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Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren bzw. Batterien besteht die theoretische Möglichkeit des thermischen Runaways. Dieser alleine birgt noch keine große Gefahr, sondern der Lawineneffekt, der entsteht, wenn in dicht gepackten Batteriemodulen eine fehlerhafte Batterie(zelle) die Nachbarbatteriezellen thermisch mitreisst. Diese Gefahr kann bei einer verteilten bzw. großflächigen Verbauung in der Galley signifikant reduziert werden, da die Batteriezellen bzw. Einzelzellen bzw. Teilgruppen individuell in ein Schutzgehäuse integriert werden können.
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In einer bevorzugten Alternative dieser Ausführungsform sind daher mindestens zwei der Einzelzellen bzw. Teilgruppen mit einem Mindestabstand zueinander in der Bordküche angeordnet, wobei der Mindestabstand in Bezug auf die Einbausituation der Bordküche im Passagierflugzeug so groß gewählt ist, dass eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Einzelzellen bzw. Teilgruppen in einem Fehlerfall ausgeschlossen ist. „Ausgeschlossen“ ist hier im Sinne eines üblichen Sicherheitsmaßes bzw. unter Inkaufnahme eines bestimmten Restrisikos zu verstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Gerätemoduls oder einer erfindungsgemäßen Bordküche. Bei dem Verfahren wird die Eingangsleistung stets auf den Maximalwert begrenzt. Gegebenenfalls (also falls Leistungsüberschuss existiert) wird der Leistungsüberschuss dem Energiespeicher zugeführt. Gegebenenfalls (also falls Mehrleistung existiert bzw. von den Verbrauchers angefordert wird) wird die aktuelle Mehrleistung den Verbrauchern aus dem Energiespeicher zugeführt. Das Verfahren wird im eingebauten Zustand des Gerätemoduls in der Bordküche und der Bordküche im Passagierflugzeug durchgeführt.
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Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gerätemodul bzw. der erfindungsgemäßen Bordküche erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gerätemodul ein solches, bei dem die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Eingangsleistung stets auf dem Maximalwert zu halten, so lange der Energiespeicher einen Soll-Ladezustand noch nicht erreicht hat, wie oben erläutert. Bei dem Verfahren wird die Eingangsleistung stets auf dem Maximalwert gehalten, so lange der Energiespeicher einen Soll-Ladezustand noch nicht erreicht hat. Weitere Varianten hierzu wurden oben bereits sinngemäß erläutert.
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Diese Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gerätemodul bzw. der erfindungsgemäßen Bordküche erläutert.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 eine Bordküche eines Flugzeuges mit Gerätemodul in einem Blockschaltbild,
- 2a ein Zeitdiagramm für einen Catering-Ablauf an Bord des Flugzeuges,
- 2b ein Zeitdiagramm verschiedener Größen des Gerätemoduls für den Catering-Ablauf aus 2a.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines nicht weiter dargestellten Passagierflugzeuges 2. Das Passagierflugzeug 2 enthält eine nur angedeutet dargestellte Bordküche 4. Die Bordküche 4 enthält ein Gerätemodul 6. Das Gerätemodul 6 enthält hier insgesamt acht Verbraucher 8a-h; diese sind mit ihren jeweiligen zugehörigen elektrischen Leistungsangaben und zugeordneten regulären Betriebszeiten pro Mahlzeit/Catering:
- - 8a: eine Beleuchtungsanordnung zur Beleuchtung der gesamten Bordküche 4 (permanent 100W Grundlast),
- - 8b: ein Kühlschrank (100W Spitzenlast, permanent gemittelt 20W),
- - 8c,f: zwei Heißgetränkebereiter (Beverage Maker) (zu je 750W bei 15min Zubereitungszeit),
- - 8d,g: zwei Konvektionsöfen (Convenction Oven) (zu je 3800W bei 30min Zubereitungszeit),
- - 8e,h: zwei Brotöfen (Bread Oven) (zu je 900W bei 25min Zubereitungszeit).
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Die Verbraucher 8a-h und damit das Gerätemodul 6 weisen daher eine summierte elektrische Maximalleistung PM von 11,1kW auf.
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Das Gerätemodul 6 weist einen Leistungseingang 10 auf, der an ein hier nur symbolisch angedeutetes Bordnetz 12 des Passagierflugzeuges 2 anschließbar bzw. hier angeschlossen ist. Hier ist der Leistungseingang 10 ein dreiphasiger 115VAC-Anschluss. Über den Leistungseingang 10 wird das Gerätemodul 6 mit elektrischer Energie bzw. einer aktuellen elektrischen Eingangsleistung PE versorgt.
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Das Gerätemodul 6 enthält außerdem einen elektrischen Energiespeicher 14, der hier in zwei getrennte Teilspeicher 16a,b in Form von Batterien bzw. Akkumulatoren unterteilt ist. Jeder der Teilspeicher 16a,b weist eine elektrische Speicherkapazität von 4kWh auf. Die Verbraucher 8c-h sind in zwei Gruppen gleicher Verbraucher bzw. gleicher Gerätetypen (8c-e und 8f-h) aufgeteilt und jede Gruppe ist über einen jeweiligen DC/AC-Wandler 18 an einem der Teilspeicher 16a,b angeschlossen bzw. von diesem mit elektrischer Leistung bzw. Energie versorgt. Der Energiespeicher 14 dient zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie aus dem Leistungseingang 10 und zu deren Abgabe an mindestens einen der Verbraucher 8c-h.
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Der Energiespeicher 14 ist ein Akkumulator; die Teilspeicher 16a,b sind jeweilige Teilgruppe mit einer jeweiligen Vielzahl von dessen Einzelzellen. Diese sind räumlich verteilt in der Bordküche 4 angeordnet. Eine gegenseitige thermische Beeinflussung der Teilspeicher 16a,b und damit der Einzelzellen ist daher ausgeschlossen.
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Das Gerätemodul 6 enthält außerdem eine Steuereinheit 20, die hier ebenfalls in zwei Teileinheiten 22a,b aufgeteilt ist. Jede der Teileinheiten 22a,b verwaltet dabei einen der Teilspeicher 16a,b autark, d.h. unabhängig vom jeweils anderen Teilspeicher 16a,b. Die Steuereinheit 20 ist dazu eingerichtet, die Eingangsleistung PE stets auf einen Maximalwert WM von hier 0,7kW zu begrenzen, der kleiner als die Maximalleistung PM von 11,1kW ist. Der Maximalwert WM beträgt damit 0,7kW/11,1kW = 6,3% der Maximalleistung PM.
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Die Steuereinheit 20 ist ebenfalls dazu eingerichtet bzw. geht so vor, dass sie einen eventuellen aktuellen Leistungsüberschuss 34 der Eingangsleistung PE, d.h. einen Anteil dieser, der von den Verbrauchern 8a-h aktuell nicht benötigt wird, dem Energiespeicher 14 zuführt, sodass der Leistungsüberschuss 34 dort gespeichert wird. Andererseits ist die Steuereinheit 20 dazu eingerichtet bzw. geht so vor, dass sie eine eventuelle Mehrleistung 36 der Verbraucher 8a-h, die diese aktuell benötigen, die aber aktuell nicht aus der Eingangsleistung PE gedeckt werden kann, diesen Verbrauchern 8a-h aus dem Energiespeicher 14 zuführt.
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Die Verbraucher 8a,b sind Direktverbraucher, die unter Umgehung des Energiespeichers 14 direkt aus dem Leistungseingang 10 mit elektrischer Energie versorgt sind und außerdem nicht unter der Beobachtung der Steuereinheit 20 stehen. Die Summe der Leistungsaufnahmen der Direktverbraucher 24 von 0,2kW beträgt damit 0,2kW/0,7kW = 28,6% des Maximalwertes WM.
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Die Verbraucher 8c-h sind Speicherverbraucher 26, die ausschließlich über den Energiespeicher 14 mit Energie versorgt sind.
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Klassischerweise wäre der Leistungseingang 10 auf eine maximale Eingangsleistung PE in Höhe der Maximalleistung PM von 11,1 kW ausgelegt, um zu jeder Zeit die Verbraucher 8a-h mit ausreichender elektrischer Leistung versorgen zu können. Gemäß der Erfindung sollen nur maximal WM=0,7kW als Eingangsleistung PE aus dem Bordnetz 12 bezogen werden. Da die beiden Direktverbraucher 24 zusammen einen Leistungsbedarf von 0,2kW aufweisen, verbleiben 0,5kW für die Versorgung der Speicherverbraucher 26. Die Steuereinheit 20 begrenzt daher die restliche Leistungsaufnahme, d.h. die dem Energiespeicher 14 zugeführte Leistung auf 0,5kW. Aus Symmetriegründen begrenzt sie die Leistungsaufnahme jedes Teilspeichers 16a,b auf je 0,25kW.
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2a erläutert einen beispielhaften Ablauf einer Mission bzw. eines Fluges des Passagierflugzeuges 2 in Bezug auf die Nutzung der Bordküche 4. Beispielhaft sollen 90 Personen einmal mit einer warmen Mahlzeit und warmen Getränken und dreimal zusätzlich nur mit warmen Getränken versorgt werden. Aufgetragen ist die Zeit t zwischen Start (t=0h) und Landung (t=6h) des 6 Stunden dauernden Fluges. Zu den Zeitpunkten t=0,5h, t=3h und t=5h werden in der Bordküche 4 Getränke mit den Verbrauchern 8c,f zubereitet. Zum Zeitpunkt t=1,5h wird eine Mahlzeit mit Getränken mit allen Verbrauchern 8c-h zubereitet. Der Beginn der jeweiligen Zubereitung ist symbolisch durch einen jeweiligen Pfeil angedeutet.
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Eine warme Mahlzeit inklusive Warmgetränk benötigt dabei innerhalb der Zubereitungszeit von 30Minuten eine Energie von 1,5kW * 15/60h = 0,375kWh zzgl. 7,6kW * 30/60h = 3,8 kWh zzgl. 1,8kW * 25/60h = 0,75kWh, in Summe also 4,925 kWh. Die Zubereitung von Warmgetränken benötigt 1,5kW * 15/60h = 0,375kWh. Dabei wurden vereinfacht die Nennleistungsaufnahmen der Verbraucher 8c-h zugrunde gelegt.
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Alternativ können auch Verbräuche gemäß realer Messungen ermittelt werden. Hierbei ergeben sich zum Beispiel für die beiden Heißgetränkebereiter (8c,f) in Summe 0,175kWh, für die beiden Konvektionsöfen (8d,g) 1,425kWh und für die beiden Brotöfen (8e,h) 0,295kWh, da deren Nennleistung jeweils nicht dauerhaft während deren Betrieb abgerufen wird. Für eine warme Mahlzeit inklusive Warmgetränken ergeben sich einschließlich Grundlast 1,96kWh.
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Für den gesamten Flug ergibt sich bei dem beispielhaften Szenario folgender benötigter Energieaufwand bzw. folgende Größen:
| Flugplan | Aktion | Leistungs- bedarf | Anschlussleistung intern | pro Phase |
| Start | | | | |
| +0,5h | erste Getränkerunde | 0,175kWh | 1,5kW | 13A |
| +1h | Mahlzeit und Getränke und Brot | 1,9kWh | 10,9kW | 31A |
| +1,5h | zweite Getränkerunde | 0,175kWh | 1,5kW | 13A |
| +2h | dritte Getränkerunde | 0,175kWh | 1,5kW | 13A |
| +1h | | | | |
| Landung | Gesamt incl. 0,72kWh Grundlast | 3,14kWh | | |
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Die Auslegung des Energiespeichers 14 erfolgt gemäß einer ersten Variante wie folgt:
- Das dreiphasige Bordnetz mit Bordspannung 115VAC wird seitens der Bordküche 4 mit der Eingangsleistung PE von 0,7kW belastet. Damit stellt das Bordnetz während einer halbstündigen Zubereitungsphase der warmen Mahlzeit mit Heißgetränken 0,35kWh zur Verfügung. Die Differenz zur benötigten Gesamtenergie von 1,96kWh in Höhe von 1,61kWh muss aus dem Energiespeicher 14 erbracht werden. Die minimale Speicherkapazität beträgt daher 1,61kWh. Die Lade-und Entladezyklen einer Batterie bzw. eines Akkumulators können signifikant erhöht werden, wenn die Batterie in jedem Zyklus nicht komplett entladen wird. Wählt man daher einen DoD-Wert (Depth of Discharge) von 20%, benötigt die Batterie eine Größe von 1,6 kWh * 5 = 8kWh, wobei der Faktor 5 aus der nur 20%igen erlaubten Batterieentladung herrührt. Die Ladezeit würde bei dem obigen Szenario hierbei 4 Stunden benötigen. Die Teilspeicher 16a,b weisen daher jeweils eine Speicherkapazität von 4kWh auf.
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In einer alternativen zweiten Variante könnte das Bordnetz 12 auch mit einer maximalen Eingangsleistung PW von 1kW belastet werden. Damit stellt das Bordnetz während der halbstündigen Zubereitungsphase eine Energiemenge von 0,5kWh zur Verfügung. Die Batterie benötigt dann eine Größe von 1,46 kWh * 5 = 7,3 kWh. Die Ladezeit betrüge dann 2,5h.
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Intern innerhalb der Bordküche (nach dem DC/AC-Wandler 18) wird dann eine Anschlussleistung von maximal 10,9kW benötigt. Dies entspricht pro interner Phase (bei 115V Dreiphasenwechselstrom) einer Strombelastung von maximal ca. 31A. Das Catering des gesamten Fluges benötigt inklusive Grundlast 3,14 kWh. Für eine Mahlzeit mit Heißgetränken und frischen Brötchen werden inklusive der Grundlast nach der ersten Variante oben insgesamt 1,9kWh benötigt. Dieser Wert bestimmt die Batteriekapazität. Die Bordküche 4 benötigt Aircraft-seitig einen 3-phasigen 115VAC- Anschluss, der mit nur noch maximal 0,7kW (Variante 1) belastet wird. Das entspricht pro Phase einer Strombelastung von 2A. Die komplette Elektrik inklusive des Energiespeichers 14 kann innerhalb der Bordküche 4 integriert werden.
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Bei Einsatz der Lilon-Akku-Technologie würde sich für das Konzept unter reiner Betrachtung der Energiedichte ein mittleres Gewicht von ca. 60 kg für den Energiespeicher 14 ergeben.
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2b (in Ordinatenrichtung nicht maßstäblich) zeigt zu 2a ausgezogen den aktuellen summierten Leistungsbedarf 30 aller Verbraucher 8a-h. Klein gestrichelt ist die aktuelle Eingangsleistung PE dargestellt. Groß gestrichelt ist außerdem die im Energiespeicher 14 aktuell vorhandene Energiemenge 32 dargestellt, d.h. dessen aktueller Ladezustand.
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Zu Beginn (t=0) des Fluges werden zunächst in der Bordküche 4 nur die Direktverbraucher 24 mit ihrer (hier gemittelt dargestellten) Durchschnittsleistung bzw. Grundlast von 120W betrieben. Der Leistungsbedarf 30 beträgt also 120W. Die Steuereinheit 20 regelt jedoch die Eingangsleistung PE auf deren Maximalwert WM=700W. Ein mit Linksschraffur dargestellter Leistungsüberschuss 34 von 580W wird daher dem Energiespeicher 14 zugeführt, weshalb dessen Energiemenge 32 ansteigt.
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Bei einer Flugzeit von t=0,5h beginnt die Zubereitung von Heißgetränken. Der Leistungsbedarf 30 steigt auf 0,12kW (Grundlast) zzgl. 1,5kW für die Getränkebereiter (8c,f), also auf 1,62 kW. Dieser Leistungsbedarf 30 kann nicht mehr aus der Eingangsleistung PE von 700W gedeckt werden. Die aktuell benötigte mit Rechtsschraffur dargestellte Mehrleistung 36 von 0,92kW wird aus dem Energiespeicher 14 bezogen, weshalb dessen Energiemenge 32 abnimmt. Anschließend stellt sich wieder die ursprüngliche Situation ein, bis zum Zeitpunkt t=1,5h die Speisen- und Getränkezubereitung beginnt.
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Für 15 Minuten sind nun alle Verbraucher 8a-h aktiv, dann werden die Heißgetränkebereiter abgeschaltet; nach weiteren 10 Minuten werden die Brotöfen abgeschaltet, nach weiteren 5 Minuten auch die Konvektionsöfen. Auch hier wird die gesamte, von der Eingangsleistung PE nicht gelieferte Mehrleistung 36 aus dem Energiespeicher 14 entnommen.
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Es schließen sich abwechselnd nochmals zwei Zeitabschnitte mit Grundlast und zwei Zeitabschnitte mit Heißgetränkezubereitung an, wie oben beschrieben. Bei t=5,25h beginnt zunächst nochmals ein Zeitabschnitt mit Grundlast. Zum Zeitpunkt t=5,5h hat der Energiespeicher einen Soll-Ladezustand 38 von 50% erreicht. Ein weiteres Aufladen des Energiespeichers 14 ist daher unnötig. In der Bordküche 4 wird nur noch die Grundlast betrieben. Die aktuelle Eingangsleistung PE wird daher vom Maximalwert WM auf die Grundlast von120W reduziert. Der Energiespeicher 14 behält daher seine aktuell gespeicherte Energiemenge 32 als Soll-Ladezustand 38 unverändert bei. Der Soll-Ladezustand 38 ist deshalb erreicht, da eine ausreichende Ladung für den nächsten geplanten Flug erreicht ist. Im Zeitraum zwischen t=0 und t=2h liegt der Soll-Ladezustand 38 bei 80% und damit deutlich höher, da die Zubereitung der Mahlzeit noch ansteht. In dieser Flugphase wurde der Soll-Ladezustand 38 nicht erreicht.
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Der Energiespeicher 14 wird von der Steuereinheit 20 im Bereich seines Ladezustandes von 25% bis 75% betrieben, d.h. nur 50% von dessen Kapazität werden genutzt, weshalb sich ein DoD-Wert von 50% ergibt.
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Beim Betrieb der Bordküche 4 wird demnach die Eingangsleistung PE stets auf den Maximalwert WM begrenzt, nicht benötigter Leistungsüberschuss 34 am Leistungseingang 10 stets dem Energiespeicher 14 zugeführt, und benötigte Mehrleistung 36 den Verbrauchern 8a-h stets aus dem Energiespeicher 14 zugeführt. Außerdem wird die Eingangsleistung PE so lange auf dem Maximalwert WM gehalten, bis der Energiespeicher14 seinen Soll-Ladezustand 38 erreicht hat.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Passagierflugzeug
- 4
- Bordküche
- 6
- Gerätemodul
- 8a-h
- Verbraucher
- 10
- Leistungseingang
- 12
- Bordnetz
- 14
- Energiespeicher
- 16a,b
- Teilspeicher
- 18
- DC/AC-Wandler
- 20
- Steuereinheit
- 22a,b
- Teileinheit
- 24
- Direktverbraucher
- 26
- Speicherverbraucher
- 30
- Leistungsbedarf (aktuell)
- 32
- Energiemenge (aktuell)
- 34
- Leistungsüberschuss
- 36
- Mehrleistung
- 38
- Soll-Ladezustand
- PE
- Eingangsleistung
- PM
- Maximalleistung
- WM
- Maximalwert
- t
- Zeit