Weight-Constrained Reliability Allocation for All-Electric Aircraft Powertrains

动力传动系统 可靠性(半导体) 汽车工程 冗余(工程) 可靠性工程 工程类 电池(电) 计算机科学 功率(物理) 扭矩 物理 量子力学 热力学
作者
Jinghao Li,Yiwen Huang,Ran Li,Hao Hua,Fei Gao,Xiaoze Pei,Wentao Huang,Nengling Tai
出处
期刊:IEEE Transactions on Transportation Electrification [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (3): 6596-6607
标识
DOI:10.1109/tte.2023.3331839
摘要

The shift towards electric aircraft poses significant challenges in balancing lightweight design and high reliability of powertrains. Typically, improving reliability requires redundancy, which adds weight, while lightweight designs often compromise reliability. In this paper, we propose a weight-constrained reliability allocation model for the powertrain design of electric aircraft. The relationship between reliability and weight for each component, including battery, inverter, and electric motor is analytically and linearly expressed using universal generating functions (UGF) and McCormick envelope technique. Our model considers variable operating conditions that impact component reliability, such as changes in core temperature caused by high-attitude and variable thrust power caused by wind speed and direction. Our approach enhances the overall performance of electric powertrains systems for aircraft. Using the " Spirit of Innovation " electric aircraft as a case study, the proposed method can improve the powertrain reliability from 0.9786 to 0.9870 through reasonable allocation without adding extra weight. Alternatively, it can reduce the weight by 3.1% without compromising the reliability of the powertrain.

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