PN 23 15 01 02

Dezvoltarea tehnologică a unui vehicul aerian fără pilot (UAV) cu propulsie hibridă – hidrogen și baterii. – HyUAV

Responsabil proiect– drd. ing. Raceanu Mircea

Obiective

Obiectivul general al proiectului este dezvoltarea un vehicul aerian fără pilot de mici dimensiuni care este destinat să demonstreze tehnologia bazată pe hidrogen în sectorul transportului aerian și pentru a arăta fiabilitatea și robustețea conceptului propus.

Vehiculele aeriene electrice fără pilot (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) se dezvoltă rapid datorită abilităților lor de a îndeplini anumite sarcini dificile sau periculoase, precum și multe servicii publice, inclusiv monitorizare în timp real, acoperire semnal telefonie, căutare și salvare, agricultură de precizie, aplicații militare etc. În ciuda caracteristicilor lor bune, cum ar fi manevrabilitate ridicată, varietate mare de utilizare și costuri reduse; UAV-urile alimentate cu baterii sunt încă limitate în ceea ce privește anduranța și rezistența la zbor. Acestea nu pot efectua zboruri lungi și misiuni persistente. Pentru a depăși aceste impedimente în Proiectul HyUAV se propune dezvoltarea tehnologică a unui demonstrator de mobilitate aeriană propulsat de un sistem de alimentare hibrid cu hidrogen și baterii. Combinarea celor două surse de putere va permite o îmbunătățirea semnificativă a autonomiei în zbor. Sistemul care urmează să fie dezvoltat se bazează pe o arhitectură care implică module elementare de putere și pe tehnologii dezvoltate anterior în domeniul energiei hidrogenului din departamentul ICSI Energy. UAV-ul luat în considerare pentru demonstrație va avea o greutate maximă la decolare de 25 kg, o sarcină utilă de 5 kg și o autonomie de cel puțin 4 ore. Scopul aeronavei este de a acționa ca o platformă demonstrativ-experimentală care să certifice și să valideze funcționarea în condiții reale de zbor ale sistemului hibrid electric cu pile de combustibil/baterii alimentate cu hidrogen comprimat.

Obiectivele științifice și tehnice ale proiectului constau în:

• Studiu de sensibilitate care investighează principali factori care au impact direct asupra performanței de rezistență și anduranță ale UAV-urilor. În baza acestui studiu vor fi stabilite arhitectura de interconectare și caracteristicile de putere ale sistemului de propulsie;

• Dezvoltarea de module de pile de combustibil în configurație catod deschis;

• Proiectarea și realizarea unității de distribuție a puterii pentru interconectarea modulelor de pile de combustibil;

• Proiectarea și realizarea sistemului de pile de combustibil cu management energetic integrat. Având ca scop producerea energiei electrice în condiții de siguranță la bordul UAV;

• Dezvoltarea și realizarea sistemului integrat de baterii cuplat la un convertor bidirecțional de curent continuu. Acest sistem furnizează sau stochează energie electrică astfel încât sistemul de piele de combustibil sa funcționeze în regim cvasi-staționar;

• Simularea și implementarea de algoritmi inovativi pentru managementul energetic de putere ale propulsorului hibrid celulă de combustibil/sistem baterii;

• Testarea în condiții statice la sol ale propulsorului conceput;

• Proiectarea și realizarea sistemului automat de comandă și control al grupului motopropulsor;

• Proiectarea și construirea fuzelajului UAV-ului utilizând materiale compozite ultra ușoare care să-i reducă greutatea;

• Dezvoltarea hardware și software a sistemului central de control pentru supervizarea și funcționarea UAV;

• Integrarea și instalarea propulsorului realizat la bordul UAV;

• Implementarea metodei de control și a secvenței de pornire a UAV, bazată pe reguli inteligente;

• Demonstrarea și validarea soluției tehnologice pentru realizarea de vehicule aeriene fără pilot cu pile de combustibil și baterii;

• Elaborarea de cereri de brevet de invenție;

• Publicarea de articole în jurnale cu cotație ISI și participarea la conferințe/congrese naționale și internaționale din domeniu;

• Promovarea transferului de cunoaștere și rezultate către părțile interesate din mediul academic, universitar, comunitatea de cercetători din Romania și din UE, având în vedere aplicațiile vehiculele hibrid electrice bazate pe hidrogen.

Scop

Principalul scop al proiectului HyUAV este să accelereze dezvoltarea industriei hidrogenului pentru toate tipurile de transport din Romania, dar și de a promova sistemele hibride de propulsie cu hidrogen și baterii care sunt produse în prezent în departamentul ICSI Energy ca urmare a rezultatelor semnificative obținute în domeniu, rezultate ce constituie un fundament științific solid pentru îndeplinirea obiectivelor propuse.

Faze

Etapa 1. Studiu de sensibilitate al parametrilor de proiectare pentru un UAV. Configurația și proiectarea sistemului hibrid de propulsie.

Obiectivul principal din etapa 1 este un studiu de sensibilitate care investighează impactul asupra performanței unui UAV utilizând mai mulți parametri relevanți ai sistemului. Sunt investigați factori precum configurația și eficiența sistemului hibrid de propulsie, greutatea la decolare, gradul de hibridizare al propulsorului și perspectivele energetice privind performanța îmbunătățită a pilei de combustibil și a stocării hidrogenului. Scopul este stabilirea unui bilanț de putere energetic și a unei configurații hibride de propulsie.

Activitățile etapei nr.1 sunt următoarele:

A1.1. Identificarea de soluții tehnologice pentru reducerea consumurilor energetice folosind motoare cu densitatea ridicată de putere;

A1.2. Dezvoltarea unui model empiric de consum de energie al UAV;

A1.3. Gradul de hibridizare al sistemului de propulsie;

A1.4. Topologii și arhitecturi de interconectare al pilelor de combustibil cu sistemul de baterii;

A1.5. Dimensionarea și proiectarea sistemului hibrid de propulsie.

Etapa 2. Dezvoltarea sistemului modular de pile de combustibil de tip PEM cu catod deschis și densitate de energie ridicată.

Obiectivele principale din etapa 2 sunt dezvoltarea și integrarea unui sistem modular de pile de combustibil care să asigure necesarul de putere componentelor electrice și electronice ale UAV-ului. Sistemul de pile de combustibil este considerat ca fiind sursa principală de energie. Construcția sistemului de pile de combustibil este de tip modular. Alimentarea cu hidrogen la anod este de tip anod-blocat, iar la catod alimentarea cu aer este de tipul flux-continuu. Pentru o integrarea eficientă a modulului, construcția compartimentului catodic este de tipul catod deschis. Acest tip de module oferă o configurație simplă în care aerul ambiental asigură atât răcirea, cât și, oxigenul pentru reacție, eliminând astfel necesitatea unui subsistem complex de răcire. În acest fel, printr-o dispunere individuală a modulelor se asigura o compactitate a sistemului. La fel și, operarea în zona de eficiență maximă a fiecărui modul separat asigură un consum redus de hidrogen. Modulele sunt conectate în configurație serie/paralel într-o unitate de distribuție a puterii pentru a obține tensiunea corespunzătoare motoarelor. Scopul este furnizarea energiei electrice în condiții de siguranță pentru alimentarea UAV.

Activitățile etapei nr.2 sunt următoarele:

A2.1. Construcția unui modul-test de pile de combustibil;

A2.2. Caracterizare electrochimică modul-test. Curbe de polarizare. Interpretarea și scalarea rezultatelor la nivel de modul;

A2.3. Proiectarea, dezvoltarea și testarea modulului de pile de combustibil în condiții tranzitorii;

A2.4. Construcția unității de distribuție a puterii pentru conectarea modulelor;

A2.5. Testarea sistemului de pile de combustibil pentru cicluri de conducere agresivă ale UAV;

Etapa 3. Construcția sistemului auxiliar BoP de furnizare a utilităților sistemului de pile de combustibil. “BoP – Balance of Plant”.

Obiectivul principal din etapa 3 este dezvoltarea și construcția unui sistem auxiliar (BoP – Balance of Plant) care să gestioneze întreg sistemul de pilele de combustibil (FCS – Fuel Cell System). Pentru funcționarea FCS sunt necesare componente auxiliare care sa furnizeze cantitățile necesare de reactanți (aer și hidrogen) la parametri optimi. În componența BoP sunt mai multe pompe, electrovalve, ventilatoare și trasee de alimentare. Aceste componente sunt monitorizate și controlate la nivel local de ECU (ECU – Electronic Control Unit). Fiecare ECU va asigura valorile optime ale parametrilor de temperatură, presiune și debite astfel încât să producă curentul electric cerut. Calculatorul central va decide care este necesarul de putere al UAV pe care îl va transmite, prin comunicație CAN (Controller Area Network), către module de FC. Algoritmi specifici vor fi implementați software în ECU pentru monitorizarea și controlul proceselor. Scopul este creșterea performanțelor de putere ale FCS și reducerea consumului de hidrogen.

Activitățile etapei nr.3 sunt următoarele:

A3.1. Dimensionarea rezervorului de hidrogen și a generatorului de aer. Realizarea sistemului de alimentare cu hidrogen și aer;

A3.2. Implementarea circuitului electric/electronic pentru umidificarea pilei prin impulsuri electrice;

A3.3. Algoritm de control al fluxului de hidrogen în modul anod blocat;

A3.4. Implementarea hardware și software a unității de control electronic – ECU;

A3.5. Teste experimentale ale sistemului de pile de combustibil utilizând BoP.

Etapa 4. Dezvoltarea sistemului de baterii cu management și a convertorului bidirecțional de curent continuu.

Obiectivul principal din etapa 4 este dezvoltarea și realizarea unui sistem de baterii care să asigure performanța sistemului electric hibrid de pile de combustibil. Sistemul de baterii este considerat ca fiind sursa auxiliară de energie. Acesta este dimensionat ca fiind o zonă tampon de acumulare a energiei, care în timpul fazelor de accelerare asigură diferența necesară de energie, iar în timpul fazelor de croazieră acestea sunt încărcate de celula de combustibil. Sistemul de management al bateriei are rolul de a menține starea de încărcare a bateriei în zone rezonabile în funcție de tipul de baterie ales. Pentru a reduce greutatea și volumul, sistemul de baterii fi proiectat astfel încât tensiunea de la bornele lui să fie compatibilă cu tensiunea de alimentare a componentelor electronice. Un convertor bidirecțional de curent continuu va fi o interfață între baterii și motoarele electrice. Controlul acestui convertor va dirija fluxul de energie al bateriei. Scopul este furnizarea/înmagazinarea surplusului de energie de către sistemul de baterii care asigură operarea sistemului de pile de combustibil în regim cvasi-staționar.

Activitățile etapei nr.4 sunt următoarele:

A4.1. Identificarea de tipuri de baterii speciale pentru UAV;

A4.2. Realizarea sistemului de baterii;

A4.3. Dezvoltarea hardware și software a sistemului de management al bateriei;

A4.4. Proiectarea și dezvoltarea unui convertor de curent continuu;

A4.5. Teste experimentale de încărcare/descărcare a sistemului de baterii.

Etapa 5. Strategii de management energetic pentru creșterea eficienței energetice și reducerea consumului de hidrogen.

Obiectivul principal al etapei 5 este implementarea unor algoritmii de management energetic care să controleze fluxurilor de putere în conformitate cu obiectivele specifice, de obicei legate de minimizarea consumului de combustibil, starea de încărcarea a bateriilor, profilul de zbor, creșterea autonomiei de zbor, etc., în timp ce trebuie asigurate satisfăcător constrângerile de funcționare, cum sunt: evitarea fenomenelor de „starvation” cu hidrogen ale pilei, menținerea stării de încărcare a bateriei între limitele normale, asigurarea cuplului motor, etc. Optimizarea se va face cu algoritmi RTO specifici (cum ar fi cei bazați pe GES – Global Extremum Seeking, P&O – Perturbă și Observă etc.) și un control de urmărire a sarcinii tip LF – Load Following. Perfomanțele obtinute cu strategiile RTO vor fi comparate cu cele obținute din strategia de baza, de tip Static Feed-Forward – sFF dezvoltate anterior. Strategia EMS cu cele mai bune performanțe va fi implementată hardware și software în calculatorul central al UAV. Scopul este identificarea unei strategii de management energetic care să urmărească creșterea anduranței (autonomiei) de zbor și a durabilității pilelor de combustibil.

Activitățile etapei nr.5 sunt următoarele:

A5.1. Metodologii de optimizare ale consumului de energie pentru a crește autonomia de zbor a UAV;

A5.2. Simularea EMS a propulsorului in Matlab/Simulink utilizând diverși algoritmi RTO și LF;

A5.3. Criterii de performanță pentru alegere celui mai bun algoritm EMS în baza simulărilor;

A5.4. Implementarea hardware a strategiei EMS alese utilizând un sistem de calcul SCADA;

A5.5. Interfața software a strategiei EMS în LabVIEW. Teste de performanță ale soluției găsite.

Etapa 6. Teste preliminare de funcționalitate al ansamblului grup motor-propulsor hibrid cu hidrogen. Algoritmi de control și poziționare a motoarelor.

Obiectivele principale ale etapei 6 sunt realizarea sistemului automat de comandă și verificarea aerodinamici grupului de motoare alimentate de propulsorul hibrid cu hidrogen. Grupurile motopropulsoare au rolul de antrena un jet de aer, de o anumită forță, față de centrul de greutate al UAV. Astfel formându-se un sistem cinematic de generare a unui moment de cuplu pentru a deplasa UAV. Dispunerea motoarelor trebuie sa fie echidistantă și simetric distribuite pentru a forma un sistem de sustentație stabil. Pentru proiectarea și realizarea sistemului automat de comandă este necesară cunoașterea caracteristicilor dinamice ale componentelor la un nivel cât mai precis. Astfel este necesară identificarea performanțelor dinamice ale grupurilor motopropulsoare și cuantificarea lor sub formă de funcții de transfer. Scopul este identificarea funcțiilor de transfer optime pentru controlul grupului motopropulsor (motoare și servomotoare) prin care să anuleze momentele giroscopice ale UAV.

Activitățile etapei nr.6 sunt următoarele:

A6.1. Proiectarea și implementarea unui sistem automat de comandă al grupului de motoare;

A6.2. Algoritmi de control pentru reglarea turației pentru fiecare motor pentru a realiza o evoluție optimizată și controlabilă a UAV;

A6.3. Identificarea dinamicii grupului de motoare prin teste experimentale;

A6.4. Teste preliminare pentru verificarea sustenabilității propulsorului de hidrogen la cicluri agresive de decolare/aterizare;

A6.5. Teste statice preliminare pentru verificarea funcționalității ansamblului “grup motor-propulsor hibrid hidrogen” pentru comenzii specifice UAV (girație, tangaj, ruliu, etc.)

Etapa 7. Proiectare aerodinamică și construcție UAV.

Obiectivul principal al etapei 7 este realizarea fuzelajului UAV-ului utilizând materiale compozite ultra ușoare care să-i reducă greutatea. În urma simulărilor numerice și a efectuării calculelor de rezistență pentru echilibrarea greutății și rigidizarea agregatelor propulsorului hibrid cu hidrogen vor fi determinate performanțele aerodinamice ale UAV-ului. În baza acestor calcule aerodinamice va rezulta o formă geometrică pentru construcția fuzelajului. Profile din aluminiu sunt folosite pentru a defini structura ansamblului, iar pentru construcția fuzelajului vor fi folosite materiale din polistiren expandat de înaltă densitate acoperite cu țesătură din fibră de sticlă. Prelucrările mecanice vor fi realizate cu sistemul CNC in 5 axe aflat in dotare. Scopul este reducerea masei și a gabaritului UAV pentru a îmbunătăți performantele de zbor.

Activitățile etapei nr.7 sunt următoarele:

A7.1. Calcul aerodinamic. Proiectare mecanică și aerodinamică a UAV-ului;

A7.2. Proiect de parametrizare 3D Catia V5 a structurilor de ranforsare pentru rigidizarea agregatelor, cunoscându-se specificațiile tehnice ale acestora;

A7.3. Proiectare de matrițe/șabloane pentru realizarea componentelor UAV (aripa, eleron, corp etc);

A7.4. Realizarea fuzelajului UAV-ului folosind structuri compozite ranforsate și materiale ultra-ușoare;

A7.5. Asamblarea componentelor UAV și a grupului de motopropulsoare;

Etapa 8. Dezvoltarea hardware și software a sistemului central SCADA care supervizează funcționarea UAV-ului.

Obiectivul principal al etapei 8 este dezvoltarea unei calculator central de tip SCADA care are la baza un șasiu NI Compact RIO pentru supervizarea și controlul UAV. Aplicațiile software sunt dezvoltate în mediul de programare LabVIEW. Calculatorul central are doua mari roluri: 1. trebuie sa fie capabil să ruleze la viteze foarte mari algoritmul EMS pentru a menține tensiune constanta pe magistrala DC a propulsorului și 2. Placa FPGA a calculatorului central trebuie sa fie capabila sa achiziționeze date de la toți senzori UAV, inclusiv de la modul GPS și modul de radiofrecvență astfel încât să controleze sistemul automat de comandă al grupului de motoare. Scopul este operarea la nivel software și hardware a interfețelor de comandă și control a UAV.

Activitățile etapei nr.8 sunt următoarele:

A8.1. Proiectare hardware și software a calculatorului central. Implementarea software EMS;

A8.2. Interfață software de localizare geografică a UAV de tip GPS;

A8.3. Interfață software de localizare și transmitere de comenzi prin radiofrecvență;

A8.4. Interfață software pentru transmiterea de comenzii de la consola locală;

A8.5. Implementare de Drivere de comunicație a datelor dintre propulsorul hibrid și calculatorul central utilizând module de tip CAN;

Etapa 9. Integrarea componentelor/agregatelor la bordul UAV. Teste statice de funcționare UAV.

Obiectivul principal din etapa 9 este integrarea hardware a sistemului hibrid de propulsie și a sistemelor electronice de comandă în interiorul UAV. Pentru fixarea mecanică a celor doua sisteme în interiorul UAV sunt găsite pozițiile optime de instalare, utilizând o metoda modernă de descriere a componentelor în spațiul tridimensional folosind Siemens NX CAD/CAM. După fixarea fizică și realizarea traseelor de hidrogen și a conexiunile electrice/electronice urmează dezvoltarea unui protocol de comunicație a datelor vehiculate între sisteme si calculatorul central. Driverele de comunicație vor fi implementate cu module speciale cRIO NI care au posibilitatea de interconectare cu calculatorul central. Se vor executa teste preliminare pentru demonstrarea funcționalității sistemului propus. Testele experimental ale propulsorului hibrid vor fi debitate pe un stand dinamometric aflat în dotare si vor fi foarte apropriate de cele reale. Scopul este construirea robustă a unui UAV complet funcțional.

Activitățile etapei nr.9 sunt următoarele:

A9.1. Integrarea sistemului hibrid de propulsie în interiorul UAV;

A9.2. Integrarea componentelor electrice/electronice la bordul UAV;

A9.3. Drivere de comunicație a datelor dintre sistemul hibrid și calculatorul central;

A9.4. Protocol de testare Start/Stop ale propulsorului;

A9.5. Teste statice experimentale ale propulsorului in condiții Start/Stop;

Etapa 10. Validarea și demonstrarea soluției tehnologice pentru dezvoltarea UAV cu pile de combustibil/baterii. Aplicație demonstrativă.

Obiectivul etapei 10 este cel mai important, aici vor fi validate experimental performanțele de rezistență și anduranță ale UAV-ului. Manevre de zbor în toate scenariile posibile vor fi făcute pentru a valida demonstratorul UAV propulsat cu hidrogen ca și Prototip experimental (TLR 7).

Activitățile etapei nr.10 sunt următoarele:

A10.1. Testarea în zbor UAV și validarea performanțelor;

A10.2. Demonstrarea funcționalității conceptului propus;

A10.3. Interpretarea rezultatelor în funcție de eficiența energetică si consumul de hidrogen;

A10.4. Specificații tehnice si proceduri de testare UAV după standarde europene EASA;

A10.5. Aplicație demonstrativă.

© 2023 I.C.S.I. Rm. Vâlcea