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
- Tez No: 763972
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERPİL KURT HABİBOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Son yıllarda, çevre kirliliğinin önüne geçmek üzere bir çok endüstride, emisyonları düşürmek ve verimliliği artımak üzere çalışmalar başlamıştır. Otomotiv endüstrisi ise yapılan bu çalışmalarda en çok ivmelenen sektör haline gelmiştir. Çünkü araçların yaydığı zararlı egzoz gazlarının dünya genelinde çok fazla olması ve bu sektörde rekabetin yüksek olması bu durumu kaçınılmaz hale getirmiştir. Bu sebeple araçların emisyon gazlarını azaltmak için içten yanmalı motorların boyut ve emisyonların azaltma çalışmalarının yanı sıra, daha da popüler bir hale gelen araçların elektrikli araçlara dönüştürülmesi ile çevreye duyarlı olan araçların geliştirilmesi yaygınlaşmaktadır. Günümüzde ülkeler tarafından getirilen emisyon regülasyonları ile birlikte içten yanmalı motor boyutları oldukça azaltılmış ve müşterilen performans beklentilerini karşılayamaz hale gelmiştir. Bu beklentileri ve getirilen emisyon regülasyonlarını karşılamak amacıyla otomotiv sektöründeki firmalar elektrikli ve hibrit araç çalışmalarını hızlandırmış ve 2025 yılı itibariyle üretilen araçların büyük çoğunluğunu elektriklendireceklerdir. Araçların elektriklendirme çalışması yolcu araçları ile sınırlı kalmayıp, hafif ve ağır ticari araçlar içinde uygulanmaktadır. Bu sebeple Avrupa'da yayınlanan regüslayonlardan birtanesi ise Vehicle Energy consumption Calculation Tool (VECTO)'dur. VECTO, Avrupa Komisyonu taraftından ağır ticari araçlar için geliştirilen, yakıt sarfiyatı ve CO2 emisyonlarını hesaplandığı bir hesaplama aracıdır. Bu sayede 2019 yılında referans CO2 emisyon değeri belirlenerek, önümüzdeki yıllarda araç üreticilerinin bu referans değerinin 2025 yılında %15 altında, 2030 yılında ise %30 altında kalması istenmektedir. Bu değerler halihazırda emisyon değerleri geliştirilmiş olan içten yanmalı motorların daha fazla azaltmaya gidemeceğinden dolayı, ağır ticari araçların elektriklendirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Araçların elektriklendirilmesi hibrit araçlar ile başlamıştır. İçten yanmalı motora sahip geleneksel araçlardan, elektrikli araçlara geçiş için ara bir tür olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, tamamen elektrik ile çalışan araçlar son zamanlarda otomobil üreticilerin üzerinde oldukça çalıştıkları elektriklendirilen araçlardandır. Elektrikli araçlar kullanım amacına göre hibrit araç kullanımını domine etmesi ön görülmektedir. Elektrikli araçların geleneksel araçlardan ayıran en önemli özelliği ise benzin, dizel, doğalgaz vb. gibi fosil yakıtların yerine, elektrik enerjisni kullanmasıdır. Elektrikli araçlar konvansiyonel araçlar ile karşılaştırıldığında, çevreye karşı hem zararlı gazların salınımı hem de gürültü kirliliği konusunda daha duyarlı, ivmelenme performansları daha iyi ve daha az parça kullanılmasıdır. Tamamen elektrikli araçların çalışma prensibi, bataryada depolanan elektrik enerjisini, elektrik motor(lar) yardımıyla tekerlere aktarılmasıyla olmaktadır. Elektrikli araçların temel sistemleri, elektrik motoru, inverter, şanzıman veya elektrik motoru, inverter ve şanzımanın tek paket halinde bulunduğu elektrik tahrik ünitesi ve ayrıca bataryadır. Bunların dışında tüm bu birleşenlerin kontrolünü sağlayan, batarya şarj durumu, inverter sinyal girdilerini kontrol eden kontrolcü de elektrikli araçların temel sistemlerindendir. Elektrikli araçlarda fazlasıyla elektrik ve elektronik sistemleri bulunduğundan, bu sistemleri kontol etmek için yazılım ve yazılım geliştirme alanında bir çok çalışma yapılmaktadır. Bu sayede elektrik motorlarının daha verimli bölgelerde çalışması, batarya yönetimi sistemini ile bataryanın kontrolü geliştirilen yazılımlar ile birlikte daha verimli şekilde kullanılması sağlanmaktadır. Geliştirilen yazılımlarla birlikte, elektirk motoru ve inveter ile birlikte güç aktarma organı olarak kullanılan şanzımanında geliştirilmesi gerekmektedir ve bu sayede aracın daha verimli çalışması sağlanmaktadır. Ağır ticari araçlar için saf elektrilendirme çalışmaları, öncelikle içten yanmalı motor ve konvansiyonel şanzıman çıkarılarak, elektrik motorunun direk olarak bir kardan şaft yardımıyla arka canlı aksa takılmasıyla başlanmıştır. Fakat bu durumda tek bir oran olacağından dolayı bazı araç isterlerini yerine getirememiştir ve yüksek ilk kalkış torkundan dolayı çok büyük boyutlarda elektrik motoru kullanmak zorunda kalınmıştır. Daha sonra ise elektrikli ağır ticari araçlar ise iki şekilde konfigürasyon ile ilerlenmesi kabul görmüştür. Bunlardan bir tanesi 60 ton altı ağır ticari araçlar için elektrikli aks (E-aks), diğeri ise 60 ton üzeri ağır ticari araçlar için kullanılan elektrikli şanzımandır.Elektrikli şanzımanların bulunduğu araç konfigüsrasyonunda, elektrik motorlarının entegre edildiği bir şanzıman, kardan şaft ve canlı arka arka şeklinde oluşturulmaktadır. Inverter ise genellikle şanzıman üzerinde değil araç üzerindedir. E-aks ise, P4 araç konfigürasyonunda kullanılmakta ve elektrik motoru, şanzıman ve inverterin olduğu bir yapı olarak oluşturulmaktadır. Araçta canlı arka aksın yerine entegre edilerek, konvansiyonel motor ve şanzıman ile birlikte kardan şaft çıkarılarak oluşturulmaktadır. E-aks, elektrik motoru, inverter ve şazımandan oluşan tek bir sistem veya inverter olmadan sadece elektrik motoru ve şanzıman olarak tasarlanmaktadır. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, elektrikli araçlar için enerji tüketimi üzerine olan araştırmalar daha çok yıllık üretim kapasitesi fazla olan otomobiller için yapıldığı ve ağır ticari araçlar için ise çalışmaların hızlandığı gözlemlenmiştir. Genellikle yapılan bu çalışmalar hibrit araçlar ile başlamıştır. Konvansiyonel araçlar ile hibrit araçlar arasındaki yakıt tüketiminin kıyaslaması yapılmıştır. Aynı zamanda çalışmalar elektrik araçların enerji tüketimi incelenmesiyle devam etmektedir. Enerji tüketimi çalışmalarında genellikle bütün bir aracın enerji tüketimi araştırılmıştır. Ağır ticari için yapılan enerji tüketimi incelemeleri için standart sürüş çevrimleri kullanılmıştır ve konvansiyonel ve şuan konvansiyonel araçlarda kullanılan şanzıman türlerinin enerji tüketimi konusunda kıyaslama yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı olan elektrikli ağır ticari araçlar için kullanılacak olan şanzımanların, araç enerji tüketimine olan etkisi irdelemektir. Şanzıman, elektrik motoru ve inverterin bulunduğu tek paket halinde oluşturulan sistem elektrik tahrik ünitesi olarak adlandırılmaktadır. Ayrıca bu tahrik ünitelerinin, vites sayısının enerji tüketimi üzerinde etkisiyle birlikte araç performans ve paketlemesi üzerindeki etkileri de göz önünde bulundurularak, ağır ticari kamyonların için optimum elektrik tahrik ünitesi elde edilmesi amaçlanmaktadır. Bunula birlikte bu çalışmalar standart sürüş çevrimleri ile değil, gerçek yol dataları toplanıp oluşturulan sürüş çevrimleri ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada elektrik motoru, inverter ve şanzımanın tek sistem halinde bulunduğu elektrik tahrik ünitelerinin ve vites sayılarının enerji tüketimi üzerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca elektrik tahrik ünitelerinin araç performans karakteristiği üzerinde etkisi de araştırılmış ve karşılaştırılmıştır. Elektrik tahrik ünitelerinden, çok hızlı olanlanlar otomatikleştirilmiş manuel şanzımanlara benzer çalışma prensipleri varken, çok modlu şanzımanlar ise literatüre yeni giren ve elektrik motorların bağımsız olarak çalışmasına imkan sağlayan elektrik tahrik üniteleridir. Bu sebeple, bu çalışmanın yenilikçi yönlerinden birtanesi çoklu modlu şanzımanların tantılması ve enerji tüketimi bakımından analizinin yapılmasıdır. Elektrik tahrik ünitelerinin enerji tüketimi üzerinde etkisini görmek için, Matlab/SIMULINK ortamında araç modeli geliştirilmiştir. Bu sonuçların daha gerçekçi değerleri yansıtması için gerçek yol dataları üç farklı güzergah için toplanmış ve sürüş çevrimleri oluşturulmuştur. Bu güzergahlar, enerji tüketimini tüm yol koşullarında araştırmasını yapmak üzere aşağıdaki gibi seçilmiştir. Bunlar ; -Şehir içi güzergahı -Şehirler arası güzergah -Bölgesel güzergah Bu güzergahlar için yol dataları toplanarak NCODE programı yardımıyla işlenip, hız ve mesafe veya zaman olarak sürüş çevrimleri elde edilmiştir. Daha sonra bu çevrim sürüşleri Matlab/SIMULINK ortamında geliştirilen araç modeline entegre edilmiş, iki, üç ve dört vitesli elektrikli tahrik ünitleri için enerji tüketim değerleri elde edilmiştir. Geliştirilen bu araç modelinde önemli sistemlerden birtanesi ve bu çalışmanın amacı olan şanzımanlar iki farklı şekilde oluşturulmuştur. Buradaki fark ise farklı vites geçiş algoritmalarından kaynaklanmaktadır. Çok hızlı elektrik tahrik ünitesi diye adlandırılan ünitelerdeki vites geçişleri otomatikleştirilmiş şanzımanlarla aynı çalışna prensibine sahip iken, çok modlu elektrik tahrik ünitlerinde aktif senkrenizasyon yaparak vites geçişinin daha pürüzsüz ve tork kesintisi olmadan yapılması hedeflenerek, vites geçiş algoritması ona göre oluşturulmuştur. Elektrik motorları ise verim haritaları göz önünde bulundurulduğunda en uygun hız aralıklarında vites artırma ve azaltma işlemleri elektrik motor modeli algoritmalarında oluşturulmuştur. Ayrıca araç enerji tüketimine oldukça katkısı olan fren sırasında ve yokuş aşağı gitme durumunda enerji kazanımı da batarya ve elektrik motor modeli içerisindeki algoritmalar ile kontrolü sağlanarak, sisteme enerji kazandırma şeklinde tekrar eklenmektedir. Bu çalışmada, iki farklı şanzıman türünün, farklı yol koşullarında ve vites sayılarında, enerji tüketime olan etkileri incelenmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında çoklu hızlı elektrik tahrik ünitelerinin daha verimli olduğu ve vites sayısı artırıldığında ünitelerin veriminin arttığı saptanmıştır. Çalışmanın sonraki adımında ise artırılan vistes sayısının, araç paketi üzerinde etkisi numerik olarak belirtilmiş, araç performans üzerindeki analizleri yapılmış ve etkileri ortaya çıkarılmıştır. Bununla birlikte, aynı şanzıman türleri ve yol şartları kullanılarak, simüslasyonlar, birim enerji tüketimini karşılaştırmak için içten yanmalı motor kullananan konvansiyonel araçlar için de koşturulmuştur. Bu sonuçlar karşılaştırıldığında, içten yanmalı motora sahip olan ağır ticari bir kamyonun birim enerji tüketiminin elektrikli ağır ticari bir kamyonun birim enerji tüketiminden fazla olduğu saptanmıştır. Tüm bu bilgiler ışığında çalışmanın literatüre katkısı, elektrikli ağır ticari kamyonlar için iki farklı şanzıman veya elektrik tahrik ünitesinin, farklı yol koşulları için, vites sayısı değişimi ile birlikte, enerji tüketimine olan etkisi irdelenmesi ve verimlilik, araç performans ve tasarım paket açısından optimal elektrik tahrik ünitesi tasarımını ortaya koymasıdır.
Özet (Çeviri)
The studies have been started recently in many industries to reduce emissions and increase efficiency in order to prevent environmental pollution. The automotive industry has become the most trend sector for these studies. Because the harmful exhaust gases emitted by the vehicles are too much around the world and the competition in this sector is strong, this situation has become inevitable. For this reason, in order to reduce the emission gases of vehicles, in addition to the size and emission reduction studies of internal combustion engines, the development of environmentally friendly vehicles is becoming widespread with the conversion of vehicles that have become even more popular to electric vehicles. Today, the size of the internal combustion engines have been considerably reduced with emission regulations released by governments. Therefore, it has not been able to meet the performance expectations of the customers. In order to meet customer expectations with the emission regulations introduced, automakers have accelerated studies on electric and hybrid vehicles and they will electrify the majority of the vehicles produced by 2025. The electrification of vehicles is not limited to passenger vehicles, but is also applied to light and heavy commercial vehicles. For this reason, one of the regulations published in Europe is the Vehicle Energy consumption Calculation Tool (VECTO). VECTO is a calculation tool developed by the European Commission for heavy commercial vehicles, calculating fuel consumption and CO2 emissions. In this way, the reference CO2 emission value is determined in 2019, and vehicle manufacturers are requested to keep this reference value below 15% in 2025 and 30% in 2030 in the coming years. As these values cannot be reduced further by conventional vehicles with the internal combustion engines whose emission values have already been improved, the electrification of heavy commercial vehicles has become inevitably. The electrification of vehicles started with hybrid vehicles. The hybrid vehicles are considered as an intermediate type for the transition from traditional vehicles with internal combustion engines to electric vehicles. However, fully electric vehicles are one of the electrified vehicles that automakers have been working on recently. It is foreseen that electric vehicles will dominate the use of hybrid vehicles according to their intended use. The most important feature that distinguishes electric vehicles from traditional vehicles is to use electrical energy instead of using fossil fuels such as gasoline, diesel, natural gas, etc. The electric vehicles are more susceptible to environment both in terms of emission of harmful gases and noise pollution compared to traditional vehicles. Moreover, the accelerating performance of electric vehicle is better and, it is used fewer components in these vehicles. The working principle of purely electric vehicles is to transfer the electrical energy stored in the battery to the wheels with the help of electric motor(s). The basic systems of electric vehicles are the electric motor, the inverter, the gearbox or the electric drive unit where the electric motor, the inverter and the gearbox are in one package, and also the battery. Apart from that, the controller, which provides control of all these components, controls the battery charge status and inverter signal inputs, is one of the basic systems of electric vehicles. As there are many electrical and electronic systems in electric vehicles, many studies are carried out in the field of software and software development to control these systems. In this way, it is ensured that the electric motors operate in more efficient regions, and that the battery management system and the control of the battery are used more efficiently with the software developed. Along with the developed software, the transmission, which is used as a powertrain together with the electric motor and inverter, needs to be developed and, thus the vehicle is provided to operate more efficiently. Pure electrification studies for heavy commercial vehicles started firstly by removing the internal combustion engine and conventional automatic or manual transmission, and attaching the electric motor directly to the rear live axle with the help of a propeller shaft. However, due to the fact that there will be only one ratio, some vehicles could not fulfill their requirements in this case and due to the high starting torque, it was necessary to use very large electric motors. Afterwards, it was accepted to proceed with two configurations for electric heavy commercial vehicles. Those are electric axle (E-axle) for heavy commercial vehicle under 60 tons and electric transmission for over 60 tons. In the vehicle configuration with electric transmissions, a transmission in which electric motors are integrated is formed as a propeller shaft and live back-to-back. The inverter is usually on the vehicle, not on the gearbox. The e-axle is used in the P4 vehicle configuration and is formed as a structure with electric motor, transmission (reducer) and inverter. It is formed by integrating the live rear axle in the vehicle and removing the propeller shaft together with the conventional engine and transmission. E-axle is designed as a single system consisting of electric motor, inverter and gearbox, or only electric motor and gearbox without inverter. When the studies in the literature are examined, it has been observed that the researches on energy consumption for electric vehicles are mostly done for passenger cars with higher annual production volume, and the studies for heavy commercial vehicles are accelerated. Generally, these studies started with hybrid vehicles. A comparison of fuel consumption between conventional vehicles and hybrid vehicles has been performed. Meanwhile, studies continue by examining the energy consumption of electric vehicles. In energy consumption studies, the energy consumption of an entire vehicle is typically investigated. Standard driving cycles were used for energy consumption studies for heavy commercial vehicles, and a comparison of the transmission types used in conventional vehicles was made in terms of energy consumption. The effect of transmissions to be used for electric heavy commercial vehicles, which is the aim of this study, on vehicle energy consumption has been examined. The transmission is formed as an electric drive unit, in a single package, containing the electric motor and the inverter. In addition, it is aimed to obtain the optimum electric drive unit for heavy commercial trucks, taking into account the effects of these drive units on vehicle performance and packaging, as well as the effect of gear number on energy consumption. However, these studies were carried out by not using standard driving cycles, but using driving cycles collected from the real road. In this study, the effect of electric drive units, in which the electric motor, inverter and transmission are in a single system, and the number of gears on energy consumption were investigated. In addition, the effect of electric drive units on vehicle performance characteristics was investigated and compared. Among the electric drive units, multi-speed transmissions have working principles similar to automated manual transmissions (AMT), while multi-mode transmissions are electric drive units that are new to the literature and allow electric motors to operate independently. Therefore, one of the innovative aspects of this study is the introduction of multi-mode transmissions and your analysis in terms of energy consumption. A vehicle model was developed in Matlab/SIMULINK environment to analyze energy consumption and see the effect of electric drive units. In order for these results to reflect more realistic values, real road data were collected for three different routes and driving cycles were created. These routes have been selected as follows in order to investigate their energy consumption in all road conditions. These are municipal, intercity and regional routes. The road data for these routes are collected and processed by using NCODE program, and driving cycles as speed and distance or time are obtained. Then, these cycle drives were integrated into the vehicle model developed in the Matlab/SIMULINK environment, and energy consumption values were obtained for two, three and four-speed electric drive units. In this developed vehicle model, one of the important systems is transmission which is the aim of this study, were developed in two different ways. The difference here is due to different gear shifting algorithms. While the gear shifts in the so-called multi-speed electric drive units have the same logic as the automated manual transmissions (AMTs), the gear shifting algorithm has been created with the aim of making the gear shifting smoother and without torque interruption by active synchronization in the multi-mode electric drive units. On the other hand, when the efficiency maps of electric motors are taken into consideration, the gear increase and decrease processes in the most appropriate speed ranges are created in the electric motor model algorithms. In addition, the energy gain during braking and in the case of going downhill, which contributes greatly to the vehicle's energy consumption, is controlled by the algorithms in the battery and electric motor model, and is added to the system in the form of add energy. In this study, the effects of two different transmission types on energy consumption in different absence conditions and gear numbers were examined and successful results were obtained. When the obtained results are compared, it has been determined that the multi-speed electric drive units are more efficient and the efficiency of the units increases when the number of gears is increased. In the next step of the study, the effect of the increased number of gears on the vehicle package was stated numerically, the analyzes on the vehicle performance were made and the effects were revealed. However, using the same transmission types and road conditions, simulations are also run for conventional vehicles using internal combustion engines to compare the unit energy consumption. When these results are compared, it has been determined that the unit energy consumption of a heavy commercial truck with an internal combustion engine is higher than the unit energy consumption of an electric heavy commercial truck. In the light of all these information, the contribution of the study to the literature is to examine the effect of two different transmission or electric drive units for electric heavy commercial trucks on energy consumption for different road conditions, together with the number of gear changes, and the optimal electric drive unit in terms of efficiency, vehicle performance and design package.
Benzer Tezler
- Elektrikli otomobil motor sürücü devrelerinde farklı fiziki yapılarda işletme başarımının tespitine katkılar
Contributions to determining the operational performance of motor control circuits having different physical structures for electric vehicles
NAİL GÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Senkron alçaltan doğru akım çeviricinin PI ve bulanık PI kontrolünün karşılaştırılması
Comparison of PI and fuzzy PI controls of synchronous buck dc converters
YAVUZ EMRE KAYACAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- 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
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Yüksek basınç püskürtmeli bir sıvı yakıt brülorünün yakıt sisteminin modellenmesi
Modelling of fuel system of a high pressure oil atomizing burner
F.MURAT GEDİK