Bu tədqiqat batareya və hidrogen yanacaq elementindən birlikdə istifadə edən tam elektrikli yüngül hava nəqliyyat vasitəsində təyyarədə daşına bilən hidrogen miqdarının məhdud olmasını birbaşa enerji idarəetmə alqoritminə daxil edir. Tədqiqatçılar ekvivalent istehlakın minimumlaşdırılması strategiyasına (Equivalent Consumption Minimisation Strategy, ECMS) əsaslanan üç yanaşmanı müqayisə ediblər: hidrogen miqdarını məhdudiyyətsiz qəbul edən üsul, sabit yanacaq limiti üsulu və hidrogen azaldıqca batareyadan istifadəni idarəli şəkildə artıran yeni “depletion-aware” yanaşması. 6650 saniyəlik missiya profili üzərində aparılan modelləşdirmə və dSPACE software-in-the-loop yoxlanışında məhdudiyyətsiz yanacaq yanaşması 4,65 kg hidrogen sərf edərək istifadə oluna bilən 4,05 kg həddini %14,81 aşdığı halda, digər iki üsul istehlakı 4,05 kg ilə məhdudlaşdırıb. Depletion-aware yanaşmasının əsas üstünlüyü yanacaq elementini hədd nöqtəsində qəfil söndürmək əvəzinə, hidrogen azaldıqca güc bölgüsünü tədricən batareyaya yönəltməsidir. Nəticələr real uçuş sınağı deyil, hesablama modeli və real vaxt software-in-the-loop idarəetmə yoxlanışıdır.

Tədqiqatın nəticələri təyyarədəki yanacaq elementinin praktikada məhdudiyyətsiz enerji mənbəyi kimi modelləşdirilməsinin missiyanın planlaşdırılması baxımından mühüm xəta yarada biləcəyini göstərir. Layihələndirilmiş çənin ümumi hidrogen tutumu 4,50 kg-dır; təhlükəsizlik və çənin istismar tələblərinə görə bunun %10-u istifadə edilmədən saxlanılıb və yanacaq elementinin istifadə oluna bilən hidrogen miqdarı 4,05 kg qəbul edilib. Hidrogen həddini nəzərə almayan enerji idarəetməsi missiyanı başa çatdırmaq üçün bunun üzərinə əlavə 0,60 kg hidrogen tələb edir. Uçuş zamanı yenidən yanacaq doldurmaq mümkün olmadığından bu yanaşma tədqiqatçılar tərəfindən real hesab edilmir.

Yanacaq həddinə riayət edən sabit-limit və depletion-aware üsullarının hər ikisi missiyanı 4,05 kg hidrogen istifadə etməklə tamamlayır; lakin bunun qarşılığında batareyadan daha çox istifadə olunur. Missiyanın sonunda batareyanın doldurulma vəziyyəti məhdudiyyətsiz yanacaq yanaşmasında %84,67 olduğu halda, sabit-limit üsulunda %52,45 və depletion-aware üsulunda %52,35 olub. Buna görə tədqiqat depletion-aware üsulunun “daha az enerji sərf edən” universal həll olduğunu deyil, məhdud hidrogen miqdarına uyğun qalaraq yanacaq elementi ilə batareya arasındakı keçidi daha idarəli etdiyini göstərir.

Türkiyə baxımından: Bu tədqiqat hidrogen yanacaq elementli elektrik hava nəqliyyat vasitələrinin Türkiyədə gələcək tədqiqat, prototipləşdirmə və ya hava taksisi/yüngül hava nəqliyyat vasitəsi layihələrində enerji mənbəyinin yalnız nominal güc baxımından deyil, missiya boyunca daşına bilən enerji miqdarı baxımından da idarəetmə alqoritminə daxil edilməli olduğunu göstərən bir üsul təqdim edir. Bununla belə, istifadə olunan hava nəqliyyat vasitəsi iki sərnişinə qədər yüngül modeldir; hidrogen çəni, missiya profili, güc sistemi və ehtiyat fərziyyələrinin Türkiyədə konkret bir hava nəqliyyat vasitəsinə birbaşa köçürülməsi uyğun deyil. Yerli missiya profili, sertifikatlaşdırma tələbləri, ətraf mühit şəraiti və real avadanlıq xüsusiyyətləri ilə yenidən yoxlanış tələb olunur.

Tədqiqatın əsas problemi nədir?

Batareya ilə yanacaq elementindən birlikdə istifadə edən elektrik hava nəqliyyat vasitəsində iki enerji mənbəyinin güc tələbatını necə bölüşəcəyi kritik idarəetmə problemidir. Batareya güc tələbindəki sürətli dəyişikliklərə cavab verə bildiyi halda, yanacaq elementi daha uzunmüddətli enerji təmin etmək üstünlüyünə malikdir. Lakin enerji idarəetmə sistemi yalnız ani güc səmərəliliyinə fokuslanar və yanacaq elementinin hidrogen mənbəyini məhdudiyyətsiz qəbul edərsə, riyazi baxımdan uğurlu görünən missiya əslində təyyarədə daşınandan daha çox hidrogen tələb edə bilər.

Tədqiqatın hədəflədiyi ədəbiyyat boşluğu məhz budur. Tədqiqatçılara görə yanacaq elementli bir çox enerji idarəetmə işi batareyanın enerji tutumunu və state-of-charge (SOC) hədlərini ətraflı nəzərə aldığı halda, yanacaq elementini praktikada sonsuz enerji mənbəyi kimi modelləşdirir. Yol nəqliyyat vasitələrində yanacaq azaldıqda yenidən yanacaq doldurmaq mümkün olduğu üçün bu yanaşma bəzi ssenarilərdə məqbul sayıla bilər; lakin uçuş zamanı hidrogen doldurmaq mümkün olmadığından hava nəqliyyat vasitələrində missiyanın əvvəlində daşınan yanacaq bütün missiyaya kifayət etməlidir.

Araşdırılan elektrik təyyarəsi arxitekturası necə işləyir?

Mənbədə Şəkil 1-də göstərilən sistem iki sərnişinə qədər yüngül tam elektrikli hava nəqliyyat vasitəsini təmsil edir. Elektrik güc sistemi 650 V sabit cərəyan şini üzərində qurulub. Batareya və yanacaq elementi eyni DC şinini qidalandırır; lakin qoşulma formaları fərqlidir.

• Batareya ikitərəfli güc elektronikası çeviricisi vasitəsilə DC şininə qoşulur və həm doldurula, həm də boşaldıla bilər.
• Yanacaq elementi birtərəfli yüksəldici çevirici vasitəsilə eyni DC şininə qoşulur.
• DC şini DC/AC inverteri vasitəsilə pəri döndərən AC elektrik mühərrikini qidalandırır.
• Avionika və işıqlandırma kimi ikinci dərəcəli sistemlər ayrıca aşağısalıcı çevirici vasitəsilə qidalandırılır.
• Yerli kontrollerlərin üstündə batareya ilə yanacaq elementi arasındakı güc bölgüsünü müəyyən edən qlobal enerji idarəetmə kontrolleri yerləşir.

Bu arxitektura tədqiqatda qəsdən sadə saxlanılıb. Məqsəd konkret kommersiya təyyarəsinin tam elektrik sistemini modelləşdirmək deyil, hidrogen miqdarını enerji idarəetməsinin aktiv məhdudiyyətinə çevirən yanaşmanı sınamaqdır.

Missiya profili hansı uçuş mərhələlərini əhatə edir?

Şəkil 2-də normallaşdırılmış güc tələbi ümumilikdə 6650 saniyəlik missiya boyunca müəyyən edilir. Profil çıxış taksisini, qalxmanı, yüksəlişi, kruiz uçuşunu, enişə keçidi, enişi və giriş taksisini əhatə edir. Qalxma və yüksəliş yüksək güc tələb etdiyi halda, kruizdə tələb azalır; enişə keçid və eniş mərhələlərində daha aşağı səviyyələrə düşür.

Bu missiya profili enerji idarəetməsinin yalnız sabit yükdə deyil, uçuş boyunca dəyişən güc tələbləri altında sınaqdan keçirilməsini təmin edir. Bununla belə, bu profil mənbənin fərz etdiyi yeganə missiya ssenarisidir; fərqli məsafə, hava şəraiti, marşrut və ya fövqəladə hal missiyaları sistematik şəkildə müqayisə edilməyib.

Niyə ECMS istifadə edildi?

Enerji idarəetmə strategiyaları ümumən qayda əsaslı, ani optimallaşdırma, qlobal optimallaşdırma və öyrənməyə əsaslanan üsullar kimi təsnif edilə bilər. Bu tədqiqatda real vaxt tətbiqinə uyğun olduğu üçün ani optimallaşdırma yanaşması olan Equivalent Consumption Minimisation Strategy (ECMS) seçilib.

ECMS-nin məqsədi yanacaq elementinin hidrogen istehlakı ilə batareyadan çəkilən enerjinin hidrogen ekvivalentini eyni məqsəd funksiyasında birləşdirərək hər zaman addımında ən aşağı ekvivalent istehlakı təmin edən güc bölgüsünü tapmaqdır:

\[ C=\min\left(C_{FC}+kC_{batt}\right) \]

Burada \(C_{FC}\) yanacaq elementinin hidrogen istehlakını, \(C_{batt}\) batareyadan istifadə olunan enerjinin ekvivalent istehlakını və \(k\) batareyanın SOC vəziyyətindən asılı ekvivalentlik əmsalını ifadə edir.

Ekvivalentlik əmsalı mənbədə aşağıdakı əlaqə ilə müəyyən edilib:

\[ k = 1-2\mu \left( \frac{SOC-0.5(SOC_{max}+SOC_{min})} {SOC_{max}+SOC_{min}} \right) \]

\(\mu\), SOC dəyərinin ekvivalentlik əmsalına hansı dərəcədə təsir etdiyini müəyyən edən sabitdir. Beləliklə, batareyanın qalan enerjisi güc bölgüsü qərarına birbaşa daxil edilir.

Yanacaq elementinin hidrogen istehlakı necə modelləşdirilir?

Tədqiqatçılar əvvəlcə tək bir yanacaq elementinin qütbləşmə əyrisini modelləşdiriblər. Hüceyrə gərginliyi Nernst potensialından omik, aktivləşmə və konsentrasiya itkilərinin çıxılması ilə hesablanır:

\[ V_{cell}=E_{nernst}-V_{ohmic}-V_{act}-V_{conc} \]

Omik gərginlik itkisi:

\[ V_{ohmic}=-i r \]

kimi ifadə olunur. Burada \(i\) cərəyan sıxlığını, \(r\) isə hüceyrə müqavimətini təmsil edir. Aktivləşmə itkisi elektrod səthindəki reaksiya kinetikası ilə, konsentrasiya itkisi isə yüksək cərəyanlarda reaktivlərin reaksiya sahələrinə daşınmasındakı məhdudiyyətlərlə əlaqələndirilir.

Tək hüceyrə davranışı daha sonra hüceyrə sayı və aktiv sahə vasitəsilə yığın səviyyəsinə miqyaslandırılıb:

\[ V_{stack}=N_{cell}V_{cell} \]

\[ I_{stack}=iA_{cell} \]

\[ P_{stack}=V_{stack}I_{stack} \]

Yanacaq elementi səmərəliliyinin təxmini dəyəri hüceyrə gərginliyi vasitəsilə:

\[ \eta_{stack}=\frac{V_{cell}}{1.482} \]

əlaqəsi ilə əldə edilir.

Missiyanın başlanğıcında tələb olunan hidrogen miqdarı isə missiya boyunca yanacaq elementindən tələb edilən enerjinin səmərəliliyə görə inteqralı alınaraq hesablanır:

\[ H_{2,initial} = \frac{1}{E_{low,H_2}} \int \frac{P_{FC}}{\eta_{FC}}dt \]

Enerji idarəetməsinə əsas yeniliyi qazandıran əks əlaqə missiya zamanı qalan hidrogenin davamlı hesablanmasıdır:

\[ H_2 = H_{2,initial} - \int C_{FC}dt \]

Beləliklə, idarəetmə alqoritmi yalnız yanacaq elementindən nə qədər güc tələb olunmalı olduğunu deyil, bu gücü istehsal etmək üçün missiyanın sonuna qədər kifayət qədər hidrogen qalıb-qalmayacağını da nəzərə ala bilir.

Sistem hansı fiziki və istismar hədlərini nəzərə alır?

Enerji idarəetməsi yalnız optimallaşdırma məqsədi ilə sərbəst güc bölgüsü aparmır. Mənbədə beş əsas məhdudiyyət birlikdə müəyyən edilib:

\[ SOC_{min}\leq SOC\leq SOC_{max} \]

\[ P_{batt,min}\leq P_{batt}\leq P_{batt,max} \]

\[ H_{2,min}\leq H_2\leq H_{2,max} \]

\[ P_{FC,min}\leq P_{FC}\leq P_{FC,max} \]

\[ \Delta P_{FC}\leq\Delta P_{FC,max} \]

Sonuncu hədd yanacaq elementinin gücünün zaman addımları arasında çox sürətli dəyişdirilməsinin qarşısını alır. Mənbə modelində yanacaq elementinin güc dəyişmə sürəti 5 kW/s ilə məhdudlaşdırılıb. Buna görə yanacaq elementi ani güc tələblərinə batareya qədər sürətli cavab verə bilmir; sürətli keçidlərdə batareya daha çox yük götürür.

Əsas model parametrləri hansılardır?

Modelin başlanğıcında batareya üçün %75 minimum SOC hədəflənir. Bununla belə, hidrogenin tükənməsi kimi şəraitdə depletion-aware alqoritmi bu aşağı həddi idarəli şəkildə endirərək normalda ehtiyatda saxlanılan batareya enerjisinin daha böyük hissəsindən istifadə edə bilir. Buna görə nəticələrdəki təxminən %52 missiya sonu SOC dəyərləri başlanğıcdakı %75 normal istismar həddi ilə ziddiyyət təşkil edən ölçmə xətaları deyil; yanacaq qıtlığı ssenarisində enerji ehtiyatından istifadə alqoritmin bir hissəsidir.

Üç hidrogen idarəetmə üsulu arasındakı fərq nədir?

1. Məhdudiyyətsiz hidrogen yanaşması

Birinci üsulda hidrogen çəni praktikada sonsuz enerji mənbəyi kimi qəbul edilir. İdarəetmə alqoritmi yanacaq elementi ilə batareya arasındakı güc bölgüsünü optimallaşdırır, lakin çəndə həqiqətən nə qədər hidrogen qaldığını qərar dövrəsinə əks əlaqə kimi daxil etmir. Bu üsul hidrogen istifadəsini müşahidə edə bilər, lakin hidrogen miqdarı optimallaşdırmanın aktiv həddi deyil.

2. Sabit yanacaq limiti

İkinci üsulda istifadə oluna bilən hidrogen üçün sərt hədd tətbiq edilir. Çəndə təhlükəsizlik məqsədi ilə saxlanılan %10 səviyyəsinə çatdıqda yanacaq elementi söndürülür və qalan güc tələbatını batareya qarşılayır. Yanaşma hidrogen həddinə riayət edir, lakin yanacaq elementinin güc istehsalı hədd nöqtəsində qəfil dayana bilər.

3. Depletion-aware yanaşması

Yeni depletion-aware üsulunda sistem yalnız hidrogenin bitib-bitmədiyinə baxmır; yanacaq miqdarının tükənmə həddinə yaxınlaşdığını əvvəlcədən nəzərə alır. Qalan hidrogen %30 səviyyəsinə düşdükdə batareyanın minimum SOC həddi və ECMS ekvivalentlik əmsalı ilk mərhələdə azaldılır. Hidrogen %20-dən aşağı düşdükdə ikinci azalma aparılır. %10 səviyyəsində isə yanacaq elementinin istifadə oluna bilən hidrogen həddinə çatılmış olur.

Bu yanaşma hidrogen azaldıqca batareyaya daha çox vəzifə yükləyərək yanacaq elementinin güc istehsalını daha idarəli şəkildə azaltmağı hədəfləyir. Mənbədə üç hədd yalnız üsulu göstərmək məqsədi ilə seçilib; müəlliflər daha çox keçid nöqtəsindən istifadənin hidrogen istehlakını daha hamar edə biləcəyini, lakin idarəetmə hesablamasını mürəkkəbləşdirəcəyini bildirirlər.

Məhdudiyyətsiz üsul 4,65 kg hidrogen sərf edir. İstifadə oluna bilən hidrogen miqdarı 4,05 kg olduğundan tələb olunan əlavə 0,60 kg istifadə oluna bilən miqdarın təxminən %14,81-nə uyğundur. Sabit-limit və depletion-aware üsulları isə istehlakı 4,05 kg-da saxlayır.

dSPACE yoxlanışı nəyi sübut edir?

Enerji idarəetmə strategiyası əvvəlcə MATLAB/Simulink R2023b mühitində tətbiq edilib, daha sonra dSPACE ControlDesk 2022-B istifadə edilərək software-in-the-loop (SIL) yoxlanışına keçirilib. Mənbədə Şəkil 7 və Şəkil 8-də göstərilən quruluşda elektrik güc sistemi və ölçüləndirmə modelləri DS1006 üzərində, enerji idarəetmə idarəetmə alqoritmi isə DS1104 üzərində işlədilib. İki idarəetmə kartı analoq və rəqəmsal siqnallarla bir-birinə qoşulub.

İdarəetmə kodunun C dilinə kompilyasiya edilərək fərqli real vaxt icra mühitində işlədilməsi alqoritmin yalnız Simulink həlledicisinə xas davranış göstərmədiyini və idarəetmə hesablamalarının real vaxtda tətbiq oluna bildiyini sınayır. Mənbə dSPACE nəticələrinin Simulink nəticələri ilə uyğun olduğunu bildirir.

Bununla belə, bu yoxlanış real uçuş sınağı və ya fiziki yanacaq elementi–batareya təyyarə prototipinin avadanlıq sınağı deyil. Software-in-the-loop idarəetmə proqramının real vaxt hesablama mühitindəki davranışını yoxlayır; real hava nəqliyyat vasitəsinin təhlükəsizliyi, istilik davranışı, elektromaqnit uyğunluğu, sertifikatlaşdırılması və ya uzunmüddətli avadanlıq etibarlılığı bu təcrübədən çıxarıla bilməz.

Batareya SOC nəticələri nə göstərir?

Məhdudiyyətsiz hidrogen yanaşması missiyanın sonunda %84,67 batareya SOC-si ilə başa çatır. Yanacaq həddinə riayət edən sabit-limit üsulunda missiya sonu SOC %52,45, depletion-aware yanaşmasında isə %52,35-dir. Məhdudlaşdırılmış iki üsul hidrogen istehlakını azaltmaq üçün missiyanın daha böyük hissəsini batareyaya ötürdüyündən, missiyanın sonundakı batareya enerjisi nəzərəçarpacaq dərəcədə aşağıdır.

Mənbə məhdudlaşdırılmış yanaşmaların 6650 saniyəlik missiya boyunca məhdudiyyətsiz yanacaq üsulu ilə müqayisədə təxminən 32,3 faiz bəndi daha çox batareya SOC-si istifadə etdiyini bildirir. Bu nəticə mühüm kompromisi üzə çıxarır: hidrogen çəninin real tutumuna uyğun qalmaq batareya ehtiyatından daha çox istifadə olunmasını tələb edir.

Depletion-aware üsulu batareya baxımından həqiqətən daha yaxşıdırmı?

Depletion-aware yanaşmasının sabit həddə nisbətən əsas üstünlüyü missiya sonu SOC-si deyil; iki üsulun son SOC dəyərləri demək olar eynidir: %52,45 və %52,35. Fərq güc mənbələri arasındakı keçid formasında və batareya istifadəsinin missiya boyunca paylanmasında ortaya çıxır.

Mənbə Cədvəl 2-də batareya SOC throughput dəyərini sabit-limit üçün 1,3957, depletion-aware üçün 1,3882 olaraq verir. Batareya degradation cost göstəricisi müvafiq olaraq %0,00424 və %0,00403-dür. Müəlliflərin unconstrained yanaşmasını istinad kimi götürərək yaratdığı təxmini batareya ömrünə təsir isə sabit-limit üçün 160, depletion-aware üçün 147 olaraq verilir.

Mənbənin nəticələr bölməsindəki “depletion-aware yanaşması %13 daha az batareya depletion göstərmişdir” ifadəsi diqqətlə oxunmalıdır. Cədvəl 2-dəki 160 və 147 dəyərlərinin fərqi 13 faiz bəndidir. Buna görə 13 dəyərini birbaşa sabit-limit üsuluna nisbətən %13 nisbi azalma kimi şərh etmək riyazi baxımdan yeganə mənalı şərh deyil. Mənbənin dəstəklədiyi daha təhlükəsiz nəticə odur ki, depletion-aware üsulu eyni hidrogen həddinə riayət etməklə sabit-limit üsulundan bir qədər aşağı batareya degradation göstəricisi və SOC throughput yaradır.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Yanacaq elementini məhdudiyyətsiz enerji mənbəyi kimi qəbul edən ECMS, araşdırılan missiyada istifadə oluna bilən hidrogen miqdarından %14,81 daha çox hidrogen tələb edir.
• Sabit-limit və depletion-aware yanaşmaları hidrogen istifadəsini 4,05 kg istifadə oluna bilən həddində saxlayır.
• Sabit-limit yanaşmasında yanacaq həddinə çatdıqda yanacaq elementi söndürülür və güc tələbi batareyaya ötürülür.
• Depletion-aware üsulu hidrogen %30 və %20 hədlərinə yaxınlaşarkən SOC həddini və ekvivalentlik əmsalını dəyişərək batareyanı daha erkən işə salır.
• Depletion-aware üsulu yanacaq elementindən yalnız batareyaya keçidi sabit hədd üsulu ilə müqayisədə daha tədrici edir.
• Yanacaq məhdudiyyətli hər iki yanaşma məhdudiyyətsiz hidrogen üsulundan nəzərəçarpacaq dərəcədə daha çox batareya enerjisi istifadə edir.
• İdarəetmə strategiyası MATLAB/Simulink nəticələri ilə uyğun şəkildə dSPACE software-in-the-loop mühitində real vaxtda icra edilə bilib.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi və ya sınaqdan keçirmədiyi nəticələr

• Depletion-aware üsulunun real elektrik təyyarəsində uçuş təhlükəsizliyini sübut etdiyi göstərilməyib.
• Yanaşma real uçuşda, fiziki hidrogen çəni ilə və ya tammiqyaslı təyyarə avadanlığı üzərində yoxlanmayıb.
• Hidrogen çəninin ölçüsünün optimal olduğu göstərilməyib; çənin ölçüləndirilməsinin optimallaşdırılması əhatə dairəsindən kənardadır.
• Enerji idarəetmə parametrləri üçün geniş həssaslıq analizi aparılmayıb.
• Yanacaq elementi və batareyanın missiya boyunca ətraflı istilik davranışı modelləşdirilməyib.
• Depletion-aware yanaşmasının predictive ECMS, model predictive control və ya öyrənməyə əsaslanan bütün üsullardan üstün olduğu eksperimental olaraq göstərilməyib.
• İki nəfərlik yüngül təyyarə modelindəki nəticələrin böyük sərnişin təyyarələrinə eyni sayısal dəyərlərlə miqyaslana biləcəyi sübut edilməyib.
• Tək missiya profili bütün real uçuş marşrutlarını, hava şəraitlərini, diversion ssenarilərini və ya fövqəladə halları təmsil etmir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Yanacaq elementinin ölçüləndirilməsi və istehlak modeli

Yanacaq elementi modeli tək hüceyrənin qütbləşmə əyrisindən yığın səviyyəsinə miqyaslandırılıb. Hüceyrənin cərəyan sıxlığı artdıqca aktivləşmə, omik və konsentrasiya itkilərinə görə gərginlik azalır. Mənbədə Şəkil 4 bu xarakterik qütbləşmə əyrisini göstərir.

Yanacaq elementinin gücü artdıqca hidrogen istehlakı da artır. Xüsusilə maksimum gücə yaxınlaşdıqda konsentrasiya itkiləri səbəbindən istehlak artımının güc artımından daha sürətli ola bildiyi Şəkil 5-də göstərilir. Enerji idarəetməsində istifadə olunan istehlak funksiyası ikinci dərəcəli əlaqə ilə ifadə edilib:

\[ C_{FC}=cP_{FC}^{2}+bP_{FC}+a \]

Burada \(a\), \(b\) və \(c\), yanacaq elementinin güc–hidrogen istehlakı əyrisindən əldə olunan əmsallardır.

Batareyanın ekvivalent istehlakı

Batareyanın doldurma və boşaltma səmərəlilikləri ayrıca nəzərə alınıb. Batareya enerji istehlakı hidrogen ekvivalentinə çevrilərək yanacaq elementinin istehlakı ilə eyni ECMS məqsəd funksiyasında müqayisə edilib:

\[ C_{batt} = P_{batt}\eta_{batt} \frac{C_{FC,avg}}{P_{FC,avg}} \]

Beləliklə, alqoritm bir kilovat gücün batareyadan və ya yanacaq elementindən təmin edilməsinin yalnız elektrik nəticələrini deyil, ekvivalent enerji istehlakını da qiymətləndirə bilir.

Hidrogen ehtiyatı və istifadə oluna bilən yanacaq

Modeldə ümumi hidrogen çəninin tutumu 4,50 kg-dır. Tədqiqatçılar təzyiqləndirmə və temperatur nəzarəti ilə bağlı təhlükəsizlik səbəblərinə görə çəndə təxminən %10 hidrogen qalmasını tələb ediblər. Buna görə yanacaq elementinin missiya boyunca sərf etməsinə icazə verilən hidrogen:

4,05 kg

olaraq müəyyən edilib.

Məhdudiyyətsiz yanacaq yanaşması missiyanın sonunda 4,65 kg tələb etdiyindən layihələndirilmiş istifadə oluna bilən miqdarı 0,60 kg aşır. Təyyarədə ümumi çənin 4,50 kg olduğu nəzərə alınanda bu üsul yalnız istifadə oluna bilən yanacağı deyil, fiziki başlanğıc çən tutumunu da aşan missiya tələbi yaradır.

Üç yanaşmanın kəmiyyət nəticələri

Cədvəlin ən mühüm nəticəsi heç bir üsulun bütün metriklərdə üstün olmamasıdır. Məhdudiyyətsiz hidrogen yanaşması batareya baxımından ən aşağı degradation göstəricilərini yaradır; lakin təyyarədə mövcud olan hidrogen həddini pozur. Sabit-limit və depletion-aware yanaşmaları hidrogen həddinə riayət edir; bunun müqabilində batareyadan daha intensiv istifadə olunur. Depletion-aware yanaşması isə sabit-limit ilə eyni miqdarda hidrogen sərf etməklə batareya degradation cost və SOC throughput göstəricilərində kiçik üstünlük verir.

Şəkil 9: Hidrogen istehlakı nə göstərir?

Şəkil 9-da üç üsul missiyanın ilk böyük hissəsində bir-birinə yaxın hidrogen istehlakı əyriləri izləyir. Missiyanın irəliləyən hissəsində məhdudiyyətsiz yanaşma 4,05 kg istifadə oluna bilən həddin üzərinə çıxmağa davam edərək təxminən 4,65 kg-a çatır. Sabit-limit üsulunun əyrisi 4,05 kg-da düzləşir. Depletion-aware üsulunda isə hidrogen istehlakı sürətinin həddə çatmazdan əvvəl idarəli şəkildə azaldıldığı görünür.

Bu qrafik depletion-aware yanaşmasının sabit-limit üsulu ilə müqayisədə daha az ümumi hidrogen sərf etdiyini göstərmir; hər ikisi missiyanın sonunda 4,05 kg sərf edir. Fərq hidrogenin missiya boyunca hansı sürətlə istifadə olunduğu və batareyaya keçidin necə həyata keçirildiyidir.

Şəkil 10: Batareya SOC nə göstərir?

Batareya SOC qrafikində üç üsul başlanğıcda oxşar davranır. Məhdudiyyətsiz hidrogen üsulu daha çox yanacaq elementi enerjisinə çıxışı olduğu üçün missiyanın sonuna doğru təxminən %84,67 SOC-da qalır. Sabit-limit yanaşmasında hidrogen həddinə təxminən 5157 saniyədə çatdıqda batareyanın SOC dəyəri sürətlə azalmağa başlayır.

Depletion-aware üsulunda batareya daha erkən və tədricən işə salındığı üçün SOC daha uzun zaman intervalında azalır. Missiyanın sonunda depletion-aware %52,35, sabit-limit isə %52,45 SOC göstərir. Buna görə depletion-aware yanaşmasının faydası missiya sonunda daha yüksək batareya enerjisi saxlamaq deyil.

Şəkil 11: Yanacaq elementinin gücü niyə vacibdir?

Şəkil 11 enerji idarəetmə alqoritminin yanacaq elementindən tələb etdiyi normallaşdırılmış gücü göstərir. Depletion-aware üsulunda təxminən 4500 saniyə ətrafında dSPACE nəticələrində güc dalğalanmaları yaranıb. Tədqiqatçılar bu səs-küyün Simulink nəticələrində olmadığını və dSPACE mühitindəki güc tələbi dəyişiklikləri ilə əlaqəli ola biləcəyini bildirirlər.

Zaman addımının kiçildilməsi səs-küyü azalda bilər; lakin real vaxt işinin qorunması üçün zaman addımının nə qədər kiçildilə biləcəyinin praktiki həddi var. Bu tapıntı alqoritmin hələ son optimallaşdırma mərhələsində olmadığını və real vaxt idarəetmə parametrlərinin gələcəkdə yaxşılaşdırılmalı olduğunu göstərir.

Batareya degradation hesablamasının məhdudiyyəti

Batareya degradation dəyəri tədqiqatda eksperimental asılılıqlardan götürülən tənliklərlə yalnız müqayisə məqsədi üçün hesablanıb. Mənbə bu nəticələri real batareya ömrünün birbaşa ölçümü kimi təqdim etmir. Batareya tutumu, güc yükü və dövr ömrü istifadə edilərək bir missiya üçün degradation göstəricisi yaradılıb.

Buna görə Cədvəl 2-dəki dəyərlərdən konkret bir batareyanın real xidmət müddətinin neçə il və ya neçə uçuş olacağını çıxarmaq olmaz. İstilik yaşlanması, hüceyrə kimyasının ətraflı davranışı və uzunmüddətli fiziki dövr sınaqları bu tədqiqatın mövzusu deyil.

Tədqiqatın güclü tərəfləri

• Yanacaq elementini məhdudiyyətsiz enerji mənbəyi kimi qəbul etmək əvəzinə real missiya yanacaq miqdarını idarəetmə dövrəsinə daxil edir.
• Batareya SOC, batareya gücü, yanacaq elementi gücü, hidrogen miqdarı və yanacaq elementi slew rate hədlərini birlikdə nəzərə alır.
• Üç hidrogen istifadə strategiyasını eyni missiya və sistem üzərində birbaşa müqayisə edir.
• MATLAB/Simulink modeli ilə yanaşı dSPACE software-in-the-loop real vaxt icra yoxlanışı təqdim edir.
• Yanacaq azaldıqca güc bölgüsünü dəyişən aydın və miqyaslana bilən idarəetmə məntiqi təklif edir.

Tədqiqatın məhdudiyyətləri

• Parametrlər üçün geniş həssaslıq analizi aparılmayıb.
• ECMS ekvivalentlik əmsalı əvvəlcədən müəyyən edilib; alternativ dəyərlərin sistematik optimallaşdırılması aparılmayıb.
• İstilik hədləri ölçüləndirmədə nəzərə alınsa da, missiya boyunca işləyən geniş istilik modeli yoxdur.
• Yalnız ECMS əsaslı yanaşma ətraflı araşdırılıb.
• Hidrogen çəninin ölçüləndirilməsinin optimallaşdırılması tədqiqatın əhatə dairəsindən kənardadır.
• Fərqli təyyarə ölçüləri geniş şəkildə araşdırılmayıb.
• Üsul daha kiçik hava nəqliyyat vasitəsində sınansa da, bu yalnız yanacaq elementi və batareya sayını azaltmış; fərqli komponent miqyaslarını sistematik araşdırmayıb.
• Depletion-aware üsulunda yalnız üç hidrogen həddi istifadə edilib.
• dSPACE yoxlanışı software-in-the-loop səviyyəsindədir; real uçuş və ya tam fiziki güc sistemi yoxlanışı deyil.

Elmi və tətbiqi mənası

Tədqiqatın əsas töhfəsi yeni yanacaq elementi kimyası və ya yeni təyyarə mühərriki hazırlamaq deyil. Töhfə təyyarədəki enerji idarəetmə probleminin formullaşdırılmasını dəyişməsidir: hidrogen yalnız istehlakı minimumlaşdırılmalı dəyişən deyil, missiya boyunca miqdarı sonlu olan və real vaxtda izlənməli enerji ehtiyatıdır.

Bu yanaşma xüsusilə birdən çox enerji mənbəyindən istifadə edən elektrik hava nəqliyyat vasitələri baxımından vacibdir. İdarəetmə sistemi yanacağın tükənməsinə yalnız baş verdikdə reaksiya vermək əvəzinə, yaxınlaşan enerji qıtlığını əvvəlcədən nəzərə ala bilər. Lakin bunun real hava nəqliyyat vasitəsində təhlükəsizlik faydası fiziki avadanlıq və uçuş şəraitində ayrıca yoxlanmalıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Tam orijinal tədqiqat adı: Energy Management Strategy Under Fuel Constraints for Battery–Fuel Cell-Powered All-Electric Aircraft

Müəlliflər: Ayesha R. E. Wise; Sharmila Sumsurooah; Serhiy Bozhko; Seang Yeoh.

Müəllif sırası: Mənbədəki sıra olduğu kimi qorunub.

Bərabər töhfə/bərabər birinci müəllif: Mənbədə belə bir bəyan yoxdur.

Məsul müəlliflər: Ayesha R. E. Wise və Sharmila Sumsurooah.

Qurum: Power Electronics Machines and Control Institute, University of Nottingham, Nottingham NG7 2GT, United Kingdom.

Mənbə növü: Hesablama modelləşdirilməsi, idarəetmə alqoritminin hazırlanması və software-in-the-loop yoxlanışını əhatə edən resenziyalı tədqiqat məqaləsi.

Jurnal: Aerospace

Nəşriyyat: MDPI

Cild / nömrə / məqalə nömrəsi: 13(7), 641

Nəşr tarixi: 15 İyul 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070641

Rəsmi nəşr keçidi: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/641

DOI keçidi: https://doi.org/10.3390/aerospace13070641

Resenziya statusu: Tədqiqat resenziyalı Aerospace jurnalında dərc olunmuş tədqiqat məqaləsidir.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY) açıq giriş lisenziyası.

Maliyyələşdirmə: Tədqiqat xarici maliyyələşdirmə almayıb.

Məlumatların əlçatanlığı: Tədqiqatda təqdim olunan məlumatların məxfilik səbəbindən məsul müəllifdən sorğu əsasında əldə edilə biləcəyi bildirilib.

Maraq toqquşması: Müəlliflər maraq toqquşması bildirməyiblər.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma Ayesha R. E. Wise və Serhiy Bozhko; metodologiya Ayesha R. E. Wise; proqram təminatı Ayesha R. E. Wise və Seang Yeoh; yoxlanış Ayesha R. E. Wise və Seang Yeoh; formal analiz və tədqiqat Ayesha R. E. Wise; resurslar Serhiy Bozhko; məlumatların kurasiyası və ilkin qaralama Ayesha R. E. Wise; nəzərdən keçirmə və redaktə Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko və Seang Yeoh; vizuallaşdırma Ayesha R. E. Wise; nəzarət Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko və Seang Yeoh; layihənin idarə edilməsi və maliyyənin əldə edilməsi Serhiy Bozhko tərəfindən həyata keçirilib.

Yoxlanış səviyyəsi: Enerji idarəetmə strategiyaları MATLAB/Simulink R2023b mühitində modelləşdirilib və dSPACE ControlDesk 2022-B istifadə edilərək software-in-the-loop quruluşunda yoxlanıb. Elektrik güc sistemi və ölçüləndirmə modelləri DS1006, enerji idarəetmə kontrolleri DS1104 üzərində işlədilib. Bu üsul real uçuş və ya tam fiziki hava nəqliyyat vasitəsi avadanlıq sınağı deyil.

Mənbədaxili faiz şərhi qeydi: Nəticələr bölməsində depletion-aware üsulu üçün sabit-limit üsulu ilə müqayisədə “%13 daha az batareya depletion” ifadəsi işlədilir. Cədvəl 2-də əlaqəli təxmini batareya ömrünə təsir dəyərləri 160 və 147-dir; fərq 13 faiz bəndidir. Eyni cədvəldə birbaşa degradation cost göstəriciləri %0,00424 və %0,00403-dür. Buna görə “%13” ifadəsi birmənalı nisbi faiz azalması kimi yenidən şərh edilməyib, mənbədəki kəmiyyət dəyərləri ayrıca verilib.

Elmi hədd: Tədqiqat iki sərnişinə qədər yüngül tam elektrikli hava nəqliyyat vasitəsi modelini və 6650 saniyəlik fərz edilən missiya profilini qiymətləndirir. Hidrogen çəninin optimal ölçüləndirilməsi, ətraflı missiya-boyu istilik modeli, geniş parametr həssaslığı, fərqli enerji idarəetmə siniflərinin tam müqayisəsi və real uçuş yoxlanışı aparılmayıb. Depletion-aware üsulunun böyük kommersiya hava nəqliyyat vasitələrinə eyni parametrlərlə birbaşa köçürülə biləcəyi bu tədqiqatla sübut edilmir.

Məzmun istehsalı üsulu: Bu Verianla izahındakı elmi üsullar, tənliklər, sayısal nəticələr və şərh sərhədləri araşdırılan mənbə tədqiqatına əsaslanır. Xarici biblioqrafik yoxlama yalnız nəşr kimliyinin və resenziya statusunun təsdiqi üçün istifadə edilib; xarici mənbələrdən yeni eksperimental nəticə, yeni performans dəyəri və ya mənbədə olmayan elmi mexanizm əsas mətnə əlavə edilməyib.