طراحی، مدل سازی و کنترل یک سیستم پیشرانش هیبریدی پیل سوختی–الکتریکی مستقل از هوا

در محیط هایی که شرایط محدود کننده مانع از بکارگیری هوا در سیستم پیشرانش شده است، از منابع انرژی مستقل از هوا استفاده می شود. در این منابع اکسیژن خالص جایگزین هوای محیط شده است. ضعف در تکنولوژی، افزایش فضای اشغال شده، زمان کارکرد کوتاه و امکان رهگیری مجموعه پیشران سبب شده است تا رویکرد جدیدی جهت تأمین توان الکتریکی سیستم های پیشران مستقل از هوا بوجود آید. از این رو در جدیدترین پژوهش ها، از مجموعه های هیبرید پیل سوختی-باتری برای تامین توان الکتریکی پیشرانه های مستقل از هوا استفاده شده است. در سیستم های هیبرید، کنترل پارامترهای موثر بر منابع انرژی، از میان برداشتن محدودیت های آنها و افزایش توان، بازده و زمان کارکرد مجموعه انرژی میّسر شده است. علاوه بر این ایمنی، بازده، عدم وجود قطعات متحرک، تامین شرایط محدودیت دسترسی به هوای محیط و دمای کاری پایین از جمله بارزترین قابلیت هایی است که در سیستم های پیل سوختی پلیمری مستقل از هوا مورد توجه قرار گرفته است. در این پایان نامه مدلی جامع از سیستم هیبرید پیل سوختی-باتری مستقل از هوا ارائه شده است. در این مجموعه (بوسیله نرم افزار سیمولینک متلب) مدلی کلی و دینامیک از پیل سوختی پلیمری مستقل از هوا ارائه می شود. علاوه بر این، برای باتری لیتیوم آیون از مدل پیش فرض نرم افزار سیمولینک متلب استفاده شده است.جهت مدل سازی مجموعه پیل سوختی، دو مدل از سیستم پیل سوختی ارائه می شود. در مدل اول از هوا و هیدروژن و در مدل دوم از اکسیژن و هیدروژن به عنوان مواد واکنش دهنده استفاده شده است. در مدل دوم شیر کنترل دبی جرمی اکسیژن جایگزین کمپرسور هوا شده است. در این مدل از شیرخالص ساز جهت مطابقت فشار های آند و کاتد، افزایش عمرکاری، کنترل نرخ های استوکیومتریک و افزایش زمان کارکرد مجموعه پیل سوختی استفاده شده است. در نهایت با توجه به زیر سیستم های ارائه شده و طراحی، مدلسازی و تدوین استراتژی کنترل مناسب برای سیستم پیشرانش هیبرید پیل سوختی– باتری مستقل از هوا، مدلی جامع از مجموعه هیبرید طراحی شده است. بوسیله تعبیه واحد کنترل هیبرید، منابع انرژی با توان الکتریکی درخواست شده در ارتباط قرار گرفته اند. در این واحد بر اساس حالت شارژ باتری، بازده پیل سوختی و مقایسه توان الکتریکی درخواستی با توان الکتریکی پیل سوختی، میزان توان الکتریکی برداشت شده از منابع انرژی مشخص می شود. در مدل طراحی شده (بر اساس توان درخواستی از مجموعه هیبرید) اثرگذاری و اثرپذیری کلیه پارامترها بر روی یکدیگر قابل مشاهده و بررسی می باشد. از این رو بر اساس مدل طراحی شده تغییرات پارامترهای فشارهای آند و کاتد، فشارهای جزئی اکسیژن و هیدروژن و بخارآب، رطوبت نسبی، نسبت رطوبت، جریان و ولتاژ الکتریکی و غیره به صورت دینامیکی رهگیری شده اند. در طی این فرآیند باتری در حالت عملیاتی قرار گرفته و بازده پیل سوختی در مقادیر فراتر از 53% نگهداری شده است. اعتبارسنجی بر اساس مدل استک پیل سوختی (به عنوان قلب سیستم) با هوای ورودی به کاتد انجام شده است. تأیید نتایج این مدل در قالب حالت های پایا و دینامیک، حاکی از الگوریتم صحیح استفاده شده برای مدل می باشد. بدلیل تاثیر پارامتر های مختلف ترمودینامیکی، الکتریکی و کنترلی بر روی نتایج خروجی و گستردگی مدل طراحی شده، اختلاف محدودی میان نتایج بدست آمده از مدل سازی و نتایج مرجع دیده شده است.