Ин таҳқиқот дар як ҳавопаймои сабуки комилан барқӣ, ки батарея ва ҳуҷайраи сӯзишвории гидрогениро якҷо истифода мебарад, маҳдуд будани миқдори гидрогени қобили интиқол дар ҳавопайморо мустақиман ба алгоритми идоракунии энергия дохил мекунад. Муҳаққиқон се равишро, ки ба стратегияи каминасозии истеъмоли эквивалентӣ (Equivalent Consumption Minimisation Strategy, ECMS) асос ёфтаанд, муқоиса кардаанд: усуле, ки миқдори гидрогенро бемаҳдуд мешуморад, усули ҳадди собити сӯзишворӣ ва равиши нави “depletion-aware”, ки бо кам шудани гидроген истифодаи батареяро ба таври назоратшаванда зиёд мекунад. Дар моделсозӣ ва санҷиши dSPACE software-in-the-loop дар профили вазифаи 6650 сония, равиши сӯзишвории бемаҳдуд 4,65 kg гидроген сарф карда, аз ҳадди дастраси 4,05 kg ба андозаи %14,81 гузаштааст, дар ҳоле ки ду усули дигар истеъмолро дар 4,05 kg маҳдуд кардаанд. Бартарии асосии равиши depletion-aware он аст, ки ба ҷойи ногаҳон хомӯш кардани ҳуҷайраи сӯзишворӣ дар нуқтаи ҳад, бо кам шудани гидроген тақсимоти қувваро тадриҷан ба самти батарея мегузаронад. Натиҷаҳо санҷиши воқеии парвоз нестанд, балки модели ҳисоббарорӣ ва санҷиши идоракунии real-time software-in-the-loop мебошанд.

Натиҷаҳои таҳқиқот нишон медиҳанд, ки моделсозии ҳуҷайраи сӯзишвории ҳавопаймо ҳамчун манбаи амалан бемаҳдуди энергия метавонад аз нуқтаи назари банақшагирии вазифа хатои муҳим ба вуҷуд орад. Иқтидори умумии гидрогени зарфи тарҳрезишуда 4,50 kg аст; бо сабаби талаботи бехатарӣ ва истифодаи зарф %10-и он истифода нашуда монда, миқдори гидрогени дастраси ҳуҷайраи сӯзишворӣ 4,05 kg қабул шудааст. Идоракунии энергияе, ки ҳадди гидрогенро намебинад, барои анҷом додани вазифа боз 0,60 kg гидроген талаб мекунад. Азбаски дар вақти парвоз дубора сӯзишворӣ пур кардан мумкин нест, муҳаққиқон ин равишро воқеӣ намешуморанд.

Ҳар ду усули собит-лимит ва depletion-aware, ки ба ҳадди сӯзишворӣ риоя мекунанд, вазифаро бо истифодаи 4,05 kg гидроген анҷом медиҳанд; аммо арзиши ин мувофиқат истифодаи бештари батарея аст. Дар охири вазифа ҳолати заряднокии батарея дар равиши сӯзишвории бемаҳдуд %84,67, дар усули собит-лимит %52,45 ва дар усули depletion-aware %52,35 буд. Аз ин рӯ, таҳқиқот нишон намедиҳад, ки усули depletion-aware роҳи ҳалли универсалии «каммасрафтар» аст; он нишон медиҳад, ки ҳангоми риояи миқдори маҳдуди гидроген гузариш байни ҳуҷайраи сӯзишворӣ ва батареяро назоратшавандатар мекунад.

Аз нуқтаи назари Туркия: Ин таҳқиқот усуле пешниҳод мекунад, ки нишон медиҳад дар таҳқиқот, прототипсозӣ ё лоиҳаҳои ояндаи таксии ҳавоӣ/ҳавопаймои сабук бо ҳуҷайраи сӯзишвории гидрогенӣ дар Туркия манбаи энергия бояд на танҳо аз ҷиҳати қувваи номиналӣ, балки аз ҷиҳати миқдори энергияи қобили интиқол дар тамоми вазифа низ ба алгоритми идоракунӣ дохил карда шавад. Аммо ҳавопаймои истифодашуда модели сабук барои то ду мусофир аст; интиқоли мустақими зарфи гидроген, профили вазифа, системаи қувва ва фарзияҳои захиравӣ ба як ҳавопаймои мушаххас дар Туркия мувофиқ нест. Бо профили маҳаллии вазифа, талаботи сертификатсия, шароити муҳит ва хусусиятҳои воқеии сахтафзор санҷиши дубора зарур аст.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Дар ҳавопаймои барқие, ки батарея ва ҳуҷайраи сӯзишвориро якҷо истифода мебарад, чӣ гуна тақсим кардани талаботи қувва байни ду манбаи энергия масъалаи муҳими идоракунӣ аст. Батарея метавонад ба тағйироти босуръати талаботи қувва ҷавоб диҳад, дар ҳоле ки ҳуҷайраи сӯзишворӣ бартарии таъмин кардани энергияро барои муддати дарозтар дорад. Аммо агар системаи идоракунии энергия танҳо ба самаранокии фаврии қувва диққат диҳад ва манбаи гидрогени ҳуҷайраи сӯзишвориро бемаҳдуд шуморад, вазифае, ки аз ҷиҳати математикӣ муваффақ менамояд, метавонад дар воқеъ аз миқдори гидрогени дар ҳавопаймо мавҷудбуда бештар талаб кунад.

Холигии адабиёти илмие, ки таҳқиқот ҳадаф гирифтааст, маҳз ҳамин аст. Ба гуфтаи муҳаққиқон, бисёр корҳои идоракунии энергия бо ҳуҷайраи сӯзишворӣ иқтидори энергетикии батарея ва ҳадҳои state-of-charge (SOC)-ро муфассал ба ҳисоб мегиранд, аммо ҳуҷайраи сӯзишвориро дар амал ҳамчун манбаи беинтиҳои энергия модел мекунанд. Дар нақлиёти роҳӣ имкони дубора пур кардани сӯзишворӣ ҳангоми кам шудани он метавонад ин равишро дар баъзе сенарияҳо қобили қабул гардонад; аммо азбаски ҳангоми парвоз пур кардани гидроген мумкин нест, сӯзишвории дар оғози вазифа бурдашуда бояд барои тамоми вазифа кифоя бошад.

Меъмории ҳавопаймои барқии баррасишуда чӣ гуна кор мекунад?

Системае, ки дар Манбаъ дар Расми 1 нишон дода шудааст, як ҳавопаймои сабуки комилан барқӣ барои то ду мусофирро ифода мекунад. Системаи қувваи барқӣ бар шинаи ҷараёни доимии 650 V сохта шудааст. Батарея ва ҳуҷайраи сӯзишворӣ як шинаи DC-ро таъмин мекунанд, аммо тарзи пайвастшавии онҳо фарқ мекунад.

• Батарея тавассути табдилдиҳандаи электроникаи қувваи дуҷониба ба шинаи DC пайваст шуда, ҳам заряд ва ҳам разряд шуда метавонад.
• Ҳуҷайраи сӯзишворӣ тавассути табдилдиҳандаи якҷонибаи баландкунанда ба ҳамон шинаи DC пайваст мешавад.
• Шинаи DC тавассути инвертери DC/AC муҳаррики барқии AC-ро, ки винтро мегардонад, таъмин мекунад.
• Системаҳои дуюмдараҷа, мисли авионика ва рӯшноӣ, тавассути табдилдиҳандаи алоҳидаи пасткунанда таъмин мешаванд.
• Болотар аз контроллерҳои маҳаллӣ контроллери глобалии идоракунии энергия ҷойгир аст, ки тақсимоти қувваро байни батарея ва ҳуҷайраи сӯзишворӣ муайян мекунад.

Ин меъморӣ дар таҳқиқот махсусан содда нигоҳ дошта шудааст. Ҳадаф моделсозии тамоми системаи барқии як ҳавопаймои тиҷоратии мушаххас нест, балки санҷидани равише мебошад, ки миқдори гидрогенро ба маҳдудияти фаъоли идоракунии энергия табдил медиҳад.

Профили вазифа кадом марҳилаҳои парвозро дар бар мегирад?

Дар Расми 2 талаботи нормализатсияшудаи қувва дар тӯли як вазифаи умумии 6650 сония муайян шудааст. Профил таксии баромад, парвозгирӣ, болоравӣ, парвози крейсерӣ, поёнравӣ, фуруд ва таксии воридшавиро дар бар мегирад. Парвозгирӣ ва болоравӣ қувваи баланд талаб мекунанд, дар крейсер талабот кам мешавад; дар марҳилаҳои поёнравӣ ва фуруд ба сатҳҳои пасттар мерасад.

Ин профили вазифа имкон медиҳад, ки идоракунии энергия на танҳо дар сарбории доимӣ, балки дар зери талаботи тағйирёбандаи қувва дар тамоми парвоз санҷида шавад. Бо вуҷуди ин, ин профил ягона сенарияи вазифаест, ки манбаъ фарз кардааст; масофа, шароити обу ҳаво, масир ё вазифаҳои фавқулода ба таври систематикӣ муқоиса нашудаанд.

Чаро ECMS истифода шуд?

Стратегияҳои идоракунии энергияро дар маҷмӯъ метавон ба усулҳои қоидабунёд, оптимизатсияи фаврӣ, оптимизатсияи глобалӣ ва усулҳои омӯзишбунёд ҷудо кард. Дар ин таҳқиқот, бо сабаби мувофиқ будан барои татбиқи real-time, равиши оптимизатсияи фаврӣ — Equivalent Consumption Minimisation Strategy (ECMS) — интихоб шудааст.

Ҳадафи ECMS он аст, ки истеъмоли гидрогени ҳуҷайраи сӯзишворӣ ва эквиваленти гидрогении энергияи аз батарея гирифташударо дар як функсияи ҳадаф муттаҳид карда, дар ҳар қадами вақт тақсимоти қувваеро пайдо кунад, ки истеъмоли эквивалентии камтаринро таъмин мекунад:

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

Дар ин ҷо \(C_{FC}\) истеъмоли гидрогени ҳуҷайраи сӯзишворӣ, \(C_{batt}\) истеъмоли эквивалентии энергияи истифодашуда аз батарея ва \(k\) омили эквивалентии вобаста ба ҳолати SOC-и батареяро ифода мекунад.

Омили эквивалентӣ дар манбаъ бо робитаи зерин муайян шудааст:

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

\(\mu\) собитест, ки муайян мекунад арзиши SOC то чӣ андоза ба омили эквивалентӣ таъсир мерасонад. Ҳамин тавр, энергияи боқимондаи батарея мустақиман ба қарори тақсимоти қувва дохил карда мешавад.

Истеъмоли гидрогени ҳуҷайраи сӯзишворӣ чӣ гуна модел мешавад?

Муҳаққиқон аввал каҷи поляризатсияи як ҳуҷайраи сӯзишвориро модел кардаанд. Шиддати ҳуҷайра бо тарҳ кардани талафоти омикӣ, фаъолсозӣ ва консентратсионӣ аз потенсиали Nernst ҳисоб мешавад:

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

Талафоти шиддати омикӣ:

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

ифода мешавад. Дар ин ҷо \(i\) зичии ҷараён ва \(r\) муқовимати ҳуҷайраро ифода мекунад. Талафоти фаъолсозӣ ба кинетикаи реаксия дар сатҳи электрод ва талафоти консентратсионӣ ба маҳдудияти интиқоли реагентҳо ба минтақаҳои реаксия дар ҷараёнҳои баланд вобаста аст.

Рафтори як ҳуҷайра баъдан тавассути шумораи ҳуҷайраҳо ва майдони фаъол ба сатҳи стек миқёс дода шудааст:

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

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

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

Арзиши тахминии самаранокии ҳуҷайраи сӯзишворӣ тавассути шиддати ҳуҷайра:

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

ба даст оварда мешавад.

Миқдори гидрогени зарурӣ дар оғози вазифа бо интегралгирии энергияи талабшуда аз ҳуҷайраи сӯзишворӣ дар тамоми вазифа бо назардошти самаранокӣ ҳисоб мешавад:

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

Бозхӯрде, ки навоварии асосиро ба идоракунии энергия меорад, ҳисобкунии пайвастаи гидрогени боқимонда дар тӯли вазифа аст:

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

Ҳамин тавр, алгоритми идоракунӣ на танҳо чӣ қадар қувва бояд аз ҳуҷайраи сӯзишворӣ талаб карда шавад, балки оё то охири вазифа барои тавлиди ин қувва гидрогени кофӣ боқӣ мемонад ё не, низ ба ҳисоб мегирад.

Система кадом ҳадҳои физикӣ ва истифодабариро риоя мекунад?

Идоракунии энергия танҳо барои ҳадафи оптимизатсия қувваро озодона тақсим намекунад. Дар манбаъ панҷ маҳдудияти асосӣ якҷо муайян шудаанд:

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

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

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

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

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

Ҳади охирин аз тағйири аз ҳад тези қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ байни қадамҳои вақт пешгирӣ мекунад. Дар модели манбаъ суръати тағйири қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ бо 5 kW/s маҳдуд шудааст. Аз ин рӯ, ҳуҷайраи сӯзишворӣ ба талаботи ногаҳонии қувва мисли батарея зуд ҷавоб дода наметавонад; дар гузаришҳои зуд батарея қисми бештари сарбориро мегирад.

Параметрҳои асосии модел кадомҳоянд?

Дар оғози модел барои батарея ҳадди минималии SOC-и %75 ҳадаф гирифта мешавад. Бо вуҷуди ин, дар шароите мисли тамом шудани гидроген алгоритми depletion-aware ин ҳади поёниро ба таври назоратшаванда паст карда, имкон медиҳад қисми бештари энергияи батарея, ки одатан ҳамчун захира нигоҳ дошта мешавад, истифода шавад. Аз ин рӯ, арзишҳои тақрибан %52 SOC дар охири вазифа дар натиҷаҳо хатои ченкунӣ нестанд, ки ба ҳади муқаррарии ибтидоии %75 мухолиф бошанд; истифодаи захираи энергия дар сенарияи норасоии сӯзишворӣ қисми алгоритм аст.

Фарқи се усули идоракунии гидроген чист?

1. Равиши гидрогени бемаҳдуд

Дар усули аввал зарфи гидроген дар амал ҳамчун манбаи беинтиҳои энергия қабул мешавад. Алгоритми идоракунӣ тақсимоти қувваро байни ҳуҷайраи сӯзишворӣ ва батарея оптимизатсия мекунад, аммо маълумоти воқеии миқдори гидрогени боқимонда дар зарфро ба ҳалқаи қарор ҳамчун бозхӯрд ворид намекунад. Ин усул метавонад истифодаи гидрогенро мушоҳида кунад, аммо миқдори гидроген маҳдудияти фаъоли оптимизатсия нест.

2. Ҳади собити сӯзишворӣ

Дар усули дуюм барои гидрогени дастраси истифода ҳади қатъӣ гузошта мешавад. Вақте ба сатҳи %10, ки барои бехатарӣ дар зарф нигоҳ дошта мешавад, мерасад, ҳуҷайраи сӯзишворӣ хомӯш шуда, талаботи боқимондаи қувваро батарея бар дӯш мегирад. Равиш ба ҳади гидроген риоя мекунад, аммо тавлиди қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ метавонад дар нуқтаи ҳад ногаҳон қатъ шавад.

3. Равиши Depletion-aware

Дар усули нави depletion-aware система танҳо ба он нигоҳ намекунад, ки гидроген тамом шудааст ё не; он пешакӣ наздик шудани миқдори сӯзишвориро ба ҳади тамомшавӣ ба ҳисоб мегирад. Вақте гидрогени боқимонда ба %30 мерасад, ҳади минималии SOC-и батарея ва омили эквивалентии ECMS дар марҳилаи аввал кам карда мешаванд. Вақте гидроген аз %20 паст мешавад, камкунии дуюм анҷом дода мешавад. Дар сатҳи %10 бошад, ба ҳади гидрогени дастраси ҳуҷайраи сӯзишворӣ расида мешавад.

Ин равиш ҳадаф дорад, ки бо кам шудани гидроген масъулияти бештарро ба батарея дода, тавлиди қувваи ҳуҷайраи сӯзишвориро ба таври назоратшаванда кам кунад. Дар манбаъ се остона танҳо барои нишон додани усул интихоб шудаанд; муаллифон қайд мекунанд, ки истифодаи нуқтаҳои гузариши бештар метавонад истеъмоли гидрогенро ҳамвортар кунад, аммо ҳисобҳои идоракуниро мураккаб месозад.

Усули бемаҳдуд 4,65 kg гидроген истеъмол мекунад. Азбаски миқдори гидрогени дастраси истифода 4,05 kg аст, 0,60 kg иловагии талабшуда тақрибан ба %14,81-и миқдори дастраси истифода баробар аст. Усулҳои собит-лимит ва depletion-aware истеъмолро дар 4,05 kg нигоҳ медоранд.

Санҷиши dSPACE чиро исбот мекунад?

Стратегияи идоракунии энергия аввал дар муҳити MATLAB/Simulink R2023b татбиқ шуда, баъдан бо истифода аз dSPACE ControlDesk 2022-B ба санҷиши software-in-the-loop (SIL) гузаронида шудааст. Дар тартибе, ки дар Манбаъ дар Расми 7 ва Расми 8 нишон дода шудааст, системаи қувваи барқӣ ва моделҳои андозагирӣ дар DS1006, алгоритми идоракунии энергия дар DS1104 иҷро шудаанд. Ду корти идоракунӣ бо сигналҳои аналогӣ ва рақамӣ ба ҳам пайваст шудаанд.

Компилятсияи коди идоракунӣ ба забони C ва иҷрои он дар муҳити дигари real-time месанҷад, ки алгоритм танҳо рафтори хоси ҳалкунандаи Simulink-ро нишон намедиҳад ва ҳисобҳои идоракунӣ метавонанд дар real-time татбиқ шаванд. Манбаъ хабар медиҳад, ки натиҷаҳои dSPACE бо натиҷаҳои Simulink мувофиқанд.

Бо вуҷуди ин, ин санҷиш санҷиши воқеии парвоз ё санҷиши сахтафзории прототипи физикии ҳавопаймои ҳуҷайраи сӯзишворӣ–батарея нест. Software-in-the-loop рафтори нармафзори идоракуниро дар муҳити ҳисоббарории real-time месанҷад; аз ин таҷриба бехатарии воқеии ҳавопаймо, рафтори гармӣ, мутобиқати электромагнитӣ, сертификатсия ё эътимоднокии дарозмуддати сахтафзорро хулоса кардан мумкин нест.

Натиҷаҳои SOC-и батарея чиро нишон медиҳанд?

Равиши гидрогени бемаҳдуд вазифаро бо SOC-и батареяи %84,67 анҷом медиҳад. Дар усули собит-лимит, ки ба ҳади сӯзишворӣ риоя мекунад, SOC-и охири вазифа %52,45 ва дар равиши depletion-aware %52,35 аст. Азбаски ду усули маҳдуд барои кам кардани истеъмоли гидроген қисми бештари вазифаро ба батарея мегузаронанд, энергияи батарея дар охири вазифа ба таври назаррас пасттар аст.

Манбаъ қайд мекунад, ки равишҳои маҳдуд дар тӯли вазифаи 6650 сония нисбат ба усули сӯзишвории бемаҳдуд тақрибан 32,3 банди фоизӣ бештар SOC-и батарея истифода кардаанд. Ин натиҷа як мувозинати муҳимро нишон медиҳад: риоя кардани иқтидори воқеии зарфи гидроген истифодаи бештари захираи батареяро талаб мекунад.

Оё усули depletion-aware аз ҷиҳати батарея воқеан беҳтар аст?

Бартарии асосии равиши depletion-aware нисбат ба ҳади собит SOC-и охири вазифа нест; арзишҳои ниҳоии SOC-и ду усул тақрибан яксонанд: %52,45 ва %52,35. Фарқ дар тарзи гузариш байни манбаъҳои қувва ва тақсимоти истифодаи батарея дар тӯли вазифа зоҳир мешавад.

Манбаъ дар Ҷадвали 2 арзиши SOC throughput-и батареяро барои собит-лимит 1,3957 ва барои depletion-aware 1,3882 медиҳад. Нишондиҳандаи degradation cost-и батарея мутаносибан %0,00424 ва %0,00403 аст. Таъсири тахминии умри батарея, ки муаллифон бо истифода аз равиши unconstrained ҳамчун истинод таҳия кардаанд, барои собит-лимит 160 ва барои depletion-aware 147 дода шудааст.

Ибораи қисми натиҷаҳои манбаъ — «равиши depletion-aware %13 камтар battery depletion нишон дод» — бояд бо эҳтиёт хонда шавад. Фарқи арзишҳои 160 ва 147 дар Ҷадвали 2 13 банди фоизӣ аст. Аз ин рӯ, тафсири мустақими арзиши 13 ҳамчун коҳиши нисбии %13 нисбат ба усули собит-лимит аз ҷиҳати математикӣ ягона маънои имконпазир нест. Хулосаи бехатартаре, ки манбаъ дастгирӣ мекунад, ин аст, ки усули depletion-aware ҳангоми риояи ҳамон ҳади гидроген нисбат ба усули собит-лимит нишондиҳандаи каме пасттари battery degradation ва SOC throughput медиҳад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• ECMS, ки ҳуҷайраи сӯзишвориро манбаи бемаҳдуди энергия мешуморад, дар вазифаи баррасишуда аз миқдори гидрогени дастраси истифода %14,81 бештар гидроген талаб мекунад.
• Равишҳои собит-лимит ва depletion-aware истифодаи гидрогенро дар ҳади дастраси 4,05 kg нигоҳ медоранд.
• Дар равиши собит-лимит ҳангоми расидан ба ҳади сӯзишворӣ ҳуҷайраи сӯзишворӣ хомӯш шуда, талаботи қувва ба батарея мегузарад.
• Усули depletion-aware ҳангоми наздик шудани гидроген ба остонаҳои %30 ва %20 ҳади SOC ва омили эквивалентиро тағйир дода, батареяро барвақттар ба кор медарорад.
• Усули depletion-aware гузариш аз ҳуҷайраи сӯзишворӣ ба танҳо батареяро нисбат ба усули ҳади собит тадриҷитар мекунад.
• Ҳар ду равиши маҳдуд ба сӯзишворӣ нисбат ба усули гидрогени бемаҳдуд ба таври назаррас бештар энергияи батарея истифода мебаранд.
• Стратегияи идоракунӣ мутобиқ ба натиҷаҳои MATLAB/Simulink дар муҳити dSPACE software-in-the-loop дар real-time иҷро шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ ё санҷиш накардааст

• Нишон дода нашудааст, ки усули depletion-aware бехатарии парвозро дар ҳавопаймои воқеии барқӣ исбот кардааст.
• Равиш дар парвози воқеӣ, бо зарфи физикии гидроген ё дар сахтафзори пурраи ҳавопаймо санҷида нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки андозаи зарфи гидроген оптималӣ аст; оптимизатсияи андозаи зарф берун аз доираи таҳқиқот аст.
• Барои параметрҳои идоракунии энергия таҳлили фарогири ҳассосият анҷом дода нашудааст.
• Рафтори муфассали гармии ҳуҷайраи сӯзишворӣ ва батарея дар тӯли вазифа модел нашудааст.
• Бо таҷриба нишон дода нашудааст, ки равиши depletion-aware аз predictive ECMS, model predictive control ё ҳама усулҳои омӯзишбунёд беҳтар аст.
• Исбот нашудааст, ки натиҷаҳои модели ҳавопаймои сабуки дунафарӣ метавонанд бо ҳамон арзишҳои ададӣ ба ҳавопаймоҳои калони мусофирбар миқёс дода шаванд.
• Як профили вазифа ҳамаи масирҳои воқеии парвоз, шароити обу ҳаво, сенарияҳои diversion ё ҳолатҳои фавқулодаро ифода намекунад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Андозагирии ҳуҷайраи сӯзишворӣ ва модели истеъмол

Модели ҳуҷайраи сӯзишворӣ аз каҷи поляризатсияи як ҳуҷайра ба сатҳи стек миқёс дода шудааст. Бо зиёд шудани зичии ҷараёни ҳуҷайра шиддат бо сабаби талафоти фаъолсозӣ, омикӣ ва консентратсионӣ паст мешавад. Дар манбаъ Расми 4 ин каҷи хоси поляризатсияро нишон медиҳад.

Бо зиёд шудани қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ истеъмоли гидроген низ зиёд мешавад. Хусусан ҳангоми наздик шудан ба қувваи максималӣ, бо сабаби талафоти консентратсионӣ, афзоиши истеъмол метавонад аз афзоиши қувва тезтар шавад, ки дар Расми 5 нишон дода шудааст. Функсияи истеъмол, ки дар идоракунии энергия истифода шудааст, бо робитаи дараҷаи дуюм ифода мешавад:

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

Дар ин ҷо \(a\), \(b\) ва \(c\) коэффисиентҳое мебошанд, ки аз каҷи қувва–истеъмоли гидрогени ҳуҷайраи сӯзишворӣ гирифта шудаанд.

Истеъмоли эквивалентии батарея

Самаранокии заряд ва разряди батарея алоҳида ба ҳисоб гирифта шудааст. Истеъмоли энергияи батарея ба эквиваленти гидроген табдил дода шуда, бо истеъмоли ҳуҷайраи сӯзишворӣ дар ҳамон функсияи ҳадафи ECMS муқоиса шудааст:

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

Ҳамин тавр, алгоритм метавонад на танҳо натиҷаҳои барқии таъмин кардани як киловатт қувва аз батарея ё ҳуҷайраи сӯзишворӣ, балки истеъмоли эквивалентии энергияро низ арзёбӣ кунад.

Захираи гидроген ва сӯзишвории дастраси истифода

Дар модел иқтидори умумии зарфи гидроген 4,50 kg аст. Муҳаққиқон бо сабабҳои бехатарии вобаста ба фишордиҳӣ ва назорати ҳарорат талаб кардаанд, ки тақрибан %10 гидроген дар зарф боқӣ монад. Аз ин рӯ, миқдори гидрогене, ки ҳуҷайраи сӯзишворӣ дар тӯли вазифа иҷозаи истеъмол дорад:

4,05 kg

муайян шудааст.

Азбаски равиши сӯзишвории бемаҳдуд дар охири вазифа 4,65 kg талаб мекунад, он аз миқдори тарҳрезишудаи дастраси истифода 0,60 kg бештар аст. Бо дарназардошти он ки зарфи умумии ҳавопаймо 4,50 kg аст, ин усул талаботи вазифаеро ба вуҷуд меорад, ки на танҳо аз сӯзишвории дастраси истифода, балки аз иқтидори физикии ибтидоии зарф низ зиёдтар аст.

Натиҷаҳои миқдории се равиш

Муҳимтарин натиҷаи ҷадвал ин аст, ки ягон усул дар ҳамаи метрикаҳо бартарӣ надорад. Равиши гидрогени бемаҳдуд аз ҷиҳати батарея нишондиҳандаҳои пасттарини degradation-ро медиҳад, аммо ҳади гидрогени дар ҳавопаймо мавҷудбударо вайрон мекунад. Равишҳои собит-лимит ва depletion-aware ба ҳади гидроген риоя мекунанд; дар иваз батарея шадидтар истифода мешавад. Равиши depletion-aware бошад, ҳангоми истеъмоли ҳамон миқдори гидроген ҳамчун собит-лимит дар нишондиҳандаҳои battery degradation cost ва SOC throughput бартарии хурд медиҳад.

Расми 9: Истеъмоли гидроген чиро нишон медиҳад?

Дар Расми 9 се усул дар қисми аввали калони вазифа каҷҳои истеъмоли гидрогени ба ҳам наздикро пайгирӣ мекунанд. Дар қисми баъдии вазифа равиши бемаҳдуд аз ҳади дастраси 4,05 kg боло рафтанро идома дода, тақрибан ба 4,65 kg мерасад. Каҷи усули собит-лимит дар 4,05 kg ҳамвор мешавад. Дар усули depletion-aware дида мешавад, ки суръати истеъмоли гидроген пеш аз расидан ба ҳад ба таври назоратшаванда кам мешавад.

Ин график нишон намедиҳад, ки depletion-aware нисбат ба усули собит-лимит гидрогени умумии камтар истеъмол мекунад; ҳар ду дар охири вазифа 4,05 kg истеъмол мекунанд. Фарқ дар он аст, ки гидроген дар тӯли вазифа бо чӣ суръат истифода мешавад ва гузариш ба батарея чӣ гуна анҷом дода мешавад.

Расми 10: SOC-и батарея чиро нишон медиҳад?

Дар графики SOC-и батарея се усул дар оғоз рафтори монанд доранд. Усули гидрогени бемаҳдуд, азбаски ба энергияи бештари ҳуҷайраи сӯзишворӣ дастрасӣ дорад, то охири вазифа тақрибан дар SOC-и %84,67 мемонад. Дар равиши собит-лимит вақте ҳади гидроген тақрибан дар 5157 сония расида мешавад, SOC-и батарея зуд паст шудан мегирад.

Дар усули depletion-aware батарея барвақттар ва тадриҷан ба кор дароварда мешавад, аз ин рӯ SOC дар фосилаи дарозтари вақт коҳиш меёбад. Дар охири вазифа depletion-aware %52,35 ва собит-лимит %52,45 SOC нишон медиҳад. Пас, фоидаи depletion-aware дар он нест, ки дар охири вазифа энергияи бештари батарея боқӣ мегузорад.

Расми 11: Чаро қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ муҳим аст?

Расми 11 қувваи нормализатсияшудаеро нишон медиҳад, ки алгоритми идоракунии энергия аз ҳуҷайраи сӯзишворӣ талаб мекунад. Дар усули depletion-aware тақрибан дар атрофи 4500 сония дар натиҷаҳои dSPACE ларзишҳои қувва ба вуҷуд омадаанд. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки ин садо дар натиҷаҳои Simulink вуҷуд надошт ва метавонад ба тағйироти талаботи қувва дар муҳити dSPACE вобаста бошад.

Коҳиш додани қадами вақт метавонад садоро кам кунад; аммо барои нигоҳ доштани кори real-time ҳадди амалӣ вуҷуд дорад, ки қадами вақт то чӣ андоза метавонад хурд карда шавад. Ин бозёфт нишон медиҳад, ки алгоритм ҳанӯз дар марҳилаи ниҳоии оптимизатсия нест ва параметрҳои идоракунии real-time дар оянда бояд беҳтар карда шаванд.

Маҳдудияти ҳисобкунии battery degradation

Арзиши battery degradation дар таҳқиқот танҳо барои муқоиса бо муодилаҳои аз робитаҳои таҷрибавӣ гирифташуда ҳисоб шудааст. Манбаъ ин натиҷаҳоро ҳамчун ченкунии мустақими умри воқеии батарея пешниҳод намекунад. Бо истифода аз иқтидори батарея, сарбории қувва ва умри даврӣ барои як вазифа нишондиҳандаи degradation сохта шудааст.

Аз ин рӯ, аз арзишҳои Ҷадвали 2 муайян кардан мумкин нест, ки умри воқеии хизмати як батареяи мушаххас чанд сол ё чанд парвоз хоҳад буд. Пиршавии гармӣ, рафтори муфассали химияи ҳуҷайра ва санҷишҳои физикии дарозмуддати даврӣ мавзӯи ин таҳқиқот нестанд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Ба ҷойи қабул кардани ҳуҷайраи сӯзишворӣ ҳамчун манбаи бемаҳдуди энергия, миқдори воқеии сӯзишвории вазифаро ба ҳалқаи идоракунӣ дохил мекунад.
• SOC-и батарея, қувваи батарея, қувваи ҳуҷайраи сӯзишворӣ, миқдори гидроген ва ҳадҳои slew rate-и ҳуҷайраи сӯзишвориро якҷо баррасӣ мекунад.
• Се стратегияи истифодаи гидрогенро дар ҳамон вазифа ва система мустақиман муқоиса мекунад.
• Дар баробари модели MATLAB/Simulink санҷиши иҷрои real-time-и dSPACE software-in-the-loop-ро пешниҳод мекунад.
• Мантиқи равшан ва миқёспазири идоракуниро пешниҳод мекунад, ки бо кам шудани сӯзишворӣ тақсимоти қувваро тағйир медиҳад.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Барои параметрҳо таҳлили фарогири ҳассосият анҷом дода нашудааст.
• Омили эквивалентии ECMS пешакӣ муайян шудааст; арзишҳои алтернативӣ ба таври систематикӣ оптимизатсия нашудаанд.
• Гарчанде ҳадҳои гармӣ дар андозагирӣ ба ҳисоб гирифта шудаанд, модели фарогири гармӣ, ки дар тӯли вазифа кор кунад, вуҷуд надорад.
• Танҳо равиши асосёфта ба ECMS муфассал таҳқиқ шудааст.
• Оптимизатсияи андозаи зарфи гидроген берун аз доираи таҳқиқот аст.
• Андозаҳои гуногуни ҳавопаймо ба таври фарогир омӯхта нашудаанд.
• Гарчанде усул дар ҳавопаймои хурдтар санҷида шудааст, ин танҳо шумораи ҳуҷайраҳои сӯзишворӣ ва батареяҳоро кам кардааст; миқёсҳои гуногуни ҷузъҳо ба таври систематикӣ таҳқиқ нашудаанд.
• Дар усули depletion-aware танҳо се остонаи гидроген истифода шудааст.
• Санҷиши dSPACE дар сатҳи software-in-the-loop аст; санҷиши воқеии парвоз ё системаи пурраи физикии қувва нест.

Аҳамияти илмӣ ва амалӣ

Саҳми асосии таҳқиқот таҳияи химияи нави ҳуҷайраи сӯзишворӣ ё муҳаррики нави ҳавопаймо нест. Саҳм дар тағйир додани формулировкаи масъалаи идоракунии энергия дар ҳавопаймо аст: гидроген танҳо тағйирёбандае нест, ки истеъмолаш бояд камина шавад, балки захираи энергияест, ки миқдораш дар тамоми вазифа маҳдуд аст ва бояд дар real-time пайгирӣ шавад.

Ин равиш махсусан барои ҳавопаймоҳои барқие муҳим аст, ки аз якчанд манбаи энергия истифода мекунанд. Системаи идоракунӣ метавонад ба ҷойи танҳо пас аз тамом шудани сӯзишворӣ вокуниш нишон додан, норасоии наздикшавандаи энергияро пешакӣ ба ҳисоб гирад. Аммо фоидаи бехатарии он дар ҳавопаймои воқеӣ бояд дар сахтафзори физикӣ ва шароити парвоз алоҳида санҷида шавад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Energy Management Strategy Under Fuel Constraints for Battery–Fuel Cell-Powered All-Electric Aircraft

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

Тартиби муаллифон: Тартиби манбаъ бетағйир нигоҳ дошта шудааст.

Саҳми баробар/муаллифи аввалини баробар: Дар манбаъ чунин изҳорот вуҷуд надорад.

Муаллифони масъул: Ayesha R. E. Wise ва Sharmila Sumsurooah.

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

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии рецензияшуда, ки моделсозии ҳисоббарорӣ, таҳияи алгоритми идоракунӣ ва санҷиши software-in-the-loop-ро дар бар мегирад.

Маҷалла: Aerospace

Ношир: MDPI

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 13(7), 641

Санаи нашр: 15 июли 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070641

Пайванди расмии нашр: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/641

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

Ҳолати рецензия: Таҳқиқот мақолаи илмии дар маҷаллаи рецензияшудаи Aerospace нашршуда мебошад.

Иҷозатнома: Иҷозатномаи дастрасии кушоди Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот маблағгузории беруна нагирифтааст.

Дастрасии маълумот: Зикр шудааст, ки маълумоти дар таҳқиқот пешниҳодшударо бо сабаби махфият аз муаллифи масъул бо дархост гирифтан мумкин аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон бархӯрди манфиатҳоро эълон накардаанд.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия Ayesha R. E. Wise ва Serhiy Bozhko; методология Ayesha R. E. Wise; нармафзор Ayesha R. E. Wise ва Seang Yeoh; санҷиш Ayesha R. E. Wise ва Seang Yeoh; таҳлили формалӣ ва таҳқиқ Ayesha R. E. Wise; захираҳо Serhiy Bozhko; куратсияи маълумот ва лоиҳаи аввал Ayesha R. E. Wise; баррасӣ ва таҳрир Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko ва Seang Yeoh; визуализатсия Ayesha R. E. Wise; назорат Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko ва Seang Yeoh; идоракунии лоиҳа ва дарёфти маблағгузорӣ аз ҷониби Serhiy Bozhko анҷом дода шудааст.

Сатҳи санҷиш: Стратегияҳои идоракунии энергия дар муҳити MATLAB/Simulink R2023b модел шуда, бо истифода аз dSPACE ControlDesk 2022-B дар тартиби software-in-the-loop санҷида шудаанд. Системаи қувваи барқӣ ва моделҳои андозагирӣ дар DS1006, контроллери идоракунии энергия дар DS1104 иҷро шудаанд. Ин усул санҷиши воқеии парвоз ё санҷиши пурраи физикии сахтафзори ҳавопаймо нест.

Ёддошти тафсири фоиз дар дохили манбаъ: Дар бахши натиҷаҳо барои усули depletion-aware нисбат ба усули собит-лимит ибораи «%13 камтар battery depletion» истифода шудааст. Дар Ҷадвали 2 арзишҳои дахлдори тахминии таъсир ба умри батарея 160 ва 147 мебошанд; фарқ 13 банди фоизӣ аст. Нишондиҳандаҳои мустақими degradation cost дар ҳамон ҷадвал %0,00424 ва %0,00403 мебошанд. Аз ин рӯ, ибораи «%13» ҳамчун як коҳиши нисбии фоизии ягонамаъно бозтафсир нашуда, арзишҳои миқдории дохили манбаъ алоҳида дода шудаанд.

Ҳади илмӣ: Таҳқиқот модели ҳавопаймои сабуки комилан барқӣ барои то ду мусофир ва профили фарзии вазифаи 6650 сонияро арзёбӣ мекунад. Андозагирии оптималии зарфи гидроген, модели муфассали гармӣ дар тӯли вазифа, ҳассосияти фарогири параметрҳо, муқоисаи пурраи синфҳои гуногуни идоракунии энергия ва санҷиши воқеии парвоз анҷом дода нашудаанд. Ин таҳқиқот исбот намекунад, ки усули depletion-aware метавонад бо ҳамон параметрҳо мустақиман ба ҳавопаймоҳои калони тиҷоратӣ интиқол дода шавад.

Усули тавлиди мундариҷа: Усулҳои илмӣ, муодилаҳо, натиҷаҳои ададӣ ва ҳадҳои тафсир дар ин шарҳи Verianla ба таҳқиқоти манбаи баррасишуда асос ёфтаанд. Санҷиши берунии библиографӣ танҳо барои тасдиқи шахсияти нашр ва ҳолати рецензия истифода шудааст; аз манбаъҳои беруна натиҷаи нави таҷрибавӣ, арзиши нави иҷро ё механизми илмии дар манбаъ набуда ба матни асосӣ илова нашудааст.