Výzkum a vývoj vodíkového autobusu

Projektový tým ústavu:

Popis projektu:

Cílem projektu je vyvinout a postavit prototyp vodíkového autobusu s palivovým článkem s výkonem palivového článku 30 – 70kW, který by vhodně doplňoval budoucí flotilu lokálně bezemisních vozidel. Projekt se bude zabývat aplikací vodíkové technologie na stávající řešení elektrobusového pohonu, dále bude řešit modernizací ostatních skupin vozidla, zejména tepelné čerpadlo jako zdroj tepla a chladu pro klimatizaci autobusu, s cílem minimalizovat jejich vliv na životní prostředí a volbou velikosti palivového článku, řídícího systému a trakčních baterií s cílem optimalizovat provozní náklady. Parametry vodíkového autobusu by měly zajišťovat plnou konkurenceschopnost na zahraničních trzích. Výsledek povede ke snížení emisí z dopravy ve městech.

Fakulta strojní je v projektu zapojená jako další účastník, hlavním příjemce je firma SOR Libchavy spol. s r.o.

vlevo – Měření vlastností LTO článku, vpravo  – Ukázka výstupů simulačního modelu

Aktuálně pracujeme ve spolupráci s Ústavem Termomechaniky Akademie věd ČR na simulačním modelu, který návrhářům hybridního autobusu dovolí předem spočítat potřebné parametry.

Model vodíkového autobusu je implementován ve výpočetním prostředí MATLAB/Simulink, aktuálně ve verzi R2022a. S přenosem modelu do novější verzí výpočetního prostředí nebo naopak s exportem do přiměřeně starších verzí doposud nebyl žádný problém. Simulační program aktuálně ke svému spuštění vyžaduje prostředí MATLAB/Simulink, samostatný „zkompilovaný“ program ve formě uživatelsky přívětivého softwaru nebyl vytvářena a není v této fázi projektu potřebný.

Náš simulační  software je k dispozici i dalším zájemcům, jako autorizovaný software, po uzavření smlouvy o poskytnutí licence.

Simulační program je tvořen těmito základními součástmi:

• funkce a skripty ve formátu MATLAB (.m soubory)
  • tyto obsahují i provozní parametry jednotlivých součástí modelu, důležité konstanty či převodní koeficienty
• vstupní data modelu (.mat soubory, .xls / .csv soubory)
  • především rozsáhlejší parametry baterie vzešlé z měření či z dřívějších simulací; požadovaný profil rychlosti a sklonu dráhy během trasy simulovaného autobusu
• vlastní model autobusu ve formátu Simulink (.slx soubor)
  • rovněž obsahuje některé vnitřně nastavitelné parametry simulace, obzvláště pro potřeby testování různých variant či alternativ
  • Jako subsystémy zahrnuje mechanický model autobusu, model elektromotoru, model palivového článku, předběžný model baterie.

Vstupem modelu jsou následující parametry a data:

• požadovaný profil (časový průběh) rychlosti autobusu společně se sklonem trasy
• počet článků akumulátoru
• místní gravitační zrychlení, hustota vzduchu
• koeficient aerodynamického odporu, čelní plocha autobusu, hmotnost autobusu, poloměr kol, koeficient valivého odporu
• mechanické vlastností autobusu (převodní poměry v převodovce, účinnost převodovky, momenty setrvačností,… )
• elektrické vlastnosti motoru (kroutící moment, provozní napětí a proud, omezení napětí a proudu,…)
• kapacita vodíkových palivových nádrží a míra jejich naplnění
• hmotnost systému palivového článku
• provozní parametry palivového článku (maximální a minimální výstupní napětí a proud, minimální a maximální výkon dodávaný článkem v provozu, maximální tempo změn výkonu)
• voltamperová charakteristika palivového článku
• wattamperová charakteristika palivového článku (závislost výstupního elektrického výkonu na proudu)
• wattamperová charakteristika palivového článku (závislost ztrátového tepelného výkonu na proudu)
  • jak pro nový palivový článek, tak pro článek na konci své životnosti
• závislost efektivity palivového článku na jeho provozních parametrech (poměr výstupního elektrického výkonu a chemické energie spotřebovaného vodíkového paliva)
• bezpečnostní rezerva vodíku (zbytkový objem vodíku, při kterém se palivový článek vypne)

Výstupem modelu jsou časové průběhy veličin

 Globálně

–          Výpočet všech veličin pro zadaný jízdní cyklus (aktuálně SORT2 nebo jízda konstantní rychlostí)

Model trakčního motoru

–          proudy id, iq, momentu a otáček

–          ztráty v mědi, v železe, mechanické ztráty, celkové ztráty v motoru

–          účinnost

–          fázové proudy

Frekvenční měnič (použití tohoto podmodelu výrazně zpomaluje celkový model, protože se počítají skutečně generované PWM pulzy pro celý zadaný jízdní cyklus)

–          ztráty na jednotlivých tranzistorech (zvlášť spínací ztráty při zapínání a vypínání tranzistorů a vodivostní ztráty)

–          celkové zapínací, vypínací a vodivostní ztráty v jednotlivých fázích

–          celkové ztráty měniče

Regulace trakčního motoru

–          hledání optimálního proudu id pro snížení ztrát v motoru pro zadaný moment a rychlost

–          výpočty proudů id, iq

–          odbuzovací regulátor

–          regulátor rychlosti vozidla

Převodovka

–          účinnost

–          ztráty na převodovce

Model pohybu busu

–          trakční síla

–          ztráty od aerodynamického odporu, valivého odporu, stoupání

–          rychlost a poloha vozidla

Akumulátor (lze na jednotlivém článku nebo na celém akumulátoru)

–          stav nabití

–          odebraná energie

–          napětí

–          ztráta na baterii

Palivový článek

• ztrátový elektrický a tepelný výkon na palivovém článku
• proud, napětí a výkon poskytované palivovým článkem
• spotřeba vodíku, stav naplněnosti palivových nádrží
• model simuluje spotřebu při jízdě, nesimuluje tankování vodíku ani případné úniky
• účinnost palivového článku (poměr výstupního elektrického výkonu a chemické energie spotřebovaného vodíkového paliva)
• celková spotřeba vodíku
• elektrická energie spotřebovaná z baterie a z vodíku
• vzhledem k opakovanému dobíjení baterie během jízdy může být elektrická energie spotřebovaná z baterie mnohem vyšší než je její kapacita
• celkové teplo uvolněné ztrátami z palivového článku
• celková energie použitá k dobíjení baterie rekuperací či přebytečným výkonem palivového článku
• zbývající kapacita baterie na konci jízdy

Řízení mezi akumulátorem a palivovým článkem

• požadavky výkonu na jednotlivé části modelu, tj. palivový článek, baterii, systém odvodu tepla.

(Rozdělení výkonu požadovaného motorem mezi jednotlivé subsystémy)