HEJKRLÍK, J. Nízkonapěťový trakční pohon s palivovým článkem [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2012.
Dizertační práce "Nízkonapěťový trakční pohon s palivovým článkem" řeší problematiku elektromobilu s kombinovaným zdrojem elektrické energie. Tento zdroj je tvořen vodíkovým palivovým článkem a akumulátorem. Práce řeší uspořádání tohoto smíšeného napájecího bloku a jeho optimální energetický management s ohledem na různé technické i ekonomické aspekty (dojezd, spotřeba vodíku, cena na 1km jízdy trasou daného profilu atd.). Teoretické výstupy práce: Nejcennějším přínosem práce je kompletní simulace systému pohonu a celého elektromobilu při průjezdu trasy definovaného profilu s různými strategiemi řízení napájecí jednotky. Výsledky těchto simulací mohou posloužit mj. i ve výuce. Jako školitel jsem si vědom, že autor místy volil poněkud nestandardní názvosloví a makroskopická struktura jednotlivých modelů použitých v simulaci také není zcela ideální (z hlediska přehlednosti a srozumitelnosti). Tento problém však považuji spíše za formální nedostatek. Po věcné stránce přináší práce řadu zajímavých dílčích výsledků a také ucelené informace o energetických bilancích, které lze očekávat v malých elektromobilech městského typu. Praktické výstupy práce: Napájecí blok byl teoreticky navržen a také realizován - včetně BMS obvodů pro jednotlivé články LiFePO akumulátoru a včetně stabilizačního DC/DC měniče mezi palivovým článkem a akumulátorem. Celé vozidlo pak vznikalo jako týmová práce tří doktorandů. Autor práce je jedním z nich. Kromě vývoje napájecí jednotky se podílel také na konstrukčním řešení ovládacích prvků trakčního pohonu (plyn, rekuperační brzda, ...). Shrnutí: Práce obsahuje nové informace získané podrobnou simulací vozidla, které bylo také experimentálně vyrobeno. Přínos lze spatřovat zejména v části věnované hledání optimálních algoritmů řízení energetické bilance napájecího bloku vodíkový článek/akumulátor. Rovněž v části věnované dimenzování stabilizačního DC/DC měniče se objevují originální přístupy. Experimentální ověření teoretických výsledků bylo bohužel narušeno nešťastnou událostí - rozsáhlým požárem elektromobilu a celého laboratorního pracoviště. K požáru došlo až po dokončení elektromobilu (jednalo se tedy o již funkční vozidlo), bohužel však před provedením podrobných testů a měření. Požár ovšem nevznikl zaviněním nebo odbornou chybou autora hodnocené práce. Na základě výše uvedeného hodnocení doporučuji práci k obhajobě.
Oponentní posudek disertační práce k získání akademického titulu Doktor (Ph.D.) Autor práce: Ing. Jan Hejkrlík Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky Téma práce: Nízkonapěťový trakční pohon s palivovým článkem Školitel: Doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky Rozsah práce: 107 stran (vlastní práce včetně obsahu a použité literatury 95 stran, čelní list, vakát, abstrakt, klíčová slova, bibliografická citace, prohlášení, poděkování, curriculum vitae, seznam použitých symbolů, seznam obrázků, seznam tabulek a seznam zkratek 12 stran). Rekapitulace cílů práce Oponovaná disertační práce shrnuje výsledky, dosažené disertantem při teoretickém a experimentálním zkoumání možností alternativního pohonu malého automobilu s využitím palivového článku. Stanoveným představitelem tohoto strojů bylo vozidlo JAWA CHIC, dvoumístné, s maximální rychlostí 50km/hodinu. Cíle práce jsou formulovány v kapitole 3 na str. 22. Za koncepční cíl práce považuji návrh, realizace a ověření parametrů napájecího bloku elektrického pohonu tohoto vozidla s palivovými články jako primárního zdroje elektrické energie. Konkrétními cíli pak bylo nalezení nejvhodnější topologii napájecího bloku, návrh a realizace stabilizačního měniče a ochranných obvodů trakčního akumulátoru, vytvoření matematického modelu celého automobilu včetně vodíkové soustavy a návrh a simulace způsobu řízení stabilizačního měniče s ohledem na dojezd, co nejvyšší učinnost přeměny vodíku na elektrickou energii a co nejnižší náklady na ujetý kilometr trasy. Konstatuji, že kvalitní splnění těchto cílů představuje více než jeden disertabilní problém. Charakteristika práce a její výsledky Práce je členěna do osmi kapitol, přičemž kapitola 1 je úvod a kapitola 8 je závěr, ve kterém jsou shrnuty dosažené výsledky práce. Zde však postrádám explicitní formulaci přínosů práce pro rozvoj oboru a pro rozvoj vědy, technickou praxi a pedagogický proces. V Kap. 1 (Úvod) jsou stručně shrnuty důvody, které vzhledem k emisím skleníkových plynů a dalším zátěžím životního prostředí vedou k rozvoji elektromobility. Zde podotýkám, že problém nelze zužovat pouze na emise CO2. Nevím také, co autor rozumí pod pojmem „… neposupnost … akumulátorů“. Druhá kapitola práce (Současný stav) je členěna do čtyř podkapitol (Historie automobilismu, Historie značky JAWA, Alternativní pohony, Alternativní paliva). Podkapitola 2. 4 (Alternativní paliva) obsahuje pouze jednu podkapitolu (Vodík), která je dále nelogicky členěna na pět samostatných odstavců. Obsah celé kapitoly sice poskytuje celou řadu zajímavých poznatků, ale řada z nich souvisí s tématem a cíli práce jen velmi okrajově. Kdyby se autor soustředil jen na problematiku zhodnocení současného stavu výzkumu a vývoji palivových článků a zejména na zkušenosti s jejich implementací do elektromobilů, mohl dospět i k jinému závěru, než je text na str. 19, tedy že „ ....... elektromobil napájený z baterií je jediným konkurenceschopným konceptem k vozidlům se spalovacím motorem.“ Nechápu také, jak mohou být „ .... skleněné mikrokuličky ... z ...., polyamidu, atd.“. Ve třetí kapitole (Cíle disertační práce) jsou formulovány čtyři cíle, které považuji za cíle dílčí, avšak nutné pro splnění jednoho koncepčního cíle. Tento je formulován jako téma disertační práce. Ve čtvrté kapitole (Koncepce pohonu) jsou postupně popsány čtyři topologie formou jednoduchých blokových schémat, o kterých je vzhledem k cílům práce předem jasné, že nebudou dále zkoumány. Tuto část kapitoly považuji za zbytečnou, neboť neobsahuje poznatky relevantní pro řešenou problematiku. Dále je stanovena a vcelku podrobně popsána topologie pohonu a tento odstavec lze považovat za základní východiska pro řešení stanovených cílů disertační práce. Obsah tohoto odstavce je dále rozvíjen v podkapitolách 4. 1, 4. 2 a 4. 3 (Palivový článek, Stabilizační měnič, Trakční akumulátor). Je zde uveden popis, blokové schéma a základní technická data použitých palivových článků, navržen stabilizační měnič pro výkonové přizpůsobení palivových článků trakční baterii a popsán trakční akumulátor včetně obvodového řešení jeho ochran, postrádám však zdůvodnění, proč byly zvoleny právě tyto typy palivového článku a akumulátoru. Celá kapitola připomíná spíše inženýrský návrh, než kapitolu disertační práce, i když uznávám, že pro verifikaci simulačních experimentů bylo nutné funkční vzorek elektromobilu realizovat. Přestože k verifikaci z objektivních důvodů nedošlo, prokazuje tato kapitola praktické schopnosti doktoranda. Bohužel je v ní celá řada nejasností a formálních chyb, např., z obr. 4. 2. 1. 1 a následného textu není zřejmé, jak byla provedena aproximace charakteristiky, z návrhu dimenzování polovodičů měniče není zřejmé, proč bylo zvoleno paralelní spojení právě tří tranzistorů, odkaz na obr. 4. 2. 2. 1 by měl logicky být na začátku popisu konstrukce měniče, odkaz na obr. 4. 2. 2. 4 je nesprávný – v práci takový obr. není, v textu chybí jakýkoliv odkaz na obr. 4. 2. 2. 3, atd. Pátá kapitola (Dynamika) je věnována odvození pohybové rovnice elekrtromobilu, a jejímu řešení. Zde prezentované výsledky lze vcelku akceptovat, přesto zůstává řada otázek a nejasností – proč je použito klasické řešení místo Laplaceovy transformace, proč nebylo rovnou hledáno řešení pro skutečnou momentovou charakteristiku použitého pohonu, jak a proč vůbec byla prováděna její aproximace, když v simulačních experimentech byla zadávána tabulkou, jak byly získány hodnoty a na str. 46, proč bylo analytické řešení simulačně ověřováno , když je naprosto zřejmé, že výsledky budou totožné, atd. Šestá kapitola (Matematický model dynamiky vozu) je důležitým výstupem disertační práce a její obsah spolu s obsahem kapitoly 7 lze považovat za prokázání splnění stanovených cílů. Nemohu však souhlasit s terminologií používanou autorem práce. Matematický model je poněkud něco jiného, než autorem uváděná bloková schémata simulačního modelu (obr. 6. 1, 6. 1. 1, 6. 3. 1) nebo blokové modely v prostředí Matlab/Simulink (obr. 6. 1. 1. 1, 6. 1. 1. 2, 6. 1. 1. 8, 6. 2. 1, 6. 3. 1. 1 až 6. 5. 1). Za matematický model je možno s trochou tolerance považovat rovnici (71) a rovnici v textu na počátku kapitoly 6. 3. 4. Rovněž v této kapitole se vyskytuje celá řada nejasností, duplicit a nevhodných formulací (tab. 6. 1. 1. 1 je nadbytečná – obsahuje pouze tři řádky tab. 5. 2. 1, v textu na str. 60 je požadována konstantní tažná síla , zatímco v grafu na obr. 6. 1. 1. 3 je její ustálená hodnota , z obsahu kap. 6. 2 není jasné, jak byly získány účinnosti pohonu – a trakčního měniče – , text pod obrázky považuji za nepřesný – jedná se závislosti jednotlivých veličin na čase, za diskutabilní považuji tvrzení, že „ ... vstupní veličinou do modelu vozidla je vektor tažné síly“, atd.). Přes uvedené výhrady však považuji výsledný simulační model dostatečný pro simulace provozu vozidla za stanovených podmínek (trasa, rychlost, atd.). V kapitole 7 (Simulace provozu vozidla) prezentuje disertant nejprve matematický model trasy (kap. 7. 1) jedná se však opět o blokový model v prostředí Matlab/Simulink (Obr. 7. 1. 1). Za matematický model trasy lze ale považovat, na kterou ovšem v textu chybí odkaz. Poté jsou prezentovány výsledky simulačních experimentů provozu vozidla (Provoz vozidla na trakční akumulátor, Provoz palivových článků v oblasti maximální účinnosti. Provoz palivových článků v oblasti maximálního výkonu, Provoz palivových článků dle středního příkonu motoru s průjezdem trasy různými konstantními rychlostmi a s kombinací tří rychlostí podle náročnosti trasy). Výsledky jsou prezentovány množstvím grafů se stručným komentářem, porovnávajícím dojezd, spotřebu vodíku a zbytek kapacity trakčního akumulátoru po ukončení simulace. Prezentace výsledků je vcelku srozumitelná, v práci jsem však nenašel, jak disertant definuje „střední výkon“. Na obr. 7. 5. 2 je závislost potřebného proudu palivových článků na rozdílu výkonů (viz str. 82), nikoliv jejich výkonu, a také mi není jasné, v čem se liší Obr. 7.5.3.5: Energie v trakčním akumulátoru a Obr. 7.5.3.6: Okamžitý stav akumulátoru. V kapitole 8 (Závěr) je stručně shrnut cíl disertační práce a uveden souhrn vyřešených dílčích cílů, s čímž (s výše uvedenými výhradami) souhlasím. Jeden z výsledků simulace, uvedený v předposledním odstavci na str. 96 bylo možné očekávat a plyne přímo z pohybové rovnice – vozidlo prakticky jede stále konstantní rychlostí, takže vliv setrvačných sil je prakticky zanedbatelný, a rozdíl spotřebované a rekuperované energie vzhledem k nulové hodnotě potenciální energie spotřebované na průjezd trati je dám pouze účinností přeměny elektrické energie na mechanickou a naopak. Zbývají tedy pouze síly závislé na rychlosti, tj. čelní odpor a valivé tření. Jak již bylo řečeno výše, postrádám zde explicitní formulování původních přínosů pro rozvoj vědního oboru, pro technickou praxi, a pro výchovně-vzdělávací proces. K požadovaným bodům posudku uvádím: 1. Námět práce odpovídá oboru disertace je nepochybně aktuální, protože zkoumání nejrůznějších aspektů elektromobility je stále předmětem intenzivního výzkumu a vývoje. 2. V práci lze nalézt původní přínosné části, i když je disertant explicitně neformuloval. Za přínos pro rozvoj vědního boru lze považovat vytvoření struktury komplexního simulačního modelu vozidla včetně zahrnutí modelu vnějšího prostředí (profil trati, řidič) a jeho verifikaci. Pro technickou praxi a pro výchovně-vzdělávací proces lze přínosy spatřovat v získání zkušeností v návrhu pohonu a získání experimentálních dat během zkušebního provozu vozidla. 3. Doložená publikační činnost doktoranda není příliš obsáhlá (celkem 6 publikací), poněkud lepší je to s vytvořenými produkty. Postrádám však publikaci (nejlépe časopiseckou), ve které by bylo prezentováno jádro práce. Existenci této publikace (postačí potvrzení o přijetí k publikaci) je nutno doložit do začátku obhajoby. 4. Z přehledu tvůrčí činnosti disertanta vyplývá, že se jedná o pracovníka s přiměřenou vědeckou erudicí a nadprůměrnými praktickými a experimentálními dovednostmi. Velmi oceňuji, že celý pohon fyzicky realizoval, implementovat do konvenčního vozidla, celý projekt uvedl provozuschopného stavu a provedl na něm základní verifikační experimenty. Bohužel však v průběhu práce došlo v laboratořích školicího pracoviště k požáru, při němž bylo experimentální vozidlo zničeno, takže simulační experimenty nebylo možné verifikovat. 5. Formální úprava disertační práce má proměnlivou úroveň. Práce je sice srozumitelná, čtivá, ale místy je psána zvláštní češtinou, terminologie není vždy technicky správná a vyskytují se v ní i slangové výrazy. Kladem práce po formální stránce je její členění do logických kapitol a jasná formulace cílů, postrádám však explicitní formulaci vlastního teoretického a praktického přínosu disertační práce. Seznam zkratek není úplný a není řazen podle abecedy, což poněkud ztěžuje orientaci v práci, které by také prospěla větší stručnost, dosažitelná zařazením více rutinních výsledků do příloh. Práce má vcelku dobrou grafickou úroveň (obrázky, tabulky, schémata, grafy), ale číslování obrázků až čtyřčíselným označením nepovažuji za nejšťastnější, v některých grafech, prezentujících výsledky měření, pak postrádám vynesené body a legenda pod obrázky v kap. 5 a 7 není jednotná, i když uvedené grafy prezentují obdobné výsledky simulací – vždy se jedná o závislost nějaké veličiny na čase. Citace nejsou příliš časté, ale umožňují dobrou orientaci mezi převzatými podklady a vlastními výsledky práce disertanta. Závěr: Celá disertační práce svědčí o tom, že disertant ovládá na požadované úrovni metody vědecké práce, má přiměřené teoretické a praktické dovednosti v oboru, je schopen přinášet nové poznatky a v technické praxi je aplikovat. Rád konstatuji, že je perspektivním vědecko-výzkumným pracovníkem s dobrou experimentální zdatností. Pan Ing. Jan Hejkrlík prokázal schopnost a připravenost k samostatné činnosti v oblasti výzkumu a vývoje a tím splnil podmínky stanovené v § 47, odst. 4 zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách. Proto doporučuji, aby mu byl po úspěšné obhajobě udělen akademický titul „doktor (Ph.D.)“. Během rozpravy požaduji zodpovězení následujících otázek: 1. Na Obr. 6.1.1.2 je uvedena „Koncová podoba modelu použitá pro další simulace“, na Obr. 6.1.1.8 je pak uvedena „Koncová podoba modelu upravená jako subsystém pro model SEM H2“. Modely se liší pouze jedním blokem, označeným „cos“. Co tento blok představuje? 2. Při simulačním modelování se pracuje s pojmy „fyzikální model“, „matematický model“ „diskrétní model“ – jak jsou tyto modely definovány? Vysvětlete na příkladu nějaké soustavy. 3. V současné době v oblasti elektromobility s nezávislou trakcí převažuje názor, že řešením je napájení pohonu akumulátorovou baterií spolu s vybudováním infrastruktury rychlonabíjecích stanic, případně s výměnou vybitých akumulátorů za nabité. Vedou se i úvahy o trvalém připojení elektromobilů v klidu k inteligentním sítím s akumulací energie z alternativních zdrojů/využíváním energie z akumulátorů v případě potřeby. Můžete tento názor vyvrátit/potvrdit? Doc. Ing. Vladislav Singule, CSc. Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Technická 2 616 69 Brno V Brně dne 8. prosince 2011
viz dokument ve formátu pdf
eVSKP id 34123