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ハイブリッドおよび電気航空機の電気部品分析

この例では、ハイブリッドおよび電気航空機分野の設計空間を迅速に探索するためにモデリングを使用し、その結果を設計基準と比較する方法を示します。このプロセスにより、設計の反復回数が削減され、最終設計がシステムレベルの要件を満たすことが保証されます。

ハイブリッド航空機と電気航空機は、航空宇宙産業において積極的に開発が進められている分野です。ハイブリッド電力システムと純粋な電力システムの選択、電力ネットワーク アーキテクチャの選択、電気コンポーネントのサイズ決定のプロセスを迅速化するには、MathWorks ® 製品を使用したシミュレーションの使用を検討してください。

この例では、事前設定されたシミュレーション構成を使用して、ペイロードの有無にかかわらず、純粋な電気またはハイブリッド電力システムのバッテリー サイズ間のトレードオフを示します。これには、ピピストレル アルファ エレクトロと NASA X-57 マクスウェル航空機が含まれます。プロジェクトとして実装されたこの例では、シミュレーションの実験に使用できるさまざまなショートカットが提供されます。

モデルのコンポーネント

航空機ブロックは、プロジェクトで比較される航空機を指定します。

  • ピピストレル・アルファ・エレクトロ[1]は、世界初の2人乗り純電動練習機の事前構成モデルです。

  • NASA X-57マクスウェル[2]は、実験用電気航空機であるNASA X-57マクスウェル航空機の事前構成モデルです。

  • カスタムとは、自分の仕様に合わせてモデル化できる航空機のことです。

航空機ブロックでは、各航空機は飛行中の 4th Order Point Mass (Longitudinal) としてモデル化され、必要な推力出力がモーターの負荷として表されます。この抽象モデルでは、パイロットがミッションを遂行するために必要なアクションを実行することを前提としています。

選択した航空機の空力特性(自重と最大質量、翼面積と揚力曲線の値、抗力係数、ミッションの上昇、巡航、下降部分の目標速度など)をいくつか指定できます。ブロックは、これらの値とミッション高度を使用して、大気密度、ターゲット速度、および飛行プロファイル角度 (ガンマ) に基づいて、迎え角 (アルファ) と推力のルックアップ テーブルを作成します。飛行中のあらゆるポイントで、ルックアップ テーブルは、加速度を計算する 4 次ポイント Mass ブロックに入力するためのアルファと推力を返します。アルファと推力を計算された定常値に保持することで、実際の速度はすぐに目的の速度に到達します。航空機ブロックは、ミッションの上昇率と降下率も定義します。

ミッション プロファイル ブロックでは、空港と巡航高度、および総飛行距離を設定します。入力した値が実現不可能な場合(たとえば、航空機が要求された巡航高度まで上昇したり、そこから下降したりするには距離が短すぎる場合など)は、値が調整され、変更内容を説明するメッセージが表示されます。バッテリー電力がなくなるまで航空機がどれだけ飛行できるかを確認するには、長い総飛行距離を入力します。

環境ブロックは、COESA Atmosphere Model を使用して、選択した高度での空気密度を計算します。

デフォルト設定でモデルを実行する

デフォルトでは、航空機ブロックは Pipistrel Alpha Electro 航空機用に構成されています。この航空機のデフォルト設定でのパフォーマンスを確認するには、「Single Run」プロジェクト ショートカットを使用してモデルを実行します。Pipistrel はペイロードなしで実行されます。

飛行中のバッテリーの状態、電流、電力レベルを示す 2 つの数字が表示されます。2 つのスコープ ウィンドウには、ミッションの進行状況 (高度と対気速度)、出力、および使用エネルギーが表示されます。注意してください、ミッション全体が完了する前にバッテリーの容量がなくなります (20 アンペア時間に達します)。

asbhybrid_scopes_and_run_figures.png

シミュレーションによって作成されたデータをキャプチャするために、この例では Simscape データ ログ (Simscape) 機能を使用します。プロジェクト ショートカットによって提供されるさまざまなシミュレーション ケースでは、必要なケースを実行するスクリプトが実行され、次に Simscape ログから結果を抽出して図が作成されます。複数の電気モーターを搭載した航空機の場合、航空機サブシステムによって計算された合計必要トルクは、モーターの数で割られてから、電力サブシステムに渡されます。シミュレーションを停止する基準である batteryCapacityMin は、それに応じて 20 アンペア時間から上方に調整されます。

3000フィートで巡航するモデルを実行する

ピピストレルは、初級飛行訓練機として設計されています。モデル用に設定されたデフォルトのミッションは、Pipistrel の一般的なミッションではない可能性があります。9000 フィートではなく 3000 フィートで巡航するようにミッションを変更し、1 回実行してこの変更の効果を確認します (期間が短縮されます)。

ペイロードを使用してモデルを実行する

165 ポンドのペイロードで Pipistrel を実行するには、「ペイロード質量の設定」ショートカットを使用してから、モデルを再度実行します。ペイロード値の範囲の効果を確認するには、「ペイロード質量のスイープ」ショートカットを使用します。このショートカットにより、積載量が 0 ポンドから 330 ポンドまで変化します。スイープによりさまざまな数値が生成され、スイープされたパラメータの飛行時間と範囲が表示されます。各マーカーは 1 つのシミュレーションを表します。マーカーの上にマウスを置くと、そのペイロード質量 (「X」) と飛行範囲または飛行時間 (「Y」) の値が表示されます。

asbhybrid_sweep_payload.png

さまざまなバッテリーサイズでモデルを実行する

飛行範囲がバッテリー サイズによってどのように影響を受けるかを確認するには、「バッテリー サイズのスイープ」ショートカットを使用します。ショートカットにより、容量は 60 ~ 160 アンペア時間 (X-57 を選択した場合は 100 ~ 200 アンペア時間) に変化します。この例では、バッテリーの質量が容量に比例すると想定しているため、容量が増加すると質量も増加します。ペイロードが十分に大きく設定されている場合 (Pipistrel の場合は 183 ポンド以上)、バッテリー質量の増加により、スイープ内の最大のバッテリーによって航空機が最大質量値 (例: Pipistrel の場合は 1212 ポンド) を超える可能性があります。ベースワークスペースの total_mass 変数には、スイープ内の各ケースの合計質量が格納されます。バッテリー容量がミッションを完了するのに十分である場合、塗りつぶされたマーカーがそのことを示します。ピピストレルなどの純電気航空機では燃料が燃焼しないため、飛行中も質量は変化しないことに注意してください。

asbhybrid_sweep_battery.png

最大ペイロードでモデルを実行する

「さまざまなバッテリー サイズでモデルを実行する」のバッテリー容量スイープにより、固定ペイロードの飛行範囲が得られます。最大ペイロードの飛行範囲を見つけるには、「最大ペイロードでのスイープ範囲」ショートカットを使用します。これにより、バッテリー容量が、すべてのケースで合計質量が最大質量と等しくなるようにペイロードが設定された状態でスイープされます (ペイロードが負にならない限り、その場合はペイロードがゼロに設定され、モデルが重量超過になります)。これらの結果から、特定のペイロード要件に応じて最大バッテリー サイズを選択できます。

asbhybrid_sweep_range.png

さまざまなバッテリーとペイロードのサイズでモデルを実行する

バッテリー サイズとペイロード質量の両方に対する飛行範囲距離の依存性を同時に確認するには、等高線プロットを生成する「バッテリーとペイロードのスイープ」ショートカットを使用します。航空機が最大重量を超えているエリアには、赤と白の「重量超過」オーバーレイが表示されます。

asbhybrid_sweep_battery_payload.png

ハイブリッド電気オプションでモデルを実行する

バッテリーの電力密度は航空燃料よりもはるかに低いため、純粋な電気航空機の航続距離は燃料駆動の航空機よりも短くなります。このギャップを埋めるには、ハイブリッド電力システムを検討してください。バッテリーを充電するために、この例のハイブリッド電源サブシステム バリアントは、純粋な電気電源サブシステム コンポーネントに 130 ポンド、50 kW、2 ストローク ピストン エンジンと発電機を追加します。

ハイブリッド電源システムを試すには、次のいずれかのワークフローを実行します。

電源サブシステムのバリアントを変更し、バッテリー範囲スイープを実行する

1.「ハイブリッド電気」ショートカットを使用します。このショートカットは、電源サブシステムのバリアントを変更します。

2.純粋な電力に対して以前に実行したスイープを繰り返すには、「最大ペイロードでのスイープ範囲」を使用します。

asbhybrid_sweep_range_hybrid.png

この場合、より大きなバッテリーサイズは、現在定義されているもの(120 NM)よりも長いミッションが可能になります。ミッション プロファイルに、より長い合計飛行距離 (例: 200 NM) を入力してから、このスイープを再実行してください。

両方の電源タイプでバッテリー範囲スイープを実行する

1.「ハイブリッド/電気範囲比較」ショートカットを使用して、両方の電力バリエーションのスイープを実行します。

2.結果を 1 つの図で比較します。結果は、ハイブリッド電力システムにより航続距離は向上するが、積載量が犠牲になることを示しています。

asbhybrid_sweep_range_comparison.png

ミッションが航続距離と耐久性に及ぼす影響を探る

ミッションが航続距離と耐久性にどのように影響するかを調べるには、航空機ブロックでカスタム航空機モデルを選択します。この航空機のデフォルト設定値は、速度を除いて、Pipistrel と同じです。必要に応じて速度とミッション高度を調整し、実行して結果をデフォルト設定の Pipistrel の結果と比較します。

評価対象のカスタム航空機が Pipistrel と大幅に異なる場合は、それに応じて「asbHybridAircraftDefaults.m」ファイルの CustomAircraft 値を調整します。

追加モデルの詳細

電源サブシステム

電力サブシステムは、次の 2 つのバリアント モデルでモデル化されます。純粋電気およびハイブリッド電気は、ベース ワークスペースの変数 POWER_MODE によって制御されます。

Pure Electric モデルには、バッテリー、高電圧および低電圧 DC ネットワーク、および航空機の機械モデルが含まれています。機械モデルは、高電圧 DC ネットワーク上の負荷として機能します。低電圧 DC ネットワークには、飛行ミッション中にオンとオフを切り替える一連の負荷が含まれています。

シリーズのハイブリッド電気モデルには、純粋電気モデルのすべてのコンポーネントに加えて、50 kW エンジン、発電機、燃料が含まれています。Generic Engine (Simscape Driveline) は、バッテリーから供給される電力を補充する発電機を駆動します。飛行中に発電機がバッテリーを充電します。エンジンによって消費される燃料の質量がシミュレーションに含まれます。低電圧 DC ネットワークには、燃焼エンジンの燃料ポンプなど、飛行サイクル中にオンとオフを繰り返す一連の負荷が含まれます。

これら 2 つのバリアント モデルは、負荷トルク、モーター、ジェネレーター、および DC 電力配分の 3 つまたは 4 つのサブシステムで構成されています。

負荷トルクサブシステム

このサブシステムは、必要な機械的動力をモーター シャフトの負荷トルクに変換します。このモデルでは、指定された量のモーターの機械的動力が推力に変換されると想定しています。推力を維持するために必要な電力をモーター速度で割ると、モーター シャフトの負荷トルクが得られます。モーター制御システムは、変化する負荷下で必要なシャフト速度を維持するように調整します。

モーターサブシステム

このサブシステムは、トルク制御モード、または同等の電流制御モードで動作する電気モーターと駆動電子機器を表します。モーターの許容トルクと速度の範囲は、トルク速度エンベロープによって定義されます。

燃料ポンプサブシステム

このサブシステムは燃料ポンプをモデル化します。電気モーターがポンプを駆動し、バルブを通して燃料を押し出します。飛行中にバルブの開度が変化し、モーターが DC ネットワークから引き出す電流が変化します。

ジェネレータサブシステム

このサブシステムは、トルク制御モード、または同等の電流制御モードで動作する発電機および駆動電子機器を表します。燃焼エンジンによって駆動され、航空機ネットワークに追加の電力を供給します。

DC 電力分配サブシステム

このサブシステムは、低電圧 DC ネットワークから負荷を接続および切断するために開閉するブレーカーをモデル化します。さまざまな条件が、ネットワークから引き出される電力、航空機の航続距離、航空機内の電力線の電力要件に影響します。

参考文献

[1] https://www.pipistrel-aircraft.com/products/velis-electro/

[2] https://www.nasa.gov/aeronautics/x-57-maxwell/

参考

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