SUPERVISOR
Mohsen Esfahanian,Mostafa Ghayour,Saeed Behbahani
محسن اصفهانیان (استاد راهنما) مصطفی غیور (استاد مشاور) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Ehsan Katani
احسان کتانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Design and Simulation of a hybrid fuel cell vehicle with energy management strategy
Environmental pollution and reduction of fossil fuel resources are main concerns that effect human life today and in future. The results of studies show that the vast majority of pollutants emitted into the atmosphere and also the amount of consumed fossil fuel are related to traort vehicles and cars. Excess growth of vehicle traffic and reducing the speed of vehicles in urban areas has greatly led to increasing fuel consumption. Energy crisis and environmental pollution problems especially in large cities had encouraged automakers to replace internal combustion engines with hybrid vehicles. Zero-emission fuel cell hybrid vehicles are one of the options for achieving this goals. In this project, fuel cell-battery hybrid power train is designed, simulated and implemented on platform of the Samand vehicle. Based on the performance of the Samand passenger car, the power share of the fuel cell, batteries and electric traction motor are determined and the components that are needed for the propulsion system have been selected. The power need for auxiliary components is also considered. The vehicle is modeled in Matlab-Simulink software. Platform characteristics of the Samand vehicle and selected components have been added to the model in Advisor software. Power control system is designed based on fuzzy logic rules. Power control system will work based on distribution of power between fuel cell and batteries in different driving condition. In addition, modified fuzzy controller and dynamically focused learning method are used for learning and optimizing the input gain of the main fuzzy controller based on retaining the SoC of the batteries. The vehicle is simulated in UDDS, FTP, HWFET, Tehran and combined standard drive cycles in Advisor software. Results demonstrate that a new hybrid system that designed for the Samand platform has better fuel consumption than the Samand with IC engine or the Samand with only fuel cell propulsion. In addition, the results of the hybrid model are compared with that of IC engine models of the same vehicle in terms of dynamic property like gradeability and acceleration. It was also found that modified controller is able to retain SoC of the batteries during each drive cycle in simulation. Therefore, vehicle does not need electricity grid for charging the batteries. In addition, the proposed vehicle with modified controller that charges the batteries during the drive cycle is compared with plugin vehicle without this controller in terms of well to wheel efficiency, energy consumption, charging time of the batteries, fuel cost and pollution. Results show that automatic rechargeable hybrid vehicle has more well to wheel energy consumption than hybrid vehicle with plugin ability. In addition, it was found that hybrid vehicle with plugin ability has less fuel cost and emissions in urban drive cycles than automatic rechargeable hybrid vehicle. In contrast, automatic rechargeable hybrid vehicle has less fuel cost and emissions in highway and combined drive cycles. Also, charge time of the batteries was investigated and it was found that the time for charging the batteries is reasonable for consumers. Finally, conditions and requirements for positioning of the hybrid components in vehicle was investigated and suitable placement of selected components is done for the Samand platform. Key Words: Hybrid vehicles, Fuel cell, Vehicle design, Fuzzy controller, Advisor software, Dynamically Focused Learning
آلودگی محیطزیست و کاهش منابع سوخت فسیلی از جمله مشکلاتیاند که آینده بشر را به مخاطره انداختهاند. نتایج مطالعات صورت گرفته نشان میدهد که بخش اعظم آلایندههای وارد شده به جو و نیز میزان سوخت فسیلی مصرف شده، ناشی از ادوات حمل و نقل و خودروهاست، که سهم عمده آنرا خودروهای احتراق داخلی تشکیل میدهند. رشد فزایندهی استفاده از وسایل نقلیه و افزایش ترافیک و کندشدن سرعت متوسط وسایل نقلیه در داخل شهرها باعث شده است که مصرف سوخت شدیدا افزایش یابد. بحران های روزافزون انرژی و مشکلات مربوط به آلودگی محیط زیست به خصوص در کلان شهرها باعث شده است که خودروسازان، توسعه و تجاریسازی خودروهای هیبریدی را به عنوان جایگزینی برای خودروهای احتراق داخلی بدانند. در این میان خودروهای هیبریدی پیلسوختی با داشتن آلودگی صفر یکی از گزینههای مناسب برای رسیدن بدین اهداف است. در این پایاننامه از شاسی خودروی سمند برای طراحی یک خودروی هیبرید باتری و پیلسوختی استفاده شده است. با توجه به طراحی انجامشده قطعات مورد نیاز برای پیشرانهی هیبریدی خودرو انتخاب شدهاند. سپس خودرو در نرمافزار سیمولینک متلب مدل شده و مشخصات شاسی خودروی سمند و قطعات انتخاب شده به مدل مربوطه اضافه شده است. سیستم کنترل توان خودرو برمبنای قواعد فازی طراحی شده است. این سیستم بر مبنای توزیع توان بین منابع تامین توان یعنی باتری و پیلسوختی در شرایط رانندگی مختلف عمل خواهد کرد. همچنین جهت نگهداشتن شارژ باتری از یک کنترلکننده فازی اصلاح کننده شارژ باتری و روش DFL به عنوان آموزش کنترلر فازی برای بهینه کردن ورودی کنترل فازی استفاده شده است. خودروی مدلشده در سیکلهای حرکتی استاندارد UDDS، FTP، HWFET، سیکل تهران و یک سیکل ترکیبی توسط نرمافزار Advisor شبیهسازی شده است. نتایج مربوطه نشان میدهد که خودروی هیبرید طراحی شده برای شاسی سمند دارای مصرف سوخت مناسبتری نسبت به خودروی سمند با موتور احتراق داخلی و یا پیشرانه پیلسوختی است و از لحاظ شرایط دینامیکی خودرو نظیر شتاب و شیبپیمایی قابل رقابت با خودروی سمند معمولی است. همچنین مشخص شد که کنترلکننده اصلاح شارژ باتری نیز توانایی بازگرداندن شارژ باتری را در طی شبیهسازی در هر سیکل دارد و از این نظر وابستگی خودرو برای شارژ مجدد باتری توسط برق شبکه نیز از بین میرود. خودروی طراحی شده از لحاظ مصرف سوخت، هزینه سوخت، آلودگی تولیدی، بازده چاه تا چرخ آن با خودروی بدون کنترلر اصلاح شده با قابلیت اتصال به برق نیز مقایسه شده است. نتایج نشان داد که خودروی هیبرید با قابلیت شارژ خودکار دارای مصرف انرژی چاه تا چرخ بیشتری نسبت به خودروی هیبرید با قابلیت اتصال به برق است. از طرفی مشخص شد که در سیکلهای شهری خودروی هیبرید با قابلیت اتصال به برق دارای هزینه سوخت و انتشار گازهای آلاینده کمتری است. در مقابل در سیکلهای بزرگراهی و ترکیبی خودروی هیبرید با شارژ خودکار دارای هزینه سوخت و انتشار گازهای آلاینده کمتری میباشد. همچنین زمان لازم برای اختلاف شارژ باتری نیز بررسی شد و مشخص گردید که این زمان مقدار معقولی برای مصرفکننده است. در پایان پس از بررسی الزامات جانمایی قطعات هیبرید براساس قطعات انتخاب شده برای خودروی سمند هیبرید جانمایی مشخصی برای قطعات در شاسی خودروی سمند انجام شده است. واژههای کلیدی: 1- خودروهای هیبریدی 2- پیلسوختی 3- طراحی خودرو 4- کنترلفازی 5- نرمافزار Advisor