مقدمه

صنعت هوانوردی طی سال‌های اخیر به سمت توسعه مفهوم هواپیمای الکتریکی‌تر (More Electric Aircraft یا MEA) حرکت کرده است. در این رویکرد، بسیاری از سامانه‌هایی که در گذشته به صورت هیدرولیکی، پنوماتیکی یا مکانیکی عمل می‌کردند، با سامانه‌های الکتریکی جایگزین می‌شوند. این تغییرات باعث افزایش راندمان، کاهش وزن، کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و افزایش قابلیت اطمینان هواپیما می‌شود. با این وجود، افزایش مصرف‌کنندگان الکتریکی باعث شده است که طراحی سیستم تأمین توان اضطراری به یکی از مهم‌ترین چالش‌های مهندسی هوافضا تبدیل شود.

در شرایط اضطراری، از دست رفتن ژنراتورهای اصلی هواپیما نباید باعث از کار افتادن تجهیزات حیاتی مانند سامانه کنترل پرواز، پمپ‌های هیدرولیکی، تجهیزات ناوبری و سامانه فرود شود. به همین دلیل استفاده از یک منبع تغذیه هیبریدی متشکل از پیل سوختی، باتری لیتیوم یونی و ابرخازن به عنوان جایگزین سامانه‌های سنتی مورد توجه قرار گرفته است. در این شبیه سازی، عملکرد چنین ساختاری در محیط Matlab و Simulink بررسی شده و استراتژی‌های مختلف مدیریت انرژی با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

ضرورت استفاده از سیستم مدیریت انرژی در هواپیماهای الکتریکی‌تر

در هواپیماهای متداول، در شرایط اضطراری معمولاً از توربین هوای رم (Ram Air Turbine یا RAT) یا ژنراتورهای بادی (Air Driven Generator یا ADG) برای تأمین توان الکتریکی استفاده می‌شود. این تجهیزات در سرعت‌های پایین هواپیما توان بسیار محدودی تولید می‌کنند و در زمان نزدیک شدن هواپیما به باند فرود، احتمال اضافه‌بار و کاهش ولتاژ وجود دارد.

از آنجایی که در هواپیماهای MEA بارهای الکتریکی نسبت به گذشته بسیار بیشتر هستند، استفاده از یک سامانه هیبریدی که بتواند در کنار پیل سوختی از باتری و ابرخازن نیز بهره ببرد، راهکاری مناسب برای تضمین ایمنی پرواز محسوب می‌شود. در چنین ساختاری هر منبع انرژی وظیفه مشخصی بر عهده دارد و سیستم مدیریت انرژی تصمیم می‌گیرد که در هر لحظه چه مقدار توان از هر منبع دریافت شود.

معرفی ساختار سیستم هیبریدی

در این شبیه سازی، سیستم تأمین توان اضطراری بر اساس پروفایل واقعی یک هواپیمای Bombardier طراحی شده است. هدف اصلی، تأمین بارهای ضروری در طول یک فرود اضطراری پنج دقیقه‌ای است. این سامانه از چند زیرسیستم اصلی تشکیل شده که هر یک نقش ویژه‌ای در عملکرد کلی سیستم دارند.

پیل سوختی PEM

منبع اصلی انرژی، یک ماژول پیل سوختی غشای تبادل پروتون (PEM Fuel Cell) با توان نامی 10 کیلووات و توان بیشینه 12.5 کیلووات است. ولتاژ کاری این ماژول بین 30 تا 60 ولت بوده و از طریق یک مبدل افزاینده DC/DC به باس DC سیستم متصل می‌شود. پیل سوختی دارای راندمان بالا و قابلیت تولید انرژی پیوسته است، اما به دلیل دینامیک کند، نمی‌تواند تغییرات ناگهانی بار را به سرعت پاسخ دهد.

باتری لیتیوم یونی

برای جبران محدودیت دینامیکی پیل سوختی، یک باتری لیتیوم یونی 48 ولت با ظرفیت 40 آمپر ساعت در سیستم قرار گرفته است. این باتری قادر است توان متوسط را در زمان افزایش بار تأمین کرده و همچنین هنگام کاهش بار، انرژی اضافی تولید شده توسط پیل سوختی را ذخیره کند.

ابرخازن

ابرخازن با ولتاژ 291.6 ولت و ظرفیت 15.6 فاراد سریع‌ترین عنصر ذخیره‌سازی انرژی در این سامانه است. این تجهیز می‌تواند در کسری از ثانیه توان بسیار بالایی را آزاد یا جذب کند و بنابراین مناسب‌ترین گزینه برای پاسخ به بارهای ضربه‌ای و گذرا محسوب می‌شود.

مبدل‌های الکترونیک قدرت

به منظور کنترل دقیق جریان و ولتاژ، از چندین مبدل DC/DC استفاده شده است. یک مبدل Boost برای پیل سوختی، یک مبدل Boost جهت تخلیه باتری و یک مبدل Buck برای شارژ آن در نظر گرفته شده‌اند. همچنین یک اینورتر 15 کیلوولت‌آمپر وظیفه تبدیل ولتاژ 270 ولت DC به ولتاژ سه فاز 200 ولت AC با فرکانس 400 هرتز را بر عهده دارد.

وظیفه سیستم مدیریت انرژی

سیستم مدیریت انرژی یا Energy Management System مغز متفکر این سامانه محسوب می‌شود. این بخش با توجه به وضعیت بار، میزان انرژی ذخیره شده در باتری و ابرخازن، محدودیت‌های پیل سوختی و شرایط عملکرد هواپیما تصمیم می‌گیرد که چه مقدار توان از هر منبع تأمین شود.

کنترل صحیح منابع انرژی علاوه بر افزایش راندمان، موجب کاهش مصرف هیدروژن، افزایش طول عمر باتری، جلوگیری از اضافه‌بار مبدل‌ها و حفظ ولتاژ باس DC در مقدار نامی 270 ولت می‌شود.

استراتژی‌های مدیریت انرژی پیاده‌سازی شده

در این شبیه سازی پنج الگوریتم مختلف مدیریت انرژی پیاده‌سازی شده‌اند که هر یک ویژگی‌های متفاوتی دارند.

کنترل مبتنی بر ماشین حالت (State Machine)

در این روش سیستم بر اساس وضعیت منابع ذخیره‌سازی، سطح بار و شرایط عملکرد، بین حالت‌های مختلف سوئیچ می‌کند. این روش ساده، پایدار و مناسب برای کاربردهای صنعتی است.

کنترل PI کلاسیک

در این استراتژی از کنترل‌کننده‌های تناسبی-انتگرالی برای تنظیم ولتاژ باس DC و توزیع توان میان منابع استفاده می‌شود. این روش ساختار ساده‌ای دارد اما در شرایط گذرای شدید ممکن است عملکرد آن محدود باشد.

جداسازی فرکانسی همراه با ماشین حالت

در این روش، مؤلفه‌های سریع و کند بار از یکدیگر جدا می‌شوند. تغییرات سریع توسط ابرخازن پاسخ داده شده و تغییرات آهسته بر عهده پیل سوختی و باتری قرار می‌گیرد. این روش باعث افزایش طول عمر تجهیزات ذخیره انرژی می‌شود.

استراتژی ECMS

روش Equivalent Consumption Minimization Strategy با هدف کمینه کردن مصرف معادل سوخت طراحی شده است. این الگوریتم در هر لحظه بهترین ترکیب استفاده از پیل سوختی، باتری و ابرخازن را انتخاب می‌کند تا مصرف هیدروژن کاهش یابد.

استراتژی EEMS

روش External Energy Maximization Strategy تلاش می‌کند بیشترین استفاده را از منابع ذخیره انرژی داشته باشد و راندمان کلی سیستم را افزایش دهد. این روش برای کاربردهایی که کاهش مصرف سوخت اهمیت زیادی دارد بسیار مناسب است.

بررسی سناریوی فرود اضطراری

در این شبیه سازی عملکرد سیستم طی یک سناریوی واقعی فرود اضطراری به مدت پنج دقیقه مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدای شبیه سازی، ژنراتورهای اصلی هواپیما بارهای حیاتی را تغذیه می‌کنند و سامانه هیبریدی در حالت آماده‌باش قرار دارد.

پس از پنج ثانیه، پیل سوختی با توان بهینه حدود یک کیلووات شروع به شارژ باتری می‌کند. در زمان 40 ثانیه تمامی ژنراتورهای اصلی از مدار خارج می‌شوند و سیستم هیبریدی بلافاصله جایگزین آن‌ها می‌شود. در این لحظه به علت پاسخ بسیار سریع ابرخازن، توان لحظه‌ای مورد نیاز بار توسط این تجهیز تأمین شده و همزمان پیل سوختی به تدریج توان خروجی خود را افزایش می‌دهد.

با کاهش ولتاژ ابرخازن، باتری وارد مدار شده و وظیفه تثبیت ولتاژ باس DC روی مقدار 270 ولت را بر عهده می‌گیرد. پس از رسیدن ولتاژ باس به مقدار مرجع، توان باتری کاهش یافته و پیل سوختی علاوه بر تغذیه بار، ابرخازن را نیز مجدداً شارژ می‌کند.

در زمان راه‌اندازی پمپ‌های هیدرولیکی اضطراری، افزایش ناگهانی بار ابتدا توسط ابرخازن پاسخ داده می‌شود. سپس باتری وارد مدار شده و تا زمانی که پیل سوختی به توان کافی برسد، کمبود توان را جبران می‌کند.

در ادامه، زمانی که توان پیل سوختی به محدودیت حداکثر خود می‌رسد، باتری بخش اضافی بار را تأمین می‌کند و در صورت رسیدن باتری به حداکثر توان مجاز، ابرخازن نیز وارد مدار می‌شود. این همکاری سه منبع انرژی باعث می‌شود هیچ افت ولتاژ قابل توجهی در باس DC مشاهده نشود.

در زمان کاهش بار، مانند پایان عملکرد پمپ‌ها یا پس از فرود هواپیما، انرژی اضافی تولید شده توسط پیل سوختی در باتری و ابرخازن ذخیره می‌شود. این فرآیند علاوه بر جلوگیری از اتلاف انرژی، موجب آماده بودن سیستم برای رخدادهای بعدی خواهد شد.

در پایان سناریو و پس از تخلیه مسافران، بار الکتریکی تقریباً به صفر می‌رسد و پیل سوختی به آرامی توان خروجی خود را کاهش داده و مجدداً باتری را شارژ می‌کند تا سیستم برای مأموریت بعدی آماده باشد.

مدل‌سازی در Matlab و Simulink

مدل ارائه شده در محیط Simulink و Simscape Electrical توسعه یافته است. برای کاهش زمان اجرای شبیه سازی، به جای مدل‌های سوئیچینگ دقیق، از مدل‌های میانگین مبدل‌های DC/DC و DC/AC استفاده شده است. همچنین جهت کاهش حافظه مصرفی، داده‌های خروجی اسکوپ‌ها با ضریب Decimation نمونه‌برداری می‌شوند.

کاربر می‌تواند با انتخاب هر یک از الگوریتم‌های مدیریت انرژی، عملکرد سیستم را از نظر مصرف هیدروژن، میزان استفاده از باتری و ابرخازن، راندمان کلی و کیفیت تنظیم ولتاژ باس DC مقایسه کند. این قابلیت، محیطی مناسب برای تحقیقات دانشگاهی، توسعه الگوریتم‌های کنترلی و ارزیابی عملکرد سیستم‌های هیبریدی فراهم می‌کند.

مزایای استفاده از سامانه هیبریدی

به‌کارگیری پیل سوختی، باتری و ابرخازن به صورت همزمان مزایای متعددی به همراه دارد. پیل سوختی انرژی پایدار و راندمان بالا را فراهم می‌کند، باتری نقش ذخیره‌سازی میان‌مدت را بر عهده دارد و ابرخازن پاسخ بسیار سریع به تغییرات بار را تضمین می‌کند. ترکیب این سه فناوری موجب افزایش قابلیت اطمینان سیستم، کاهش مصرف سوخت، بهبود کیفیت توان، افزایش طول عمر تجهیزات ذخیره انرژی و افزایش ایمنی هواپیما در شرایط اضطراری می‌شود.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یکی از کامل‌ترین نمونه‌های طراحی سیستم مدیریت انرژی برای یک منبع تغذیه هیبریدی در هواپیماهای الکتریکی‌تر محسوب می‌شود. استفاده همزمان از پیل سوختی PEM، باتری لیتیوم یونی و ابرخازن در کنار الگوریتم‌های پیشرفته مدیریت انرژی، امکان تأمین مطمئن بارهای حیاتی در شرایط بحرانی را فراهم می‌کند. همچنین پیاده‌سازی این مدل در Matlab و Simulink بستری مناسب برای تحلیل رفتار سیستم، مقایسه استراتژی‌های مختلف مدیریت انرژی، کاهش مصرف هیدروژن، افزایش راندمان و توسعه سامانه‌های توان آینده در صنعت هوانوردی ایجاد می‌کند.