Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 503, № 1, стр. 63-68

Год от года растет число грузовых и пассажирских авиаперевозок. В 2019 г. перед пандемией, обусловленной коронавирусом Covid-19, авиационная отрасль перевезла 4.5 млрд человек, что повлекло за собой существенные выбросы углекислого газа в атмосферу – почти 900 млн тонн [1]. Такие цифры, безусловно, оказывают огромное влияние на изменение климата и его негативные последствия. Кроме того, рост стоимости топлива также сказывается на рентабельности и самих авиаперевозок. Решение этих проблем лежит в повышении топливной эффективности, снижении стоимости топлива на одного пассажира.

Термодинамические ограничения, налагаемые циклом Брайтона, означают, что дальнейшее повышение эффективности газотурбинного реактивного двигателя невозможно. Все будущие улучшения должны быть основаны на использовании чисто электрических и гибридных электрических силовых установок в летательных аппаратах. Начиная с замены гидравлической, пневматической и механических систем в летательных аппаратах, сегодня все больший интерес просыпается к реализации самой тяги с помощью электричества. Ведутся разработки силовых установок мощностью сотни киловатт, мегаватты, среди которых можно выделить три основные: турбоэлектрические (где энергия от электрогенератора идет напрямую в электромотор), гибридные электрические (где помимо турбогенератора энергия черпается от аккумуляторных батарей) и полностью электрические без двигателей внутреннего сгорания (где вся энергия на борту запасается в аккумуляторных батареях или топливных элементах) [2].

Неотъемлемой частью этих установок являются силовые преобразователи постоянного тока, которые уже прочно заняли свою нишу в системе возобновляемых источников энергии, таких как ветро- и фотоэлектростанции. Однако для успешного внедрения на борту летательных аппаратов известные топологии схем силовых преобразователей должны быть построены с учетом отношения мощности к массе, что часто не столь важно при их стационарном наземном исполнении. При сохранении аэродинамических характеристик дальнейшее увеличение эффективности перелетов возможно лишь при увеличении удельной мощности преобразователя. В перспективе для силовой электроники на борту летательных аппаратов согласно Программе DOE/EERE [3] эта величина должна составлять десятки кВт/кг. Компонентная база для построения силовых преобразователей напряжения также должна тщательна выбираться, исходя из возможности быстрой и надежной работы в условиях низкого давления и низких температур, которые обычно встречаются в условиях крейсерского полета [4].

Неотъемлемой частью гибридной силовой установки является преобразователь напряжения, который позволяет производить заряд аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата во время полета. Как правило, в аэрокосмической отрасли в качестве аккумуляторов используют литиевые батареи, которые позволяют при большой экономии массы достигать желаемых эксплуатационных характеристиках [5–7]. Основные преимущества литиевых аккумуляторов связаны с их способностью работать при экстремально низких температурах с высокой плотностью энергии и удельной мощностью. Заряд таких аккумуляторов реализуется в две стадии. Сначала аккумулятор заряжается определенным током, при этом напряжение на нем возрастает, а потом определенным напряжением, при этом ток заряда падает [8].

Реализовать такую схему заряда можно путем применения понижающего-повышающего импульсного преобразователя напряжения [9], схема которого показана на рис. 1. На рисунке показано два режима работы:

Рис. 1.

Схема работы понижающего-повышающего асинхронного преобразователя напряжения для заряда аккумуляторной батареи.

– когда напряжение на шине постоянного напряжения летательного аппарата V_in больше напряжения требуемого для заряда батареи V_o (рис. 1а),

– когда напряжение на шине постоянного напряжения летательного аппарата V_in меньше напряжения требуемого для заряда батареи V_o (рис. 1б).

В зависимости от случая схема работает либо в режиме понижения (случай – BUCK) либо в режиме повышения напряжения (случай 2 – BOOST).

В первом случае в работе преобразователя задействованы ключ S1, диод D1 и диод D2, поэтому ток через индуктор равен выходному току преобразователя I_o.

Во втором случае задействованы оба ключа и диод D2, поэтому ток на выходе не равен току в индукторе.

Для стабильной и эффективной работы преобразователя на основании расчета, проведенного по методике, описанной в [10], были выбрать силовые компоненты преобразователя мощностью 20 кВт, работающего в режиме ограничения тока до 20 А и напряжения до 1000 В: индукторы, конденсаторы, транзисторы и диоды. В качестве силовых активных элементов выбраны полевые транзисторы и диоды на карбиде кремния с рабочим напряжением 1700 В: C2M0045170D и C5D10170H, отвод тепла от которых был реализован посредством принудительного жидкостного охлаждения.

Сердечник силового дросселя индуктивностью 250 мкГн и током насыщения 37 А был набран из двух соединенных ферритовых магнитопроводов U-образной формы марки Ferroxcube U80-65-32. При такой конструкции обмотка оказывается целиком поверх сердечника, что позволило более эффективно отводить выделяющееся в ней тепло. Сглаживание пульсаций тока было реализовано с помощью керамических конденсаторов поверхностного монтажа суммарной емкостью 2.4 мкФ, размещенных на отдельной плате. Это обеспечило преимущество по массе в 3 раза и по объему в 20 раз по сравнению с использованием традиционно используемых пленочных конденсаторов.

Условно созданный преобразователь можно разделить на несколько блоков (рис. 2): силовой блок (СБ) (где происходит коммутация напряжения), блок управления (где осуществляется формирование сигналов управления коммутаторами) и пульт дистанционного управления (с которого задаются необходимые на выходе преобразователя значения тока и напряжения и происходит запуск устройства). Кроме того, преобразователь включает индуктор, описанный выше, и плату входных и выходных конденсаторов.

Рис. 2.

Блок-схема силового преобразователя для заряда аккумуляторной батареи: ПДУ – пульт дистанционного управления, БУ – блок управления, СБ – силовой блок, ОСТ и ОСН – обратная связь по току и напряжению соответственно, АКБ – аккумуляторная батарея.

Принцип управления преобразователем удобно также описать с помощью блок-схемы, представленной на рис. 3.

Рис. 3.

Принцип управления преобразователем.

Стабилизация напряжения происходит посредством цифрового управления, стабилизация тока – посредством аналогового.

Для стабилизации напряжения разница опорного сигнала напряжения V_ref и сигнала напряжения обратной связи V_ofb, образованного делителем от выходного напряжения V_o, поступает на вход PID-регулятора. На выходе PID-регулятора формируется сигнал ${{V}_{{v}}}$, который сравнивается с сигналом V_i`ref, который рассчитывается через опорный сигнал тока V_iref и коэффициент заполнения ON2. Выбирается наименьшее значение V_iset.

Стабилизация тока реализована посредством усиления ошибки по току между сигналом с датчика тока V_i и сигналом V_iset.

Формирование сигналов управления транзисторами ON1 и ON2 реализуется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Для дистанционного управления преобразователем был разработан пульт, который позволяет выставлять требуемые выходные значения тока и напряжения для заряда аккумуляторной батареи. Кроме того, на дисплей пульта выводятся измеряемые значения выходных значений тока и напряжения. Во избежание помех измеряемые и референтные значения токов и напряжений передаются в блок управления преобразователем по оптоволокну.

Были проведены успешные испытания созданного преобразователя на эквивалентную нагрузку. На рис. 4а и рис. 4б показаны типичные осциллограммы напряжений и токов при работе преобразователя в режиме понижения и повышения соответственно.

Рис. 4.

Осциллограммы тока через индуктор IL и напряжений в средней точке V₁, V₂ при работе преобразователя в режиме: а – понижения напряжения: V_in = 1300 В, V_o = 1000 В, I_o = 20 A; б – повышения напряжения: V_in = 800 В, V_o = 1000 В, I_o = 7.2 A.

На основании данных полученных осциллограмм в разных режимах была построена экспериментальная зависимость КПД созданного преобразователя от напряжения на его входе (рис. 5). Как видно, средний КПД во всем диапазоне входных напряжения вне зависимости от режима равен 98%.

Рис. 5.

КПД преобразователя (экспериментальные данные).

При работе преобразователя в режиме повышения, что соответствует входному напряжению V_in меньше 1000 В, КПД прибора несколько меньше, нежели при его работе в режиме понижения напряжения, т.е. при изменении входного напряжения от 1100 до 1300 В. Это объясняется дополнительными потерями на втором коммутаторе S2 при работе конвертора в режиме BOOST (рис. 1).

Как видно из фотографии (рис. 6), преобразователь для своей мощности достаточно компактен. Его габаритные размеры – 131 × 224 × 85 мм. Масса преобразователя составляет около 2.5 кг.

Рис. 6.

Фотографии понижающего-повышающего преобразователя постоянного напряжения для заряда АКБ мощностью 20 кВт: а – в корпусе; б – без корпуса.

Таким образом, в результате использования современной полупроводниковой базы и эргономичной конструкции нам удалось достичь удельной мощности устройства, соотношения мощность на массу почти 10 кВт/кг, что больше в два раза по сравнению с нашей предыдущей разработкой [9] и сравнимо с мировыми аналогами [11, 12].

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследования выполнены при поддержке Минпромторга России и Минобрнауки России.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки “Институте электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук”.