Ushbu tadqiqot batareya va vodorod yoqilg‘i elementidan birgalikda foydalanadigan to‘liq elektr yengil havo kemasida samolyotda tashish mumkin bo‘lgan vodorod miqdori cheklanganligini energiyani boshqarish algoritmiga bevosita kiritadi. Tadqiqotchilar ekvivalent sarfni minimallashtirish strategiyasiga (Equivalent Consumption Minimisation Strategy, ECMS) asoslangan uchta yondashuvni taqqosladilar: vodorod miqdorini cheksiz deb qabul qiladigan usul, qat’iy yoqilg‘i chegarasi usuli va vodorod kamaygani sari batareyadan foydalanishni nazoratli ravishda oshiradigan yangi “depletion-aware” yondashuvi. 6650 soniyalik missiya profili bo‘yicha modellashtirish va dSPACE software-in-the-loop tekshiruvida cheksiz yoqilg‘i yondashuvi 4,65 kg vodorod sarflab, foydalanish mumkin bo‘lgan 4,05 kg chegaradan %14,81 oshgan, qolgan ikki usul esa sarfni 4,05 kg bilan cheklagan. Depletion-aware yondashuvining asosiy afzalligi yoqilg‘i elementini chegara nuqtasida to‘satdan o‘chirib qo‘yish o‘rniga, vodorod kamaygani sari quvvat taqsimotini bosqichma-bosqich batareya tomon siljitishidir. Natijalar haqiqiy parvoz sinovi emas, balki hisoblash modeli va real vaqt software-in-the-loop boshqaruv tekshiruvidir.

Tadqiqot natijalari samolyotdagi yoqilg‘i elementini amalda cheksiz energiya manbai sifatida modellashtirish missiyani rejalashtirish nuqtai nazaridan jiddiy xatoga olib kelishi mumkinligini ko‘rsatadi. Loyihalangan bakning umumiy vodorod sig‘imi 4,50 kg; xavfsizlik va bakni ishlatish talablari sababli uning %10 qismi ishlatilmay qoldirilgan va yoqilg‘i elementi uchun foydalanish mumkin bo‘lgan vodorod miqdori 4,05 kg deb qabul qilingan. Vodorod chegarasini ko‘rmaydigan energiyani boshqarish missiyani tugatish uchun bundan tashqari yana 0,60 kg vodorod talab qiladi. Parvoz vaqtida qayta yoqilg‘i quyish imkoni bo‘lmagani uchun bu yondashuv tadqiqotchilar tomonidan realistik deb topilmagan.

Yoqilg‘i chegarasiga rioya qiladigan qat’iy-limit va depletion-aware usullarining ikkalasi ham missiyani 4,05 kg vodorod ishlatib yakunlaydi; biroq buning evaziga batareyadan ko‘proq foydalaniladi. Missiya oxirida batareyaning zaryad holati cheksiz yoqilg‘i yondashuvida %84,67 bo‘lgan bo‘lsa, qat’iy-limit usulida %52,45 va depletion-aware usulida %52,35 bo‘lgan. Shu sababli tadqiqot depletion-aware usuli “kamroq energiya sarflaydigan” universal yechim ekanini emas, balki cheklangan vodorod miqdoriga rioya qilgan holda yoqilg‘i elementi bilan batareya o‘rtasidagi o‘tishni yanada nazoratli qilganini ko‘rsatadi.

Turkiya nuqtai nazaridan: Ushbu tadqiqot vodorod yoqilg‘i elementli elektr havo kemalarining Turkiyadagi kelajakdagi tadqiqot, prototiplash yoki havo taksisi/yengil havo kemasi loyihalarida energiya manbaini faqat nominal quvvat nuqtai nazaridan emas, balki missiya davomida tashish mumkin bo‘lgan energiya miqdori nuqtai nazaridan ham boshqaruv algoritmiga kiritish kerakligini ko‘rsatadigan usulni taklif etadi. Biroq foydalanilgan havo kemasi ikki yo‘lovchigacha mo‘ljallangan yengil modeldir; vodorod baki, missiya profili, quvvat tizimi va zaxira farazlarini Turkiyadagi muayyan havo kemasiga bevosita ko‘chirish to‘g‘ri emas. Mahalliy missiya profili, sertifikatlash talablari, atrof-muhit sharoitlari va haqiqiy uskuna xususiyatlari bilan qayta tekshirish zarur.

Tadqiqotning asosiy muammosi nima?

Batareya bilan yoqilg‘i elementidan birgalikda foydalanadigan elektr havo kemasida ikki energiya manbai quvvat talabini qanday bo‘lishishi muhim boshqaruv muammosidir. Batareya quvvat talabidagi tez o‘zgarishlarga javob bera oladi, yoqilg‘i elementi esa uzoqroq muddat energiya ta’minlash afzalligiga ega. Biroq energiyani boshqarish tizimi faqat joriy quvvat samaradorligiga e’tibor qaratsa va yoqilg‘i elementining vodorod manbasini cheksiz deb qabul qilsa, matematik jihatdan muvaffaqiyatli ko‘ringan missiya amalda samolyotda tashilganidan ko‘proq vodorod talab qilishi mumkin.

Tadqiqot nishonga olgan adabiyotdagi bo‘shliq aynan shudir. Tadqiqotchilarning fikricha, yoqilg‘i elementli energiyani boshqarish bo‘yicha ko‘plab ishlar batareyaning energiya sig‘imi va state-of-charge (SOC) chegaralarini batafsil hisobga oladi, biroq yoqilg‘i elementini amalda cheksiz energiya manbai sifatida modellashtiradi. Yo‘l transportida yoqilg‘i kamayganda qayta yoqilg‘i quyish mumkinligi bu yondashuvni ayrim ssenariylarda qabul qilinadigan qilishi mumkin; ammo parvoz vaqtida vodorod to‘ldirish mumkin bo‘lmagani uchun havo kemalarida missiya boshida olib chiqilgan yoqilg‘i butun missiyaga yetishi shart.

Ko‘rib chiqilgan elektr samolyoti arxitekturasi qanday ishlaydi?

Manbada 1-rasmda ko‘rsatilgan tizim ikki yo‘lovchigacha mo‘ljallangan yengil, to‘liq elektr havo kemasini ifodalaydi. Elektr quvvat tizimi 650 V doimiy tok shinasi asosida qurilgan. Batareya va yoqilg‘i elementi bir xil DC shinani oziqlantiradi, biroq ulanish usullari farqlidir.

• Batareya ikki yo‘nalishli quvvat elektronikasi o‘zgartirgichi orqali DC shinaga ulanadi va ham zaryadlanishi, ham razryadlanishi mumkin.
• Yoqilg‘i elementi bir yo‘nalishli kuchaytiruvchi o‘zgartirgich orqali shu DC shinaga ulanadi.
• DC shina DC/AC inverter orqali parrakni aylantiradigan AC elektr dvigatelini oziqlantiradi.
• Avionika va yoritish kabi ikkilamchi tizimlar alohida pasaytiruvchi o‘zgartirgich orqali ta’minlanadi.
• Mahalliy kontrollerlar ustida batareya bilan yoqilg‘i elementi o‘rtasidagi quvvat taqsimotini belgilaydigan global energiyani boshqarish kontrolleri mavjud.

Bu arxitektura tadqiqotda ataylab sodda saqlangan. Maqsad muayyan tijoriy samolyotning to‘liq elektr tizimini modellashtirish emas, balki vodorod miqdorini energiyani boshqarishning faol chekloviga aylantiradigan yondashuvni sinashdir.

Missiya profili qaysi parvoz bosqichlarini o‘z ichiga oladi?

2-rasmda normallashtirilgan quvvat talabi jami 6650 soniyalik missiya davomida aniqlanadi. Profil chiqish taksisi, uchib chiqish, ko‘tarilish, kruiz parvozi, pasayish, qo‘nish va kirish taksisini qamrab oladi. Uchib chiqish va ko‘tarilish yuqori quvvat talab qiladi, kruizda esa talab kamayadi; pasayish va qo‘nish bosqichlarida yanada pastroq darajalarga tushadi.

Bu missiya profili energiyani boshqarishni faqat doimiy yukda emas, balki parvoz davomida o‘zgarib turadigan quvvat talablari ostida ham sinash imkonini beradi. Biroq bu profil manbada faraz qilingan yagona missiya ssenariysi bo‘lib, boshqa masofa, ob-havo, yo‘nalish yoki favqulodda missiyalar tizimli ravishda taqqoslanmagan.

Nega ECMS ishlatildi?

Energiyani boshqarish strategiyalarini umuman olganda qoidaga asoslangan, joriy optimallashtirish, global optimallashtirish va o‘rganishga asoslangan usullarga ajratish mumkin. Ushbu tadqiqotda real vaqt qo‘llanishiga mos bo‘lgani uchun joriy optimallashtirish yondashuvi bo‘lgan Equivalent Consumption Minimisation Strategy (ECMS) tanlangan.

ECMSning maqsadi yoqilg‘i elementining vodorod sarfi bilan batareyadan olingan energiyaning vodorod ekvivalentini bir xil maqsad funksiyasida birlashtirib, har bir vaqt qadamida eng past ekvivalent sarfni beradigan quvvat taqsimotini topishdir:

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

Bu yerda \(C_{FC}\) yoqilg‘i elementining vodorod sarfini, \(C_{batt}\) batareyadan ishlatilgan energiyaning ekvivalent sarfini, \(k\) esa batareyaning SOC holatiga bog‘liq ekvivalentlik koeffitsiyentini ifodalaydi.

Ekvivalentlik koeffitsiyenti manbada quyidagi munosabat bilan aniqlangan:

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

\(\mu\) — SOC qiymati ekvivalentlik koeffitsiyentiga qay darajada ta’sir qilishini belgilaydigan doimiy. Shu tariqa batareyada qolgan energiya quvvat taqsimoti qaroriga bevosita kiritiladi.

Yoqilg‘i elementining vodorod sarfi qanday modellashtiriladi?

Tadqiqotchilar avval bitta yoqilg‘i elementining qutblanish egri chizig‘ini modellashtirganlar. Hujayra kuchlanishi Nernst potensialidan omik, aktivatsion va konsentratsion yo‘qotishlarni ayirish orqali hisoblanadi:

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

Omik kuchlanish yo‘qotilishi:

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

ko‘rinishida ifodalanadi. Bu yerda \(i\) tok zichligini, \(r\) esa hujayra qarshiligini anglatadi. Aktivatsion yo‘qotish elektrod sirtidagi reaksiya kinetikasiga, konsentratsion yo‘qotish esa yuqori toklarda reagentlarni reaksiya hududlariga tashishdagi cheklovlarga bog‘lanadi.

Bitta hujayraning xatti-harakati keyin hujayralar soni va faol maydon orqali stek darajasiga masshtablangan:

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

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

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

Yoqilg‘i elementi samaradorligining taxminiy qiymati hujayra kuchlanishi orqali:

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

munosabati bilan olinadi.

Missiya boshida zarur vodorod miqdori esa missiya davomida yoqilg‘i elementidan talab qilinadigan energiyani samaradorlikka ko‘ra integrallash orqali hisoblanadi:

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

Energiyani boshqarishga asosiy yangilikni olib kiradigan teskari aloqa — missiya davomida qolgan vodorodning uzluksiz hisoblanishi:

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

Shu tariqa boshqaruv algoritmi yoqilg‘i elementidan qancha quvvat talab qilinishi kerakligini emas, balki bu quvvatni ishlab chiqarish uchun missiya oxirigacha yetarli vodorod qolish-qolmasligini ham hisobga oladi.

Tizim qaysi fizik va ekspluatatsion chegaralarni hisobga oladi?

Energiyani boshqarish faqat optimallashtirish maqsadida quvvatni erkin taqsimlamaydi. Manbada beshta asosiy cheklov birgalikda aniqlangan:

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

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

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

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

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

Oxirgi cheklov yoqilg‘i elementi quvvatining vaqt qadamlari o‘rtasida juda tez o‘zgarishiga yo‘l qo‘ymaydi. Manba modelida yoqilg‘i elementining quvvat o‘zgarish tezligi 5 kW/s bilan cheklangan. Shu sababli yoqilg‘i elementi keskin quvvat talablariga batareya kabi tez javob bera olmaydi; tez o‘tishlarda batareya ko‘proq yukni o‘z zimmasiga oladi.

Asosiy model parametrlari nimalar?

Model boshida batareya uchun %75 minimal SOC maqsad qilib olinadi. Biroq vodorod tugashi kabi sharoitlarda depletion-aware algoritmi bu quyi chegarani nazoratli ravishda pasaytirib, odatda zaxira sifatida saqlanadigan batareya energiyasining kattaroq qismini ishlatishi mumkin. Shu sababli natijalardagi taxminan %52 missiya yakunidagi SOC qiymatlari boshlang‘ich %75 normal ekspluatatsion chegaraga zid bo‘lgan o‘lchov xatolari emas; yoqilg‘i tanqisligi ssenariysida energiya zaxirasidan foydalanish algoritmning bir qismidir.

Uchta vodorodni boshqarish usuli o‘rtasidagi farq nima?

1. Cheksiz vodorod yondashuvi

Birinchi usulda vodorod baki amalda cheksiz energiya manbai sifatida qabul qilinadi. Boshqaruv algoritmi yoqilg‘i elementi bilan batareya o‘rtasidagi quvvat taqsimotini optimallashtiradi, biroq bakda amalda qancha vodorod qolganini qaror sikliga qayta aloqa sifatida kiritmaydi. Bu usul vodorod sarfini kuzatishi mumkin, ammo vodorod miqdori optimallashtirishning faol chegarasi emas.

2. Qat’iy yoqilg‘i chegarasi

Ikkinchi usulda foydalanish mumkin bo‘lgan vodorod uchun qat’iy chegara qo‘llanadi. Bakda xavfsizlik uchun qoldirilgan %10 darajaga yetilganda yoqilg‘i elementi o‘chiriladi va qolgan quvvat talabini batareya o‘z zimmasiga oladi. Yondashuv vodorod chegarasiga rioya qiladi, biroq yoqilg‘i elementining quvvat ishlab chiqarishi chegara nuqtasida keskin tugashi mumkin.

3. Depletion-aware yondashuvi

Yangi depletion-aware usulida tizim faqat vodorod tugagan-tugamaganiga qaramaydi; yoqilg‘i miqdori tugash chegarasiga yaqinlashayotganini oldindan hisobga oladi. Qolgan vodorod %30 darajaga tushganda batareyaning minimal SOC chegarasi va ECMS ekvivalentlik koeffitsiyenti birinchi bosqichda kamaytiriladi. Vodorod %20dan pastga tushganda ikkinchi kamaytirish amalga oshiriladi. %10 darajada esa yoqilg‘i elementi uchun foydalanish mumkin bo‘lgan vodorod chegarasiga yetilgan bo‘ladi.

Bu yondashuv vodorod kamaygani sari batareyaga ko‘proq vazifa yuklab, yoqilg‘i elementining quvvat ishlab chiqarishini yanada nazoratli ravishda kamaytirishni maqsad qiladi. Manbada uchta chegara faqat usulni ko‘rsatish uchun tanlangan; mualliflar ko‘proq o‘tish nuqtalaridan foydalanish vodorod sarfini silliqroq qilishi mumkinligini, biroq boshqaruv hisoblarini murakkablashtirishini ta’kidlaydilar.

Cheksiz usul 4,65 kg vodorod sarflaydi. Foydalanish mumkin bo‘lgan vodorod miqdori 4,05 kg bo‘lgani sababli talab qilinadigan qo‘shimcha 0,60 kg foydalanish mumkin bo‘lgan miqdorning taxminan %14,81iga teng. Qat’iy-limit va depletion-aware usullari esa sarfni 4,05 kg darajasida ushlab turadi.

dSPACE tekshiruvi nimani isbotlaydi?

Energiyani boshqarish strategiyasi avval MATLAB/Simulink R2023b muhitida amalga oshirilgan, keyin dSPACE ControlDesk 2022-B yordamida software-in-the-loop (SIL) tekshiruviga o‘tkazilgan. Manbada 7-rasm va 8-rasmda ko‘rsatilgan tuzilishda elektr quvvat tizimi va o‘lchamlash modellari DS1006da, energiyani boshqarish nazorat algoritmi esa DS1104da ishlatilgan. Ikki boshqaruv kartasi analog va raqamli signallar orqali o‘zaro ulangan.

Boshqaruv kodining C tiliga kompilyatsiya qilinib, boshqa real vaqt bajarish muhitida ishlatilishi algoritm faqat Simulink yechuvchisiga xos xatti-harakat ko‘rsatmasligini va boshqaruv hisoblari real vaqtda bajarilishi mumkinligini tekshiradi. Manba dSPACE natijalari Simulink natijalari bilan mos ekanini bildiradi.

Biroq bu tekshiruv haqiqiy parvoz sinovi yoki fizik yoqilg‘i elementi–batareya samolyot prototipining apparat sinovi emas. Software-in-the-loop boshqaruv dasturining real vaqt hisoblash muhitidagi xatti-harakatini tekshiradi; haqiqiy havo kemasi xavfsizligi, termal xatti-harakati, elektromagnit mosligi, sertifikatlanishi yoki uzoq muddatli apparat ishonchliligi bu tajribadan chiqarib bo‘lmaydi.

Batareya SOC natijalari nimani ko‘rsatadi?

Cheksiz vodorod yondashuvi missiya oxirida %84,67 batareya SOC bilan tugaydi. Yoqilg‘i chegarasiga rioya qiladigan qat’iy-limit usulida missiya yakunidagi SOC %52,45, depletion-aware yondashuvida esa %52,35. Cheklangan ikki usul vodorod sarfini kamaytirish uchun missiyaning kattaroq qismini batareyaga o‘tkazgani sababli, missiya oxiridagi batareya energiyasi sezilarli darajada past bo‘ladi.

Manba cheklangan yondashuvlar 6650 soniyalik missiya davomida cheksiz yoqilg‘i usuliga nisbatan taxminan 32,3 foiz punkt ko‘proq batareya SOC ishlatganini qayd etadi. Bu natija muhim murosani ko‘rsatadi: vodorod bakining haqiqiy sig‘imiga rioya qilish batareya zaxirasidan ko‘proq foydalanishni talab qiladi.

Depletion-aware usuli batareya jihatidan haqiqatan yaxshiroqmi?

Depletion-aware yondashuvining qat’iy chegaraga nisbatan asosiy afzalligi missiya oxiridagi SOC emas; ikki usulning yakuniy SOC qiymatlari deyarli bir xil: %52,45 va %52,35. Farq energiya manbalari o‘rtasidagi o‘tish usulida va batareyadan foydalanishning missiya davomida taqsimlanishida yuzaga keladi.

Manba 2-jadvalda batareya SOC throughput qiymatini qat’iy-limit uchun 1,3957, depletion-aware uchun 1,3882 deb beradi. Batareya degradation cost ko‘rsatkichi mos ravishda %0,00424 va %0,00403. Mualliflar unconstrained yondashuvni mos yozuv sifatida olib yaratgan taxminiy batareya umriga ta’sir esa qat’iy-limit uchun 160, depletion-aware uchun 147 deb berilgan.

Manbaning natijalar bo‘limidagi “depletion-aware yondashuvi %13 kamroq batareya depletion ko‘rsatdi” degan ibora ehtiyotkorlik bilan o‘qilishi kerak. 2-jadvaldagi 160 va 147 qiymatlar o‘rtasidagi farq 13 foiz punkt. Shu sababli 13 qiymatini bevosita qat’iy-limit usuliga nisbatan %13 nisbiy kamayish deb talqin qilish matematik jihatdan yagona ma’noli talqin emas. Manba qo‘llab-quvvatlaydigan xavfsizroq xulosa shuki, depletion-aware usuli ayni vodorod chegarasiga rioya qilgan holda qat’iy-limit usuliga qaraganda biroz pastroq batareya degradation ko‘rsatkichi va SOC throughput hosil qiladi.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan natijalar

• Yoqilg‘i elementini cheksiz energiya manbai deb qabul qiladigan ECMS ko‘rib chiqilgan missiyada foydalanish mumkin bo‘lgan vodorod miqdoridan %14,81 ko‘proq vodorod talab qiladi.
• Qat’iy-limit va depletion-aware yondashuvlari vodorod sarfini 4,05 kg foydalanish mumkin bo‘lgan chegarada ushlab turadi.
• Qat’iy-limit yondashuvida yoqilg‘i chegarasiga yetilganda yoqilg‘i elementi o‘chiriladi va quvvat talabi batareyaga o‘tkaziladi.
• Depletion-aware usuli vodorod %30 va %20 chegaralariga yaqinlashganda SOC chegarasi va ekvivalentlik koeffitsiyentini o‘zgartirib, batareyani ertaroq ishga tushiradi.
• Depletion-aware usuli yoqilg‘i elementidan faqat batareyaga o‘tishni qat’iy chegara usuliga nisbatan bosqichma-bosqich qiladi.
• Yoqilg‘i cheklangan ikkala yondashuv ham cheksiz vodorod usuliga qaraganda sezilarli darajada ko‘proq batareya energiyasidan foydalanadi.
• Boshqaruv strategiyasi MATLAB/Simulink natijalariga mos ravishda dSPACE software-in-the-loop muhitida real vaqtda bajarilgan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan yoki sinamagan natijalar

• Depletion-aware usuli haqiqiy elektr samolyotda parvoz xavfsizligini isbotlagani ko‘rsatilmagan.
• Yondashuv haqiqiy parvozda, fizik vodorod baki bilan yoki to‘liq masshtabli samolyot apparatida tekshirilmagan.
• Vodorod bakining o‘lchami optimal ekani ko‘rsatilmagan; bakni optimallashtirish tadqiqot doirasidan tashqarida.
• Energiyani boshqarish parametrlari uchun keng qamrovli sezgirlik tahlili o‘tkazilmagan.
• Yoqilg‘i elementi va batareyaning missiya davomida batafsil termal xatti-harakati modellashtirilmagan.
• Depletion-aware yondashuvi predictive ECMS, model predictive control yoki o‘rganishga asoslangan barcha usullardan tajribaviy ravishda ustun ekani ko‘rsatilmagan.
• Ikki kishilik yengil samolyot modelidagi natijalarni katta yo‘lovchi samolyotlariga ayni sonli qiymatlar bilan masshtablash mumkinligi isbotlanmagan.
• Bitta missiya profili barcha haqiqiy parvoz yo‘nalishlarini, ob-havo sharoitlarini, diversion ssenariylarini yoki favqulodda holatlarni ifodalamaydi.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Yoqilg‘i elementini o‘lchamlash va sarf modeli

Yoqilg‘i elementi modeli bitta hujayraning qutblanish egri chizig‘idan stek darajasiga masshtablangan. Hujayraning tok zichligi ortgani sari aktivatsion, omik va konsentratsion yo‘qotishlar sababli kuchlanish pasayadi. Manbada 4-rasm ushbu xarakterli qutblanish egri chizig‘ini ko‘rsatadi.

Yoqilg‘i elementi quvvati oshgani sari vodorod sarfi ham ortadi. Ayniqsa maksimal quvvatga yaqinlashganda konsentratsion yo‘qotishlar sababli sarfning o‘sishi quvvat o‘sishidan tezroq bo‘lishi mumkinligi 5-rasmda ko‘rsatilgan. Energiyani boshqarishda ishlatilgan sarf funksiyasi ikkinchi darajali munosabat bilan ifodalangan:

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

Bu yerda \(a\), \(b\) va \(c\) — yoqilg‘i elementining quvvat–vodorod sarfi egri chizig‘idan olingan koeffitsiyentlar.

Batareyaning ekvivalent sarfi

Batareyaning zaryad va razryad samaradorliklari alohida hisobga olingan. Batareya energiya sarfi vodorod ekvivalentiga aylantirilib, yoqilg‘i elementi sarfi bilan ayni ECMS maqsad funksiyasida taqqoslangan:

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

Shu tariqa algoritm bir kilovatt quvvatni batareyadan yoki yoqilg‘i elementidan olishning faqat elektr natijalarini emas, balki ekvivalent energiya sarfini ham baholay oladi.

Vodorod zaxirasi va foydalanish mumkin bo‘lgan yoqilg‘i

Modelda umumiy vodorod baki sig‘imi 4,50 kg. Tadqiqotchilar bosimlash va harorat nazorati bilan bog‘liq xavfsizlik sabablari tufayli bakda taxminan %10 vodorod qolishini talab qilganlar. Shu sababli yoqilg‘i elementiga missiya davomida sarflashga ruxsat berilgan vodorod:

4,05 kg

deb belgilangan.

Cheksiz yoqilg‘i yondashuvi missiya oxirida 4,65 kg talab qilgani sababli loyihalangan foydalanish mumkin bo‘lgan miqdordan 0,60 kg oshadi. Samolyotdagi umumiy bak 4,50 kg ekanini hisobga olganda, bu usul nafaqat foydalanish mumkin bo‘lgan yoqilg‘idan, balki fizik boshlang‘ich bak sig‘imidan ham oshadigan missiya talabini hosil qiladi.

Uchta yondashuvning miqdoriy natijalari

Jadvalning eng muhim natijasi shuki, bitta usul barcha metrikalarda ustun emas. Cheksiz vodorod yondashuvi batareya nuqtai nazaridan eng past degradation ko‘rsatkichlarini beradi, biroq samolyotdagi vodorod chegarasini buzadi. Qat’iy-limit va depletion-aware yondashuvlari vodorod chegarasiga rioya qiladi; buning evaziga batareya intensivroq ishlatiladi. Depletion-aware yondashuvi esa qat’iy-limit bilan bir xil miqdorda vodorod sarflagan holda batareya degradation cost va SOC throughput ko‘rsatkichlarida kichik afzallik beradi.

9-rasm: Vodorod sarfi nimani ko‘rsatadi?

9-rasmda uchta usul missiyaning dastlabki katta qismida bir-biriga yaqin vodorod sarfi egri chiziqlarini kuzatadi. Missiyaning keyingi qismida cheksiz yondashuv 4,05 kg foydalanish mumkin bo‘lgan chegaradan yuqoriga chiqishda davom etib, taxminan 4,65 kgga yetadi. Qat’iy-limit usulining egri chizig‘i 4,05 kgda tekislanadi. Depletion-aware usulida esa vodorod sarfi tezligi chegaraga yetishdan oldin nazoratli ravishda kamaygani ko‘rinadi.

Bu grafik depletion-aware yondashuvi qat’iy-limit usuliga nisbatan umumiy vodorodni kamroq sarflashini ko‘rsatmaydi; ikkalasi ham missiya oxirida 4,05 kg sarflaydi. Farq vodorodning missiya davomida qanday tezlikda ishlatilishi va batareyaga o‘tish qanday amalga oshirilishidadir.

10-rasm: Batareya SOC nimani ko‘rsatadi?

Batareya SOC grafigida uchta usul boshida o‘xshash xatti-harakat qiladi. Cheksiz vodorod usuli ko‘proq yoqilg‘i elementi energiyasiga ega bo‘lgani uchun missiya oxiriga kelib taxminan %84,67 SOCda qoladi. Qat’iy-limit yondashuvida vodorod chegarasiga taxminan 5157 soniyada yetilganda batareyaning SOC qiymati tez pasaya boshlaydi.

Depletion-aware usulida batareya ertaroq va bosqichma-bosqich ishga tushgani uchun SOC uzoqroq vaqt oralig‘ida kamayadi. Missiya oxirida depletion-aware %52,35, qat’iy-limit esa %52,45 SOC ko‘rsatadi. Demak, depletion-aware yondashuvining foydasi missiya oxirida ko‘proq batareya energiyasini qoldirish emas.

11-rasm: Yoqilg‘i elementi quvvati nega muhim?

11-rasm energiyani boshqarish algoritmi yoqilg‘i elementidan talab qilgan normallashtirilgan quvvatni ko‘rsatadi. Depletion-aware usulida taxminan 4500 soniya atrofida dSPACE natijalarida quvvat tebranishlari yuzaga kelgan. Tadqiqotchilar bu shovqin Simulink natijalarida yo‘qligini va dSPACE muhitidagi quvvat talabi o‘zgarishlari bilan bog‘liq bo‘lishi mumkinligini ta’kidlaydilar.

Vaqt qadamini kichraytirish shovqinni kamaytirishi mumkin; ammo real vaqt ishlashini saqlash uchun vaqt qadamini qay darajada kichraytirish mumkinligining amaliy chegarasi bor. Bu topilma algoritm hali yakuniy optimallashtirish bosqichida emasligini va real vaqt boshqaruv parametrlarini kelajakda yaxshilash kerakligini ko‘rsatadi.

Batareya degradation hisobining chegarasi

Batareya degradation qiymati tadqiqotda eksperimental bog‘lanishlardan olingan tenglamalar bilan faqat taqqoslash maqsadida hisoblangan. Manba bu natijalarni haqiqiy batareya umrining bevosita o‘lchovi sifatida taqdim etmaydi. Batareya sig‘imi, quvvat yuki va sikl umri yordamida bitta missiya uchun degradation ko‘rsatkichi yaratilgan.

Shu sababli 2-jadvaldagi qiymatlardan muayyan batareyaning haqiqiy xizmat muddati necha yil yoki necha parvoz bo‘lishini chiqarib bo‘lmaydi. Termal qarish, hujayra kimyosining batafsil xatti-harakati va uzoq muddatli fizik sikl sinovlari ushbu tadqiqot mavzusi emas.

Tadqiqotning kuchli tomonlari

• Yoqilg‘i elementini cheksiz energiya manbai sifatida qabul qilish o‘rniga haqiqiy missiyadagi yoqilg‘i miqdorini boshqaruv sikliga kiritadi.
• Batareya SOC, batareya quvvati, yoqilg‘i elementi quvvati, vodorod miqdori va yoqilg‘i elementi slew rate chegaralarini birgalikda ko‘rib chiqadi.
• Uchta vodoroddan foydalanish strategiyasini ayni missiya va tizimda bevosita taqqoslaydi.
• MATLAB/Simulink modeli bilan birga dSPACE software-in-the-loop real vaqt bajarish tekshiruvini taqdim etadi.
• Yoqilg‘i kamaygani sari quvvat taqsimotini o‘zgartiradigan aniq va masshtablanadigan boshqaruv mantiqini taklif etadi.

Tadqiqotning cheklovlari

• Parametrlar uchun keng qamrovli sezgirlik tahlili o‘tkazilmagan.
• ECMS ekvivalentlik koeffitsiyenti oldindan belgilangan; muqobil qiymatlar tizimli ravishda optimallashtirilmagan.
• Termal chegaralar o‘lchamlashda hisobga olingan bo‘lsa-da, missiya davomida ishlaydigan keng qamrovli termal model mavjud emas.
• Faqat ECMSga asoslangan yondashuv batafsil o‘rganilgan.
• Vodorod bakini optimallashtirish tadqiqot doirasidan tashqarida.
• Turli samolyot o‘lchamlari keng qamrovda o‘rganilmagan.
• Usul kichikroq havo kemasida sinab ko‘rilgan bo‘lsa-da, bu faqat yoqilg‘i elementlari va batareyalar sonini kamaytirgan; turli komponent masshtablarini tizimli o‘rganmagan.
• Depletion-aware usulida faqat uchta vodorod chegarasi ishlatilgan.
• dSPACE tekshiruvi software-in-the-loop darajasida; haqiqiy parvoz yoki to‘liq fizik quvvat tizimi tekshiruvi emas.

Ilmiy va amaliy ahamiyati

Tadqiqotning asosiy hissasi yangi yoqilg‘i elementi kimyosi yoki yangi samolyot dvigatelini ishlab chiqish emas. Hissa — samolyotdagi energiyani boshqarish muammosining formulalanishini o‘zgartirish: vodorod faqat sarfi minimallashtirilishi kerak bo‘lgan o‘zgaruvchi emas, balki missiya davomida miqdori chekli va real vaqtda kuzatilishi kerak bo‘lgan energiya zaxirasidir.

Bu yondashuv ayniqsa bir nechta energiya manbaidan foydalanadigan elektr havo kemalari uchun muhimdir. Boshqaruv tizimi yoqilg‘i tugagandagina javob berish o‘rniga, yaqinlashayotgan energiya tanqisligini oldindan hisobga olishi mumkin. Biroq buning haqiqiy havo kemasidagi xavfsizlik foydasi fizik uskuna va parvoz sharoitlarida alohida tekshirilishi kerak.

Manba va Usul Haqida Izoh

To‘liq asl tadqiqot nomi: Energy Management Strategy Under Fuel Constraints for Battery–Fuel Cell-Powered All-Electric Aircraft

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

Mualliflar tartibi: Manbadagi tartib aynan saqlangan.

Teng hissa/teng birinchi muallif: Manbada bunday bayonot yo‘q.

Mas’ul mualliflar: Ayesha R. E. Wise va Sharmila Sumsurooah.

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

Manba turi: Hisoblash modellashtirishi, boshqaruv algoritmini ishlab chiqish va software-in-the-loop tekshiruvini o‘z ichiga olgan taqrizdan o‘tgan tadqiqot maqolasi.

Jurnal: Aerospace

Nashriyot: MDPI

Jild / son / maqola raqami: 13(7), 641

Nashr sanasi: 15-iyul 2026

DOI: 10.3390/aerospace13070641

Rasmiy nashr havolasi: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/641

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

Taqriz holati: Tadqiqot taqrizdan o‘tgan Aerospace jurnalida chop etilgan ilmiy maqoladir.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY) ochiq foydalanish litsenziyasi.

Moliyalashtirish: Tadqiqot tashqi moliyalashtirish olmagan.

Ma’lumotlar mavjudligi: Tadqiqotda taqdim etilgan ma’lumotlarni maxfiylik sababli mas’ul muallifdan so‘rov asosida olish mumkinligi bildirilgan.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi haqida xabar bermagan.

Mualliflar hissasi: Konseptuallashtirish Ayesha R. E. Wise va Serhiy Bozhko; metodologiya Ayesha R. E. Wise; dasturiy ta’minot Ayesha R. E. Wise va Seang Yeoh; tekshirish Ayesha R. E. Wise va Seang Yeoh; formal tahlil va tadqiqot Ayesha R. E. Wise; resurslar Serhiy Bozhko; ma’lumotlarni kuratsiya qilish va dastlabki qoralama Ayesha R. E. Wise; ko‘rib chiqish va tahrirlash Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko va Seang Yeoh; vizualizatsiya Ayesha R. E. Wise; nazorat Sharmila Sumsurooah, Serhiy Bozhko va Seang Yeoh; loyiha boshqaruvi va moliyalashtirishni jalb qilish Serhiy Bozhko tomonidan amalga oshirilgan.

Tekshirish darajasi: Energiyani boshqarish strategiyalari MATLAB/Simulink R2023b muhitida modellashtirilgan va dSPACE ControlDesk 2022-B yordamida software-in-the-loop tartibida tekshirilgan. Elektr quvvat tizimi va o‘lchamlash modellari DS1006da, energiyani boshqarish kontrolleri DS1104da ishlatilgan. Bu usul haqiqiy parvoz yoki to‘liq fizik havo kemasi apparat sinovi emas.

Manba ichidagi foiz talqini bo‘yicha izoh: Natijalar bo‘limida depletion-aware usuli uchun qat’iy-limit usuliga nisbatan “%13 kamroq batareya depletion” iborasi ishlatilgan. 2-jadvalda tegishli taxminiy batareya umriga ta’sir qiymatlari 160 va 147; farq 13 foiz punkt. Ayni jadvaldagi to‘g‘ridan-to‘g‘ri degradation cost ko‘rsatkichlari %0,00424 va %0,00403. Shu sababli “%13” iborasi bir ma’noli nisbiy foiz kamayishi sifatida qayta talqin qilinmagan, manbadagi miqdoriy qiymatlar alohida berilgan.

Ilmiy chegara: Tadqiqot ikki yo‘lovchigacha mo‘ljallangan yengil to‘liq elektr havo kemasi modeli va 6650 soniyalik faraziy missiya profilini baholaydi. Vodorod bakining optimal o‘lchamlanishi, batafsil missiya-davomidagi termal model, keng parametr sezgirligi, turli energiyani boshqarish sinflarining to‘liq taqqoslanishi va haqiqiy parvoz tekshiruvi amalga oshirilmagan. Depletion-aware usulini katta tijoriy havo kemalariga ayni parametrlar bilan bevosita ko‘chirish mumkinligi ushbu tadqiqot tomonidan isbotlanmagan.

Kontentni yaratish usuli: Ushbu Verianla izohidagi ilmiy usullar, tenglamalar, sonli natijalar va talqin chegaralari ko‘rib chiqilgan manba tadqiqotiga asoslanadi. Tashqi bibliografik tekshiruv faqat nashr identifikatsiyasi va taqriz holatini tasdiqlash uchun ishlatilgan; tashqi manbalardan yangi eksperimental natija, yangi samaradorlik qiymati yoki manbada bo‘lmagan ilmiy mexanizm asosiy matnga qo‘shilmagan.