Hidrojen Yakıt Hücreleri ile Elektrikli Ticari Araçlar
Nakliye ve liman altyapısı, önemli sera gazı (GHG) emisyon kaynaklarıdır. Uluslararası Denizcilik Örgütü’ne göre, deniz taşımacılığı yılda 900 milyon tonun üzerinde CO2 üretiyor. Küresel ekonomiler, ürünlerini tüketiciye ulaştırmak için nakliyeye güveniyor, tüm yabancı ürünlerin % 90’ı konteyner gemilerindeki limanlardan yönlendiriliyor, ancak çevre üzerindeki zarar önemli. İşlek limanların yakınında yaşayanlar, limandaki ticari araçlarda dizel motorlardan kaynaklanan emisyonların neden olduğu tehlikeli düzeylerde hava kirliliğine maruz kalıyor.
Örneğin, konteyner yükleyicileri olarak adlandırılan büyük endüstriyel araçlar, konteynerleri gemilerinden yükleyip boşaltır. Her konteyner taşıyıcısı yılda 144 tona kadar CO2 yayar ve büyük bir liman sahada bu makinelerden yüzlercesine sahip olabilir. Dizel motoru yeşil bir alternatifle tek bir konteynır taşıyıcıyla değiştirmek, 32 gazla çalışan binek otomobili yollarımızdan çıkarmakla aynı etkiye sahip olacaktır.
Binek araçlardan uzun yol kamyonlarına, lokomotiflere ve ağır ekipmanlara kadar, içten yanmalı motorlar (ICE’ler) daha yeşil alternatiflerle değiştiriliyor. Pille çalışan elektrikli araçlar hem otomobil modellerinde hem de şarj konumlarında tüketicilere sunulan artan sayıda seçenekle, ilgi odağının çoğunu yakaladı. Ancak limanlarda ICE’ler, avlu kamyonları, forkliftler ve konteyner yükleyicileri gibi ağır hizmet tipi endüstriyel araçlarda kullanılan dizel motorlardır. Piller ve gerekli şarj altyapısı bu işlemlerin çoğunda çalışmaz.
Yakıt hücrelerinin yardımcı olabileceği yer burasıdır.
Elektrifikasyonun Etkinleştirilmesi
Yakıt hücreleri, yakıt ikmali için minimum aksama süresiyle uzun vardiyalar için çalışması gereken ağır ekipmanların bulunduğu yerler için çok uygundur. Bir hidrojen yakıt hücresini yeniden doldurmak, benzer büyüklükteki bir gaz tankını doldurmakla yaklaşık aynı süre alırken, ağır hizmet tipi e-araçlar için bir pilin yeniden şarj edilmesi saatler sürer. Yakıt hücreleri, aracın 8 saatlik bir vardiyadan geçmesi için gereken güç yoğunluğunu ve aralığını sunar. Ticari araçlar için yakıt hücresi teknolojisine odaklanan bir şirket Nuvera’dır.
Nuvera’nın kurucu çalışanı ve direktörü Gus Block, “Yakıt pilleri, uzun menzil gerektiğinde veya pil şarjı çok uzun sürdüğünde pillerden daha iyidir – bu pilleri tekneler, uçaklar, kamyonlar, otobüsler ve acil müdahale araçları için iyi hale getirir. Piller bir araca sığamayacak kadar büyük olduğunda veya yükü tehlikeye atacak kadar ağır olduğunda da gereklidir” diyor Block. Örneğin, elektrikli konteynır işleyicisi için gereken pil, küçük bir fil boyutunda olacaktır. “
Şarj Etmeyi Gerektirmeyen Bir Elektrik Alternatifi
Bir yakıt hücresi, ısı ve sudan başka egzoz üretmez. Hareketli parçası olmadığı için tasarımı prensipte basittir: iki elektrot arasına bir zar sıkıştırılmıştır. Hidrojen yakıtı anotla karşılaştığında, bir proton ve bir elektrona bölünür. Proton, membrandan oksijenle buluştuğu katoda geçer. Elektron, bir elektrik devresinden geçerek elektrotlar arasında daha uzun bir yol izler. Elektron akışı motor için güç oluşturur. Katotta protonlar, elektronlar ve oksijen su oluşturmak için birleşir.
Modelleme ve gerçek zamanlı simülasyon kullanmak, Nuvera mühendislerinin tasarımlarını hızlı bir şekilde yinelemelerine ve gerçek bir motoru riske atmadan deney yapmalarına olanak tanır.
Bilim basittir, ancak yüksek performanslı bir güç kaynağının tarifini mükemmelleştirmek zordur. Bir yakıt hücresi içindeki çoklu reaksiyonları birçok faktör yönetir ve bir yazılım kontrol sistemi, cihazdan en fazla gücü ve verimliliği elde etmek için hepsini hesaba katmalıdır. Kontrol sistemi, geri bildirime dayalı olarak sürekli düzeltmeler yapar.
Sistemleri, soğutma sıvısı sıcaklığını değiştirerek ve buharlaşmayı artırmak veya azaltmak için hava akışını değiştirerek hidrasyonu yönetir. Nuvera, aralarında soğutucu akışkanla birlikte yığılmış yüzlerce yakıt hücresi içeren yakıt hücresi motorlarını kontrol eden yazılımı tasarlamak için, ayrıca bir soğutucu pompası ve bir hava kompresörü için MATLAB & Simulink kullanıyor. Elektrik ve kimyasal reaksiyonları su ve gazların sıcaklıklarını ve basınçlarını yöneten denklemlerden oluşan yakıt hücresi motorunun bir tesis modelinin Simulink’te de uygulanıyor. Bu simülasyonla Nuvera, en iyi performansı elde etmek için kesme sıvısı akışı gibi şeyleri iyileştirmek için algoritmalar yazar. Algoritma tamamlandıktan sonra Simulink, bunu gerçek yakıt hücresi motoruna yerleştirilmiş bir işlemci üzerinde çalışacak koda çevirir.
Kontrol algoritmaları aynı zamanda birçok çalışma koşulunu da hesaba katar. Nuvera simülasyonda sistemi düşük ve yüksek ortam sıcaklıklarında ve düşük ve yüksek nemli ortamlarda test eder.
Nuvera, algoritmalarını daha gerçekçi bir ortamda denemek için döngü içi donanım testi yapar: Motor modellerini, fiziksel motorla aynı giriş ve çıkışlara sahip olacak şekilde uyarlanmış, Speedgoat tarafından yapılmış özel bir bilgisayara yüklerler. ve gerçek zamanlı olarak çalışmasını simüle edebilir. Yakıt hücresi motorunu çalıştıran aynı gömülü bilgisayar, Speedgoat kutusuna bağlanır ve Simulink’ten oluşturulan C kodundan programlanır.
Bu kurulum, Nuvera mühendislerinin tasarımlarını hızlı bir şekilde yinelemelerine olanak sağlarken daha da sertlik sağlar. Aynı zamanda gerçek bir motoru riske atmadan deneylere izin verir.
Batarya Yönetim Sistemleri
Lityum-iyon batarya paketleri, uçaklarda, elektrikli araçlarda, taşınabilir cihazlarda ve güvenilir, yüksek enerji yoğunluklu, düşük ağırlıklı güç kaynağı gerektiren diğer ekipmanlarda enerji depolama sistemleridir. Batarya yönetim sistemi (BMS), çeşitli şarj-deşarj ve çevre koşulları altında güvenli çalışma, performans ve pil ömründen sorumludur. Bir BMS tasarlarken, mühendisler aşağıdakileri sağlayan geri bildirim ve denetim kontrolü geliştirir:
- Hücre voltajını ve sıcaklığını izler
- Şarj durumunu ve sağlık durumunu tahmin eder
- Termal ve aşırı şarj koruması için güç giriş ve çıkışını sınırlar
- Şarj sistemini kontrol eder
- Tek tek hücrelerin şarj durumunu dengeler
- Gerektiğinde batarya takımını yükten izole eder
Simulink modelleme ve simülasyon yetenekleri, hücre eşdeğeri devre formülasyonu ve parametrelendirme, elektronik devre tasarımı, kontrol mantığı, otomatik kod oluşturma, doğrulama ve onaylama dahil olmak üzere batarya yönetim sistemi (BMS) geliştirmeye olanak tanır. Simulink ile mühendisler, batarya yönetim sistemlerini şu şekilde tasarlayabilir ve simüle edebilir:
- Topolojisi gerçek sisteminkini yansıtan ve hücre sayısıyla ölçeklenen elektrik ağlarını kullanarak pil paketlerini modelleme
- Hücre kimyasının doğru temsili için test verilerini kullanarak eşdeğer devre elemanlarını parametrelendirme
- Paketi kontrollere bağlayan güç elektroniği devresinin tasarlanması
- Denetim ve hata algılama mantığı için kapalı döngü kontrol algoritmaları geliştirmek
