Geri Dön

Electric vehicle powertrain design and implementation

Elektrikli araç sürüş sistemi tasarımı ve imalatı

PDF İndir

  1. Tez No: 349831
  2. Yazar: MERT SAFA MÖKÜKCÜ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Ulaşım, Electrical and Electronics Engineering, Mechatronics Engineering, Transportation
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Son yıllarda elektrikli araç geliştirme çalışmaları hız kazanmıştır. Dünyadaki petrol rezervlerinin azalması ve içten yanmalı motor ile çalışan araçların CO2 emisyonlarının yüksek olması nedeniyle hava kirliliği yaratmaları bu çalışmaların gelişmesini sağlamıştır. Toyota firmasının Prius modelini çıkartmasından beri özellikle içten yanmalı motora sahip olan araç bile olsa menzili uzatmaları nedeni ile elektrikli araçlar tercih edilmektedir. Ayrıca petrol fiyatlarının özellikle ülkemizde çok yüksek olması ve buna karşılık olarak elektrik fiyatının düşük olması da tüketicilerin ilgisini çekmektedir. Şu anda neredeyse tüm otomotiv üretici firmaların seri üretime sundukları elektrikli araçları bulunmaktadır. Elektrikli araç teknolojisi aslında en eski araç teknolojisidir. Elektrik motoru buluşu, içten yanmalı motor buluşundan önce yapılmıştır. Ancak ilk üretilen elektrikli araçların menzillerinin çok düşük olması ve hızlarının at arabalarından az olması bu teknolojinin gelişmesine ve ilerlemesine engel olmuştur. İlerleyen yıllarda bazı firmalar denemeler yapsa da, her seferinde farklı nedenlerden dolayı elektrikli araçların ortaya çıkmaları gecikmiştir. Son yıllarda sabit mıknatıslı yüksek verimli motor geliştirme alanında teknolojik ilerlemelerin oluşması ve batarya teknolojisinin de gelişmesi ile otomotiv üreticileri tekrar elektrikli araç piyasasına dönüş yapmışlardır. Elektrikli araçlar üç farklı başlıkta ayrılabilir. Bunlar hibrit, bataryalı ve yakıt hücreli elektrikli araçlardır. Hibrit araçlar hem içten yanmalı motoru hem de elektrik motorunu aynı anda bünyesinde barındıran araçlardır. Hibrit araçların üç tipi bulunmaktadır. Bunlar seri hibrit, paralel hibrit ve seri-paralel hibrit araçlardır. Seri hibrit araçlarda bulunan içten yanmalı motor sürekli sabit hızda dönmektedir. Bu motorun mili bir jeneratöre bağlıdır. Bu jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek akü bankına iletir. Aracın tüm çekişini elektrik motoru sağlamaktadır. Elektrik motoru için gerekli olan enerji de akü bankından gelmektedir. Böylece içten yanmalı motor sürekli aynı devirde dönecek ve yakıt harcama miktarı minimuma inecektir. Bu da aracın aynı miktarda yakıt ile çok daha uzun mesafe gitmesini sağlamaktadır. Seri hibrit araçların en çok bilinen örneği Fisker firmasının Karma modelidir. Bir diğer hibrit araç türü paralel hibrittir. Paralel hibrit araçlarda aracın çekiş yükünü elektrik motoru ve içten yanmalı motor beraber taşırlar. Araç belirli bir hıza ulaşmadıkça elektrik motoru kullanılır. Aracın hızı elektrik motorunun kaldıramayacağı noktaya ulaştığında içten yanmalı motor devreye girer. Paralel hibrit araçlarda serilere göre nispeten daha küçük bir akü bankı bulunmaktadır. Bu akü bankının enerjisi rejeneratif frenlemeden veya içten yanmalı motorun jeneratör gibi çalışması ile sağlanır. Paralel hibrit elektrikli araçlara en kolay örnek elektrikli bisikletler verilebilir. Elektrikli bisikletlerdeki tek fark içten yanmalı motor yerine insan gücünün kullanılmasıdır. Son olarak seri-paralel hibrit araçlar örnek verilebilir. Bu tür araçlarda iki adet içten yanmalı motor kullanılmaktadır. Bunlardan biri elektrik enerjisini üretecek jeneratör olarak çalışırken, diğeri aracın çekiş yükünü elektrik motoru ile paylaşmaktadır. Bu araçlara da örnek olarak Toyota'nın Prius modeli verilebilir. Hibrit araçlar dışında bataryalı elektrikli araçlar da son yıllarda seri üretime sunulmaktadır. Bu araçlarda tüm çekiş yükü elektrik motoru tarafından karşılanmaktadır. Enerji akü bankından sağlanmakta ve şarj işlemi dışarıdan yapılmaktadır. Bataryalı elektrikli araçlar alanında en yüksek verime sahip olan araçlardır. Özellikle batarya ve güç elektroniği alanındaki gelişmeler bu tip araçların üretimi ve geliştirilmesinin yolunu açmıştır. Geliştirilen Lityum iyon aküler kurşun asit ve diğer eski tip akülere göre çok daha hafif ve enerji kapasiteleri çok daha yüksektir. Bu tip araçlara örnek olarak BMW firmasının i3 modeli verilebilir. Elektrikli araç piyasasının gelişmesi ile birlikte üyeleri İTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü ve İTÜ Makina Mühendisliği Bölümü olan öğrenciler ile birlikte İTÜ Elektrik Mühendisliği Öğretim Üyesi Doç.Dr.Özgür Üstün'ün danışmanlığında İTÜ Alternatif Enerji Kulübü kuruldu. Kulübün kurulması ile birlikte 2011 yılında İTÜ Elektrikli Araç Geliştirme Projesi – İTÜ EV Projesi'ne de başlandı. Proje bütçesi BAP komisyonu tarafından 50000 TL olarak belirlenmiştir. Projenin en önemli amaçlarından biri tasarım ve üretimin tamamıyle yerli olarak yapılmasıdır. Diğer önemli amaç ise proje bütçesini olabildiğince aşmadan sadece üniversitenin bütçesi ile projeyi tamamlamaktır. Bu amaçla proje aşamaları dört aşamaya ayrılmıştır. Motor bölümü, batarya ve elektrifikasyon bölümü, kontrol bölümü ve mekanik tasarım ve dış tasarım bölümü. Bu çalışmada motor bölümü çalışmaları incelenecektir. Projede ilk olarak araç temini yapılmıştır. Araç şasisi tasarım ve imalatı oldukça zahmetli ve maliyetli bir iş olduğundan dolayı hafif bir binek araç satın alınıp, bu aracın elektrikli araca çevrimi yapılması planlanmıştır. Projede seçilen araç Opel Corsa Swing'dir. Seçilen araç Corsa B sınıfındandır. Aracın güç gereksinimleri hesaplandıktan sonra motor tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Bir elektrik makinası, temel olarak bir elektromekanik enerji dönüştürücüsüdür. Bu anlamda ele alındığında elektrik enerjisi alarak mekanik enerji üretiyorsa elektrik motoru olarak, eğer mekanik enerji alıp bunu elektrik enerjisine dönüştürüyorsa bu kez elektrik generatörü olarak çalışmaktadır. Elektrik makinaları başlıca iki kümede incelenir. Bunlar AA Alternatif Akım ve DA Doğru Akım makinalarıdır. AA makinalarının özelliği sargılardan alternatif akımın akması ve hava aralığında dönen bir manyetik alan oluşmasıdır. Doğru akım makinalarında ise meydana gelen manyetik alan düzgündür. Yüzey Mıknatıslı Fırçasız Doğru Akım Motoru, adında DA'nın yer almasına karşın bu sınıflandırma içerisinde AA kümesinde yer almaktadır. Projede elektrik motor tipi olarak sabit mıknatıslı fırçasız doğru akım motoru seçilmiştir. Bu motor tipinin avantajı veriminin yüksek olması, bakım gereksinimi olmaması, imalatının daha kolay olması ve kontrolünün hassas şekilde yapılabilmesidir. Mıknatıs tipi olarak SmCo tip mıknatıs seçilmiştir. Bu tipteki mıknatıslar yüksek sıcaklığa dayanabilen ve yüksek manyetik akı yoğunluğuna sahiptir. Yüzey mıknatıslı BLDCM'da rotor tipinin seçimi uygulama alanlarına göre farklılıklar göstermektedir. Tasarımı gerçekleştirilen BLDCM'da rotor tipi olarak yapısının getirdiği çeşitli avantajlardan (Eylemsizliğin küçüklüğü – hızlı cevap verme – küçük mekanik zaman sabiti – yataklama ve araç entegrasyon uyumu) dolayı iç rotorlu yapı tercih edilmektedir. Dış rotorlu motorlar çoğunlukla büyük çap, küçük uzunlukta yapılmaktadır ve yataklamaları iç rotorluya göre daha zordur. Bu sebeplerden dolayı iç rotorlu tasarım yapılmıştır. Motor analitik tasarımları yapıldıktan sonra elektromanyetik ve ısıl sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Motor datasının verifikasyonu sağlandıktan sonra üretim için mekanik tasarımlar gerçekleştirilmiştir. Tasarımı yapılmış olan motor, 10 kutuplu bir fırçasız doğru akım motorudur. Motorun mıknatısları Samaryum Kobalt (SmCo) malzemeden olmakta ve stator sac paketi ise yalıtımlı özel silisli sac dilimlerinden oluşmaktadır. Motorda hava aralığı, birkaç karşılaştırma sonucunda 1 mm olarak seçilmiştir, nadir toprak elementi sürekli mıknatıs kullanılan elektrik motorlarında daha küçük hava aralıkları doymaya ve demir kayıplarının artmasına neden olduğundan; ayrıca mıknatıs yüzeylerinin çok hassas işlenememesinden dolayı en az 1 mm olarak belirlenir. Motorun statorunda 12 diş (oluk) bulunmaktadır. Daha önceki raporlarda da açıklandığı gibi oluk sayısının kutup sayısına yakın olması motorun moment üretimini arttırmakta; ayrıca konsantrik sargılar hem alan zayıflatma özelliğini güçlendirmekte hem de motorun kolay imal edilmesini sağlamaktadır. Tasarlanan fırçasız doğru akım motoru bir prototip motor olduğundan motorun tüm bileşenleri takım tezgahlarında imal edilmiş, herhangi bir seri üretim düzeneği kullanılmamıştır. Aşağıda da anlatılacağı gibi gövde ve kapaklar dolu alüminyum malzemeden işlenmiş, motorun silisli sacları lazer tezgahında kesilmiş, diğer bileşenler numerik kontrollü torna ve freze tezgahlarında imal edilmişlerdir. Her parça, imalat sonrası teknik resimlere göre CMM, kumpas, mastar, havalı ölçüm aletleri, mikrometre vb. hassas ölçü aletleriyle ölçülmüş, gerekli ölçü toleranslarının tutmadığı durumlarda parçalar yeniden üretilmiş veya istenen ölçüye getirilmiştir. Ölçümler, gerek görüldüğünde incelenmek üzere kaydedilmiştir. Motor imalatı tamamlandıktan sonra İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik Makinaları Laboratuvarı'nda yükleme testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testler sonucunda motorun nominal çalışma değerleri çıkarılmıştır. Projenin bir sonraki evresinde motorun araca uygulanacak ve saha deneyleri yapılacaktır. Projede elektrik motoru tasarımı haricinde motor sürücüsü tasarımı da yapılmıştır. Bu çalışmada güç katı yani evirici tasarımı hakkında bilgilere yer verilmiştir. Evirici, tasarlanan ve imal edilen bir kontrol kartı tarafından kontrol edilmektedir. Bu kontrol kartının içinde araç içi haberleşmeyi sağlayacak ve aynı zamanda motor kontrolünü de sağlayacak olan bir DSP bulunmaktadır. DSP kodlama işlemi Mekatro Ar&Ge firması tarafından yapılmıştır. Çalışmada incelenecek son kısım kullanıcı arayüzüdür. Elektrikli araç için tasarlanan elektrik makinasının kullanıcı tarafından kolaylıkla kontrol edilmesi gerekmektedir. Özellikle yakın gelecekte yaygın şekilde kullanımı düşünülen elektrikli araçların; sürücüler ve yolcular tarafından rahat, erişilebilir, çözüm üreten ve akıllı şekilde yönlendirme kabiliyetlerine sahip olması hedeflenmektedir. Geliştirilmeye açık ve prototipten üretime geçişi kolaylaştırmak için hızlı prototipleme yöntemine dayanarak bir veri yolu uygulaması yapılmıştır. Verilerin akışı gerçek zamanlı izlenmekte, hatalar anlık tespit edilebilmektedir. Sistemde gerçek zamanlı çalışmaya imkan sağlayan sayısal işaret işleyici tüm sistemi kendi kontrolünde yönetebilmektedir. Geri planda çalışan bu makine kontrolünün kullanıcıya özgü bir arayüzünün olması gerekmektedir. Araç içi iletişim CAN haberleşme protokolü ile sağlanmaktadır. Bilgiler geri plan da çalışan Matlab üzerinde işlenmekte ve sürücü kontrol paneline yansımaktadır. Sürücüye çeşitli opsiyonlar sunan arayüz; hız, sıcaklık vs. gibi bilgileri ekranda gösterir. Elektrik makinasına ait bilgiler izlenmekte, güvenlik ve batarya durumu kontrol edilmektedir. Elektrik makinasın kontrolü ayrı ayrı birimlere bölünmüş ve sürücü isteğine bağlı olarak ekranda yer alması sağlanmıştır.

Özet (Çeviri)

In recent years all expositions of cars show that every OEM is developing at least one electric vehicle. This subject is growing because of petrol reserve limitation, advertisements of new technology, which grows more interest, and high efficiency of electric vehicles. Recent researches show that vehicles with ICE, will be always dependent on petroleum. As the petrol reserves of the world grows thinner every second, it can be foreseen that EVs will take the place of ICE vehicles and it has already begun with HEVs. In the year of 1881, Gustave Trouvé showed the world that, the best solution should be electric powered vehicles. Even if electric vehicle technology is older than ICE vehicle technology, this forgotten technology have come back. Nowadays OEMs are researching on serial production of electric vehicles. There are some examples like Tesla Model S, Nissan Leaf, Toyota Prius, Chevrolet Volt, Fiat E500, BMW i3 etc. This production growth added with developing infotaintments of these vehicles increased interest of customers. Every year market share of EVs steps up. El-Refaie indicated that there has been growing interest electrification especially in hybrid/electrical traction and propulsion applications. Even though the main focus has been on areas like energy storage and power electronics, there is growing recognition of the importance of traction motors and generators. From these ideas, Istanbul Technical University Alternative Energy Club members and it's supervisor created an electric vehicle project called ITU EV. This project is about developing a drive system for a conventional ICE vehicle. A small compatible vehicle had been chosen to use in the project which is Opel Corsa from Corsa B series, and it will be converted into an EV. Almost the entire light-duty hybrid vehicle industry has shifted to PM machines in order to meet the increasing power density and efficiency requirements [8]. For converting an ICEV to BEV, it had to be chosen a light and known vehicle. As the vehicle is known, the interior parts and connecting parts would be a lot easier to produce and design. As this vehicle weights 875 kg with its ICE, it means that vehicle chassis is approximately 650 kg. This is a perfect vehicle to convert and implement our electric motor. ITU EV project is funded by Istanbul Technical University by every means. It's designers are ITU students and ALEK supervisors. Total project budget is 50000 TL. Starting year of the project is 2011. Project has four different main research areas. These are electric powertrain, battery part, controlling part and mechanical construction and outer design part. In this study, electric powertrain design and production parts of the project will be investigated. First vehicle mechanical data will be examined for the motor design. Afterwards black box calculations of the motor will be given following by analytical verification of the design and electromagnetic analysis. Later on the heating anaysis and solution of the motor will be given. Finally the production and tests of the electric motor which is designed for ITU EV project will be given. To calculate power need of the vehicle, vehicle mass, wheel diameter, car frontal area, wheel rolling resistance coefficient, aerodynamic coefficient, air density, vehicle speed, gravity will be used to prefigure wheel friction force, aerodynamic drag force and slope friction force. If the vehicle drive needs are investigated, it can be found out that the features that affects motor design are input voltage, output power, rated speed and torque. To maintain the best electric motor design for the application, choosing the materials and optimizing the size and coils are essential. An electrical machine is an electromechanical energy converter. If it is taken into consideration, when its input is electrical energy and its output is mechanical energy it works as electric machine. On the other hand if its input is mechanical energy and its output is electrical energy it works as electric generator. Electrical machines can be separated into two types. These are AC Alternative Current and DC Direct Current machines. The specification of the AC machines is that alternative current flows into the coils and creates a turning magnetic field in the airgap. Unlikely in DC machines magnetic field that is created is straight. Permanent magnet brushless DC motor can have DC in its name but when this specification is held in the case, it enters to a AC machine type. For electric drivetrain a special design 70 kW powered BLDC motor is produced and laboratory tests are made. The rated voltage is chosen as 355 V. For transmission output power of the motor shaft, vehicle's original transmission system will be used. For driving motor, an inverter design and assembly is made. The designed motor's power need calculations are made by hand and design is made by computer aided softwares. After designing electric motor, electromagnetic and computational fluid FEM analysis are made. When the verification of the design is obtanied, production is made as well as motor assembly. For infotaintment a special vehicle user interface is created. In-vehicle communication is provided by CAN communication protocol. Data are processed on Matlab which is working in background and reflected into driver control panel. Interface shows data like temperature, speed on the panel. Data about electric motor can be monitored, safety and battery state can be controlled. Different modes for controlling electric motor is added and reflected on the panel like sport mode, eco mode etc. Motor laboratory tests are made in ITU Electrical Machinery Laboratory with the designed inverter. For controlling the PEC, a special designed and coded DSP controller is created. The project is thought to be finished in the first half of 2014.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    295911

    Elektrikli taşıtlarda faydalı frenleme enerjisinin daha iyi kazanımı için bir güç dönüştürücü tasarımı ve uygulaması

    Design and implementation of a power converter for efficient braking energy recovery in electric vehicles

    SERKAN DÜŞMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET UZUNOĞLU

  2. Tez No

    392354

    Tekerlek içi motorlu elektrikli araçlarda elektronik diferensiyel sistemin gerçekleştirilmesi

    Implementation of electronic differential system of in-wheel electric vehicle

    MERVE YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN KÜRÜM

  3. Tez No

    665539

    Influence of Driving Patterns and Optimal Robust PowertrainCombined Design and Control on Plug-in Vehicle Cost, Life CycleEmissions, Component Sizing, and Battery Stress

    Başlık çevirisi yok

    ORKUN KARABSAŞOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Makine MühendisliğiCarnegie Mellon University

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. CHAİR: JEREMY J. MİCHALEK

  4. Tez No

    397861

    Hibrit otomobil tasarımı, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenmesi ve simülasyonu

    Hybrid vehicle design, supporting renewable alternative energy sources and simulation

    BURAK ATALAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ERTUĞRUL ARSLAN

  5. Tez No

    772296

    Esnek mimari yaklaşımı ile elektrikli araç güç treni tasarımına katkılar

    Contributions to electric vehicle power train design by flexible architecture approach

    İLKAN ÇETİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ

Geri Dön