Utafiti huu unaingiza moja kwa moja katika algoriti ya usimamizi wa nishati ukweli kwamba kiasi cha hidrojeni kinachoweza kubebwa kwenye ndege ni kidogo, katika ndege nyepesi ya umeme kamili inayotumia betri na seli ya mafuta ya hidrojeni kwa pamoja. Watafiti walilinganisha mbinu tatu zinazotegemea mkakati wa kupunguza matumizi sawia (Equivalent Consumption Minimisation Strategy, ECMS): mbinu inayodhani kiasi cha hidrojeni hakina kikomo, mbinu ya kikomo thabiti cha mafuta, na mbinu mpya ya “depletion-aware” inayoongeza matumizi ya betri kwa udhibiti kadiri hidrojeni inavyopungua. Katika uundaji wa modeli na uthibitishaji wa dSPACE software-in-the-loop kwenye wasifu wa misheni wa sekunde 6650, mbinu ya mafuta yasiyo na kikomo ilitumia 4,65 kg ya hidrojeni na kuzidi kikomo kinachoweza kutumika cha 4,05 kg kwa %14,81, huku mbinu nyingine mbili zikiweka matumizi kwenye 4,05 kg. Faida kuu ya mbinu ya depletion-aware ni kwamba badala ya kuzima seli ya mafuta ghafla inapofikia kikomo, huhamisha mgawanyo wa nguvu hatua kwa hatua kuelekea betri kadiri hidrojeni inavyopungua. Matokeo si jaribio halisi la ndege, bali ni modeli ya kihesabu na uthibitishaji wa udhibiti wa software-in-the-loop katika muda halisi.

Matokeo ya utafiti yanaonyesha kuwa kuunda modeli ya seli ya mafuta ya ndege kama chanzo cha nishati kisicho na kikomo kwa vitendo kunaweza kuleta kosa muhimu katika upangaji wa misheni. Uwezo wa jumla wa hidrojeni wa tanki lililobuniwa ni 4,50 kg; kwa sababu za usalama na mahitaji ya uendeshaji wa tanki, %10 ya kiasi hicho imeachwa bila kutumika na kiasi cha hidrojeni kinachoweza kutumiwa na seli ya mafuta kimechukuliwa kuwa 4,05 kg. Usimamizi wa nishati usiozingatia kikomo cha hidrojeni unahitaji 0,60 kg ya ziada ili kukamilisha misheni. Kwa kuwa haiwezekani kujaza mafuta upya wakati wa ndege, watafiti hawakuiona mbinu hii kuwa ya uhalisia.

Mbinu ya kikomo-thabiti na depletion-aware, ambazo zote zinatii kikomo cha mafuta, hukamilisha misheni kwa kutumia 4,05 kg ya hidrojeni; lakini gharama yake ni matumizi makubwa zaidi ya betri. Mwishoni mwa misheni, hali ya chaji ya betri ilikuwa %84,67 kwa mbinu ya mafuta yasiyo na kikomo, %52,45 kwa mbinu ya kikomo-thabiti, na %52,35 kwa mbinu ya depletion-aware. Kwa hiyo, utafiti hauonyeshi kuwa depletion-aware ni suluhisho la jumla “linalotumia nishati kidogo,” bali unaonyesha kuwa linafanya mpito kati ya seli ya mafuta na betri kuwa wenye udhibiti zaidi huku likitii kiasi kidogo cha hidrojeni.

Kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti huu unatoa mbinu inayoonyesha kwamba katika utafiti wa baadaye, uundaji wa prototipu au miradi ya teksi za anga/ndege nyepesi za umeme zenye seli za mafuta ya hidrojeni nchini Uturuki, chanzo cha nishati kinapaswa kuingizwa katika algoriti ya udhibiti si kwa kuzingatia tu nguvu ya jina, bali pia kiasi cha nishati kinachoweza kubebwa kwa muda wote wa misheni. Hata hivyo, ndege iliyotumika ni modeli nyepesi ya hadi abiria wawili; si sahihi kuhamisha moja kwa moja tanki la hidrojeni, wasifu wa misheni, mfumo wa nguvu na dhana za akiba kwenye ndege maalum nchini Uturuki. Uthibitishaji upya unahitajika kwa kutumia wasifu wa misheni wa ndani, mahitaji ya uthibitishaji, hali za mazingira na sifa halisi za vifaa.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Katika ndege ya umeme inayotumia betri na seli ya mafuta kwa pamoja, namna vyanzo viwili vya nishati vinavyogawana mahitaji ya nguvu ni tatizo muhimu la udhibiti. Betri inaweza kujibu mabadiliko ya haraka ya mahitaji ya nguvu, huku seli ya mafuta ikiwa na faida ya kutoa nishati kwa muda mrefu zaidi. Hata hivyo, ikiwa mfumo wa usimamizi wa nishati unalenga tu ufanisi wa nguvu wa papo hapo na kudhani chanzo cha hidrojeni cha seli ya mafuta hakina kikomo, misheni inayonekana kufanikiwa kihisabati inaweza kwa kweli kuhitaji hidrojeni nyingi kuliko inayobebwa kwenye ndege.

Hili ndilo pengo la fasihi ambalo utafiti unalenga. Kulingana na watafiti, tafiti nyingi za usimamizi wa nishati zinazotumia seli ya mafuta huzingatia kwa kina uwezo wa nishati wa betri na mipaka ya state-of-charge (SOC), lakini kwa vitendo huunda modeli ya seli ya mafuta kama chanzo kisicho na mwisho cha nishati. Katika magari ya barabarani, uwezo wa kujaza mafuta tena yanapopungua unaweza kufanya mtazamo huu ukubalike katika baadhi ya hali; lakini kwa kuwa hidrojeni haiwezi kujazwa wakati wa ndege, mafuta yanayobebwa mwanzoni mwa misheni lazima yatoshe kwa misheni nzima.

Usanifu wa ndege ya umeme uliochunguzwa unafanyaje kazi?

Mfumo unaoonyeshwa katika Kielelezo 1 kwenye chanzo unawakilisha ndege nyepesi ya umeme kamili ya hadi abiria wawili. Mfumo wa nguvu za umeme umejengwa kwenye basi ya mkondo wa moja kwa moja ya 650 V. Betri na seli ya mafuta hulisha basi moja ya DC, lakini njia zao za kuunganishwa ni tofauti.

• Betri huunganishwa kwenye basi ya DC kupitia kigeuzi cha umeme wa nguvu cha pande mbili na inaweza kuchajiwa na kutolewa chaji.
• Seli ya mafuta huunganishwa kwenye basi hiyo hiyo ya DC kupitia kigeuzi cha kuongeza volteji cha mwelekeo mmoja.
• Basi ya DC hulisha mota ya umeme ya AC inayozungusha propela kupitia inverter ya DC/AC.
• Mifumo ya pili kama avioniki na taa hulishwa kupitia kigeuzi tofauti cha kupunguza volteji.
• Juu ya vidhibiti vya ndani kuna kidhibiti cha jumla cha usimamizi wa nishati kinachoamua mgawanyo wa nguvu kati ya betri na seli ya mafuta.

Usanifu huu umewekwa rahisi kwa makusudi katika utafiti. Lengo si kuunda modeli kamili ya mfumo wa umeme wa ndege maalum ya kibiashara, bali kujaribu mbinu inayofanya kiasi cha hidrojeni kuwa kikwazo hai cha usimamizi wa nishati.

Wasifu wa misheni unajumuisha hatua zipi za ndege?

Katika Kielelezo 2, mahitaji ya nguvu yaliyosawazishwa yanafafanuliwa katika misheni yenye jumla ya sekunde 6650. Wasifu unajumuisha taxi ya kuondoka, kuruka, kupanda, cruise, kushuka, kutua na taxi ya kuingia. Kuruka na kupanda huhitaji nguvu kubwa, huku mahitaji yakipungua wakati wa cruise; katika hatua za kushuka na kutua hushuka hadi viwango vya chini zaidi.

Wasifu huu wa misheni huruhusu usimamizi wa nishati kujaribiwa si tu kwenye mzigo wa kudumu, bali pia chini ya mahitaji ya nguvu yanayobadilika katika muda wote wa ndege. Hata hivyo, huu ndio wasifu pekee wa misheni unaodhaniwa na chanzo; umbali tofauti, hali za hewa, njia au misheni za dharura hazikulinganishwa kwa utaratibu.

Kwa nini ECMS ilitumika?

Mikakati ya usimamizi wa nishati kwa ujumla inaweza kuainishwa kuwa ya kanuni, uboreshaji wa papo hapo, uboreshaji wa jumla na mbinu zinazotegemea ujifunzaji. Katika utafiti huu, Equivalent Consumption Minimisation Strategy (ECMS), ambayo ni mbinu ya uboreshaji wa papo hapo, ilichaguliwa kwa sababu inafaa kwa matumizi ya muda halisi.

Lengo la ECMS ni kuunganisha matumizi ya hidrojeni ya seli ya mafuta na thamani sawia ya hidrojeni ya nishati inayotolewa na betri katika kazi moja ya lengo, kisha kupata mgawanyo wa nguvu unaotoa matumizi sawia ya chini zaidi katika kila hatua ya muda:

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

Hapa \(C_{FC}\) inawakilisha matumizi ya hidrojeni ya seli ya mafuta, \(C_{batt}\) matumizi sawia ya nishati inayotumiwa kutoka kwenye betri, na \(k\) sababu ya usawa inayotegemea hali ya SOC ya betri.

Sababu ya usawa imefafanuliwa kwenye chanzo kwa uhusiano ufuatao:

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

\(\mu\) ni thabiti inayoamua kiwango ambacho thamani ya SOC inaathiri sababu ya usawa. Kwa njia hiyo, nishati iliyobaki kwenye betri huingizwa moja kwa moja katika uamuzi wa mgawanyo wa nguvu.

Matumizi ya hidrojeni ya seli ya mafuta yanawekewaje modeli?

Watafiti kwanza waliunda modeli ya mviringo wa polarization wa seli moja ya mafuta. Volteji ya seli huhesabiwa kwa kutoa hasara za ohmic, activation na concentration kutoka kwenye uwezo wa Nernst:

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

Hasara ya volteji ya ohmic:

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

imeonyeshwa hivyo. Hapa \(i\) inawakilisha msongamano wa mkondo na \(r\) upinzani wa seli. Hasara ya activation inahusishwa na kinetiki ya mmenyuko kwenye uso wa elektrodi, huku hasara ya concentration ikihusishwa na vikwazo vya kusafirisha viitikio hadi maeneo ya mmenyuko kwenye mikondo mikubwa.

Tabia ya seli moja baadaye ilipanuliwa hadi kiwango cha stack kupitia idadi ya seli na eneo amilifu:

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

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

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

Thamani ya takriban ya ufanisi wa seli ya mafuta hupatikana kupitia volteji ya seli kwa:

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

uhusiano huu.

Kiasi cha hidrojeni kinachohitajika mwanzoni mwa misheni huhesabiwa kwa kuchukua integral ya nishati inayotakiwa kutoka kwenye seli ya mafuta kwa muda wote wa misheni kwa kuzingatia ufanisi:

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

Mrejesho unaoleta ubunifu mkuu katika usimamizi wa nishati ni kuhesabiwa kwa kuendelea kwa hidrojeni iliyobaki wakati wa misheni:

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

Kwa hivyo algoriti ya udhibiti inaweza kuzingatia si tu kiasi cha nguvu kinachopaswa kuombwa kutoka kwa seli ya mafuta, bali pia kama hidrojeni ya kutosha itabaki hadi mwisho wa misheni ili kuzalisha nguvu hiyo.

Mfumo unazingatia mipaka gani ya kimwili na uendeshaji?

Usimamizi wa nishati hausambazi nguvu kwa uhuru kwa lengo la uboreshaji pekee. Chanzo kinafafanua vikwazo vitano vya msingi kwa pamoja:

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

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

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

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

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

Kikomo cha mwisho huzuia nguvu ya seli ya mafuta kubadilishwa haraka sana kati ya hatua za muda. Katika modeli ya chanzo, kasi ya mabadiliko ya nguvu ya seli ya mafuta imewekewa kikomo cha 5 kW/s. Kwa hiyo seli ya mafuta haiwezi kujibu mahitaji ya ghafla ya nguvu kwa kasi sawa na betri; katika mipito ya haraka betri hubeba sehemu kubwa zaidi ya mzigo.

Vigezo vya msingi vya modeli ni vipi?

Mwanzoni mwa modeli, SOC ya chini ya %75 inalengwa kwa betri. Hata hivyo, katika hali kama kuisha kwa hidrojeni, algoriti ya depletion-aware inaweza kupunguza kikomo hiki cha chini kwa udhibiti na kutumia sehemu kubwa zaidi ya nishati ya betri ambayo kwa kawaida huhifadhiwa kama akiba. Kwa hiyo, thamani za karibu %52 za SOC mwishoni mwa misheni katika matokeo si makosa ya kipimo yanayopingana na kikomo cha kawaida cha uendeshaji cha %75; matumizi ya akiba ya nishati katika hali ya uhaba wa mafuta ni sehemu ya algoriti.

Tofauti kati ya mbinu tatu za usimamizi wa hidrojeni ni nini?

1. Mbinu ya hidrojeni isiyo na kikomo

Katika mbinu ya kwanza, tanki la hidrojeni huchukuliwa kwa vitendo kama chanzo kisicho na mwisho cha nishati. Algoriti ya udhibiti huboresha mgawanyo wa nguvu kati ya seli ya mafuta na betri lakini hairudishi kwenye mzunguko wa uamuzi taarifa ya kiasi halisi cha hidrojeni kilichobaki kwenye tanki. Mbinu hii inaweza kufuatilia matumizi ya hidrojeni, lakini kiasi cha hidrojeni si kikomo hai cha uboreshaji.

2. Kikomo thabiti cha mafuta

Katika mbinu ya pili, kikomo kigumu kinawekwa kwa hidrojeni inayoweza kutumika. Kiwango cha %10 kilichoachwa kwenye tanki kwa usalama kinapofikiwa, seli ya mafuta huzimwa na betri hubeba mahitaji ya nguvu yaliyobaki. Mbinu inatii kikomo cha hidrojeni, lakini uzalishaji wa nguvu wa seli ya mafuta unaweza kukoma ghafla kwenye hatua ya kikomo.

3. Mbinu ya Depletion-aware

Katika mbinu mpya ya depletion-aware, mfumo hauangalii tu kama hidrojeni imekwisha au la; huzingatia mapema kwamba kiasi cha mafuta kinakaribia kikomo cha kuisha. Hidrojeni iliyobaki inaposhuka hadi %30, kikomo cha chini cha SOC ya betri na sababu ya usawa ya ECMS hupunguzwa katika hatua ya kwanza. Hidrojeni inaposhuka chini ya %20, upunguzaji wa pili hufanywa. Katika kiwango cha %10, kikomo cha hidrojeni kinachoweza kutumika na seli ya mafuta huwa kimefikiwa.

Mbinu hii inalenga kupunguza uzalishaji wa nguvu wa seli ya mafuta kwa udhibiti kwa kuipa betri jukumu kubwa zaidi kadiri hidrojeni inavyopungua. Katika chanzo, vizingiti vitatu vilichaguliwa kwa madhumuni ya kuonyesha mbinu tu; waandishi wanaeleza kuwa kutumia sehemu nyingi zaidi za mpito kunaweza kufanya matumizi ya hidrojeni yawe laini zaidi lakini pia kutafanya hesabu za udhibiti kuwa ngumu zaidi.

Mbinu isiyo na kikomo hutumia 4,65 kg ya hidrojeni. Kwa kuwa kiasi cha hidrojeni kinachoweza kutumika ni 4,05 kg, 0,60 kg ya ziada inayohitajika ni takriban %14,81 ya kiasi kinachoweza kutumika. Mbinu ya kikomo-thabiti na depletion-aware zinaweka matumizi kwenye 4,05 kg.

Uthibitishaji wa dSPACE unathibitisha nini?

Mkakati wa usimamizi wa nishati ulitekelezwa kwanza katika mazingira ya MATLAB/Simulink R2023b, kisha ukahamishwa kwenye uthibitishaji wa software-in-the-loop (SIL) kwa kutumia dSPACE ControlDesk 2022-B. Katika mpangilio unaoonekana katika Kielelezo 7 na Kielelezo 8 kwenye chanzo, mfumo wa nguvu za umeme na modeli za upimaji ziliendeshwa kwenye DS1006, huku algoriti ya udhibiti wa usimamizi wa nishati ikiendeshwa kwenye DS1104. Kadi mbili za udhibiti ziliunganishwa kwa ishara za analogi na dijitali.

Kukusanya msimbo wa udhibiti katika lugha ya C na kuuendesha katika mazingira tofauti ya utekelezaji wa muda halisi hujaribu kama algoriti haionyeshi tabia maalum ya solver ya Simulink pekee na kama hesabu za udhibiti zinaweza kutekelezwa katika muda halisi. Chanzo kinaripoti kuwa matokeo ya dSPACE yanaendana na matokeo ya Simulink.

Hata hivyo, uthibitishaji huu si jaribio halisi la ndege wala jaribio la vifaa la prototipu ya kimwili ya ndege ya seli ya mafuta–betri. Software-in-the-loop huthibitisha tabia ya programu ya udhibiti katika mazingira ya hesabu ya muda halisi; usalama wa ndege halisi, tabia ya joto, utangamano wa sumakuumeme, uthibitishaji au uaminifu wa muda mrefu wa vifaa hauwezi kutolewa kutoka kwenye jaribio hili.

Matokeo ya SOC ya betri yanaonyesha nini?

Mbinu ya hidrojeni isiyo na kikomo hukamilisha misheni ikiwa na SOC ya betri ya %84,67. Katika mbinu ya kikomo-thabiti inayotii kikomo cha mafuta, SOC ya mwisho wa misheni ni %52,45, na katika mbinu ya depletion-aware ni %52,35. Kwa kuwa mbinu mbili zenye kikomo huhamisha sehemu kubwa zaidi ya misheni kwenye betri ili kupunguza matumizi ya hidrojeni, nishati ya betri mwishoni mwa misheni huwa chini kwa kiasi kikubwa.

Chanzo kinaeleza kuwa katika misheni ya sekunde 6650, mbinu zenye kikomo zilitumia takriban pointi 32,3 za asilimia zaidi za SOC ya betri kuliko mbinu ya mafuta yasiyo na kikomo. Matokeo haya yanaonyesha biashara muhimu: kuzingatia uwezo halisi wa tanki la hidrojeni kunahitaji kutumia zaidi akiba ya betri.

Je, mbinu ya depletion-aware ni bora zaidi kwa betri?

Faida kuu ya depletion-aware dhidi ya kikomo thabiti si SOC ya mwisho wa misheni; thamani za mwisho za SOC za mbinu mbili karibu ni sawa: %52,45 na %52,35. Tofauti inaonekana katika namna ya mpito kati ya vyanzo vya nguvu na katika usambazaji wa matumizi ya betri kwa muda wa misheni.

Chanzo kinatoa katika Jedwali 2 thamani ya battery SOC throughput kuwa 1,3957 kwa kikomo-thabiti na 1,3882 kwa depletion-aware. Kiashiria cha battery degradation cost ni %0,00424 na %0,00403 mtawalia. Athari iliyokadiriwa kwa maisha ya betri iliyoundwa na waandishi kwa kutumia mbinu ya unconstrained kama rejea ni 160 kwa kikomo-thabiti na 147 kwa depletion-aware.

Kauli katika sehemu ya matokeo ya chanzo kwamba “mbinu ya depletion-aware ilionyesha %13 chini ya battery depletion” inapaswa kusomwa kwa uangalifu. Tofauti kati ya 160 na 147 katika Jedwali 2 ni pointi 13 za asilimia. Kwa hiyo, kutafsiri thamani 13 moja kwa moja kama upunguzaji wa jamaa wa %13 dhidi ya mbinu ya kikomo-thabiti si tafsiri pekee yenye maana kihisabati. Hitimisho salama zaidi linaloungwa mkono na chanzo ni kwamba depletion-aware, huku ikitii kikomo kilekile cha hidrojeni, huzalisha kiashiria cha battery degradation na SOC throughput kilicho chini kidogo kuliko mbinu ya kikomo-thabiti.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• ECMS inayochukulia seli ya mafuta kama chanzo kisicho na kikomo cha nishati inahitaji %14,81 zaidi ya hidrojeni kuliko kiasi kinachoweza kutumika katika misheni iliyochunguzwa.
• Mbinu ya kikomo-thabiti na depletion-aware zinaweka matumizi ya hidrojeni kwenye kikomo kinachoweza kutumika cha 4,05 kg.
• Katika mbinu ya kikomo-thabiti, seli ya mafuta huzimwa kikomo cha mafuta kinapofikiwa na mahitaji ya nguvu huhamishiwa kwenye betri.
• Mbinu ya depletion-aware hubadilisha kikomo cha SOC na sababu ya usawa kadiri hidrojeni inavyokaribia vizingiti vya %30 na %20, hivyo kuanza kutumia betri mapema zaidi.
• Mbinu ya depletion-aware hufanya mpito kutoka seli ya mafuta hadi betri pekee kuwa wa taratibu zaidi kuliko mbinu ya kikomo thabiti.
• Mbinu zote mbili zenye kikomo cha mafuta hutumia nishati ya betri kwa kiasi kikubwa zaidi kuliko mbinu ya hidrojeni isiyo na kikomo.
• Mkakati wa udhibiti uliweza kutekelezwa katika muda halisi katika mazingira ya dSPACE software-in-the-loop kwa matokeo yanayoendana na MATLAB/Simulink.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono au haujajaribu

• Haijaonyeshwa kwamba mbinu ya depletion-aware imethibitisha usalama wa ndege katika ndege halisi ya umeme.
• Mbinu haijathibitishwa katika ndege halisi, kwa tanki la kimwili la hidrojeni au kwenye vifaa vya ndege vya ukubwa kamili.
• Haijaonyeshwa kwamba ukubwa wa tanki la hidrojeni ni bora zaidi; uboreshaji wa ukubwa wa tanki uko nje ya wigo wa utafiti.
• Uchambuzi mpana wa unyeti kwa vigezo vya usimamizi wa nishati haujafanywa.
• Tabia ya kina ya joto ya seli ya mafuta na betri katika muda wote wa misheni haijawekewa modeli.
• Haijaonyeshwa kwa majaribio kwamba depletion-aware ni bora kuliko predictive ECMS, model predictive control au mbinu zote zinazotegemea ujifunzaji.
• Haijathibitishwa kwamba matokeo ya modeli ya ndege nyepesi ya watu wawili yanaweza kupanuliwa kwa ndege kubwa za abiria kwa kutumia thamani zilezile za namba.
• Wasifu mmoja wa misheni hauwakilishi njia zote halisi za ndege, hali za hewa, diversion scenarios au dharura.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Upimaji wa ukubwa wa seli ya mafuta na modeli ya matumizi

Modeli ya seli ya mafuta ilipanuliwa kutoka kwenye mviringo wa polarization wa seli moja hadi kiwango cha stack. Kadiri msongamano wa mkondo wa seli unavyoongezeka, volteji hupungua kwa sababu ya hasara za activation, ohmic na concentration. Katika chanzo, Kielelezo 4 kinaonyesha mviringo huu wa kawaida wa polarization.

Kadiri nguvu ya seli ya mafuta inavyoongezeka, matumizi ya hidrojeni pia huongezeka. Hasa inapokaribia nguvu ya juu, Kielelezo 5 kinaonyesha kuwa kutokana na hasara za concentration, ongezeko la matumizi linaweza kuwa la haraka kuliko ongezeko la nguvu. Kazi ya matumizi inayotumika katika usimamizi wa nishati imeelezwa kwa uhusiano wa daraja la pili:

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

Hapa \(a\), \(b\) na \(c\) ni vigawo vilivyopatikana kutoka kwenye mviringo wa nguvu–matumizi ya hidrojeni wa seli ya mafuta.

Matumizi sawia ya betri

Ufanisi wa kuchaji na kutoa chaji wa betri umezingatiwa tofauti. Matumizi ya nishati ya betri yalibadilishwa kuwa thamani sawia ya hidrojeni na kulinganishwa na matumizi ya seli ya mafuta katika kazi ileile ya lengo la ECMS:

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

Kwa njia hiyo, algoriti inaweza kutathmini si tu matokeo ya umeme ya kutoa kilowati moja ya nguvu kutoka kwenye betri au seli ya mafuta, bali pia matumizi sawia ya nishati.

Akiba ya hidrojeni na mafuta yanayoweza kutumika

Katika modeli, uwezo wa jumla wa tanki la hidrojeni ni 4,50 kg. Watafiti waliweka sharti la kubaki takriban %10 ya hidrojeni kwenye tanki kwa sababu za usalama zinazohusiana na ushinikizaji na udhibiti wa joto. Kwa hiyo, hidrojeni ambayo seli ya mafuta inaruhusiwa kutumia katika muda wote wa misheni imewekwa kuwa:

4,05 kg

imeamuliwa.

Kwa kuwa mbinu ya mafuta yasiyo na kikomo inahitaji 4,65 kg mwishoni mwa misheni, inazidi kiasi kilichobuniwa kinachoweza kutumika kwa 0,60 kg. Ikizingatiwa kuwa tanki lote kwenye ndege ni 4,50 kg, mbinu hii huzalisha mahitaji ya misheni yanayozidi si tu mafuta yanayoweza kutumika bali pia uwezo wa kimwili wa tanki mwanzoni.

Matokeo ya kiasi ya mbinu tatu

Matokeo muhimu zaidi ya jedwali ni kwamba hakuna mbinu moja iliyo bora katika vipimo vyote. Mbinu ya hidrojeni isiyo na kikomo hutoa viashiria vya degradation vilivyo chini zaidi kwa betri, lakini inakiuka kikomo cha hidrojeni kilichopo kwenye ndege. Mbinu ya kikomo-thabiti na depletion-aware zinatii kikomo cha hidrojeni; kwa upande mwingine betri hutumiwa kwa kiwango kikubwa zaidi. Mbinu ya depletion-aware hutumia kiasi kilekile cha hidrojeni kama kikomo-thabiti huku ikitoa faida ndogo katika viashiria vya battery degradation cost na SOC throughput.

Kielelezo 9: Matumizi ya hidrojeni yanaonyesha nini?

Katika Kielelezo 9, mbinu tatu zinafuata mikondo ya matumizi ya hidrojeni iliyo karibu katika sehemu kubwa ya mwanzo ya misheni. Katika sehemu ya baadaye, mbinu isiyo na kikomo inaendelea kupita kikomo kinachoweza kutumika cha 4,05 kg na kufikia takriban 4,65 kg. Mviringo wa mbinu ya kikomo-thabiti husawazika kwenye 4,05 kg. Katika depletion-aware, kasi ya matumizi ya hidrojeni huonekana kupunguzwa kwa udhibiti kabla ya kufikia kikomo.

Grafu hii haionyeshi kwamba depletion-aware hutumia hidrojeni ya jumla kidogo kuliko kikomo-thabiti; zote mbili hutumia 4,05 kg mwishoni mwa misheni. Tofauti ni kasi ya matumizi ya hidrojeni katika muda wa misheni na jinsi mpito kuelekea betri unavyotekelezwa.

Kielelezo 10: SOC ya betri inaonyesha nini?

Katika grafu ya SOC ya betri, mbinu tatu zina tabia zinazofanana mwanzoni. Mbinu ya hidrojeni isiyo na kikomo ina ufikiaji wa nishati zaidi ya seli ya mafuta, kwa hiyo hadi mwisho wa misheni hubaki kwenye takriban %84,67 SOC. Katika mbinu ya kikomo-thabiti, kikomo cha hidrojeni kinapofikiwa karibu sekunde 5157, SOC ya betri huanza kupungua haraka.

Katika depletion-aware, betri huanzishwa mapema zaidi na kwa hatua, kwa hiyo SOC hupungua katika muda mrefu zaidi. Mwishoni mwa misheni, depletion-aware inaonyesha %52,35 na kikomo-thabiti %52,45 SOC. Kwa hiyo, manufaa ya depletion-aware si kuacha nishati zaidi ya betri mwishoni mwa misheni.

Kielelezo 11: Kwa nini nguvu ya seli ya mafuta ni muhimu?

Kielelezo 11 kinaonyesha nguvu iliyosawazishwa ambayo algoriti ya usimamizi wa nishati inaomba kutoka kwenye seli ya mafuta. Katika depletion-aware, karibu sekunde 4500, mabadiliko ya nguvu yalionekana katika matokeo ya dSPACE. Watafiti wanaeleza kuwa kelele hii haikuwepo katika matokeo ya Simulink na inaweza kuhusishwa na mabadiliko ya mahitaji ya nguvu katika mazingira ya dSPACE.

Kupunguza hatua ya muda kunaweza kupunguza kelele; hata hivyo, kuna kikomo cha vitendo cha jinsi hatua hiyo inaweza kupunguzwa huku utekelezaji wa muda halisi ukiendelea kuhifadhiwa. Ugunduzi huu unaonyesha kuwa algoriti bado haijafikia hatua ya mwisho ya uboreshaji na vigezo vya udhibiti wa muda halisi vinahitaji kuboreshwa baadaye.

Kikomo cha hesabu ya battery degradation

Thamani ya battery degradation katika utafiti ilihesabiwa kwa madhumuni ya kulinganisha pekee kwa kutumia milinganyo iliyotokana na mahusiano ya majaribio. Chanzo hakitoi matokeo haya kama kipimo cha moja kwa moja cha maisha halisi ya betri. Uwezo wa betri, mzigo wa nguvu na maisha ya mzunguko vilitumika kuunda kiashiria cha degradation kwa misheni moja.

Kwa hiyo, haiwezekani kuamua kutoka kwenye thamani za Jedwali 2 kwamba maisha halisi ya huduma ya betri fulani yatakuwa miaka mingapi au safari ngapi za ndege. Kuzeeka kwa joto, tabia ya kina ya kemia ya seli na majaribio ya muda mrefu ya mizunguko ya kimwili hayako katika wigo wa utafiti huu.

Nguvu za utafiti

• Badala ya kuchukulia seli ya mafuta kama chanzo kisicho na kikomo cha nishati, huingiza kiasi halisi cha mafuta ya misheni kwenye mzunguko wa udhibiti.
• Huzingatia kwa pamoja SOC ya betri, nguvu ya betri, nguvu ya seli ya mafuta, kiasi cha hidrojeni na mipaka ya slew rate ya seli ya mafuta.
• Hulinganisha moja kwa moja mikakati mitatu ya matumizi ya hidrojeni kwenye misheni na mfumo uleule.
• Hutoa uthibitishaji wa utekelezaji wa muda halisi wa dSPACE software-in-the-loop pamoja na modeli ya MATLAB/Simulink.
• Hupendekeza mantiki ya udhibiti iliyo wazi na inayoweza kupanuliwa, inayobadilisha mgawanyo wa nguvu kadiri mafuta yanavyopungua.

Mapungufu ya utafiti

• Uchambuzi mpana wa unyeti wa vigezo haujafanywa.
• Sababu ya usawa ya ECMS imeamuliwa mapema; maadili mbadala hayajaboreshwa kwa utaratibu.
• Ingawa mipaka ya joto ilizingatiwa katika upimaji wa ukubwa, hakuna modeli pana ya joto inayofanya kazi katika muda wote wa misheni.
• Mbinu inayotegemea ECMS pekee imechunguzwa kwa kina.
• Uboreshaji wa ukubwa wa tanki la hidrojeni uko nje ya wigo wa utafiti.
• Ukubwa tofauti wa ndege haujachunguzwa kwa kina.
• Ingawa mbinu ilijaribiwa kwenye ndege ndogo zaidi, hili lilipunguza tu idadi ya seli za mafuta na betri; halikuchunguza kwa utaratibu viwango tofauti vya vipengele.
• Vizingiti vitatu tu vya hidrojeni vilitumika katika mbinu ya depletion-aware.
• Uthibitishaji wa dSPACE uko katika kiwango cha software-in-the-loop; si uthibitishaji wa ndege halisi au mfumo kamili wa nguvu wa kimwili.

Maana ya kisayansi na kiutendaji

Mchango mkuu wa utafiti si kuendeleza kemia mpya ya seli ya mafuta au injini mpya ya ndege. Mchango ni kubadilisha uundaji wa tatizo la usimamizi wa nishati kwenye ndege: hidrojeni si tu kigezo ambacho matumizi yake yanapaswa kupunguzwa, bali ni akiba ya nishati yenye kiasi kidogo katika muda wote wa misheni na inayopaswa kufuatiliwa katika muda halisi.

Mbinu hii ni muhimu hasa kwa ndege za umeme zinazotumia zaidi ya chanzo kimoja cha nishati. Mfumo wa udhibiti unaweza kuzingatia mapema uhaba wa nishati unaokaribia badala ya kujibu tu mafuta yanapokwisha. Hata hivyo, manufaa yake ya usalama katika ndege halisi lazima yathibitishwe kando katika vifaa vya kimwili na hali halisi za ndege.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asilia: Energy Management Strategy Under Fuel Constraints for Battery–Fuel Cell-Powered All-Electric Aircraft

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

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio wa chanzo umehifadhiwa bila kubadilishwa.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko kama hilo kwenye chanzo.

Waandishi wanaowajibika: Ayesha R. E. Wise na Sharmila Sumsurooah.

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

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu, inayojumuisha uundaji wa modeli ya kihesabu, maendeleo ya algoriti ya udhibiti na uthibitishaji wa software-in-the-loop.

Jarida: Aerospace

Mchapishaji: MDPI

Juzuu / toleo / nambari ya makala: 13(7), 641

Tarehe ya uchapishaji: 15 Julai 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070641

Kiungo rasmi cha uchapishaji: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/641

Kiungo cha DOI: https://doi.org/10.3390/aerospace13070641

Hali ya mapitio: Utafiti ni makala ya utafiti iliyochapishwa katika jarida la Aerospace lililopitiwa na wataalamu.

Leseni: Leseni ya ufikiaji wazi ya Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Utafiti haukupokea ufadhili wa nje.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa data iliyowasilishwa katika utafiti inaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi anayewajibika kwa ombi kutokana na sababu za usiri.

Mgongano wa maslahi: Waandishi hawakuripoti mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana Ayesha R. E. Wise na Serhiy Bozhko; mbinu Ayesha R. E. Wise; programu Ayesha R. E. Wise na Seang Yeoh; uthibitishaji Ayesha R. E. Wise na Seang Yeoh; uchambuzi rasmi na utafiti Ayesha R. E. Wise; rasilimali Serhiy Bozhko; uratibu wa data na rasimu ya kwanza Ayesha R. E. Wise; mapitio na uhariri Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko na Seang Yeoh; taswira Ayesha R. E. Wise; usimamizi Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko na Seang Yeoh; usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili ulifanywa na Serhiy Bozhko.

Kiwango cha uthibitishaji: Mikakati ya usimamizi wa nishati iliundwa katika MATLAB/Simulink R2023b na kuthibitishwa katika mpangilio wa software-in-the-loop kwa kutumia dSPACE ControlDesk 2022-B. Mfumo wa nguvu za umeme na modeli za upimaji ziliendeshwa kwenye DS1006, na kidhibiti cha usimamizi wa nishati kwenye DS1104. Mbinu hii si jaribio halisi la ndege wala jaribio kamili la vifaa vya kimwili vya ndege.

Dokezo la tafsiri ya asilimia ndani ya chanzo: Katika sehemu ya matokeo, kwa mbinu ya depletion-aware ikilinganishwa na kikomo-thabiti, imetumika kauli “%13 less battery depletion”. Katika Jedwali 2, thamani zinazohusika za makadirio ya athari kwenye maisha ya betri ni 160 na 147; tofauti ni pointi 13 za asilimia. Viashiria vya moja kwa moja vya degradation cost katika jedwali hilo ni %0,00424 na %0,00403. Kwa hiyo, kauli “%13” haijatafsiriwa upya kama upunguzaji wa asilimia wa jamaa wenye maana moja; thamani za kiasi katika chanzo zimewasilishwa kila moja kivyake.

Kikomo cha kisayansi: Utafiti unatathmini modeli ya ndege nyepesi ya umeme kamili ya hadi abiria wawili na wasifu wa misheni wa sekunde 6650 uliodhaniwa. Uboreshaji wa ukubwa wa tanki la hidrojeni, modeli ya kina ya joto kwa muda wote wa misheni, unyeti mpana wa vigezo, ulinganisho kamili wa madarasa tofauti ya usimamizi wa nishati na uthibitishaji wa ndege halisi haujafanywa. Utafiti huu hauthibitishi kwamba mbinu ya depletion-aware inaweza kuhamishwa moja kwa moja kwa ndege kubwa za kibiashara kwa vigezo vilevile.

Mbinu ya uzalishaji wa maudhui: Mbinu za kisayansi, milinganyo, matokeo ya namba na mipaka ya tafsiri katika maelezo haya ya Verianla yanategemea utafiti wa chanzo uliochunguzwa. Ukaguzi wa nje wa bibliografia ulitumika tu kuthibitisha utambulisho wa uchapishaji na hali ya mapitio; hakuna matokeo mapya ya majaribio, thamani mpya ya utendaji au utaratibu wa kisayansi usiopatikana katika chanzo ulioongezwa kwenye maandishi makuu.