Date of Award

4-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Hussain Shareef

Abstract

Electric vehicles (EVs) are considered the ultimate solution for a sustainable transportation alternative to reduce the global warming and energy crisis. The public's perception of EVs is still adverse despite advancements in EV technology because of issues with driving range, high initial costs, the added weight of the energy source, and an unpredictably short lifespan of the EV system. To administer the same performance as compared to modern fossil fuel-based vehicles, hybridization of multiple energy sources is significant for EVs. The most pressing issues with multi-source EVs are optimum source sizing and regulating power flow from hybridization sources with the appropriate converter topologies, controllers, and energy management system. To address these issues this work focuses on the optimal sizing of EV source system and the real time control of EV with multiple sources. After a thorough assessment of source properties and a review of dynamic source behavior, an adaptive energy management system (AEMS) is advised for the optimal source sizing of EV. Next, a weighted multi-objective function that incorporates the investment cost, hybrid source weight, running cost, and source degradation is used to define the optimal sizing problem. To solve this optimal sizing problem, the butterfly optimization algorithm (BOA) is improved based on chaos theory, quantum computing, and adopting a ranking strategy to maintain a balance between the exploration and exploitation phases of the particle searching technique. By contrasting the modified BOA with BOA and other optimization techniques, the effectiveness of the algorithm is evaluated using several benchmark functions. When compared to other algorithms, the enhanced BOA performs better. The performance of AEMS is validated by comparing the optimized storage size of EV generated using discrete wavelet transform (DWT) energy management. The AEMS outperformed the DWT technique when taking into account the battery-ultracapacitor hybrid source's investment cost, with a devaluation of 22.5% for the urban dynamometer drive cycle and 20% for the Artemis drive cycle. To execute the EV power train control model using the proposed AEMS, non-inverting H bridge buck-boost converters are used while accounting for the dynamics of output voltage from two different energy sources as well as charging and discharging characteristics of EV. To meet the demands for speed and load torque while taking into account the non-linear traction motor characteristics and other system disturbances, a non-linear state feedback controller (NLSFC) with disturbance observer is recommended for the speed controller. A comparative analysis is performed with PI controller to assess the performance of NLSFC controller. When the proposed NLSFC is used, the outcome improves, with steady-state error dropping from 0.43 to 0.0014 and peak overshoot dropping from 12.07% to 3.51% during system acceleration. In addition, the hardware prototype of the hybrid EV with the proposed non-linear controller and H-bridge converter is developed. The hardware prototype is also put through its paces with various motoring and regenerative braking scenarios. The outcome effectively demonstrates the system's speed and torque follower properties. The outcomes of this thesis support the viability of dynamic energy management techniques designed to create a hybrid EV system with a low cost, light weight, minimal source degradation and less pollution. This is in accordance with progressing UAE Green Mobility initiative, including the Dubai Clean Energy Strategy and the UAE net zero by 2050 strategic initiative which aims to achieve climate neutrality by 2050 with an effective role in climate control issues Furthermore, the output of the simulation and the hardware results also demonstrate how well the converter, converter controller, and speed controller follow the required speed and torque from the consumer side.

Arabic Abstract


تحديد سعة المكونات والتحكم في المركبات الكهربائية متعددة المصادر بناءً على خوارزمية تحسين

تُعد المركبات الكهربائية هي الحل الأمثل لوسائل النقل المستدامة لتقليل مخاطلر الانبعاث الحراري و حل أزمة الطاقة المستنفذة. و بالرغم من التطور التكنولوجي الذي لحق بالمركبات الكهربائية إلا أن العامة مازالت متريبة من التوجه لهذة التكنولوجيا بسبب المسافة التي يمكن أن تقطعها هذة المركبات و تكاليفها الأولية ووزن مصادر الطاقة الملحقة بها و قصر العمر الافتراضي لها. و لكي تكون المركبات الكهربائية بنفس كفاءة المركبات التي تعمل بالوقود فيجب تبني فكرة وسائل النقل الهجينة التي تعتمد على مصادر طاقة متعددة. و من أهم التحديات التي تواجهنا في المركبات الهجينة هي الحجم و تنظيم تدفق الطاقة بين المصادر المختلفة من خلال أنظمة التحكم و أنظمة إدارة الطاقة. إن هذا البحث يناقش الحجم الأمثل لمصادر الطاقة في المركبات الكهربائية و كيفية إدارة "نظام تشغيل الوقت الحقيقي" لمصادر الطاقة المتعددة المستخدمة في هذا النظام. و بعد تقييم دقيق لخصائص مصادر الطاقة و مراجعة ديناميكية هذة المصادر ت م تطوير نظام إدارة طاقة تكيفي يهدف للحصول على الحجم الأمثل لمصادر الطاقة بالمركبة. و بعد ذلك تم استخدام دالة متعددة المحاور تشمل التكاليف وأوزان المصادر الهجينة و تكاليف التشغيل، و العمر الافتراضي للمصدر للوصول للحجم الأمثل لمصدر الطاقة. و لحل مشكلة تحسين حجم المصدر تم استخدام "خوارزمية تحسين الفراشة" و تعديلها اعتمادا على نظرية الكوارث و الحوسبة الكمية، كما تم تبني استراتيجية الرتب لابقاء التوازن بين أوجه الاستكشاف و الاستخدام لتقنية البحث عن الجزيئ. و بمقارنة "خوارزمية تحسين الفراشة المعدلة" مع "خوارزمية تحسين الفراشة" و غيرها من أنظمة التحسين تبين فاعلية هذة الخواريزمة بناءا على معايير مختلفة فهي تعطي أداء أفضل. كما تم التحقق من أداء نظام إدارة الطاقة التكيفي بمقارنة حجم تخزين المركبة الكهربائية باستخدام تحويل المويج المنفصل لادارة الطاقة. و قد تفوق نظام إدارة الطاقة التكيفي على تقنية تحويل المويج المنفصل مع الأخذ في الاعتبار تكاليف البطاريات الهجينة فائقة السرعة حيث أظهر نظام إدارة الطاقة التكيفي انخفاضا بنسبة 22.5% للدينامومتر الحضري و20% بالنسبة لدورة محرك أرتميس. و لتنفيذ نموذج وحدة التحكم في المحرك باستخدام نظام إدارة الطاقة التكيفي تم استخدام جسر H غير المقلوب، المبدل الخافض الرافع للجهد مع الأخذ بالاعتبار ديناميكية الجهد الناتج من مصادر الطاقة المختلفة و كذا خصائص شحن و تفريغ المركبة الكهربائية. ولمقابلة احتياجات السرعة و العزم مع الأخذ بالاعتبار خصائص محرك السحب غير الخطي و غيره من اضطرابات النظام، تم استخدام نظام تحكم التغذية المرتدة غير الخطي مع مراقب الاضطراب للحصول على أفضل تحكم بالسرعة. كما تم عمل مقارنة بين هذا النظام و التحكم التناسبي التكاملي لتقييم أداء هذا المتحكم. إن نظام تحكم التغذية المرتدة غير الخطي أظهر انخفاضا في نسبة الخطأ من 0.43 إلى 0.0014، وانخفاض في تجاوز الذروة من 12.7% إلى 3.51% خلال تسارع النظام. و إلى جانب ذلك تم عمل عينة لنظام التحكم غير الخطي المقترح وجسر H غير المقلوب وتم اختبار السرعات المختلفة و سيناريوهات الفرامل المحتملة. و قد تبين من هذة الاختبارات تناسب السرعة و العزم معا.ً إن هذة الرسالة توضح امكانية تطبيق تقنيات إدارة الطاقة المصممة لعمل أنظمة المركبات الكهربية الهجينة بتكاليف منخفضة ووزن خفيف و تلوث أقل. إن هذا العمل يأتي بالتوافق مع مبادرة الامارات للتنقل الأخضر بما في ذلك استراتيجية دبي للطاقة النظيفة والمبادرة الاستراتيجية للحياد المناخي للامارات بحلول 2050 والتي تهدف إلى الحصول على مناخ متعادل بحلول 2050، إلى جانب دورها الفعال للتحكم في مشاكل المناخ. علاوة على ذلك فإن كلا من العينة المُصنعة والمحاكاة البرمجية للنظام تبين أن المحول ونظام تحكم المحول ومتحكم السرعة يحققان السرعة والعزم المطلوبان من جانب المستهلك.

Download

Share

COinS