Совершенствование электротехнического комплекса энергетической установки на водородных топливных элементах для малых беспилотных летающих аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Васюков Иван Владимирович

• Васюков Иван Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Васюков Иван Владимирович

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. №1;-лист компонентной модели трансформатора

Приложение 5. Вывод расчетных формул для понижающего преобразователя ЭТК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование электротехнического комплекса энергетической установки на водородных топливных элементах для малых беспилотных летающих аппаратов»

Введение

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, Jorgen Apeland, Dr Chris Dudfield, Hanquing Wang, Nabil Benyahia, Amphlett J. C., Khan M.J., Lamei Xu, Abdelfatah Kolli, Ronald Jürgen, 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.

4

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.

5

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 иРОЯБАТ "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.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ 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

Общая структура энергетической установки на основе водородных топливных элементов [1] показана на рисунке 1.1:

Рисунок 1.1 - Структурная схема энергоустановки

Топливный элемент используемый в летательных аппаратах чаще всего

представляет собой протонообменную мембрану из материала нафион, на

которую с обоих сторон нанесен слой катализатора. С одной стороны к мембране

подводится топливо (водород), другая обдувается атмосферным воздухом. Для

подключения электрической нагрузки используются титановые или графитовые

электроды. В результате реакции окисления водорода образуется водной пар,

который увлажняет мембрану и частично выдувается вместе с воздухом, а

частично накапливается в каналах подачи топлива. По этой причине

10

периодически открывается сбросной клапан и происходит продувка каналов от накопившейся воды.

Основная часть энергоустановки это батарея (далее по тексту - стек) последовательно соединенных топливных элементов. Вырабатываемая электрическая энергия преобразуется и стабилизируется при помощи DC/DC преобразователя. Часть энергии потребляется для собственных нужд для питания вспомогательных систем, таких как компрессор, насос водяного охлаждения, клапана, и система управления. В установках средней мощности (несколько киловатт) часть систем может отсутствовать. Например, в энергоустановках для беспилотных летательных аппаратов отсутствует [2] водяное охлаждение, увлажнитель и компрессор. Вместо последних используются аксиальные вентиляторы, которые прокачивают воздух через стек топливных элементов. На рисунке 1.2 показана структурная схема электрической части такой энергоустановки [3].

Рисунок 1.2 - Электрическая структурная схема энергоустановки

В общем случае стек топливных элементов (PEMFC) через LC фильтр питает DC/DC преобразователь, к выходу которого подключена аккумуляторная батарея, нагрузка и потребители собственных нужд энергоустановки. Батарея служит для запуска топливного элемента из холодного состояния и позволяет выдерживать кратковременные перегрузки по мощности со стороны нагрузки. LC-фильтр сглаживает пульсации тока потребляемого от топливного элемента,

тем самым повышая его ресурс работы. Диод D защищает топливный элемент от попадания на него внешнего напряжения при нештатной работе преобразователя.

На рисунке 1.3 показаны потери энергии (диаграмма Сэнкей) в процессе работы энергетической установки в системе электродвижения автомобиля [4].

Рисунок 1.3 - Потери энергии в энергетической установке

Как видно из рисунка потери энергии в DC/DC преобразователе малы, однако он расположен первым, следовательно, его мощность должна быть выбрана с учетом всех потерь. Лучшие образцы энергоустановок на основе водородных топливных элементом имеют следующие удельные показатели энергоемкости. В [2] приведена информация об установке энергоемкостью 1000 Втч/кг, однако авторы приводят недостаточно информации о конструкции и параметрах установки, для того чтобы оценить достоверность. В [5] приведен график с зависимостями удельной энергии Втч/кг от удельной мощности Вт/кг для различных способов хранения энергии. Лучшие параметры на этом графике имеют бензин и водород. Наилучшие показатели для хранения электрической энергии на этом графике имеют аккумуляторы, способные запасать до 700 Вт-ч/кг с удельной мощностью до 800 Вт/кг. Однако обоснований и подтверждения этих данных не приведено.

В [6] представлена разработка Intelligent Energy (2020 г.), с удельной энергией 411 Вт-ч/кг и 450 Втч/кг. Масса систем энергоустановки 6,14 кг и 9,5 кг

обеспечивает количество произведенной энергии 2336 Втч и 4435 Вт-ч соответственно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Энергоустановка Intelligent Energy

Энергоустановка для мультироторного дрона Staaker BG200 (декабрь 2020 г.) от норвежской компании Nordic Unmannedc удельной энергией 242 Втч/кг представлена в [7 и 8]. Она включает в себя топливный элемент мощностью 2 кВт и баллон емкостью 7,2 л с водородом под давлением 300 Бар. С баллоном емкостью 9 л была достигнута длительность полета 120 минут против 60 минут на стандартных элементах питания (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Энергоустановка Staaker BG200

Установка DP30 Powerpack, от Doosan Mobility Innovation (2021 г.) представлена в [9]. Удельную энергоемкость производитель не указывает, но из приведенных данных - время полета более 2 часов, мощность 2,6 кВт, масса 12,34 кг - ее можно косвенно оценить как 421,4 Втч/кг (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Энергоустановка DP30 Powerpack

Установка ProGEN от PlugPower [10] имеет удельную энергоемкость 450 Втч/кг, выходную мощность 450 Вт и массу 3,95 кг (рисунок 1.7)

Рисунок 1.7 - Энергоустановка ProGEN

В [11] приведены данные об установке FCair 1200 от Ballard. Установка имеет параметры: масса 4 кг, непрерывная мощность 1300 Вт, пиковая перегрузка по мощности 2000 Вт, габаритные размеры 431,8x266,7x165,1 мм (рисунок 1.8). Особенность установки в жидкостном охлаждении топливного элемента. Однако данных о длительности работы от одной заправки водородом не приведено, поэтому оценить ее удельную энергоемкость возможности нет.

Известна также информация о рекордной длительности полета - 332 минуты, БПЛА с энергоустановкой (рисунок 1.9) мощностью 2 кВт на основе водородных топливных элементов [12]. Других параметров, которые позволили бы определить удельную энергоемкость, в статье не приведено.

Рисунок 1.8 - Энергоустановка FCair 1200

Рисунок 1.9 - Энергоустановка БПЛА с рекордной длительностью полета

1.2 Анализ методов проектирования повышающих и понижающих преобразователей для автономных электротехнических комплексов

В литературе встречаются несколько топологий ЭТК для энергетических установок беспилотных летательных аппаратов. Самая простая -непосредственное подключение нагрузки к выходу топливного элемента. Недостатком такого решения является то, что при взлете и посадке БПЛА требуется в 3-5 раз больше энергии, чем его движение в крейсерском режиме. При этом общее время таких перегрузок составляет 2 - 4 % от общего времени полета. Для того, чтобы не применять топливные элементы с избыточным весом, способные выдерживать такие пиковые перегрузки используют буферный

накопитель энергии [13]. На рисунке 1.10 представлено три варианта сложения мощностей от двух источников энергии. Недостатком такого технического решения является повышенная сложность и увеличение веса установки. Решение с двумя DC/DC преобразователями позволяет работать топливному элементу и аккумуляторной батарее в оптимальном режиме.

а)

b)

Fuel Cell -> DCi DC

Battery DC/DC

ESC

Propeller

BLDC

с)

Рисунок 1.10 - Варианты реализации силовой части

В [13] предложен и более простой вариант схемы энергоустановки (рисунок 1.11) и полная модель всей установки в программном комплексе «Симулинк».

Рисунок 1.11 - Структура ЭТК энергоустановки с отключаемой батареей

Здесь аккумулятор подключается только в режимах пиковой перегрузки. Диодами осуществляется развязка между источниками энергии. Недостатком такой схемы является то, что напряжение на шине при выключенных двигателях может значительно превышать его величину в номинальном режиме работы в соответствии с поляризационной кривой топливного элемента.

В [14] приведена схема перенаправления мощности от четырех источников -топливный элемент, суперконденсатор, аккумуляторная батарея и шина питания (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 - Структура энергоустановки с трансформаторной связью источников энергии

В [15] представлены методы проектирования энергосистемы с топливным элементом для летательного аппарата. Однако в работе не рассмотрены вопросы разработки DC/DC преобразователя и его влияния на остальные системы.

На рисунке 1.13 представлена структура энергосистемы морского исполнения [16]. Здесь, для компенсации коротких пиковых перегрузок используются суперконденсаторы, подключенные через DC/DC преобразователь. В статье предложена математическая модель топливного элемента и его физическая модель в виде понижающего регулятора. Выходное напряжение регулятора изменяется в зависимости от выходного тока, а также от входных сигналов имитирующих уровень давления и температуру водорода и кислорода стека топливных элементов. Как и в предыдущем случае, в этой статье авторы не приводят информации об особенностях проектирования DC/DC преобразователей и их работе в составе электротехнического комплекса.

Storage subsystem

Рисунок 1.13 - Структура энергоустановки морского исполнения

В [17] представлена схема энергоустановки с тремя источниками питания, которые объединяются на общей шине через двунаправленные преобразователи (рисунок 1.14). В данном случае при направлении энергии на шину напряжение может быть либо равным, либо выше напряжения источников. При обратном направлении, соответственно либо равным, либо ниже напряжения шины. В статье приведена математическая модель схемы системы электропитания, диаграммы Боде и способ компенсации обратной связи, а также алгоритм работы системы управления на основе нечеткой логики. Сама же идея такой схемы и

описание процесса моделирования приведены в [18].

18

Рисунок 1.14 - Структура ЭТК энергоустановки с двунаправленными преобразователями

В [19] предложена более простая схема энергоустановки в виде стека топливных элементов и повышающего стабилизатора напряжения (рисунок 1.15). В статье предложена математическая модель такой силовой части, которая учитывает влияние ВАХ топливного элемента на процессы в преобразователе.

Рисунок 1.15 - Структура энергоустановки с повышающим преобразователем

Схема, предложенная в [20] представляет собой повышающий трехфазный interleaved-преобразователь (рисунок 1.16). Такая топология позволяет увеличить ресурс работы топливного элемента за счет снижения пульсаций потребляемого от него тока. В работе наибольшее внимание уделяется вопросам защиты от аварийных режимов в преобразователе.

Рисунок 1.16 - Структура энергоустановки с Interleaved-преобразователем

Для еще большего снижения пульсаций тока потребляемого от топливного элемента в [21] предложена схема четырехфазного плавающего Interleaved-преобразователя (рисунок 1.17). К дополнительным преимуществам схемы можно отнести распределение нагрузки на несколько полупроводниковых и индуктивных элементов, что дает возможность использовать недорогие распространенные элементы. К недостаткам схемы можно отнести большое количество элементов, что приведет к завышенным массогабаритным показателям, хотя авторы и не проводили такой анализ. В [22] приведен сравнительный анализ этой схемы и трехфазного преобразователя из предыдущей схемы.

Рисунок 1.17 - Структура энергоустановки с плавающим Interleaved преобразователем

Еще один вариант силовой схемы (рисунок 1.18), стабилизирующей напряжение после топливного элемента предложен в [23]. Здесь напряжение от стека топливных элементов повышается и стабилизируется сдвоенным трехуровневым повышающим преобразователем и заряжает суперконденсатор. Затем это стабильное напряжение повышается до требуемого с помощью двухиндуктивного повышающего преобразователя со вспомогательным трансформатором.

Рисунок 1.18 - Структура энергоустановки с двухступенчатым повышающим преобразователем

В [24] приведена новая схема в виде комбинации SEPIC-преобразователя и удвоителя напряжения (рисунок 1.19). Преимущества такого преобразователя в непрерывном токе, потребляемом от топливного элемента, возможность гальванической развязки и возможности изменения направления потока энергии.

Рисунок 1.19 - Структура энергоустановки с SEPIC-преобразователем

Еще один вариант преобразователя предложен в [3]. Он представляет собой понижающий и повышающий mterleaved-конвертеры и нагрузку, подключенную к их выводам (рисунок 1.20). Авторы заявляют о достижении КПД более чем 95 %.

иь-у-^у.-Ц^У ...................................

Рисунок 1.20 - Структура энергоустановки с понижающе-повышающим interleaved-

преобразователем

Подобный анализ и сравнение приведенных схем выполнены в диссертационной работе [25]. Это наиболее современное исследование на тему разработки преобразователя напряжения для энергоустановок на основе топливных элементов.

1.3 Выводы. Постановка задачи

Обзор технической литературы показывает, что для мобильных применений топливный элемент сам по себе не может быть использован как замена электрическому аккумулятору в энергетической установке БПЛА. Причины этого состоят, прежде всего, в «мягкой» вольт-амперной 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». Требуется вспомогательный источник энергии для первоначального запуска системы управления, открытия клапанов 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.

Во многих приведенных в предыдущем разделе работах исследования направлены на снижение пульсаций тока от топливного элемента и повышение надежности работы преобразователя за счет увеличения количества параллельно работающих фаз. Такие пути усовершенствования энергоустановки эффективны для систем питания наземного и водного транспорта и стационарных устройств. Однако при использовании таких установок на 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 220/380 В. В двигательных установках летательных аппаратов напротив чаще используется низкое напряжение 12 - 36 В. Соответственно преобразователь напряжения должен 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васюков Иван Владимирович, 2021 год

Список используемой литературы

1. Abdelfatah Kolli, Arnaud Gaillard, Alexandre De Bernardinis, Olivier Bethoux, Daniel Hissel, Zoubir Khatir A review on DCDC converter architectures for power fuel cell applications // Energy Conversion and Management, November 2015, vol. 105, pages 716-730, DOI: 10.1016/j.enconman.2015.07.060

2. Nadia Belmonte, Carlo Luetto, Stefano Staulo, Paola Rizzi, Marcello Baricco Case Studies of Energy Storage with Fuel Cells and Batteries for Stationary and Mobile Applications // Challenges, MDPI, Open Access Journal, March 2017, vol. 8(1), pages 1-15, DOI: 10.3390/challe8010009

3. Dawei Gao, Zhenhua Jin, Jiexun Liu, Minggao Ouyang An interleaved step-up/step-down converter for fuel cell vehicle applications // International Journal of Hydrogen Energy, December 2016, vol. 41, Issue 47, 21, pages 22422-22432, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.171

4. Dawei Gao, Zhenhua Jin, Junzhi Zhang, Jianqiu Liu, Minggao Ouyang Development and performance analysis of a hybrid fuel cell/battery bus with an axle integrated electric motor drive system // International Journal of Hydrogen Energy, 12 January 2016, vol. 41, Issue 2, pages 1161-1169, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.10.046

5. Gregor Hoogers Fuel Cell Technology Handbook // ISBN 0-8493-0877-1,

2003.

6. Dr Chris Dudfield Beyond Batteries Hydrogen Fuel Cell for UAVs, Intelligent Energy, November 2020 - [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/12/f81/hfto-h2-airports-workshop-2020-dudfield.pdf, свободный.

7. Nordic Unmanned Completes Scandinavia's First Hydrogen Powered Drone Flight, December 2020 - Режим доступа: https://nordicunmanned.com/press-releases/nordic-unmanned-completes-scandinavias-first-hydrogen-powered-drone-flight/

8. Jorgen Apeland, Dimitrios Pavlou, Tor Hemmingsen Suitability Analysis

of Implementing a Fuel Cell on a Multirotor Drone // Journal of Aerospace Technology

110

and Management, On-line version, ISSN 2175-9146, August 2020, vol.12, DOI: 10.5028/jatm.v12.1172

9. The world's first commercial fuel cell powerpack for drone DP30 Powerpack - [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.doosanmobility.com/en/products/powerpack/, свободный.

10. ProGen Engines for Aerospace & Robotics Applications spec sheet | ProGen 300W - [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.plugpower.com/wp-content/uploads/2020/07/ProGenEP0D_F.pdf, свободный.

11. Fuel Cells for Drones and UAVs - [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.unmannedsystemstechnology.com/company/ballard-power-systems/, свободный.

12. China: World Record Flight Time for Hydrogen Fuel Cell Drone - Режим доступа: https://fuelcellsworks.com/news/china-world-record-flight-time-for-hydrogen-fuel-cell-drone/

13. Thomas Strele Power Management for Fuel Cell and Battery Hybrid Unmanned Aerial Vehicle Applications, A Thesis for the Degree Master of Science, November 2016, Arizona State University

14. Tao Lei, Zhou Yang, Zicun Lin, Xiaobin Zhang State of art on energy management strategy for hybrid-powered unmanned aerial vehicle // Chinese Journal of Aeronautics, June 2019, vol. 32, Issue 6, pages 1488-1503, DOI: 10.1016/j.cja.2019.03.013

15. Thomas Heenan Bradley Modeling, design and energy management of fuel cell systems for aircraft, A Dissertation for the Degree Doctor of Philosophy in the School of Mechanical Engineering, December 2008, Georgia Institute of Technology.

16. Nabil Benyahia, N. Benamrouche, Toufik Rekioua Modeling, design and simulation of fuel cell modules for small marine applications // 2012 XXth International Conference on Electrical Machines, IEEE, September 2012, DOI: 10.1109/ICElMach.2012.6350154

17. Puran Adhikari, Mohamed Abdelrahman Modeling, Control, and Integration of a Portable Solid Oxide Fuel Cell System // Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, December 2011, DOI: 10.1115/1.4005386

18. Luca Solero, Alessandro Lidozzi, Jose Antenor Pomilio Design of Multiple-Input Power Converter for Hybrid Vehicles // IEEE Transactions On Power Electronics, September 2005, vol. 20, №. 5, DOI: 10.1109/TPEL.2005.854020

19. E. I. Vazquez-Oviedo, M. G. Ortiz-Lopez, L. H. Diaz-Saldierna, J. Leyva-Ramos Modeling Study of a Combined Fuel-Cell Stack/Switch Mode DC-DC Converter // Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, November 2013, DOI: 10.1115/1.4025634

20. Damien Guilbert, Abdoul N'Diaye, Arnaud Gaillard, Abdesslem Djerdir Fuel cell systems reliability and availability enhancement by developing a fast and efficient power switch open-circuit fault detection algorithm in interleaved DC/DC boost converter topologies // International Journal of Hydrogen Energy, September 2016, vol. 41, Issue 34, pages 15505-15517, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.01.169

21. Mohammad Kabalo, Damien Paire, Benjamin Blunier, David Bouquain, Marcelo Godoy Simoes, Abdellatif Miraoui Experimental evaluation of four-phase floating interleaved boost converter design and control for fuel cell applications // IET Power Electronics, February 2013, vol. 6, Issue 2, pages 215-226, DOI: 10.1049/iet-pel.2012.0221

22. Damien Guilbert, Arnaud Gaillard, Abdoul N'Diaye, Abdesslem Djerdir Energy Efficiency and Fault Tolerance Comparison of DC/DC converters Topologies for Fuel Cell Electric Vehicles // Conference: Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), June 2013, DOI: 10.1109/ITEC.2013.6574513

23. Maja Harfman Todorovic, Leonardo Palma, and Prasad N. Enjeti Design of a Wide Input Range DC-DC Converter With a Robust Power Control Scheme Suitable for Fuel Cell Power Conversion // IEEE Transactions on Industrial Electronics, March 2008, vol. 55, no. 3, DOI: 10.1109/TIE.2007.911200

24. Abbas A. Fardoun, Esam H. Ismail, Ahmad J. Sabzali, Mustafa A. Al-

Saffar Bidirectional converter for high-efficiency fuel cell powertrain // Journal of

112

Power Sources, March 2014, vol. 249, pages 470-482, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.10.122

25. Hanquing Wang Design and control of a 6-phase Interleaved Boost Converter based on SiC semiconductor witch EIS functionality for Fuel Cell Electric Vehicle, These de doctorat de l'etablissment Universite Bourgogne Franche-Comte , Belfort 2019.

26. 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, P.1-4, DOI: 10.1109/iwed.2019.8664235

27. В.П. Брусенцов Некоторые вопросы электроэнергетики твердооксидных топливных элементов // Сборник научно-технических статей «Твердооксидные топливные элементы», Издательство Российского федерального ядерного центра — ВНИИ технической физики имени академика Е.И. Забабахина, г. Снежинск.

28. Vikram Hrishikeshavan, Inderjit Chopra, Design and Testing of a Dual Tilt-Wing Micro Air Vehicle // Conference: American Helicopter Society, 68th Annual Forum, At Dallas, Texas, May 2012.

29. Pressman, Abraham I. Switching power supply design. - 2nd ed. p. cm.-325 p.- ISBN-0-07-052236-7.

30. Семенов Б.Ю. Силовая электроника от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416с.

31. Muhammad H. Rashid, Power Electronics Handbook, 2001, Academic

Press.

32. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005. - 632. ISBN5-94836-051-2.

33. 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, P.1-11, DOI: 10.1088/17426596/1679/5/052027

34. 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, P.1-7, DOI: 10.1088/1757-899x/734/1/012201

35. Abdellah Narjiss, Daniel Depernet, Frédéric Gustin, Daniel Hissel, Alain Berthon Design of a High Efficiency Fuel Cell dc/dc Converter Dedicated to Transportation Application // J. Fuel Cell Sci. Technol. November 2008, pages 11, DOI: 10.1115/1.2889009

36. Павленко А.В., Васюков И.В., Пузин В.С., Гринченков В.П., Большенко А.В. Проектирование выходного каскада импульсного источника // Электротехника 2015, №8 - С. 21 - 27.

37. 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, DOI: 10.3103/S1068371215080106

38. Павленко А.В., Пузин В.С., Васюков И.В. Проектирование выходного фильтра высоковольтного импульсного источника питания // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2014. - №1. - С. 58-62

39. 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, P.1-6, DOI: 10.1109/ICIEAM.2016.7911507

40. Горский А. Н., Русин Ю.С., Иванов Н. Р., Сергеева Л.А. Расчёт электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.

41. Создание программного обеспечения для решения кубических уравнений с использованием формулы Кардано, режим доступа: http ://jurnal.org/articles/2014/mat4 .html, свободный.

42. 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), Новочерка^к, 03-06 октября 2018, P.181-184, DOI: 10.1109/icepds.2018.8571828

43. Vasyukov I.V., Zhivodernikov A.V., Shchuchkin D.A. Component models of power electronic devices in technical systems // 2018 International Russian auto-mation conference, (RUSAUTOCON 2018), Сочи, 09-16 сентября 2018, P.679-683, DOI: 10.1109/rusautocon.2018.8501702

44. L.G. Meares, Charles E. Hymowitz Article Title: "SPICE Models For Power Electronics".

45. В.Я. Володин Настройка гистерезисной модели LTspice, [Электронный ресурс]. режим доступа: http://valvolodin.narod.ru/articles/gm_ltspice.pdf , свободный.

46. Герасимов А.А., Кастров М.Ю. Электромагнитные компоненты преобразователей напряжения // Практическая силовая электроника, 2001, №1, стр. 32-38.

47. E. C. Snelling, Soft Ferrites, Properties and Applications, 2nd ed. London, U.K.: Butterworths, 1988

48. Компонентная модель высоковольтного импульсного трансформатора // Аннотированный научно-технический отчет о результатах научно-исследовательских работ по конкурсу мол_нр, исп. Васюков И.В., рук. Пузин В.С. 2016, регистрационный номер АААА-А16-116060810089-8.

49. И. Б. Подберезная, А. В. Павленко, И.В. Васюков, К расчету силового трансформатора импульсного источника питания // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2016, №5 - С. 38 - 45.

50. Сайт компании «НПКЦ «Курсор» [Электронный ресурс]. Режим доступа: Функциональная схема и краткое описание работы силового блока импульсных источников «ГОРН», режим доступа: http://www.power2000.ru/desc_sb.html, свободный.

51. Zhang, Saed Sobhani, Rahul Chokhawala Snubber Considerations for IGBT Applications by Yi. International Rectifier Applications Engineering, [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.irf.com/technical-info/designtp/tpap-5.pdf, свободный.

52. Сайт ресурса «Силовая электроника для любителей и профессионалов» Как включать и выключать силовые ключи, чтобы потери на переключение были минимальны? или метод разделения первичной обмотки трансформатора, как универсальное средство для мягкого переключения, [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://multikonelectronics.com/subpage.php?p=8&i=11#Kak, свободный.

53. Васюков. И.В., Павленко А.В., Пузин В.С. Влияние защитных цепей силовых полупроводниковых приборов на параметры преобразовательной установки // Изв. Вузов. Электромеханика Сев. - Кавк. Регион. Техн. Науки. -2011, №3 - С. 22-28.

54. В.Г. Титов, С.В. Абрамов Симулятор характеристик топливных элементов на базе полупроводникового преобразователя // Известия Томского политехнического университета. 2007. Т. 311. № 4.

55. M. T. Outeiro, R. Chibante, A. S. Carvalho, A.T. de Almeida Dynamic modeling and simulation of an optimized proton exchange membrane fuel cell system // Proceedings of IMECE 2007, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 2007, Seattle, Washington, USA, DOI: 10.1115/IMECE2007-43558

56. Ronald F. Mann, John C. Amphlett, Michael A.I. Hooper, Heidi M. Jensen, Brant A. Peppley, Pierre R. Roberge Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell // November 1999,

Journal of Power Sources, pages 173-180, DOI: 10.1016/S0378-7753(99)00484-X

57. J.C. Amphlett, Brant A. Peppley, Pierre Roberge A practical pemfuell cell model for simulating vehicle power sources // Conference: Battery Conference on Applications and Advances, 1995., Proceedings of the Tenth Annual, February 1995, DOI: 10.1109/BCAA.1995.398535

58. Lamei Xu, Jinsheng Xiao Modeling and Simulation of PEM Fuel Cells Based on Electrochemical model // 2011 International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, June 2011, DOI: 10.1109/RSETE.2011.5964316

59. Goce L. Arsov Improved Parametric PSpice Model of a PEM Fuel Cell // 2008 11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, May 2008, DOI: 10.1109/OPTIM.2008.4602367

60. Dachuan Yu, S. Yuvarajan Electronic circuit model for proton exchange membrane fuel cells // Journal of Power Sources, September 2004, pages 238-242, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.09.041

61. Rahmoun A., Biechl H. Modelling of Li-ion batteries using equivalent circuit diagrams // Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review), January 2012, pages 152-156.

62. Rahimian S. K., Rayman S., White R. E. Comparison of single particle and equivalent circuit analog models for a lithium-ion cell // Journal of Power Sources. June 2011, Volume 196, Issue 20, pages 8450-8462, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.06.007

63. Борисевич А.В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния // Современная техника и технологии. 2014. № 5 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://technology.snauka.ru/2014/05/3542, свободный.

64. T-Motor U8 II KV100, RC-Copter [Электронный ресурс]. Режим

доступа: https://rccopter.ru/product/t-motor-u8-ii-kv100, свободный.

117

65. Mohamed Nadir Boukoberinea, Zhibin Zhoub, Mohamed Benbouzida A critical review on unmanned aerial vehicles power supply and energy management: Solutions, strategies, and prospects // Applied Energy, December 2019, vol. 255, DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113823

66. M. T. Outeiro, R. Chibante, A. S. Carvalho, A.T. de Almeida Dynamic modeling and simulation of an optimized proton exchange membrane fuel cell system // Proceedings of IMECE2007, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, November 2007, Seattle, Washington, USA, 2007 DOI: 10.1115/IMECE2007-43558

67. Павленко А.В., Бурцев Ю.А., Васюков И.В. Расчет переходных режимов в полупроводниковых преобразователях с применением статических сопротивлений и неявного метода Эйлера // Электротехника. - 2020. - №12. - С. 13-19.

68. Васюков И.В. Компьютерные модели топливного элемента с протонообменной мембраной для исследования переходных режимов в электротехнических комплексах энергетических установок. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2021. - №3. - С. 60-66.

69. Финал технологического конкурса UPGRADE, Результаты конкурса [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://1element.upgreat.one/final/, свободный.

70. Программа микроконтроллера системы управления энергоустановкой на основе водородных топливных элементов, FC_power: Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2020667861 Рос. Федерация / А.В. Павленко, А.С. Хорошев, И.В. Васюков, Д.А. Щучкин - Заявл. 17.12.2020; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 29.12.2020.

Приложение 1.

Документы, подтверждающие внедрение разработок автора.

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (Новочеркасский политехнический институт)

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

346428. г Новочеркасск, ул. Просвещения. 132

Тел.: (86352} 55-029, тел./факс: [phone] Е-тай: [e-mail]

№13.04-07/203 от 27.09.2021г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Научные и практические результаты диссертационной работы Васюко-ва Ивана Владимировича на тему: «Совершенствование электротехнического комплекса энергетической установки на водородных топливных элементах для малых беспилотных летающих аппаратов» использованы НИИ Электромеханики в ходе выполнения работ по созданию импульсных источников питания различного назначения.

Наиболее важными результатами диссертационной работы являются:

1. Алгоритмы проектирования понижающего и мостового преобразователей.

2. Математическая модель электротехнического комплекса водородной энергоустановки.

3. Численные компьютерные модели водородного топливного элемента, импульсного трансформатора и преобразователя напряжения электротехнического комплекса.

4. Рекомендации по выбору требуемой емкости буферного аккумулятора.

5. Практическая реализация энергоустановки мощностью 1,3 кВт.

Результаты работы использовались в НИИ ЭМ при выполнении Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации «Энергоустановки на водородных топливных элементах для малых беспилотных аппаратов: моделирование, разработка, исследования» № РЕШ-2020-0020, регистрационный номер ЕГИСУ НИОКТР АААА-А20-120101590058-6.

Зам. директора

-А.Щучкин

Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие

"ЛЛагнетикДон!

346428, Ростовская область, г, Новочеркасск,ул. Первомайская, д. 105, ив.184

Р/С 40702810920250002571 Филиал Южный ПАО Банка "ФК Открытие" Г.РОСТОВ-НА-ДОНУ кор/сч № 30101810560150000061, БИК 046015061 ИНН 6150047802 КПП 615001001 ОКПО 95023156 Тел. [phone], e-mall: maEneticdon(5)mail.ru. сайт: www.maeneticdon.ru

внедрения результатов диссертации ВасюковаИ.В. «Совершенствование электротехнического комплекса энергетической установки на водородных топливных элементах для малых беспилотных летающих аппаратов» на

Настоящий акт составлен о том, что результаты кандидате кой диссертации Васюкова Ивана Владимировича, а именно - алгоритмы проектирования, понижающего и мостового преобразователей, их численные и компьютерные модели, были использованы в проекггно-конструкторской деятельности в ООО НПП «МагнетикДон» при выполнении работ по проектированию импульсных источников питания для электротехнологий.

«УТВЕРЖДАЮ»

? Директор

В.С.Пузин 23.04.2021г.

АКТ

соискание ученой степени кандидата технических наук.

Инженер

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА

ПО ИНТ ЕЛ ЛЕКТУА Л ЬНО И СОБСТВЕННОСТИ

(12) ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

Номер регистрации (свидетельства): Авторы:

2020667861 Павленко Александр Валентинович

Дата регистрации: 29.12.2020 Хорошев Артем Сергеевич (1Ш),

Васюков Иван Владимирович (КИ),

Номер и дата поступления заявки: Щучкин Денис Александрович (К1.')

2020666875 17.12.2020 Правообладатель:

Дата п¥бликации: 29.12.2020 федеральное государственное бюджетное

Контактные реквизиты: образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Российский государственный

346428, Ростовская обл., г. политехнический университет (НПИ) имени М.И.

Новочеркасск, ул. Просвещения, Платова» (К1!)

132, ЮРГПУ (НПИ), ОИС

Название программы для ЭВМ:

«Программа микроконтроллера системы управления энергоустановкой [[а основе водородных топливных элементов, ГС_ротеег»

Реферат:

Программа предназначена для: задания выходного напряжения понижающего преобразователя; включения и отключения преобразователя; контроля тока, потребляемого от топливного элемента и ограничение его на допустимом уровне в моменты перегрузки; контроля параметров установки: температуры, тока и напряжения стека, тока и напряжения аккумуляторной батареи, выходного тока энергоустановки, выходного напряжении преобразователя; управления клапаном сброса воды и отработанного водорода; настройки параметров энергоустановки и передачи телеметрии. Область применения: управление импульсными силовыми преобразователями напряжения. Функциональные возможности: управление выходным напряжением преобразователя и контроль его параметров, а также телеметрия. Тип ЭВМ: 5ТМ32П03У8Т6.

Язык программирования; С

Объем прог раммы для ЭВМ: 16 КЬ

ни 2020667861

Приложение 2. Методика расчета трансформатора.

1. По заданному размаху индукции в сердечнике, максимальному коэффициенту заполнения ШИМ и максимальному напряжению на первичной обмотке рассчитывается число витков первичной обмотки и округляется до целого значения

2. По заданному входному коэффициенту трансформации рассчитывается и округляется число витков вторичной обмотки

5. По заданным плотностям тока и действующим токам в обмотках рассчитываются требуемые сечения проводников , 52.

6. С учетом требуемого количества жил в обмотках т_^1ге рассчитываются диаметры проводников 01, Б2. Так как ток вторичной обмотки небольшой, разделять ее на несколько жил не требуется.

7. Определяется коэффициент заполнения окна К2.

8. Рассчитывается число витков, помещающихся в одном слое.

= гоипй^х • Ктр).

3. Пересчитывается коэффициент трансформации:

^2

4. Рассчитывается число витков на каждом стержне:

_ ^2

М2_гга1[ =

9. Рассчитывается число слоев полуобмоток

м _ wl_half

™ Jayer _1 ~ >

™1_per _lay

w2_half

N layer _2

Jay

10. Рассчитывается число целых слоев полуобмоток

^round Jayer _1

_ floor (N_layer 1),

Nround Jayer _2

_ floor (N_layer 2 ).

11. Определяется высота полуобмоток

hi _ Wi haif • (Pi • mwire + Sw 1) если N_layer л < 1,

h1 _ W1_per jay • (D1 • mwire + Sw ^ если N layer 1 >

h2 _ W2_half • Ф2 + Sw2) если Njayer _2 < 1, h2 _ W2_per jay • Ф2 + Sw2) если Njayer _2 > 1.

12. Рассчитывается диаметр каркаса вторичной обмотки:

Dk2 _ Dk 1 + 2 • (D1 + h w 1) + 2 • Alayer если N_ layer _1 — 1,

Dk2 _ Dk1 + 2 • (P1 + h_w 1) • Ground Jayer _1 + 2 • ^ layer ,

если Njayer _1 целое число

Dk2 _ Dk 1 + 2 • + h_w 1) • Nround layer _1 + 2 • + h_w 1) + 2 • A layer

если Njayer _1 не целое число и больше единицы

13. Задается зависимость длины витка от номера слоя:

Lengthw 1 (Niay) _ п • [Dk1 + (2 • Nlay - 1) • D1 + 2 • (Nlay - 1) • h_w 1 ], Lengthw 2(Niay) _ * • [Dk2 + (2 • Nlay - 1) • D2 + 2 • (Nlay - 1) • h_w2].

14. Рассчитывается длина провода обмоток Length1 _ w^aif • Lengthwесли Njayer 1 < 1,

Length1

_ (W1_ half ^round Jayer _1 • ™\_per Jay) • Length.w 1(1 + Nround layer _1)

Ground Jayer _1

_per lay • Length

w 1

m _1

если N_layer > 1,

Length.2 = ^2_haif • Lengthw_2(1) если N_layer 2 < 1,

Length.2 = (W2_half — Ground Jayer _2 • w2_per Jay ) • Lengthw 2 (1 +

Nround_layer_2+m=1Nround_layer_2w2_per_lay-Lengthw_2m, если NJayer _2 > 1.

15. По полученной длине проводников рассчитываются сопротивления постоянному току для первичной и вторичной обмоток и R2

16. По действующим токам первичной и вторичной обмоток рассчитывается общая мощность потерь в меди: Рси.

17. Определяется размах индукции в магнитопроводе при заданных напряжении на первичной обмотке и коэффициенте заполнения ШИМ:

.J.. _ U1_lose • Xlose

^^min_lose 7 ~д ■

Jsw • Ае

18. По полученному размаху индукции и частоте находится мощность потерь в сердечнике: Рсоге.

19. Определяется суммарная мощность потерь в трансформаторе:

р = р + р

1 core 1 core ' 1 си •

20. Определяется толщина первичной и вторичной обмоток:

¿1 = D1 если N_layer _1 < 1.

Ь1 = D1 • Nround jayer _1 + (Nround jayer _1 — 1) • h w 1 если Njayer _1 целое число,

b1 = D1 • Nround jayer _1 + (Nround jayer _1 — 1) • h w 1 + h w 1 + D1 если Njayer _1 не целое число, b2 = D2 если N_layer _2 < 1,

¿2 = D2 • Nround jayer _2 + (Nround jayer 2 — 1) • h w2 если Njayer 2 целое число,

¿2 = D2 • Nround jayer _2 + (Nround jayer 2 — 1) • h w2 + h w2 + ^2 если

Njayer 2 не целое число.

21. Рассчитываются средние радиусы обмоток:

*5Г -1 - ~Г + Т'

^-2 — 2 + 2'

22. Рассчитывается среднее расстояние между обмотками:

Ь12 — ^бг -2 — ^БГ

23. Рассчитывается средняя длина витка обмоток:

Ьепд1Н1ауд 2 • п • 1,

Ьепд1Н2-ауд тге 2 • П • ^БГ-2'

24. Вычисляется коэффициент Роговского по наименьшему значению И высоты обмоток илиИ2):

Ь1 — Ъ2 - Ь12

кг — 1 ---^—

п • И

25. Рассчитывается величина индуктивности рассеяния приведенная ко вторичной обмотке:

Ь5 — 2 • кге[газ И • кг • — • м^ иац • 1епд1И1ауд Ш1Ге • (Ь12 + 1 + 2

Приложение 3. Алгоритм расчета мостового преобразователя.

Алгоритм проектного расчета преобразователя

1. Задается необходимая точность расчета £ и максимальное количество итераций тах_ИегаИоп.

2. Определяются вспомогательные переменные не изменяющиеся в процессе расчета: период и коэффициент заполнения ШИМ на входе фильтра, максимальное и минимальное напряжения на первичной обмотке с учетом падения напряжения на транзисторах.

3. Задается начальное приближение индуктивности рассеяния.

Цикл расчета

4. Определяется требуемое напряжение на вторичной обмотке и режим работы выходного дросселя.

5. Определяется требуемый коэффициент трансформации.

6. Определяются средние и действующие токи через элементы схемы.

7. Рассчитываются параметры трансформатора .

8. Определяются мощности потерь в полупроводниковых элементах.

9. Определяется общая мощность потерь источника как сумма потерь в полупроводниках и трансформаторе.

10. Определяется КПД источника питания.

11. Сравнивается полученная индуктивность рассеяния с значением заданным в начале расчета. Если ошибка превышает заданную £, то необходимо переприсвоить значение индуктивности рассеивания и вернутся к пункту 5. Если ошибка меньше допустимой то расчет оканчивается. Если количество итераций превысило тах_ИегаИоп то расчет завершается аварийно.

Алгоритм поверочного расчета преобразователя 1. По исходным данным рассчитывается выходное напряжение источник питания:

_зЬаЬ , ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^оуег , _ауд , _ауд ).

2. Определяется максимальный ток дросселя:

^тах _stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg, ^out _avg).

3. Определяются действующие и средние значения токов через элементы схемы:

^L_rms_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, Iover , ^out _avg , Uout _avg

hl_rms_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg , ^out _avg

h_rms_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg , ^out _avg

Wd_rms_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out_avg , ^out_avg

^VD_avg_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out_avg , ^out_avg

Wt_rms_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out_avg , ^out_avg

^VTavgstab _ f {^2, Uvd, L, ^рас, ^н, Уф, Tф, lover , ^outavg , ^outavg )•

4. По рассчитанным токам определяются потери в элементах:

^core _stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg, ^out _avg P]fT_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out_avg , ^out_avg ^VD_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out_avg , ^out_avg

^L_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg , ^out _avg

Pc_stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg, ^out _avg ).

5. И общие потери в преобразователе:

^total _stab f(^2, ^vd, L, ^рас, ^н, Уф, ^ф, ^over , ^out _avg, ^out _avg ).

Приложение 4. N61-лист компонентной модели трансформатора.

.subcktmytrans W1_1 W1_2 W2_1 W2_2 Loss Heat B H Im

B1 power_Lm 0 V=(V(a2)-V(a1))*I(L1)

B2 derivate_B 0 V=ddt(V(B))/100000

B4 Comp_deB 0 V= u( V(derivate_B) )

B8 Bm_abs 0 V= abs(V(Bm))

B9 dComp_deB 0 V= delay(V(Comp_deB),100n)

B10 pulse_deB 0 V= V(dComp_deB)AV(Comp_deB)

A3 B 0 pulse_deB 0 0 0 Bm 0 SAMPLEHOLD

L1 a2 a1 Hc=14.76 Bs=0.39 Br=0.13016 A=0.000744 Lm=0.379 Lg={delta_sum } N={w1} Rser=1u

B11 Pud 0 V=V(Pud_out)

B12 F_in 0 V= {fsw}

B15 B_in 0 V= V(Bm_abs)*1000

B16 Loss 0 V=V(Pud_out) *{Ve}*0.000001

B3 Heat 0 V=V(Loss)*{Rth}+{Ta}

L4 N001 a1 {Ls1}

R6 N001 W1_1 {Rw1}

E1 N004 W2_2 a1 a2 {w2/w1}

R1 a1 a2 1G

F1 a1 a2 VM {w2/w1}

VM N004 N005 0

R2 N002 N005 1n

L2 N002 N003 {Ls2}

R4 W2_1 N003 {Rw2}

R5 W2_1 W2_2 1G

C1 W1_1 W1_2 {Cw1}

C2 W2_1 W2_2 {Cw2}

C3 N002 a1 {Cw12}

C4 W2_2 a2 {Cw12}

B5 Im 0 V=I(L1)

XU7 a1 a2 W1_2 B 0 H G_LoopG_Loop A=0.000744 N=22 Lm=0.379

X1 B_inF_inPud_out MY_INTERP

.paramfsw = 25k

.paramVe = 282000

.paramdelta_sum = 0.00015

.param w1 = 22

.param w2 = 280

.paramRth = 3.3

.param Ta = 25

.param Cw1 = 10p

.param Rw1 = 0.17

.param Ls1 = 10n

.param Ls2 = 10n

.param Rw2 = 9.46

.param Cw2 = 10p

.param Cw12 = 10p

.lib ..\sym\Ivan\Myfile_interp_loss.dat

.lib ..\sym\ValVol\ValVol.lib

.ends mytrans

Для работы модели необходимо иметь файл с информацией об удельных потерях в магнитопроводе Myfile_interp_loss.dat. Данный файл имеет следующий формат:

.SUBCKT MY_INTERP X_valueY_valueZ_value

*_x-B y-f z-P T=100

R_X X_value 0 1G R Y Y value 0 1G

.FUNC my_func_Z_y0(x) {table(x,

*___x____z___

+ 0, 0,

+ 25, 0.19877577,

+ 50, 1.37928041,

+ 75, 4.28326712,

+ 100, 9.57065575,

+ 125, 17.85567618,

+ 150, 29.72105948,

+ 175, 45.72572634,

+ 200, 66.40959357,

+ 225, 92.29684983,

+ 250, 123.89832304,

+ 275, 161.71326577,

+ 300, 206.23074655,

+ 325, 257.93076211,

+ 350, 317.28514545,

+ 375, 384.75832005,

+ 400, 460.80793547,

+ 425, 545.88540969,

+ 450, 640.43639687,

+ 475, 744.90119454,

+ 500, 859.71510108

+)}

.FUNC my_func_Z_y 1(x) {table(x,

* x z

+ 0, 0,

+ 25, 0.659S93S9,

+ 50, 4.3410500S,

+ 75, 13.066663SS,

+ 100, 2S.557190SS,

+ 125, 52.37107S6S,

+ 150, S5.957S231,

+ 175, 130.6S605532,

+ 200, 1S7.S60S0245,

+ 225, 25S.73509,

+ 250, 344.51S2304,

+ 275, 446.3S201199,

+ 300, 565.46547922,

+ 325, 702.S7S72435,

+ 350, S59.705960SS,

+ 375, 1.03700S06e3,

+ 400, 1.235S2467e3,

+ 425, 1.45717604e3,

+ 450, 1.70206453e3,

+ 475, 1.9714759Se3,

+ 500, 2.2663S0S7e3

+)}

.FUNC my_func_Z_y2(x) {table(x,

+0, 0,

+25, 1.57900765,

+50, 10.64670955,

+75, 32.51251465,

+100, 71.7S71277S,

+125, 132.69990664,

+150, 219.2207S671,

+175, 335.12552161,

+200, 4S4.03609491,

+225, 669.44S05S59,

+250, S94.75016753,

+275, 1.16323911e3,

+300, 1.47S13092e3,

+325, 1.S425701e3,

+350, 2.2596369Se3,

+375, 2.732353S6e3,

x____ z

+400, 3.26369014e3,

+425, 3.85656672e3,

+450, 4.51385971e3,

+475, 5.23840378e3,

+500, 6.03299492e3 +)}

.FUNC my_func_Z_y3(x) {table(x,

+0, 0,

+25, 0.65989389,

+50, 4.34105008,

+75, 13.06666388,

+100, 28.55719088,

+125, 52.37107868,

+150, 85.9578231,

+175, 130.68605532,

+200, 187.86080245,

+225, 258.73509,

+250, 344.5182304,

+275, 446.38201199,

+300, 565.46547922,

+325, 702.87872435,

+350, 859.70596088,

+375, 1.03700806e3,

+400, 1.23582467e3,

+425, 1.45717604e3,

+450, 1.70206453e3,

+475, 1.97147598e3,

+500, 2.26638087e3

+)}

x____ z