بخشی از مقاله
خلاصه
پیلسوختی پلیمری یک منبع انرژی پاک میباشد. امروزه تحقیقات بر روی منابع جایگزین سوختهای فسیلی برای تولید توان اهمیت فراوانی دارد. پیلسوختی پلیمری چگالی انرژی بیشتر و چگالی توان کمتری نسبت به باتری دارد. بنابراین برای افزایش پایداری بدون کاهش حداکثر توان، پیلسوختی با باتری ترکیب میگردد. به طور معمول برای ترکیب این دو سیستم از مبدلهای DC-DC استفاده میشود. این مبدلها منجر به افزایش هزینه، سایز، وزن و کاهش بازده سیستم می- گردند.
در این مقاله مداری برای سیستم هیبریداسیون پیل سوختی پلیمری و باتری ارائه گردیده است. بنابراین مبدل از مدار هیبریداسیون حذف شده است. حذف مبدل DC-DC منجر به افزایش بازده سیستم و کاهش هزینه شده است. صحت عملکرد مدار هیبریداسیون از طریق شبیهسازی و پیادهسازی عملی محک زده شده است و عملکرد موفق مدار مورد تایید قرار گرفته است.
.1 مقدمه
افزایش تعداد وسایل نقلیهای که از سوخت فسیلی به عنوان منبع سوخت، استفاده میکنند، دلیل اصلی آلودگی شهرهاست. افزایش بیرویه نرخ استفاده از سوختهای فسیلی، جهان را با بحران کاهش منابع نفتی روبهرو کرده است .[1] یکی از راههای مواجه با این بحران استفاده از خودروهای الکتریکی است. این خودروها از توان الکتریکی به عنوان محرکه استفاده میکنند 2]و.[3 پیل سوختی یکی از منابع الکتریکی موثر و قابل اطمینان است. در مقایسه با انواع مختلف پیل سوختی، پیل سوختی پلیمری به دلیل چگالی توان بالا و دمای کارکرد پایین، بهترین کاندیدا برای کاربرد در وسایل نقلیه میباشد .[4]
پیل سوختی پلیمری به دلیل مزایایی از قبیل: آلودگی کم، بازده بالا، شروع به کار سریع و نویز کم برای استفاده در ماشینها، اتوبوسها، قایق موتوری و کشتیها مناسب میباشد .[5] در دهه اخیر مطالعه در زمینه استفاده از پیل سوختی پلیمری برای وسایل آبپیما بسیار مورد علاقه و توجه بوده است. مزایایی از قبیل آلودگی کم، صدای کم، انتشار گازهای گلخانهای کم و بازده بالا منجر به کاربردهای متنوع پیل سوختی پلیمری در قایقها و کشتیها شده است .[6]
استفاده از باتری و ابرخازن به صورت ترکیبی با سیستم پیل سوختی، عملکرد و بازده پیل سوختی را افزایش میدهد. باتری قابلیت شارژ و دشارژ چگالی زیادی از انرژی را دارد ولی ابرخازن بیشتر برای شارژ و دشارژ سریع استفاده میشود .[7] در سیستمهای با منبع تولید توان پیل سوختی، برای رساندن سطح ولتاژ به سطح ولتاژ مطلوب برای منابع انرژی از مبدل قدرت استفاده می-شود .[8] استفاده از مبدل قدرت موجب کاهش بازده سیستم کلی میگردد. در مرجع [9] کنترل غیر خطی سیستم هیبرید پیلسوختی به همراه باتری و ابرخازن ارائه گردید که به دلیل پیچیدگی کنترلر از لحاظ پیادهسازی عملی بسیار دشوار میباشد.
در [10] به موضوع حذف مبدل از سیستم هیبرید پرداخته شده است، سیستم ارائه شده در [10] به دلیل تجهیزات زیاد دارای هزینه پیادهسازی بالایی بوده و البته پیادهسازی عملیاتی نشده تا صحت بازده ادعا شده تایید گردد. در این مقاله سیستم هیبرید پیل سوختی پلیمری و باتری اسید سرب برای تأمین توان مورد نیاز یک موتور قایق ارائه شده است. سپس سیستم ارائه شده با پیادهسازی عملیاتی مورد محک قرار گرفته است. در این مقاله با حذف مبدل از سیستم هیبریداسیون، بازده سیستم افزایش و هزینه آن کاهش پیدا کرده است و نتایج تست عملی گزارش شده است.
.2 مدلسازی
.1-2 مدلسازی پیلسوختی
مدل دینامیکی پیلسوختی پلیمری برای پیشبینی و ارزیابی رفتارش در شرایطهای متفاوت ضروری میباشد. داخل پیلسوختی افت ولتاژهایی وجود دارد که سبب میگردد ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ داخلی باشد. افت ولتاژ اهمی، افت ولتاژ فعالسازی و افت ولتاژ ناشی از غلظت از جمله مهمترین افت ولتاژهای داخل پیلسوختی میباشند .[11] افت ولتاژ فعالسازی Uact از دو بخش تشکیل میشود. بخش اول تحت تاثیر دمای پیلسوختی میباشد. بخش دوم به جریان بستگی دارد. Ract مقاومت فعالسازی، Ilimit محدوده جریان پیلسوختی برحسب آمپر و z تعداد پروتونهای شرکتکننده در تولید توان پیلسوختی می-باشد
.2-2 سیستم هیبرید
سیستم پیلسوختی به تغییرات بار حساس است بنابراین مدار هیبریداسیون باید توانایی آن را داشته باشد که تغییرات بار را که در سیستم اجتناب ناپذیر است، از سایر منابع انرژی - باتری - تامین نماید. بلوک دیاگرام سیستم هیبریداسیون پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود پیلسوختی با یک مدار سوییچ با باتری موازی شده و در نهایت به بار وصل میشود. از آنجا که باتری همواره در مدار قرار دارد و هیچگاه از بار جدا نمیگردد، دینامیک بار همواره توسط باتری تامین میگردد و همچنین قابلیت اطمینان سیستم بالا رفته و توان بار تحت هیچ شرایطی قطع نمی-گردد. مدار ارائه شده برای تحقق بلوک دیاگرام فوق در شکل 2 آورده شده است.
در مدار شکل بالا دیود D1 برای جلوگیری از بازگشت جریان به پیلسوختی استفاده میشود؛ دیود D2 نقش دیود اسنابر را برای سلف L1 بازی میکند. بدین صورت که وقتی کلید SW1 قطع شد، جریان سلف L2 از این دیود عبور کرده و مانع از افزایش ناگهانی ولتاژ سر کلید میشود؛ در نتیجه از سوختن کلید جلوگیری به عمل میآید. خازن C1 نقش فیلتر را برای پیل-سوختی دارد و مانع از انتقال نویز جریان سوییچ به پیلسوختی میگردد. ظرفیت این خازن بر اساس ماکزیمم جریان نویز قابل تحمل توسط پیلسوختی و اندازهی سلف و فرکانس کلیدزنی SW1 تعیین میشود. باید توجه داشت که برای محافظت از کلید در هنگام قطع باید اثر سلفی ناچیزی داشته باشد. خازن C2 خازن بار بوده و مشخصات آن با توجه به بار تعیین میگردد.
