Cost-oriented optimization of battery pack sizing and electrical design of the battery system for electrified bus rapid transit systems
Metrobüs sistemlerinin elektrifikasyonu için maliyet odaklı batarya sistemi boyutlandırma optimizasyonu ve batarya paketi elektriksel tasarımı
- Tez No: 660773
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Sera gazı salınımları, iklim değişikliğini beraberinde getirmekte ve çevresel risklerin her geçen gün daha yüksek sesle tartışılmasına yol açmaktadır. Ulaşım araçları yaydıkları gaz emisyonları sebebiyle, özellikle şehiriçlerinde hava kalitesini etkilemektedir. Sürdürülebilir ulaşım çözümleri her geçen gün daha da önem kazanmakta ve karar alıcıların gündemine düşmektedir. Toplu taşıma araçlarının kademeli olarak elektriklendirilmesi, sadece şehiriçlerindeki hava kalitesini arttırmakla kalmamakta, aynı zamanda gürültü seviyelerinin düşürülmesini ve şehir sakinlerinin yaşam kalitesinin artmasını sağlamaktadır. Bu çalışmada, belirli bir toplu taşıma rotasının elektriklendirilmesi senaryosu incelenmiştir. Bu doğrultuda, minimum toplam sahip olma maliyeti göz önünde bulundurularak, otobüse yerleştirilmesi gereken kurulu batarya enerjisi, elektrikli otobüs filosunu şarj etmek üzere kurulması gereken şarj istasyonu sayısı ve her bir şarj istasyonunun elektriksel gücü arasındaki en uygun kombinasyon araştırılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında, elektrikli otobüsün en önemli güç aktarma sistemi komponentlerinden biri olan batarya mercek altına alınarak, ilk kısımda belirlenen batarya boyutu üzerine detaylı bir elektrikli otobüs yüksek gerilim lityum-iyon bataryanın elektriksel tasarımı yapılmıştır. Bu amaçla, ilk olarak İstanbul Metrobüs sistemi mercek altına alınmıştır. Metrobüs sisteminin birbirine en uzak iki durağı olan Beylikdüzü ve Söğütlüçeşme arasında çalışan 34G hattı, bu tezde elektriklendirilmesi üzerine çalışılan otobüs filosu olarak seçilmiştir. Otobüs gövde tipi olarak, bu rotada halihazırda çalışan 18 metrelik körüklü otobüsler referans alınmıştır. Elektrikli araç marketini domine eden lityum-iyon batarya tiplerinden, düşük maliyet ve güvenlik özellikleriyle öne çıkan lityum-demir-fosfat (LFP) bu tezde ele alınan batarya kimyasıdır. Belirlenen hattın çalışma koşulları ve takvimi göz önüne alınarak, şarj istasyonlarının lokasyonları belirlenmiştir. Oluşturulan elektrikli otobüs dinamik modeli yardımıyla, her bir otobüsün sefer başına harcadığı ortalama batarya enerjisi AVL CRUISE M yazılımı yardımıyla hesaplanmıştır. Oluşturulan otobüs modelinde, oldukça uzun bir rota ve tam yolcu kapasitesi ile zorlu koşullar yaratılmıştır. Elektrikli otobüs modeli ile, batarya pakedinin maksimum gerilim seviyesi 800 VDC olarak hedeflenerek, 652 kWh kurulu batarya kapasitesine sahip bir otobüsün tek seferlik yolculuk esnasında batarya net enerji tüketimi 108.1 kWh olarak hesaplanmıştır. Simülasyon, farklı kurulu batarya enerji değerleri ve bunlara tekabül eden toplam otobüs ağırlığı değerleri ile birden fazla kez koşturularak, batarya boyutunun enerji tüketimine olan etkisi lineer interpolasyon yöntemi ile formüle edilmiştir. Optimizasyon bölümünde, simülasyondan elde edilen sonuçlara ek olarak, otobüslerin günlük operasyonunu tamamlaması, otobüs filosunun operasyonda olmadığı vakitlerde istenilen seviyeye kadar şarj olabilmesi gibi, belirlenecek batarya boyutu ve şarj istasyonu gücünü etkileyecek kısıt fonksiyonları ve limitler belirlenmiştir. Optimizasyon maliyet fonksiyonu, otobüslere yerleştirilmesi gereken batarya boyutu ve kurulması gerekli şarj istasyonu altyapısını etkileyen maliyet kalemleri üzerine kurgulanmıştır. Bu girdiler dahilinde, batarya kapasitesi, şarj istasyonu adedi ve gücünün, maliyet odaklı en uygun kombinasyonu Genetik Algoritma optimizasyon metodu ile belirlenmiştir. Optimizasyon, MATLAB ortamında, Global Optimization Toolbox kullanılarak gerçeklenmiştir. Maliyet odaklı bir optimizasyon yapabilmek adına, otobüslere yerleştirilmesi gereken lityum-iyon bataryaların yatırım maliyeti, kurulacak şarj istasyonlarının adet ve elektriksel güce bağlı yatırım maliyeti, otobüslerin işletimi esnasında şarj edilmesinden doğacak elektrik enerjisinin işletme maliyeti ve bataryaların belirlenen ömürlerini tamamladıktan sonra ikinci yaşam olarak adlandırılan farklı uygulamalarda kullanılmasından doğacak nakit girdisi toplam sahip olma maliyeti hesabına dahil edilmiştir. Optimizasyon maliyet fonksiyonu olarak toplam sahip olma maliyeti incelenmiştir. Toplam sahip olma maliyet, nakit akışının bugünkü değerini göz önünde bulundurmak maksadıyla Net Bugünkü Değer (NBD) finansal metriği ile hesaplanmıştır. Bu doğrultuda, farklı batarya kapasitesi ve şarj istasyonu boyutu kombinasyonları arasından, 598 kWh kurulu batarya enerjisinin, her biri 212 kW gücündeki 4 adet şarj ünitesi desteklendiği senaryonun incelenen toplam maliyetler arasından en avantajlısı olduğu saptanmıştır. Optimum batarya kapasitesinin bu denli yüksek hesaplanmasının sebebi, incelenen otobüs filosunun servis süresinin 12 yıl olarak belirlenmesidir. Batarya kapasitesinin artması, her bir batarya hücresinin günlük olarak maruz kaldığı çevrim adedini düşürmekte, dolayısıyla batarya ömrünü uzatmakta ve filonun servis süresi boyunca ihtiyaç duyacağı batarya değişim maliyetini düşürmektedir. Optimizasyon ve bu kısma kadar belirlenen parametreler, incelenen Metrobüs hattının yoğunluğu göz önünde bulundurularak depo şarjı stratejisi için gerçekleştirilmiştir. 34G hattı için, maliyet odaklı optimizasyonu yapılan depo şarjına ek olarak, uygun durum şarjı, seyir halinde kablosuz şarj ve batarya değiş tokuş stratejisi farklı şarj senaryoları olarak ele alınarak maliyet kıyası yapılmıştır. İncelenen otobüs hattı, maliyet kalemleri ve belirlenen parametreler için, depo şarjının en uygun maliyetli şarj stratejisi olduğu belirlenmiştir. Bunun önemli sebeplerinden bir tanesi, incelenen filonun sadece 15 otobüsten oluşmasıdır. Daha büyük toplu taşıma sistemleri için yapılacak analizler daha farklı sonuçları doğurabilir. Çalışmanın ikinci kısmında, maliyet odaklı optimizasyon ile belirlenen batarya enerjisi değeri üzerine, 606.5 kWh kurulu enerjiye sahip bir otobüs bataryası sisteminin elektriksel tasarımına dair bir yaklaşım sunulmuştur. Bunun için, öncelikle araç simülasyonu yardımıyla bataryanın akım profili çıkarılmış, belirlenen batarya sistemi gerilimi ve akımı için dağıtılmış batarya paketi metodu önerilerek, modül ve paket seviyelerinde elektriksel konfigürasyonlar verilmiştir. Bu doğrultuda, 6 adet alt-paket, 794.2 VDC maksimum gerilim sağlayacak şekilde modüler batarya sistemini oluşturmak üzere tanımlanmıştır. Batarya hücrelerinin, modüllerin ve alt-paketlerin seri ve paralel bağlantıları gerekçeleri ile birlikte sunulmuş, paket seviyesinde 234 batarya hücresinin seri şekilde, 18 batarya hücresinin ise paralel şekilde bağlanması önerilmiştir. Dağıtılmış batarya sistemi için uygun bir Batarya Yönetim Sistemi (BYS) topolojisi önerilmiştir. Önerilen topolojide, batarya hücrelerinin gerilim ve sıcaklıklarını kontrol eden modül kontrol üniteleri, modül kontrol üniteleri ile her bir alt-paketten sorumlu alt-paket kontrol üniteleri ve tüm batarya sistemini yöneten ana batarya kontrol ünitesi yer almakta ve temel fonksiyonları tanımlanmaktadır. Devam eden kısımda, elektriksel gereksinimler ve hesaplanan batarya akım profili baz alınarak bir elektrikli araç bataryasında yer alması gereken elektriksel komponentler ve fonksiyonları verilmiştir. Yüksek gerilim lityum-iyon bataryaların güvenliği için kontaktörler, sigortalar, akım sensörleri, konnektörler ve ön-şarj devresi önem arz etmektedir. Bunun yanında, güvenli bir lityum-iyon batarya operasyonu için, batarya sisteminin elektriksel güvenlik parametreleri uluslararası standartlar göz önünde bulundurularak tanımlanmalı ve uygun bir güvenlik konsepti oluşturulmalıdır. İzolasyon koordinasyon parametreleri olarak adlandırılabilecek bu konseptte, batarya sisteminin maksimum gerilimine ve şarj senaryosuna bağlı olarak gerilim sınıfı, batarya paketinin maruz kalacağı kirlilik derecesi, aşırı gerilim kategorisi, rakım, uygulanacak izolasyon sınıfı ve bu parametrelere uygun şekilde bataryanın dayanması gereken darbe gerilimi, sağlaması gereken yalıtım direnci, açıklık ve kaçak mesafeleri belirlenmelidir. Buna ek olarak, bir hata durumunda meydana gelebilecek ve lityum-iyon bataryanın ısıl sürüklenmesine sebep olabilecek kısa devre hataları irdelenmiş ve batarya pakedinin konnektörü üzerinde meydana gelebilecek maksimum kısa devre akımı 21.5 kA olarak hesaplanmıştır. İrdelenen parametreler üzerine, bataryanın olası bir hata durumunda acil durum kapama senaryosu verilerek, yüksek gerilim lityum-iyon otobüs bataryasının elektriksel güvenliğinin nasıl oluşturulabileceğine dair bir yaklaşım sunulmuştur. Günümüzde, elektrikli araçlar ve lityum-iyon bataryalarla ilişkili akademik çalışmalar hız kazanmıştır. Çevresel ve iklimsel risklerin artışı göz önünde bulundurularak, toplu taşıma araçlarının elektriklendirilmesi konusuna dikkat çekmek, bu konuyu etkileyen kısıtları ve parametreleri göz önünde bulundurarak bir metodoloji geliştirmek bu tez çalışmasının amacını oluşturmuştur. Bu çalışma, kentsel alanlarda hava ve gürültü kirliliğini düşürebilecek elektrikli Metrobüs sistemleri için şarj altyapısı ve batarya sistemi boyutlandırmasının maliyet odaklı bir optimizasyon yöntemini sunmaktadır. Önerilen yöntem sonucunda, küçük otobüs filoları için depo şarjı yönteminin uygun maliyetli bir çözüm olabileceği gösterilmiştir. Bunun yanında, farklı otobüs hatları, rotalar veya Metrobüs sistemlerinin analizi farklı şarj yöntemlerini maliyet açısından daha avantajlı kılabilir. Çünkü, kurulacak şarj altyapısı maliyetinin toplam maliyet içerisindeki oranı otobüs filosunun büyüklüğüyle ters orantılıdır. Sunulan metodoloji, toplu taşımada kullanılacak elektrikli otobüs filolarının batarya ve şarj altyapısı boyutları arasındaki ödünleşiminin ayrıntılandırılması için kullanılabilir. Bu çalışmada ayrıca, önerilen optimizasyon yöntemi ile belirlenen batarya paketi enerjisi baz alınarak, 18 metre uzunluğundaki bir körüklü otobüsün yüksek gerilim batarya paketinin elektriksel tasarımına dair bir yaklaşım sunulmuştur. Modüler batarya paketi tasarımları uygulamaya esneklik katmakta ve olası elektriksel gereksinim değişimlerine uyum sağlayabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Greenhouse gas emissions cause climate change and lead to environmental risks such as air and noise pollution. The electrification of public transport not only improves the air quality but also reduces noise levels and socio-economic costs caused by noise pollution, in urban areas. In this study, the electrification of public transportation is examined. For an electric bus (E-Bus), the fittest combination of installed battery energy, the number of charging stations to charge the bus fleet, and the electrical power of each charging station is investigated, with the aim of the minimum total cost of ownership. In the second part of the study, a high voltage (HV) battery is focused which is one of the most important powertrain components of the E-Bus. The electrical design of an HV E-Bus battery system is elaborated based on battery pack size determined in the first part. For this purpose, the longest line of the Istanbul Bus Rapid Transit (BRT) system is analyzed. 18-meters articulated E-Bus and lithium-ion (li-ion) battery is studied in this thesis. Lithium iron phosphate (LFP) is selected as li-ion battery chemistry since its low cost and safety features stand out for bus applications. The locations of the charging stations are determined based on the bus line schedule. With the help of the E-Bus dynamic model created in AVL CRUISE M software, the average battery energy consumption per trip is analyzed. 800 VDC is aimed for the maximum voltage level of the battery pack, and the net energy output of a 652 kWh bus battery is calculated as 108.1 kWh for a single trip. The energy output is calculated for different battery sizes and bus weights, and the correlation between battery size and the energy consumption is formulated by the linear interpolation method. In addition to simulation output, optimization constraint functions and boundaries that affect the required battery energy and charging infrastructure needs are determined. The cost function is formed to calculate the total cost of ownership of batteries and chargers by using the Net Present Value (NPV) financial metric. Then, cost-oriented optimization is performed with the Genetic Algorithm (GA) method to define the optimal combination of battery energy, the number of charging stations, and charger power. In addition to the cost-optimized depot charging, different charging scenarios are analyzed with case studies. Several cost items are evaluated for opportunity charging, in-route inductive charging, and battery swapping strategies and compared with depot charging strategy. For the given bus route, fleet, and cost items, depot charging is the most cost-effective charging strategy, since the fleet consists of only 15 buses. In the second part of the thesis, the current profile of the bus battery pack is derived by bus simulation, based on the battery energy determined by GA optimization and defined battery pack voltage. The distributed battery system approach is considered in this study since it provides scalability of the battery pack for different bus routes and requirements. Later, module, sub-pack, and pack configurations are presented, where electrical architectures are introduced. Accordingly, 6 sub-packs are defined to form a modular battery system with 234 battery cells in series and 18 battery cells in parallel, in total. A Battery Management System (BMS) topology is proposed for the distributed battery system. Finally, the electrical safety of an E-Bus HV battery is elaborated, including insulation coordination concept, short circuit case analysis, and shut-off concept, based on international standards and regulation. This study presents a cost-oriented optimization method of charging infrastructure and battery system sizing for the electrification of BRT systems which can improve air and noise pollution in urban areas. The depot charging strategy can be a cost-effective solution for small bus fleets. Opportunity charging, in-route charging, or battery swapping scenario can be profitable for a different bus route, especially for large-sized bus fleets. The presented modular battery pack approach provides flexibility to the application in case of an update in electrical requirements.
Benzer Tezler
- Investigation of transposition models, optimization of tilt angles, and solar radiation intensity for fixed and tracked south-facing solar photovoltaic surfaces in provinces of türkiye
Transpozisyon modellerinin incelenmesi, türkiye illerinde sabit ve güneş takipli güneye bakan fotovoltaik yüzeyler için eğim açılarının ve güneş radyasyon yoğunluğunun optimizasyonu
BATUR ALP AKGÜL
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHasan Kalyoncu ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SADETTİN ÖZYAZICI
- Sezgisel optimizasyon algoritması kullanılarak hibrit (fotovoltaik-rüzgar) enerji sistemi için boyut optimizasyonu
Size optimization for hybrid (photovoltaic-wind) energy system using heuristic optimization algoritm
SEFER AYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiKırklareli ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRETTİN TOYLAN
- Elektrikli ticari araçlarda rotalama ve şarj istasyonu kuruluş yeri seçimi optimizasyonu
Optimizing the routing and charging station installation location for electric commercial vehicles
İPEK ÖZENİR
- Konut binalarındaki kurulu kapasite fazlası ve yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu ile dinamik yük yönetiminin şarj istasyonu boyutlandırılmasına etkileri
Efects of dynamic load management on sizing of charging operations with the integration of surplus installed capacity in residential building and renewable energy
ÖZCAN AKBIYIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNDER GÜLER
- Güneş enerji sistemlerinde verimlilik analizi: Nijer güç sistemi uygulaması
Efficiency analysis in solar energy systems: Niger power system application
ISSIFA HAMIDOU TINNI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TÜRKER FEDAİ ÇAVUŞ