ADVISOR benzetim programı Matlab tabanlı çalışmaktadır. Program yapısı GUI’de hazırlanmış olup Simulink ve M-file dosyaları ile birlikte kullanılmaktadır. Farklı tipteki araçların yapısını kolayca oluşturup testlerin yapılarak farklı sürüş güzergâhlarında bu araçların kullanılmasına imkân vermektedir. Program yapısında paralel ve seri hibrit elektrikli araçlar, yakıt hücreli araçlar ve klasik araçlar yer almaktadır. Bu program ile birlikte araçların modellemesinin yanında, aracın kullanılacağı çevrenin de modellenmesi mümkündür. Şekil 7.1’de ADVISOR ara yüzü görülmektedir. Program modelinde simulink ve m-file dosyalarında yapılan değişikliklerle her tür aracı modellemeye müsait yapısı vardır. Hatta mevcut araç sistemleri üzerinde de istenilen değişiklikler yapılarak aracın modellenmesi gerçekleştirilebilir. Araç modeli güç akışı üzerinden çalışmaktadır. Enerji akışı simulink modeli üzerinde verilen okların yönünde ilerlemektedir. Benzetim modelinin çalışması ile her bir veri ayrı ayrı kaydedilerek benzetim sonrasında bu veriler kolaylıkla incelenebilmektedir.
Şekil 7.1. ADVISOR ara yüzüne ait görüntü
Benzetim modelinde, sistemin aynı elektrikli araç için hem sadece ion batarya hem de li-ion batarya ve Flywheel den oluşan hibrit enerji kaynağı için çalıştırılarak sistem sonuçları alışmıştır. Flywheel’in sistemde kullanılması ile li-ion bataryanın sahip olduğu dezavantajların bir kısmını ortadan kaldırmak amaçlanmıştır. Bu sayede bataryadan anlık yüksek akımlar çekilmesinin önüne geçilir ve bataryaların düzenli şarj-deşarj olması ile ömrünün uzatılması sağlanır. Bunun yanında frenleme enerjisi gibi anlık yüksek güçler sisteme kazandırılmış olacaktır. Şekil 7.2’de sadece bir li-ion batarya ile çalışan araca ait benzetim modeli verilmektedir. Şekil 7.3’te ise aynı araçta li-ion bataryaya ek olarak bir Flywheel enerji depolama sistemi eklenmiştir.
Şekil 7.2. Li-ion batarya ile çalışan aracın simulink modeli
Şekil 7.3. Li-ion batarya ve Flywheel ile çalışan aracın simulink modeli
Çizelge 7.1’de benzetim modeli için kullanılan elektrikli araca ait genel özellikler verilmektedir. Aracın boş ağırlığı 848 kg’dır. Sadece batarya eklendiğinde aracın ağırlığı 893kg olup Flywheel’de sisteme eklendiğinde aracın toplam ağırlığı 918 kg olmaktadır.
Araçta enerji kaynağı olarak kullanılan bataryanın gücü 30 kW olup Flywheel’in gücü ise 12 kW’tır.
Çizelge 7.1. Modellenen elektrikli araç için ADVISOR’da kullanılan m-file dosyaları
Vehicle VEH_SMCAR
Energy Storage 1 ESS_LI7_temp Energy Storage 2 Flywheel
Motor MC_PM33
Transmission TX_1SPD
Wheel/Axle WH_SMCAR
Accessory ACC_HYBRID
Powertrain Control PTC_EV
Şekil 7.4’te Power Bus bloğun içyapısı verilmektedir. Power Bus blok, temel olarak araca aktarılacak olan enerjinin geçişini yapmaktadır. Bu blok sayesinde enerji kaynaklarından talep edilen güç öncelikle Flywheel bloğundan talep edilmiş olacaktır. Flywheel’in yetersiz kaldığı noktada gerekli olan enerji bataryadan talep edilecektir. Bu durum eşitlik olarak şu şekilde verilebilir;
𝑃𝑟𝑒𝑞_𝑏𝑎𝑡 = 𝑃𝑟𝑒𝑞_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙− 𝑃𝑎𝑣_𝑓𝑙𝑦𝑤 (7.1)
burada, 𝑃𝑟𝑒𝑞_𝑏𝑎𝑡 bataryadan talep edilen güç, 𝑃𝑟𝑒𝑞_𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 enerji kaynaklarından talep edilen toplam güç ve 𝑃𝑎𝑣_𝑓𝑙𝑦𝑤 ise Flywheel’den talep edilen güçtür. Sum 2 bloğu ise batarya ve Flywheel tarafından sağlanan güçleri toplayarak blok çıkışına aktarmaktadır. Bu durum şu şekilde ifade edilmektedir;
𝑃𝑎𝑣_𝑝𝑤_𝑏𝑙𝑜𝑐𝑘 = 𝑃𝑎𝑣_𝑏𝑎𝑡+ 𝑃𝑎𝑣_𝑓𝑙𝑦𝑤 (7.2)
burada, 𝑃𝑎𝑣_𝑝𝑤_𝑏𝑙𝑜𝑐𝑘 Power Bus blok çıkışına aktarılan toplam güç, 𝑃𝑎𝑣_𝑏𝑎𝑡 ise batarya tarafında sağlanan güç değeridir. Bu şekilde enerji kaynakları tarafından sağlanan enerjiler bu blok içerisinde toplanarak sisteme aktarılmaktadır. Eğer enerji kaynakları talep edilen enerjiyi karşılayamazsa, o zaman da karşılayamadığı kısım veri olarak saklanarak benzetim sonucunda analiz edilmektedir.
Şekil 7.4. Power bus bloğunun içyapısı
Şekil 7.5’te Flywheel enerji depolama sistemine ait blok diyagramın içyapısı verilmektedir.
Flywheel enerjiyi depo eden bir disk ve bu enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir DC makineden oluşmaktadır. Sistem Flywheel’den enerji çektikçe döner diskteki enerji miktarı azalacak ve bunun sonucu olarak hızında çekilen enerji miktarınca bir azalma görülecektir.
Enerji miktarındaki değişim değerleri remained_energy değişkeni ile birlikte kaydedilmektedir. Araç tarafından bir güç talebi olursa Switch-1 aktif hale gelerek talep edilen güç Flywheel’den karşılanacaktır. Araç talep edilen güç Flywheel’in karşılayabileceği enerjiden büyük olduğu durumlar olacaktır. Bu durumlarda karşılanamayan güç talebi batarya modülü üzerinden karşılanacaktır. P_aval (W) çıkış sinyali ile birlikte Flywheel’in karşılayabildiği enerji değeri power bus bloğuna aktarılmaktadır. Switch 2 ise Flywheel’in depo ettiği enerjiyi kontrol etmektedir. Eğer depo edilen enerji biterse o zaman talep edilen güç sinyali iptal edilerek bloğun çıkışına her hangi bir güç aktarımı yapılmamış olmaktadır.
3
Şekil 7.5. Flywheel bloğunun içyapısı
Hibrit enerji kaynağı ile çalışan elektrikli aracın benzetim modeli ADVISOR ortamında yapılmıştır. İlgili aracın sürüş güzergâhı olarak ADVISOR ortamında tanımlı olan beş farklı güzergâh seçilmiştir. Bu güzergâhlar CYC_5_Peak, CYC_HL07, CYC_UDDS, CYC_US06‘dır. Seçilen bu güzergâhlar bir birinden farklı özellikte oldukları için seçilmiştir.
CYC_5_Peak sürüş güzergâhına ait özellikler Çizelge 7.2’de verilmektedir. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için Hız - Zaman eğrisi Şekil 7.6’da verilmektedir.
Çizelge 7.2. CYC_5_Peak sürüş güzergâhına ait özellikler
Zaman (s) 850
Şekil 7.6. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için hız-zaman eğrisi
Şekil 7.7 - Şekil 7.10’da ise sırasıyla zamana göre Motorun Gücü, Motor Torku, EDS akımı ve EDS gücü eğrileri verilmektedir.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Şekil 7.7. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi
Şekil 7.8. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi
Şekil 7.9. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Şekil 7.10. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için EDS gücü – zaman eğrisi
Şekil 7.11’de ise benzetim modeli sonunda Li-ion bataryada kalan SOC değerinin değişimi görülmektedir. Sadece Li-ion batarya ile çalışan elektrikli araçta SOC değeri 1’den 0.596’ya düşmektedir. Flywheel eklenerek Li-ion batarya ile birlikte hibrit çalıştırılan aynı elektrikli araçta bataryanın SOC değeri 1’den 0.649’a düşmektedir. Yani batarya SOC değerinde bir iyileştirme görülmektedir.
Şekil 7.11. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi
Şekil 7.12’de Flywheel’de depolanan enerji miktarının değişimi verilmektedir. Zamanla bu enerjinin azaldığı şekilde görülmektedir.
Şekil 7.12. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim
CYC_HL07 sürüş güzergâhına ait özellikler Çizelge 7.3’te verilmektedir. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için Hız – Zaman eğrisi Şekil 7.13’te verilmektedir.
Çizelge 7.3. CYC_HL07 sürüş güzergâhına ait özellikler
Zaman (s) 421
Mesafe (km) 10.05
Max. Hız (km/h) 128.75
Ort. Hız (km/h) 85.74
Max. Hızlanma (m/s2) 3.58 Max. Yavaşlama (m/s2) -2.55 Ort. Hızlanama (m/s2) 1.29 Ort. Yavaşlama (m/s2) -0.79
Idle zaman (s) 41
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
3 4 5 6 7 8 9 10 11x 104
Zaman (s)
Kalan Enerji (j)
Şekil 7.13. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için hız -zaman eğrisi
Şekil 7.14 – Şekil 7.17 ’de ise sırasıyla zamana göre Motorun Gücü, Motor Torku, EDS akımı ve EDS gücü eğrileri verilmektedir.
Şekil 7.14. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Şekil 7.15. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi
Şekil 7.16. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için EDS akımı– zaman eğrisi
Şekil 7.17. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için EDS gücü – zaman eğrisi
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Şekil 7.18’de ise benzetim modeli sonunda Li-ion bataryada kalan SOC değerinin değişimi görülmektedir. Sadece Li-ion batarya ile çalışan elektrikli araçta SOC değeri 1’den 0.224’e düşmektedir. Flywheel eklenerek Li-ion batarya ile birlikte hibrit çalıştırılan aynı elektrikli araçta bataryanın SOC değeri 1’den 0.255’e düşmektedir. Yani batarya SOC değerinde bir iyileştirme görülmektedir.
Şekil 7.18. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi
Şekil 7.19’da Flywheel’de depolanan enerji miktarının değişimi verilmektedir. Zamanla bu enerjinin azaldığı şekilde görülmektedir.
Şekil 7.19. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki
CYC_UDDS sürüş güzergâhına ait özellikler Çizelge 7.4’te verilmektedir. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için Hız – Zaman eğrisi Şekil 7.20 ’de verilmektedir.
Çizelge 7.4. CYC_UDDS sürüş güzergâhına ait özellikler
Zaman (s) 1369
Şekil 7.20. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için hız – zaman eğrisi
Şekil 7.21 – Şekil 7.24 ’te ise sırasıyla zamana göre Motorun Gücü, Motor Torku, EDS akımı ve EDS gücü eğrileri verilmektedir.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
Şekil 7.21. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi
Şekil 7.22. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi
Şekil 7.23. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
-1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
-100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
-20
Şekil 7.24. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için EDS gücü– zaman eğrisi
Şekil 7.25 ’de ise benzetim modeli sonunda Li-ion bataryada kalan SOC değerinin değişimi görülmektedir. Sadece Li-ion batarya ile çalışan elektrikli araçta SOC değeri 1’den 0.256’ya düşmektedir. Flywheel eklenerek Li-ion batarya ile birlikte hibrit çalıştırılan aynı elektrikli araçta bataryanın SOC değeri 1’den 0.331’e düşmektedir. Yani batarya SOC değerinde bir iyileştirme görülmektedir.
Şekil 7.25. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi Şekil 7.26’da Flywheel’de depolanan enerji miktarının değişimi verilmektedir. Zamanla bu enerjinin azaldığı şekilde görülmektedir.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
-1
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0.2
Şekil 7.26. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim
CYC_US06 sürüş güzergâhına ait özellikler Çizelge 7. 5’de verilmektedir. CYC_ US06 sürüş güzergâhı için Hız – Zaman eğrisi Şekil 7.27’de verilmektedir.
Çizelge 7.5. CYC_US06 sürüş güzergâhına ait özellikler
Zaman (s) 600
Mesafe (km) 12.89
Max. Hız (km/h) 129.23
Ort. Hız (km/h) 77.2
Max. Hızlanma (m/s2) 3.76 Max. Yavaşlama (m/s2) -3.08 Ort. Hızlanama (m/s2) 0.67 Ort. Yavaşlama (m/s2) -0.73
Idle zaman (s) 45
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11x 104
Zaman (s)
Kalan Enerji (j)
Şekil 7.27. CYC_US06 sürüş güzergâhı için hız – zaman eğrisi
Şekil 7.28 – Şekil 6.31 ’de ise sırasıyla zamana göre Motorun Gücü, Motor Torku, EDS akımı ve EDS gücü eğrileri verilmektedir.
Şekil 7.28. CYC_US06 sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi
Şekil 7.29. CYC_US06 sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi
0 100 200 300 400 500 600
Şekil 7.30. CYC_US06 sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi
Şekil 7.31. CYC_US06 sürüş güzergâhı için EDS gücü– zaman eğrisi
Şekil 7.32 ’de ise benzetim modeli sonunda Li-ion bataryada kalan SOC değerinin değişimi görülmektedir. Sadece Li-ion batarya ile çalışan elektrikli araçta SOC değeri 1’den 574.
saniyede 0’ a düşmektedir. Flywheel eklenerek Li-ion batarya ile birlikte hibrit çalıştırılan aynı elektrikli araçta bataryanın SOC değeri 1’den 0.022’e düşmektedir. Yani batarya SOC değerinde bir iyileştirme görülmektedir.
0 100 200 300 400 500 600
-100 -50 0 50 100 150 200
Zaman (s)
Akım (A)
0 100 200 300 400 500 600
-2 -1 0 1 2 3 4x 104
Zaman (s)
EDS Güç (w)
Şekil 7.32. CYC_US06 sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi
Şekil 7.33’de Flywheel’de depolanan enerji miktarının değişimi verilmektedir. Zamanla bu enerjinin azaldığı şekilde görülmektedir.
Şekil 7.33. CYC_US06 sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim
Benzetim modellerinin çalıştırılarak sonuçların elde edildiği bu bölümde, Li-ion batarya ve Hibrit (Li-ion batarya + Flywheel) EDS ile çalışan elektrikli araç dört farklı güzergâhta sürülmüştür. Benzetim modelinin başında ve sonundaki bataryanın SOC değerleri ile birlikte Flywheelde kalan enerji değerleri Çizelge 7.6’ da verilmektedir. Bataryanın SOC değerlerine bakıldığında Flywheel kullanılan araca ait bataryanın SOC değerinde iyileşmelerin olduğu görülmektedir. Benzetim modelinde araçtaki Flywheel enerjisi tam dolu (11x104 j) olarak
0 100 200 300 400 500 600
varsayılmıştır. Benzetim modelinin çalışmasından sonra kalan enerjiler her bir güzergâh için ilgili çizelgede verilmiştir.
Çizelge 7.6. Li-ion batarya ve li-ion batarya + Flywheel ile çalışan elektrikli araçta kalan enerji miktarları
GÜZERGÂH
Li-ion İle Çalışan Elektrikli Araç
Li-ion + Flywheel İle Çalışan Elektrikli Araç
Li-ion SOC Değeri Li-ion + Flywheel
SOC Değeri Flywheel’de Kalan Enerji (j)
CYC_5_PEAK 0.596 0.649 36222
CYC_HL07 0.224 0.255 69768
CYC_UDSS 0.256 0.331 10445
CYC_US06 0.074 0.142 52811