Ανάπτυξη μοντέλου διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικού αυτοκινήτου με χρήση ασαφούς λογικής

Abstract

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.