پایان نامه انتخاب بهینه باطری برای خودروهای هیبریدی الکتریکی قابل اتصال به شبکه

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : برق

عنوان :انتخاب بهینه باطری برای خودروهای هیبریدی الکتریکی قابل اتصال به شبکه

گرایش:الکترونیک

دانشگاه آزاد اسلامی واحد آشتیان

گروه برق الکترونیک

پایان نامه جهت دریافت کارشناسی ارشد M.sc

گرایش الکترونیک

عنوان:

انتخاب بهینه باطری برای خودروهای هیبریدی الکتریکی قابل اتصال به شبکه

 استاد راهنما:

نگارش :

تابستان 1394

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                                      شماره صفحه
1-1 مقدمه. 2
1-2 تعریف و معرفی انواع خودروهای الکتریکی.. 3
1-3 تعریف V2G و کاربرد های آن.. 6
1-4 فرصت ها و چالش های خودروهای الکتریکی V2G.. 9
1-5 نهادهای مشارکت کننده برای اجرای V2G.. 11
1-5-1 حاکمیت… 12
1-5-2 شرکت های عملیاتی در حوزه برق رسانی.. 12
1-5-3 شرکت های خودروساز. 13
1-5-4 شرکت های سازنده باتری.. 13
1-5-5 شرکت های سازنده تجهیزات پشتیبان.. 14
1-5-6 مالکان خودروهای الکتریکی.. 15
1-5-7  شرکت های تجمیع کننده. 16
1-5-8  ارتباط میان نهادی برای اجرای موفق V2G.. 17
1-6  باتری ها 18
1-6-1 انرژی.. 18
1-6-2 قدرت.. 19
1-7   حالتی از صنعت و پیش بینی تحولات.. 21
1-7-1  عملکرد باتری.. 21
1-7-2  قیمت های باتری : روند فعلی و انتظارات.. 23
1-8  ویژگی های باتری.. 26
1-9 تغییر پارامتر ها در مقایسه با AER.. 26
۱-۲ معرفی سیستم مدیریت باتری : 29
۲-2 سامانه مدیریت باتری.. 30
2-2-1 سیستم نمونه گیری و مانیتورینگ… 31
2-2-2  سیستم حفاظتی.. 31
2-2-3 سیستم کنترل مرکزی.. 32
2-3 سیستم هایی اندازه گیری و نمایشگر. 33
2-3-1 سیستم های اندازه گیری.. 33
2-3-1-1 منحنی SOC.. 34
2-3-1-2 سیستم مانیتورینگ… 36
۴-۲-1 معرفی سیستم مدیریت باتری A  : 37
2-4-1-1 بلوک اندازه گیری: 37
۲-۱-۴-۲ بلوک الگوریتم باتری: 38
۳-۱-۴-۲ بلوک تخمین قابلیت : 38
۴-۱-۴-۲ بلوک متعادل کننده سلول : 39
۵-۱-۴-۲ بلوک تشخیص خطای زمین : 39
۶-۱-۴-۲ بلوک مدیریت حرارت.. 39
۷-۱-۴-۲ بلوک CAN.. 40
۱-۲-۴-۲ بلوک اندازه گیری : 41
۲-۲-۴-۲ بلوک الگوریتم باتری.. 41
۳-۲-۴-۲ بلوک تخمین قابلیت : 43
۴-۲-۴-۲ بلوک متعادل کننده  سلول: 44
۵-۲-۴-۲ بلوک مدیریت دما  : 45
۳-۴-۲ معرفی سیستم مدیریت باتری C : 46
۱-۳-۴-۲  تشخیص پارامترهای باتری: 47
۲-۳-۴-۲ تخمین وضعیت باتری: 47
۳-۳-۴-۲ تشخیص بر روی برد ( DBD  ): 48
۴-۳-۴-۲ کنترل ایمنی باتری و آلارم: 48
۵-۳-۴-۲ کنترل شارژ: 49
۶-۳-۴-۲ تعادل باتری: 49
۷-۳-۴-۲ مدیریت دما: 49
۸-۳-۴-۲ شبکه: 49
۹-۳-۴-۲ ذخیره سازی اطلاعات : 50
۴-۴-۲ معرفی سیستم مدیریت باتری پیشنهادی : 51
۱-۴-۴-۲ بلوک تشخیص خطای زمین : 51
۲-۴-۴-۲ بلوک مدیریت دما : 51
۳-۴-۴-۲ بلوک اندازه گیری : 51
۴-۴-۴-۲ بلوک الگوریتم باتری: 52
۵-۴-۴-۲ بلوک تخمین قابلیت: 54
۶-۴-۴-۲ بلوک متعادل کننده سلول : 55
3-1 مقدمه. 57
3-2 خواص شیمیایی باطری: 58
3-2-1 باطری های یون لیتیوم: 58
3-2-1-1 اکسید کوبالت لیتیوم : 58
3-2-1-2 فسفات آهن لیتیوم : 59
3-2-1-3 اسپینل منگنز لیتیوم : 60
3-2-1-4 منگنز کوبالت – نیکل لیتیوم : 61
3-2-1-5  تیتانات لیتیوم : 61
3-2-2  کادیوم نیکل: 62
3-2-3  هیبرید فلز نیکل : 62
3-2-4 اسید سرب.. 63
3-3  جدول مقایسه: 64
3-4  مقایسات باطری های آینده: 65
3-4-1  هوای لیتیوم: 65
3-4-2  یون لیتیوم مبتنی بر سیلیکون : 65
3-4-3  باطری های جریان: 66
3-5  محاسبه عمر باطری: 66
3-6  انتشار چرخه حیات: 69
3-7  تعیین مشخصات ذاتی باطری: 70
3-8  تعیین دوره عملکرد: 70
3-9  خواص فیزیکی : 71
3-10  مقاومت داخلی باطری و میزان تغییرات آن با دما: 72
3-11  کاهش چرخه حیات با دما : 77
3-12   معرفی موتور جستجوگر PSO.. 78
3-12-1  الگوریتم PSO.. 78
3-13   مراحل اجرای الگوریتم PSO و فرمول بندی آن.. 80
4-1  مقدمه. 83
4-2  اطلاعات پس زمینه: 85
4-3  فضای طراحی: 87
4-4  هزینه باطری: 88
4-5 دامنه تمام الکتریک: 89
4-6  سرعت و شتاب حداکثری.. 91
4-7 طول عمر باطری: 94
4-8 انتشارCo2 در طول عمر: 96
4-9  تابع هدف: 97
4-10  نتایج نمونه: 99
4-11  اتومبیل فشرده: 99
4-12  کامیون های برقی: 103
4-13   اتومبیل ورزشی: 106
4-14   نتیجه گیری: 110
منابع.. 112
 
فهرست جدولها
عنوان                                                                                                                                      شماره صفحه
جدول (1-1) : سود خالص سالیانه مالک خودرو از V2G برای انواع خودرو و بازار در کالیفرنیا 9
جدول( ۱-2) : پیش فرض PHEV و اهداف باتری ( توسعه بلند مدت ) . 23
جدول (1-3) قیمت فعلی از باتری های لیتیوم یون.. 24
جدول (1-4) : عملکرد باتری معمولی برای کوتاه مدت ( ماشین متوسط ) . 26
جدول (2-1):مدارات ظرفیت… 30
جدول (2-2):مدارات ظرفیت -ولتاژ. 36
جدول (3-1) : مقایسه انواع باطری ها برای PHEV ها 64
جدول (3-2):پتانسیل گرم شدن جهانی از تولید باطری ها 69
جدول (3-3): مقایسه جرم باطری های مختلف… 72
جدول (3-4): مقاومت داخلی در دماهای بالا و پایین.. 74
جدول (4-1): محدوده های به کار گرفته شده برای بهینه سازی.. 86
جدول(4-2): قیمت به ازای هر سلول بدون در نظر گرفتن ظرفیت… 89
جدول (4-3): پارامتر های بهینه سازی به کار گرفته شده برای بهینه سازی اتومبیل فشرده. 100
جدول (4-4) پارامترهای استفاده شده برای بهینه سازی.. 101
جدول (4-5)مقدار وزن، حجم، حساسیت و مقدار مرجع برای مقادیر استفاده شده در بهینه سازی.. 101
جدول (4-6): اندازه پنجره SOC برای وضعیت شیمیایی باطری.. 102
جدول (4-7): عملکرد پیش بینی شده یک اتومبیل فشرده الکتریکی بهینه. 103
جدول (4-8): انتشار گاز گلخانه ای توسط منبع برای اتومبیل های فشرده الکتریکی بهینه. 103
جدول (4-9): مشخصه ها و وسایل نقلیه به کار گرفته شده برایبهینه سازی کامیون.. 104
جدول  (4-10) پارامترهای بهینه به کارگرفته شده برای بهینه سازی کامیون.. 105
جدول (4-11): باطری های بهینه و تناسب بهینه سازی کامیون.. 106
جدول (4-12): عملکرد پیش بینی شده کامیون های الکتریکی بهینه. 106
جدول (4-13): مشخصه های وسیله نقلیه و محدودیت های آن که برای بهینه سازی اتومبیل ورزشی… 107
جدول (4-14)  پارامترهای بهینه سازی به کارگرفته شده برای بهینه سازی اتومبیل های ورزشی… 109
جدول (4-15):  باطری های بهینه و تناسب حاصل از بهینه سازی اتومبیل های ورزشی… 109
 
 
 
فهرست شکلها
عنوان                                                                                                                                      شماره صفحه
شکل(1-1):ساختار نهادی اجرایی پیشنهادی.. 17
شکل (1-2) : تکاملی از چگالی انرژی ( لیتر / وات ساعت ) باتری های لیتیوم یون، در مقایسه با فن آوری NICD و NiMH   21
شکل (1-3) تکامل قیمت بسته باطری لیتیوم یون برای PHV40 از 2010 تا 2020. 25
شکل(2-1):بلوک سامانه مدیریت باطری.. 30
شکل(2-2):بلوک دیاگرام BMS 37
شکل(2-3):سیستم مدیریت باطری.. 40
شکل (2-4)  بلوک مدیریت دما 45
شکل (3-1) : طرح هایی از ولتاژ در تخلیه 2C در دماهای بالا و پایین.. 73
شکل (2-3): طرح ولتاژ- جریان برای نمونه باطری Li-NCN در طول چرخه وظیفه دمای اتاق.. 75
شکل (3-3):طرح ولتاژ- جریان برای باطری اسید سرب سلول مارپیچی در طول چرخه وظیفه دمای پایین.. 75
شکل (3-4):طرح ولتاژ- جریان برای باطری سرب- قلع در طول یک چرخه وظیفه دمای پایین.. 76
شکل (3-5):طرح ولتاژ- جریان برای باطری کادیوم نیکل در طول یک چرخه وظیفه دمای پایین.. 76
شکل (3-6): ولتاژها و جریان از باطری اسید سرب سلول ماپیچی در طول زمان در آزمایش جریان خطی… 77
شکل (4-1): نمودار بلوکی ابزار بهینه سازی.. 84
شکل (4-2): دامنه تمام الکتریک ویژه برای جرم های وسیله نقلیه متفاوت… 90
شکل( 4-3): تغییر تابع هدف با وزن.. 98
شکل( 4-4): تغییر تابع تناسب با حساسیت… 99
 
 
چکیده:
این پایان نامه به دنبال ارزیابی باطری هایی است که در حال حاضر در بازار موجود هستند و برای استفاده در خوردروهای هیبریدی مناسب می باشند.  ایجاد روشی برای تعیین باطری های مقدار بهینه برای یک وسیله نقلیه معین از اهداف اصلی این پایان نامه می باشد.
8 نمونه باطری ارزیابی می شوند و نتایج بدست آمده برای اطلاع رسانی در یک الگوریتم بهینه سازی استفاده شده است. نتایج این بهینه سازی مطابق با گرایشات فعلی در PHEV ها می باشند که نشان می دهند برنامه صحیح است. ابتدا ساختار شیمیایی تشکیل دهنده باطری ها مورد مطالعه قرار گرفته اند و آنهایی که مناسب برای کاربردهای خوردروهای هیبریدی متصل به شبکه می باشند توسط الگوریتم بهینه سازی PSO انتخاب و برای چند نمونه خودرو طراحی شده اند. هدف بهینه سازی یافتن یک مقدار اندازه حداکثری از تابع هدف می باشد. فضای طراحی با حدود کاربرد مشخصی بر اساس هزینه و از حجم و ولتاژ باطری تعریف می شود. ابزار بهینه سازی در MATLAB کد گذاری می شود.
علاوه بر آن یک روش طراحی مقدار باطری و محاسبه طول عمر آن و همچنین هزینه تمام شده خوردرو انجام شده است که در پایان به آن پرداخته می شود.
 
 
 
فصل اول
مقدمه و کلیات
 
1-1 مقدمه
توسعه پایدار بدون حفظ و نگهداری صحیح محیط زیست میسر نخواهد بود و به همین دلیل، به کار گیری فناوری های سبز یکی از الزامات آتی صنعت خواهد بود. چرخ صنعت بدون انرژی نخواهد گردید و آنچه بیش از پیش به نگرانی های بین المللی در زمینه انرژی دامن زده است، محدود بودن منابع سوخت های فسیلی است.
تولید برق با بهره گرفتن از انرژی های تجدید پذیر می تواند به عنوان خط مقدم جبهه ی مبارزه با تخریب محیط زیست تلقی شود. از طرفی دیگر، صنعت حمل و نقل نیز در تصویر سازی آینده ی نه چندان دور خود به دنبال جایگزینی خودروهای متعارف با خودروهای الکتریکی است. مطابق آنچه پیش بینی شده است، تعداد خودروهای الکتریکی که قابلیت شارژ شدن از پریز های معمولی را دارند تا سال 2017 به 2/5 میلیون خودرو خواهد رسید. ورود گسترده خودروهای الکتریکی به بازار، پیوند نامسبوقی میان دو صنعت برق و حمل و نقل پدید خواهد آورد و اکنون این صنعت برق است که باید از هم اکنون آمادگی های لازم برای پذیرش چنین تغییراتی را داشته باشد. تغییراتی که در صورت مدیریت و برنامه ریزی نادرست می تواند به یک چالش برا ی صنعت برق تبدیل شده و در مقابل، در صورت ایجاد یک چارچوب اجرایی صحیح، به عنوان یک فرصت شناخته شود.
مفهومی که در ادبیات علمی امروز از آن به اتصال خودرو به شبکه یا به اختصار V2G تعبیر می شود، جز یک همکاری از نوع برد–برد میان حوزه حمل و نقل و حوزه تامین انرژی الکتریکی نیست، که اجرای بهینه ی آن نیازمند جاسازی قطعه ی جدیدی به نام خودروهای الکتریکی در پازل پیچیده ی صنعت برق است.
هم اکنون خودروهای الکتریکی وارد بازار حمل و نقل جاده ای شده اند و زیر ساخت های لازم برای پیاده سازی V2G نیز در آینده ای نزدیک فراهم خواهد آمد. شاید آنچه غیبتش در این میان بیشتر به چشم آید، عدم یک برنامه اجرایی منسجم برای عملی ساختن مفهوم V2G است. علی رغم تلاش های اخیری که در این مورد صورت گرفته است، هنوز نقاط مورد ابهام بسیاری وجود دارند که تردید هایی را در چگونگی اجرای این پروژه فرا روی ذهن مدیران و مهندسان صنعت برق قرار می دهند.
برای پیاده سازی V2G باید نهادهای مختلفی درگیر این امر شوند که در این فصل در قالب هفت مجموعه تحت چارچوب « ساختار نهادی اجرایی V2G » دسته بندی شده اند. در این فصل به معرفی این نهاد ها و نقش هر کدام در اجرای طرح اتصال خودرو به شبکه در ایران پرداخته شده است.
1-2 تعریف و معرفی انواع خودروهای الکتریکی
فناوری خودروهای الکتریکی اولین بار توسط پورشه ابداع گردید اما اولین خودروی هیبرید با قابلیت اتصال به پریز برق را شرکت جنرال موتورز در اواخر دهه 1960 معرفی کرد و بدین ترتیب آغاز PHEV را می توان به آن زمان مربوط دانست. « خودروی الکتریکی » به خودرویی اطلاق می شود که از موتور الکتریکی برای تامین همه یا بخشی از توان مکانیکی لازم برای حرکت خودرو استفاده نماید. سه نوع خودروی الکتریکی را معرفی می کنیم که برای بحث اتصال خودرو به شبکه به کار می آیند :خودروی باتری دار، خودروی پیل سوختی و خودروی هیبریدی.
خودروهای باتری دار انرژی  را به صورت الکتروشیمیایی در باتری ها ذخیره می نمایند. از آنجایی که این خودروها باید برای شارژبه شبکه وصل شوند، هزینه های اضافی برای پیاده سازی V2G در مورد این خودروها ناچیز است. خودروی باتری دار فاقد آلایندگی است و بازدهی بسیار بالایی دارد. اما قیمت تمام شده خودرو بالا بوده و مسافت اندکی را با یک بار شارژ طی می نماید. به دلیل وزن بالای باتری، باید آلیاژهای سبک در ساخت آن استفاده گردد و در ضمن نیاز به نصب سیستم شارژ باتری در منازل یا محل های پارک این خودرو وجود دارد.
خودروهای پیل سوختی انرژی را در قالب هیدروژن ذخیره می نمایند که از طریق ترکیب با اکسیژن جو در یک پیل سوختی، تولید برق می نماید. مشکلاتی مثل ذخیره هیدروژن و تلفات تبدیل انرژی باعث پرهزینه شدن این نوع خودروها گردیده است. برای استفاده در بحث V2G، برق تزریقی به شبکه از پیل سوختی به دست می آید که توسط ادوات الکترونیک قدرت به برق متناوب 50 یا 60 هرتز تبدیل می گردد. آلایندگی این خودرو نیز در حد صفر است و بازدهی 50 تا 60 درصدی و طی مسافت زیاد از سایر مزایای این نوع خودروها محسوب می شود. هر چند قیمت تمام شده این خودرو نیز بالاست و نیاز آن به ایجاد جایگاه های تامین سوخت هیدروژن نیز از جذابیت های استفاده از این خودرو کاسته است.
تعداد صفحات:121