Бул изилдөө батарея менен суутек отун элементин бирге колдонгон толук электр жеңил аба кемесинде учакта ташыла турган суутектин көлөмү чектелүү экенин энергияны башкаруу алгоритмине түздөн-түз киргизет. Изилдөөчүлөр эквиваленттүү керектөөнү минималдаштыруу стратегиясына (Equivalent Consumption Minimisation Strategy, ECMS) негизделген үч ыкманы салыштырышкан: суутектин көлөмүн чексиз деп эсептеген ыкма, туруктуу отун чеги ыкмасы жана суутек азайган сайын батареяны колдонууну көзөмөлдөнгөн түрдө көбөйткөн жаңы “depletion-aware” ыкмасы. 6650 секунддук миссия профилинде жүргүзүлгөн моделдөө жана dSPACE software-in-the-loop текшерүүсүндө чексиз отун ыкмасы 4,65 kg суутек керектеп, колдонууга жеткиликтүү 4,05 kg чегинен %14,81 ашып кеткен, ал эми калган эки ыкма керектөөнү 4,05 kg менен чектеген. Depletion-aware ыкмасынын негизги артыкчылыгы — отун элементин чекке жеткенде күтүүсүз өчүрүп салбастан, суутек азайган сайын кубат бөлүштүрүүнү акырындык менен батарея тарапка жылдыруусу. Натыйжалар чыныгы учуу сыноосу эмес, эсептөө модели жана реалдуу убакыттагы software-in-the-loop башкаруусун текшерүү болуп саналат.

Изилдөөнүн натыйжалары учактагы отун элементин практикада чексиз энергия булагы катары моделдөө миссияны пландаштырууда олуттуу ката жаратышы мүмкүн экенин көрсөтөт. Долбоорлонгон бактын жалпы суутек сыйымдуулугу 4,50 kg; коопсуздук жана бакты пайдалануу талаптарына байланыштуу анын %10 бөлүгү колдонулбай калтырылып, отун элементи үчүн жеткиликтүү суутектин көлөмү 4,05 kg деп кабыл алынган. Суутек чегин эске албаган энергияны башкаруу миссияны бүтүрүү үчүн мындан тышкары дагы 0,60 kg суутек талап кылат. Учуу маалында кайра май куюу мүмкүн болбогондуктан, изилдөөчүлөр бул ыкманы реалдуу эмес деп эсептешет.

Отун чегине ылайык келген туруктуу-лимит жана depletion-aware ыкмаларынын экөө тең миссияны 4,05 kg суутек колдонуп бүтүрөт; бирок мунун баасы — батареянын көбүрөөк колдонулушу. Миссиянын аягында батареянын заряд абалы чексиз отун ыкмасында %84,67 болсо, туруктуу-лимит ыкмасында %52,45 жана depletion-aware ыкмасында %52,35 болгон. Ошондуктан изилдөө depletion-aware ыкмасы “азыраак энергия керектеген” универсалдуу чечим экенин эмес, чектелүү суутек көлөмүнө ылайык болуп, отун элементи менен батареянын ортосундагы өтүүнү көбүрөөк көзөмөлдөнгөн кылганын көрсөтөт.

Түркия үчүн: Бул изилдөө суутек отун элементтүү электр аба кемелеринин Түркиядагы келечектеги изилдөө, прототиптөө же аба такси/жеңил аба кемеси долбоорлорунда энергия булагын жөн гана номиналдык кубат жагынан эмес, миссия бою ташыла турган энергия көлөмү жагынан да башкаруу алгоритмине киргизүү керек экенин көрсөткөн ыкманы сунуштайт. Бирок колдонулган аба кемеси эки жүргүнчүгө чейинки жеңил модель; суутек багынын, миссия профилинин, кубат системасынын жана резерв божомолдорунун Түркиядагы конкреттүү аба кемесине түздөн-түз көчүрүлүшү туура эмес. Жергиликтүү миссия профили, сертификация талаптары, айлана-чөйрө шарттары жана чыныгы жабдык өзгөчөлүктөрү менен кайра текшерүү талап кылынат.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмнеде?

Батарея менен отун элементин бирге колдонгон электр аба кемесинде эки энергия булагы кубат талабын кантип бөлүшөрү — маанилүү башкаруу көйгөйү. Батарея кубат талабындагы тез өзгөрүүлөргө жооп бере алса, отун элементи узагыраак убакыт энергия берүүнүн артыкчылыгына ээ. Бирок энергияны башкаруу системасы учурдагы кубат эффективдүүлүгүнө гана көңүл буруп, отун элементинин суутек булагын чексиз деп эсептесе, математикалык жактан ийгиликтүү көрүнгөн миссия чындыгында учакта ташылгандан көбүрөөк суутек талап кылышы мүмкүн.

Изилдөө багытталган адабияттагы боштук дал ушунда. Изилдөөчүлөрдүн айтымында, отун элементтүү энергияны башкаруу боюнча көп иштер батареянын энергия сыйымдуулугун жана state-of-charge (SOC) чектерин деталдуу эсепке алганы менен, отун элементин практикада чексиз энергия булагы катары моделдешет. Жол транспортунда отун азайганда кайра май куюу мүмкүн болгондуктан, бул мамиле айрым сценарийлерде кабыл алына турган болушу мүмкүн; бирок учуу маалында суутек куюу мүмкүн эмес болгондуктан, аба кемелеринде миссия башында ташылган отун бүт миссияга жетиши керек.

Изилденген электр учак архитектурасы кантип иштейт?

Булакта 1-сүрөттө көрсөтүлгөн система эки жүргүнчүгө чейинки жеңил толук электр аба кемесин билдирет. Электр кубат системасы 650 V туруктуу ток шинасында курулган. Батарея менен отун элементи бир эле DC шинаны камсыздайт, бирок туташуу ыкмалары ар башка.

• Батарея эки багыттуу күч электроникасынын өзгөрткүчү аркылуу DC шинага туташып, заряддалууга да, разряддалууга да жөндөмдүү.
• Отун элементи бир багыттуу көтөрүүчү өзгөрткүч аркылуу ошол эле DC шинага туташат.
• DC шина DC/AC инвертер аркылуу пропеллерди айланткан AC электр кыймылдаткычын азыктандырат.
• Авионика жана жарыктандыруу сыяктуу экинчи даражадагы системалар өзүнчө төмөндөтүүчү өзгөрткүч аркылуу камсыздалат.
• Жергиликтүү контроллерлердин үстүндө батарея менен отун элементинин ортосундагы кубат бөлүштүрүүнү аныктаган глобалдык энергияны башкаруу контроллери жайгашкан.

Бул архитектура изилдөөдө атайын жөнөкөй кармалган. Максат белгилүү бир коммерциялык учактын толук электр системасын моделдөө эмес, суутек көлөмүн энергияны башкаруунун активдүү чектөөсүнө айланткан ыкманы сыноо.

Миссия профили кайсы учуу этаптарын камтыйт?

2-сүрөттө нормалдаштырылган кубат талабы жалпы 6650 секунддук миссия бою аныкталат. Профиль чыгуу таксисин, учуп чыгууну, көтөрүлүүнү, крейсердик учууну, төмөндөөнү, конууну жана кирүү таксисин камтыйт. Учуп чыгуу жана көтөрүлүү жогорку кубатты талап кылат, крейсердик учууда талап азаят; төмөндөө жана конуу этаптарында андан да төмөн деңгээлдерге түшөт.

Бул миссия профили энергияны башкарууну туруктуу жүктө гана эмес, учуу бою өзгөрүп турган кубат талаптарында да сыноого мүмкүндүк берет. Ошол эле учурда бул профиль булак кабыл алган жалгыз миссия сценарийи; башка аралык, аба ырайы, маршрут же өзгөчө кырдаал миссиялары системалуу түрдө салыштырылган эмес.

Эмне үчүн ECMS колдонулган?

Энергияны башкаруу стратегияларын жалпы түрдө эрежеге негизделген, учурдагы оптималдаштыруу, глобалдык оптималдаштыруу жана үйрөнүүгө негизделген ыкмалар деп бөлүүгө болот. Бул изилдөөдө реалдуу убакытта колдонууга ылайыктуу болгондуктан учурдагы оптималдаштыруу ыкмасы болгон Equivalent Consumption Minimisation Strategy (ECMS) тандалган.

ECMSтин максаты — отун элементинин суутек керектөөсүн жана батареядан алынган энергиянын суутек эквивалентин бир эле максат функциясында бириктирип, ар бир убакыт кадамында эң төмөн эквиваленттүү керектөөнү камсыздаган кубат бөлүштүрүүнү табуу:

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

Бул жерде \(C_{FC}\) отун элементинин суутек керектөөсүн, \(C_{batt}\) батареядан колдонулган энергиянын эквиваленттүү керектөөсүн, ал эми \(k\) батареянын SOC абалына көз каранды эквиваленттүүлүк коэффициентин билдирет.

Эквиваленттүүлүк коэффициенти булакта төмөнкү байланыш менен аныкталган:

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

\(\mu\) — SOC мааниси эквиваленттүүлүк коэффициентине канчалык деңгээлде таасир этерин аныктаган туруктуу. Ошентип, батареянын калган энергиясы кубат бөлүштүрүү чечимине түздөн-түз киргизилет.

Отун элементинин суутек керектөөсү кантип моделденет?

Изилдөөчүлөр адегенде бир отун элементинин поляризация ийри сызыгын моделдешкен. Элементтин чыңалуусу Nernst потенциалынан омдук, активдешүү жана концентрациялык жоготууларды алып салуу менен эсептелет:

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

Омдук чыңалуу жоготуусу:

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

түрүндө берилет. Бул жерде \(i\) ток тыгыздыгын, \(r\) элементтин каршылыгын билдирет. Активдешүү жоготуусу электрод бетиндеги реакция кинетикасына, концентрациялык жоготуу болсо жогорку токтордо реагенттерди реакция аймактарына жеткирүүдөгү чектөөлөргө байланыштуу.

Бир элементтин жүрүм-туруму кийин элементтердин саны жана активдүү аянт аркылуу стек деңгээлине масштабдалган:

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

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

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

Отун элементинин эффективдүүлүгүнүн болжолдуу мааниси элементтин чыңалуусу аркылуу:

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

байланышы менен алынат.

Миссиянын башында керектүү суутек көлөмү болсо, миссия бою отун элементинен талап кылынган энергияны эффективдүүлүккө ылайык интегралдоо аркылуу эсептелет:

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

Энергияны башкарууга негизги жаңылыкты берген тескери байланыш — миссия маалында калган суутектин үзгүлтүксүз эсептелиши:

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

Ошентип, башкаруу алгоритми отун элементинен канча кубат талап кылынарын гана эмес, ошол кубатты өндүрүүгө миссиянын аягына чейин жетиштүү суутек калабы-жокпу да эске алат.

Система кайсы физикалык жана эксплуатациялык чектөөлөрдү сактайт?

Энергияны башкаруу оптималдаштыруу максаты үчүн кубатты толугу менен эркин бөлүштүрбөйт. Булакта беш негизги чектөө бирге аныкталган:

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

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

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

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

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

Акыркы чектөө отун элементинин кубатын убакыт кадамдарынын ортосунда өтө тез өзгөртүүгө жол бербейт. Булак моделинде отун элементинин кубат өзгөрүү ылдамдыгы 5 kW/s менен чектелген. Ошондуктан отун элементи күтүүсүз кубат талаптарына батареядай тез жооп бере албайт; тез өтүүлөрдө батарея көбүрөөк жүктү өзүнө алат.

Негизги модель параметрлери кайсылар?

Моделдин башында батарея үчүн %75 минималдуу SOC максат кылынат. Бирок суутектин түгөнүшү сыяктуу шарттарда depletion-aware алгоритми бул төмөнкү чекти көзөмөлдөнгөн түрдө төмөндөтүп, адатта резерв катары сакталган батарея энергиясынын чоңураак бөлүгүн колдонууга мүмкүнчүлүк берет. Ошондуктан жыйынтыктардагы болжол менен %52 миссия аягындагы SOC маанилери баштапкы %75 нормалдуу эксплуатациялык чекке каршы келген өлчөө каталары эмес; отун тартыштыгы сценарийинде энергия резервин колдонуу алгоритмдин бир бөлүгү.

Үч суутек башкаруу ыкмасынын айырмасы эмнеде?

1. Чексиз суутек ыкмасы

Биринчи ыкмада суутек багы практикада чексиз энергия булагы катары кабыл алынат. Башкаруу алгоритми отун элементи менен батареянын ортосундагы кубат бөлүштүрүүнү оптималдаштырат, бирок бакта чынында канча суутек калганын чечим циклине кайра байланыш катары киргизбейт. Бул ыкма суутек колдонулушун байкай алат, бирок суутек көлөмү оптималдаштыруунун активдүү чеги эмес.

2. Туруктуу отун чеги

Экинчи ыкмада колдонууга жеткиликтүү суутек үчүн катуу чек колдонулат. Бакта коопсуздук үчүн калтырылган %10 деңгээлге жеткенде отун элементи өчүрүлүп, калган кубат талабын батарея өзүнө алат. Ыкма суутек чегин сактайт, бирок отун элементинин кубат өндүрүшү чекке жеткен учурда күтүүсүз токтоп калышы мүмкүн.

3. Depletion-aware ыкмасы

Жаңы depletion-aware ыкмасында система суутек бүттүбү же жокпу деп гана карабайт; отун көлөмү түгөнүү чегине жакындап калганын алдын ала эске алат. Калган суутек %30 деңгээлге түшкөндө батареянын минималдуу SOC чеги жана ECMS эквиваленттүүлүк коэффициенти биринчи баскычта төмөндөтүлөт. Суутек %20дан төмөн түшкөндө экинчи төмөндөтүү жасалат. %10 деңгээлде отун элементи үчүн колдонууга жеткиликтүү суутек чегине жеткен болот.

Бул ыкма суутек азайган сайын батареяга көбүрөөк милдет жүктөп, отун элементинин кубат өндүрүшүн көзөмөлдөнгөн түрдө азайтууну көздөйт. Булакта үч босого ыкманы көрсөтүү үчүн гана тандалган; авторлор өтүү чекиттерин көбөйтүү суутек керектөөсүн жылмакай кылышы мүмкүн экенин, бирок башкаруу эсептөөлөрүн татаалдаштырарын белгилешет.

Чексиз ыкма 4,65 kg суутек керектейт. Колдонууга жеткиликтүү суутек көлөмү 4,05 kg болгондуктан, талап кылынган кошумча 0,60 kg жеткиликтүү көлөмдүн болжол менен %14,81 бөлүгүнө туура келет. Туруктуу-лимит жана depletion-aware ыкмалары керектөөнү 4,05 kg деңгээлинде кармайт.

dSPACE текшерүүсү эмнени далилдейт?

Энергияны башкаруу стратегиясы алгач MATLAB/Simulink R2023b чөйрөсүндө ишке ашырылып, андан кийин dSPACE ControlDesk 2022-B колдонуу менен software-in-the-loop (SIL) текшерүүсүнө өткөрүлгөн. Булактагы 7-сүрөт жана 8-сүрөттө көрсөтүлгөн конфигурацияда электр кубат системасы жана өлчөмдөө моделдери DS1006да, энергияны башкаруу контролдук алгоритми болсо DS1104тө иштетилген. Эки башкаруу картасы аналогдук жана санариптик сигналдар менен бири-бирине туташтырылган.

Башкаруу кодунун C тилине компиляцияланып, башка реалдуу убакыт аткаруу чөйрөсүндө иштетилиши алгоритм Simulink чечүүчүсүнө гана мүнөздүү жүрүм-турум көрсөтпөй турганын жана башкаруу эсептөөлөрү реалдуу убакытта аткарыла аларын текшерет. Булак dSPACE жыйынтыктары Simulink жыйынтыктары менен шайкеш экенин билдирет.

Ошентсе да бул текшерүү чыныгы учуу сыноосу же физикалык отун элементи–батарея учак прототипинин жабдык сыноосу эмес. Software-in-the-loop башкаруу программасынын реалдуу убакыт эсептөө чөйрөсүндөгү жүрүм-турумун текшерет; чыныгы аба кемесинин коопсуздугу, жылуулук жүрүм-туруму, электромагниттик шайкештиги, сертификациясы же узак мөөнөттүү жабдык ишенимдүүлүгү бул эксперименттен чыгарылбайт.

Батареянын SOC жыйынтыктары эмнени көрсөтөт?

Чексиз суутек ыкмасы миссиянын аягында %84,67 батарея SOC менен аяктайт. Отун чегин сактаган туруктуу-лимит ыкмасында миссия аягындагы SOC %52,45, depletion-aware ыкмасында болсо %52,35. Чектелген эки ыкма суутек керектөөсүн азайтуу үчүн миссиянын көбүрөөк бөлүгүн батареяга өткөргөндүктөн, миссия аягындагы батарея энергиясы кыйла төмөн болот.

Булак чектелген ыкмалар 6650 секунддук миссия бою чексиз отун ыкмасына салыштырмалуу болжол менен 32,3 пайыздык пунктка көбүрөөк батарея SOC колдонгонун белгилейт. Бул жыйынтык маанилүү компромиссти көрсөтөт: суутек багынын чыныгы сыйымдуулугун сактоо батарея резервин көбүрөөк колдонууну талап кылат.

Depletion-aware ыкмасы батарея жагынан чындап жакшыбы?

Depletion-aware ыкмасынын туруктуу чекке салыштырмалуу негизги артыкчылыгы миссия аягындагы SOC эмес; эки ыкманын акыркы SOC маанилери дээрлик бирдей: %52,45 жана %52,35. Айырма энергия булактарынын ортосундагы өтүү формасында жана батареяны миссия бою колдонуу бөлүштүрүлүшүндө көрүнөт.

Булак Таблица 2де батарея SOC throughput маанисин туруктуу-лимит үчүн 1,3957, depletion-aware үчүн 1,3882 деп берет. Батарея degradation cost көрсөткүчү тиешелүүлүгүнө жараша %0,00424 жана %0,00403. Авторлор unconstrained ыкмасын эталон кылып түзгөн болжолдуу батарея өмүрүнө таасир туруктуу-лимит үчүн 160, depletion-aware үчүн 147 деп берилет.

Булактын жыйынтык бөлүгүндөгү “depletion-aware ыкмасы %13 азыраак батарея depletion көрсөткөн” деген билдирүүнү этият окуу керек. Таблица 2деги 160 жана 147 маанилеринин айырмасы 13 пайыздык пункт. Ошондуктан 13 маанисин түздөн-түз туруктуу-лимит ыкмасына салыштырмалуу %13 салыштырма азайуу деп чечмелөө математикалык жактан жалгыз маанилүү түшүндүрмө эмес. Булак колдогон коопсузураак жыйынтык — depletion-aware ыкмасы ошол эле суутек чегин сактап, туруктуу-лимит ыкмасына караганда бир аз төмөн батарея degradation көрсөткүчүн жана SOC throughput берет.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Отун элементин чексиз энергия булагы деп эсептеген ECMS изилденген миссияда колдонууга жеткиликтүү суутек көлөмүнөн %14,81 көбүрөөк суутек талап кылат.
• Туруктуу-лимит жана depletion-aware ыкмалары суутек колдонулушун 4,05 kg жеткиликтүү чекке кармайт.
• Туруктуу-лимит ыкмасында отун чегине жеткенде отун элементи өчүрүлүп, кубат талабы батареяга өткөрүлөт.
• Depletion-aware ыкмасы суутек %30 жана %20 босоголоруна жакындаганда SOC чегин жана эквиваленттүүлүк коэффициентин өзгөртүп, батареяны эртерээк ишке киргизет.
• Depletion-aware ыкмасы отун элементинен жалгыз батареяга өтүүнү туруктуу чек ыкмасына караганда акырындап жасайт.
• Отун чектөөсү бар эки ыкма тең чексиз суутек ыкмасына караганда кыйла көбүрөөк батарея энергиясын колдонот.
• Башкаруу стратегиясы MATLAB/Simulink жыйынтыктарына шайкеш түрдө dSPACE software-in-the-loop чөйрөсүндө реалдуу убакытта аткарылган.

Изилдөө колдобогон же сынабаган жыйынтыктар

• Depletion-aware ыкмасы чыныгы электр учакта учуу коопсуздугун далилдегени көрсөтүлгөн эмес.
• Ыкма чыныгы учууда, физикалык суутек багы менен же толук масштабдагы учак жабдыгында текшерилген эмес.
• Суутек багынын өлчөмү оптималдуу экени көрсөтүлгөн эмес; бак өлчөмүн оптималдаштыруу изилдөөнүн чегинен тышкары.
• Энергияны башкаруу параметрлери үчүн кеңири сезгичтик анализи жасалган эмес.
• Отун элементи менен батареянын миссия бою деталдуу жылуулук жүрүм-туруму моделденген эмес.
• Depletion-aware ыкмасы predictive ECMS, model predictive control же үйрөнүүгө негизделген бардык ыкмалардан эксперименталдык жактан жогору экени көрсөтүлгөн эмес.
• Эки кишилик жеңил учак моделиндеги жыйынтыктарды чоң жүргүнчү учактарга ошол эле сандык маанилер менен масштабдоого болору далилденген эмес.
• Бир эле миссия профили бардык реалдуу учуу маршруттарын, аба ырайы шарттарын, diversion сценарийлерин же өзгөчө кырдаалдарды билдирбейт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Отун элементин өлчөмдөө жана керектөө модели

Отун элементинин модели бир элементтин поляризация ийри сызыгынан стек деңгээлине масштабдалган. Элементтин ток тыгыздыгы жогорулаган сайын активдешүү, омдук жана концентрациялык жоготуулардан улам чыңалуу төмөндөйт. Булакта 4-сүрөт ушул мүнөздүү поляризация ийри сызыгын көрсөтөт.

Отун элементинин кубаты жогорулаган сайын суутек керектөөсү да өсөт. Айрыкча максималдуу кубатка жакындаганда концентрациялык жоготуулардан улам керектөөнүн өсүшү кубаттын өсүшүнөн тезирээк боло алары 5-сүрөттө көрсөтүлгөн. Энергияны башкарууда колдонулган керектөө функциясы экинчи даражадагы байланыш менен берилген:

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

Бул жерде \(a\), \(b\) жана \(c\) — отун элементинин кубат–суутек керектөө ийри сызыгынан алынган коэффициенттер.

Батареянын эквиваленттүү керектөөсү

Батареянын заряд жана разряд эффективдүүлүктөрү өзүнчө эске алынган. Батареянын энергия керектөөсү суутек эквивалентине айландырылып, отун элементинин керектөөсү менен бир эле ECMS максат функциясында салыштырылган:

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

Ошентип алгоритм бир киловатт кубатты батареядан же отун элементинен алуунун электрдик натыйжаларын гана эмес, эквиваленттүү энергия керектөөсүн да баалай алат.

Суутек резерви жана жеткиликтүү отун

Моделде жалпы суутек багынын сыйымдуулугу 4,50 kg. Изилдөөчүлөр басым түзүү жана температураны көзөмөлдөө менен байланышкан коопсуздук себептеринен улам бакта болжол менен %10 суутек калышын талап кылышкан. Ошондуктан отун элементи миссия бою керектей ала турган суутек:

4,05 kg

деп аныкталган.

Чексиз отун ыкмасы миссия аягында 4,65 kg талап кылгандыктан, долбоорлонгон жеткиликтүү көлөмдөн 0,60 kg ашат. Учактагы жалпы бак 4,50 kg экенин эске алганда, бул ыкма жеткиликтүү отунду гана эмес, физикалык баштапкы бак сыйымдуулугун да ашкан миссия талабын жаратат.

Үч ыкманын сандык жыйынтыктары

Таблицанын эң маанилүү жыйынтыгы — бир дагы ыкма бардык метрикаларда үстөм эмес. Чексиз суутек ыкмасы батарея жагынан эң төмөн degradation көрсөткүчтөрүн берет, бирок учактагы суутек чегин бузат. Туруктуу-лимит жана depletion-aware ыкмалары суутек чегин сактайт; анын ордуна батарея интенсивдүү колдонулат. Depletion-aware ыкмасы туруктуу-лимит менен бирдей көлөмдө суутек керектеп, батарея degradation cost жана SOC throughput көрсөткүчтөрүндө аз гана артыкчылык берет.

9-сүрөт: Суутек керектөөсү эмнени көрсөтөт?

9-сүрөттө үч ыкма миссиянын алгачкы чоң бөлүгүндө бири-бирине жакын суутек керектөө ийри сызыктарына ээ. Миссиянын кийинки бөлүгүндө чексиз ыкма 4,05 kg жеткиликтүү чектен ашып, болжол менен 4,65 kgга жетет. Туруктуу-лимит ыкмасынын ийри сызыгы 4,05 kgда тегизделет. Depletion-aware ыкмасында болсо суутек керектөө ылдамдыгы чекке жетерден мурда көзөмөлдөнгөн түрдө азайганы көрүнөт.

Бул график depletion-aware ыкмасы туруктуу-лимит ыкмасына салыштырмалуу жалпы суутекти азыраак керектейт деп көрсөтпөйт; экөө тең миссия аягында 4,05 kg керектейт. Айырма суутектин миссия бою кандай ылдамдыкта колдонулушунда жана батареяга өтүү кандай аткарылганында.

10-сүрөт: Батарея SOC эмнени көрсөтөт?

Батарея SOC графигинде үч ыкма башында окшош жүрөт. Чексиз суутек ыкмасы көбүрөөк отун элементи энергиясына жеткендиктен, миссиянын аягына жакын болжол менен %84,67 SOC деңгээлинде калат. Туруктуу-лимит ыкмасында суутек чегине болжол менен 5157 секундда жеткенде батареянын SOC мааниси тез төмөндөй баштайт.

Depletion-aware ыкмасында батарея эртерээк жана акырындык менен ишке киргендиктен, SOC узагыраак убакыт аралыгында төмөндөйт. Миссия аягында depletion-aware %52,35, туруктуу-лимит %52,45 SOC көрсөтөт. Демек, depletion-aware ыкмасынын пайдасы миссия аягында көбүрөөк батарея энергиясын калтыруу эмес.

11-сүрөт: Отун элементинин кубаты эмне үчүн маанилүү?

11-сүрөт энергияны башкаруу алгоритми отун элементинен талап кылган нормалдаштырылган кубатты көрсөтөт. Depletion-aware ыкмасында болжол менен 4500 секунд аймагында dSPACE жыйынтыктарында кубат термелүүлөрү пайда болгон. Изилдөөчүлөр бул ызы-чуу Simulink жыйынтыктарында болбогонун жана dSPACE чөйрөсүндөгү кубат талабынын өзгөрүүлөрүнө байланыштуу болушу мүмкүн экенин белгилешет.

Убакыт кадамын кичирейтүү ызы-чууну азайтышы мүмкүн; бирок реалдуу убакыттагы ишти сактоо үчүн кадамды канчалык кичирейтүүгө болорунун практикалык чеги бар. Бул табылга алгоритм али акыркы оптималдаштыруу стадиясында эмес экенин жана реалдуу убакыт башкаруу параметрлерин келечекте жакшыртуу керек экенин көрсөтөт.

Батарея degradation эсебинин чеги

Батарея degradation мааниси изилдөөдө эксперименталдык байланыштардан алынган теңдемелер менен салыштыруу үчүн гана эсептелген. Булак бул жыйынтыктарды чыныгы батарея өмүрүн түздөн-түз өлчөө катары бербейт. Батарея сыйымдуулугу, кубат жүгү жана цикл өмүрү колдонулуп, бир миссия үчүн degradation көрсөткүчү түзүлгөн.

Ошондуктан Таблица 2деги маанилерден белгилүү бир батареянын чыныгы кызмат мөөнөтү канча жыл же канча учуу болорун чыгарууга болбойт. Жылуулук карылыгы, элемент химиясынын деталдаштырылган жүрүм-туруму жана узак мөөнөттүү физикалык цикл сыноолору бул изилдөөнүн темасы эмес.

Изилдөөнүн күчтүү жактары

• Отун элементин чексиз энергия булагы катары кабыл алуунун ордуна реалдуу миссиядагы отун көлөмүн башкаруу циклине киргизет.
• Батарея SOC, батарея кубаты, отун элементинин кубаты, суутек көлөмү жана отун элементинин slew rate чектерин бирге карайт.
• Үч суутек колдонуу стратегиясын ошол эле миссия жана системада түздөн-түз салыштырат.
• MATLAB/Simulink модели менен катар dSPACE software-in-the-loop реалдуу убакыт аткаруу текшерүүсүн сунуштайт.
• Отун азайган сайын кубат бөлүштүрүүнү өзгөрткөн ачык жана масштабдала турган башкаруу логикасын сунуштайт.

Изилдөөнүн чектөөлөрү

• Параметрлер үчүн кеңири сезгичтик анализи жасалган эмес.
• ECMS эквиваленттүүлүк коэффициенти алдын ала белгиленген; альтернативдүү маанилер системалуу оптималдаштырылган эмес.
• Жылуулук чектери өлчөмдөөдө эске алынганы менен, миссия бою иштеген толук жылуулук модели жок.
• ECMSке негизделген ыкма гана деталдуу изилденген.
• Суутек багын оптималдуу өлчөмдөө изилдөөнүн чегинен тышкары.
• Ар башка учак өлчөмдөрү кеңири изилденген эмес.
• Ыкма кичирээк аба кемесинде да сыналган, бирок бул болгону отун элементтери менен батареялардын санын азайткан; ар башка компонент масштабы системалуу изилденген эмес.
• Depletion-aware ыкмасында үч гана суутек босогосу колдонулган.
• dSPACE текшерүүсү software-in-the-loop деңгээлинде; чыныгы учуу же толук физикалык кубат системасын текшерүү эмес.

Илимий жана практикалык мааниси

Изилдөөнүн негизги салымы жаңы отун элементинин химиясын же жаңы учак кыймылдаткычын иштеп чыгуу эмес. Салым — учактагы энергияны башкаруу көйгөйүнүн формулировкасын өзгөртүү: суутек жөн гана керектөөсү минималдаштырыла турган өзгөрмө эмес, миссия бою көлөмү чектелүү жана реалдуу убакытта көзөмөлдөнүшү керек болгон энергия резерви.

Бул ыкма өзгөчө бир нече энергия булагын колдонгон электр аба кемелери үчүн маанилүү. Башкаруу системасы отун түгөнгөндө гана жооп бербестен, жакындап келаткан энергия тартыштыгын алдын ала эске ала алат. Бирок чыныгы аба кемесиндеги коопсуздук пайдасы физикалык жабдык жана учуу шарттарында өзүнчө текшерилиши керек.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук түпнуска изилдөөнүн аталышы: Energy Management Strategy Under Fuel Constraints for Battery–Fuel Cell-Powered All-Electric Aircraft

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

Авторлордун ирети: Булактагы ирет өзгөртүлбөй сакталган.

Тең салым/тең биринчи автор: Булакта мындай билдирүү жок.

Жооптуу авторлор: Ayesha R. E. Wise жана Sharmila Sumsurooah.

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

Булак түрү: Эсептөө моделин, башкаруу алгоритмин иштеп чыгууну жана software-in-the-loop текшерүүсүн камтыган рецензияланган илимий макала.

Журнал: Aerospace

Басма: MDPI

Том / сан / макала номери: 13(7), 641

Жарыяланган күнү: 15-июль 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070641

Расмий жарыя шилтемеси: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/641

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

Рецензия статусу: Изилдөө рецензияланган Aerospace журналында жарыяланган илимий макала болуп саналат.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY) ачык жеткиликтүүлүк лицензиясы.

Каржылоо: Изилдөө тышкы каржылоо алган эмес.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Изилдөөдө берилген маалыматтарды купуялуулук себептеринен улам жооптуу автордон суроо боюнча алууга болору айтылган.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышын билдиришкен эмес.

Авторлордун салымы: Концептуалдаштыруу Ayesha R. E. Wise жана Serhiy Bozhko; методология Ayesha R. E. Wise; программалык камсыздоо Ayesha R. E. Wise жана Seang Yeoh; текшерүү Ayesha R. E. Wise жана Seang Yeoh; формалдык анализ жана изилдөө Ayesha R. E. Wise; ресурстар Serhiy Bozhko; маалыматтарды курациялоо жана биринчи долбоор Ayesha R. E. Wise; карап чыгуу жана редакциялоо Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko жана Seang Yeoh; визуалдаштыруу Ayesha R. E. Wise; көзөмөл Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko жана Seang Yeoh; долбоорду башкаруу жана каржылоону алуу Serhiy Bozhko тарабынан жүргүзүлгөн.

Текшерүү деңгээли: Энергияны башкаруу стратегиялары MATLAB/Simulink R2023b чөйрөсүндө моделденип, dSPACE ControlDesk 2022-B колдонуу менен software-in-the-loop конфигурациясында текшерилген. Электр кубат системасы жана өлчөмдөө моделдери DS1006да, энергияны башкаруу контроллери DS1104тө иштетилген. Бул ыкма чыныгы учуу же толук физикалык аба кемеси жабдыгын сыноо эмес.

Булактагы пайызды чечмелөө эскертүүсү: Жыйынтык бөлүгүндө depletion-aware ыкмасы туруктуу-лимит ыкмасына салыштырмалуу “%13 азыраак батарея depletion” көрсөткөнү айтылат. Таблица 2де тиешелүү болжолдуу батарея өмүрүнө таасир маанилери 160 жана 147; айырмасы 13 пайыздык пункт. Ошол эле таблицадагы түз degradation cost көрсөткүчтөрү %0,00424 жана %0,00403. Ошондуктан “%13” билдирүүсү бир маанилүү салыштырма пайыздык азайуу катары кайра чечмеленген эмес; булактагы сандык маанилер өз-өзүнчө берилген.

Илимий чек: Изилдөө эки жүргүнчүгө чейинки жеңил толук электр аба кемеси моделин жана 6650 секунддук болжолдуу миссия профилин баалайт. Суутек багын оптималдуу өлчөмдөө, деталдуу миссия-бою жылуулук модели, кеңири параметр сезгичтиги, ар башка энергия башкаруу класстарын толук салыштыруу жана чыныгы учуу текшерүүсү жүргүзүлгөн эмес. Depletion-aware ыкмасын чоң коммерциялык аба кемелерине ошол эле параметрлер менен түздөн-түз өткөрүүгө болору бул изилдөө тарабынан далилденбейт.

Мазмунду даярдоо ыкмасы: Бул Verianla түшүндүрмөсүндөгү илимий ыкмалар, теңдемелер, сандык жыйынтыктар жана чечмелөө чектери каралган булак изилдөөсүнө негизделет. Тышкы библиографиялык текшерүү жарыянын идентификациясын жана рецензия статусун ырастоо үчүн гана колдонулган; тышкы булактардан жаңы эксперименталдык жыйынтык, жаңы натыйжалуулук мааниси же булакта жок илимий механизм негизги текстке кошулган эмес.