Ανάπτυξη μοντέλου διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικού αυτοκινήτου με χρήση ασαφούς λογικής
Development of an energy management model based on fuzzy logic
Λέξεις-κλειδιά
Ηλεκτρικά αυτοκίνητα ; Μπαταρίες ; Υπερπυκνωτές ; Ασαφής λογική ; Υβριδικά συστήματα ; MATLABΠερίληψη
Η αγορά ηλεκτρικών οχημάτων αναπτύσσεται ραγδαία την τελευταία δεκαετία, ακολουθώντας το παγκόσμιο σχέδιο για μηδενικές εκπομπές έως το 2035. Ειδικά στην Ευρώπη, το μερίδιο των πωλήσεων των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων αυξήθηκε κατά 63%, φτάνοντας το 9% της συνολικής αγοράς, ενώ τα Plug-in Hybrid ηλεκτρικά οχήματα, που συνδυάζουν ηλεκτρικό κινητήρα με μηχανή εσωτερικής καύσης, αυξήθηκαν κατά 71% το 2021. Η βιομηχανία πίσω από τα ηλεκτρικά οχήματα παράγει πάνω από 390 δισεκατομμύρια ευρώ σε έσοδα, μόνο για την Ευρώπη, επομένως μπορεί εύκολα να οριστεί ως σημαντικός οικονομικός και τεχνολογικός τομέας. Επιπλέον, τα ηλεκτρικά οχήματα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα όπως μέγιστη ροπή ακόμη και σε μηδενική ταχύτητα, εύκολη και ομαλή οδήγηση, καθώς και πολύ χαμηλή κατανάλωση. Συγκριτικά με ένα συμβατικό όχημα, η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να μειωθεί έως και 82% σύμφωνα με αναλύσεις. Λόγω της πολυπλοκότητας του πακέτου μπαταριών, απαιτείται ένα εξαιρετικά προσαρμοστικό και έξυπνο σύστημα διαχείρισης για την παρακολούθηση παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η τάση των κυψελών και το ρεύμα, καθώς και για την προστασία από υπερφόρτιση ή τη διάγνωση σφαλμάτων. Η θερμοκρασία της μπαταρίας, ιδιαίτερα, είναι κρίσιμος παράγοντας για τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και επηρεάζεται κυρίως από το στυλ οδήγησης, τη θερμοκρασία περιβάλλοντος ή την ταχύτητα φόρτισης. Ακόμη και αν η χωρητικότητα της μπαταρίας μειωθεί αρκετά (30-40%) μετά από 8-10 χρόνια, μπορεί ακόμη να είναι βιώσιμη και χρήσιμη σε στατικές εφαρμογές όπως τα συστήματα αποθήκευσης ανανεώσιμης ενέργειας. Αν και η μπαταρία λιθίου φαίνεται να είναι η πιο οικονομικά αποδοτική πηγή ενέργειας, είναι δύσκολο να επιτευχθεί υψηλή απόδοση και αυτονομία. Τα υψηλά ρεύματα αιχμής κατά την εκκίνηση σε κρύες συνθήκες ή τα ρεύματα υψηλής συχνότητας λόγω της αναγέννησης από έντονη πέδηση μπορούν να υπερθερμάνουν τις κυψέλες, προκαλώντας έντονο άγχος στον μετατροπέα. Επομένως, απαιτείται μια εξαιρετικά προσαρμοστική και ενεργειακά πυκνή πηγή για να διαχειριστεί αυτές τις απαιτήσεις. Οι υπερπυκνωτές (UC) διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα (έως και 1500F) σε σύγκριση με τους κανονικούς πυκνωτές και ενώ δεν μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, μπορούν να παρέχουν τεράστια ισχύ για να καλύψουν διαφορετικά φορτία. Λόγω αυτής της χαμηλής ενεργειακής τους πυκνότητας, η έρευνα επικεντρώθηκε στην ενσωμάτωση αυτής της πηγής σε υπάρχοντα πακέτα μπαταριών για τη δημιουργία μιας υβριδικής πηγής ενέργειας, είτε σε ενεργή είτε σε παράλληλη διαμόρφωση. Η παθητική διάταξη εκμεταλλεύεται τη σύνδεση και των δύο πηγών με έναν συνδετικό κρίκο DC, ενώ η ενεργή απαιτεί διαφορετικό μετατροπέα DC-DC για κάθε συσσωρευτή. Οι ημιενεργές τοπολογίες με χρήση ελέγχου διόδου και αμφίδρομου μετατροπέα είναι επίσης διαθέσιμες, εξασφαλίζοντας υψηλή απόδοση και μέτριο κόστος. Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο που εκμεταλλεύεται η υβριδοποίηση είναι η συμπαγής διαμόρφωση με λιγότερες απαιτούμενες μπαταρίες, μειώνοντας έτσι το κόστος και εξασφαλίζοντας σωστή προσαρμογή. Το κόστος λειτουργίας μπορεί να μειωθεί έως και 20%, ενώ το βάρος της διάταξης μειώνεται τουλάχιστον κατά 15%. Η συνολική ενεργειακή πυκνότητα μειώνεται καθώς χρειάζονται λιγότερες κυψέλες μπαταρίας, αλλά καθώς το σύστημα διαρκεί περισσότερο και μπορεί να αποθηκεύσει επιπλέον ενέργεια μέσω της αναγεννητικής πέδησης, οι δυνατότητες είναι απεριόριστες. Μπορεί ακόμη να συνδυαστεί με μια συνεχή μεταβαλλόμενη μετάδοση (CVT), επιτρέποντας περαιτέρω μείωση κατά 15% στη γήρανση της μπαταρίας. Αν και οι υπερπυκνωτές είναι αρχικά ακριβοί, αυτό το κόστος είναι αμελητέο (3% των συνολικών εξόδων). Ωστόσο, η συνολική τιμή του συστήματος θα είναι πάνω από 25% χαμηλότερη λόγω των εξόδων ηλεκτρικής ενέργειας και αντικατάστασης μπαταριών. Επιπλέον, μπορούν να διατηρήσουν το 80% της χωρητικότητάς τους μετά από 250.000 κύκλους, επιτρέποντας συνεχή λειτουργία για πάνω από 30-35 χρόνια. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται ένα μοντέλο διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικού αυτοκινήτου με χρήση ασαφούς λογικής. Το μοντέλο αυτό αναπτύσσεται με στόχο τη βελτίωση των παραμέτρων και κατά συνέπεια της απόδοσης ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου.
Περίληψη
The electric vehicle market has been rapidly expanding over the past decade, following the global plan for zero emissions by 2035. In Europe, the market share for purely electric vehicles increased by 63%, reaching 9% of the total market, while Plug-in Hybrid electric vehicles, which combine an electric motor with an internal combustion engine, saw a 71% increase in 2021.
The electric vehicle industry generates over 390 billion euros in tax revenue in Europe alone, highlighting its significance as a major economic and technological sector. Additionally, electric vehicles offer several advantages, such as maximum torque even at zero speed, easy and smooth driving, and very low energy consumption. Compared to conventional vehicles, energy consumption can be reduced by up to 82%, according to tank-to-wheel (TTW) analyses. Due to the complexity of the battery pack, a highly adaptive and smart management system is required to monitor parameters like temperature, cell voltage, and current, as well as to protect against overcharging or diagnose errors. Battery temperature, in particular, is a critical factor for battery life and is mainly affected by driving style, ambient temperature, and charging speed. Even if battery capacity degrades significantly (30-40%) after 8-10 years, it can still be viable and useful in stationary applications, such as renewable energy storage systems.
Although lithium batteries appear to be the most cost-efficient energy source, achieving high mileage and performance is challenging. Peak power demands during cold starts or high-frequency currents due to intense braking regeneration can overheat the cells, causing significant stress on the converter. Therefore, a highly adaptive and power-dense source is needed to handle these demands. Ultracapacitors (UC) provide superior capacitance (up to 1500F) compared to regular capacitors, and while they cannot store large amounts of energy, they can deliver immense power to meet various loads. Due to their low energy density, research has focused on integrating this source into existing battery packs to form a hybrid energy source, either in active or passive configuration. Passive layouts exploit the connection of both sources with a DC link, while active setups require a different DC-DC converter for each accumulator. Semi-active topologies, using a control diode and a bidirectional converter, are also available, ensuring high efficiency and moderate cost. Another important advantage of hybridization is the compact sizing with fewer required batteries, thereby reducing cost and ensuring proper fitting. Operating costs can be decreased by up to 20%, and the weight of the setup is reduced by at least 15%. Although total energy density is lowered because fewer battery cells are needed, the system lasts longer and can store additional energy through regenerative braking, providing endless possibilities. It can even be combined with a continuously variable transmission (CVT), allowing for a further 15% reduction in battery aging. While ultracapacitors are initially expensive, this cost is negligible (3% of the overall costs). However, the total system price will be over 25% lower due to electricity costs and battery replacement costs. Additionally, ultracapacitors can maintain 80% of their capacity after 250,000 cycles, allowing for over 30-35 years of continuous operation. This paper develops an energy management model for electric vehicles using fuzzy logic, aiming to improve the parameters and consequently the performance of an electric vehicle.
Αριθμός σελίδων
86Σχολή
Σχολή ΜηχανικώνΑκαδημαϊκό Τμήμα
Τμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών ΜηχανικώνΓλώσσα
ΕλληνικάΣυλλογή
Εκτός από όπου επισημαίνεται κάτι διαφορετικό, το τεκμήριο διανέμεται με την ακόλουθη άδεια:
Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές
Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές