MATLAB i Simulink na potrzeby projektu Hydrive
Studenckie Koło Naukowe MechaniCAD
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Zdj.1 Członkowie projektu Hydrive
Zespół
Project Hydrive to nazwa innowacyjnego projektu realizowanego przez SKNK MechaniCAD na Akademii Górniczo – Hutniczej. Celem projektu, z którym wystąpimy w międzynarodowych zawodach Shell Eco Marathon 2021, jest stworzenie bolidu zasilanego ogniwami wodorowymi. Stoimy przed wyzwaniem zbudowania i przetestowania pojazdu możliwie najbardziej wydajnego pod względem energetycznym. W zawodach zwycięża drużyna, której pojazd może pokonać najdłuższy dystans na ekwiwalencie jednego litra paliwa lub jednej kilowatogodziny [1 kWh].
Zdj.2 „Project HYDRIVE. We race for tomorrow”
Bolid
Podczas projektowania bolidu postawiliśmy na innowacyjne rozwiązania. Karoseria bolidu to samonośna konstrukcja z laminatu na bazie włókien węglowych, pokryta lakierem o niskim współczynniku tarcia wiskotycznego, który w połączeniu z opływowym kształtem karoserii, zapewnia minimalną siłę oporu powietrza.
Sercem naszego bolidu jest układ zasilania, który składa się z ogniwa wodorowego PEM i układ napędowy złożony z silnika elektrycznego BLDC.
Ogniwa PEM (Proton Exchange Membrane) są urządzeniami elektrochemicznymi, stanowiącymi przełom w dziedzinie źródeł energii. Pozwalają one na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji elektrochemicznej. Główne zalety naszego ekologicznego źródła zasilania to wysoka sprawność i gęstość energetyczna, duża niezawodność oraz niewielka masa w stosunku do źródeł energii o porównywalnej mocy.
Silnik BLDC (BrushLess Direct-Current) charakteryzuje się zarówno łatwiejszą i dokładniejszą kontrolą prędkości, jak i wyższą żywotnością niż silniki szczotkowe, a także lepszym stosunkiem mocy do masy. Wymienione czynniki pozwalają nam na redukcję masy i zmniejszenie zużycia wodoru.
MATLAB w pracy koła
Obecnie prace nad bolidem wkroczyły w ostateczną fazę, w której chcemy zagwarantować jak najlepszy wynik na torze. Właśnie na tym etapie kluczowym elementem stało się dla nas środowisko MATLAB. Z jego pomocą stworzony został wielopoziomowy model pojazdu, pozwalający nam na zasymulowanie przejazdu po torze.
Rys.1 Wykres przedstawiający tor w płaszczyźnie XYZ
Zadając przebieg prędkości oraz kąt nachylenia toru, jesteśmy w stanie uzyskać informacje o parametrach koniecznych do osiągnięcia najlepszych wyników. Model odwzorowuje pracę bolidu począwszy od reakcji zachodzących w ogniwie, przez pracę silnika, aż po sterowanie trajektorią jazdy. W ten sposób możemy sprawdzić, jaka strategia jazdy pozwoli nam na zużycie jak najmniejszej ilości wodoru, przy jednoczesnym utrzymaniu wymaganej minimalnej średniej prędkości okrążenia – 7,03 km/h. Jak widać na uzyskanych wykresach, jazda ze zmienną prędkością pozwoliła na redukcję zużycia wodoru o niemal 8% w stosunku do przejazdu, dla którego prędkość była utrzymywana na stałym poziomie.
Rys.2 Wyniki uzyskane dla przejazdu z minimalną wymaganą prędkością
Rys.3 Wyniki uzyskane dla jazdy ze zmienną prędkością
Model pozwala nam na czerpanie informacji o chwilowym zużyciu wodoru, przyspieszeniu pojazdu oraz o mocy generowanej przez silnik i ogniwo w danej chwili czasowej. Wiedza ta jest dla nas kluczowa w przygotowaniach do zawodów, gdzie nawet najmniejszy detal będzie miał znaczenie.
Wierzymy, że dzięki ciągłemu rozwojowi i optymalizacji realizowanej z wykorzystaniem oprogramowania MATLAB&Simulink będziemy w stanie osiągnąć świetne rezultaty na zawodach.