Совершенствование электротехнического комплекса энергетической установки на водородных топливных элементах для малых беспилотных летающих аппаратов
Введение
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ РЕАЛИЗАЦИИ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1.1 Структура автономных систем электропитания киловаттного класса
мощности на топливных элементах. Анализ топологии силовых схем
импульсных источников питания
1.2 Анализ методов проектирования повышающих и понижающих
преобразователей для автономных электротехнических комплексов
1.3 Выводы. Постановка задачи
2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА. АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ
РЕШЕНИЙ И ВЫБОР ТОПОЛОГИИ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1 Функциональная структура электротехнического комплекса. Определение
возможности повышения энергетических показателей электротехнического
комплекса
2.2 Анализ схемотехнических решений и выбор топологии реализации
силовой части импульсного преобразователя для электротехнического
комплекса
2.3 Разработка методики проектирования мостового импульсного
преобразователя. Основные принятые допущения
2.4 Разработка компонентной модели импульсного трансформатора с учетом
магнитного гистерезиса
2.5 Разработка методики проектирования понижающего импульсного
преобразователя
2.6 Исследование влияния защитных цепей силовых полупроводниковых
приборов на параметры преобразователя электротехнического комплекса.
2.7 Выводы
3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С УЧЕТОМ ПРОЦЕССОВ В
ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ
3.1 Выбор численной модели стека топливных элементов
3.2 Численная модель электротехнического комплекса энергетической
установки. Исследование возможности стабилизации напряжения и
регулирования внешней характеристики
3.3 Исследование процессов в преобразователе напряжения
электротехнического комплекса энергетической установки в режиме
комплексирования стека топливных элементов и аккумулятора
3.4 Выбор емкости буферного аккумулятора обеспечивающей максимальное
время полета БПЛА
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА НА СТЕНДЕ И ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ БПЛА
4.1 Описание конструкции экспериментального образца электротехнического
комплекса энергетической установки БПЛА
4.2 Проведение испытаний на стенде
4.3 Проведение испытаний ЭТК на действующей модели БПЛА
4.4 Выводы
Заключение
Список используемой литературы
Приложение 1. Документы, подтверждающие внедрение разработок автора.
Приложение 2. Методика расчета трансформатора.
Приложение 3. Алгоритм расчета мостового преобразователя.
Приложение 4. Net-лист компонентной модели трансформатора.
Приложение 5. Вывод расчетных формул для понижающего преобразователя
ЭТК.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель,
задачи исследования, научная новизна и практическая ценность
диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ существующих технических решений
по реализации систем электропитания автономных энергетических установок
на основе водородных топливных элементов с протонообменной мембраной
(ПОМТЭ). Определены используемые топологии силовой части
преобразователей и их удельная энергоемкость. Лучшим техническим
решением на сегодняшний день можно считать ЭТК для энергетической
установки ProGEN с удельной энергоемкостью 450 Вт·ч/кг от компании
PlugPower. Обзор технической литературы показал, что для мобильных
применений топливный элемент сам по себе не может быть использован как
замена электрическому аккумулятору в энергетической установке БПЛА.
Причина этого заключается в «мягкой» вольтамперной характеристике, где
напряжение холостого хода может в два раза превышать напряжение под
номинальной нагрузкой. Из-за большой инерционности топливного элемента
пиковые перегрузки могут привести к просадкам напряжения из-за
«кислородного голодания» и падения давления водорода. Топливному
элементу требуется вспомогательный источник энергии для первоначального
запуска устройства управления, открытия клапанов, прокачки воздухом и т.д.
В режиме взлета потребляется более высокая мощность, чем в номинальном
режиме полета. Эта пиковая перегрузка может быть скомпенсирована либо
завышенной мощностью топливного элемента, либо аккумуляторной
батареей. Поэтому на практике энергоустановка БПЛА представляет собой
систему, которая перераспределяет потоки энергии от топливного элемента,
аккумуляторной батареи и в некоторых случаях от суперконденсаторов к
нагрузке. Анализ научно-технических работ показал, что исследования
направлены в первую очередь на снижение пульсаций тока, потребляемого
преобразователями напряжения от топливного элемента и на повышение
надежности работы преобразователя за счет увеличения количества
параллельно работающих фаз. Такие пути усовершенствования
энергоустановки эффективны для наземного и водного транспорта и
стационарных устройств. При использовании таких установок на
беспилотных летательных аппаратах в качестве основного источника энергии
на первое место выходят требования по удельной энергоемкости и удельной
мощности. Масса должна быть как можно меньшей. Увеличение же числа
фаз преобразователя, добавление суперконденсаторов увеличивают массу и
габариты. В литературе к топливным элементам в основном предлагаются
низковольтные повышающие DC/DC преобразователи для использования в
двигательных установках транспорта или стационарные преобразователя для
работы на напряжение сети 220/380В. В двигательных установках
летательных аппаратов чаще используется низкое напряжение 12 – 36 В.
Соответственно преобразователь напряжения может быть понижающим. В
связи с этим, предлагаемые в литературе подходы к проектированию
энергоустановки на основе топливных элементов и ее электротехнического
комплекса в частности, нуждаются в доработке для использования их в
БПЛА, что обуславливает необходимость решения задач, поставленных в
диссертации.
Во второй главе предложена структурно-функциональная схема
электротехнического комплекса энергоустановки на основе водородных
топливных элементов для БПЛА. Электротехнический комплекс, в
соответствии с ГОСТ 56188.1-2014 включает систему преобразования
энергии, систему автоматического управления, встроенный накопитель
энергии, систему вентиляции и блок топливных элементов.
Предлагаемая структура электротехнического комплекса (рис. 1)
включает: силовую часть в виде понижающего преобразователя напряжения
с синхронным выпрямлением и его системой управления, отключаемый
буферный аккумулятор B1, служебный источник питания, вентилятор обдува
и охлаждения, клапан сброса водорода и цифровое устройство управления.
Выход преобразователя напряжения подключается к нагрузке и буферному
аккумулятору через “идеальный диод” на MOSFET транзисторе VT3,
исключающий попадание внешнего напряжения на преобразователь. Для
снижения потерь проводимости в схеме в качестве шунта обратной связи по
току используется ESR дросселя. Отличие предложенной структуры от
известных состоит в том, что буферная аккумуляторная батарея подключена
непосредственно к выходу энергоустановки и режимы ее заряда и разряда
формируются путем управления выходным напряжением преобразователя в
зависимости от величины нагрузки. При этом исключается необходимость в
DC/DC преобразователе для аккумулятора и снижается общая масса
энергоустановки. Еще одной особенностью структурной схемы является
реализация служебного питания через диодную развязку, которая позволяет в
случае необходимости при разряженном аккумуляторе запустить
энергоустановку вручную, открыв на короткое время сбросной клапан для
продувки системы водородом. Во второй главе показаны возможные способы
повышенияэнергетических показателей ЭТК.Проведен анализ
схемотехнических решений преобразователей напряжения и определены
наиболее перспективные их топологии: мостовой преобразователь для
больших мощностей и напряжений выше напряжения батареи топливных
элементов энергетических установок более 5 кВт и бестрансформаторный,
понижающий преобразователь для энергетических установок мощностью до
5 кВт.
Рис.1. Структурно-функциональная схема ЭТК
Для предложенных топологий разработаны математические и
компьютерные модели, описывающие все режимы работы в составе ЭТК:
стабилизация среднего выходного напряжения и тока, поцикловое
токоограничение, режимы разрывного и неразрывного токов дросселя, а
также специфические режимы, возможные в схеме преобразователя с
мостовым выходным каскадом. Математические модели для мостового
преобразователя и понижающего преобразователя учитывают режимы
работы ЭТК и могут быть представлены в общем виде. Для мостового
преобразователя:
y f U1 ,UVD , L, LРАС , RН , TSW , I OVER , I OUT _ AVG ,U OUT _ AVG ,
где U1 – амплитуда напряжения первичной обмотки трансформатора, TSW –
период импульсов ШИМ, L – индуктивность дросселя выходного фильтра,
LРАС – индуктивность рассеяния трансформатора, приведенная ко вторичной
обмотке, UVD – падение напряжения на диоде выходного мостового
выпрямителя, RН – сопротивление нагрузки, IOVER , IOUT _ AVG и UOUT _ AVG – уставки
поциклового токоограничения, стабилизатора среднего выходного тока и
напряжения соответственно. Расчетная зависимость, составляющая часть
математической модели мостового преобразователя для определения
амплитудного тока дросселя может быть представлена в следующем виде:
2 TФ iOUT U OUT UVD U 2 UVD U OUT
2 TФ iOUT U OUT UVD U 2 UVD U OUT U 2 L U OUT UVD LРАС
если iOUT
imaxU 2 L U OUT UVD LРАС2
TФ U OUT UVD U 2 UVD U OUT i если иначе
2 U OUT UVD L РАС U 2 L OUT
Математическая модель для понижающего преобразователя в общем виде:
y f U OUT _ ном , IOUT ,TSW , L,UVT ,UVD , I OVER , I OUT _ AVG ,
где UOUT _ ном – номинальное выходное напряжение, IOUT – ток нагрузки, TSW –
период ШИМ, L – индуктивность дросселя, UVT и UVD – падения напряжений
на транзисторе и диоде соответственно, IOVER , IOUT _ AVG и UOUT _ AVG – уставки
поциклового токоограничения и стабилизатора среднего выходного тока.
Полные соотношения математических моделей громоздки и приведены
в тексте диссертационной работы. Полученные соотношения позволяют
строить зависимости для всех параметров преобразователя, в том числе
средних и действующих токов в элементах схемы, общего КПД и потерь в
отдельных элементах. На основе моделей разработаны методики для
проектного и поверочного расчетов. Методики отличаются от известных тем,
что учитывают индуктивность рассеяния трансформатора и нелинейную
ВАХ батареи топливных элементов. Для уточнения режимов работы
повышающегомостового преобразователяпутемкомпьютерного
моделирования была разработана компьютерная модель импульсного
трансформатора. Модель учитывает все наиболее важные параметры и
позволяет рассчитывать потери в трансформаторе для разных значений
индукции и частоты с учетом магнитного гистерезиса. Модель позволяет
получать графические зависимости сигналов индукции, напряженности поля
в магнитопроводе, тока намагничивания и температуры. В разделе
предложена методика подготовки файла исходных данных модели по
данным потерь материала магнитопровода, представленным в документации.
Файл содержит табличные зависимости потерь в магнитопроводе от частоты
и амплитуды индукции. Для мостовой топологии преобразователя были
рассмотрены различные варианты схем снабберных цепей, и путем
компьютерного моделирования определены их преимущества и недостатки.
Все модели ориентированы на применение в обобщенной компьютерной
модели ЭТК, включающей все его элементы, в том числе топливный элемент.
По предложенной методике выполнено проектирование понижающего
преобразователя ЭТК мощностью 1300 Вт, работающего в составе ЭТК.
Выбрана частота преобразования (100 кГц), рассчитана индуктивность
дросселя (6,67 мкГн), определены наиболее нагруженные режимы работы
элементов схемы. На рис. 2 приведена расчетная зависимость амплитуды
тока дросселя от тока нагрузки и напряжения буферной аккумуляторной
батареи.
Рис.2. Зависимость амплитуды тока дросселя от тока нагрузки и напряжения на
аккумуляторной батарее
В третьей главе предложена комплексная численная компьютерная
модель электротехнического комплекса с учетом процессов в топливном
элементе, режима комплексирования стека топливных элементов и
буферного аккумулятора. Для проектирования электрической части
электротехнического комплекса достаточно иметь модель стека топливных
элементов, которая будет отражать реальную реакцию на изменение
нагрузки. Этому требованию удовлетворяют и эмпирические модели. В
работе проведен анализ известных математических моделей топливных
элементов, имитирующих статическую ВАХ. Выделены три основных вида
моделей: модель на основе разности потенциала Нернста и падений
напряжений на различных участках ВАХ:
EFC Enernst Eact Eohm Econ ,
где Enernst – потенциал Нернста, Eact – падение напряжения на начальном
участке ВАХ – напряжение активации, Eohm – падение напряжения на
активном сопротивлении на рабочем участке ВАХ, Econ – падение
напряжения на участке ВАХ, где начинается перенос массы – напряжение
концентрации. Вторая модель на основе дискретных электронных
компонентов, адаптированная для программ симуляторов, аналогична
первой.Третьямодельявляетсялинейной аппроксимацией
экспериментальной ВАХ. Эта модель не учитывает повышенное напряжение
на холостом ходу и может быть использована только для моделирования в
рабочем диапазоне нагрузок: U FC EFC I FC rFC . Сравнение показывает, что
наименьшее отклонение от реальной ВАХ стека обеспечивает модель на
основе разности потенциала Нернста и падений напряжения на внутренних
элементах ТЭ. Модель включает в себя эмпирические параметры, которые
было предложено определять с использованием метода наименьших
квадратов. Для имитации динамического отклика стека в составе ЭТК с
импульсным преобразователем, предложена динамическая схема замещения
(рис. 3).
Рис.3. Электрическая схема замещения стека
В схему добавлен элемент R3, учитывающий влияние вихревых токов
от импульсной нагрузки в проводящих элементах стека. Источник ЭДС
разделен на два, один из которых – E0, имитирует ЭДС линейной
аппроксимации, другой – EF, имеет в своем составе блок интерполяции
табличной ВАХ, пропорциональной экспериментальной ВАХ стека.
Предложена методика настройки модели по результатам проведения двух
натурных опытов. Первый опыт состоит в отключении нагрузки от стека при
подключенном внешнем конденсаторе для определения собственной
индуктивности L1 и потерь на вихревые токи по частоте и скорости затухания
колебательного процесса. Второй опыт заключался в скачкообразном
изменении нагрузки от максимальной до минимальной. Опыт позволяет
определить активные сопротивления R1 и R2 и емкость конденсатора C1,
имитирующего двойной электрический слой. Предложенная эмпирическая
модель, в отличие от известных, помимо учета потерь от вихревых токов в
динамике, позволяет исключить ошибку моделирования статической ВАХ за
счет дополнительного источника ЭДС EF. На рис.6, а и б показаны
экспериментальные осциллограммы напряжения и тока стека (1 и 2) и
результаты, полученные с помощью разработанной модели (3 и 4)
соответственно. На рис.4, в приведена экспериментальная статическая
вольтамперная характеристика стека (5) и характеристика, полученная в
результате моделирования (6). В табл.1 приведены результаты сравнения
расчетных и экспериментальных данных.
а)б)
в)
Рис.4. Экспериментальные осциллограммы тока и напряжения стека в режиме
скачкообразного изменения нагрузки (а) и результаты моделирования этого режима (б): 1,
3 – напряжение, 2, 4 – ток. Статическая ВАХ стека – 5 и его модели – 6, (в)
Таблица 1. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными
ПараметрЭкспе-Мо-Ошибка,
риментдель%
Время переходного процесса, мс1008020,00
Амплитуда выброса тока при набросе нагрузки, А12,8011,1712,73
Установившийся ток при набросе нагрузки, А10,009,970,30
Установившееся напряжение при набросе нагрузки, В16,0016,050,31
Установившееся напряжение при сбросе нагрузки, В22,0022,000,00
Амплитуда выброса тока при увеличении нагрузки, А20,0018,676,65
Установившийся ток при увеличении нагрузки, А16,0015,990,06
Установившееся напряжение при увеличении нагрузки, В15,0014,711,95
Установившийся ток при снижении нагрузки, А2,42,493,75
Установившееся напряжение при снижении нагрузки, В20,0018,597,05
Как видно из таблицы, модель дает достаточную для инженерных
расчетов точность в определении амплитудных и установившихся значений
тока и напряжения стека. На величину ошибки определения переходного
процесса повлияло изменение ВАХ стека из-за конструктивных недостатков
редуктора и как следствие изменения давления водорода при изменении
потребляемой мощности. На рис. 5 приведен скриншот компьютерной
модели ЭТК энергетической установки с буферным аккумулятором,
работающей с предложенной моделью стека топливных элементов. Модель
предназначена для уточнения режимов работы элементов ЭТК и выполнена в
программном комплексе LTspice, работающим напрямую со SPICE моделями
и обеспечивающим высокую точность анализа.
Получены расчетные формулы, позволяющие в общем виде определять
зависимости всех параметров понижающего преобразователя в режимах
номинальной нагрузки, пиковой перегрузки и заряда аккумулятора ЭТК. На
основе математического моделирования, при заданных параметрах
двигательной установки БПЛА и известной аппроксимации зависимости
массы LiPo аккумуляторов от их емкости была выбрана требуемая емкость
буферного аккумулятора, обеспечивающая максимальное время полета
БПЛА в режиме зависания (рис. 6). При этом использовались следующие
ограничения: масса баллона, топлива, преобразователя напряжения,
летающей платформы, и стека топливных элементов задавались
постоянными. Вольтамперная характеристика стека не изменялась. При
моделировании установлено, что емкость аккумулятора должна быть
минимально необходимой для компенсации пиковых перегрузок. Увеличение
массы аккумулятора с ростом его емкости не компенсируется
положительным влиянием этого роста на КПД понижающего
преобразователя в моменты заряда и добавки времени при его разряде и
полном расходовании топлива. Получена зависимость, позволяющая
проводить выбор других исходных параметров, обеспечивающих
максимальную длительность полета:
time f UOUT _ ном , TSW , L,UVT ,UVD , RBAT , CBAT , timePEAK , nPEAK , PPEAK
,
Рис.5. Компьютерная численная модель ЭТК в режиме комплексирования с
аккумуляторной батареей
Рис. 6. Зависимость времени полета в режиме зависания от емкости аккумулятора
где UOUT _ ном – номинальное выходное напряжение ЭТК, TSW – период ШИМ, L
– индуктивность дросселя, UVT и UVD – падения напряжения на транзисторе и
диоде соответственно, RBAT и CBAT – внутреннее сопротивление и емкость
буферного аккумулятора, timePEAK – длительность пиковой перегрузки, nPEAK –
число пиковых перегрузок за время работы ЭТК, PPEAK – мощность пиковой
перегрузки. Полные соотношения математической модели с расчетными
зависимостями приведены в приложении к диссертационной работе. В случае
если стек топливных элементов проектируется вместе с энергоустановкой, то
предложенные комплексная компьютерная и математическая модели
позволят на стадии проектирования улучшить, в расчетном плане, удельные
характеристики всего энергетического комплекса, учитывая параметры
батареи топливных элементов.
Четвертаяглавапосвященапрактическойреализации
электротехнического комплекса, исследованию его основных характеристик
и параметров. На основе предложенных компьютерных моделей и методик
проектирования были разработаны понижающий преобразователь и
устройство управления ЭТК, выбраны буферный аккумулятор и другие
элементы. Информационная часть комплекса включает управляющий
микроконтроллер, датчики температуры стека, датчики напряжения и тока
(на основе эффекта Холла) в критических точках схемы – на выходе
топливного элемента, аккумуляторе, на выходе энергоустановки.
Информационная система имеет в своем составе модуль телеметрии
параметров энергоустановки по радиоканалу. Для микроконтроллера
STM32F103V8T6 разработана управляющая программа, на которую
получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Особенностью
управляющей программы является алгоритм регулирования выходного
напряжения энергоустановки в режиме комплексирования стека топливных
элементов и аккумуляторной батареи. При превышении мощностью нагрузки
номинального значения выходное напряжение энергоустановки снижается,
таким образом стабилизируется потребляемая от стека ТЭ мощность на
безопасном уровне и автоматически проводится отбор недостающей энергия
от аккумулятора. После снижения нагрузки до номинального значения
выходное напряжение повышается таким образом, чтобы обеспечить
заданный зарядный ток аккумулятора.
Энергетическая установка с предложенным ЭТК, массой 6398 г,
работала под нагрузкой с профилем, заданным программой испытаний 2 часа
32 минуты и показала в результате удельную энергоемкость 529,3 Вт·ч/кг.
При этом емкость баллона водорода составляла 10 литров, давление 310 Бар.
График нагрузки следующий: начало –> 2 кВт – 2 минуты –> 1,3 кВт – 40
минут –> 2 кВт – 2 минуты –> 1,3 кВт – 40 минут –> 2 кВт – 2 минуты –> 1,3
кВт – 40 минут –> 2 кВт – 2 минуты –> 1,3 кВт – 24 минуты. Энергоемкость
установки составила 3386,6 Вт ч и удельная по массе мощность 203,1 Вт/кг.
Полученные параметры энергоустановки оказались выше известных на
сегодняшний день параметров конструкций, рассмотренных в первой главе.
Рис. 7. Макетный образец преобразователя напряжения и ЭТК в процессе летных
испытаний на БПЛА
Энергоустановка, разработанная командой “Политех” (ЮРГПУ (НПИ)
совместно с компанией ИнЭнерджи) с экспериментальным образцом ЭТК
успешно прошла лётные испытания (рис.7) на платформе квадрокоптера во
время проведения конкурса UPGREAT “Первый элемент. Воздух” на
полигоне Крокус Экспо, а также на территории ЮРГПУ(НПИ). Основные
параметры ЭТК в режиме полета и посадки можно видеть на снимке экрана
разработанной программы телеметрии (рис. 8).
Рис. 8. Телеметрия энергетической установки в процессе посадки БПЛА
Установка показала надежную работу как в условиях высокой температуры
на открытом солнце, так и в условиях высокой влажности.
В приложении приведены, более подробно, расчетные формулы и их
вывод для методики расчета импульсного трансформатора,алгоритм
проектного и поверочного расчета понижающего и повышающего
преобразователей.ПриведенNET-листкомпонентноймодели
трансформатора в LTspice и пример файла подготовки исходных данных для
нее.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по
диссертационной работе.
В работе предложены новые научно-обоснованные технические
решения по созданию электротехнического комплекса энергетической
установки на базе водородных топливных элементов на основе создания
новых математических и компьютерных моделей и алгоритмов для
исследования и проектирования.
При достижении поставленной цели в диссертации получены
следующие основные научные и практические результаты:
1. На основе анализа существующих технических решений предложена
новая функциональная структура электротехнического комплекса для
энергетической установки БПЛА на базе водородных топливных элементов,
со схемой регулирования и стабилизации выходного напряжения,
позволяющая формировать заданную внешнюю характеристику источника,
обеспечивающаяподдержаниетребуемыхпараметровсистемы
электроснабжения. Определены топологии силовых повышающих и
понижающих импульсных преобразователей.
2. Разработаны математические модели и методики проектирования
для силовых преобразователей повышающего и понижающего типов,
учитывающие режим комплексирования с буферной аккумуляторной
батареей и позволяющие определять наиболее нагруженные элементы ЭТК.
Определены требования к емкости аккумуляторной батареи, достаточной для
компенсации пиковых перегрузок ЭТК по мощности.
3. Предложена эмпирическая численная компьютерная модель
топливного элемента, отличающаяся от существующих возможностью
имитировать статическую и динамическую ВАХ, учитывать вихревые токи в
проводящих элементах структуры, обусловленные высокочастотной
переменной составляющей тока при коммутациях в преобразователе
напряжения. Разработана методика определения параметров модели. Модель
обеспечивает погрешность от 0 до 12% для мгновенных значений тока и
напряжения и до 20% по времени переходного процесса при изменении
нагрузки. Применение такой модели обеспечивает возможность
исследования переходных режимов работы энергетической установки и
выполнять расчет параметров ее элементов, и преобразователя в частности,
на стадии проектирования.
4.Разработанаобобщеннаяматематическаямодель
электротехнического комплекса, учитывающая процессы в топливном
элементе, преобразователе, процессы в режиме комплексирования
преобразователя с буферным аккумулятором, позволяющая проводить
исследование стационарных и переходных режимов энергетической
установки.
5. Разработана новая модель импульсного трансформатора для
преобразователя напряжения, отличающаяся от существующих учетом
потерь на перемагничивание для разных значений индукции и частоты и
обеспечивающая возможность встраивания в программный комплекс
LTspice.
6. Установлены рациональные соотношения параметров ЭТК
энергетической установки в режиме комплексирования стека топливных
элементов и аккумулятора, обеспечивающие увеличение длительности
полета БПЛА.
РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Основные научные результаты диссертации отражены:
– в работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях (из
перечня Минобрнауки России):
1.Васюков И.В. Компьютерные модели топливного элемента с
протонообменной мембраной для исследования переходных режимов в
электротехнических комплексах энергетических установок. // Изв. Вузов.
Электромеханика. – 2021. – №3 – С. 60-67;
2.Бурцев Ю.А., Павленко А.В., Васюков И.В. Расчет переходных
режимов в полупроводниковых преобразователях с применением
статических сопротивлений и неявного метода Эйлера // Электротехника. –
2020. – №12. – С. 13-19;
3.Павленко А.В., Подберезная И.Б., Васюков И.В. К расчету
силового трансформатора импульсного источника питания // Изв. Вузов.
Электромеханика. – 2016. – №5. – С. 38-45;
4.Павленко А.В., Пузин В.С., Гринченков В.П., Большенко А.В.,
Васюков И.В. Проектирование выходного каскада импульсного источника //
Электротехника. – 2015. – №8. – С. 21-27;
5.Павленко А.В., Пузин В.С., Васюков И.В. Проектирование
выходного фильтра высоковольтного импульсного источника питания // Изв.
Вузов. Электромеханика. – 2014. – №1. – С. 58-62;
6.Павленко А.В., Пузин В.С., Васюков И.В. Влияние защитных
цепейсиловыхполупроводниковыхприборовнапараметры
преобразовательной установки // Изв. Вузов. Электромеханика. – 2011. – №3.
– С. 22-28;
– в работах, опубликованных в издания, включенные в международную
базу цитирования SCOPUS:
7.Vasyukov I.V., Puzin V.S. and Pavlenko A.V. Step-down converter
with voltage stabilization for the electric power plant based on hydrogen fuel
elements for unmanned aerial vehicles // II International Scientific Conference on
Applied Physics, Information Technologies and Engineering (APITECH II).
Journal of Physics: Conference Series. Красноярск, 25 сентября 2020;
8.Vasyukov I.V., Pavlenko A.V., Gummel A.A., Puzin V.S. and
Faddeev N.A. Power supply with increased specific energy intensity based on
hydrogen fuel cells for unmanned aerial vehicle // II International scientific
conference: Advanced technologies in aerospace, mechanical and automation
engineering (MIST 2019), Красноярск, 18–21 ноября 2019;
9.Vasyukov I.V., Faddeev N.A., Kramarov A.S., Gummel A.A., Puzin
V.S., Batyukov A.V. Power Installation of an Unmanned Air Vehicle Based on a
Hydrogen Fuel Cell // 26th International workshop on electric drives: Improvement
in efficiency of electric drives (IWED 2019), Москва, 30 января 2019;
10. Vasyukov I.V., Pavlenko A.V., Puzin V.S., Zhivodernikov A.V.,
Batyukov A.V., Shcherbakov A.V. Calculation of the external characteristic of a
switched-mode power supply // 10th International conference on electrical power
drive systems, (ICEPDS 2018), Новочеркасск, 03–06 октября 2018;
11. Vasyukov I.V., Zhivodernikov A.V., Shchuchkin D.A. Component
models of power electronic devices in technical systems // 2018 International
Russian automation conference, (RUSAUTOCON 2018), Сочи, 09–16 сентября
2018;
12. Pavlenko A.V., Vasyukov I.V., Puzin V.S., Grinchenkov V.P.,
Bol’shenko A.V. Designing of the output stage of the impulse power source //
Russian Electrical Engineering, 2015, 86(8), P. 453–458;
13. Vasukov I.V., Bolshenko A.V., Pavlenko A.V., Output filter
designing for power supplies considering leakage inductance // 2nd International
conference on industrial engineering, Applications and manufacturing, (ICIEAM
2016), Челябинск, 19–20 мая 2016;
– свидетельстве о регистрации программы:
14. Программамикроконтроллерасистемыуправления
энергоустановкой на основе водородных топливных элементов, FC_power:
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2020667861 Рос. Федерация / А.В. Павленко, А.С. Хорошев, И.В. Васюков,
Д.А. Щучкин – заявлено 17.12.2020; зарегистрировано в Реестре программ
для ЭВМ 29.12.2020.
Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве,
состоит в участии в работах по созданию математических моделей,
алгоритмов и методик проектирования, изготовлению и испытанию макетов
[2, 3, 5-14]; разработке схем, изготовлении экспериментальных образцов
источников питания и проведении экспериментальных исследований [1, 4].
__________________________
ВАСЮКОВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТАХ ДЛЯ МАЛЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАЮЩИХ
АППАРАТОВ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать 22.10.2021 г.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 21-0321.
Отпечатано в Издательстве «НОК»
346400, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155а
Актуальность работы. При электроснабжении транспортных систем,
автономных объектов военно-промышленного комплекса, источников аварийного
электропитания широко применяются автономные энергоустановки на основе
водородных топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМТЭ).
Энергетические установки киловаттного класса мощности (1-2 кВт) применяются
на малых беспилотных летающих аппаратах (БПЛА). Одним из основных
элементов такой энергетической установки является многофункциональный
электротехнический комплекс, включающий: энергоэффективный
преобразователь напряжения, систему управления и контроля с датчиками и
исполнительными механизмами для управления подачей топлива и отвода
продуктов реакции. Электротехнический комплекс обеспечивает: поддержание
требуемых параметров системы электроснабжения БПЛА, управление процессами
энергетической установки, мониторинг и диагностику параметров, включая
процессы в стеке топливных элементов. Работы по созданию топливных
элементов (ТЭ), автономных энергетических установок и систем электропитания
на их основе активно ведутся как зарубежными (Jae Moon Lee, Jørgen Apeland, Dr
Chris Dudfield, Hanquing Wang, Nabil Benyahia, Amphlett J. C., Khan M.J., Lamei
Xu, Abdelfatah Kolli, Ronald Jurgen, David Wood) так и российскими учеными
(Добровольский Ю.А. (ИПХФ РАН), Смирнова Н.В. (ЮРГПУ(НПИ)), Ландграф
И.К. (ЦНИИ СЭТ), Снытников П.В. (ИК им. Г.К. Борескова СО РАН),
Филимонов С.В (РФЯЦ – ВНИИТФ), Ярославцев А.Б. (ИОНХ им. Н.С.Курнакова
РАН), Гутерман В.Ф. (ЮФУ), Хорошев В.Г. (ФГУП “Крыловский
государственный научный центр”), Беляев П.В. (ОмГТУ), Коровин Н.В. (МЭИ),
Нефедкин С.И. (МЭИ), Липилин А.С. (УрО РАН)) и специалистами компаний:
“BMPower”, ГК “ИнЭнерджи”, “Беспилотные вертолетные системы”.
Степень разработанности темы достаточно высока, опубликовано большое
количество статей, посвященных исследованию топливных элементов, созданию
их математических моделей, опыту построения энергоустановок на их основе.
Однако существуют задачи, когда необходимо получить максимальные
показатели по удельной энергоемкости и времени работы, иногда не считаясь с
ресурсом мембраны топливного элемента. Такие задачи возникают при
проектировании энергоустановок для БПЛА.
Основным элементом электротехнического комплекса является импульсный
преобразователь с возможностями регулирования и стабилизации напряжения.
Контроль напряжений и токов в узлах силовой схемы, на выходе стека топливных
элементов, аккумуляторной батарее и нагрузке обеспечивается системой
управления. Дополнительно система управления контролирует температуру стека,
управляет клапаном сброса влаги, отработанных газов и, при необходимости,
отключает батарею. Для контроля параметров стека топливных элементов и
преобразователя, и их настройки к системе управления можно подключать модуль
телеметрии по радиоканалу. Такое решение позволяет, при необходимости,
обеспечить работу объекта только от стека топливных элементов, не используя
аккумуляторной батареи. При совершении маневров БПЛА кратковременно
может потреблять большую мощность, которую не может обеспечить топливный
элемент. Для решения этой проблемы используются специальные схемы
стабилизации напряжения в режиме комплексирования стека ТЭ и аккумулятора.
Схема стабилизации может обеспечить решение этой задачи за счет
подмешивания в моменты пиковой нагрузки энергии от аккумулятора и
подзаряжая его все остальное время, оказывая тем самым большое влияние на
удельные характеристики всей энергоустановки. Длительное время полета БПЛА
можно обеспечить только при проектировании всей энергоустановки в целом.
Прежде всего, это увеличение количества межэлектродных блоков (МЭБ) в пакете
и выбор рабочей точки на вольтамперной характеристике (ВАХ), что неизбежно
приведет к увеличению массогабаритных показателей. Наиболее эффективным
является выбор оптимального режима функционирования энергетической
установки, обеспечиваемого управлением внешней характеристикой источника
питания и реализуемого системой управления, что может быть обеспечено
управляемым понижающим преобразователем со стабилизатором напряжения.
Задача проектирования таких систем электропитания может быть решена
методами математического и компьютерного моделирования, путем создания
компонентных моделей подсистем энергетической установки, включая
топливный элемент и объединения последних в обобщенную компьютерную
модель. Это позволит уже на стадии проектирования прогнозировать параметры и
характеристики электротехнического комплекса с учетом процессов в топливном
элементе, формулировать требования к алгоритмам управления. Предлагаемые в
настоящей работе численные компьютерные модели, учитывающие процессы в
стеке ТЭ, позволят обеспечить адаптивное управление приводом БПЛА,
экономию топлива, увеличить длительность полета.
Цель работы: Разработка электротехнической системы для
автономной энергетической установки на водородных топливных элементах на
основе применения разработанных новых компьютерных и математических
моделей и алгоритмов проектирования.
Объект исследования: Электротехнический комплекс энергетической
установки на основе ТЭ
Предмет исследования: Процессы в электротехническом комплексе
энергетической установки на основе ТЭ
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Анализ существующих технических решений по реализации систем
электропитания автономных энергетических установок на основе
водородных топливных элементов и методов проектирования их элементов.
2. Разработка функциональной структуры электротехнического комплекса.
Выбор топологии силовых импульсных преобразователей. Разработка
методики проектирования.
3. Разработка комплексной численной модели электротехнического комплекса
с учетом процессов в топливном элементе и преобразователе.
4. Экспериментальное исследование электротехнического комплекса на
стенде и действующей модели БПЛА
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Предложена новая структура ЭТК, отличающаяся от существующих
наличием схемы регулирования и стабилизации выходного
напряжения, позволяющая формировать заданную внешнюю
характеристику источника.
2. Разработаны новые методики проектирования силовой части
повышающего и понижающего преобразователей ЭТК, отличающиеся
усовершенствованными расчетными соотношениями для определения
токов и напряжений, позволяющие повысить точность определения
параметров режимов.
3. Разработана новая компонентная модель импульсного трансформатора
преобразователя, отличающаяся от существующих учетом магнитного
гистерезиса, обеспечивающая возможность встраивания в
существующие программные комплексы.
4. Предложена динамическая модель топливного элемента, отличающаяся
от существующих учетом вихревых токов в проводящих элементах
структуры, позволяющая моделировать переходные режимы при
изменении нагрузки на выходе энергетической установки.
5. Предложена обобщенная численная модель электротехнического
комплекса, учитывающая процессы в топливном элементе,
преобразователе, в режиме комплексирования стека и буферного
аккумулятора, позволяющая проводить исследование стационарных и
переходных режимов работы энергетической установки.
6. Установлены рациональные соотношения параметров ЭТК
энергетической установки в режиме комплексирования стека
топливных элементов и аккумулятора, обеспечивающие увеличение
длительности полета БПЛА.
Теоретическая значимость работы. Предложена новая методика
проектирования основных элементов ЭТК. Получены зависимости для
определения режимов работы элементов силовой схемы в общем виде.
Разработана обобщенная численная модель электротехнического комплекса с
учетом процессов в топливном элементе и преобразователе и нагрузке.
Теоретическую значимость имеют полученные новые знания о влиянии исходных
параметров топливного элемента на характеристики энергоустановки.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработаны методики проектирования топологий повышающего и понижающего
преобразователей, численные модели для анализа процессов в ЭТК, позволяющие
снизить объем работ по макетированию устройств. Разработан и изготовлен стенд
для экспериментальных исследований систем электропитания.
Экспериментальный образец ЭТК мощностью 1,3 кВт испытан на действующей
модели БПЛА при участии в технологическом конкурсе UPGREAT “Первый
элемент. Воздух”.
Методы исследований. При решении поставленных задач был использован
системных подход, методы схемотехнического проектирования, математического
анализа, теории электрических цепей, методы математического и численного
моделирования и экспериментальных исследований.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются
корректностью допущений, принимаемых при выведении формул и разработке
алгоритмов, применением традиционных методологических принципов
современной науки для выполнения исследований, использованием
метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов,
приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Структура ЭТК, со схемой регулирования и стабилизации выходного
напряжения, позволяющая формировать заданную внешнюю
характеристику источника.
2. Новая методика проектирования силовой части повышающего и
понижающего преобразователей ЭТК, обеспечивающая повышение
точности определения параметров в различных режимах.
3. Динамическая модель топливного элемента, с учетом вихревых токов в
проводящих элементах структуры, обусловленных высокочастотной
переменной составляющей тока при коммутациях в преобразователе
напряжения в режиме пиковых нагрузок. Методика определения
параметров динамической модели.
4. Новая компонентная модель импульсного трансформатора
преобразователя с учетом магнитного гистерезиса, обеспечивающая
возможность встраивания в существующие программные комплексы.
5. Новая методика проектирования силовой части понижающего
преобразователя ЭТК, учитывающая режим комплексирования
топливного элемента и буферного аккумулятора.
6. Обобщенная численная модель электротехнического комплекса,
учитывающая процессы в топливном элементе, преобразователе,
аккумуляторе и нагрузке.
7. Рациональные соотношения параметров ЭТК энергетической
установки в режиме комплексирования стека топливных элементов и
аккумулятора, обеспечивающие увеличение длительности полета
БПЛА.
Результаты работы докладывались и обсуждались на различных научных
конференциях, публиковались в тематических журналах. Результаты работы были
использованы при разработке энергоустановки БПЛА для участия в
технологическом конкурсе UPGREAT “Первый элемент. Воздух”. Результаты
испытаний на стенде и в режиме полета подтвердили правильность предлагаемых
научно-технических решений. Результаты теоретических и экспериментальных
исследований диссертации были использованы в процессе выполнения
различных работ в НИИ Электромеханики и ООО МагнетикДон. Акты внедрения
приведены в приложении 1.
В диссертационной работе предложены новые научно обоснованные
технические решения по разработке электротехнического комплекса
энергетической установки на базе водородных топливных элементов на основе
создания новых численных моделей и алгоритмов для исследования и
проектирования.
При достижении поставленной цели в диссертации получены следующие
основные научные и практические результаты:
1. На основе анализа существующих технических решений предложена
новая функциональная структура электротехнического комплекса для
энергетической установки БПЛА на базе водородных топливных
элементов, со схемой регулирования и стабилизации выходного
напряжения, позволяющая формировать заданную внешнюю
характеристику источника, обеспечивающая поддержание требуемых
параметров системы электроснабжения. Определены топологии силовых
повышающих и понижающих импульсных преобразователей.
2. Разработаны математические модели и методики проектирования
силовых преобразователей повышающего и понижающего типов,
позволяющие определять наиболее нагруженные элементы и
учитывающие режим комплексирования с буферной аккумуляторной
батареей. Определены требования к емкости аккумуляторной батареи,
достаточной для компенсации пиковых перегрузок по мощности.
3. Предложена динамическая модель топливного элемента,
отличающаяся от существующих учетом вихревых токов в проводящих
элементах структуры, обусловленных высокочастотной переменной
составляющей тока при коммутациях в преобразователе напряжения в
режиме пиковых нагрузок. Разработана методика определения
параметров динамической модели. Применение такой модели
обеспечивает возможность исследовать переходные режимы работы
энергетической установки и выполнять расчет параметров ее элементов,
и преобразователя в частности, на стадии проектирования.
4. Разработана обобщенная численная модель электротехнического
комплекса, учитывающая процессы в топливном элементе,
преобразователе, процессы в режиме комплексирования преобразователя
с буферным аккумулятором, позволяющая проводить исследование
стационарных и переходных режимов энергетической установки.
5. Разработана новая компонентная модель импульсного трансформатора
для повышающего преобразователя, отличающаяся от существующих
учетом магнитного гистерезиса, обеспечивающая возможность
встраивания в существующие программные комплексы. Модель
учитывает все наиболее важные параметры и позволяет рассчитывать
потери в трансформаторе для разных значений индукции и частоты.
6. Установлены рациональные соотношения параметров ЭТК
энергетической установки в режиме комплексирования стека топливных
элементов и аккумулятора, обеспечивающие увеличение длительности
полета БПЛА.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!