29.12.2017
Erschienen in: 12/ 2017 aerokurier

Unter SpannungSicherheit von Elektroantrieben

Rund 100 000 Flugstunden ist der E-Antrieb von Elektroflugpionier Lange im Eigenstarter Antares und Schwestermodellen inzwischen im Einsatz. Gefährliche Störfälle gab es keine. Wie stellt Lange Aviation diese Sicherheit her?

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Die Unterbringung der Batterien im Flügel bringt einen gewichtigen strukturellen Vorteil. Die Antares ist damit nicht schwerer als konventionelle Eigenstarter. Grafik und Copyright: Lange Aviation  

 

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Röntgenblick auf das Antares-Antriebssystem: Als Druckpropeller passt eine große Luftschraube in den Motorkasten. Grafik und Copyright: Lange Aviation  

 

Nach zwei Batteriebränden in Segelflugzeugen mit der Heimweghilfe FES, die letztlich zur vorläufigen Stilllegung dieses Antriebssystems durch die EASA geführt haben, stellt sich für viele Anhänger des Elektroflugs die Frage: Wie sicher ist die moderne Batterietechnik, speziell die der Lithium-Ionen-Akkus? Besitzer von Discus, LAK und Shark mit FES können jedenfalls ihre Batteriepakete nicht mehr nutzen, bis die Ursachen der Störfälle untersucht und Abhilfemaßnahmen von der EASA genehmigt und vollzogen sind.

Das Antares-Antriebssystem fliegt heute in rund 90 Flugzeugen. Zur Serienreife gelangte es in der Antares 20E, die 2013 nach dem Proof-of-Concept-Modell zum Erstflug startete. Später wurden der Arcus E, die Antares 23E und Forschungsflugzeuge damit ausgerüstet. Inzwischen absolvierten diese Flugzeuge störungsfrei rund 100 000 Flugstunden. Unter Elektroflug-Fachleuten gilt der Antares-Antrieb damit als der Maßstab für E-Antriebe in Flugzeugen.

Grundlage für diesen Erfolg ist die Batterietechnik, die Konzentration auf die Sicherheit der Lithium-Ionen-Akkus. Lange wählte Akkus der Firma Saft, die dank ihres hohen Sicherheitsstandards heute auch in Jets der US-Luftwaffe und in Satelliten eingesetzt werden. Saft garantiert für die Rundzellen VL-41M eine Sicherheit gegen interne Kurzschlüsse von einem in 109 Stunden. In der Praxis sollte es also nie zu einem Zwischenfall kommen.

Erreicht wird die hohe Sicherheit durch  eine besondere Chemie, die die wichtige Separatorschicht zwischen den Batteriepolen mit der Zeit wachsen lässt. Die zunehmende Dicke dieses Sicherheitsfilms macht sie undurchdringlich für Metallspitzen, die im Laufe eines Batterielebens aus den Polen herauswachsen können. Nachteil dieses Konzepts ist, dass mit der Dicke der Separatorschicht der Innenwiderstand der Batterie wächst. Und natürlich haben die ausgefuchste Technik und der hohe Qualitätsstandard ihren Preis. Die Kapazität der Zellen nimmt mit dem Alter ab, innerhalb von 20 Jahren beziehungsweise 4500 Ladezyklen sinkt sie auf 80 Prozent. Lange nimmt das der Sicherheit zuliebe in Kauf.

Aber wie schwer wiegt dieser Schwund im normalen Einsatz eines eigenstartfähigen Segelflugzeugs? Die Antares schafft mit einer Batterieladung immerhin 3400 Höhenmeter, bei nachlassender Kapazität etwas weniger. Über 20 Jahre verteilt wären das pro Jahr im Schnitt 225 solcher Starts bzw. Steigflüge. Gegen Behandlungsfehler jedoch sind auch die Saft-Zellen nicht gefeit. Ein Tiefentladen unter zwei Volt kann die Separatorschicht schädigen. Auch im Antares-System ist das generell möglich. Die Chance, die Batterie bis zur Neige auszunutzen, muss es in einem Segelflugzeug geben. Eine lebensgefährliche Situation (eine unmögliche Außenlandung) zugunsten einer zwar teuren Batterie ver­meiden zu können, sollte es immer geben.

Unbemerkt vollzieht sich eine solche batterieschädigende Nutzung des Systems für den Antares-Piloten allerdings nicht. Lange bevor es zu einer Tiefentladung kommt, weist das System den Piloten darauf hin. Die erste Warnung setzt bereits ein, wenn die Spannung einer Zelle unter drei Volt sinkt. Gefahrlos können sie dann noch bis zu einer Spannung von 2,7 Volt weitergenutzt werden, allerdings lässt diese Nutzung die Akkus schneller altern.

Lückenlose Überwachung

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Der Antares-Motor verfügt über einen unerreicht hohen Wirkungsgrad für Elektroantriebe. Grafik und Copyright: Lange Aviation  

 

Unbemerkt bleibt im Antares-Antrieb so gut wie nichts. Ein Überwachungs- und Kontrollsystem zeichnet im Millisekundentakt alle Batteriezustände auf, die Spannung, die Temperatur sowie die Ober- und Unterspannung. Sollte dabei eine Tiefentladung unter 2,2 Volt registriert werden, sperrt das Batterie-Managementsystem die Weiterverwendung. Die Batterien können dann nicht mehr aufgeladen werden. Mit möglicherweise geschädigter oder vorgeschädigter Batterie verhindert der Prozessor eine Weiterverwendung des Antriebs. Was die Sperre ausgelöst hat, muss dann im Herstellerwerk untersucht werden. Der Antares-Halter liest dazu den Datenspeicher mit einem USB-Stick aus und schickt die Aufzeichnungen per E-Mail zum Hersteller. Ergibt dort die Überprüfung keine sicherheits­­rele­vanten Auffälligkeiten, kann der Prüfingenieur die Sperre per SMS-Nachricht ans System aufheben. Andernfalls ist die Erneuerung der betroffenen Zellen notwendig.

Die Steuerungs- und Überwachungssoftware hat Lange Aviation kontinuierlich verbessert. Aktuell ist heute Release 6.0. Damit ist die Prüfung des Antriebs im Rahmen einer Jahres­nachprüfung (ARC) nur noch alle zwei Jahre erforderlich. Das angekündigten Release 7.0 ermöglicht so viele Selbsttests, dass externe Tests nur noch alle drei Jahre notwendig sein werden. Hier genießt der Segelflug die Investitionen der Lange Research in die Entwicklung ihrer Forschungsflugzeuge.

Auf die Pflege kommt es an

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Die Antares 23 gibt es mit Elektroantrieb und mit ganz großer Spanne der Flächenbelastung mit einer Kolbenmotor-Heimweghilfe. Foto und Copyright: Marzinzik  

 

Den – wenn auch geringen – Kapazitätsverlust über die Lebensdauer der Akkus fängt Lange hardwareseitig mit aufwendigen Pflegeeinrichtungen ab. So können die Batterien vor dem Start auf Betriebstemperatur erwärmt werden, was dann die volle Nutzung ermöglicht. Zu große Erwärmung im Entladebetrieb verhindert eine automatische Kühlung. Die Akkus sind dazu in ein ausgeklügeltes Lüftungskanal­system eingebettet. Über all das braucht sich der Antares-Pilot keine Gedanken zu machen. Mit dem Einhebelsystem verfügt er über eine sichere und äußerst komfortable Bedienung. Sekunden nach dem Vorschieben des Bedienhebels ist der Motor ausgefahren, steht die volle Motorleistung zur Verfügung und kann der Pilot sogleich die Vorzüge des elektrischen Fliegens genießen: leise, vibrationsarm und ganz ohne Abgase. Im Vergleich mit konventionellen Motoren steht der Antrieb mit sehr viel höherer Zuverlässigkeit zur Verfügung. Der Elektroantrieb bietet seine vollen 42 Kilowatt auch in großer Flughöhe. Einen Leistungs­verlust mit zunehmender Dichtehöhe gibt es nicht, nur der Wirkungsgrad des Propellers lässt in dünnerer Luft nach.

Dass einmal zu wenig im „Tank“ ist, also  in den im Flügel untergebrachten Akkus, sollte so schnell nicht vorkommen. Bei den verfügbaren rund 3400 Steigmetern bei vollen Akkus bleiben auch nach einem hohen Eigenstart reichlich Reserven, um Flauten mit dem Motor zu überbrücken.

aerokurier Ausgabe 12/2017

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Gerhard Marzinzik


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