Integrated vehicle control unit development with active safety functions for electric vehicles
Elektrikli araçlar için aktif güvenlik sistemleri içeren tümleşik araç kontrol ünitesi geliştirme
- Tez No: 737507
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Otomotiv Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Automotive Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Özellikle son yıllarda güç elektroniği, elektrik motoru ve batarya teknolojilerindeki gelişmeler ile birlikte elektrikli araçlara olan ilgi giderek artmaktadır. Emisyon standartlarının zorlaştırılmasıyla birlikte de otomotivde içten yanmalı motorlar artık yerlerini elektrikli motorlara bırakmaktadırlar. Otomotivde ki bu geçiş dönemi, askeri kara araçları için de referans niteliğindedir. Dünya genelinde pek çok savunma sanayi firması, ürettikleri konvansiyonel kara araçlarının bir de hibrit veya elektrikli versiyonları üzerine çalışmalarını sürdürmektedirler. Elektrikli araç konfigurasyonlarının askeri uygulamalar için bir çok avantajı bulunmaktadır. Bu avantajların en önemlileri olarak yüksek güç gereksinimleri, daha basitleştirilmiş konfigurasyon ve sessiz çalışma özellikleri sayılabilir. Son yıllarda mikroişlemci ve yarı iletken alanındaki gelişmeler başta olmak üzere elektronik teknolojilerindeki buluşlar farklı sektörler için elektronik kontrol sistemlerinin yaygınlaşamasında büyük rol oynamıştır. Elektronik kontrol sistemleri artık her sektörde sistemlerin verimliliğini, güvenliğini ve otonomlaştırılmasını arttırmak için büyük fayda sağlamaktadır. Elektronik kontrol sistemlerinin yaygın olarak kullanıldığı sektörlerin başında evlerde kullanılan beyaz eşyalar, endüstriyel robotlar, uzay araçları, otomotiv ve savunma teknolojileri verilebilir. Ayrıca bu sistemler toplumların giderek artan ürün taleplerini karşılamak için büyük öneme sahiptirler. Elektronik kontrol sistemlerinin hızla artan konumu, eski mekanik veya hidrolik kontrollü sistemlerin yerini elektronik kontrollü sistemlere bırakmasına neden olmuştur. Elektronik teknolojilerinin gelişmesine paralel olarak pozitif bilim, matematik ve mühendislik yazılım programlarının yaygınlaşmasıyla birlikte de kontrol edilen sistemlerin arka arkaya simulasyon testlerinin yapılarak kontrol edilecek sistemler için hassasiyet, kararlılık ve dayanıklık arttırılırken hata çıkartma ihtimalide düşürülmüştür. Ayrıca arka arkaya tekrarlanan bu simulasyon testleri elektronik kontrol sistemlerine olan güveni de arttırmıştır. Otomotivde hem ticari hemde savunma tarafındaki sürücü ve yolcular için güvenlik standartlarının artmasıyla birlikte elektronik kontrol sistemlerinin önemi daha da artmıştır. Bu tez çalışmasında geliştirilen askeri elektrikli kara araçları için tümleşik araç kontrol ünitesi de araç üzerinde kullanılan onlarca elektronik kontrol ünitesinden sadece bir tanesidir. İçerdiği farklı kontrol ünitelerinin fonksiyonları nedeniyle tümleşik bir sistem olarak adlandırılmıştır. Bu fonksiyonları sıralamak gerekirse araç modunun belirlenmesi, gaz pedalından tork talebi, güç yönetim sistemi, motor tork limitleme, rejeneratif fren kontrolü, arıza tespit ve güvelik fonksiyonu, çekiş kontrolü ve araç stabilite kontrolü alt sistemlerinden oluşmaktadır. Tümleşik araç kontrol ünitesinin içerdiği en karmaşık fonksiyonların başında çekiş kontrol sistemi ve araç stabilite sistemi gelmektedir. Bu karmaşık sistemler aslında birer aktif güvenlik sistemleri fonksiyonlarıdır. Aktif güvenlik sistemleri günümüzde ABS, TCS ve ESC isimleriyle karşımıza çıkmaktadır ve araç üzerindeki sensörler veya sistemler vasıtası ile sürüş esnasında oluşabilecek herhangi bir kontrolsüz araç hareketi veya durumunu tespit ederek aracın kontrolünü kısmen veya tamamen ele alır. Bu sayede daha kararlı ve kontrollü olarak aracı yöneterek kazaları önlemeyi amaçlar. Aktif güvenlik sistemleri, ticari araç uygulamalarında standartlar gereği zorunluluk haline gelmesinin yanı sıra askeri araç uygulamalarında da son yıllarda kullanımını giderek yaygınlaşmıştır. ABS sisteminin amacı, hidrolik frenlerin araç tekerleklerinin kilitlemesini ve kaymasını önlemektir. Araç hızı ve tekerlek hızını okuyarak tekerleklerin kilitlenmesini tespit eder ve sürekli olarak değilde kesikli olarak fren hidroliklirini çalıştırır ve bu sayede tekerlekleri kilitlenip kaymasını engeller. TCS sisteminin temel amacı, ıslak veya buzlu zemin gibi yol şartlarından kaynaklı olarak tekerleklerden herhangi birinde çekiş kaybı oluşması durumunda devreye girerek çekiş kontrolünü otomatik sağlamaktır. TCS sisteminin kullanımıyla birlikte çekiş kaybından dolayı azalacak yol tutuşu ve direksiyon hakimiyeti önlenmektedir. Araç hızı ve tekerlek hızını okuyarak tekerlek kayma oranınu tespit eder ve buna bağlı olarak sürücüden gelen tork talebini optimize ederek kayma oranını yol zeminine göre en fazla yol tutuşunu sağlayabileceği seviyede tutmak için motordan tork talep eder. ESC sistemi, aracı istenilen yönde yolda tutmak için motor torku ve tekerleklere birbirinden bağımsız olarak fren müdahelesinde bulunmak için geliştirilmiş bir aktif güvenlik sistemidir. Araca ne kadarlık tork ve hangi tekerleğe fren müdahelesinde bulunacağını araç üzerindeki çeşitli sensörlerden okuduğu bilgiler vasıtasıyla optimize etmektedir. Keskin viraj dönüşlerinde direksiyon dönüş oranı ve araç hızına bağlı olarak aracın savrulmasını önlemek için tekerleklere birbirinden bağımsız fren müdahelelerinde bulunarak aracı istenilen yönde yolda tutmaya çalışır. Tümleşik araç kontrol ünitesinin fonksiyonlarının simulasyon testlerini yapabilmek için yine tez çalışması kapsamında elektrikli askeri kara aracı dinamik modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen model direksiyon ünitesi, elektrik motoru, batarya, güç aktarım organları, fren hidrolikleri, tekerlek ve araç gövdesi alt sistemlerinden oluşmaktadır. Kontrol tarafında daha çok araç dinamiklerine yönelik fonksiyonlar geliştirildiği için araç modelinde tekerlek ve araç modeli daha detaylı olarak tasarlanmıştır. Örnek olarak araç kontrol ünitesi için geliştirilen TCS sistemi boylamsal tekerlek kayma oranını hesaplamak için tekerlek ve araç hızını kullanmaktadır. Simulasyon testlerinde tekerlek hızını hesaplamak için tekerlek modeline ihtiyaç duyulmuştur. Tekerlek modeli, boylamsal ve yanal davranışı karakterize etmeye uygun olduğu için Pacejka Magic Formula yaklaşımı ile geliştirilmiştir. Simulasyon testlerinde öncelikli olarak geliştirilen araç modelinin kuru ve ıslak yol için performans testleri gerçekleştirilmiştir. Kullanıcı tarafından gaz pedalı üzerinden talep edilen torka karşılık olarak motorun oluşturduğu tork, batarya şarj durumunun değişimi, tekerlek kayma oranı, tekerlek ve araç hızı gibi araç modelinin oluşturduğu çıktılar gözlemlenip doğrulanmıştır. Kuru zemin ve ıslak zemin de gerçekleştirilen simulasyon testlerinin çıktılarında TCS fonksiyonu devre dışı iken aracın kalkış anında ıslak zeminde motor tarafından gücün aktarıldığı arka tekerleklerde kayma olduğu ve bu kaymaya bağlı olarakta arka tekerleklerin boşta yüksek hızlarda döndüğü gözlemlenmiştir. Bu sonuçlara göre, iki farklı zeminde gerçekleştirilen performans testlerinin asıl amacı olan araç modelinin gerçeğe yakınsanması doğrulanmıştır. Bir sonraki simulasyon testinde ise tekerleklerde kaymanın en fazla olacağı buzlu zeminde TCS sistemi önce devre dışı bırakılmış daha sonra devreye alınarak her iki test sonuçları karşılaştırılmış ve TCS sisteminin çalışması doğrulanmıştır. TCS sistemi devre dışı iken, kalkış anı ve daha sonrasında sürücü tarafından talep edilen torkun direk olarak motordan talep edildiği ve buna bağlı olarak arka tekerlerin kayarak çok yüksek hızlara çıktığı gözlemlenilmiştir. TCS sistemi devredeyken, kalkış anında talep edilen torkun tekerlekler kaymaması için limitlenildiği ve tekerleklerin boşta dönmeyerek yüksek hızlara çıkmadığı gözlemlenilmiştir. Ayrıca her iki simulasyon testinde araç hızının değişimi gözlemlenilmiştir. Beklenildiği gibi, TCS sistemi devredeyken tekerlekler yol yüzeyine daha fazla temas ettiği için araç daha çabuk hızlanmıştır. Bu sayede çok daha güvenli ve verimli bir sürüş sağlanmıştır. Viraj dönüşlerinde aracın yanal eksende savrulmasını önlemek amacıyla geliştirilen ESC fonksiyonunun simulasyon testlerinde dünya çapında kabul görmüş ve standartlaşmış Sine with Dwell ve Constant Radius testleri uygulanmıştır. Sine with Dwell testinde, araç belirli bir hıza ulaştıktan sonra direksiyon aniden önce sağa 180 derece daha sonra aniden sola 180 derece çevirilmiştir. Buna bağlı olarak ESC sistemi devre dışı iken ve devredeyken aracın savrulması gözlemlenmiştir. ESC sistemi devre dışı iken, kullanıcı tarafından direksiyonun çevirilmesine göre hiçbir fren talebi oluşmadığı ve bu sebepten aracın savrulduğu gözlemlenirken, ESC sistemi devreye alındığında referans olarak hesaplanan yaw oranını sağlamak için farklı tekerlekler için bağımsız olarak fren talepleri oluştuğu ve bu sebepten aracın savrulmadığı gözlemlenilmiştir. Constant Radius testinde ise, yine araç belirli bir hıza ulaştıktan sonra sürücü tarafından direksiyon belirli bir süre 180 derece sağ yöne çevrilmiştir. Önceki testteki gibi ESC sistemi devredışı iken aracın savrulduğu, devreye alındığında ise referans olarak belirlenen yaw oranını sağlayarak savrulmadığı gözlemlenilmiştir. Güç yönetim fonksiyonu testinde, bataryadan şarj kapasitesinin üzerinde yüksek güç talep edilmesi durumunda motordan talep edilen torkun limitlendiği gözlemlenerek güç yönetim fonksiyonu doğrulanmıştır. Askeri araçlar için kritik öneme sahip oldukları için son simulasyon testlerinde güvenlik ve savaş modu fonksiyonları test edilmiştir. Test edilecek güvenlik modu olarak limp modu belirlenmiştir ve araç limp moduna girdiğinde sürücü veya aracın hasar görmemesi için bakım alanına gidebilecek kadar motorun asgari seviyede tork üretmesi beklenmektedir. Limp modunun aktif olması için, simulasyona fren pedalı arızası girdisi uygulanmıştır ve buna göre limp modu fonksiyonu sürücüden gelen gaz talebini limitleyerek aracın yüksek hızlara çıkılması önlenmiştir. Savaş durumu gibi acil durumlarda herhangi bir arıza durumu olsa bile aracın kabiliyetini sınırlamamak için combat modu fonksiyonu sisteme eklenmiştir. Sürücü tarafından combat butonuna basılması halinde combat modunun aktif olması ve bütün güvenlik fonksiyonlarının devre dışı bırakılması beklenmektedir. Gerçekleştirilen son simulasyon testinde combat modu fonksiyonununda doğru çalıştığı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The importance of electronic control systems has increased with the increase in safety standards for the driver and passengers on both the commercial and defense side in the automotive. In this thesis, the developed integrated vehicle control unit for military electric land vehicles is only one of dozens of electronic control units used on the vehicle. It is called an integrated system because of the functions of the different control units it contains. To list these functions, it consists of vehicle mode determination, torque demand from the accelerator pedal, power management system, motor torque limiting, regenerative brake control, fault detection and safety function, traction control and vehicle stability control subsystems. Traction control and vehicle stability systems are among the most complex functions of the integrated vehicle control unit. These complex systems are functions of active safety systems. Active safety systems come up with the names of ABS, TCS and ESC today, and they take control of the vehicle partially or completely by detecting any uncontrolled vehicle movement or condition that may occur while driving through the sensors or systems on the vehicle. In this way, it aims to prevent accidents by managing the vehicle in a more stable and controlled manner. Active safety systems have become a necessity in commercial vehicle applications as per the standards, and their use in military vehicle applications has become increasingly widespread in recent years. The main purpose of the TCS system is to automatically provide traction control by activating in case of loss of traction in any of the wheels due to road conditions such as wet or icy ground. With the use of the TCS system, the road holding and steering control that will decrease due to the loss of traction are prevented. It detects the wheel slip rate by reading the vehicle speed and wheel speed, and accordingly, it optimizes the torque demand from the driver and requests torque from the motor to keep the slip rate at the level where it can provide the most road grip compared to the road surface. The ESC system is an active safety system developed to keep the vehicle on the road in the desired direction, to intervene with the motor torque and the brakes independently of each other. It optimizes how much torque to the vehicle and to which wheel it will brake, by means of the information it reads from various sensors on the vehicle. In sharp cornering turns, depending on the steering ratio and vehicle speed, it tries to keep the vehicle on the road in the desired direction by making independent braking interventions to the wheels in order to prevent the vehicle from skidding. In order to perform simulation tests of the functions of the integrated vehicle control unit, an electric military land vehicle dynamic model has been developed within the scope of the thesis study. The developed model consists of steering unit, electric motor, battery, powertrain, brake fluids, wheel and vehicle body subsystems. As functions for vehicle dynamics have been developed on the control side, the wheel and vehicle model have been designed in more detail in the vehicle model. For example, the TCS system developed for the vehicle control unit uses the wheel and vehicle speed to calculate the longitudinal wheel slip rate. The wheel model was needed to calculate the wheel speed in the simulation tests. The wheel model was developed with the Pacejka Magic Formula approach as it is suitable for characterizing longitudinal and lateral behavior.
Benzer Tezler
- Fonksiyonel güvenlik kapsamında elektrik motoru takviyeli direksiyon sisteminin model tabanlı yazılımının geliştirilmesi
Model-based software development of electric motor assisted steering system within the scope of functional safety
CENGİZ AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Otomotiv Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
- The effect of different types of electric drive unit on energy consumption for heavy commercial vehicle
Ağır ticari araçlar için farklı elektrik tahrik ünitelerinin enerji tüketimine etkisi
METİN YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU
- Dört rotorlu insansız hava araçları için STM32f4 mikroişlemci üzerinde uçuş kontrol yazılımının geliştirilmesi ve uygulanması
Development and application of flight control software based on STM32f4 microprocessor for quadrotor unmanned air vehicle
BERKAY GÜRKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
- Cep telefonları ve cep telefonu antenleri
Başlık çevirisi yok
ÖNDER TÜRKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVDET IŞIK
- Sigortada dağıtım ve tutundurma metodları
Başlık çevirisi yok
BANU GÖNENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
SigortacılıkMarmara ÜniversitesiSigortacılık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN GÜRBÜZ