پایان نامه ها

پایان نامهi– (222)

دانشگاه آزاد اسلامی واحد دامغان
دانشكده فنی و مهندسی
پايان ‌نامه جهت دريافت درجه كارشناسي ارشد در رشته مهندسی برق قدرت
موضوع
شبیه سازی و کنترل یک سیستم تولید توان ترکیبی پیل سوختی/باطری/ ابر خازن به منظور تغذیه یك موتور الکتریکی جریان مستقیم
استاد راهنما
جناب آقای دکتر حاجی زاده
استاد مشاور
جناب آقای دکتر حاجی زاده
تحقيق و نگارش
شاهین هادی سلوط
پاييز 1393
فهرست مطالب صفحه
2
3
5
6
7
8
9
12
13
14
14
16
17
17
24
27
30
34
37
40
43

فصل اول: ادبيات موضوع………………………………………………………………………………………………………………………………..
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
1-2 ساختارهاي نوين در خودرو……………………………………………………………………………………………………………………..
1-3 تاريخچه خودروهاي هيبريدي……………………………………………………………………………………………………………………………..
1-4 ساختار خودروهاي هيبريد…………………………………………………………………………………………………………………………………..
1-5 پيل سوختي…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
1-5-1 انواع پيل سوختي مورد استفاده در صنعت خودرو……………………………………………………………………………………………
1-5-2 مزاياي پيل هاي سوختي………………………………………………………………………………………………………………………………..
1-5-3 معايب پيل هاي سوختي…………………………………………………………………………………………………………………………………
1-6 مزاياي بكارگيري باطري در خودروهاي هيبريد………………………………………………………………………………………………….
1-7 چارچوب پايان نامه……………………………………………………………………………………………………………………………………………
فصل دوم: مروري بر پژوهش هاي پيشين…………………………………………………………………………………………………………………..
2-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2-2 استراتژی مدیریت انرژی برای خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن مبتنی بر منطق فازی………………….
2-3 کنترل پخش توان بهینه با استفاده از الگوریتم PSOبرای خودروی هيبريد پيل سوختی/فراخازن و
پيل سوختی/باطری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2-4 کنترل موازی تبادل انرژی برای خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/ باطری/ فراخازن…………………………………..
2-5 یکپارچه سازی سیستم و مدیریت پخش توان برای یک خودروی هيبريد سری با استفاده از فراخازن و باطری …
2-6 مدیریت انرژی مبتنی بر روش فرکانسی برای خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/باطری لیتیومی و فراخازن..
2-7 مدیریت توان خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و فراخازن با استفاده از تبدیل موجک …………………………………
2-8 مدیریت انرژی خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن با استفاده از روش کنترل بهینه تطبیقی……………………………
2-9 طراحی مدل اولیه و اجرای کنترلر برای یک سیستم ذخیره انرژی خودروی الکتریکی هيبريد باطری-فرا خازن…..
47
49
51
54
58
59
59
59
60
61
61
62
62
63
63
64
67
67
67
68
69
69
73
36
38
2-10 سیستم مدیریت انرژی برای خودروی برقی هيبريد با استفاده از فراخازن¬ها و شبکه¬ها عصبی……………….
2-11 یک سیستم ذخیره انرژی هيبريد باطری/فراخازن جدید برای خودروهای الکتریکی، هيبريد،
و الکتریکی هيبريد با قابلیت اتصال به پریز……………………………………………………………………………………………………
2-12 سیستم مدیریت انرژی وسایل نقلیه سبک با استفاده از چندین منبع تغذیه…………………………………………………….
2-13 مدیریت قدرت پیل سوختی و باتری موتور درایو DC برای خودرو های الکتریکی کاربرد تغذیه…………………
فصل سوم: سيستم هاي فازي…………………………………………………………………………………………………………………………………
3-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
3-2 سيستم فازي…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
3-1-1 تاریخچه ی فازی………………………………………………………………………………………………………………………………………
3-2-2 اساس سیستم های فازی…………………………………………………………………………………………………………………………..
3-2-3 انواع سیستم های فازی………………………………………………………………………………………………………………………………
3-2-3-1 سیستم های فازی خالص……………………………………………………………………………………………………………………..
3-2-3-2 سیستم فازی TSK………………………………………………………………………………………………………………………………
3-2-3-3 سیستم فازی با فازی سازی و غیر فازی سازی………………………………………………………………………………………
3-2-4 مجموعه ها ي قطعي و فازي……………………………………………………………………………………………………………………..
3-2-4-1 مجموعه‌های قطعی………………………………………………………………………………………………………………………………..
3-2-4-2 مجموعه های فازی و توابع تعلق……………………………………………………………………………………………………………
3-2-5 عملیات بر روی مجموعه های فازی………………………………………………………………………………………………………….
3-2-5-1 عملگر مکمل…………………………………………………………………………………………………………………………………………
3-2-5-2 عملگر اجتماع……………………………………………………………………………………………………………………………………….
3-2-5-3 عملگر اشتراک……………………………………………………………………………………………………………………………………….
3-2-6 رابطه ی فازی……………………………………………………………………………………………………………………………………………
3-2-7 مثالی از پیاده سازی سیستم فازی ممدانی در نرم افزار MATLAB………………………………………………………….
فصل چهارم: سيستم مورد مطالعه……………………………………………………………………………………………………………………………
74
74
75
76
77
78
79
80
80
80
81
82
83
87
87
91
91
92
95
96
98
4-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4-2 سيستم مورد مطالعه…………………………………………………………………………………………………………………………………………….
4-2-1 مدل باتری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
4-2-2 مدل سلول سوختی………………………………………………………………………………………………………………………………………..
4-2-3 مدل فراخازن…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
4-2-4 سیستم مدیریت انرژی……………………………………………………………………………………………………………………………………….
4-2-5 الگوریتم کنترلی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
4-2-6 موتور DC تحریک مستقل………………………………………………………………………………………………………………………………….
4-3 كنترلرهاي سيستم كنترل قدرت……………………………………………………………………………………………………………………………….
4-3-1 سیستم کنترل قدرت با كنترلر تناسبي-انتگرالي PI………………………………………………………………………………………………….
4-3-2 سیستم کنترل قدرت با كنترلر فازي………………………………………………………………………………………………………………………
فصل پنجم: شبيه سازي و نتايج………………………………………………………………………………………………………………………………………
5-1 داده هاي سيستم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
5-2 نتايج شبيه سازي……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
5-2-1 نتايج شبيه سازي با سرعت مرجع ECE-47 (سیستم کنترل قدرت با كنترلر تناسبي-انتگرالي PI به ازاي ورودي شيب) ..
5-2-2 نتايج شبيه سازي (مقايسه عملكرد كنترل هاي پيشنهادي) ……………………………………………………………………………………….
5-2-2-1 نتايج شبيه سازي (عملکرد کنترلر PI با/بدون سیستم مدیریت انرژی به ازای ورودی پله) ………………………………………
5-2-2-2 نتايج شبيه سازي (عملکرد کنترلر فازی با/بدون سیستم مدیریت انرژی به ازای ورودی پله) …………………………………..
5-2-2-3 نتايج شبيه سازي ( عملکرد کنترلر فازی و PI به ازای ورودی پله) ……………………………………………………………………..
5-3 جمع بندي و پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………………………
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
20
47
49
52
80
86
87
92
فهرست جداول صفحه
جدول2-1: ماتریس قواعد فازی………………………………………………………………………………………………………………..
جدول 2-2: مقایسه بین ساختار کنترلی پیشنهادی با ساختارهای متداول…………………………………………………………
جدول 2-3 : مقایسه نتایج روش پیشنهادی با روش کنترلی متداول……………………………………………………………….
جدول4-2: قواعد کنترلی برای سيستم مديريت انرژي………………………………………………………………………………………..
جدول4-1: قواعد کنترلی برای سيستم مديريت انرژي…………………………………………………………………………………
جدول5-1: پارامترهای ماشین DC ………………………………………………………………………………………………………………..
جدول5-2: مشخصه های پارامترهای دینامیکی خودروی برقی…………………………………………………………………………….
جدول 5-3: ماتریس قواعد فازی. ………………………………………………………………………………………………………………..
7
18
18
20
21
22
23
24
26
26
26
27
28
28
29
29
30
31
32
33
33
34
فهرست شكل ها صفحه
1-1: ساختار خودروهاي هيبريد الكتريكي……………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-1: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری مورد مطالعه در ……………………………………………………………………………….
شکل2-2: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن مورد مطالعه ………………………………………………………………………
شکل2-3: منحنی غیر خطی فازی……………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-4: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن شبیه سازی شده……………………………………………………………………
شکل2-5: سرعت واقعی و تخمینی……………………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-6: منحنی توان برای خودروی هيبريد ت سوختی/باطری/فرا خازن…………………………………………………………………..
شکل2-7: ساختار مورد مطالعه در……………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-8: ساختار مبدل قدرت پیشنهاد شده در…………………………………………………………………………………………………….
شکل2-9: توان مبادله شده بین پيل سوختی و فراخازن……………………………………………………………………………………………
شکل2-10: توان مبادله شده بین پيل سوختی و باطري……………………………………………………………………………………………
شکل2-11: ساختار مورد مطالعه در…………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-12: ساختار پیشنهادی در…………………………………………………………………………………………………………………………
شکل2-13: ساختار کنترل تبادل انرژی موازی پیشنهادی………………………………………………………………………………………….
شکل2-14: نتایج شبیه سازی مرجع…………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-15:نتایج عملی مرجع……………………………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-16: ساختار کلی سیستم مورد مطالعه…………………………………………………………………………………………………………
شکل2-17: ساختار کلی کنترلی مورد استفاده ……………………………………………………………………………………………………….
شکل2-18: عملکرد مد نرمال ………………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-19: نتایج آزمایش پخش توان………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-20: مد کمک رسانی توان با استفاده از باطري……………………………………………………………………………………………..
شکل2-21: توپولوژی 1 در مرجع………………………………………………………………………………………………………………………
35
35
36
36
37
38
38
39
39
39
40
41
41
42
42
43
44
44
45
45
46
46
48
48
شکل22: توپولوژی 2 در مرجع…………………………………………………………………………………………………………………………
شکل2-23: روش کنترلی ولتاژ لینک DC……………………………………………………………………………………………………………
شکل2-24: حلقه کنترل جریان لینک DC……………………………………………………………………………………………………………
شکل2-25: کنترل سرعت موتور آسنکرون…………………………………………………………………………………………………………
شکل2-26: ساختار سیستم مورد مطالعه………………………………………………………………………………………………………………
شکل2-27: ساختار تبدیل موجک Haar مبتنی بر بانک فیلتر n کاناله………………………………………………………………………
شکل2-28: جداسازی Haar سه سطحی و دیاگرام نوسازی…………………………………………………………………………………..
شکل2-29: ولتاژ ترمینال پيل سوختی………………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-30: ولتاژ ترمینال باطری……………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-31: ولتاژ ترمینال فراخازن……………………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-32: ولتاژ بار DC تنظیم شده………………………………………………………………………………………………………………….
شکل2-33: سیستم مورد مطالعه در…………………………………………………………………………………………………………………..
شکل2-34: سطوح سیستم مدیریت انرژی و کنترل ولتاژ – جریان برای خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن……………………
شکل2-35: سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر کنترلر بهینه تطبیقی پیشنهاد شده………………………………………………………………
شکل2-36: مقایسه مصرف هیدروژن در 5 حالت مختلف استاندارد عملکرد………………………………………………………………..
شکل 2-37: ساختار شماتیک متداول یکسوساز دو سویه با خازن سوییچ¬شونده. ……………………………………………………….
شکل 2-38: ساختار شماتیک منبع انرژی هيبريد و نیروی جلوبرنده موتور. ………………………………………………………………..
شکل2-39: نمای کلی از مدل ارائه¬شده. ………………………………………………………………………………………………………….
شکل 2-40: مدل اولیه ساختار پیشنهادی……………………………………………………………………………………………………………
شکل 2-41: منحنی تغییرات بازده سیستم در مقابل تغییرات زمان فعالیت کلیدها…………………………………………………………..
شکل 2-42: منحنی ولتاژ باطری و آرمیچر موتور. ……………………………………………………………………………………………….
شکل 2-43: منحنی جریان باطری و آرمیچر موتور. ……………………………………………………………………………………………..
شکل 2-44: سیستم مدیریت انرژی در خودروهای برقی……………………………………………………………………………………….
شکل2-45: دیاگرام سیستم کنترلی. ………………………………………………………………………………………………………………….
50
50
50
51
52
53
53
53
54
54
55
55
56
56
56
56
56
57
57
61
62
63
66
66
شکل 2-46: بلوک دیاگرام روش پیشنهادی. ………………………………………………………………………………………………………..
شکل 2-47: بلوک دیاگرام سیستم شبیه¬سازی¬شده درمحیط PSAT. ……………………………………………………………………….
شکل 2-48: کنترل هیسترزیس ولتاژ فراخازن……………………………………………………………………………………………………….
شکل 2-49: نتایج شبیه¬سازی سیستم پیشنهادی در محیط نرم¬افزار PSAT. ……………………………………………………………..
شکل 2-50: یک سیستم تحریک موتور دارای چندین منبع تغذیه ……………………………………………………………………………..
شکل 2-51: ولتاژ خروجی وقتیکه FC فعال است. ………………………………………………………………………………………………..
شکل 2-52: ولتاژ خروجی در حالات 2، 3 و 4…………………………………………………………………………………………………….
شکل 2-53: ولتاژ خروجی در حالات 2 و 5…………………………………………………………………………………………………………
شکل 2-54: ولتاژ خروجی در حالات 6 و 7………………………………………………………………………………………………………..
شکل 2-55: سیگنال تحریک موتور به بار……………………………………………………………………………………………………………
شکل 2-56: آرایش پیشنهادی برای یک سیستم نقلیه الکتریکی ترکیبی…………………………………………………………………………
شکل 2-57: آرایش منبع تغذیه ترکیبی……………………………………………………………………………………………………………….
شکل 2-58: استراتژی کنترل مبدلها……………………………………………………………………………………………………………………
شکل 59-الف: سرعت موتور……………………………………………………………………………………………………………………………
شکل 59-ب: گشتاور موتور……………………………………………………………………………………………………………………………..
شکل 59-ج: جریان موتور……………………………………………………………………………………………………………………………….
شکل 59-د: SOC باتری (%)…………………………………………………………………………………………………………………………..
شکل 59-ه: جریان باتری…………………………………………………………………………………………………………………………………
شکل 59-و: توان موتور، FCو باتری………………………………………………………………………………………………………………….
شكل 3-1 : ساختار سیستم هاي فازي خالص. ……………………………………………………………………………………………………
شكل 3-2 : ساختار سیستم فازی TSK. ……………………………………………………………………………………………………………..
شكل 3-3 : ساختار سیستم فازی، فازی سازی و غیر فازی سازی. ……………………………………………………………………………
شکل3-4 : توابع عضویت مثلثی و ذوزنقه ای. …………………………………………………………………………………………………….
شکل3-5 : توابع عضویت گوسین. …………………………………………………………………………………………………………………..
66
70
70
71
ج
71
72
72
75
81
84
84
85
85
85
86
88
88
89
89
89
90
90
90
شکل3-6 : توابع عضویت Sigmoid. ……………………………………………………………………………………………………………….
شکل3-7 : ساختار سیستم فازی برای محاسبه کیفیت تصویر. …………………………………………………………………………………..
شکل3-8 : مجموعه قواعد فازی. ……………………………………………………………………………………………………………………….
شکل3-9 : تابع عضویت برای متغیر خروجی. ………………………………………………………………………………………………………
شکل3-10 : تابع عضویت برای متغیر ورودی (ولتاژ). …………………………………………………………………………………………….
شکل3-11: ابزار Ruleviwer برای تخمین خروجی به ازای مقدار مشخص ورودی. ……………………………………………………
شکل3-12: منحنی غیر خطی ورودی بر حسب خروجی برای سیستم ممدانی. ……………………………………………………………..
شکل4-1: سیستم تولید توان ترکیبی پیل سوختی/باطری/ ابر خازن به منظور تغذیه خوردوي سبك با سيستم درايو موتور
الکتریکی جریان مستقیم…………………………………………………………………………………………………………………………………….
شکل4-2: ساختار کنترلر فازی……………………………………………………………………………………………………………………………
شکل5-1: سیستم کلی خودروی برقی سبک و سیستم مدیریت انرژی در نرم افزار Matlab……………………………………………
شکل5-2: سیستم مدیریت انرژی در Matlab……………………………………………………………………………………………………..
شکل5-3: ساختار سیستم کنترل قدرت در Matlab………………………………………………………………………………………………
شکل5-4: مدار معادل باتری در Matlab……………………………………………………………………………………………………………
شکل5-5: مدل سلول سوختی در Matlab………………………………………………………………………………………………………….
شکل5-6: مدل ابرخازن در Matlab………………………………………………………………………………………………………………….
شکل5-7: منحنی سرعت – زمان………………………………………………………………………………………………………………………..
شکل5-8: منحنی گشتاور الکتریکی – زمان…………………………………………………………………………………………………………..
شکل5-9: منحنی توان الکتریکی – زمان………………………………………………………………………………………………………………
شکل5-10: ولتاژ خروجی سیستم مدیریت انرژی……………………………………………………………………………………………………
شکل5-11: ولتاژ خروجی باتری………………………………………………………………………………………………………………………..
شکل5-12: ولتاژ خروجی فرا خازن……………………………………………………………………………………………………………………
شکل13: ولتاژ خروجی سلول سوختی…………………………………………………………………………………………………………………
شکل14: جریان موتور DC……………………………………………………………………………………………………………………………….
91
92
93
94
94
95
95
شکل5-15: سرعت موتور با/بدون سیستم مدیریت انرژی با کنترلر PI…………………………………………………………………………..
شکل5-16: سرعت موتور با/بدون سیستم مدیریت انرژی با کنترلرPI……………………………………………………………………………
شکل5-17: الف) توابع عضویت ورودی و خروجی ب) نمودار 3 بعدی ورودی ها و خروجی………………………………………………..
شکل5-18: سرعت موتور با/بدون سیستم مدیریت انرژی با کنترلر فازی……………………………………………………………………….
شکل5-19:گشتاور موتور با/بدون سیستم مدیریت انرژی با کنترلر فازی……………………………………………………………………….
شکل5-20: سرعت موتور با کنترلر فازی و PI………………………………………………………………………………………………………….
شکل5-21: گشتاور موتور با کنترلر فازی و PI……………………………………………………………………………………………………….
چكيده
در اين پايان نامه يك سيستم تركيبي توليد توان با استفاده از پيل سوختي/باتري/ابرخازن براي تغذيه يك خودوري برقي سبك با سيستم درايو موتور الكتريكي تحريك مستقل مورد مطالعه و شبيه سازي قرار گرفت. سیستم خودروی برقی از یک سیستم پیش خور و کنترلی، منابع چندگانه، واحد کنترل قدرت و سيستم مديريت انرژي، ماشین DC تحریک مستقل و بار خودروی برقی تشکیل شده است. مرجع سرعت سیستم مطابق درایو ECE-47 انتخاب شده است. بعبارتي یک مدل شامل چند منبع انرژي، مبتنی بر قواعد منطقی، الگوریتم کنترلی و سیستم ذخیره انرژی برای یک خودروی برقی سه چرخ سبک ارائه گرديده است. ویژگی اصلی خودروی برقی سبک از استراتژی کنترلی آن نشات می گیرد که سیستم مدیریت انرژی را برای باتری، پيل سوختي و ابرخازن تحت بار هاي مختلف پشتیبانی می کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم کنترلی می تواند بصورت کاملاً برنامه ریزی شده، سیستم چند منبعی را مدیریت کند. کاربرد مهم سيستم مديريت انرژي، مصالحه بین ذخیره سازی سوخت به همراه یک رانندگی پاک و همچنین کمک به موتور و باتری از نظر هزینه است. در اين پايان نامه در سيستم كنترل قدرت از كنترلرهاي تناسبي-انتگرالي استفاده شده است. نتايج شبيه سازي نشان داده است كه استفاده از كنترلرهاي فازي در مقابل كنترلرهاي بهره ثابت تناسبي-انتگرالي، قابليت سيستم مورد مطالعه را در پيگيري سرعت مرجع بيشتر افزايش مي دهد. كنترلرهاي فازي نسبت به كنترلرهاي تناسبي-انتگرالي كه در مقابل نوسانات سرعت پارامترهاي آن ها ثابت مي باشد، پارامترهاي خود را به روز كرده كه به اين كنترلرها خودتنظيم گفته مي شود. بنابراين در برابر تغييرات سرعت عملكرد بهتري از خود نشان مي دهند.
كلمات كليدي: سيستم تركيبي توليد توان، باتري، پيل سوختي، ابر خازن، الگوريتم كنترلي سيستم مديريت انرژي، كنترلر فازي
فصل اول
ادبيات موضوع
1-1 مقدمه
صنعت حمل و نقل و ترابري جز صنايعي است كه هميشه مورد توجه متخصصين و صنعتگران مي باشد. دانشمندان هميشه در اين تلاش بوده اند تا خودروهايي توليد كنند كه نسبت به خودروهاي معمولی، عملكرد بهتر، مصرف سوخت پايين تر و آلودگي كمتري داشته باشند. در اين راستا تلاش قابل توجهي در جهت ارتقاي كيفيت سوخت هاي مصرفي در خودرو ها از بنزيني به صورت هاي ديگر انجام پذيرفته است. بعنوان مثال تحقيقات گسترده اي در مورد سوخت هاي هيدروژني و پيل هاي سوختي انجام شده است. اما به دليل هزينه توليد بالا و همچنين مشكلات ناشي از ماهيت اين نوع سوخت ها (اشتعال پذيري بالا و شرايط ذخيره سازي دشوار) مصرف آن ها بصورت فراگير امكانپذير نشده است ]1[.
امروزه استفاده از خودروهاي الكتريكي كه در آن ها موتور الكتريكي به تنهايي نيروي پيشران را توليد مي كند مرسوم نشده است. اولين عامل هزينه بسيار بالاي توليد اين خودروها مي باشد كه باعث افزايش قيمت آن ها مي گردد. علاوه بر اين اين خودروها به ازاي هر بار شارژ شدن مسافت كمي را طي مي كنند. از طرف ديگر مدت زمان لازم براي شارژ باطري در اين خودروها بسيار زياد است كه استفاده از اين خودرو ها را نسبت به خودروهاي احتراقي محدود نموده است ]1[.
بر طبق آمار بدست آمده در سال 1980، حدود 30 در صد از كل آلودگي كربني توليد شده در ايالات متحده در اثر استفاده از موتورهاي احتراقي بوده كه اين ميزان در سال 2000 به 40 درصد افزايش پيدا كرده است. يك موتور احتراقي معمولا در بهترين شرايط، بازدهي در حدود 32 درصد دارد. در حالت عادي، بازده موتور احتراقي معمولي در شهر حدود 18 درصد و در بزرگراه ها حدود 26 درصد است ]2[. يكي از راهكارهايي كه براي بالا بردن بازده موتورهاي احتراقي بكار ميرود پايين آوردن مصرف سوخت آن ها مي باشد. به اين صورت آلودگي خودروها را نيز مي توان كاهش داد.
از معايب خودروهاي احتراقي مي توان به موارد زير اشاره كرد ]2[:
اندازه موتور احتراقي بگونه اي است كه بتوانند قدرت لازم جهت شتاب گيري مطلوب را براي خودرو فراهم كنند. لذا اين موتورها معمولا حجيم و سنگين هستند.
راندمان حرارتي اين موتورها بستگي زيادي به نقطه كار آن ها دارد و دائما در طول حركت اتومبيل بسته به شرايط تغيير مي كند. بعلاوه چون اين موتورها بايد بگونه اي طراحي شوند كه پاسخگوي نياز خودرو در هنگام شتاب گيري باشند، در مواقع عادي راندمان بسيار پاييني دارند.
كل انرژي جنبشي خودرو در هنگام ترمز گيري به گرما تبديل شده و به هدر مي رود.
با بررسي انجام شده توسط پژوهشگران متوجه اين مساله شده اند كه استفاده از خودرو هاي هيبريد الكتريكي مي تواند پاسخگوي مطالب بيان شده باشد. خودروي هيبريد به خودرويي گفته مي شود كه براي توليد قدرت از دو يا چند منبع توليد كننده انرژي و مبدل انرژي بهره مي برد. امروزه استفاده از منابع انرژي نو در خودروهاي هيبريد با استقبال چشمگيري روبرو شده است. معمول ترين منبع انرژي نو كه در اين خودروها بكار ميرود، پيل سوختي مي باشد. همچنين از باطري نيز در اين خودروها استفاده مي شود. با بكارگيري خودروهاي هيبريد امكان استفاده از قابليت هاي هر دو نوع خودروي احتراقي و الكتريكي فراهم مي گردد. بنابراين با استفاده از خودروهاي هيبريد آلودگي زيست محيطي كاهش مي يابد همچنين قدرت شتاب گيري ماشين تقويت مي شود ]3[. با توجه به استفاده از دو منبع اصلي پيل سوختي و كمكي باطري، كنترل اين دو منبع مساله اي پيچيده مي باشد. با كنترل اين دو منبع مي توان ميزان مصرف سوخت خودرو، سطح آلودگي توليد شده و همجنين ميزان شارژ باطري ها را تعيين نمود.
با توجه به مطالب مطرح شده، هدف استفاده از خودروهاي هيبريد اين است كه از مزاياي هر دو موتور احتراقي و الكتريكي استفاده شده و معايب آن ها نيز مرتفع گردد. برخي از نقاط ضعف موتورهاي احتراقي در زير ارائه شده است ]2[.
با بكارگيري سيستم رانش الكتريكي در كنار سيستم رانش احتراقي، بخش عمده اي از توان خودرو در مواقع شتاب گيري و شيب پيمايي توسط سيستم الكتريكي تامين مي شود. بنابراين اندازه موتور احتراقي كاهش مي يابد.
شرايط كاري موتور احتراقي بطور كامل يا جزيي از شرايط كاري خودرو نظير سرعت، شتاب، گشتاور و توان مي باشد و در نتيجه موتور احتراقي در اكثر موارد در محدوده راندمان حداكثر خودش كار مي كند.
در هنگام ترمز گيري، موتور الكتريكي بصورت ژنراتور عمل كرده و انرژي جنبشي خودرو را تا اندازه زياد بازيافت مي كند. اين انرژي در هنگام شتاب گيري مجددا به خودرو برگردانده مي شود.
با توجه به خودروهاي هيبريدي در سال هاي اخير مطالعات بسياري درباره طراحي و ساخت اين نوع از خودروها انجام شده است.
1-2 ساختارهاي نوين در خودرو
يكي از مسائل مهم در استفاده از خودروهاي با موتور احتراقي، آلودگي محيط زيست مي باشد. استفاده از خودروهاي احتراقي باعث آسيب هاي جدي محيط زيست و در نتيجه آن براي بشر شده است. ارتباط تنگاتنگي بين آلودگي محيط زيست بويژه در مناطق شهري با نحوه عملكرد خودروها وجود دارد. با بررسي انواع آلودگي هاي ناشي از خودروها و اثرات هر يك از آنها در آسيب رساندن به محيط زيست، استانداردها و حدود مشخصي براي هر يك از آلاينده ها تعيين كرده اند. هيدروكربن ها، اكسيدهاي نيتروژن، منوكسيد كربن و ذرات معلق مهمترين پارامترهايي هستند كه در تمامي استانداردهاي مطرح شده مورد توجه قرار گرفته اند. دي اكسيد كربن و دي اكسيد گوگرد از محصولات ناشي از احتراق سوخت هاي فسيلي در موتورهاي احتراق داخلي مي باشند ]4[.
با توجه به روند رو به كاهش سوخت هاي فسيلي و نوسان هاي شديد بازار نفت، تحول در فناوریهاي معمول مورد استفاده در صنعت خودرو امري ضروري بنظر مي رسد. همچنين مصرف انرژي هر روز در حال افزايش است كه اين افزايش را مي توان در كاهش مقدار ذخاير نفت در انبار هاي كشورهاي صنعتي و قيمت جهاني نفت ملاحظه كرد. از طرفي تعداد خودروهاي در حال استفاده روز به روز در حال افزايش است. بنابراين با توجه به مباحث مطرح شده منابع موجود قادر به تامين نيازهاي انرژي جامعه بشري نمي باشد.
تا به اينجا برخي از مشكلات استفاده از خودروهاي احتراقي مطرح گرديد. بنابراين بايستي براي غلبه بر مشكلات ذكر شده خودرو هاي با مصرف سوخت و آلودگي كمتر را بكار گرفت.
1-3 تاريخچه خودروهاي هيبريدي
در سال 1898 دكتر پورشه مهندس آلماني اولين خودروي الكتريكي را ساخت. اين خودرو فقط با باطري قابليت طي مسافت 40 مايل را داشت. در سال 1903 ميلادي يك خودروي بنزيني-الكتريكي بوسيله شركت انگليسي كريگر طراحي و ساخته شد. در سال 1905 يك خودروي هيبريد توسط يك مهندس آمريكايي به نام پايپر ساخته شد. در اين خودرو، از موتور الكتريكي به عنوان يك موتور كمكي استفاده شد زيرا موتورهاي بنزيني آن زمان داراي قدرت بالايي نبودند. خودروي ساخته شده در مدت زمان 10 ثانيه قادر بود سرعت خود را از صفر به 40 كيلو متر در ساعت برساند. پس از آن در سال 1964 ميلادي شركت گالت موتور كانادايي، يك خودرو هيبريد جديد كم مصرف را وارد بازار كرد. اين خودرو داراي يك موتور احتراقي دو زمانه كوچكي بود كه با دو پيستون، تواني برابر 10 اسب بخار توليد مي كرد. محور خروجي موتور احتراقي در اين خودرو به يك ژنراتور وصل شده بود كه داراي دو خروجي بود. يكي از خروجي ها به موتور الكتريكي و ديگري به باطري متصل بود و موتور الكتريكي نيز مستقيما به ديفرانسيل وصل مي شد. اين خودرو فقط با مصرف 4 ليتر بنزين قادر بود مسافت 110 كيلومتر را با سرعت 50 كيلو متر در ساعت طي كند. به تدريج با افزايش قدرت موتورهاي احتراقي و عدم نياز به موتور الكتريكي بعنوان كمكي، ايده خودروهاي هيبريد به فراموشي سپرده شد تا اينكه در سال 1968 ميلادي شركت جنرال موتورز خودروي هيبريدي را وارد بازار كرد. اين خودرو داراي موتور استرلينگ با توان 80 اسب بخار بود كه به يك ژنراتور متصل مي شد. در اين خودرو براي جبران كمبود توان موتور از 14 عدد باطري استفاده شده بود. اين خودرو داراي دو موتور القايي سه فاز 20 اسب بخاري بود ]5[.
در اواخر دهه 1990 دو خودروي هيبريدي جديد براي شركت هاي تويوتا و هوندا وارد بازار شدند ]6[. خودروي تويوتا يك خودرو با ظرفيت 4 نفر بود. موتور بكار رفته در آن خودرو 4 سيلندر بنزيني بود. اين خودر داراي طراحي بسيار دقيقي بود. راندمان اين خودرو بالا و آلودگي آن بسيار كم بود. اين موتور به يك گيربكس متغير كوپل شده است كه بصورت الكتريكي كنترل مي شود. در اين خودرو از 38 عدد باطري استفاده شده است. خودروي تويوتا از يك موتور الكتريكي 40 اسب بخار و يك ژنراتور مستقل براي بازيابي انرژي ناشي از ترمز استفاده مي كند. اين خودرو براي پيمودن 100 كيلومترمسافت حدود 4 ليتر بنزين مصرف مي كند. در مقابل خودروي هوندا يك خودروي نيمه هيبريد است كه توسط يك موتور بنزيني 3 سيلندر 50 كيلوواتي تغذيه مي شود. همچنين يك موتور الكتريكي 10 كيلوواتي بعنوان منبع دوم توليد توان در كنار موتور بنزيني بكار گرفته شده است. اين خودرو براي پيمودن 100 كيلومترمسافت حدود 4/3 ليتر بنزين مصرف مي كند.
1-4 ساختار خودروهاي هيبريد
خودروي هيبريد از دو يا چند منبع انرژي و مبدل انرژي براي توليد قدرت استفاده مي كند. اگر يكي از منابع بكار رفته منبع الكتريكي باشد، به خودرو هيبريد الكتريكي گفته مي شود. در شكل زير ساختار خودروهاي هيبريد الكتريكي نشان داده شده است.

شكل 1-1: ساختار خودروهاي هيبريد الكتريكي
با توجه به شكل 1-1 واضح است كه هر دو سيستم انتقال قدرت با هم در توان مورد نياز خودرو را توليد مي كننتد. توان توليدي هر يك از سيستم هاي انتقال قدرت با يكديگر جمع شده و به چرخ ها انتقال داده مي شود. از طرفي هريك از اين سيستم ها قادرند كه هم تزريق كننده انرژي باشند و هم دريافت كننده انرژي. همانطور كه از شكل مشخص است سيستم 1 يكطرفه است يعني فقط مي توان از سيستم 1 انرژي دريافت كرد و به آن نمي توان انرژي داد. در صورتي كه سيستم 2 دو طرفه بعبارتي هم تزريق كننده انرژي و هم دريافت كننده انرژي مي باشد.
اگر در شكل 1-1 براي منبع و مبدل سيستم 1 از سوخت فسيلي و موتور احتراقي و براي منبع و مبدل سيستم 2 از باطري و موتور الكتريكي استفاده كرد نتيجه يك خودروي هيبريد خواهد بود. اين خودروي الكتريكي مي تواند در بخش الكتريكي انرژي را جذب كند. در اين خودروي هيبريد باطري هاي سيستم الكتريكي را از طريق چرخ ها (بازيابي انرژي ناشي از ترمز) شارژ كرد.
در خودروهاي با ساختار سري دو منبع انرژي يعني باطري و سوخت فسيلي توليد كننده توان يعني موتور الكتريكي را تامين مي كنند. در اين ساختار تمام گشتاور و توان داده شده به چرخ ها از سوي موتور الكتريكي به آن ها منتقل مي شود. موتور احتراقي انرژي مورد نياز موتور را تامين مي نمايد. موتور الكتريكي بطور مستقيم به چرخ ها وصل نيست و در كنار باطري ها بعنوان يك منبع كمكي عمل مي كند. در اين ساختار برخي از باطري هاي آن جايگزين موتور احتراقي شده است. در اين ساختار در صورت كمبود انرژي از انرژي هنگام ترمز و شارژ باطري ها در زمان طي مسافت استفاده مي شود. در ساختار موازي اتلاف در اثر تبديل انرژي كمتر مي باشد. از طرفي بدليل غير قابل كنترل بودن سرعت موتور احتراقي، راندمان عملكرد آن پايين است.
1-5 پيل سوختي
پيل‌‌سوختي نوعي سلول الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي حاصل از واكنش را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي‌کند. سازه و بدنه اصلي پيل‌سوختي از الكتروليت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است. پيل سوختي يك دستگاه تبديل انرژي است كه به لحاظ نظري تا زماني كه ماده اكسيد كننده و سوخت در الكترودهاي آن تأمين شود قابليت توليد انرژي الكتريكي را دارد. البته در عمل استهلاك، خوردگي و بد عمل كردن اجزاي تشكيل دهنده، طول عمر پيل‌سوختي را كاهش مي‌دهد ]8-7[.
1-5-1 انواع پيل سوختي مورد استفاده در صنعت خودرو
انواع پيل هاي سوختي از لحاظ دماي عملكرد و سطح راندمان بصورت زير تقسيم بندي مي شوند ]8-7[.
پيل سوختي اسيد فسفريك (PAFC)
پيل سوختي قليايي (AFC)
پيل سوختي كربنات مذاب (MCFC)
پيل سوختي اكسيد جامد (SOFC)
پيل سوختي متانولي (DMFC)
پيل‌سوختي اسيد فسفريك  ]7[ اولين پيل‌سوختي تجاري  مي باشد كه توسعه آن از اواسط دهه 1960 آغاز گشت و از سال 1970 در مرحله آزمايش قرار گرفت و همچنان در حال توسعه در زمينه افزايش پايداري و عملكرد و کاهش هزينه مي‌باشد. الکترولیت مورد استفاده در اين پيل‌سوختي اسيدفسفريك با غلظتي در حدود %100 می‌باشد. محدوده دماي كاركرد اين پيل‌سوختي بين 150 تا 220 درجه سانتيگراد است. هدايت يوني در اسيدفسفريك نسبتاً ضعيف است ولي به علت پایداری بیشتر نسبت به ساير اسيدها جهت استفاده در اين نوع پيل‌سوختي ارجعيت دارد. پيل‌سوختي اسيدفسفريك به CO2 حساسیتی نداشته و حضور  CO تا حد 2-1 درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. كاتاليست مورد استفاده در پيل‌سوختي اسيد فسفريک پلاتين و ماتريسي كه براي نگه‌داري اسيد به كار مي‌رود از جنس كاربيد سيليكون (SiC) است. بازده الكتريكي اين نوع پيل‌سوختي در حد 45%-40% است كه با استفاده از حرارت حاصل از واكنش‌هاي الكتروشيميايي در کاربردهاي توامان برق و حرارت  ميزان بازده کلي (الکتريکي و حرارتي) به 85%  افزايش مي‌يابد.
پيل‌هاي سوختي غشاء پروتون (پليمري) ]8[ اولين بار در دهه 1960 براي برنامه Gemini ناسا استفاده شد. اين نوع پيل‌سوختي از نقطه‌ نظر طراحي و كاركرد يكي از جذابترين انواع پيل‌سوختي است. پيل‌سوختي پليمري داراي الكتروليت پليمري به شكل يك ورقه نازك منعطف است كه هادي يون هيدروژن (پروتون) مي‌باشد و بين دو الكترود متخلخل قرار مي‌گيرد. جهت كارايي مطلوب لازم است الکتروليت، از آب اشباع باشد. نفيون يكي از بهترين الكتروليت‌هاي مورد استفاده در اين نوع پيل‌سوختي است. اين غشاء كوچك و سبك است و در دماي پايين 80 درجه سانتيگراد( تقريباً 175 درجه فارنهايت) كار مي كند. ساير الكتروليت هاي جامد در دماي بالا نزديک به 1000 درجه سانتيگراد كار مي‌كنند. در پيل‌سوختي پليمري واكنش احياء اكسيژن واكنش كندتر است (اين واكنش سه مرتبه كندتر از واكنش اكسيد شدن هيدروژن است). کاتاليست مورد استفاده در اين پيل‌سوختي اغلب از جنس پلاتين بوده و ميزان كاتاليست مصرفي در الكترودهاي اين نوع پيل‌سوختي بيشتر از ساير انواع پيل‌سوختي است. بازده‌ الكتريكي اين نوع پيل‌سوختي در حدود  %50-40 درصد است. سوخت مصرفي در پيل‌سوختي پليمري نيازمند هيدروژن خالص است لذا مبدل در خارج پيل‌سوختي جهت تبديل سوخت‌هاي متانول و يا بنزين به هيدروژن نياز است.
 پيل‌سوختي MCFC ]8-7[ کاملاً متفاوت از ساير انواع پيل‌سوختي عمل مي‌‌نمايد. الكتروليت اين پيل‌ها تركيبي از مذاب كربنات نمك‌ها مي‌باشد. دو نوع ترکيبي که اکنون بیشترین کاربرد را دارند ترکیب كربنات سديم و کربنات ليتيم و يا کربنات پتاسيم و کربنات ليتيم مي‌باشند كه در ماتريسي از جنس LiAlO2 نگهداري مي‌شود. بواسطه دماي كاركرد بالا اين نوع پيل‌سوختي، نيكل به عنوان آند و اكسيد نيكل به عنوان كاتد استفاده مي‌شود و نيازي به استفاده از فلزات كمياب در الکترودهاي اين پيل‌سوختي نیست.  براي ذوب كربنات نمك و دستيابي به هدايت يون بهتر در الكتروليت، پيل‌سوختي کربنات مذاب  دماي بالا ( 600تا700  درجه  سانتيگراد )كار مي‌كند. از این رو این پیل‌ها در خانواده پیل های سوختی دما بالا طبقه‌بندی می‌شوند.
توسعه پيل‌سوختي SOFC ]8[ از اواخر دهه  1950  آغاز شد و در حال حاضر بالاترين دما را در ميان انواع پيل‌سوختي دارد. محدوده دماي عملكرد این پیل600 – 1000 درجه سانتيگراد است و به همين دليل از انواع سوخت‌ها در آن مي‌توان استفاده نمود. اين پيل‌سوختي دو ساختار صفحه اي و لوله‌اي دارد و از الكتروليت جامد سراميكي نازكي به جاي الكتروليت مايع استفاده مي‌شود. در دماي عملكرد بالا در پيل‌سوختي اکسيد جامد يون‌هاي اكسيژن (با بار منفي) از شبكه كريستالي(عموماً ترکیبی از اکسید زیرکنیم و اکسید کلسیم) عبور مي‌كنند. در كاتد ملكول‌هاي اكسيژن هوا با چهار الكترون تركيب مي‌شوند. وقتي يك سوخت گازي حاوي هيدروژن از آند عبور كند، يك جريان شارژ شده منفي شامل يون‌هاي اكسيژن از الكتروليت عبور مي‌كند تا سوخت را اكسيد كنند. الكترون هاي ايجاد شده در آند از يك مدار خارجي عبور مي كنند و به كاتد مي روند. با اين كار مدار الكتريكي كامل  شده و انرژي برق  توليد مي‌شود.
پيل سوختي متانولي يا DMFC ]8-7[ گونه‌اي از پيل‌هاي سوختي است كه با استفاده از غشاء تبادل گر پروتون كار مي‌كند. اين نوع پيل، به دليل عدم نياز به مبدل (reformer) در كاربري‌هاي قابل جابجايي و ادوات متحرك جذابيت‌هايي دارد. نقطه ضعف DMFC نسبت به گونه‌هاي ديگر، پايين بودن كارآيي تبديل انرژي آن است. در يك سلول DMFC، در سمت آند محلول متانول با آب در مجاورت يك الكتروليت در حضور يك كاتاليزور، تعدادي پروتون را توليد مي‌كند. در نتيجه در اين سمت، بار منفي جمع مي‌شود. در سمت كاتد يك اكسيد كننده (هوا يا اكسيژن) در مجاورت كاتاليزو با تركيب اكسيژن و پروتون‌هاي عبور كرده از ميان غشاء، آب، گرما و اختلاف پتانسيل الكتريكي ايجاد مي‌كند.
الكتروليت، در اين پيل، يك غشاء پليمري جامد است كه خصوصيات آن به شدت وابسته به چگونگي چيدمان مولكول‌ها دارد، و ساخت آن مستلزم داشتن تكنولوژي بالا است. براي اين كه كاتاليزور وظيفه خود را به خوبي انجام دهد، ميزان تماس آن با غشاء بايد بسيار زياد باشد و روي آن به خوبي بنشيند و الكترودها (آند و كاتد)، بايد كاملاً در تماس با غشاء باشند. اين مجموعه ظريف براي كاركرد، نياز به تبادل ماده و جريان الكتريكي با محيط اطراف خود دارد. اين مجموعه غشاء (همراه با كاتاليست‌ها) و الكترودها، به شكل يكپارچه مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه به MEA‌ موسوم است و عموما شامل ٣، ٥ يا ٧ لايه است و به طور كلي فرآيند الكتروشيميايي پيل در آن انجام مي‌شود. جهت تماس مناسب بين واكنشگرها و MEA و نيز هدايت الكترون‌ها به مدار خارجي از صفحات جمع‌كننده (نوعا گرافيتي) تك قطبي يا دو قطبي استفاده مي‌گردد. مجموعه صفحات هدايتگر (صفحات گرافيتي) و MEA بايد به نحوي با هم مونتاژ مي‌شوند كه از محيط خارج كاملاً ايزوله گشته است. اين مجموعه را در يك پيل سوختي سلول مي‌نامند.
خروجي اصلي پيل، رفتار الكتريكي آن است كه عموما به صورت منحني ولت-آمپر قطبيت كه بر واحد سطح يك سلول نمايش داده مي‌شود، اين منحني شديدا به پارامترهاي نوع MEA، تعادل شيميايي، الگوي جريان آندي و كاتدي، شرايط فيزيكي (دما، فشار …) و نوع و غلظت واكنشگرها وابسته است. چون در اغلب موارد، يك سلول فاقد خصوصيات الكتريكي (جريان و ولتاژ كافي) مورد نظر است، گروهي از آنها را با هم تركيب (معمولا سري) كرده و يك مجموعه سلول (stack) مي‌سازند. براي آماده سازي شرايط تداوم عملكرد سلول‌هاي سري، سيستم جانبي لازم است كه اين سيستم وظيفه فراهم كردن شرايط محيطي مناسب براي واكنش‌هاي الكتروشيميايي (درجه حرارت، فشار …) و تغذيه واكنشگرها و خروج مواد زائد از محيط واكنش را بر عهده دارد.
1-5-2 مزاياي پيل هاي سوختي
برخي از مزاياي استفاده از پيل سوختي بصورت زير است ]8-7[:
پيل سوختي آلودگي ناشي از سوزاندان سوخت هاي فسيلي را حذف نموده و تنها محصول جانبي آن آب مي باشد.
بدليل وابسته نبودن به سوختهاي فسيلي متداول نظير بنزين و نفت، وابستگي اقتصادي كشورهاي ناپايدار اقتصادي را حذف مي كند.
با نصب پيل هاي سوختي نيروگاهي كوچك، شبكه غيرمتمركز نيرو گسترده مي گردد.
پيل هاي سوختي راندمان بالاتري نسبت به سوختهاي فسيلي متداول نظير نفت و بنزين دارد.
هيدروژن در هر مكاني از آب و برق توليد مي گردد. لذا پتانسيل توليد سوخت، غيرمتمركز خواهد شد.
اكثر پيل هاي سوختي در مقايسه با موتورهاي متداول بسيار بي صدا هستند.
زمان عملكرد آنها از باتري هاي متداول بسيار طولاني تر است. فقط با دو برابر نمودن سوخت مصرفي مي توان زمان عملكرد را دو برابر نمود و نيازي به دو برابر كردن خود پيل نمي باشد.
بعلت عدم وجود اجزاي متحرك نگهداري از آنها بسيار ساده مي باشد.
نصب و بهره برداري از پيل هاي سوختي بسيار ساده و مقرون به صرفه مي باشد.
پيل هاي سوختي مدولار مي باشند يعني براحتي توان توليدي از آنها قابل افزايش مي باشد.
اين مولدها قابليت توليد همزمان برق و حرارت را دارند.
امكان استفاده از سوختهاي تجديدپذير و سوختهاي فسيلي پاك در آنها وجود دارد.
به ميكروتوربين ها متصل مي گردند.
پيل سوختي به تغيير بار الكتريكي پاسخ مي دهد.
پيل سوختي امكان توليد برق مستقيم با كيفيت بالا را دارد.
دانسيته نيروي بالا دارد.
1-5-3 معايب پيل هاي سوختي
برخي از معايب استفاده از پيل سوختي بصورت زير مي باشد ]8-7[:
سوختگيري پيل هاي سوختي مشكل اصلي است. توليد، انتقال، توزيع و ذخيره بعلت نبودن زيرساخت مناسب مشكل مي باشد.
تبديل هيدروكربن به هيدروژن از طريق مبدل هنوز با چالش هايي روبرو است و هنوز فن آوري كاملاً پاك نمي باشد.
برد خودروهاي پيل سوختي كوتاهتر و زمان سوختگيري و استارت زدن طولاني تري نسبت به خودروهاي متداول دارند.
پيل هاي سوختي از باتريهاي متداول سنگين تر هستند و محققين در پي كاهش وزن آنها مي باشند.
توليد پيل سوختي بدليل نداشتن خط توليد هنوز گران است.
برخي پيل هاي سوختي از مواد گرانقيمت استفاده مي كنند.
1-6 مزاياي بكارگيري باطري در خودروهاي هيبريد
يك خودروي هيبريد شامل باطري و فراخازن با ظرفيت بالا بصورت موازي با پيل سوختي است. تركيب هيبريد از حداكثر راندمان پيل سوختي و توان بالاي باطري بهره مي برد. در زمان مصرف بالاي انرژي در حالت شتاب خودرو، توان مورد نياز خودرو توسط پيل سوختي و باطري تامين مي شود. در حالتي كه توان مصرفي پايين است، توان مورد نياز خودرو توسط پيل سوختي تامين مي گردد.
از جمله مزاياي بكارگيري باطري مي توان به موارد زير اشاره كرد ]3[:
با وجود باطري نيازي به پيش گرم كردن پيل سوختي براي راه اندازي خودرو نياز نيست بعبارتي بكارگيري باطري باعث راه اندازي سريع خودرو مي شود.
در زماني كه پيل سوختي در سطح ولتاژ نامي نمي تواند كار كند، استفاده از باطري اين مشكل را رفع مي كند.
سرعت پاسخ سيستم خودرو به تغييرات بار افزايش مي يابد.
حداكثر توان خودرو به كمك باطري حاصل مي شود.
1-7 تعريف پايان نامه
در اين پايان نامه يك سيستم تركيبي توليد توان با استفاده از پيل سوختي/باتري/ابرخازن براي تغذيه يك خودوري برقي سبك با سيستم درايو موتور الكتريكي تحريك مستقل مورد مطالعه و شبيه سازي قرار گرفته است. بعبارتي یک مدل چند منبعی، مبتنی بر قواعد منطقی، الگوریتم کنترلی و سیستم ذخیره انرژی برای یک خودروی برقی سه چرخ سبک ارائه گرديده است. سيستم مورد مطالعه شامل منابع انرژي باطري، پيل سوختي و ابر خازن، سيستم مديريت انرژي، الگوريتم كنترل و درايو موتور الكتريكي مي باشد. در اين پايان نامه در سيستم كنترل قدرت مرسوم از كنترلرهاي بهره ثابت تناسبي-انتگرالي PIاستفاده مي گردد. در سيستم مورد مطالعه، باتری به عنوان منبع اصلی انرژی استفاده شده و پيل سوختی و ابرخازن به عنوان منابع انرژی پشتیبان بكار رفته اند. الگوریتمی مناسب، مبتنی بر پارامترهای باتری و کنترلر، مدیریت انرژی بین این سه منبع را انجام می دهد. استراتژی کنترلی توسعه داده شده در این مطالعه، بصورت پیوسته، سيستم مديريت انرژي برای خودروی برقی چند منبعی را پشتیبانی می کند. در اين پايان نامه براي بهبود عملكرد سيستم مورد مطالعه در تعقيب سرعت مرجع در سيستم كنترل قدرت از كنترلر فازي استفاده شده است.
در فصل دوم مروري بر پژوهش هاي پيشين ارائه شده است. در فصل سوم به بررسي سيستم هاي فازي پرداخته شده است. سيستم مورد مطالعه و مدلسازي هر يك از تجهيزات آن در فصل چهارم ارائه شده است. در فصل پنجم نيز نتايج شبيه سازي ارائه شده است.
فصل دوم
مروري بر پژوهش هاي پيشين
2-1 مقدمه
امروزه با توجه به افزایش رشد جمعیت و فرایند صنعتی شدن نیاز بشر به انرژی بیشتر احساس می شود. به راحتی می توان به این نتیجه رسید که کشورهای پیشرفته ، موفقیت خود را در آینده در گرو تسلط بر منابع و بازار انرژی می دانند. بی تردید کمتر صنعتی را می توان دید که بر پایه انرژی استوار نباشد. خطر پایان پذیری منابع انرژی های ناشی از سوخت های فسیلی و نگرانی های زیست محیطی ناشی از این منابع، برای قدرت های اقتصادی دنیا بسیار نگران کننده به نظر می رسد به نحوی که در این بین توجه ها به سمت استفاده از منابع انرژي نو شده است. در سال هاي اخير پيل سوختي به دليل چگالي بالاي انرژي جاي خودر را در تامين بارهاي الكتريكي باز كرده است. از طرفي پيل سوختي به تنهايي قابليت پاسخگويي سريع به تغييرات ولتاژ و جريان بار الكتريكي را ندارد. بنابراين جهت كمك به عملكرد آن در تامين توان بار، از منبع تغذيه كمكي به نام باطري استفاده مي شود. همچنين در اين گونه سيستم ها از ابر خازن نيز به عنوان منبع كمكي استفاده مي گردد. در اين فصل برخي از مطالعات انجام شده در زمينه استفاده از سيستم هايبريد پيل سوختي-باتري-ابرخازن ارائه شده است. همچنين تركيبات منابع استفاده شده و ساختارهاي گوناگون اين نوع مطالعات تشريح شده است.
2-2 استراتژی مدیریت انرژی برای خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن مبتنی بر منطق فازی ]9[
در این مقاله استراتژي مديريت توان خودروي هيبريد با استفاده از روش مبتنی بر منطق فازی ارائه شده است. با استفاده از این تکنیک یک سیستم مدیریت انرژی برای خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و پيل سوختی/باطری/فرا خازن طراحی شده است. ساختار کلی خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و پيل سوختی/باطری/فرا خازن که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است به ترتیب در شکل های 2-1 و2-2 نشان داده شده است.

شکل2-1: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری مورد مطالعه در ]9[

شکل2-2: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن مورد مطالعه در ]9[
از آنجا که خودروی هيبريد ذاتاً غیر خطی و چند هدفه است، کنترلر منطق فازی(FLC) برای مسئله مدیریت انرژی بسیار کارآمد است. این کنترلر خروجی و ورودی سیستم را با استفاده از یک لیست قواعد اگر-آنگاه به هم مرتبط می کند.بخش “اگر”یک قاعده، شرایط برای اینکه کدام قاعده باید نگه داشته باشد را تعیین می کند. بخش “آنگاه” تعیین می کند که کدام مقدار از متغیر خروجی باید فراهم گردد. یک درجه عضویت به متغیرهای مسئله با استفاده از تابع عضویت اعمال خواهد شد. به منظور اینکه توان درخواستی موتور الکتریکی بصورت منطقی به سیستم پيل سوختی و باطری مربوط شود، توان درخواستی الکتریکی موتور و وضعیت شارژ باطریSOC)) به عنوان 2 متغیر حالت سیستم فازی در نظر گرفته می شوند. بعلاوه متغیر حالت خروجی بصورت توان سیستم پيل سوختی تعریف می شود. 4 مد محرک برای سیستم پيل سوختی/باطری بصورت زیر در نظر گرفته می شود:
مد راه اندازی اولیه
در این مد باطری به تنهایی خودرو را درایو می کند. سیستم پيل سوختی باید بر اساس توان در خواستی و SOC باطری فعال سازی شود. رابطه تعادل توان ناخالص به صورت زیر تعریف می شود:
(2-1)

که در این رابطه توان درخواستی شرایط کاری، توان خروجی سیستم پيل سوختی، توان موتور، توان باطری و بازده موتور است.
مد راه اندازی با پيل سوختی و شارژ باطری
در این مد رابطه توان ناخالص بصورت زیر است:
(2-2)

در این رابطه، و به ترتیب مقدار مرجع، مقدار ماکزیمم و مقدار مینیمم SOC هستند. بعلاوه توان تعدیل SOC و بازده مبدل DC-DC می باشد.
مد راه اندازی با پيل سوختی و باطری بصورت ترکیبی
در این مد رابطه توان ناخالص بصورت زیر است:
(2-3)

مد ترمزی احیا کننده
برای سیستم پيل سوختی/باطری ساختار کنترلر فازی به همراه ماتریس قواعد فازی به ترتیب در شکل2-3 و جدول 2-1 نشان داده شده است.

شکل2-3: منحنی غیر خطی فازی
جدول2-1: ماتریس قواعد فازی

به طور مشابه برای سیستم پيل سوختی/باطری/فرا خازن می توان 5 مد درایو بصورت زیر تعریف کرد:
مد راه اندازی اولیه
مد راه اندازی انفرادی با پيل سوختی
مد راه اندازی ترکیبی با پيل سوختی و باطری
مد راه اندازی ترکیبی با پيل سوختی، باطری و فراخازن
مد ترمزی احیاکننده
ساختار کلی مدل شبیه سازی شده این سیستم در شکل 2-4 نشان داده شده است.

شکل2-4: خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن شبیه سازی شده
نتایج شبیه سازی برای سرعت واقعی و سرعت خواسته شده برای خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن در شکل 2-5 نشان داده شده است. منحنی توان برای خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری/فرا خازن در شکل 2-6 نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که استراتژی کنترلی پیشنهادی می تواند توان درخواستی برای هر چهار مد استاندارد را تامین کند و بعلاوه سرعت خواسته شده و واقعی با دقت مناسبی همدیگر را پیگیری می کنند.

شکل2-5: سرعت واقعی و تخمینی

شکل2-6: منحنی توان برای خودروی هيبريد ت سوختی/باطری/فرا خازن
2-3 کنترل پخش توان بهینه با استفاده از الگوریتم PSOبرای خودروی هيبريد پيل سوختی/فراخازن و پيل سوختی/باطری ]10[
هدف اصلی از این مقاله بهینه سازی طراحی سیستم کنترل مدیریت توان برای یک خودروی هيبريد پيل سوختی/فراخازن و پيل سوختی/باطري و فراهم کردن یک مطالعه مقایسه ای بین این دو ساختار است. در سیستم های خودروی هيبريد، کنترل پخش توان و تعیین ابعاد سیستم و المان های بکار رفته در آن بسیار مورد توجه محققان است. لذا بسیار مهم است یک استراتژی کنترلی مناسب برای پخش بهینه توان ارائه شود بطوریکه تابع هدفی مرکب از ابعاد، هزینه و مصرف سوخت خودروی هيبريد مینیمم گردد. در این مقاله یک الگوریتم PSO برای بهینه سازی طراحی استفاده شده است. ساختار دو سیستم مورد مطالعه در این مقاله در شکل 2-7 نشان داده شده است.

شکل2-7: ساختار مورد مطالعه در ]10[
اضافه کردن منابع انرژی الکتریکی به خودروی هيبريد از جمله باطري، توانایی این سیستم را بسیار زیاد می کند و یک روش امید بخش برای خودروی هيبريد الکتریکی در آینده است. در این مقاله از الگوریتم PSO برای بهینه سازی توان مبادله شده بین منابع و کاهش ابعاد سیستم استفاده شده است. برای این منظور تابع هدف بصورت زیر تعریف شده است:
(2-4)

که:
(2-5)

که در این روابط بیانگر وزن های نسبت داده شده به هزینه، جرم و حجم هستند. توجه شود که یک تابع هدف بدون بعد است.
علاوه بر این، در این مقاله یک مبدل قدرت چند ورودی میانی برای خودروی هيبريد پيل سوختی پیشنهاد شده است تا ریپل ولتاژ خروجی و جریان ورودی را کاهش دهد و همچنین ابعاد مولفه های فعال سیستم را کاهش دهد. بازده این مبدل در مقایسه با مبدل های افزاینده مرسوم بالاتر است. ساختار این مبدل در شکل 2-8 نشان داده شده است.
نتایج نشان می دهد که با استفاده از روش PSO بکار گرفته شده می توان بطور چشمگیری مصرف هیدروژن پيل سوختی خودروی هيبريد را کاهش داد. علاوه بر این با مقایسه می توان نشان داد که خودروی هيبريد پيل سوختی/فراخازن نسبت به پيل سوختی/ باطري اندکی از نظر اقتصادی بهتر است. شکل های 2-9 و2-10 به ترتیب توان مبادله شده بین پيل سوختی با فراخازن و باطري را نشان می دهند.

شکل2-8: ساختار مبدل قدرت پیشنهاد شده در ]10[

شکل2-9: توان مبادله شده بین پيل سوختی و فراخازن

شکل2-10: توان مبادله شده بین پيل سوختی و باطري
2-4 کنترل موازی تبادل انرژی برای خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/ باطری/ فراخازن ]11[
این مقاله یک روش تبادل انرژی موازی برای خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/ باطري / فراخازن را پیشنهاد می دهد. منبع هيبريد از پيل سوختی، بانک های خازنی و ماژول های فرا خازنی تشکیل شده است. در روش پیشنهادی، هر یک از منابع فوق الذکر، با استفاده از مبدل های قدرت مناسب به باس DC وصل می شود. ساختار سیستم مورد مطالعه در این مقاله در شکل2-11 نشان داده شده است. در این شکل حالت های قابل بهره برداری از منابع بصورت خط چین مشخص شده است.

شکل2-11: ساختار مورد مطالعه در ]11[
روش کنترل موازی پیشنهادی در این مقاله برای کنترل توان بین باس DC ، منابع انرژی اولیه، فراخازن و باطري مورد استفاده قرار می گیرد. همانطور که در شکل 2-12 نشان داده شده است، باس DC واسط بین تمامی منابع انرژی است. در ساختار پیشنهادی، پيل سوختی از طریق یک مبدل افزاینده تک ربعی به باس DC وصل می شود تا ولتاژ خروجی آن بصورت پله ای زیاد شود و توان بازگشتی را بلوک کند. از طرف دیگر، باطري و فراخازن از طریق مبدل های نیم پل دو سویه به باس DC وصل شده اند. همانطور که در شکل2-13 نشان داده شده است، ساختار کنترل تبادل انرژی موازی پیشنهادی مجموعاً دارای 6 حلقه کنترلی (تماماً با استفاده از کنترلرهای PI) است. این حلقه ها شامل یک حلقه کنترل ولتاژ باس DC، سه حلقه کنترل جریان داخلی، یک حلقه کنترل ولتاژ فراخازن و یک حلقه کنترل شارژ باطري است.

شکل2-12: ساختار پیشنهادی در ]11[

شکل2-13: ساختار کنترل تبادل انرژی موازی پیشنهادی ]11[
نتایج شبیه سازی و بعلاوه نتایج عملی، برای اعتبار سنجی روش پیشنهادی بکار گرفته شده است. شکل های 2-14 و2-15 به ترتیب نتایج شبیه سازی و عملی را برای یک دوره راه اندازی- توقف نشان می دهند. با توجه به این شکل ها مشخص است که نتایج شبیه سازی و عملی با دقت مناسبی نزدیک به هم هستند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که روش پیشنهادی عملکرد ایده آل در تمامی وضعیت ها را ارضا نمی کند ولی یک روش مدیریت انرژی رضایت بخش در کنترل ساختار کلی خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/ باطري / فراخازن فراهم می کند.

شکل2-14: نتایج شبیه سازی مرجع ]11[

شکل2-15:نتایج عملی مرجع ]11[
2-5 یکپارچه سازی سیستم و مدیریت پخش توان برای یک خودروی هيبريد سری با استفاده از فراخازن و باطری ]12[
در این مقاله، الگوریتم های یکپارچه سازی سیستم و مدیریت پخش توان برای یک خودروی الکتریکی هيبريد سری چهار چرخ مورد بررسی قرار گرفته است. این خودروی الکتریکی هيبريد از منابع مختلف زیر تشکیل شده است:
ژنراتور مبتنی بر موتور دیزل
بانک باطری اسیدی
بانک خازنی
در این ساختار، فراخازن برای ذخیره انرژی بصورت کوتاه مدت بکار گرفته می شود تا عملکرد دینامیکی خودرو هيبريد را به دلیل چگالی انرژی بالا بهبود دهد. ژنراتور مبتنی بر ماشین مغناطیس دائم است که توسط یک موتور دیزل به گردش در می آید. ساختار کلی سیستم مورد مطالعه در شکل2-16 نشان داده شده است.

شکل2-16: ساختار کلی سیستم مورد مطالعه ]12[
علاوه بر این تمامی منابع بکار رفته در ساختار خودروی هيبريد از طریق مبدل های الکترونیک قدرت به باس DC متصل شده است. ساختار کلی سیستم کنترلی مورد مطالعه در این مقاله در شکل2-17 نشان داده شده است.

شکل2-17: ساختار کلی کنترلی مورد استفاده در ]12[
در این مقاله خودروی هيبريد به گونه ای طراحی شده است که در حالت کار عادی از ژنراتور دیزل، فراخازن و باطري بصورت ترکیبی استفاده می کند در حالیکه در مد EV فقط باطري و فراخازن را بکار می گیرد. بنابراین الگوریتم مدیریت پخش توان دارای دو مد بصورت زیر است.
مد عملکرد نرمال:
شکل 2-18 فلوچارت پیشنهادی این مقاله برای مدیریت پخش توان در مد عملکرد نرمال را نشان می دهد. بدین ترتیب که هر بار ولتاژ لینک DC تنظیم می شود و SOC فراخازن در طول حالت توقف و حرکت سیستم مدیریت خواهد شد. سپس، مرجع توان موتور بر مبنای توان درخواستی و مقدار SOC محاسبه خواهد شد. سرانجام، بررسی منطقی عملکرد سیستم، مثل عدم تعادل توان، محدودیت ولتاژ لینک DC و فراخازن و شرایط مخابراتی انجام می شود.
مد عملکردی EV با استفاده از باطري در این مد مجموعه ژنراتور دیزل خاموش می شود و ولتاژ لینک DC با استفاده از باطري تنظیم می شود، اما فراخازن نیز می تواند برای بهبود عملکرد دینامیکی سیستم مورد استفاده قرار بگیرد. این امر بخصوص زمان شتاب گیری و ترمز ماشین مورد توجه است.

شکل2-18: عملکرد مد نرمال
نتایج یک آزمایش ساده برای اعتبار سنجی الگوریتم تعادل بار در شکل 2-19 نشان داده شده است. در این حالت بار به تندی از 10 کیلو وات به 40 کیلو وات تغییر پیدا می کند. فراخازن تا زمانیکه توان خروجی ژنراتور نوسان می کند، به خوبی از عهده کنترل آن بر می آید که این امر نشان می دهد که فراخازن نقش بسزایی در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم دارد.
شکل 2-20 نتایج آزمایش مد کمک رسانی توان با استفاده از واحد باطري را نشان می دهد. در این مد مرجع توان ژنراتور مطابق با توان باطري تغییر پیدا می کند. بار ژنراتور زمانیکه به لینک DC توان تزریق کند، کاهش می یابد.

شکل2-19: نتایج آزمایش پخش توان

شکل2-20: مد کمک رسانی توان با استفاده از باطري
2-6 مدیریت انرژی مبتنی بر روش فرکانسی برای خودروی الکتریکی هيبريد پيل سوختی/باطری لیتیومی و فراخازن ]13[
این مقاله یک ارتباط بین فراخازن، پيل سوختی و باطري لیتیومی و یک روش مدیریت انرژی برای کاربرد خودروی الکتریکی هيبريد را ارائه می دهد. روش پیشنهادی بر روی روش فرکانسی تمرکز دارد تا انرژی مورد نیار بار را تامین کند. در این مقاله 2 توپولوژی مورد بررسی قرار گرفته است:
توپولوژی1:
در این ساختار فراخازن ها با استفاده از یک مبدل باک – بوست و پيل سوختی با استفاده از یک مبدل بوست به لینک DC وصل شده اند که این ساختار در شکل2-21 نشان داده شده است.
توپولوژی2:
در این ساختار باطري لیتیومی بدون هیچ مبدلی به لینک DC وصل می شود تا از کنترل ولتاژ لینک DC جلوگیری شود. یک ماشین آسنکرون مثل موتور کشنده با استفاده از یک اینورتر به لینک DC متصل خواهد شد. ساختار این توپولوژی در شکل 2-22 نشان داده شده است.

شکل2-21: توپولوژی 1 در مرجع ]13[

شکل22: توپولوژی 2 در مرجع ]13[
روش کنترلی در توپولوژی اول، مبتنی بر روش فرکانسی است.در این روش جریان بار به دو مولفه فرکانس بالا و فرکانس پایین تقسیم می شود. بنابراین مولفه فرکانس بالا باید توسط فراخازن ها تضمین گردد و مولفه فرکانس پایین باید از طریق پيل سوختی فراهم شود. این تخصیص با بکارگیری کنترل ولتاژ لینک DC و مدیریت جریان انجام خواهد گرفت. در این راستا ساختار کنترل ولتاژ لینک DC و حلقه کنترل جریان فراخازن به ترتیب در شکل های 2-23 و 2-24 نشان داده شده است.

شکل2-23: روش کنترلی ولتاژ لینک DC

شکل2-24: حلقه کنترل جریان لینک DC
از طرف دیگر برای کنترل سرعت موتور آسنکرون از تکنیک جهت یابی شار روتور مستقیم استفاده شده است. این ساختار در شکل 2-25 نمایش داده شده است.

شکل2-25: کنترل سرعت موتور آسنکرون
توپولوژی کنترلی دوم مبتنی بر تبادل جریان بار بین فراخازن ها و باطري لیتیومی است. در این توپولوژی، مدیریت انرژی مبتنی بر کنترل جریان است زیرا سطح ولتاژ لینک DC با استفاده از باطري در مقداری مشخص ثابت نگه داشته می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مدیریت انرژی با استفاده از روش فرکانسی پیشنهادی رفتار دینامیکی منابع (شامل فراخازن ها، پيل سوختی و باطری) را در نیز نظر می گیرد. در نتیجه این روش موجب بهبود عملکرد دینامیکی، افزایش طول عمر و کاهش ابعاد منابع می شود.
2-7 مدیریت توان خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و فراخازن با استفاده از تبدیل موجک ]14[
در این مقاله یک استراتژی مبتنی بر تبدیل موجک برای مدیریت توان خودروی هيبريد پيل سوختی/باطری و فراخازن پیشنهاد شده است. الگوریتم تبدیل موجک پیشنهادی توانایی شناسایی گذراهای فرکانس بالا و توان زمان حقیقی درخواستی برای خودروی هيبريد را دارد. بعلاوه تبدیل موجک توانایی تخصیص بهینه توان با فرکانس های مختلف به منابع مربوط را دارد که این امر موجب سهولت مدیریت توان بهینه خواهد شد. با استفاده از الگوریتم تجزیه موجک یک ترکیب مناسب با استفاده از فراخازن و با ابعادی مناسب بدست خواهد آمد.
ساختار سیستم مورد مطالعه در این مقاله در شکل2-26 نشان داده شده است. با توجه به این شکل سیستم خودرو الکتریکی هيبريد از قسمت های مختلف تشکیل شده است که عبارتند از: پيل سوختی، باطری، فراخازن، مبدل DC-DC یکطرفه، 2 مبدل DC-DC دو طرفه به ترتیب برای پيل سوختی، باطری و فراخازن. توان درخواستی از طریق کنترل جهت و مقدار توان خروجی برای هر کدام از این مولفه ها تعیین می شود.مبدل DC-DC که بین لینک DC و بار نصب شده است هدف تنظیم ولتاژ لینک DC در مقداری مشخص را پیگیری می کند.

شکل2-26: ساختار سیستم مورد مطالعه ]14[
یکی از تبدیلات موجک اساسی، تبدیل Haar است که کمترین طول فیلتر را در حوزه زمان داراست. همچنین تبدیل موجک Haar ساده ترین ساختار را دارد بطوریکه تبدیل موجک برابر با معکوس آن است که این ویژگی، موجب ساده تر شدن محاسبات جداسازی این تبدیل نسبت به سایر تبدیلات موجک خواهد شد. ساختار تبدیل موجک Haar در شکل 2-27 نشان داده شده است. جداسازی Haar سه سطحی و دیاگرام نوسازی در شکل 2-28 آورده شده است.

شکل2-27: ساختار تبدیل موجک Haar مبتنی بر بانک فیلتر n کاناله

شکل2-28: جداسازی Haar سه سطحی و دیاگرام نوسازی
شکل های 2-29 تا 2-32 تغییرات ولتاژ پيل سوختی، باطری، فراخازن و واحد بار را نشان می دهد. همانطور که مشخص است ولتاژ تمامی منابع با توجه به توان درخواستی تغییر می کند. با توجه به این شکل ها، باطری دارای بازده بالای پایداری ولتاژ در تمامی دوره ها به جز لحظاتی اندک است. افزایش در توان موجب کاهش ولتاژ ترمینال پيل سوختی می شود. ولتاژ ترمینال فراخازن به دلیل انرژی بازگشتی از 197 به 215 ولت تغییر می کند. ولتاژ DC طرف بار در مقدار 200 ولتا ثابت می ماند که این امر با کمک مبدل DC-DC دو طرفه برای تنظیم ولتاژ صورت می گیرد.

شکل2-29: ولتاژ ترمینال پيل سوختی

شکل2-30: ولتاژ ترمینال باطری

شکل2-31: ولتاژ ترمینال فراخازن

شکل2-32: ولتاژ بار DC تنظیم شده
2-8 مدیریت انرژی خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن با استفاده از روش کنترل بهینه تطبیقی ]15[
مدیریت انرژی خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن برای بهینه سازی بازده انرژی با ارضا کردن قیود فرآیندی موضوع اصلی مورد مطالعه در این مقاله است. این مقاله نیازمندی های مدیریت انرژی سیستم قدرت هيبريد را بصورت یک مساله بهینه سازی مقید فرموله می کند و سپس این مساله را به حالت غیر مقید تبدیل می کند که برای اینکار از روش تابع مجازات استفاده می شود. شبکه های تابع شعاعی بصورت الگوریتم کنترل بهینه تطبیقی سازماندهی خواهند شد تا یک استراتژی بهینه را برای مدیریت انرژی تشکیل دهند. این استراتژی بهینه برای یک خودرو الکتریکی هيبريد تغذیه شده با پيل سوختی و بانک فراخازنی به خوبی اعتبار سنجی شده است.ساختار کلی سیستم مورد مطالعه در شکل2-33 نشان داده شده است. خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن از مبدل های DC-DC برای اتصال بخش های مختلف سیستم استفاده می کند.

شکل2-33: سیستم مورد مطالعه در ]15[
سیستم مدیریت خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن شامل کنترل مبدلهای DC-DC می شود. به عبارت دیگر مدیریت انرژی یعنی اینکه توان چگونه بین منابع انرژی تقسیم شود. حلقه کنترل مبدل نوعاً 100 تا 1000 برابر سریع تر از حلقه استراتژی مدیریت انرژی است. بنابراین، همانطور که در شکل 2-34 مشخص است، کل سیستم مدیریت انرژی برای خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن می تواند به یک سطح زیری و سطح بالایی به ترتیب با پاسخ سرعت بالا و پایین تقسیم شود. ساختار سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر کنترلر بهینه تطبیقی پیشنهاد شده در این مقاله در شکل2-35 نشان داده شده است.

شکل2-34: سطوح سیستم مدیریت انرژی و کنترل ولتاژ – جریان برای خودروی هيبريد پيل سوختی/ فراخازن

شکل2-35: سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر کنترلر بهینه تطبیقی پیشنهاد شده در ]15[
شکل 2-36 نمودار مقایسه ای مصرف هیدروژن را برای پيل سوختی تنها، سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر فازی و سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر کنترلر بهینه تطبیقی نشان می دهد. همانطور که مشخص است مصرف هیدروژن در سیستم مدیریت انرژی مبتنی بر کنترلر بهینه تطبیقی نسبت به دو مورد دیگر در سطح پایین تری قرار دارد.

شکل2-36: مقایسه مصرف هیدروژن در 5 حالت مختلف استاندارد عملکرد
2-9 طراحی مدل اولیه و اجرای کنترلر برای یک سیستم ذخیره انرژی خودروی الکتریکی هيبريد باطری-فرا خازن ]16[
در این مقاله مدلسازی، طراحی و روش کنترلی نوینی برای سیستم هيبريد یکسوساز دوسویه با خازن سوییچ-شونده(SC)، که بر روی سیستم ذخیره انرژی یک خودروی برقی هيبريد نصب شدهاند، ارائه میشود. استراتژی کنترلی مذکور بر مبنای منحنی توان نیروی جلوبرنده موتور و گرادیان جریان باطری استوار است. ویژگیهای کاهش و افزایش پلهای ولتاژ و



قیمت: 12000 تومان

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *