Оптимизация архитектуры силовой установки гибридного летательного аппарата

  • Антон Николаевич Варюхин
  • Михаил Валерьевич Гордин
  • Андрей Владимирович Дутов
  • Сергей Игоревич Мошкунов
  • Владислав Юрьевич Хомич
  • Екатерина Александровна Шершунова
DOI: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2021-8-4-12
Ключевые слова: гибридная силовая установка, летательный аппарат, электросамолет, импульсный преобразователь постоянного напряжения, твердотельный коммутатор

Аннотация

Предложена схема гибридной силовой установки летательного аппарата, включающая в себя сборку преобразователей постоянного напряжения, часть из которых двунаправленные, топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы, контроллер-распределитель энергопотока и инверторный электрический двигатель. Такая схема позволит гибко изменять мощность, подаваемую на электродвигатель, масштабировать силовую установку под необходимые цели, а также заряжать аккумуляторную батарею в режиме снижения и посадки летательного аппарата. Представлен метод расчета статических и динамических потерь в повышающем преобразователе, используемом в силовой установке. Проведена оценка массы преобразователя в зависимости от частоты коммутации для разных типов силовых коммутационных приборов, включающая в себя расчет массы емкостных, индуктивных и коммутационных элементов. Расчеты показали, что минимальная масса силового импульсного преобразователя, работающего на частоте повторения 100 кГц мощностью 80 кВт при выходном напряжении 300 В, составляет 8,2 кг. При увеличении частоты до 1 МГц масса преобразователя увеличивается почти в 5 раз и достигает 40 кг.

Биографии авторов

Антон Николаевич Варюхин

кандидат техн. наук, начальник отдела «Электрические (гибридные) силовые установки, системы и летательные аппараты», Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова.

Михаил Валерьевич Гордин

кандидат техн. наук, генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова.

Андрей Владимирович Дутов

доктор техн. наук, генеральный директор Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского».

Сергей Игоревич Мошкунов

доктор техн. наук, заместитель директора по науке Института электрофизики и электроэнер-гетики РАН.

Владислав Юрьевич Хомич

академик РАН, доктор физ.-мат. наук, научный руководитель Института электрофизики и электроэнергетики РАН.

Екатерина Александровна Шершунова

кандидат техн. наук, заведующий лабораторией Института электрофизики и электроэнергетики РАН.

Литература

1. Gong A., Verstraete D. Fuel cell propulsion in small fixed-wing unmanned aerial vehicles: Current status and research needs. – International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42(33), pp. 21311–21333, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.06.148.
2. Bicer Y., Dincer I. Life cycle evaluation of hydrogen and other potential fuels for aircrafts. – International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42(16), pp. 10722–10738, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.12.119.
3. Hwang H. T., Varma A. Hydrogen storage for fuel cell vehicles. – Current Opinion in Chemical Engineering, 2014, vol. 5, pp. 42–48, DOI: 10.1016/j.coche.2014.04.004.
4. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel – International Journal of Hydrogen Energy, 2013, vol. 38(34), pp. 14824-14831, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.09.021.
5. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко В.С. и др. Силовой многофазный импульсный преобразователь для гибридных летательных аппаратов. – Известия РАН. Энергетика, 2019, № 6, c. 121–129, DOI: 10.1134/S0002331019060128.
6. Варюхин А.Н., Гордин М.В. Дутов А.В. и др. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах. – Прикладная физика, 2021, № 1, c. 75–81, DOI: 10.51368/1996-0948-2021-1-75-81.
7. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета – Письма в журнал технической физики, 2020, т. 46(15), с. 22–24, DOI: 10.21883/PJTF.2020.15.49743.18139.
8. Gur O., Rosen A. Optimizing Electric Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles. – Journal of Aircraft, 2009 , vol. 46 (4), pp. 1340– 1353, DOI: 10.2514/1.41027.
9. Kim K., Kim T., Lee K., Kwon S. Fuel cell system with sodium borohydride as hydrogen source for unmanned aerial vehicles. – Journal of Power Sources, 2011, vol. 196 (21), pp. 9069–9075, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.01.038.
10. Kim T., Kwon S. Design and development of a fuel cell-powered small unmanned aircraft. – International Journal of Hydrogen Energy, 2012, vol. 37(1), pp. 615–622, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.09.051.
11. Ivanovic Z., Blanusa B., Knezic M. Power loss model for efficiency improvement of boost converter. – 2011 XXIII International Symposium on Information, Communication and Automation Technologies, 2011, DOI: 10.1109/ICAT.2011.6102129.
12. Ramo S., Whinnery J. R., Van Duzer T. Fields and Waves in Communication Electronics 3rd ed. New York: John Wiley and Sons, 1994, 858 р.
13. Hauke B. Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage. Texas Instruments, Application Report, 2009, Nov., рр. 1–9.
14. Eichhorn T. Boost converter efficiency through accurate calculations. – Power Electron., 2008, Sept., pp. 30–35.
15. Какитани Х., Такедa Р. Выбор наилучшего силового ключа для источников питания по величине заряда затвора. – Силовая электроника, 2014, № 3, с. 67–72.
#
1. Gong A., Verstraete D. Fuel cell propulsion in small fixed-wing unmanned aerial vehicles: Current status and research needs. –
International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42(33),
pp. 21311–21333, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.06.148.
2. Bicer Y., Dincer I. Life cycle evaluation of hydrogen and other potential fuels for aircrafts. – International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42(16), pp. 10722–10738, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.12.119.
3. Hwang H. T., Varma A. Hydrogen storage for fuel cell vehicles. – Current Opinion in Chemical Engineering, 2014, vol. 5,
pp. 42–48, DOI: 10.1016/j.coche.2014.04.004.
4. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel – International Journal of Hydrogen Energy, 2013, vol. 38(34),
pp. 14824-14831, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.09.021.
5. Varyukhin A.N., Gordin M.V., Zakharchenko V.S., et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (Izvestiya RAS. Energy Industry), 2019, No. 6, pp. 121–129, DOI: 10.1134/S0002331019060128.
6. Varyukhin A.N., Gordin M.V. Dutov A.V., et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied Physics), 2021, No. 1, pp. 75–81, DOI: 10.51368/1996-0948-2021-1-75-81.
7. Moshkunov, S.I., Khomich, V.Yu., Shershunova, E.A. Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Technical Physics Letters), 2020, vol. 46(15), pp. 22–24, DOI: 10.21883/PJTF.2020.15.49743.18139.
8. Gur O., Rosen A. Optimizing Electric Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles. – Journal of Aircraft, 2009 , vol. 46 (4), pp. 1340– 1353, DOI: 10.2514/1.41027.
9. Kim K., Kim T., Lee K., Kwon S. Fuel cell system with sodium borohydride as hydrogen source for unmanned aerial vehicles. – Journal of Power Sources, 2011, vol. 196 (21), pp. 9069–9075, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.01.038.
10. Kim T., Kwon S. Design and development of a fuel cell-powered small unmanned aircraft. – International Journal of Hydrogen Energy, 2012, vol. 37(1), pp. 615–622, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.09.051.
11. Ivanovic Z., Blanusa B., Knezic M. Power loss model for efficiency improvement of boost converter. – 2011 XXIII International Symposium on Information, Communication and Automation Technologies, 2011, DOI: 10.1109/ICAT.2011.6102129.
12. Ramo S., Whinnery J. R., Van Duzer T. Fields and Waves in Communication Electronics 3rd ed. New York: John Wiley and Sons, 1994, 858 р.
13. Hauke B. Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage. Texas Instruments, Application Report, 2009, Nov., рр. 1–9.
14. Eichhorn T. Boost converter efficiency through accurate calculations. – Power Electron., 2008, Sept., pp. 30–35.
15. Kakitani H., Takeda R. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2014, No. 3, pp. 67–72.
Опубликован
2021-06-03
Выпуск
№ 8 (2021): Выпуск № 8
Раздел
Статьи