Известия РАН. Энергетика, 2019, № 6, стр. 121-129

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все большее значение приобретает решение задач создания гибридных летательных аппаратов для «зеленой авиации», принципы которых основаны на уменьшении расхода энергоносителя и снижении вредных выбросов в атмосферу. Существует несколько преимуществ использования электроэнергии по сравнению с энергией, получаемой от сгорания топлива в традиционных летательных аппаратах (ЛА): эффективность, надежность, низкая стоимость, низкое тепловыделение, низкий уровень шума, низкая вибрация и т.д. Электроэнергия может запасаться в аккумуляторных батареях, суперконденсаторах и в топливных элементах.

Топливные элементы из-за своих особенностей должны работать при постоянном энергопотреблении, что может быть эффективно реализовано только в режиме крейсерского полета летательного аппарата (ЛА). При этом тяговая мощность в течение полета изменяется. И в этом случае нужны источники энергии, способные оптимально отвечать на эти изменения.

Наилучшим решением в этом случае выступает использование аккумуляторных батарей, которые не только могут работать на изменяющуюся в широких пределах нагрузку, но и способны заряжаться во время полета. Кроме того, за счет возможности их компоновки в сборки из последовательно-параллельных аккумуляторов возможно увеличение мощности энергоустановки, от чего напрямую также зависит дальность и безопасность полета. Основная сложность в применении этих источников энергии на борту – их характерная вольтамперная характеристика. Напряжение на аккумуляторной батарее уменьшается по мере снижения уровня ее заряда. Поэтому при росте потребляемого тока из источника электроэнергии возникает проблема стабилизации напряжения на шине постоянного напряжения. Как правило, в авиации для этого применяют мощные импульсные повышающие преобразователи, а проблему сглаживания пульсаций выходного тока решают путем применения конденсаторов. Однако емкостные фильтры существенно увеличивают вес конструкции, что может стать критической проблемой на борту ЛА. В течение последних десятилетий передовые аккумуляторные системы стали центром инновационных решений в области энергосбережения для различных нужд, включая транспортную технику. В развитых странах постоянно идет совершенствование энергетических систем с возможностью планового резервирования. В авиастроении речь идет о “более электрических” самолетах (More Electric Aircraft) и полностью электрических самолетах (All Electric Aircraft) [1–7]. Более того, применение в качестве источников энергии аккумуляторных батарей в перспективе рассматривается и для космических кораблей и аппаратов.

Технологии энергосбережения на основе литиевых аккумуляторов играют важную роль в аэрокосмической технике, в частности, благодаря значительной экономии веса в сочетании с желаемыми эксплуатационными характеристиками и сниженными расходами на техническое обслуживание [8–11]. Кроме того, они позволяют избежать таких проблем как выброс вредных веществ в атмосферу и большой уровень шума, которые сейчас находятся на высоком уровне вследствие огромной транспортной мобильности, обусловленной большим количеством как гражданских, так и промышленных авиаперевозок. Основные преимущества литиевых аккумуляторов связано с тем, что из всех существующих типов электрохимических перезаряжаемых источников тока они имеют самую большую удельную мощность и удельную емкость.

На борту летательного аппарата с электродвигателем очень важно правильным образом управлять работой аккумуляторов и их зарядом, особое внимание при этом следует уделять циклам зарядки/разрядки аккумулятора [12]. Несоблюдение правильной работы батареи, ее перегрузка, повреждение, короткое замыкание и попадание воды может привести к ее возгоранию, что абсолютно недопустимо для ЛА.

С ростом потребляемого тока напряжение на аккумуляторной батарее претерпевает существенную просадку. Такое падение может отрицательно сказаться на работе электромотора, если подавать напряжение с выхода аккумуляторов напрямую на силовую установку. Поэтому при использовании сборки таких аккумуляторов на борту летательного аппарата необходим повышающий преобразователь, который будет выполнять функцию стабилизатора напряжения и поддерживать одну и ту же амплитуду на шине постоянного напряжения.

Кроме того, заряд таких батарей на борту позволит получить большую мощность, а, следовательно, положительно скажется на дальности полета и его безопасности в экстренных случаях. В этом случае необходим преобразователь напряжения, который не только следит за напряжением на выходе, но также и ограничивает ток в цепи заряда.

Очевидно, что мощность аккумуляторов увеличивается за счет компоновки их параллельно-последовательно, что способствует увеличению, в свою очередь, и тока, и напряжения. Подобные сборки аккумуляторов широко используются в существующих электромобилях, например, в Тесле.

Требуемое напряжение на выходе импульсного преобразователя и ток в цепи заряда устанавливаются исходя из сборки подобных аккумуляторов. Нами была поставлена задача разработки и создания многофазного импульсного преобразователя напряжения, отвечающего за процесс зарядки силового аккумулятора гибридного ЛА, со следующими параметрами: стабилизированный ток заряда на уровне 70 А при входных напряжениях в диапазоне от 130 В до 300 В и прекращение заряда при напряжение на выходе более 150 В. Для обеспечения двух режимов работы: заряда аккумуляторов при крейсерском полете и их разряда при наборе высоты необходима разработка мощного повышающего-понижающего преобразователя мощностью 10 кВт.

БЛОК-СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Блок-схема импульсного преобразователя мощностью 10 кВт показана на рис. 1. Он состоит из 4 модулей, по 2.5 кВ каждый. Один модуль способен обеспечивать на выходе постоянный ток до 17.5 А (пиковый до 28 А).

Рис. 1.

Блок-схема импульсного преобразователя.

Каждый модуль выполнен в виде сборки из трех плат: платы со сглаживающими керамическими конденсаторами, силовой платы и платы управления.

Синхронизирующие сигналы управления (задающий импульс) подаются на каждую плату управления отдельно с платы тактового генератора. Импульсы управления сдвинуты по времени друг относительно друга на четверть периода (рис. 2), что позволяет реализовать четырехфазную схему и, тем самым, сгладить пульсации выходного и входного тока преобразователя, а также пульсации соответствующих напряжений [13, 14].

Рис. 2.

Сдвинутые по фазе тактовые импульсы (экспериментальная осциллограмма).

ТАКТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

На эту плату приходит входное напряжение V_in. На плате расположен DC/DС преобразователь мощностью 5 Вт, который обеспечивает напряжением питания V_CC амплитудой 5 В все низковольтные микросхемы преобразователя. Но основное ее предназначение – формирование управляющих импульсов, сдвинутых относительно друг друга по фазе с частотой повторения 100 кГц.

Таймер TLC555 работает в качестве задающего генератора. На его выходе генерируются импульсы напряжения амплитудой 5 В с частотой повторения 400 кГц. Эти импульсы поступают на логическую микросхему 74AC74, выводы которой соединены по принципу счетчика Джонсона, основанному на кольцевом соединении D-триггеров, благодаря чему формируются 4 одинаковые последовательности импульсов с частотой повторения 100 кГц, сдвинутые по фазе на одну четвертую периода (2.5 мкс).

Кроме того, на плате расположен усилитель ошибки системы стабилизации напряжения, выполненный на операционном усилителе, на вход которого подается через делитель выходное напряжение мощного преобразователя V_out и опорное напряжение V_ref. Коэффициент передачи делителя определяется исходя из заданного максимального напряжения заряда аккумулятора. На плате имеется также цепь, точно устанавливающая максимальное напряжение усилителя ошибки, которое может регулироваться благодаря наличию на плате переменного резистора. Таким образом, посредством регулировки опорного напряжения устанавливается значение предельного рабочего тока I_set.

УПРАВЛЕНИЕ

Плата управления предназначена для формирования сигналов управления транзисторами на силовой плате.

По сигналу от генератора тактовых импульсов открываются полевые транзисторы на плате управления. Каждый из них формирует свое пилообразное напряжение, в зависимости от напряжения на входе и выходе преобразователя.

“Пила1", образованная в зависимости от входного напряжения (RAMP1), сравнивается с сигналом, образованном разницей между выходным током преобразователя, измеряемым сенсором на силовой плате, и установленного тока на плате тактового генератора. Формирующийся сигнал на выходе компаратора имеет либо высокий, либо низкий уровень в зависимости от значений напряжений на входе, определяемых токами, тем самым формируя прямоугольные импульсы. Эти импульсы подаются на драйвер управляющий затвором транзистора, отвечающего за понижение напряжения на силовой плате. Предотвращению повторному формирования импульсов между периодами “пилы” способствует применение RS-триггера. Принцип работы подробно описан в статье [15].

“Пила2” (RAMP2) с периодом T, образованная в зависимости от выходного напряжения подается на компаратор, куда также приходит сигнал после сравнения входного и выходного напряжения преобразователя. В зависимости от уровня этих сигналов на выходе формируются импульсы. Длительность импульсов t устанавливается согласно правилу широтно-импульсного регулирования и связана с коэффициентом заполнения импульсов D = t/T, определяемым, исходя из разницы между входными сигналами на входах компаратора D = (V_out – V_in)/V_out + 0.05. Так, длительность максимальна при максимальной разнице выходного и входного напряжений, и, наоборот, соответственно (рис. 3). Из зависимости, представленной на рис. 3, можно легко рассчитать, что D может изменяться примерно от 1.8 мкс практически до нуля.

Рис. 3.

Зависимость коэффициента заполнения импульсов повышающего звена от напряжения на входе преобразователя.

Сформированные таким образом импульсы подаются на драйвер затвора транзистора, отвечающего за повышение напряжения на силовой плате (режим BOOST).

ПОНИЖАЮЩИЙ И ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

На силовой плате собрана интегрированная схема, работающая по принципу понижающего и повышающего импульсных преобразователей (рис. 4). Импульсы определенной длительности, в зависимости от тока через дроссель I_out или напряжения на выходе V_out с платы управления, поступают на вход гальванически развязанного драйвера управления транзисторами G. Питание этого драйвера реализовано посредством гальванически развязанного источника на +15 В, также расположенного на этой плате. В результате на выходе драйверов формируются импульсы напряжения амплитудой 15 В, которые и управляют силовыми транзисторами.

Рис. 4.

Схема силовой части одного модуля преобразователя, работающая по принципу понижающего и повышающего преобразователя (BUCK/BOOST).

При открытом транзисторе Q2 срабатывает BOOST: открывается транзистор и ток течет через дроссель, тем самым накапливая в нем энергию. После размыкания ключа напряжение на выходе увеличивается до требуемого уровня и запасается в конденсаторах, отдельной плате, которая конструктивно находится под силовой. При открытом транзисторе Q1 напряжение на выходе уменьшается. Схема работает в режиме BUCK.

Результаты тестирования преобразователя напряжения. На рисунке 5 показаны типичные осциллограммы напряжения в средней точке и тока через дроссель для 1 модуля при входном напряжении V_in = 130 B и потребляемом токе I_in = 20 A.

Рис. 5.

Осциллограммы напряжения в средней точке и тока для одного модуля при входных параметрах V_in = 130 B, I_in = 20 A.

Исходя из показаний приборов, для 1 модуля средний выходной ток при входном напряжении 130 В составил значение 16.9 А, а амплитуда напряжения на выходе 150 В. Таким образом, КПД преобразователя на 2.5 кВт (1 модуля) в этом случае составил 97.5%.

В зависимости от напряжения на входе преобразователя при разной потребляемой мощности была проведена оценка КПД преобразователя напряжения. На основании снятых осциллограмм для трех напряжений 130 В, 135 В и 140 В были получены зависимости коэффициента полезного действия от потребляемого тока. Построенные зависимости представлены на рис. 6.

Рис. 6.

Зависимость КПД преобразователя, работающего в повышающем режиме от потребляемого тока I_in при разных значениях входного напряжения V_in = 130 B, 135 B и 140 B.

Необходимо отметить, что КПД устройства с использованием многофазной схемы включения несколько выше, чем для однофазного преобразователя благодаря уменьшению пульсаций выходного напряжения и снижению потерь в сглаживающих конденсаторах [13, 14]. Тестовые испытания однофазового преобразователя (1 модуля на 2.5 кВт) показали высокий КПД 97.5%, в то время как КПД многофазного преобразователя на 10 кВт при полной нагрузке составил 98.2%.

На рисунке 7 представлено изображение разработанного преобразователя напряжения на 10 кВт.

Рис. 7.

Вид преобразователя в сборе (без верхней крышки).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлена разработка и создание силового многофазного импульсного преобразователя напряжения для энергетических систем гибридных летательных аппаратов. Размеры корпуса преобразователя составили 45 × 135 × 410 мм, площадь поперечного сечения подводящих и отводящих силовых кабелей – 10 мм² (диаметр 6 мм), подключение системы охлаждения осуществляется трубкой 10/13 мм. Полная масса преобразователя напряжения и его приведенная мощность составляют 2.65 кг и 3.8 кВт/кг соответственно.

Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований президиума РАН № 7 “Новые разработки в перспективных направлениях энергетики, механики и робототехники”.