Μέθοδοι αποδοτικής διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων
Authors: Μήλας Νικόλαος 
Published: October 2023

Το συνεχές ενδιαφέρον που σχετίζεται με το έξυπνο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και τα ηλεκτρικά οχήματα έχει πυροδοτήσει εντατική έρευνα για νέες τεχνολογίες και πρακτικές αποδοτικής διαχείρισης της ηλεκτρικής ενέργειας. Δομικά στοιχεία των έξυπνων δικτύων και των ηλεκτρικών οχημάτων αποτελούν οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές. Συνεπώς, η εύρεση μεθόδων για την αποδοτική διαχείριση της ενέργειας των συσσωρευτών είναι ιδιαίτερης σημασίας.Μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η πρόταση μεθόδων αποδοτικής διαχείρισης της ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας αφορά την ανάπτυξη ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και αλγορίθμων με σκοπό τη διαχείριση της ενέργειας κάθε συσσωρευτή, ώστε να διασφαλιστεί ότι αυτός λειτουργεί κατά το βέλτιστο δυνατό τρόπο, εντός των προδιαγραφών που τίθενται από τον κατασκευαστή. Ο δεύτερος άξονας της διδακτορικής διατριβής αφορά τη διαχείριση της ενέργειας συσσωρευτών σε υψηλό επίπεδο, μέσα από την πρόταση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού φόρτισης και υποβοήθησης λήψης αποφάσεων για την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των οδηγών.Το ρόλο της διαχείρισης της ενέργειας των μεμονωμένων κελιών επιτελούν τα Συστήματα Διαχείρισης Συσσωρευτών (ΣΔΣ), που είναι ευρέως γνωστά με την αγγλική ορολογία Battery Management Systems (BMS). Τα BMS επιτελούν διττό ρόλο. Αφενός μεν επιτηρούν την κατάσταση των συσσωρευτών μέσω της συλλογής και επεξεργασίας μετρήσεων, αφετέρου δε, πραγματοποιούν εξισορρόπηση της στάθμης φόρτισής τους, ώστε να αποφεύγονται καταστάσεις υπερφόρτισης και υποφόρτισης που μπορεί να οδηγήσουν σε ραγδαία φθορά του συσσωρευτή.Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή θεωρείται ότι η συστοιχία των συσσωρευτών χωρίζεται σε ομάδες των οκτώ συσσωρευτών. Συνεπώς, η εξισορρόπηση της ενέργειας πραγματοποιείται σε δύο επίπεδα, εσωτερικά κάθε ομάδας και μεταξύ των ομάδων. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών εντός μιας ομάδας, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε κελί (Module-to-Cell), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Flyback. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας μεταξύ των ομάδων συσσωρευτών, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε ομάδα (Module-to-Module), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Quasi-resonant Flyback. Κατά την ανάλυση των υπό διερεύνηση τοπολογιών εξάγονται αναλυτικές εξισώσεις για όλα τα μεγέθη που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία του κάθε μετατροπέα, λαμβάνοντας υπόψη τις μη ιδανικότητες των στοιχείων που τον απαρτίζουν, ώστε να εξαχθεί με ακρίβεια το σημείο λειτουργίας αυτού. Έπειτα, πραγματοποιείται μοντελοποίηση των απωλειών στα επιμέρους στοιχεία του μετατροπέα. Στη συνέχεια, εκτελείται μετα-ευρετικός αλγόριθμος βελτιστοποίησης, πιο συγκεκριμένα ο Γενετικός Αλγόριθμος (Genetic Algorithm, GA), προκειμένου να εξαχθούν οι τιμές των στοιχείων του μετατροπέα που μεγιστοποιούν την απόδοση. Στο τελικό στάδιο, πραγματοποιείται η κατασκευή εργαστηριακών πρωτοτύπων των ηλεκτρονικών μετατροπέων και η πειραματική αξιολόγηση των θεωρητικών εκτιμήσεων. Με τα πρωτότυπα που κατασκευάστηκαν στην παρούσα διατριβή επιτυγχάνεται εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών με υψηλή απόδοση και ρεύμα. Επίσης, ένα σημαντικό αποτέλεσμα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η πρόταση μεθόδου για το χρονοπρογραμματισμό εξισορρόπησης των συσσωρευτών εντός μίας ομάδας με σκοπό τη μείωση των συνολικών απωλειών κατά τη διαδικασία της εξισορρόπησης.Ο δεύτερος άξονας της διατριβής σχετίζεται με τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων σε σταθμούς φόρτισης. Η λήψη αποφάσεων πραγματοποιείται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη κατεύθυνση αφορά το χρονοπρογραμματισμό φόρτισης ενός ηλεκτρικού οχήματος σε σταθμό φόρτισης με χρήση μετα-ευρετικού αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Η διαδικασία αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την επίτευξη της φόρτισης του οχήματος με γνώμονα τις ανάγκες μετακίνησης των οδηγών με χαμηλό κόστος και φθορά των συσσωρευτών κατά τη φόρτιση, αλλά και τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του σταθμού, τηρώντας τους περιορισμούς που τίθενται από το διαχειριστή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η δεύτερη κατεύθυνση σχετίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Analytic Hierarchy Process (AHP) για την υποβοήθηση των οδηγών κατά την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, αξιολογώντας τις υπηρεσίες φόρτισης που προφέρονται από τους κοντινότερους σταθμούς και επιλέγοντας το σταθμό εκείνο που καλύπτει σε μεγαλύτερο βαθμό τα κριτήρια που τίθενται από τους οδηγούς.Συμπερασματικά, μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η επίλυση του προβλήματος της διαχείρισης της ενέργειας συσσωρευτών ηλεκτρικών οχημάτων ολιστικά, αφενός μεν μέσα από τη διερεύνηση του χαμηλού επιπέδου που αφορά μεμονωμένους συσσωρευτές, αφετέρου δε, μέσω της λήψης αποφάσεων που σχετίζονται με τη διαδικασία της φόρτισης.