ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 658.562
DOI: 10.18503/1995-2732-2025-23-2-176-187
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Современные малые беспилотные летательные аппараты предъявляют высокие требования к качеству их работы, особенно в экстремальных условиях эксплуатации. Одним из ключевых факторов, влияющих на надежность и долговечность таких летательных аппаратов, является поддержание стабильных тепловых режимов аккумуляторов в условиях низких температур. Оптимизация теплового управления становится необходимой для обеспечения заданных характеристик полета аппарата и повышения эффективности его системы электропитания. Для обеспечения стабильного качества функционирования системы электропитания малого беспилотного летательного аппарата в таких условиях требуется разработка инновационных подходов к управлению тепловыми процессами. Использование светодиодных осветительных приборов за счет их существенного тепловыделения может стать необычным комбинированным источником не только света, но и тепла для данных авиационных систем, что, в свою очередь, открывает новые перспективы для разработки моделей теплового менеджмента, которые могут обеспечить дополнительное поддержание достаточной для нормальной работы аккумуляторной батареи температуры. Цель работы. Разработка модели управления подогревом батареи малого беспилотного летательного аппарата с применением светодиодных систем, направленной на поддержание оптимальных рабочих температур аккумуляторов и повышение надежности и качества полетов в низкотемпературных условиях (до -15ºС). Используемые методы. В рамках данного исследования использован комплексный подход, включающий численное моделирование тепловых процессов на основе дифференциальных уравнений теплопередачи, а также экспериментальные исследования, направленные на оценку эффективности предложенной модели в реальных условиях эксплуатации. Моделирование проводилось с использованием языков программирования Python и MATLAB, что обеспечило высокую точность и адаптивность расчетов. Для симуляции работы системы использованы данные о динамике температурных изменений, характеристиках аккумуляторов и светодиодных источников света. Применены методы оптимального моделирования тепловых процессов, а также анализ соответствия разработанной модели требованиям качества и стандартам эксплуатации в заданных температурных условиях. Новизна. Впервые предложена интеграция светодиодных систем в качестве активного элемента теплового менеджмента для беспилотных летательных аппаратов, позволяющая не только обеспечивать освещение, но и выполнять функции обогрева аккумуляторов в экстремальных температурных условиях. Разработанная математическая модель учитывает основные параметры, влияющие на теплопередачу и работу системы, такие как теплоемкость материалов, коэффициенты теплопроводности, конвекции и излучения. Особое внимание уделено моделированию взаимодействия тепловых потоков внутри источника питания малого беспилотного летательного аппарата и учету аэродинамических воздействий на его корпус, что способствует поддержанию необходимого качества полета в экстремальных температурных условиях. Результат. Проведенное моделирование и экспериментальные исследования показали, что использование светодиодов для поддержания оптимальной температуры аккумуляторов приводит к значительному увеличению времени их работы. Практическая значимость. Применение предложенной модели и стратегии позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики малых беспилотных авиационных систем, повысить их надежность и эффективность работы в холодных климатических условиях. Разработанная модель может быть внедрена в практику конструирования и эксплуатации малых беспилотных летательных аппаратов, что позволит улучшить качество полетов и эффективность использования данных устройств, расширит область их применения в умеренно холодных климатических условиях.
Ключевые слова
тепловой менеджмент, малые беспилотные летательные аппараты, малые беспилотные авиационные системы, управление качеством полета, подогрев источника питания, светодиодные источники света, энергоэффективность, оптимизация работы, управление качеством
Для цитирования
Кузьменко В.П. Разработка модели управления подогревом батареи малого беспилотного летательного аппарата с применением светодиодных систем для обеспечения заданного качества полета // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. №2. С. 176-187. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2025-23-2-176-187
1. Pollock A., Pollock H., Pollock C. High Efficiency LED Power Supply // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2015, vol. 3, pp. 617-623. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2015.2430621.
2. Highly efficient near-UV-excitable Ca2YHf2Al3O12:Ce3+,Tb3+ green-emitting garnet phosphors with potential application in high color rendering warm-white LEDs / Wang S., Devakumar B., Sun Q., Liang J., Sun L., Huang X. // Journal of Materials Chemistry C. 2020, no. 8, pp. 4408-4420. https://doi.org/10.1039/d0tc00130a.
3. An Ultrahigh Efficiency Excitonic Micro-LED / Pandey A., Min J., Reddeppa M., Malhotra Y., Xiao Y., Wu Y., Sun K., Mi Z. // Nano letters. 2023. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04220
4. Yan C., Bai S., Nie T. Wang. High-power high-efficiency green LEDs // 12th China International Forum on Solid State Lighting (SSLCHINA). 2015, pp. 1-3. https://doi.org/10.1109/SSLCHINA.2015.7360676.
5. Very high external quantum efficiency and wall-plug efficiency 527 nm InGaN green LEDs by MOCVD / Li P., Zhao Y., Li H., Che J., Zhang Z., Li Z., Zhang Y., Wang L., Liang M., Yi X., Wang G. // Optics express. 2018, 26(25), 33108-33115. https://doi.org/10.1364/OE.26.033108.
6. High wall-plug efficiency blue III-nitride LEDs designed for low current density operation / Kuritzky L., Espenlaub A., Yonkee B., Pynn C., Denbaars S., Nakamura S., Weisbuch C., Speck J. // Optics express. 2017, 25(24), 30696-30707.
7. Кузьменко В.П. Применение алгоритма адаптивной многоимпульсной позиционной модуляции для повышения качества связи в области видимого света при управлении светодиодным освещением // Наука и бизнес: пути развития. 2022. № 7 (133). С. 54-58.
8. Rangappa N., Prasad Y., Dubey S. LEDNet: Deep Learning-Based Ground Sensor Data Monitoring System // IEEE Sensors Journal. 2022, no. 22, pp. 842-850. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3129173.
9. 3-D Deployment of VLC Enabled UAV Networks With Energy and User Mobility Awareness / Anwar D., Peer M., Lata K., Srivastava A., Bohara V. // IEEE Transactions on Green Communications and Networking. 2022, no. 6, pp. 1972-1989. https://doi.org/10.1109/TGCN.2022.3171920.
10. Тыныбаев С.К., Байсеитов Г.Н., Тойбазаров Д.О. Оценка и выбор источников питания беспилотных летательных аппаратов // E-Scio. 2020. №4 (43).
11. Холкин Д., Чаусов И., Шуранова А. Энергетика беспилотных авиационных систем // Энергетическая политика. 2023. № 8 (187). С. 26-37. DOI: 10.46920/2409-5516_2023_8186_26.
12. Impact of low temperature and charge profile on the aging of lithium-ion battery: Non-invasive and post-mortem analysis / Wu W., Ma R., Liu J., Liu M., Wang W., Wang Q. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021, 170, 121024. https://doi.org/10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2021.121024.
13. Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures / Wang C., Zhang G., Ge S., Xu T., Ji Y., Yang X., Leng Y. // Nature, 2016, no. 529, pp. 515-518. https://doi.org/10.1038/nature16502.
14. Bandhauer T., Garimella S., Fuller T. A Critical Review of Thermal Issues in Lithium-Ion Batteries // Journal of The Electrochemical Society, 2011, 158. https://doi.org/10.1149/1.3515880.
15. Шамарова Н.А. Анализ методов оценки уровня заряда аккумуляторных батарей // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т.14. № 1 (53). С. 24-33.
16. Сердечный Д.В., Томашевский Ю.Б. Особенности эксплуатации накопителя энергии на базе многоэлементной литий-ионной аккумуляторной батареи // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 9-10. С. 140-145.