Optimization of the Energy Management System of a Solar Car

Abstract

The World Solar Challenge er et solcellebilkonkurranse der fullstendig selvforsynte, nettfrakoblede, solcelledrevne elektriske kjøretøy kjører om kapp p˚a tvers av Australia, kun hjulpet av et energilagringssystem med lav kapasitet. Solcellebilene fungerer som sm˚a mobile mikronett. Solcellebiler er svært spesialiserte systemer og krever grundig forskning før man kan konstruere en fungerende solcellebil. Denne avhandlingen har som m˚al ˚a undersøke alt som er relatert til energistyringssystemet for en solcellebil som deltar i World Solar Challenge i ”Challenger” klassen. Dette inkluderer ˚a bestemme solprofilen for ruten, beregne forventet energiproduksjon for en solcellebils solcelleanlegg, bestemme energiforbruket til en solcellebil under et løp, og bestemme hvilke komponenter som ville være best egnet til ˚a konstruere en høytytende solcellebil. Studien vil ogs˚a utforske hvordan man best kan utnytte energilagringssystemet. Disse oppgavene ble utført gjennom omfattende litteraturstudier, undersøkelser av tidligere deltakere og opprettelsen av et Python-bibliotek kalt ”scpylib”. ”scpylib” ble utviklet for˚a simulere en solcellebil som kjører fra Darwin til Adelaide, p˚a samme m˚ate som en deltaker i World Solar Challenge ville gjort det. ”scpylib” henter solinnstr˚aling og annen værdata fra PVGIS basert p˚a et kart. Deretter beregner den forventet produksjon fra solcelleanlegget. Til slutt kjører den en løpssimulering, der ytelsen beregnes ved hjelp av en matematisk modell av solcellebilen basert p˚a kjørehastighet og data om solcelleanleggets produksjon. Litteraturstudien og simuleringene konkluderte med at en solcellebil med følgende egenskaper ville være de beste valgene for et nytt solcellebilt team. Bilen bør ha en skrogform (monohull), da denne typen bil har vist seg ˚a ha best ytelse de siste ˚arene. Mikronett-topologien bør best˚a av et litium-ion-batteri, monokrystallinske silisium solceller, en DC-DC-konverter for maksimal effektpunktsporing og en trefaset trelags omformer. Alternativer kunne være et litium-svovel-batteri og solceller basert p˚a perovskitt. Imidlertid er disse alternativene enn˚a ikke kommersielt tilgjengelige, og deres ytelse i en slikt nisjeomr˚ade med høye temperaturer som World Solar Challenge er enn˚a ikke sett. Resultatene fra simuleringene viser at simuleringen er realistisk, til tross for mange forenklinger. Lastmodellen forenkles ved ˚a bare beregne energiforbruket ved cruisefart, og akselerasjonsfasen blir neglisjert. Den oppfører seg ogs˚a urealistisk ved lave hastigheter, men dette er ikke et problem p˚a grunn av neglisjeringen av akselerasjonsfasen. ”scpylib” er for øyeblikket ikke i stand til ˚a kjøre simuleringer basert p˚a for mange datapunkter innenfor kartfilen. Dette skyldes hovedsakelig dens metode for forberedelse og lagring av data. Det er foresl˚att løsninger p˚a dette problemet, men simuleringstiden ville øke betydelig. De innhentede dataene er basert p˚a virkelige m˚alinger, noe som bekrefter simuleringenes realisme. Imidlertid blir løpsstrategier og optimalisering mer utfordrende p˚a grunn av dette. Bruk av værmeldinger for ˚a p˚avirke simuleringer blir up˚alitelig ettersom solinnstr˚alingen fra de innhentede dataene allerede sannsynligvis er p˚avirket av skydekke. Den foresl˚atte metoden for ˚a unng˚a dette er ˚a standardisere dataene og deretter manipulere dem under simuleringer. Denne avhandlingen vil være nyttig for solcellebil team som starter ut, da informasjon om et bredt studieomr˚ade er samlet i dette dokumentet som en introduksjon og guide. ”scpylib” vil ogs˚a fungere som et verktøy for levedyktighetsanalyse med byggeklosser for mer avanserte simuleringer i fremtiden.

The World Solar Challenge is a solar car event where fully self-sufficient, grid-disconnected, solarpowered electric vehicles race across Australia, only assisted by a low-capacity energy storage system. The solar cars function like tiny mobile microgrids. Solar cars are highly specialized systems and require thorough research before constructing a functioning one. This thesis aims to investigate everything related to the energy management system for a solar car participating in the World Solar Challenge’s Challenger class. This includes determining the solar profile for the route, calculating the expected energy production of the solar car’s photovoltaic generators, determining the energy consumption for a solar car during a race, and determining which components would be best to construct a high-performance solar car from. The study would also explore how best to utilize the low-capacity energy storage system. These tasks were approached through an extensive literature study, an investigation of previous contestants, and the creation of a Python library named scpylib. scpylib was built to simulate a solar car driving from Darwin to Adelaide like a participant of the World Solar Challenge would. scpylib retrieves solar irradiance and other weather data from PVGIS based on a map. It then calculates the expected output of the photovoltaics. Finally it runs a race simulation, where the performance is calculated through a mathematical model of the solar car based on travel speed and the photovoltaic output data. The literature study and simulations found that a solar car with the following characteristics would be the most viable choices for a new solar car team. The car should have a monohull shape, as it has proven to be the best-performing in recent years. The microgrid topology should consist of a lithium-ion battery, monocrystalline silicon photovoltaic cells, a maximum power point tracker DC-DC converter, and a three-phase three-level inverter. Alternatives would be a lithium-sulfur battery and perovskite-based photovoltaic cells. However, they are not yet commercially available, and their performance in such a niche high-temperature area, like the Sorld Solar Challenge, is yet to be seen. The simulations’ results determine that the simulation model is realistic, despite its many simplifications. The load model is simplified by only calculating the energy consumption at cruising speeds, and the acceleration phase is neglected. It also behaves unrealistically at low solar car speeds, but this is not an issue due to neglecting of the acceleration phase. scpylib is currently incapable of running simulations based on too many data points within the map file. This is primarily due to its method of preparing and storing data. Workarounds to this problem have been proposed, but simulation times would increase by a large margin. The retrieved data is based on real measurements, validating the simulations’ realism. However, race strategizing and optimizing become more difficult due to this. Utilizing weather forecasts to influence simulations becomes unreliable as the solar irradiance from the retrieved data is likely already influenced by sky coverage. The proposed method of avoiding this would be to standardize the data, then manipulate it during simulations. This thesis will prove helpful to solar car teams starting out, as information about a vast field of study has been compiled into this one document, serving as an introduction and a guide. scpylib will also serve as a viability analysis tool with building blocks for more advanced future simulations.