ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Çağlar UYULAN
Anabilim Dalı : Mekatronik Mühendisliği Programı : Mekatronik Mühendisliği
HAZĠRAN 2010
SERĠ HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARACIN MODELLENMESĠ VE BULANIK MANTIK KURAL TABANLI ENERJĠ YÖNETĠM STRATEJĠSĠNĠN UYGULANMASI
HAZĠRAN 2010
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Çağlar UYULAN
(518081003)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 07 Mayıs 2010 Tezin Savunulduğu Tarih : 11 Haziran 2010
Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Metin GÖKAġAN (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Ata MUĞAN (ĠTÜ)
Yrd. Doç. Dr. Murat YEġĠLOĞLU (ĠTÜ)
SERĠ HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARACIN MODELLENMESĠ VE BULANIK MANTIK KURAL TABANLI ENERJĠ YÖNETĠM STRATEJĠSĠNĠN UYGULANMASI
ÖNSÖZ
Bu tez çalıĢmamda yardımlarını eksik etmeyen danıĢman hocam Sayın Prof.Dr.Metin GÖKAġAN, çalıĢmalarımın büyük bir kısmını gerçekleĢtirdiğim Mekatronik AraĢtırma ve Eğitim Merkezi’nin yapılanmasında oldukça emeği geçen Sayın Prof.Dr.Ata MUĞAN ve burada çalıĢmalarını sürdüren arkadaĢlarıma teĢekkürlerimi sunarım.
Ayrıca bu noktaya gelebilmem için hiçbir fedakarlıktan kaçınmayan ve bana sürekli destek olan aileme sonsuz teĢekkür ve sevgilerimi sunarım.
Haziran 2010 Çağlar UYULAN
ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖNSÖZ ... iii ĠÇĠNDEKĠLER ... v KISALTMALAR ... vii ÇĠZELGE LĠSTESĠ ... ix ġEKĠL LĠSTESĠ ... xi SEMBOL LĠSTESĠ ... xv ÖZET ... xix SUMMARY ... xxi 1. GĠRĠġ ... 1
1.1 Hibrit Elektrikli Araç Teknolojisine Genel Bir BakıĢ ... 1
1.2 Hibrit Elektrikli Araçların Avantajları ... 2
2. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇ KONFĠGÜRASYONLARI ... 3
2.1 Hibrit Elektrikli Araçların Sınıflandırılması ... 3
2.1.1 Seri Hibrit Elektrikli Araçlar ... 5
2.1.2 Paralel Hibrit Elektrikli Araçlar ... 7
2.1.3 Seri-Paralel Hibrit Elektrikli Araçlar ... 8
2.2 Hibritlik Derecesi ... 9
2.2.1 Tam Hibrit Elektrikli Araçlar ... 11
2.2.2 Yardımcı Hibrit Elektrikli Araçlar ... 11
2.2.3 Hafif Hibrit Elektrikli Araçlar ... 12
2.2.4 Tekerlek Ġçi Motor Kullanan Hibrit Elektrikli Araçlar ... 12
3. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇLARDA KULLANILAN ELEMANLAR ... 13
3.1 Batarya ... 13
3.1.1 Bataryanın parametreleri ... 13
3.2 Elektik Motoru ... 15
3.2.1 DıĢ rotorlu sabit mıknatıslı tekerlek içi senkron motor ... 16
3.3 Ġçten Yanmalı Motor ... 17
3.4 Evirici ... 18
3.5 Doğrultucu ... 18
4. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇLARDA ENERJĠ YÖNETĠM STRATEJĠLERĠ TASARIM YÖNTEMLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ ... 19
4.1 Tasarım Kriterleri ... 19
4.2 Güç Dağılımı ... 22
4.3 Araç ÇalıĢma Modlarının GeçiĢ ĠliĢkileri ... 23
4.4 Bulanık Mantık Kural Tabanlı Enerji Yönetim Stratejileri ... 24
5. SERĠ HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARACIN MODELLENMESĠ ... 27
5.1 Sistemin Tanımlanması ... 27
5.2 TurboĢarj Dizel Motor Modeli ... 28
5.2.1 TurboĢarj dizel motorun ortalama değer modeli ... 29
5.2.1.1 Emme manifoldu dinamiği ... 30
5.2.1.3 TurboĢarj dinamiği………. 32
5.2.1.4 Motor krank mili dinamiği……… 35
5.2.1.5 Motor karakteristiklerinin çıkartılması………. 38
5.3 Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör Modeli... 40
5.3.1 Generatörün Tasarlanması... 40
5.3.2 PI Akım Kontrolörü Tasarımı ... 45
5.4 Batarya Modeli ... 48
5.5 Dinamik Model Referans PI Kontrolörlü Sabit Mıknatıslı Senkron Elektrik …..Motorunun Modellenmesi ... 55
5.5.1 Model referans kontrolör modeli... 57
5.5.1.1 ÇalıĢma modu 1……….. 58
5.5.1.2 ÇalıĢma modu 2……….. 59
5.5.1.3 ÇalıĢma modu 3……….. 60
5.5.2 PI Geribesleme LineerleĢtirme Kontrolörü ... 64
5.6 Araç Dinamiğinin Modellenmesi ... 67
5.6.1 Boylamsal araç dinamiği ... 69
5.6.1.1 Dik tekerlek kuvvetinin hesaplanması……… 70
5.6.2 Yanal araç dinamiği ... 73
5.6.3 Tek yol araç modeli denklemleri ve simülasyonu ... 74
5.6.3.1 Yanal ve boylamsal tekerlek kuvvetlerinin modellenmesi……...…..75
5.6.3.2 Direksiyon açısı projeksiyonu………..……….………..79
5.6.3.3 Araç dinamiği……….………...………..80
5.6.3.4 Tekerlek açısal hızının hesaplanması………...…….……..81
5.6.3.5 Kinematik bağıntılar……….……..82
6. SERĠ HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARACIN KONTROLÜ ... 85
6.1 Boylamsal Araç Hızı Kontrolü ... 85
6.1.1 Üst seviye seyir kontrolörü ... 86
6.1.2 Alt seviye seyir kontrolörü ... 90
6.1.3 ECE-15 sürüĢ çevrimi hız takip simülasyonu ... 92
6.2 Enerji Yönetim Stratejisine Bağlı Bulanık Mantık Kural Tabanlı Güç Dağılımı …..Kontrolü ... 94
6.2.1 Bulanık mantık kural tabanlı kontrolör tasarımı ... 97
7. SĠMÜLASYON ... 103
7.1 Tam Hibrit Mod ... 104
7.1 Sadece Ġçten Yanmalı Motor Modu ... 107
8. SONUÇ VE ÖNERĠLER ... 109
KAYNAKLAR ... 111
EKLER ... 113
KISALTMALAR
SHEA : Seri Hibrit Elektrikli Araç HEA : Hibrit Elektrikli Araç BEA : Bataryalı Elektrikli Araç YHEA : Yakıt Hücreli Elektrikli Araç BJT : Bipolar Jonksiyonlu Transistör
MOSFET : Metal Oksit Yarı Ġletken Alan Etkili Transistör IGBT : Ġzole Kapılı Bipolar Transistör
SCR : Silikon Kontrollü Doğrultucu
DC : Doğru Akım
AC : Alternatif Akım
SOC : Batarya ġarj Durumu OCV : Açık Devre Voltajı
SQP : ArdıĢık Ġkinci Dereceden Programlama
DP : Dinamik Programlama
EGR : Egsoz Gaz Sirkülasyonu
VTG : DeğiĢken Geometrili TurboĢarjlama SMSG : Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör EMK : Elektromotor Kuvveti
ÇĠZELGE LĠSTESĠ
Sayfa
Çizelge 1.1 : BEA , HEA , YHEA karakteristikleri. ... 2
Çizelge 3.1 : Elektrikli araç bataryalarının anahtar parametreleri ... 14
Çizelge 3.2 : Elektrikli araç bataryalarının spesifik avantajları ... 15
Çizelge 3.3 : Elektrik motorlarının değerlendirilmesi ... 16
Çizelge 4.1 : Enerji yönetim stratejilerinin kıyaslanması ... 20
Çizelge 4.2 : Güç dağılımı için bulanık mantık kuralı[5] ... 25
Çizelge 5.1 : Aracın Özellikleri ... 68
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 2.1 : HEA’ların blok diagramı Ģeklinde sınıflandırılması [1]... 4
ġekil 2.2 : HEA’ların Ģematik sınıflandırılması [2] . ... 4
ġekil 2.3 : HEA’larda enerji akıĢ Ģeması [1] ... 5
ġekil 2.4 : Seri HEA blok Ģeması ve konfigürasyonu. ... 6
ġekil 2.5 : Paralel HEA blok Ģeması ve konfigürasyonu. ... 7
ġekil 2.6 : Seri-Paralel HEA konfigürasyonu. ... 8
ġekil 2.7 : HEA için hibritlik derecesi grafiği [3]. ... 10
ġekil 2.8 : ÇalıĢma noktalarına bağlı içten yanmalı motor verim haritası [3]. ... 11
ġekil 3.1 : Tekerlek için elektrik motorunun Ģematik gösterimi. ... 17
ġekil 4.1 : HEA kontrol sisteminin yapısı [5]. ... 20
ġekil 4.2 : Araç çalıĢma modları arasındaki geçiĢler [5]. ... 21
ġekil 5.1 : SHEA genel sistem blok diagramı. ... 28
ġekil 5.2 : SHEA genel stratejisinin blok diagramı ... 28
ġekil 5.3 : TurboĢarj dizel motor modelinin elemanları. ... 30
ġekil 5.4 : TurboĢarj dizel motoru simulink modeli. ... 30
ġekil 5.5 : Emme manifoldu alt-modeli ... 31
ġekil 5.6 : Egsoz manifoldu alt-modeli. ... 32
ġekil 5.7 : TurboĢarj dinamiği alt-modeli. ... 33
ġekil 5.8 : Kompresör gücü hesaplayıcısı alt-modeli. ... 34
ġekil 5.9 : Türbin gücü hesaplayıcısı alt-modeli. ... 34
ġekil 5.10 : Motor krank mili alt-modeli. ... 36
ġekil 5.11 : Silindirlere enjekte edilen yakıt kütlesinin zamana bağlı değiĢimi. ... 37
ġekil 5.12 : Üretilen motor torkunun zamana bağlı değiĢimi. ... 37
ġekil 5.13 : Motor gücünün zamana bağlı değiĢimi. ... 38
ġekil 5.14 : Motorun Tork-Hız karakteristiği ... 38
ġekil 5.15 : Motorun Güç-Hız karakteristiği ... 39
ġekil 5.16 : Motorun Verim-Hız karakteristiği... 40
ġekil 5.17 : Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör Simulink modeli. ... 43
ġekil 5.18 : Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör alt-modeli ... 44
ġekil 5.19 : d-q eksenleri akım hesaplayıcısı alt-modeli. ... 44
ġekil 5.20 : Tork-hız hesaplayıcısı alt-modeli ... 45
ġekil 5.21 : Q fazı devresi [7]. ... 45
ġekil 5.22 : PI kontrolör alt-modeli. ... 47
ġekil 5.23 : Bataryanın elektrik eĢdeğer devresi. ... 48
ġekil 5.24 : Bataryanın HEA uygulamalarına uyarlanmıĢ Thevenin modeli [4]. ... 48
ġekil 5.25 : Batarya modelindeki giriĢ-çıkıĢlar. ... 50
ġekil 5.26 : Sabit sıcaklıkta bataryanın boĢalma direncinin Ģarj durumuna bağlı ………değiĢimi....………... ... 51
ġekil 5.27 : Sabit sıcaklıkta bataryanın dolma direncinin Ģarj durumuna bağlı ………değiĢimi ... 51
ġekil 5.28 : Bataryanın açık devre voltajının Ģarj durumuna bağlı değiĢimi ... 52
ġekil 5.29 : Bataryanın Simulink modeli. ... 53
ġekil 5.30 : SOC hesaplayıcısı alt-modeli ... 53
ġekil 5.31 : Ġç direnç alt-modeli. ... 54
ġekil 5.32 : Açık devre voltajı alt-modeli ... 54
ġekil 5.33 : Elektrik Motorunun sembolik tork-hız grafiği. ... 56
ġekil 5.34 : Sistem parametrelerine bağlı voltaj ve akım limit çemberleri [8] ... 57
ġekil 5.35 : Model Referans kontrolörünün mantıksal operasyonu [8] ... 60
ġekil 5.36 : Dinamik Model Referans PI Kontrolörlü Sabit Mıknatıslı Senkron ………Elektrik Motorunun Simulink Modeli………... ... 61
ġekil 5.37 : Sabit Mıknatıslı Elektrik Motor alt-modeli ... 62
ġekil 5.38 : d-q eksen takımları alt-modeli ... 62
ġekil 5.39 : Hız ve Tork hesaplayıcısı alt-modeli ... 63
ġekil 5.40 : Güç hesaplayıcısı alt-modeli ... 63
ġekil 5.41 : PI geri-besleme lineerleĢtirme kontrolörü alt-modeli. ... 65
ġekil 5.42 : PI kontrolörü alt-modeli. ... 65
ġekil 5.43 : d-q eksen takımları referans voltaj hesaplayıcısı alt-modeli. ... 66
ġekil 5.44 : Seri Hibrit Sistemin entegre edileceği Prestij BG659J aracı ... 67
ġekil 5.45 : Eğimli yolda giden araç üzerine etkiyen boylamsal dıĢ kuvvetler [6] ... 69
ġekil 5.46 : Yuvarlanma direncinin açıklanması [6] ... 70
ġekil 5.47 : Dik tekerlek kuvvetinin hesaplanması [6] ... 71
ġekil 5.48 : DıĢ kuvvetler alt-modeli ... 72
ġekil 5.49 : Yanal araç kinematiği [6] ... 73
ġekil 5.50 : Tek yol araç modelinin Ģematik gösterimi ... 74
ġekil 5.51 : Aracın Simulink Modeli. ... 75
ġekil 5.52 : Lastik kuvvetleri ve momentleri ... 75
ġekil 5.53 : Yanal ve boylamsal tekerlek kuvveti ve momentinin gösterimi ... 76
ġekil 5.54 : Tekerlek kayma açısı ... 76
ġekil 5.55 : Kayma oranının fonksiyonu olarak boylamsal tekerlek kuvveti [6] ... 78
ġekil 5.56 : Lineer tekerlek alt-modeli ... 79
ġekil 5.57 : Direksiyon açısı projeksiyonu alt-modeli ... 80
ġekil 5.58 : Araç dinamiği alt-modeli. ... 81
ġekil 5.59 : Tekerlek açısal hızı alt-modeli ... 82
ġekil 5.60 : Kinematik bağıntılar alt-modeli ... 83
ġekil 6.1 : Seyir kontrol sisteminin yapısı. ... 85
ġekil 6.2 : Araç seyir kontrolü Simulink modeli ... 86
ġekil 6.3 : Üst seviye seyir PI kontrolörünün geri-besleme döngüsü ... 87
ġekil 6.4 : Aday fonksiyonları ile sürücüyü modellemede kullanılan bulanık mantık …….Ģeması [9]………. ... 88
ġekil 6.5 : Sürücü bulanık mantık kontrolörü kural grafiği , hız hatası çıkıĢ-ivme ……..pedalı giriĢ………... ... 89
ġekil 6.6 : Üst seviye seyir bulanık mantık kontrolörünün alt-modeli ... 89
ġekil 6.7 : Üst seviye seyir kontrolörü alt-modeli ... 90
ġekil 6.15 : Güç dağıtımı hesaplayıcısı alt-modeli ... 97
ġekil 6.16 : Bulanık mantık kural tabanlı kontrolör alt-modeli ... 97
ġekil 6.17 : Fuzzy Logic Toolbox ... 98
ġekil 6.18 : Sürücü gücünün aday fonksiyonları ... 98
ġekil 6.19 : Batarya Ģarj durumunun aday fonksiyonları ... 99
ġekil 6.20 : Ġçten yanmalı motorun aday fonksiyonları ... 99
ġekil 6.21 : Bulanık mantık tabanlı enerji yönetim stratejisi kuralları ... 100
ġekil 6.22 : Seri Hibrit Elektrikli Araç Simulink Modeli ... 101
ġekil 7.1 : NEDC sürüĢ çevrimi ... 103
ġekil 7.2 : NEDC’nin Signal Builder’da oluĢturulmuĢ profili ... 104
ġekil 7.3 : Tam hibrit modunda ECE-15 sürüĢ çevriminde silindirlerde strok baĢına ……..harcanan toplam yakıt miktarı ... 105
ġekil 7.4 : Tam hibrit modunda ECE-15 sürüĢ çevriminde silindirlere enjekte edilen ……..yakıt debisi ... 105
ġekil 7.5 : Tam hibrit modunda EUDC sürüĢ çevriminde silindirlerde strok baĢına ……..harcanan toplam yakıt miktarı………106
ġekil 7.6 : Tam hibrit modunda EUDC sürüĢ çevriminde silindirlere enjekte edilen ……..yakıt debisi ... 106
ġekil 7.7 : Sadece içten yanmalı motor modunda ECE-15 sürüĢ çevriminde ...silindirlerde strok baĢına harcanan toplam yakıt miktarı ... 107
ġekil 7.8 : Sadece içten yanmalı motor modunda ECE-15 sürüĢ çevriminde ……..silindirlere enjekte edilen yakıt debisi... 107
ġekil 7.9 : Sadece içten yanmalı motor modunda EUDC sürüĢ çevriminde …...silindirlerde strok baĢına harcanan toplam yakıt miktarı ... 108
ġekil 7.10 : Sadece içten yanmalı motor modunda EUDC sürüĢ çevriminde ………silindirlere enjekte edilen yakıt debisi ... 108
ġekil A.2 : HVH250 HT Elektrik Motorunun özellikleri ... 117
ġekil C.1 : ECE-15 sürüĢ çevriminde zamana bağlı yakıt tasarrufu ... 121
ġekil C.2 : EUDC sürüĢ çevriminde zamana bağlı yakıt tasarrufu ... 121
ġekil C.3 : ECE-15 sürüĢ çevriminde sürücü gücünün değiĢimi... 122
ġekil C.4 : ECE-15 sürüĢ çevriminde batarya Ģarj durumunun değiĢimi ... 122
ġekil C.5 : ECE-15 sürüĢ çevriminde batarya gücünün değiĢimi ... 123
ġekil C.6 : ECE-15 sürüĢ çevriminde içten yanmalı motor gücünün değiĢimi…... 123
ġekil C.7 : EUDC sürüĢ çevriminde sürücü gücünün değiĢimi... 124
ġekil C.8 : EUDC sürüĢ çevriminde batarya Ģarj durumunun değiĢimi ... 124
ġekil C.9 : EUDC sürüĢ çevriminde batarya gücünün değiĢimi ... 125
SEMBOL LĠSTESĠ
HEV
DOH : Hibritlik derecesi max,EM
P : Maksimum elektrik motoru gücü (KW)
max,ICE
P
: Maksimum içten yanmalı motor gücü (KW)req
:
Talep edilen sürücü torku (N.m)bat
R : Batarya direnci (Ohm)
bat
P : Batarya gücü (KW)
e
: Ġçten yanmalı motor verimi
bat
: Batarya verimi in man
p
: Emme manifoldu hava giriĢ basıncı (Pascal)m
inman : Emme manifolduna gelen hava kütlesi (kg)egman
p
: Egsoz manifoldu hava çıkıĢ basıncı (Pascal) egmanm
: Egsoz manifoldundan çıkan hava kütlesi (kg)engine
w
: Motor krank mili açısal hızı (rad/sn) compP
: Kompresör gücü (KW)egr
W : Egsoz gaz sirkülasyonu kütlesel debisi (kg/sn)
turbine
W
: Türbinden geçen kütlesel debi (kg/sn)fuel
W
: Sürücü ivme pedalı giriĢinden hesaplanan yakıt debisi (kg/sn) compinW
: Kompresörden emme manifolduna gelen kütlesel debi (kg/sn) inengineW
: Emme manifoldundan motor silindirine giden kütlesel debi (kg/sn)inman
V
: Emme manifoldu hacmi (m3) egmanT : Egsoz manifoldundaki hava sıcaklığı (Kelvin)
inman
T
: Emme manifoldundaki hava sıcaklığı (Kelvin)ambient
T : DıĢ hava sıcaklığı (Kelvin) : Öz-ısı oranı
ideal
R : Ġdeal gaz sabiti engineeg
W
: Motor silindirinden egsoz manifolduna giden kütlesel debi (kg/sn) egmancomp
P
: Kompresör gücü (KW)turbine
P
: Türbin gücü (KW) turbow
: TurboĢarj milinin açısal hızı (rad/sn)turbo
J : TurboĢarj mili atalet momenti (kg m ) . 2 p
c
: Havanın öz-ısısı (kj/kg.K) turbine
: Türbin verimi ambientp
: DıĢ hava basıncı (Pascal) lag
: Turbo gecikme zaman sabiti (sn)turbo
: TurboĢarj verimi comp
: Kompresörün izentropik verimi engineT
: Motor torku (N)sürtünme
T
: Sürtünme ve pompa kayıplarından kaynaklanan tork (N) loadT : Yük torku (N) engine
: Motor verimi LHVQ
: Kullanılan yakıtın alt kalorifik değeri (kj/K) fuelm
: Yakıt kütlesi (kg) egman
: Egsoz manifoldundaki teorik hava oranı vol
: Hacimsel verim inman
: Emme manifoldundaki havanın yoğunluğu (kg m/ 3)disp
V : Motor silindirlerinin yerdeğiĢtirme hacmi (m3)
engine
N : Motor hızı (RPM)
f
: Rotor mıktatıslarından kaynaklanan stator üzerindeki akı sabiti sw : Stator frekansı (rad/sn)
s
R : Stator direnci (Ohm)
outgen
P : Generatör çıkıĢ gücü (KW) c
R
: Bataryanın dolma direnci (Ohm)p
V
: Batarya iç-kapasitans gerilimi (Volt)bat
V
: Batarya terminal gerilimi (Volt) reqP
: Bataryanın güç talebi (KW)cap
Max
: Bataryanın maksimum kapasitesi rw
: Rotor hızı (rad/sn)d
V : d-ekseni gerilimi (Volt)
q
V : q-ekseni gerilimi (Volt)
d
i : d-ekseni akımı (Amper)
q
i : q-ekseni akımı (Amper)
s
R
: Faz direnci (Ohm) m
: Zıt-emk sabitiq
L
: q-fazı indüktansı (Henry)d
L
: d-fazı indüktansı (Henry) emT
: Ani tork çıkıĢı (N.m) tk
: Tork sabiti xfF
: Ön tekerlek boylamsal tekerlek kuvveti (N) xrF
: Arka tekerlek boylamsal tekerlek kuvveti (N) aeroF
: EĢdeğer boylamsal aerodinamik sürüklenme kuvveti (N) xfR
: Ön tekerlek yuvarlanma direnci kuvveti (N) xrR
: Arka tekerlek yuvarlanma direnci kuvveti (N) : Yolun eğimi (deg)
g : Yerçekimi ivmesi (m sn ) / 2 m : Aracın kütlesi (kg) air
: Havanın yoğunluğu ( 3 / kg m ) fA
: Aracın ön yüzey alanı (m2)d
C
: Sürüklenme katsayısı wind V : Rüzgarın boylamsal hızı (m sn/ ) x V : Aracın boylamsal hızı (m sn/ ) zfF
: Ön tekerleğe etkiyen normal kuvvet (N)zr
F
: Arka tekerleğe etkiyen normal kuvvet (N)f
: Yuvarlanma direnci katsayısıx
stat
r
: Lastiğin statik yarıçapı (m)h : Aracın ağırlık merkezinin yerden yüksekliği (m)
aero
h : EĢdeğeraerodinamik kuvvetin uygulanma yerinin yerden yüksekliği
f
l : Aracın ön tekerlek ekseni ile ağırlık merkezi arasındaki boylamsal
………...mesafe (m)
r
l
: Aracın arka tekerlek ekseni ile ağırlık merkezi arasındaki boylamsal………...mesafe (m)
eff
r : Efektif tekerlek yarıçapı (m)
yf
F : Ön tekerlek yanal kuvveti (N)
yr
F : Arka tekerlek yanal kuvveti (N)
z
M
: Dönme atalet momenti (kg m ) . 2 vf
: Aracın boylamsal ekseni ile ön tekerleğin hız vektörünün yaptığı açı………(rad)
vr
: Aracın boylamsal ekseni ile arka tekerleğin hız vektörünün yaptığı açı………...(rad)
: Ön tekerlek direksiyon açısı (rad)f
C : Ön tekerlek boylamsal rijitliği
r
C : Arka tekerlek boylamsal rijitliği
: Hesaplanan Ģasi kuvvetleri ve momentine bağlı olarak kayma açısı
………...(rad)
V : Araç hızı (m sn/ )
: Yalpa açısı (rad)
f
w : Ön tekerleğin açısal hızı (rad/sn)
r
w : Arka tekerleğin açısal hızı (rad/sn)
w
J
: Tekerleğin atalet momenti (kg m ) . 2 fT
: Ön tahrik torku (N.m) rT
: Arka tahrik torku (N.m)xf
V : Aracın boylamsal ön tekerlek hızı (m sn/ )
xr
V : Aracın boylamsal arka tekerlek hızı (m sn/ )
x
: Aracın güncel boylamsal ivmesi (m sn/ 2)des
x
SERĠ HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARACIN MODELLENMESĠ VE BULANIK MANTIK TABANLI ENERJĠ YÖNETĠM STRATEJĠSĠNĠN UYGULANMASI ÖZET
Tükenmekte olan fosil yakıtlar, emisyon gazlarının çevreye zararları, yakıt sarfiyatının çok olması gibi olumsuz etkiler yüzünden araçlarda alternatif enerji kaynaklarının geliĢtirilmesine yönelik çalıĢmalar sürmektedir. Bu olumsuz etkilerin üstesinden gelebilecek sistemlerden birisi de hibrit elektrikli araçlardır.
90’lı yılların sonundan bu yana hibrit elektrikli araçlar otomotiv piyasasında artarak ve geliĢerek yer almıĢtır. Yalnızca batarya veya yakıt pillerinden beslenen elektrikli araçlarının maliyetlerinin yüksek olması, uzun Ģarj süreleri ve kısa menzilleri, ayrıca yakıt pillerinin verim problemleri, hidrojenin depolanmasının zorluğu gibi sebepler yüzünden üretimde hibrit araçlar tercih edilmektedir.
Bu tez, seri hibrit elektrikli aracın bilgisayar ortamında modellenmesi ve kontrolü üzerine yoğunlaĢmaktadır. Yakıt tüketimini azaltmak için bulanık mantık kural tabanlı güç yönetim algoritması geliĢtirilmiĢ ve bu aracın klasik araç ile yakıt tüketimi bazlı karĢılaĢtırılması simülasyonlarla incelenmiĢtir.
Tüm sistem modellendikten sonra, aĢağıdaki çalıĢma modlarının her birisi için enerjinin ne kadarının içten yanmalı motordan, ne kadarının bataryadan sağlandığı, ne kadarının bataryada depolandığı, elektrik makinasının frenleme esnasında tekerleklerden ne kadar enerji alıp bataryaya Ģarj ettiği hesaplanmıĢtır.
ÇalıĢma modları :
Aracın çalıĢmaya baĢlaması ve düĢük hızlar : Ġçten yanmalı motorun veriminin düĢük olması nedeniyle bu evrede enerji, sadece bataryadan aktarılır ve elektrik motorunu sürer.
Normal çalıĢma: Ġçten yanmalı motorun verimli çalıĢma noktalarında bataryanın çok fazla tüketilmemesi ve performans kaybı olmaması için içten yanmalı motor devreye girer.
Ani hızlanma: Aracın ani hızlanma durumu göz önüne alınmıĢtır. Elektrik motorlarına iki kaynaktan da enerji tam performans ile aktarılır.
Geri kazanımlı frenleme: Araç yavaĢlama sırasında elektrik motorları generatör olarak çalıĢır ve aracın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çevirerek bataryayı Ģarj eder.
Batarya Ģarjı: Aracın batarya Ģarj durumu azaldığında içten yanmalı motor verimli bölgelerinde çalıĢtırılarak generatör aracılığı ile batarya Ģarj edilir. Ġlk bölümde, hibrit elektrikli araçlar hakkında genel bilgiler verilmiĢ ve avantajları üzerinde durulmuĢtur.
Ġkinci bölümde, hibrit elektrikli araç konfigürasyonları ve özellikleri hakkında bilgiler verilmiĢtir.
Üçüncü bölümde, hibrit elektrikli araçlarda kullanılan ana elemanlar ve bu elemanların özellikleri anlatılmıĢtır.
Dördüncü bölümde, hibrit elektrikli araçların enerji yönetim stratejilerinin tasarım yöntemleri irdelenmiĢtir.
BeĢinci bölümde, seri hibrit elektrikli aracı oluĢturan elemanların ve aracın Matlab&Simulink ortamında modellenmesi yapılmıĢtır.
Altıncı bölümde, seri hibrit elektrikli aracın boylamsal hız kontrolü ve aracın çalıĢma modlarına göre enerji yönetim stratejisine bağlı bulanık mantık-tabanlı güç dağılımı kontrolü, yakıt sarfiyatını minimize eden kontrol sistemi tasarlanmıĢtır.
Yedinci bölümde, NEDC sürüĢ çevrimi kullanılarak, sadece içten yanmalı motor çalıĢtırıldığında harcanan yakıt ile güç dağılım kontrolüne dayalı sistemin çalıĢtırılması sonucu harcanan yakıt miktarı, simulasyon sonuçlarına bağlı olarak karĢılaĢtırılmıĢtır ve bu sonuçlar analiz edilmiĢtir.
MODELING OF SERIES HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND DESIGN OF A FUZZY RULE BASED ENERGY MANAGEMENT STRATEGY
SUMMARY
The researchs have been progressing about developing altenative energy sources in vehicles because of the adverse effects of depleting fossil fuels, harmful effects of the emission gases to the environment, high level fuel consumption.One of the system to compansate these adverse effects is hybrid vehicles.
Since the end of 90’s, hybrid electric vehicles took place by increasing and developing in automotive market. Hybrid electric vehicles are being preferred in automotive industry because of the high costs, long charging times and short distances, in addition to efficiency problems of fuel cells, difficulties of hydrogen storage of the only battery or fuel cell electric vehicles.
This thesis is concentrating on the modeling and controlling series hybrid electric vehicle in computer environment.To minimize fuel consumption, the fuzzy rule based energy management algorithm have been developed and compared the fuel consumption between the conventional vehicle and series hybrid electric vehicle in simulations.
After modeling the whole system, it was calculated for the each following operating modes , how much energy was supplied from internal combustion engine and battery, how much energy was stored in battery, how much kinetic energy was regenerated during braking from electrical machines, where have been implemented in wheels.
Operating modes :
To start working the vehicle and run at low speeds: Because of the low efficiency of the internal combustion engine, the energy is transferred only from battery and battery drives the electric motor.
Normal mode: At the region, in which the internal combustion engine is efficent , in order to save the stored energy in batteries and not to cause any performance losses, the internal combustion engine has to be engaged.
Accelerating mode: In this mode , the accelerating situation is being considered.The energy will be transferred to the electric motors from each energy source at full performance.
Regenerative braking mode: During braking the vehicle, the electric motors are operating as a generator and the kinetic energy is transformed in to electrical energy, which charge the battery.
Battery charge mode: When the state of charge level of the battery is decreasing, the internal combustion engine runs on its effienct areas and charge the battery by the help of the generator.
In First chapter, it has been focused on the general information and advantages of the hybrid electric vehicles.
In second chapter, the informations have been given about the hybrid electric vehicle configurations and its main features.
In third chapter, the main components, which are using in hybrid electric vehicles and the characteristics of these components have been explained.
In fourth chapter, the design methods of the energy management strategy in hybrid electric vehicles have been considered.
In fifth chapter, the modeling of the series hybrid electric vehicle and its components have been made in Matlab&Simulink program.
In sixth chapter, the longitudinal speed control and according to the vehicle operating modes dependent on the energy management strategy, a fuzzy rule based power distribution control has been designed.
In seventh chapter, by using the NEDC driving cycle, the consumed fuel rate,when only internal combustion engine runs have been compared with the consumed fuel rate,when the system dependent on the power distribution control runs, related to the simulation results and this results have been analyzed.
1. GĠRĠġ
1.1 Hibrit Elektrikli Araç Teknolojisine Genel Bir BakıĢ
Geleneksel araçlar, fosil yakıtları kullanan (gaz ya da dizel) içten yanmalı motor ilkesine bağlı olarak çalıĢırlar. Ġçten yanmalı motorlu araçlar, egsozlarından karbondioksit, hidrokarbon, sülfüroksit, karbonmonoksit salınımı yapar. Bu gazlar, küresel ısınmaya sebep olduğu gibi, hem çevreye hem de canlılara karĢı zararlı etkiler göstermektedir. Aynı zamanda fosil yakıtlar tükenmekte olduğundan fiyatları da oldukça yüksektir. Bu ve bununla iliĢkili sorunlar yüzünden araç üreticileri, yakıtı verimli kullanan araçlar geliĢtirme arayıĢına girmiĢlerdir. Bu tip araçlar, hibrit elektrikli araç olarak adlandırılırlar.
Uzun zamanlardan beri, elektrikli (batarya ile çalıĢan) araçlar bulunmaktadır. Bu araçlar, düĢük akustik gürültü ve sıfır emisyon sağlamaktadır. AĢırı verimsiz içten yanmalı motorlu araçlarla karĢılaĢtırıldığında bir çok avantajı olsa da, batarya kapasiteleri sınırlı olduğundan, Ģarj edilmeksizin sürüĢ mesafeleri kısadır. Enerji depolama ve üretilen elektrik enerjisinin batarya verimliliği ve batarya kapasitesine bağlı olma sorunlarından dolayı, etkin çözüm olarak iki güç kaynağının da birlikte kullanıldığı hibrit araçlar tercih edilmiĢtir.
HEA’ların aĢağıdaki kriterleri sağlaması gerekmektedir.
Performans: Menzil, ivmelenme kapasitesi, tırmanma kabiliyeti ve yüksek hız
Emisyonların, uluslar arası emisyon limitleri standartlarına göre azaltılması
Güvenlik: Yol tutuĢ, frenleme kabiliyeti, kazalara dayanıklılık
ÇalıĢma maliyeti ve tasarım maliyeti
ġarj edilebilme ve yakıt doldurma uygunluğu
Güvenilirlik ve düĢük bakım maliyeti
Çizelge 1.1 : BEA , HEA , YHEA karakteristikleri.
1.2 Hibrit Elektrikli Araçların Avantajları
HEA’ların, gelecekte neden otomotiv endüstrisinde dünya çapında yer alacağının bir çok sebebi vardır.
1. Ġçten yanmalı motor daha küçük, hafif ve daha verimlidir. Çünkü maksimum güç talebi yerine ortalama güç talebine göre boyutlandırılır.
2. Standart bir içten yanmalı motor, gerekli hız ve güç aralığının üzerinde tasarlanır. Yüksek hızlarda motor verimi düĢer. Hibrit aracın motorunda ise, motor en yüksek veriminin olduğu aralıkta çalıĢır.
3. Elektrik motorlarının güç eğrisi, değiĢken hızlara karĢı duyarlıdır ve içten yanmalı motora kıyasla yüksek torklara düĢük hızlarda ulaĢabilir.
4. Elektrik motoru, frenleme anında aracın kinetik enerjisinin bir bölümünü geri kazanıp, bataryayı Ģarj edebilir. Konvensiyonel araçlarda, mekanik frenleme sonucu, aracın kinetik enerjisi ısı enerjisi olarak dıĢarıya atılır.
5. Yüksek yakıt ekonomisi vardır. Benzin sarfiyatını, ve çevre kirliliğine sebep olan emisyonları azaltır.
2. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇ KONFĠGÜRASYONLARI
2.1 Hibrit Elektrikli Araçların Sınıflandırılması
HEA’lar en az iki farklı enerji kaynağına sahiptir. Bu iki güç kaynağı genellikle, içten yanmalı motor ve elektrik motorudur. Temel amaç, yakıt sarfiyatını ve emisyonları, herhangi bir performans kaybı olmayacak ölçüde düĢürmektir.
Elektrik motoru, geçici rejim güç değiĢimlerinin üstesinden gelebilecek, içten yanmalı motorun yüksek verimlerde çalıĢmasını ve düĢük egsoz emisyonlarını tutturmasını sağlatabilecek Ģekilde tasarlanmalıdır. Bu yüzden içten yanmalı motorun boyutları azalmakta ve yakıt tasarrufu sağlanmaktadır.
Hibrit elektrikli araçların tasarlanıĢında değiĢik kombinasyonlar vardır. Hibrit elektrikli araç tasarımları, her hibrit elemanın güç hattına hangi oranlarda güç sağlaması gerektiğine, hangi zamanlarda ve Ģartlarda devreye girmeleri gerektiğine ve güç hattının yapısına göre sınıflandırılırlar. Seri, paralel, seri-paralel ve kompleks olmak üzere dört ana kategori vardır.
ġekil 2.1 ve ġekil 2.2’de, fonksiyonel blok diagramları gösterilmiĢtir. Elektrik, mekanik ve hidrolik bağlantılar Ģemada gösterilmiĢtir.
Seri hibrit elektrik araçların anahtar özelliği, elektrik motorlarına gelen elektrik gücünün, içten yanmalı motor/generatör çifti ve bataryanın güçlerinin toplamından oluĢmasıdır. Elektrik motorları da sürücü güç talebine uygun olarak aracı sürmektedir.
Paralel hibrit elektrikli araçlarda ise, mekanik güç içten yanmalı motordan ve elektrik motorundan ayrı ayrı veya birlikte sürücü güç talebini karĢılayacak Ģekilde gelebilmektedir.
Seri-paralel hibrit elektrikli araç, ise hem seri hem de paralel hibrit elektrikli araç sistemlerinin tek bir sistem Ģeklinde birleĢtirilmesi ilkesine dayanır.
ġekil 2.3:HEA’larda enerji akıĢ Ģeması [1].
2.1.1 Seri hibrit elektrikli araçlar
Seri HEA’larda, içten yanmalı motor tahrik hattına direkt olarak bağlanmamıĢtır. Gücünü, generatör aracılığı ile aktarmaktadır ve aynı zamanda bataryayı Ģarj edebilmektedir. Ġçten yanmalı motor, batarya Ģarj durumuna ve sürücü güç talebine göre, sabit çalıĢma noktasında (optimum performansı verecek hızda) ya da sınırlandırılmıĢ aralıklı çalıĢma noktalarında yüksek verimde çalıĢmaktadır.
Aracı sürmek için, bazı prototiplerinde her tekerlekte ayrı ayrı elektrik motorları bulunmaktadır. Bu konumlandırma, her tekerleğe aktarılan gücü kolay bir Ģekilde kontrol edebilme imkanı sunmakta ve çekiĢ kontrolünü kolaylaĢtırmaktadır. Bu konfigürasyonun avantajlarından birisi de, içten yanmalı motor ve tekerlekler
arasında mekanik bağlantı olmaması sayesinde, sistemin esnekliğinin sağlanmasıdır. Bazı tasarımlarda, arka veya ön tekerlekleri tahrik eden büyük bir elektrik motoru kullanılmaktadır.
Seri HEA sisteminin dezavantajı ise, bazı paralel HEA konfigürasyonlarında birleĢtirilebilen generatör ve elektrik motorunun ayrılmasını gerektirmesidir. Elektrik motoru ve generatörün birleĢmiĢ verimi, konvensiyonel aktarma organlarından daha düĢük olduğundan, bu sayede verim kazancı sağlanacaktır. Buna rağmen, seri HEA’lar, Ģehir içinde ve sürekli dur-kalk durumlarında daha verimlidir.
2.1.2 Paralel hibrit elektrikli araçlar
Paralel HEA’larda, hem elektrik hem de içten yanmalı sistemler mekanik güç aktarımında devreye girmektedir. Paralel HEA’lar, kendi aralarında sürücü gücünün dağılımı oranını temel alarak, değiĢik alt sistemler Ģeklinde sınıflandırılır. Bazı durumlarda, içten yanmalı motor sürücü gücünü karĢılamada baskın eleman olup, batarya gücü destek eleman olarak kullanılır.
Bazen, elektrik sistemi tek baĢına çalıĢır. Bir çok tasarımda, elektrik motoru ve içten yanmalı motor güç aktarım organı aracılığıyla birleĢtirilerek ortak bir Ģekilde aracı tahrik ederler. Seri HEA’lardan farklı olarak, tekerlekler ve içten yanmalı motor arasında her zaman bir mekanik bağlantı vardır.
DüĢük hızlarda, sadece elektrik motoru devreye girer. Yüksek hızlarda, içten yanmalı motor da ek olarak çalıĢmaya baĢlar. Bu sayede yakıtın verimsiz kullanılmasının önüne geçilir ve içten yanmalı motor gereksiz yüklemelerden kurtulur. Uzun yolculuklarda ve otoyollarda kullanılması daha elveriĢlidir.
2.1.3 Seri-Paralel hibrit elektrikli araçlar
Bu konfigürasyonda seri ve paralel HEA yapıları tek bir sistemde birleĢtirilmiĢtir. Daha esnek güç yönetimi seçenekleri vardır ve sistemin kontrol edilmesi daha karmaĢıktır. Sistem aĢağıdaki modlara göre çalıĢır;
• Araç dururken çalıĢmaya baĢladığında, ya da düĢük hızlarda giderken, içten yanmalı motoru durur ve sadece elektrik motoru aracılığıyla tekerlekler sürülür.
• Normal takipte, kontrolör içten yanmalı motor çıkıĢı gücünü, generatör ve tekerleklere dağıtır. Generatör aracılığıyla batarya Ģarj edilir.
• Tam ivmelenme durumunda, hem elektrik motoru hem de içten yanmalı motor tekerlekleri sürer.
HEA’ların tasarımındaki temel zorluklar;
Birden çok olan enerji kaynaklarını yönetmek
Sistemin, dıĢarıdan gelen sürücü güç talebine göre değiĢik modlarda çalıĢması ve mod geçiĢ problemleri
Bataryanın boyutlandırılması ve seçimi
2.2 Hibritlik Derecesi
Tasarımcının sistem elemanlarını boyutlandırmadan önce yapması gereken ilk iĢ, aracın içten yanmalı motor ağırlıklı mı, yoksa elektrik motoru ağırlıklı mı olacağını belirlemektir. Elektrik motoru ağırlıklı bir aracın, ana itki sistemi elektrik motorudur. Bu yüzden, içten yanmalı motorun boyutları daha küçük olacaktır. Bataryayı Ģarj ederken ve yüksek güç taleplerinde devreye girerek yardımcı eleman olarak kullanılacaktır. Batarya paketi de, elektrik motorunun gücü artacağından büyüyecektir.
Eğer içten yanmalı motor ağırlıklı olursa, bu sefer elektrik motoru küçülecek ve yardımcı eleman olarak kullanılacaktır. Aynı zamanda batarya paketi de küçülecektir.
Aracın hibritlik derecesinin saptanması, araç konfigürasyonunun paralel veya seri olmasını ve kontrol stratejisinin belirlenmesini sağlayacak önemli bir basamaktır. Hibritlik derecesi, 0-1 arasında değiĢir ve iki enerji kaynağının maksimum güç çıktılarını dikkate alarak aĢağıdaki formüle göre hesaplanır [3].
max, max, max, max,
1
EM ICE HEV EM ICEP
P
DOH
P
P
(2.1)Bu denklemde, DOHHEV hibritlik derecesini , Pmax,EM maksimum elektrik motor gücünü,
P
max,ICE maksimum içten yanmalı motor gücünü göstermektedir. SeriHibritlik derecesi, önemli bir mekatronik tasarım kriteridir. Hangi sistemin (Ġçten yanmalı motor ya da elektrik motoru ya da her ikisi) kontrolüne ağırlık verileceği ve genel güç dağılım stratejisinin nasıl olması gerektiği hakkında tasarımcıya bilgi verir.
ġekil 2.7: HEA için hibritlik derecesi grafiği [3].
Ġçten yanmalı motor ağırlıklı sistemlerde, motorun çeĢitli çalıĢma noktalarındaki verim haritaları çıkartılır ve motorun en verimli olduğu optimum çalıĢma noktası seçilir. Kontrol stratejisinin de öncelikli olarak yakıt kullanımını minimize etmeye ve içten yanmalı motorun verimliliğine odaklanması gerekmektedir.
ġekil 2.8’deki dairesel eĢ-yükselti eğrileri sabit verimi göstermektedir. Kesik çizgiler, sabit güç eğrilerini göstermektedir. “x”ler 66 KW dizel motor’un çeĢitli sürüĢ devirlerindeki çalıĢma noktalarıdır. “x” noktaları ile verimin maksimum olduğu noktalar arasındaki iliĢki incelendiğinde, eğer sisteme 20 KW gücünde bir elektrik motoru eklenirse içten yanmalı motor optimum çalıĢma noktasına kaydırılabilecektir. Bu metod, sistemin sınır değerlerini belirlemek açısından oldukça kullanıĢlıdır [3].
ġekil 2.8: ÇalıĢma noktalarına bağlı içten yanmalı motor verim haritası [3]. HEA’lar, hibritlik derecesine göre aĢağıdaki gibi sınıflandırılır.
2.2.1 Tam hibrit elektrikli araçlar
Tam HEA’lar, sadece batarya, sadece içten yanmalı motor ya da içten yanmalı motor ve bataryanın kombinasyonunun tahriki ile çalıĢırlar. Toyota Prius ve Ford Escape, sadece batarya ile çalıĢan araçlara örnektir. Bu yüzden, yüksek kapasiteli büyük batarya grubuna ihtiyaç vardır.
Bu araçların sürücü hatlarında, esnekliğe izin veren güç dağıtım yolu bulunmaktadır. Her bölümdeki güçleri dengelemek için, diferansiyel, içten yanmalı ve elektrik motoruna bağlı aktarma organı bulunmaktadır.
2.2.2 Yardımcı hibrit elektrikli araçlar
Bu tip HEA’lar, içten yanmalı motoru ana güç elemanı olarak kullanırlar ve ek olarak konvansiyonel güç hattına bağlı yardımcı bir elektrik motoru vardır. Elektrik motoru, sürücü gaz pedalına basıldığında, ekstra güç ihtiyacı için devreye girer. Tam HEA’lardan farkı ise, sadece elektrik gücü ile çalıĢmamasıdır. Ek güç ihtiyacı ne kadar düĢük olursa, batarya sisteminin boyutları da o kadar düĢmektedir.
2.2.3 Hafif hibrit elektrikli araçlar
Bu tip HEA’larda, normale göre boyutu büyütülmüĢ baĢlatıcı elektrik motoru bulunmaktadır. Ġçten yanmalı motorun, araba yokuĢ aĢağı indiğinde, frenlendiğinde ya da durduğunda, devre dıĢı kalmasını sağlar. Ġçten yanmalı motor kapalı olduğunda, elektrikle çalıĢan elemanların çalıĢması devam eder ve elektrik moturu, generatör olarak çalıĢıp geri-kazanım frenlemesindeki kinetik enerjiyi depo edebilir. 2.2.4 Tekerlek içi motor kullanan hibrit elektrikli araçlar
HEA’lardaki yeni bir geliĢme de, her tekerlekte bir elektrik motorunun olmasıdır. Bu HEA kategorisinde, küçük boyutlardaki elektrik motorlarının Ģaftı, her bir tekerleğe bağlanmıĢtır. Bu sayede, sürüĢ torkunu ve frenleme kuvvetini her tekerlekte bağımsız olarak ayarlamak ve bunu herhangi bir aktarma organı, sürücü Ģaftı, ya da baĢka kompleks mekanik elemanlar kullanmadan yapmak mümkündür.
Fırçalı DC-doğru akım motorları bu uygulama için uygun değildir. Çünkü, düĢük tork yoğunluğu ve aĢırı yüklenme kapasitesi vardır.
Kullanılacak elektrik motorunun aĢağıdaki özellikleri sağlaması gerekmektedir;
DüĢük hızlarda yüksek tork
DüĢük ağırlık ve yol tutuĢ kalitesini sağlamak için, tekerlek çapına uygun ve bağlanabilecek kapasitede olması
Kilogram ve motor hacmi baĢına yüksek tork
DeğiĢen sürüĢ koĢulları (değiĢen tork ve hızlar) altında, genel devir verimliliği
3. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇLARDA KULLANILAN ELEMANLAR
3.1 Batarya
Bataryalar, tahrik için elektrik motorlarında mekanik enerjiye çevrilen portatif elektrik enerjisi kaynaklarıdır. HEA uygulamalarında kullanılan bir çok batarya çeĢidi vardır. Bunlar, KurĢun-Asit, Nikel-Demir, Nikel-Kadminyum, Nikel –Metal Hidrit, Lityum Polimer, Lityum Demir, Sodum Sülfür ve Sodyum Metal Klorit vb… Batarya Performans Kriteri, Öz Enerji, Enerji Yoğunluğu, Öz Güç, Gerilim, Amper Saat Verimi, Enerji Verimi, Kullanılabilirlik, Maliyet, ÇalıĢma Sıcaklığı, BoĢalma Oranı, YaĢam Döngüsü ve Yenilenme Oranı parametrelerine bağlı olarak değiĢmektedir. Tasarımcının aynı zamanda enerji kullanılabilirliğinin, çevre sıcaklığı, dolma-boĢalma oranları, batarya geometrisi, optimum sıcaklık, Ģarj metodları, soğutma ihtiyaçlarına göre nasıl değiĢtiğini de bilmesi gerekmektedir [4]. 3.1.1 Bataryanın parametreleri
Öz-BoĢalma Direnci:
DüĢük gerilimdeki batarya terminali boyunca yavaĢ kaçak ve yüksek gerilim değerlerindeki suyun elektrolizi ile iliĢkili dirençtir. Bu direnç, sıcaklığa duyarlı ve sıcaklık ile ters orantılıdır.
Dolma ve BoĢalma Direnci:
Plaka, akıĢkan ve elektrolit direnci ile ilgilidir. Batarya dolarken ve boĢalırken değiĢmektedir.
AĢırı-Dolma ve AĢırı-BoĢalma Direnci:
AĢırı dolma ve boĢalma esnasında elektrotların difüzyonu ile iliĢkili dirençtir. Kutuplanma Kapasitansı:
Kimyasal difüzyondan kaynaklanan kapasitanstır. Bataryanın Ģarj durumuna, sıcaklığına ve tasarımına bağlıdır.
BoĢalma Tipi:
Sürekli boĢalma: Bu durumda, batarya kapasitesinin sürekli düĢmesine sebep olan yüke, sürekli bir enerji akıĢı vardır.
Arada kesilen boĢalma: Bu durumda , batarya yüke düzenli ya da düzensiz aralıklarla enerji aktarır. HEA’larda gerilim kazanım periyodu tarafından takip edilen bazı periyotlar için, motor tarafından enerji çekilir.
BoĢalma Modu:
Sabit yük modu: Bu modda, batarya enerjisini sabit yüke aktarır. Yük akımı, batarya terminal voltajındaki düĢüm ile doğru orantılı olarak düĢer.
Sabit akım modu: Bu modda, batarya yüke sabit akım sağlar. Yüke sabit akım sağlayabilmek için, yük direnci sürekli olarak, batarya terminal voltajı düĢümü ile uyum sağlayacak Ģekilde azaltılarak elde edilir.
Sabit güç modu: Bu modda, batarya yüke sabit elektrik gücü sağlar. Yüke sabit güç sağlayabilmek için, yük akımı, gerilim düĢümünü kompanse edecek Ģekilde artar.
Dolma ve BoĢalma Oranı:
Bu oranın bataryanın ömrünün geniĢ olması için, çok yüksek olmaması gerekmektedir. Dolma ve boĢalma çevrimlerininin frekansları da batarya ömrünü önemli oranda etkiler. Dolma ve boĢalma arasındaki değiĢimin frekansı, özellikle HEA’larda çok yüksektir. Bu yüzden, bataryanın ömrü önemli ölçüde azalır [4].
Çizelge 3.2 : Elektrikli araç bataryalarının spesifik avantajları.
3.2 Elektrik Motoru
Elektrik motoru, elektrik enerjiyi mekanik enerjiye çevirir. Elektrik motoru, güç çevirici, elektronik kontrolörler, HEA’ların çekirdek itki sistemleridir.
Elektrik moturu seçimi, performans, bakım, boyutların uygunluğu gibi temel kriterlere bağlıdır. Sabit mıknatıslı motor alanındaki teknolojik geliĢmelerin sonucunda HEA’larda, bu motorların kullanılması yaygınlaĢmıĢtır. DüĢük atalet, yüksek verimlilik ve yüksek güç yoğunluğu ve düĢük boyutlara sahip olduğundan tercih edilmektedir.
HEA’larda kullanılacak elektrik motoru seçiminde aĢağıdaki kriterler gözetilmelidir: 1. Yüksek ani güç ve güç yoğunluğu
2. BaĢlangıç ve tırmanıĢ için düĢük hızlarda yüksek tork, normal seyir için yüksek hızlarda yüksek güç
3. Sabit-tork ve sabit güç bölgelerini de kapsayan çok geniĢ hız aralığı 4. Hızlı tork cevabı
5. GeniĢ hız ve tork aralıklarında yüksek verimlilik 6. Geri-kazanım frenlemesi için yüksek verimlilik
7. DeğiĢken çalıĢma koĢulları altında yüksek güvenilirlik ve kararlılık 8. Uygun maliyet
Çizelge 3.3 : Elektrik motorlarının değerlendirilmesi.
Bu yüzden, genellikle yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verimlere ulaĢtığından sabit mıknatıslı fırçasız motorlar tercih edilmektedir. Asenkron motorlar da kullanılabilmektedir.
3.2.1 DıĢ rotorlu sabit mıknatıslı tekerlek içi senkron motor
Genellikle hibrit araçlarda kullanılan tekerlek içi elektrik motorları , sabit sargılar içerde ve rotor da bu sargıların dıĢında dönecek Ģekildedir. Mıknatıslar üzerinde etkisi olan merkezkaç kuvvetinin , mıknatısların yataklamanın dıĢına çıkmasını engelleyici özelliğe sahip olan yapıya , motorların büyük çapta olması izin verir.Bu tür elektrik motorunun temel avantajı ,tork üretiminin çok hızlı ve etkili olmasıdır.
ġekil 3.1: Tekerlek içi elektrik motorunun Ģematik gösterimi.
3 fazlı sabit mıknatıslı senkron motorun rotoru dıĢ taraftadır ve sabit mıknatısları destekler. Motorun rotorunu direkt olarak tekerleğe yataklamak, torkun aktarma organı olmadan aktarılmasını ve geri-kazanımlı frenlemeyi sağlar. Aynı zamanda araç kontrolünü, frenlemeyi, çekiĢ gücünü ve sistemin kararlılığını kolaylaĢtırır. DıĢ rotorlu sabit mıknatıslı senkron motorlar, tekerlek içi motor sürücü sistemlerde yüksek tork ihtiyaçlarını karĢılamak üzere tasarlanmıĢlardır. Sabit mıknatıs olarak yüksek enerji yoğunluğundan dolayı genellikle Nd-FeB kullanılır. Hava boĢluğundaki manyetik akının sinüzoidal doğası, motorun vektör kontrol metoduna ve sinüzoidal kaynak gerilimine bağlı bir Ģekilde kontrol edilmesini mümkün kılar. Makine, düĢük hızlarda yüksek torklara çıkabilmektedir.
3.3 Ġçten Yanmalı Motor
Ġçten yanmalı motorlar kullanılan yakıta göre dizel ve benzin tabanlı olarak sınıflandırılır. Dizel ve benzin motorlar, yakıt enerjisini yanma ve sıkıĢtırma sonucunda mekanik enerjiye çevirir. Aralarındaki temel farklılıklardan bir tanesi yanma metodudur. Benzinli motorda, yakıt hava ile karıĢtırılıp pistonlarda sıkıĢtırılarak, buji yardımıyla ateĢlenir. Dizel motorda ise, öncelikle hava sıkıĢtırılır ve arkasından yakıt enjekte edilir. Havanın sıcaklığı, sıkıĢtırma esnasında yükselir ve yakıt ateĢlenir.
3.4 Evirici
Eviriciler, bataryadan gelen DC akımı AC akıma çevirmede kullanılırlar ve bu sayede elektrik motorunun sürülmesi sağlanır. Güç modülü, DC bağlantı kapasitörleri, sensörler, filtre ve kontrol sistemini içerir. Güç modülü, yüksek güçlere cevap veren BJT, MOSFET, IGBT, SCR gibi yarı-iletken elemanlardan oluĢmuĢtur. Anahtarlama elemanları, yüksek akım kapasitesine sahip olmalıdır.
3.5 Doğrultucu
Eviricilerin zıttına çalıĢırlar. Alternatif akımı, doğru akıma çevirmede kullanılırlar. Eviricilerin sahip olduğu elemanlara sahiptirler. Rejeneratif frenlemede, elektrik motorundan bataryayı Ģarj etmek ve generatördeki gücü ayırmak için, ara eleman olarak kullanılırlar.
4. HĠBRĠT ELEKTRĠKLĠ ARAÇLARDA ENERJĠ YÖNETĠM STRATEJĠLERĠ TASARIM YÖNTEMLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ
4.1 Tasarım Kriterleri
HEA’ların konfigürasyonlarının çeĢitliliği yüzünden, güç kaynaklarından üretilecek güç akıĢını ayarlamak için çeĢitli güç kontrol stratejileri gerekmektedir. Bu kontrol stratejilerinin temel amaçları:
1. Maksimum yakıt ekonomisi 2. Minimum emisyon
3. Minimum sistem maliyeti 4. Ġyi sürüĢ performansı
Bu yüzden, efektif kontrol algoritmalarına bağlı, çoklu enerji güç akıĢ kontrolü gerekmektedir. Sistemin tümünü kontrol edecek, güç kontrolörüne implemente edilen bir enerji yönetim stratejisi geliĢtirilmelidir. Bu strateji, bütün elemanlar arasındaki enerji akıĢını kontrol edecek ve güç üretimini optimize edecektir. HEA’ların efektif olması, bu iki alt enerji kaynağının (içten yanmalı motor ve batarya) her birinin genel sistem verimliliği açısından en iyi performansta çalıĢmasını sağlayacak optimum enerji yönetim stratejilerine dayalı kontrol sistemlerinin geliĢtirilmesine bağlıdır.
Genel olarak, optimal enerji yönetim stratejilerine dayalı kontrol sistemleri tasarım yaklaĢımları 4 kategoride sınıflandırılabilir:
1. Bulanık mantık-kural tabanlı metodlar
2. Performans indeksi ya da maliyet fonksiyonuna dayalı matematiksel optimizasyon metodları
3. Dinamik Programlama yaklaĢımı
Çizelge 4.1 : Enerji yönetim stratejilerinin kıyaslanması [5].
Metod Avantaj Dezavantaj
Kural tabanlı Uygulaması basit, kullanımı kolay
Kuralları ayarlaması zor, sezgisel düĢünme Matematiksel
Optimizasyon
Optimizasyon teorisine dayalı etkin yöntem
Bozucu girdilere karĢı güçlü değil, statik optimizasyon
Dinamik
Programlama Global optimizasyon imkanı
ĠĢlem süresi uzun, gelecekteki sürücü profili
tahminine bağlı
Akıllı Kontrol Robust
Ġleri derecede bilgi ve uzmanlık gerekli,
uyarlaması zor
Hibrit dinamik sistem H; aĢağıdakilerin birleĢiminden oluĢur;
( , , , , , , , , )
H Q X V Y init f E R
(4.1)
Q sayılabilir ayrık değiĢkenler seti, X sürekli değiĢkenler seti, V sonlu girdi değiĢkenleri, Y ise sonlu çıktı değiĢkenlerini ifade etmektedir.
initQxX baĢlangıç koĢulları seti, : n
f QxXxV R girdi-bağımlı vektör alanı,
EQxQayrık geçiĢlerin birleĢimi, R ExXxV: 2Xsürekli değiĢkenler setini atayan fonksiyon, :QxX 2V ise her duruma fiziksel sınırlar ve maksimum çalıĢma kapasitelerinden dolayı kabul edilebilir girdi setini atayan fonksiyondur [5].
1,
2,
3,
4,
5
q
q q q q q
Q
(4.2) Q; Durma-kalkma, aracın yavaĢ hareket etmesi, güç dağıtımı, paralel hibrit ve rejeneratif frenleme modlarını içerir.
E, ayrık geçiĢ durumlarının birleĢiminden meydana gelir. Bu sonlu ayrık geçiĢ durumlarını gösteren Ģema aĢağıdadır.
ġekil 4.2: Araç çalıĢma modları arasındaki geçiĢler [5]. ġekildeki her blok bir ayrık durum değerini gösterir.
eE ile tanımlı bir q’dan diğerine geçiĢ okları vardır.
X, içten yanmalı motor açısal hızı, planet diĢli açısal hızı ve generatör açısal hızını ihtiva eden sürekli durum değiĢkenleri setidir.
e,
r,
g
x
w w w
X
(4.3) V, sonlu girdi değiĢkenleri setidir.D C
V
V
V
(4.4)
1,
2
dV
v v
(4.5) Ayrık girdilerden v1 generatör fren komutu, v içten yanmalı motor çalıĢ-dur komutu 2 Ģeklinde tanımlanmıĢtır.
,
,
c e g m
V
(4.6) Sürekli girdiler, içten yanmalı motor torku, generatör torku ve elektrik motoru torku Ģeklinde tanımlanmıĢtır.Y, sonlu çıktı değiĢkenlerinin birleĢimidir.
D C
Y
Y
Y
(4.7)
,
d D
y araç frenleme Evet Hayır Y
(4.8)
Ayrık çıktılar, araç fren durumunu tanımlar.
, , ,
c e g C
y u SOC w w Y
(4.9) Sürekli çıktılardan u aracın doğrusal hızı, SOC bataryanın Ģarj durumu,
w
evew
g içten yanmalı motor ve generatörün açısal hızıdır.Araç dinamiği farklı araç çalıĢma modlarına göre değiĢmektedir.
Bu açıklamalara göre, enerji yönetim stratejisi tasarımının amacı, güç dağılımının optimum girdi kontrol sırasını yani “V”yi ve ayrık geçiĢ kuralını “E”yi bulmaktır.
4.2 Güç Dağılımı
Optimum güç dağılımını elde etmek, sınırlandırılmıĢ nonlinear optimizasyon problemidir. Genel amaç, sistemin toplam verimliliğini performans gereksinimlerini sağlayacak Ģekilde optimize etmektir. Batarya enerjisi (Elektrik enerjisi) eĢit değerde harcanan yakıt enerjisine çevrilir. Bataryalar, elektrokimyasal özelliklerine ve ampirik verilere bağlı olarak modellenebilir. Batarya direnci, bataryanın Ģarj durumu ve akımına bağlı bir fonksiyondur. Batarya dolarken ve boĢalırken farklı karakteristikler gösterir [5].
Bunlara bağlı olarak HEA sisteminin toplam verimi:
Bu denklemde, reqtalep edilen sürücü torku, OCV açık devre voltajı, R batarya bat
direnci, Pbat batarya gücü, e içten yanmalı motor verimidir.
Güç dağılımı, sürekli kontrol değiĢkeni olarak içten yanmalı motor, generatör, elektrik torklarına bağlıdır.
,
,
c e g m
V
Paralel HEA’larda yeni kontrol değiĢkenleri aĢağıdaki gibidir.
',
c dişli batV
P
(4.11) dişli içten yanmalı motor ile planet diĢli arasındaki diĢli oranıdır. Optimizasyon problemi, aĢağıdaki optimum parametre setini bulmaktır.
max
total
dişli,
P
bat (4.12)Temel olarak, bu parametreler amaç fonksiyonunu belirli sınırlarda maksimize eden uygun optimizasyon algoritmasının geliĢtirilmesiyle bulunur. ArdıĢık ikinci dereceden programlama(SQP), iterasyon verimliliği ve sistemin robust olması açısından uygun bir yöntemdir.
4.3 Araç ÇalıĢma Modlarının GeçiĢ ĠliĢkileri
Aracın çalıĢma modları için geçiĢ iliĢkilerini elde etmenin yolu, bir durumdan öbür duruma geçiĢ sebeplerini bulmaktır. Dinamik Programlama metodu, bu tür kompleks dinamik optimizasyon probleminin üstesinden gelmede oldukça efektiftir. Dinamik Programlama’nın uygulanması iki basamağa ayrılmıĢtır.
Ġlki, kontrol değiĢkenlerini ve durumlarını kuantize ve interpole etmektir. Ardından problem çoklu-durum seçimi problemi Ģeklinde formüle edilir. Bellman’ın optimallik prensibine bağlı olarak, sıralamayı düzenlemek için zaman değiĢkeni kullanılır. Böylelikle aracın çalıĢma modlarının optimal yörüngesi bulunur [5].
Amaç Fonksiyonu: 1 2 _ 0
. .
. .
.(
) .
N e e e e bat e ortalama kw
J
w
g
P
g
t
t
(4.13)0 0
1 /
,
,
boşalma bat bat dolma batP
P
(4.14) eg içten yanmalı motorun öz-yakıt harcama katsayısı,
g
e ortalama_ içten yanmalı motorun ortalama yakıt harcama katsayısı, bat bataryanın dolma ve boĢalma verimidir.Amaç fonksiyonu, aracın optimal çalıĢma modları ve güç dağılımını(batarya ve yakıt enerjisi tüketimini, talep edilen sürücü torku ve aracın sürüĢ performansına göre minimize eden) belirleyen kontrol stratejisini sağlar ve üç durumu içerir.
1. Ġçten yanmalı motor yakıt harcaması: Motor düzenli rejimde çalıĢırken olan yakıt sarfiyatıdır.
2. Batarya enerji harcaması: Batarya gücü, elektrik enerjisini eĢdeğer yakıt enerjisine çevirmek için ortalama motor yakıt harcama katsayısıyla çarpılır. Bu iki terimin toplamı, zamana bağlı eĢdeğer enerji sarfiyatını verir.
3. Ġvmelenme durumundaki ekstra yakıt harcama kompanzasyonu: Ġçten yanmalı motorun dinamiği hesaba katılır.
4.4 Bulanık Mantık Kural Tabanlı Enerji Yönetim Stratejileri
SQP ve DP yaklaĢımları optimum nümerik çözümler sağlasa da, bunlar gerçek-zamanlı sürüĢe implemente edilemez. Enerji yönetimi stratejisinin, gerçek-gerçek-zamanlı implantasyonu için, on-line optimizasyon tabloları gereklidir. Bulanık mantık-kural tabanlı metodlar, nümerik çözümlerin analizlerinden elde edilen sonuçlara göre geliĢtirilir.
Talep edilen sürücü torku, aracın hızı ve bataryanın Ģarj durumuna göre, toplam sistem verimini maksimize etmek için optimal batarya gücü, SQP metodu ile elde edilmiĢtir. Ġstatistiksel analizlere dayalı optimizasyon sonuçlarına göre, talep edilen sürücü gücü (talep edilen sürücü torku ile araç hızının çarpılması sonucu) elde edilir.
GiriĢ 1: Talep edilen sürücü gücü, [Large, Medium, Small] Ģeklinde aday fonksiyonları tanımlanmıĢtır.
GiriĢ 2: Batarya Ģarj durumu (SOC), [High, Medium, Low] Ģeklinde aday fonksiyonları tanımlanmıĢtır.
ÇıkıĢ 1: Batarya Gücü, [Positive Large, Positive Small, Zero, Negative Small, Negative Large] Ģeklinde aday fonksiyonları tanımlanmıĢtır.
Bulanık mantık kuralları da, deneme yanılma bilgisi ve/veya SQP optimizasyon sonuçlarına göre tasarlanır.
Çizelge 4.2 : Güç dağılımı için bulanık mantık kuralı.
Önerme Sonuç
Sürücü Gücü Talebi
Batarya ġarj
Durumu(SOC) Batarya Gücü
Large High Positive Large
Large Medium Positive Small
Large Low Zero
Medium High Positive Small
Medium Medium Zero
Medium Low Negative Small
Small High Zero
Small Medium Negative Small
Small Low Negative Large
HEA’larda optimal güç dağılımı için kullanılan enerji yönetim stratejilerinin tasarım ve analiz yöntemleri incelenmiĢtir. Sürekli ve ayrık HEA dinamikleri göz önüne alındığında, hibrit dinamik sistem için optimal kontrol yöntemi seçilmelidir. SQP ve DP-tabanlı metodlar nümerik çözümler elde etmek için uygulanır. Pragmatik mühendislik yaklaĢımı açısından, kural tabanlı ve bulanık mantık-kural tabanlı enerji yönetim stratejileri, SQP ve DP optimizasyon sonuçlarına göre dikkatli bir Ģekilde incelenerek geliĢtirilir. Daha sonra bu parametreler Genetik Algoritma kullanılarak daha da yetkinleĢtirilir. Bu yöntemlerin birleĢtirilmesi enerji sarfiyatını en etkin biçimde minimize eder [5].
