Modelling and simulation of a series parallel hybrid electrical vehicle
Seri paralel hibrit elektrikli aracın modellenmesi ve simülasyonu
- Tez No: 166788
- Danışmanlar: PROF.DR. NEJAT TUNCAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2005
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
SERİ PARALEL HIBRIT ELEKTRİKLİ ARACIN MODELLENMESI VE BENZETİMİ ÖZET Sayılan her gün artan kara taşıtlarının petrol ithal eden ülkelerin ekonomilerine olan etkileri, tükenmekte olan fosil yakıtları, büyük şehirlerde tehlikeli boyutlara ulaşan emisyon gazlan ve ozon tabakasındaki delik ve benzeri tüm dünyayı etkileyen çevresel sorunlar nedeniyle kara taşıtlarında alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi bir zorunluluk haline gelmektedir. Son kullanıcı noktasından bakıldığında, otomobil kullanıcıları yükselen petrol fiyatlan ve çevre konusunda gelişen bilinçlenme soncunda artık çok büyük motorlu ve güçlü araçlar yerine ekonomik motorlu, ancak konforu yüksek ve kullanışlı araçlar aramaktadırlar. Otomotiv firmalarının bu eğilime günümüzde gelişen teknolojiler sayesinde cevap verebilmeye başlaması sonucunda 90 'lı yılların sonundan bu yana, hibrit elektrikli araçların otomotiv piyasasında artarak ve gelişerek yer aldığım görmekteyiz. Hidrojen, alkol ve benzeri alternatif yakıtlarla, yakıt pilleriyle yada aküyle çalışan araçların ticarileşmesinin önünde teknolojik yada altyapısal sorunlar bulunmaktadır. Örneğin şu anda benzin, motorin ve benzeri yakıtların altyapısının hidrojen, alkol yada diğer alternatif yakıtların altyapısından çok daha gelişmiş olması bu tipte araçların ticarileşmesini engellemektedir. Yakıt pili uygulamalarında hidrojenin saklanması ve pillerin ısı ve benzeri nedenlerle verim problemleri ile yüksek maliyetleri yine bu tipteki araçların önlerinde bir engel teşkil etmektedir. Yalnızca aküden beslenen elektrikli araçların kısa menzilleri, maliyetleri ve uzun şarj süreleri iyileştirmek için çalışmalar sürmekte ancak ticari ürünler henüz piyasada çok fazla yer alamamaktadır. Akü yada yakıt pili gibi teknolojilerde büyük atlamalar olmadıkça, hibrit araçlar, yakıt olarak petrol ürünü yakıtları kullanmalarına karşın, piyasada var olmaya devam edeceklermiş gibi gözükmektedir. Bu nedenle başta büyük otomobil firmaları olmak üzere, çok çeşitli ticari ve akademik kurumlarda hibrit teknolojisi üzerine prototip, tasarım, iyileştirme ve maliyet düşürme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmalarda gelişmiş bilgisayar ve modelleme teknikleri sayesinde düşük maliyetli, hızlı sonuç alınıp kolay iyileştirebilen sayısal benzetim yöntemlerine çokça başvurulmaktadır.Tez kapsamında elektrikli ve hibrit elektrikli araç teknolojileri tanımlanmış, bu araçlarda kullanılan ana bileşenler teker teker ele alınmış ve bu bileşenlerin çalışma özellikleri ilgili bağıntılar yardımıyla açıklanmıştır. Daha sonra her bileşen bilgisayar ortamında modellenip bunların performans değerleri hesaplanmıştır. Özetle bu bileşenler aşağıdaki gibidir:. İçten yanmalı motor: Hibrit elektrikli araçlar dışarıdan şarj olmadıkları için ana enerji kaynağı olarak pertrol yakıtlarım kullanırlar. Bu nedenle alışılagelmiş içten yanmalı motorlar hibrit araçlarda, hacimleri küçültülerek kullanılır. Modelleme sırasında üretici firmalardan alman değerler doğrultusunda performans grafikleri oluşturulmuş ve simülasyonda bu grafiklerden faydalanılmıştır.. Elektrik makinası: Tam hibrit araçlarda aracı belirli hızlara kadar çıkarabilen elektrik makinaları kullanılır. Modellenen aracı istenen değerlerde çalıştırabilecek elektrik makinasının performansı modellenmiş ve simülasyonda kullanılmıştır.. Generator: Seri-paralel hibrit araçta içten yanmalı motorun gücünü paylaştıran planet dişli sistemine bağlı bir elektrik generatörü bulunur. Aracın elektrik enerjisi üretimine ve vites ayarlamasına yardımcı olan bu generatörün de performans modeli kurulmuş ve simülasyonda kullanılmıştır.. Planet dişli sistemi: Seri-paralel hibrit aracın güç dağıtımında faydalanılan bu mekanik sistemin modeli oluşturulmuş ve simülasyonda kullanılmıştır.. Yük modeli: Aracın hız ve yol koşullarına göre değişen yüklerin matematiksel ifadeleri ve modeli kurulmuş, simülasyonda kullanılmıştır.. Kontrol mantıksal modeli: Seri-Paralel hibrit elektrikli aracın çalışma evreleri tanımlanmış ve bu evreler göz önüne alınarak kontrol mantıksal modeli geliştirilmiştir. Bilgisayar ortamında geliştirlen model simülasyonda kullanılmıştır. Tüm sistemin modellenmesi bu bileşenler yardımıyla gerçekleştirilmiş ve aşağıdaki çalışma konumlarının her birisi için enerjinin ne kadarının içten yanmalı motordan, ne kadarının generator üzerinden alındığı, ne kadar enerjinin aküde depolandığı, elektrik makinasının motor olarak çalışıp tekerleklere ne kadar enerji aktardığı ve frenleme sırasında enerjinin ne kadarım tekerleklerden alıp, aküye gönderdiği gibi hususlar incelenmiştir. Bahsedilen bu çalışma konumlan şunlardır:. Aracın çalışmaya başlaması ve düşük hızlar: İçten yanmalı motorun veriminin düşük olması nedeniyle bu evrede elektrik makinası ile çalışma uygundur.. Normal çalışma: İçten yanmalı motorun verimli çalışma konumlarında akünün çok fazla tüketilmemesi ve performans kaybı olmaması için elektrik makinasının yanısıra içten yanmalı motor da devreye girer.. Ani hızlanma: Bu durumda aracın ani hızlanma durumu göz önüne alınmıştır. Elektrik makinası generatörden de aldığı enerji yardımıyla tam performansta çalışır.. Geri kazanımlı frenleme: Araç yavaşlama sırasında elektrik makinasını generator modunda çalıştırır ve kinetik enerjisini elektrik enerjisine çevirerek akülerde depo eder.. Akü şarjı: Aracın akü seviyeleri düşmeye başladığında içten yanmalı motor verimli bölgelerinde çalıştırılarak generatörün yardımıyla aküler şarj edilebilir. Kurulan modeller ve geliştirilen mantıksal kontrol sistemi soncunda çeşitli sürüş çevrimleri için simülasyon çalıştırılmış ve sonuçlar incelenmiştir. Bu sonuçlar özellikle enerji tasarrufu yönünden incelenmiştir. Şehir içi sürüş çevrimi ve şehir dışı sürüş çevrimi için ayrı ayrı aracın mekanik ve elektriksel dinamik davranışı hesaplanmış ve bu sürüşler çerçevesinde nasıl enerji tasarrufu sağlanabileceği irdelenmiştir. xıı
Özet (Çeviri)
MODELLING AND SIMULATION OF A SERIES-PARALLEL HYBRID ELECTRICAL VEHICLE SUMMARY Increasing number of land vehicles and their impacts on economies of oil importing countries and depleting fossil fuels, besides, dangerous levels of emission gases in large cities and global environmental problems like the ozone gap led an obligation for developing alternative energy sources for land vehicles. From the last users' point of view, with the increasing oil prices and the more sensitive approach to environmental problems, automobile users are looking for comfortable and useful vehicles with more economic engines, rather than powerful vehicles with big engines. As automotive companies are able to answer these requests with the help of new technologies, it is seen that from the end of nineties to today, hybrid electrical vehicles have an increasing and developing part in the automotive market. There are technological and infrastructure problems present behind the commercialization of vehicles using alternative fuels like hydrogen, alcohol etc. or utilizing fuel cells and batteries. For example, the infrastructure of petroleum fuels are much more developed than alcohol, hydrogen or other alternative fuel infrastructures and this presents a problem on commercialization of this kind of vehicles. In the fuel cell applications there are problems on storing the hydrogen, also, fuel cells still have heat and efficiency problems and high cost. Research on battery electrical vehicles is continuing. Short ranges, long recharging times and cost of these vehicles are improving but they do not have many commercial applications yet. Although they use petroleum fuels, the hybrid electrical vehicles are seemed to maintain their popularity if a breakthrough in battery or fuel cell does not occur. For this reason, there are many intense research projects on designing, prototyping, optimizing and cost reducing of hybrid electrical vehicles are conducted in many academic and commercial institutes, especially in automotive manufacturer companies. In these projects, with the help of advanced computer technologies andmodeling techniques, low cost, fast response, easily optimized digital simulation techniques are widely used. In this thesis, technologies of electric and hybrid electric vehicles have been defined, information on main components of this vehicles have been given. Later, their performances have been modeled in computer, and the performance values have been calculated. The components are:. Internal combustion engines: As the hybrid electrical vehicles do not get recharged externally, they use petroleum fuels as the main source of energy. For this reason, conventional internal combustion engines are used downsized in hybrid electrical vehicles. With the data taken from the manufacturing companies, look-up tables have been built and used in the simulation.. Electrical machine: In the full hybrid configurations, electrical machines are used to drive vehicles up to certain speed levels. The performance of an electrical machine, which is able to run the vehicle up to desired speed levels has been built and used in the simulation.. Generator: In the series parallel hybrid electrical vehicles, a generator is connected to the power splitting planet gear. This generator, which helps the energy generation and gear adjustment, has been modeled and used in the simulation.. Planet Gear System: This mechanical system is used in the power distribution of the series parallel hybrid electric vehicle. Its model has been developed and used in the simulation.. Load Model: Vehicle's load model, which changes with the speed and road conditions, has been mathematically built and used in the simulation.. Control Logic: The vehicle's working modes have been developed and these developed models are built in the computer. This model has been used in the simulation. The modeling the overall system is realized by the help of these component models and how much energy is taken from the internal combustion engine, how energy is generated by the generator, how much energy is stored in the batteries, how much energy is conducted by the electrical machine to the wheels and how much energy is recovered from the regenerative braking are calculated for each of the working conditions seen below. These conditions are:. Vehicle start up and low speeds: As the internal combustion engine is inefficient in this range, acceleration with electrical machine is suitable. xiv. Normal working: To avoid the battery flat-outs and excessive performance losses in this range, vehicle is driven by both internal combustion engine and electrical machine.. Sudden acceleration: In this mode, full throttle acceleration of the vehicle is considered. With the help of the extra energy from the generator, electrical machine runs in its full performance. So internal combustion engine and electric motor together produce the maximum available power.. Regenerative braking: During deceleration, vehicle generates energy from its kinetic energy by running the electric machine in generator mode.. Battery recharge at rest: When the state of charge is below certain levels, it is possible to run the internal combustion engine in its efficient ranges and recharge the batteries with the help of the generator. As a result, by using these models and developed control logic, the simulation has been run in different driving cycles and computational results are investigated. The main issue of these investigations is the energy save. Mechanical and electrical behavior of the vehicle in urban driving and highway driving is separately calculated and energy saving policy of the vehicle is discussed. xv
Benzer Tezler
- Hibrit otomobil tasarımı, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenmesi ve simülasyonu
Hybrid vehicle design, supporting renewable alternative energy sources and simulation
BURAK ATALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN
- Seri hibrit araçların modellenmesi, karşılaştırması ve simülasyonu
Modeling of series hyrid electric vehicle, comparison and simulation
NUR DİLARA KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVAT ERDEM İMRAK
- Menzili uzatılmış elektrikli araçlarda eş değer yakıt tüketimi ile yakıt ve nox optimizasyonu
Nox and fuel optimization on range extended vehicles using equivalent consumption of minimization strategy
AYŞEGÜL KURŞUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALMAN KURTULAN
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Elektrikle tahrik edilen gemi modelinin geliştirilmesi
Development of the electric ship propulsion model
MEHMET ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN