پایان نامه ارائه یک روش قابل اطمینان برای تخمین شارژ باتری خودروهای V2G

تومان15,000

پایان نامه ارائه یک روش قابل اطمینان برای تخمین شارژ باتری خودروهای V2G

توضیحات

چکیده

امروزه با توجه به آلودگی­های ناشی از سوخت­های فسیلی و گرانی و غیر قابل تجدید­پذیر بودن انرژی حاصل از این سوخت­ها نیاز به استفاده از منابع انرژی تجدید­پذیر گریز ناپذیر است. در فرآیند تولید و عرضه­ی انرژی­های تجدید­پذیر نیاز به وسایلی برای ذخیره آن­ها می­باشد.  رایج­ترین و ارزان­ترین ذخیره کننده­های انرژی الکتریکی باتری­ها هستند. به همین دلیل می­توان از باتری­های خودروهای هیبریدی برای تولید و ذخیره انرژی استفاده کرد. برای مدیریت بهتر این باتری­ها بایستی سطح شارژ (SOC) آن­ها تخمین زده شود. روش­های زیادی برای تعیین سطح شارژ باتری معرفی شده­اند که در یک دسته­بندی کلی می­توان به سه روش اندازه­گیری مستقیم، اندازه­گیری غیرمستقیم و تخمین سطح شارژ تقسیم­بندی کرد. برای خودرو در حال کار دو روش اول ممکن نبوده و روش سوم بیشتر مورد استفاده قرار می­گیرد. روش­های متعددی برای تخمین سطح شارژ باتری وجود دارند که از بین آن ها می توان به استفاده از فیلترکالمن، فیلتر کالمن توسعه یافته، تخمین ولتاژ مدار باز باتری، تخمین جریان باتری و … اشاره کرد. واقعیت این است که با توجه به پیچیدگی­های ریاضی رفتار باتری و غیرخطی بودن معادلات شارژ و دشارژ آن، تخمین دقیق سطح شارژ کاری دشوار است. این پایان­نامه روشی را برای تخمین سریع و دقیق سطح شارژ باتری خودروی در حال کار با استفاده از زنجیره مارکوف ارائه می­کند. در ابتدا حالت های مختلف شارژ باتری در حال کار تعیین شده و مدل مارکوف رسم می­شود، سپس با تعیین نرخ گذر حالت­های مدل از روی مراجع موجود و تحقیقات قبلی، معادلات مارکوف باتری و ماتریس گذر حالت­ها مشخص شده و از روی مدل، سطح شارژ لحظه­ای باتری محاسبه می­شود. در پایان نیز ضمن تعریف دسترس پذیری و قابلیت اطمینان خودروها از منظر شارژ باتری این دو پارامتر نیز برای چند سناریو مختلف محاسبه شده است.

واژگان کلیدی: خودرو هیبریدی، سطح شارژ باتری، قابلیت اطمینان، در­دسترس پذیری  ، مدل زنجیره مارکوف باتری، مدیریت باتری

 

 

  عنوان                                                                                                                          صفحه

  1. فصل اول: مقدمه. 1

1-1-مقدمه…………… 2

1-2-اهداف پایان نامه. 4

1-3-ساختار پایان نامه. 5

  1. فصل دوم: خودروهای الکتریکی. 6

2-1- مقدمه………….. 7

2-2- خودروهای درونسوز. 7

2-3- خودروهای الکتریکی.. 8

2-3-1- خودروهای BEV.. 8

2-3-2- خودرو های FCEV.. 9

2-4- خودروهای هیبریدی.. 9

2-4-1- خودروهایHEV 9

2-4-2- خودروهایPHEV.. 10

2-5- اجزای خودرو هیبریدی.. 11

2-6-انواع خودروی هیبریدی از لحاظ ساختاری.. 12

2-6-1- خودرو هیبرید سری 13

2-6-1-1- سیستم هیبرید سری ایده آل. 14

2-6-1-2- سیستم هیبرید سری جبرانساز توان مصرفی. 15

2-6-1-3- سیستم هیبرید سری جبرانساز میزان شارژ باتری. 15

2-6-2- خودرو هیبرید موازی 17

2-6-2-1- سیستم موازی ایده آل. 19

2-6-2-2- سیستم موازی، احتراقی اصلی- الکتریکی کمکی. 19

2-6-2-3-سیستم موازی، احتراقی کمکی- الکتریکی اصلی. 19

2-6-2-4- سیستم موازی مستقل. 24

2-6-3- خودرو هیبریدی سری-موازی (ترکیبی) 25

2-6-3-1- فقط الکتریکی. 26

2-6-3-2- الکتریکی و احتراقی همزمان. 27

2-6-3-3- الکتریکی و شارژ باتریها توسط احتراقی. 27

2-7-تاریخچه خودروهای الکتریکی.. 27

2-8-خلاصه فصل دوم. 29

  1. فصل سوم: باتری ها و روش های تخمین SOC آن ها 30

3-1- مقدمه…………… 31

3-2- باتری های قابل شارژ. 31

3-3- ساختار یک باتری.. 32

3-4- انواع باتری…… 32

3-4-1- باتری لیتیم یون. 32

3-4-2- منحنی ویژگی های شارژ و دشارژ باتریهای لیتیم-یونی.. 33

3-5- مقایسه باتریهای مختلف با هم. 34

3-6- سیستم مدیریت باتری (BMS) 36

3-6-1- وظايف سیستم مدیریت باتری.. 36

3-6-1-1- سخت افزار BMS. 37

3-6-1-2- نرم افزار BMS. 39

3-6-2- سیستم نمونه گیری BMS. 40

3-6-3- سیستم حفاظتیBMS. 41

3-6-3-1- حفاظت در برابر جریان زیاد در هنگام شارژ و دشارژ 41

3-6-3-2- حفاظت در برابر ولتاژ کمتر از حد مجاز 41

3-6-3-3- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ 42

3-6-3-4- حفاظت در هنگام افزایش دمای بیش از حد مجاز باتری. 42

3-6-3-5- حفاظت در برابر افزایش یا کاهش مقاومت باتری. 43

3-6-3-6- حفاظت در برابر دشارژ خود به خود 43

3-6-3-7- حفاظت در برابر افزایش فشار 43

3-6-3-8- حفاظت در برابر تغییرات شیمیایی الکترولیت.. 44

3-6-4- سیسستم کنترل مرکزی.. 44

3-6-5- سیستم اندازه گیری.. 44

3-6-6- منحنی وضعیت شارژ باتری.. 46

3-6-6-1- بالانس کننده پسیو شارژ و دشارژ 46

3-6-6-2- بالانس کننده اکتیو شارژ و دشارژ 48

3-6-7- سیستم مانیتورینگ50

3-6-8- قابلیت اطمینان و تحمل پذیری خطا در BMS 50

3-7- مدل سازی باتری ها 51

3-7-1- مدل ساده باتری.. 51

3-7-2- مدل ساده اصلاح شده 51

3-7-3- مدل پیشرفته شده 52

3-7-4- مدل تونن باتری.. 53

3-7-5- مدل دینامیکی باتری.. 54

3-7-6- مدار معادل مدل اصلاح شده تونن.. 54

3-7-7- مدل کپتی.. 55

3-7-8- مدل رندلس56

3-7-9- مدل مرتبه سه. 57

3-8- روش های اندازه گیری و تخمین SOC.. 58

3-9-تعریف SOC   59

3-10-اندازه گیری مستقیم SOC.. 60

3-11-اندازه گیری غیر مستقیم SOC (از طریق وزن مخصوص) 60

3-12-روشهای تخمین SOC.. 61

3-12-1- تخمین SOC بر اساس ولتاژ. 61

3-12-2- تخمین SOC  بر اساس جریان. 62

3-12-3- تخمین SOC از طریق اندازه گیری امپدانس داخلی.. 63

3-12-4- روش تخمین SOC بر اساس فیلتر کالمن.. 63

3-12-4-1- مدل باتری. 64

3-12-4-2- مدل فضای حالت باتری. 65

3-12-4-3- فیلتر کالمن. 66

3-12-4-4- فیلتر کالمن تعمیم یافته 67

3-12-5- تخمین شارژ با استفاده از روش EKF-AH.. 68

3-12-6- تخمین سطح شارژ باتری با استفاده از شبکه عصبی 69

3-12-7- تخمین SOC با استفاده از فیلتر H.. 70

3-12-8- تخمین SOC با استفاده از روش فازی 71

3-12-8-1- تشریح یک مدل فازی برای تخمین SOC. 71

3-13- خلاصه فصل سوم. 78

  1. فصل چهارم: مقدمه ای بر مدلسازی مارکوف.. 79

4-1- مقدمه………….. 80

4-2- نقش مدلسازی مارکوف در میان روشهای متنوع مدلسازی.. 80

4-3-  اساس مدل های مارکوف.. 81

4-4- مدلسازی رفتار سیستم. 82

4-5- به تصویر کشیدن انتقال احتمالات بین حالت ها 83

4-6- حل مدل مارکوف.. 84

4-7- انواع مدل های مارکوف.. 85

4-7-1- مدل مارکوف زمان پیوسته HCTMC.. 85

4-7-2- مدل مارکوف غیر همگن NH- CTMC.. 86

4-7-3-  مدل Semi-Markov. 87

4-8- استفاده از مدل مارکوف در ارزیابی ویژگی های اتکاپذیری سیستم. 88

4-8-1- مزایای مدل مارکوف.. 88

4-8-2- معایب مدل مارکوف.. 89

4-9- خلاصه فصل چهارم. 89

  1. فصل پنجم: تخمین SOC به روش مارکوف.. 90

5-1- مقدمه………….. 91

5-2- پیش بینی با مدل مارکوف.. 91

5-3- حالتهای مختلف کارکرد باتری.. 92

5-4- مدل پیشنهادی مارکوف برای تخمین دشارژ باتری.. 92

5-4-1- بدست آوردن معادلات مارکوف مدل دشارژباتری.. 93

5-4-2- مراحل محاسبه SOC با استفاده از زنجیره مارکوف.. 94

5-5- قابلیت اطمینان و در دسترس بودن خودرو از منظر SOC.. 94

5-5-1-  تعریف قابلیت اطمینان خودرو از منظر شارژ باتری.. 94

5-5-2- در دسترس پذیری خودرو از منظر شارژ. 95

5-6- بررسی حالت های مارکوف شارژ و دشارژ باتری.. 95

5-6-1- مدل مارکوف شارژ و دشارژ باتری.. 96

5-6-2- معادلات مارکوف شارژ و دشارژ باتری.. 96

5-7- بررسی و ارزیابی مدل برای یک نمونه واقعی.. 100

5-7-1- مدل پیشنهادی مارکوف تخمین شارژ و دشارژ برای یک نمونه باتری لیتیم- یونی.. 100

3-13-2- ارزیابی مدل برای باتری لیتیم یونی.. 101

5-8- تخمین SOC با استفاده از زنجیره مارکوف.. 103

5-8-1- نقاط قوت مدل زنجیره ماکوف پیشنهادی.. 114

5-9- خلاصه فصل پنجم. 114

6.فصل ششم : خلاصه و پیشنهادات آتی……. 116

6-1- خلاصه تحقیق. 117

6-2- پیشنهادات آتی.. 118

مراجع…………………… 119

پيوست الف: بررسي انواع باتري ها 123

الف-1- باتری های سدیم سولفور (NaS) 123

الف-2- باتریهای نیکلی.. 123

الف-3- باتری های روی برم. 124

الف-4- باتری سرب اسید. 125

پيوست شماره ب: عملكرد باتري هاي ليتيم-يون. 129

ب-1- عملکرد باتری های لیتیم یون. 129

ب-2- الکترود مثبت باتریهای لیتیم یون. 129

ب-3- الکترود منفی باتری لیتیم یون. 130

ب-4- الکترولیت باتری لیتیم-یون. 131

 

فهرست اشکال

 

شکل ‏1‑1: نقش بخش های مختلف تولید و مصرف کنندگان انرژی در کاهش دی اکسید کربن 3

شکل ‏1‑2: مقایسه فروش انواع خودروها تا سال 2050 میلادی.. 4

شکل ‏2‑1: مقایسه میزان فروش PHEV و EV تا سال 2050 میلادی 11

شکل ‏2‑2: اجزای خودرو هیبریدی 12

شکل ‏2‑3: خودرو هیبرید سری 13

شکل ‏2‑4: بلوک دیاگرام خودرو هیبرید سری 13

شکل ‏2‑5: نحوه اتصال اجزای سیستم هیبرید سری 14

شکل ‏2‑6: خودرو هیبریدی موازی 17

شکل ‏2‑7: بلوک دیاگرام خودرو هیبریدی موازی 18

شکل ‏2‑8: نحوه اتصال اجزای خودرو هیبرید موازی 18

شکل ‏2‑9: بلوک دیاگرام سیستم موازی هم محور با یک کلاچ بین موتور و جعبه دنده 21

شکل ‏2‑10: بلوک دیاگرام سیستم موازی هم محور با یک کلاچ در بین موتور الکتریکی و احتراق داخلی 22

شکل ‏2‑11: بلوک دیاگرام سیستم هیبرید موازی هممحور با دو کلاچ در دو طرف موتور الکتریکی 23

شکل ‏2‑12: بلوک دیاگرام سیستم موازی مستقل 24

شکل ‏2‑13: خودرو هیبریدی سری-موازی 25

شکل ‏2‑14: بلوک دیاگرام خودرو هیبریدی سری- موازی 26

شکل ‏2‑15: نحوه اتصال اجزای سیستم سری-موازی 26

شکل ‏2‑16: تاریخچه خودروهای الکتریکی 28

شکل ‏3‑1: نمای شماتیک از یک سل باتری لیتیم یون. 33

شکل ‏3‑2: منحنی شارژ باتری لیتیم-یون 33

شکل ‏3‑3: منحنی دشارژ باتری لیتیم-یون در دمای مختلف 33

شکل ‏3‑4: انرژی مخصوص باتری های مختلف 35

شکل ‏3‑5: وظایف سخت افزار ونرم افزار سیستم BMS. 37

شکل ‏3‑6: دیاگرام سخت افزار BMS 38

شکل ‏3‑7: الگوریتم نرم افزار BMS، 40

شکل ‏3‑8: زیر سیستم BMS. 40

شکل ‏3‑9: تغییرات ظرفیت باتری سرب اسید بر حسب دمای کارکرد آن 42

شکل ‏3‑10: رابطه بین زمان، دما و مقدار امپدانس 43

شکل ‏3‑11: بلوک دیاگرام سیستم اندازه گیری 45

شکل ‏3‑12: مدار اندازه گیری جریان 46

شکل ‏3‑13: شارژ یک باتری بدون استفاده از بالانس کننده 47

شکل ‏3‑14: نمودار بالانس پسیو 47

شکل ‏3‑15: ظرفیت کل باتری پس از بالانس48

شکل ‏3‑16: مدار بالانس اکتیو شارژ و دشارژ 49

شکل ‏3‑17: ترانسفورماتور بار را بین یک سلول و گروهی از سلول ها جابجا می کند. 49

شکل ‏3‑18: شارژ معادل در حالت بالانس اکتیو. 49

شکل ‏3‑19: نمونه ای از سیستم مانیتورینگ 36 باتری در بسته 12تایی 50

شکل ‏3‑20: مدل ساده باتری.. 51

شکل ‏3‑21: مدار معادل مدل اصلاح شده 52

شکل ‏3‑22: مدل پیشرفته شده 52

شکل ‏3‑23: مدار معادل مدل تونن.. 53

شکل ‏3‑24: مدار معادل مدل اصلاح شده تونن.. 54

شکل ‏3‑25: مدار معادل مدل کپتی.. 55

شکل ‏3‑26: مدار معادل مدل رندلس56

شکل ‏3‑27: مدار معادل مدل مرتبه سه. 57

شکل ‏3‑28: شمای کلی اندازه گیری پروسه SOC.. 60

شکل ‏3‑29: شمای کلی تخمین SOC با استفاده از جریان دشارژ باتری.. 62

شکل ‏3‑30: مدل کامل باتری 64

شکل ‏3‑31: مدل یک سیستم LTV.. 66

شکل ‏3‑32: مدل ANN برای تخمین شارژ باتری 70

شکل ‏3‑33: ورودی و خروجی مدل فازی.. 71

شکل ‏3‑34: نمودار تغییرات SOC نسبت به مقاومت داخلی باتری لیتیوم یونی 72

شکل ‏3‑35: نمودار تغییرات SOC نسبت به ولتاژ باتری لیتیوم یونی 72

شکل ‏3‑36: نمودار تغییرات سطح SOC نسبت به جریان شارژ با نرخ C مربوط به باتری لیتیوم یونی 72

شکل ‏3‑37: یک سیستم استنتاج فازی 73

شکل ‏3‑38: تابع عضویت ولتاژ. 74

شکل ‏3‑39: تابع عضویت جریان. 74

شکل ‏3‑40: تابع عضویت مقاومت داخلی.. 74

شکل ‏3‑41: تابع عضویت سطح شارژ. 74

شکل ‏4‑1: طیف روش های مدلسازی اتکاپذیری.. 80

شکل ‏4‑2: یک سیستم 3P2B ساده 83

شکل ‏4‑3: مدل مارکوف سیستم 3P2B.. 84

شکل ‏4‑4: مثالی برای مدل مارکوف CTMC همگن.. 85

شکل ‏4‑5: مدل مارکوف CTMC غیرهمگن.. 86

شکل ‏4‑6: یک مدل Semi-Markov. 87

شکل ‏5‑1: وضعیت های مختلف شارژ یک باتری.. 92

شکل ‏5‑2: مدل مارکوف دشارژ باتری خودرو. 93

شکل ‏5‑3: وضعیت های مختلف شارژ و دشارژ باتری.. 95

شکل ‏5‑4: مدل مارکوف سیسستم شارژ و دشارژ خودرو. 96

شکل ‏5‑5: نمودار شارژ باتری.. 100

شکل ‏5‑6: مدل مارکوف سیستم شارز و دشارژ باتری.. 100

شکل ‏5‑7: نمودار SOC بر حسب زمان. 101

شکل ‏5‑8: نمودار  SOCبر حسب R(t) 102

شکل ‏5‑9: نمودار SOC بر حسب A(t) 102

شکل الف-1: منحنی شارژ و دشارژ باتری­های نیکل هیدرید فلز……………………………………………………………………………………… 123

شکل الف -2:نمودار درصد کاربرد کل سرب جهان در صنایع گوناگون…………………………………………………………………………………. 125

شکل الف -3: نمای ساده شده‌ی درون یک باتری سرب-اسید……………………………………………………………………………………………… 126

شکل الف -4: محتویات یک باتری…………………………………………………………………………………………………………………….. 128

شکل ب -1: فرایند شارژ و تخلیه شارژ در باتری های لیتیمی……………………………………………………………………………….  129

شکل ب -2: نمای کلی الکترودهای باتری لیتیم-یون…………………………………………………………………………………………………..

×
×

سبد خرید