Тандемный элемент питания
ТЭП - элемент питания, предназначенный для сглаживания резких изменений силы тока, протекающего через элемент питания, для повышения максимального кратковременного тока, и, как следствие, максимальной мощности элемента питания.
Команда
  • Раухвергер Константин
    Куратор проекта
    Лаборант ДТ «Кванториум», наставник по БПЛА проекта «КвадроТом». Призёр «Архипелаг 2024» в треках по автономным полётам и доставке грузов. Наставник команд-победителей РобоКап Россия 2024. Победитель грантового конкурса Росмолодежи с проектом «Формула взлёта» по развитию фиджитал-соревнований по беспилотникам.
  • Миляков Михаил
    Автор проекта
    Автор проекта, ученик 10 класса, неоднократный призер соревнований по робототехнике, в частности Робокап, Архипелаг 2025, региональных этапов ВсОШ по физике и информатике, а также прочих олимпиад в технологическом профиле, в числе которых ОРМО, ИКБ и прочие.

Актуальность


В активно развивающейся сфере БАС требуются увеличение как ёмкости элементов питания - для увеличения максимального времени полета, так и увеличение максимальной токоотдачи - для повышения максимальной массы полезной нагрузки

Все Расчёты
Малая токоотдача высокоёмких аккумуляторов является проблемой, которая может быть решена c использованием моего проекта.

Проблематика

Экспериментальные данные показывают, что использование ТЭП может увеличить мощность элемента питания в среднем на 91,56% в первые 2 секунды, тем самым увеличив тягу в среднем на 58,89%. Это означает, что максимальная взлётная масса может также быть увеличена примерно на 58% (поскольку она прямо пропорциональна тяге).

Эффективность использования ТЭП
Ниже приведены результаты исследования ТЭП
Кратковременное повышение мощности
ТЭП позволяет значительно - в первые 100 милисекунд до 231,2% - увеличить мощность на короткий промежуток времени. Это полезно при питании БПЛА, так как в данном случае требуется высокая мощность элемента питания.
Значительное повышение максимального тока
Кратковременное повышение максимального тока позволяет сильно увеличить максимальную взлетную массу БПЛА, так как потребление тока наибольшее именно при взлете и посадке
Точность математической модели
С помощью проведённых вычислений, что погрешность при использовании модели составляет 2,325%, что достаточно низко для дальнейшего использования модели.
Цель
Цель проекта - исследовать тандемные элементы питания (далее - ТЭП), при использовании их для питания БАС, и сконструировать рабочий прототип ТЭП.
Этапы проекта и их результаты
  • Практическая часть
    В практической части я:
    • Подобрал и заказал необходимые для сборки прототипа ТЭП компоненты.
    • Собрал работающий прототип ТЭП.
    • Провёл измерения показаний силы тока и напряжения при работе прототипа ТЭП и элемента питания, аналогичного основному источнику напряжения ТЭП с нагрузкой, аналогичной нагрузке, используемой в математической модели (БПЛА малых размеров).
  • Теоретическая часть
    В теоретической части я:
    • Составил электрическую схему, описывающую ТЭП и позволяющую определить необходимые для его работы компоненты
    • Составил математическую модель, описывающую работу ТЭП
    • Сравнить измерения, полученные в результате экспериментов в практической части и с помощью математической модели, для определения корректности математической модели.
    • С помощью модели численно оценил такие характеристики при использовании ТЭП в тестовой схеме, как:
    1. время работы схемы
    2. максимальный взлётный вес БПЛА
    3. максимальная мощность, выделяющаяся на элементе нагрузки в схеме

    Подробное описание математической модели доступно по ссылке: https://drive.google.com/file/d/1qjEnOk1-Ja68ugT3aoS3UQVCBAEfYiN-/view (Просмотр с помощью google drive не рекомендован ввиду некорректного отображения формул)
  • Вывод
    В результате работы над проектом я сделал вывод о том, что проделанная в рамках данного проекта работа позволяет предсказать работу ТЭП, а также совершить вывод о том, что функция ТЭП - значительное увеличение мощности на непродолжительные промежутки времени - достаточно значительна для использования ТЭП в определённых конфигурациях и/или условиях эксплуатации.
Аналоги
Использование ионисторов в гибридных/электрических автомобилях
Использование ионистора близко к использованию в данном проекте, но в отличие от проекта ионистр в такой конфигурации используется для питания электромотора в автомобиле, а не БПЛА.
Hybrid Energy Storage System
Hybrid Energy Storage System (Сокращённо HESS) также используют идею, схожую с идеей данного проекта, но как правило используются в электрических сетях.
Пусковые устройства для ДВС
Так же как и данный проект, используют ионисторы для отдачи большого тока за короткое время, но используют это не для движения, а для запуска ДВС.
Отличия от аналогов и преимущества
Основным преимуществом над классическими элементами питания станет способность ТЭП мгновенно отдавать дополнительную мощность в критические моменты полёта, увеличивая пиковую мощность примерно на 92%, а тягу — на 58%.

Прямо сейчас на рынке БАС НЕ СУЩЕСТВУЕТ готовых аналогов, сочетающих специализацию под импульсные нагрузки с минимальными требованиями к интеграции, долговечностью и высокоемкостью.
Целевая аудитория
проекта
Целевой аудиторией проекта могут выступать малые частные компании и отдельные лица, использующие БПЛА, а также образовательные организации и крупные компании, которые могут быть партнерами в рамках производства товара (специальных устройств, позволяющих использовать любой элемент питания как ТЭП).
Потенциальные заказчики и стейкхолдеры проекта
Возможна как продажа товара (специальных устройств, позволяющих использовать любой элемент питания как ТЭП), так и научных исследований
ДТ Кванториум
Действующий партнер проекта в рамках разработки продукта
Ссылка на сайт компании
Образовательный сектор БАС
  • Потенциальный стейкхолдер проекта
  • Рассматривается весь сектор образовательных систем:

Геоскан
BRLAB (Лаборатория дронов)
Клевер COEX
ARA(Прикладная Робототехника Авиа) CyberRaven
Сверх
GoDrone
МИР(Модульные Измерительные Решения)
Рассматривается весь кластер 20.35
Ссылка на основной сайт
InEnergy
Потенциальный партнер в рамках производства товара
Ссылка на сайт компании
Экономика проекта
Экономика трудозатрат
Итоговая цена разработки: 24176р
Формулы
Будущее проекта
Я буду продолжать работу над проектом, как и использовать результаты данной работы в других проектах, планируется разработка последующих образцов ТЭП с использованием микроконтроллеров для управления, а также заказ плат у Service Devices либо FINELINE