Соответствующий метод проектирования и идентификации параметров гибридной электрической двигательной системы — Scientific Reports

Анализ рабочего режима гибридной электрической двигательной системы

Система S-HEP состоит из двух энергетических систем: набора генератора, который объединяет двигатель и генератор и батареи. Обе энергетические системы могут работать независимо или в сочетании для подачи питания. Кроме того, набор генератора способен заряжать батареи. Эти функции позволяют системе последовательного гибридного электрического двигателя поддерживать несколько режимов эксплуатации и предлагать более широкое пространство для оптимизации.

Феликс и другие исследователи²³ утверждает, что серийные гибридные электроэлектрические двигатели являются жизнеспособными, когда двигательная система измеряется на основе краткосрочных мощных ограничений; Однако, если двигательная система предназначена для непрерывных требований к мощности, последовательные гибрид-электрические системы предлагают минимальные преимущества. В исследовании Lammen et al.²⁴Было обнаружено, что совместный источник питания серийной гибрид-электрической двигательной системы применим во время взлета и подъема самолетов. Gladin et al.²⁵ утверждал, что позволяет генератору заряжать батареи во время круиза значительно повышает эффективность серийной гибридной электрической системы.

В сочетании с этими достижениями в статье устанавливаются два фундаментальных режима эксплуатации для системы S-HEP: краткосрочный модный режим и долгосрочный режим низкой мощности. Краткосрочный мощный режим используется во время вертикального взлета, лазания и вертикальной посадки, где важны высокие источники мощности. На этих этапах двигатель обеспечивается совместно набором генератора и батареями. И наоборот, долгосрочный режим низкой мощности используется во время круиза и нисходящего, при этом двигатель работает исключительно с помощью набора генератора. Во время круиза генератор устанавливает аккумуляторы, обеспечивая удовлетворение потребностей в мощности в полете.

Основываясь на проектировании этих рабочих режимов, основные принципы конструкции соответствия S-HEP могут быть определены следующим образом:

(1) Максимальная выходная мощность набора генератора должна только для удовлетворения требований к мощности для крейсерского полета и зарядки аккумулятора. Следовательно, можно выбрать меньший набор генераторов, а батареи служат питание, когда выходная мощность недостаточна. Этот подход позволяет снизить вес системы и улучшение коэффициента нагрузки набора генератора.

(2) Крейсерская мощность представляет оптимальную выходную мощность набора генератора, что соответствует самой высокой эффективности двигателя внутреннего сгорания (ICE), что повышает экономию топлива.

(3) Конструктивные спецификации для батарей определяются максимальным спросом на мощность и максимальной выходной мощностью набора генератора. Исследование, проведенное компанией Boeing, показало, что вес батарей ограничен не только продолжительностью полета, но и благодаря мощным требованиям вертикального взлета и посадки (VTOL) и самолетов с коротким взлетом и посадкой (STOL)²⁶Полем Включение батарей в серийную гибридную электрическую систему обеспечивает быстрые ответы на значительные колебания мощности во время вертикального взлета, лазания и вертикальной посадки.

Соответствующий дизайн льда

На стадии VTOL двигатель совместно питается генератором и батареями. После того, как самолет переходит в круизную фазу, двигатель будет работать исключительно с помощью набора генератора. Три ключевых аспекта должны учитываться в соответствующем дизайне льда.

(1) Потребление топлива льда во время круизной фазы. Расход топлива, обозначенный как м_{f, c}можно рассчитать с помощью следующего выражения:

где П_в представляет выходную мощность генератора во время круиза, \ ({\ eta _ {gen}} \) эффективность генератора со значением 0,9, и \ ({\ eta _t} \) является эффективностью передачи электроэнергии со значением 0,95. Первый срок \ ({P_c}/\ left ({{\ eta _ {gen}} {\ eta _t}} \ right) \) означает выходную мощность льда во время круиза. Специфическое расход топлива (BSFC) рассчитывается на основе требований к крутящему моменту льда, что приводит к его соответствующему расходу топлива; BSFCC Указывает BSFC льда в круизной фазе. Третий срок, Т_впредставляет продолжительность круиза.

(2) Вес батареи имеет решающее значение во время VTOL, особенно на фазе перехода полета, где они быстро разряжаются при высокой мощности. Следовательно, вес батарей в первую очередь определяется максимальной выходной мощностью, а не их емкостью.

В уравнении (15), м_батт обозначает вес батарей, П_{req, макс} максимально требуемая мощность, П_{Лед, макс} максимальная выходная мощность льда, Шрифт является конкретной мощностью батареи, \ (\ lambda \) Является ли скорость композиции батареи, общее значение составляет 2/3, 1/3 массы батареи предполагается в виде пакетных накладных расходов²⁷Полем

(3) Вес льда имеет решающее значение. Если следующие отношения могут быть удовлетворены, дизайн можно считать оптимальными.

Вводя соответствующие условия параметров, оптимальный лед идентифицируется как Limbach L275EF, как показано на рис. 8.

Параметры Limbach L275EF приведены в таблице 4.

Внешние характеристики двигателя внутреннего сгорания (ICE) в условиях полной дроссельной заслонки, в частности, выходные характеристики на различных скоростях, показаны на рис. 9а Ref.¹⁵Полем

На рис. 9а синяя пунктирная линия указывает на максимальный выходной момент на скорости тока, красная сплошная линия представляет выходную мощность, а черная пунктирная линия иллюстрирует расход топлива, специфичный для тормоза (BSFC) двигателя внутреннего сгорания (ICE). На рисунке 9b представлена ​​взаимосвязь между скоростью, BSFC и крутящим моментом, предоставляя всестороннее описание характеристик топлива льда. Примечательно, что при постоянном крутящем моменте существуют значительные изменения в BSFC по разным скоростям вращения. Следовательно, в различных эксплуатационных точках расход топлива одного и того же льда может более чем вдвое. Учитывая этот сценарий, важно определить минимальную рабочую точку BSFC для различных уровней выходной мощности, как показано на рис. 10а.¹⁵Полем Определяя оптимальную рабочую точку для различной выходной мощности, может быть установлена ​​идеальная эксплуатационная линия (IOL), как показано на рис. 10B.¹⁵Полем Очевидно, что BSFC вдоль идеальной эксплуатационной линии значительно ниже, чем у внешней характерной кривой.

В последовательной гибридной электрической конфигурации система льда и движения отделена, что позволяет батареям служить пищевой добавкой. Это расположение позволяет льду постоянно работать в его оптимальной точке. Согласно IOL, BSFC напрямую коррелирует с выходной мощностью.

Соответствующий дизайн генератора

В системе S-HEP механическая энергия, генерируемая льдом, преобразуется в электрическую энергию генератором, который впоследствии обеспечивает энергию в систему электрического движения. Согласно ссылке [28]Мощность генератора может быть спроектирована так, чтобы быть на 50% больше, чем у льда. Это означает, что крутящий момент или скорость генератора могут превышать скорость двигателя на целых 50%. В этой статье, учитывая оптимальный вес, мощность генератора предназначена для того, чтобы быть до 20% больше, чем мощность льда. Следовательно,

(1) Максимальный крутящий момент генератора может быть спроектирован так, чтобы он был на 20% больше, чем лед. В режиме управления крутящим моментом максимальный крутящий момент генератора остается относительно постоянным. Этот дизайн подход позволяет генератору адаптироваться ко всем эксплуатационным точкам льда.

(2) Номинальная скорость генератора должна быть размещена максимальной скоростью льда. Когда скорость генератора превышает максимальную скорость льда, он работает в режиме постоянной питания. Хотя крутящий момент уменьшается с увеличением скорости, выходная мощность остается постоянной. Эта характеристика в сочетании с первым аспектом гарантирует, что генератор может эффективно адаптироваться ко всем рабочим точкам льда.

(3) Генератор должен поддерживать высокую эффективность в пределах скорости и диапазона крутящего момента, охваченного эффективной рабочей зоной льда. Лед и генератор работают в тандеме для подачи электроэнергии для электрооборудования.

Лед и генератор работают в тандеме, чтобы обеспечить питание для электрического оборудования. Эффективность преобразования энергии системы является результатом комбинированной эффективности как льда, так и генератора, которые влияют на скорость и крутящий момент. И модель анализа

где SFC представляет специфический расход топлива льда, который отражает эффективность. \(\омега\) это скорость вращения, Т_ЛЕД крутящий момент ICE, и Т_{генерал} крутящий момент генератора.

Следовательно, при указании льда крайне важно, чтобы эффективный диапазон рабочего генератора в тесном уровне согласуется с диагнозом двигателя, чтобы максимизировать общую эффективность системы. Исследования определили нехватку продуктов генератора на рынке, многие из которых демонстрируют плохую совместимость с выбранными параметрами льда, учитывая, что генератор в этой системе разработан на заказ. В таблице 5 представлены основные характерные параметры генератора, в то время как его анализ эффективности показан на рис. 11 ниже.

На рис. 11а черная сплошная линия представляет максимальный крутящий момент генератора на скорости тока, в то время как синяя пунктирная линия указывает на максимальную выходную мощность на этой скорости. На рис. 11b числа на контурных линиях обозначают эффективность генерации, причем более светлые цвета указывают на более высокую эффективность. Очевидно, что в рамках эксплуатационного диапазона льда, в частности, на скорости от 4000 до 7500 об / мин и значений крутящего момента от 12 до 24 Нм, генератор обладает высокой эффективностью. Кроме того, как показано на рис. 11B, эффективность генератора поддерживается при постоянном значении 93%.