Hybrid Electric Regional Aircraft Design with Optimal Power Management

Abstract

The aviation industry has continuously improved its efficiency over the last decade with innovations in technology, design and operation. Further improvements are becoming more difficult as current technology reaches maximum maturity and efficiency. Electrification of road vehicles is predicted to completely replace combustion engines in vehicles. As the efficiency and reliability of electric batteries and motors improve, so does the case for electric propulsion systems in aircraft. Jet fuel carries 61 times more energy than batteries for the same weight, making complete replacement of fuel challenging. Hybrid electric propulsion, where both fuel and batteries are used to power propulsion systems could be feasible and improve fuel efficiency. Hybrid electric powertrains use electric power to reduce the power demands from the combustion engine. Electric batteries are discharged and charged during the operation based on when extra power is needed or available. A unique aircraft design method is proposed that includes optimized power management which determines when and how much battery charge should be used, in both discharge and charge to reduce overall fuel consumption. Regional aircraft typically fly the shortest routes of a commercial airline fleet. These short routes have wider variations in power, which is where hybrid electric powertrains are the most beneficial. The hybrid electric aircraft design method finds that a hybrid electric regional aircraft, at current technology levels, could achieve similar fuel performance to current regional aircraft. This result is in contrast of the current literature, which anticipates significant improvements to battery energy density and electric motor efficiency to achieve similar fuel performance results.

L’indsutrie d’aviation a amélioré le rendement au fil de la décennie avec l’innovation de la technologie, le conception et l’opération. Les améliorations futures deviennent plus difficiles à mesure que la technologie actuelle attient son rendement maximale. On prédit que l’électrification de la voiture va remplacer toutes les voitures à moteurs de combustion. A mesure que le rendement ` et la fiabilité des batteries et des moteurs électriques s’améliorent, il en va de même pour les systèmes de propulsion électriques dans les avions. Le carburant contient 61 fois plus d’énergie que les batteries pour le même poids, ce qui rend difficile le remplacement complet du carburant. La propulsion électrique hybride, qui utilise le carburant et les batteries pour alimenter les systèmes de propulsion, pourrait être réalisable et améliorer le rendement énergétique. Les groupes de motopropulseurs électriques hybrides utilisent l’énergie électrique pour réduire les demandes de puissance d’un moteur à combustion. Les batteries électriques sont déchargées et chargées pendant le fonctionnement en fonction du moment où une alimentation supplémentaire est nécessaire ou disponible. Une méthode de conception d’avion unique est proposée qui inclut une gestion optimisée de la puissance qui détermine quand et la combien de charge de la batterie doit être utilisée, à la fois en décharge et en charge pour réduire la consommation totale de carburant. Les avions régionaux empruntent généralement les itinéraires les plus courts d’une flotte de compagnies aériennes commerciales. Ces trajets courts ont des variations de puissance plus importantes, là où les groupes motopropulseurs électriques hybrides sont les plus avantageux. La méthode de conception d’avions hybride-électrique montre qu’un avion régional électrique hybride, aux niveaux technologiques actuels, pourrait atteindre des performances de carburant similaires à celles des avions régionaux actuels. Ce résultat contraste avec la littérature actuelle, qui prévoit des améliorations significatives de la densité d’énergie de la batterie et de l’efficacité du moteur électrique pour obtenir des résultats de performance de carburant similaires.