Geri Dön

Investigation of regenerative braking efficiency in different drive cycles

Rejeneratif frenleme verimliliğin farklı sürüş çevrimlerinde incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 810451
  2. Yazar: BERKAY BARIN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Otomotiv Mühendisliği, Mechanical Engineering, Automotive Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 74

Özet

İklim değişikliğinin dünya nüfusunun üzerindeki etkisi son zamanlarda çok önemli hale geldi. Kamuoyu ve bilimsel gerçekler, devletler ve diğer otoriteleri iklim değişikliğine karşı sıkı düzenlemeler yapmaya zorluyor. Bu düzenlemelerin hedeflerinden biri de enerji verimini arttırmaktır. Enerji üretimi de iklim değişikliği üzerinde kritik bir rol oynuyor. Bu nedenle üretilen enerjinin tamamının efektif bir şekilde kullanılması hedefleniyor. Artan nüfus ve ekonomik büyüme ile birlikte gün geçtikçe artan enerji ihtiyacı, bu konuyu gün geçtikte daha kritik hale getiriyor. Gelişen bu şartlarla birlikte diğer sektörler gibi otomotiv sektörü de yeni bir döneme hazırlanıyor. Bu dönem emisyon standartlarının sıkılaştığı, elektrikli araçların öne çıkmaya başladığı yeşil enerji dönemi olarak nitelendirilebilir. Sektör, artık karbon ayak izini ve emisyon değerlerini arttıran geleneksel içten yanmalı motor taşıyan otomobillerin gün geçtikçe azaldığı bir döneme kendini hazırlıyor. Avrupa Birliği, önceki regülasyonlara kıyasla çok daha düşük sınırları olan EU7 emisyon regülasyonunu yayınladı. Ocak 2025 itibariyle devreye girecek olması planlanan bu regülasyon sayesinde net sıfır emisyon politikaları, dünya çapında birçok devlet tarafından devreye alınacak. Bu gelişmeler, geleneksel içten yanmalı motorlar karşısında, net sıfır emisyon sağlamaları nedeniyle elektrikli araçların önemini ve popülaritesini artırmaktadır. Ayrıca elektrik motorun yüksek verimliliği, sessiz çalışması ve geliştirilmiş performans özellikleri elektrikli araçların daha çok tercih edilmesine yol açıyor. Ek olarak batarya teknolojisindeki son gelişmeler de elektrikli araçların daha verimli ve uzun menzilli olmasını sağlıyor. Bütün bu olumlu özellikleriyle birlikte, elektrikli araçların hala sınırlı olan sürüş menzili ve uzun şarj süresi gibi kritik dezavantajları vardır. Rejeneratif frenleme, elektrikli aracın yavaşlarken yaptığı iş sonucu açığa çıkan enerjiyi bataryaya geri kazandırır. Bu nedenle rejeneratif frenleme, bataryanın bir şarja ihtiyaç duymadan bir miktar doldurur. Bu durum da bataryanın gerekli şarj süresini ve doğal olarak şarja duyduğu ihtiyacı azaltır. Ayrıca rejeneratif frenleme sayesinde araç daha uzun süreler şarj olmaya gerek duymadan gidebileceği için araçların sürüş menzilini arttırır. Bu sebeplerden dolayı rejeneratif frenleme, elektrikli araçların dezavantajlarına potansiyel bir çözüm olabilir. Ek olarak geleneksel içten yanmalı araçların aksine fren ihtiyacının önemli bir kısmı rejeneratif frenlemeden karşılanabileceği için elektrikli araçlarda fren sistemi bakım maliyetleri azalır, mekanik frenler daha az yıpranır ve daha uzun ömürlü olur. Bu çalışmanın temel amacı, farklı yol koşullarında rejeneratif frenleme performansının etkisinin nasıl değiştiğini incelemektir. Bunun için ilk etapta yüksek performanslı ve tam elektrikli bir spor araba seçildi. Bu araç, öncelikle yüksüz ağırlığı ile, şehiriçi, otoban ve hibrit olan yedi farklı çevrime tabi olarak koşturuldu. Bu çevrimler dünyaca bilinen ve farklı emisyon ve homogolasyon testlerinde kullanılan çevrimlerdir. İlk olarak aracın bu çevrimlerde hangi saniyede ne kadar km/h olması gerektiği ile yavaşlama ve hızlanma değerleri m/s2 cinsinden saptandı. Ardından, seyir esnasında araca etki eden kuvvetler hesaplandı. Bu kuvvetler hesaplanırken aracın eğimsiz bir yolda, rüzgarsız bir ortamda olduğu varsayıldı. Daha sonra bu kuvvetler ve araç hızı ile birlikte aracın o an tekerleklerde oluşturması gereken itki kuvveti hesaplandı. Bu itki kuvvetinin ardından motorun ne kadar moment iletmesi gerektiği hesaplandı. Motorun moment - devir grafiği ile talep edilen moment karşılaştırıldığında aracın bu momenti karşıladığı net olarak tespit edildi. Ardından aynı hesaplar frenleme kısmı için yapıldığında da motorun, jeneratör olarak çalıştığı rejeneratif frenleme kısmında da ihtiyaç duyduğu momentinin tamamının karşılandığı, aracın böylelikle mekanik frenleme sistemine seçilen çevrimlerde ihtiyaç duymadığı ortaya çıktı. Sonrasında aracın çekiş gücü ve frenleme gücü tüm çevrimler için ayrı ayrı hesaplandı. Ancak tüm çevrimlerin farklı mesafede olduğu için bulunan çekiş ve frenleme değerlerini direkt olarak kıyaslamak makul olmadı. Bu değerler, çevrimlerde katedilen kilometre değerlerine bölünerek (kJ/km) yedi çevrimde karşılaştırıldı. Ardından tüm çevrimler için frenleme esnasında ortaya çıkan güç, çekiş esnasında harcanna güce bölünerek frenleme / çekiş oranı bulundu. Bu oran rejeneratif frenlemeden kazanılacak potansiyel enerjiyle çekişe ne kadar katkıda bulunulacağının direkt göstergesidir. Diğer bir deyişle, frenleme / çekiş oranının bire yakın olması yüksek olması çekiş için gerekli enerjinin büyük kısmının rejeneratif frenlemeden karşılanabileceği anlamına gelir. Bu kıyaslamalar sonucunda, araç hızının yüksek olduğu ve ivmelenme değişikliklerinin az olduğu otoyol çevrimlerinin şehiriçi çevrimlerine göre oldukça düşük rejeneratif frenleme değerlerine sahip olduğu görüldü. Kıyaslamanın daha anlaşılabilir olması amacıyla bir şehiriçi çevrimi olan NYCC (New York City Cycle) ile FTP75 Otoyol çevrimi ayrı olarak analiz edilip karşılaştırıldı. Söz konusu iki çevrimin standart sapma değerleri hesaplandığında NYCC'deki sapmanın FTP75 Otoyol çevrimindeki standart sapmanın iki katından fazla olduğu görülmüştür. Bu da şehiriçindeki ivmelenme ve frenleme hareketlerinin otoyol çevrimine göre daha agresif olduğunu gösterir. Daha sonraki analizlere göre, kilometre başına gelen çekiş enerjisinin FTP75 Otoyol çevriminde NYCC'ye göre yaklaşık iki kat daha az olduğu anlaşıldı. Kilometre başı frenleme enerjisinin ise NYCC'de FTP75 Otoyol çevrimine göre yaklaşık sekiz kat daha fazla olduğu görüldü. Sonuç olarak ivmelenmedeki yoğun değişiklikler sebebiyle şehiriçi çevrimde otoyol çevrimine göre hem frenlenme ve hem çekiş için yüksek enerjiler harcandı. Araç şehiriçi çevriminden otoyol çevrimine geçtiğinde aracın frenleme / çekiş oranının, bir diğer deyişle rejeneratif frenleme verimliliğinin önemli ölçüde azaldığı görülmektedir. Şehiriçinde % 53'e kadar çıkan frenleme / çekiş oranı araç otoyol çevrimindeyken % 13'e kadar düşüyor. Bu düşük frenleme / çekiş oranı, otoyol sürüş koşullarında geri kazanılan enerjinin çekiş için ihtiyaç duyulan enerjiyi sağlamak için yetersiz kalmaya başladığını ve bataryanın şarj edilmesi için yeterli enerjinin sağlanamadığını göstermektedir. Diğer taraftan şehiriçi çevrimindeki yüksek frenleme / çekiş oranı rejeneratif frenlemenin veriminin yüksek olduğunu, şarj süresini ve şarj ihtiyacını gözle görülür bir şekilde azalttığını göstermektedir. Bu çalışmalara ek olarak, test aracı daha önce yüksüz ağırlıkta test edildiği NYCC ve FTP75 Otoyol sürüş çevrimlerinde azami yüküne çıkartılarak tekrar test edildi ve kütlenin rejeneratif frenleme verimliliğine katkısı incelendi. Ağırlık değişimi, şehiriçi şartlarında hem frenleme hen çekiş enerjisinde ağırlık değişimi (%26) kadar arttığı için frenleme / çekiş oranında bariz bir değişim yaşanmadı. Ancak ağırlık değişimi otoyol koşullarında frenleme enerjisinin çekiş enerjisine göre daha yüksek etki gösterdi. Bu nedenle rejeneratif frenleme verimliliği yani frenleme / çekiş oranı %6 civarında arttı.

Özet (Çeviri)

As being an important fact, climate change threatens the world population and its impact has become crucial recently. Thus, the world is being prepared for a very fresh era: green energy and electrification era. The European Union proposes the EU7 emission regulation, which has lower limits compared to prior regulations; and net zero emission policies are already adopted by several governments throughout the world. These developments increase the importance of electric vehicles (EVs), which have already start to replace the conventional vehicles due to their zero tailpipe emissions. Furthermore, the high efficiency, quiet operation and improved performance characteristics of EVs make them more preferable, and the recent advancements in battery technology bring this preference to the fore. Though, EVs still have significant disadvantages such as limited driving range and long charging time. The concept of regenerative braking becomes crucial in increasing the battery state of charge, which improves the driving range and reduces the required charging duration. Thus, the optimization of the regenerative braking system operation becomes critical. The chief objective of this study is to investigate the utilization rate of regenerative braking in different drive cycles, which depends on braking rate and road conditions. Consequently, seven well-known different drive cycles are selected, which vary with distance, urban / highway scenario, traction per kilometres, etc. An E class sport utility battery electric vehicle is selected for modelling purposes and it is subjected to all drive cycles. The driving resistances are calculated and the instantaneous electric motor torque demand is obtained for all drive cycles. Furthermore, the total braking and traction force ratios are evaluated for all drive cycles. It is observed that the comparison of these drive cycles based on total braking and traction force values does not provide reasonable conclusions due to the variation of drive cycle range. Thus, results are compared by normalizing the traction and braking forces by the range of each drive cycle. Finally, a braking to traction ratio is determined for all drive cycles, and the tendency of regenerative braking utilization rate change is investigated. Based on the results, it is observed that the braking to traction ratio of the vehicle significantly reduces when the vehicle moves from urban to highway drive cycle. Furthermore, the utilization rate of the regenerative braking also drops down to %13 from %53, when the drive cycle transition from urban to highway occur. The low braking to traction ratio shows that the recovered energy begins to be insufficient in highway driving conditions, and enough energy cannot be provided for the charging of the battery pack. In addition, the test vehicle's weight has increased to its gross weight. Subsequently, results were reanalyzed in the view of weight change. Finally, it is observed that weight change has not a significant effect on utilization rate in city conditions, whereas it increases the efficiency around %6 in highway conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    166788

    Modelling and simulation of a series parallel hybrid electrical vehicle

    Seri paralel hibrit elektrikli aracın modellenmesi ve simülasyonu

    CAN GÖKÇE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. NEJAT TUNCAY

  2. Tez No

    517099

    Elektrikli araçlar için gömülü mıknatıslı senkron motor tasarım metodolojisi ve gerçeklenmesi

    Design methodology and implementation of interior permanent magnet synchronous motor for electric vehicles

    HATİCE KURNAZ ARAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ

  3. Tez No

    781034

    Elektrikli bir scooterda rejeneratif frenleme uygulamasının deneysel araştırılması

    Experimental investigation of regenerative braking in an electric scooter

    HAKAN TABAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Otomotiv MühendisliğiSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Enerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM CAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET AKSÖZ

  4. Tez No

    521171

    Hibrit ve elektrikli araçlarda volan ve ultrakapasitör teknolojilerinin kullanımının incelenmesi ve volan enerji depolama ünitesinin prototip üretimi

    Investigation of flywheel and ultracapacitor technologies used in electric and hybrid electric vehicles and prototype production of flywheel energy storage unit

    KORAY ERHAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    EnerjiKocaeli Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN ÖZDEMİR

  5. Tez No

    802981

    Hava akış yönlendirici kanatların kullanımının prizmatik lityum-iyon batarya sıcaklığı üzerine etkisinin farklı çalışma şartlarında deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    Experimental and numerical investigation of the usage of air diverter fins on temperature of prismatic li-ion battery for different operation conditions

    MUHAMMET YASİN KABA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiErzincan Binali Yıldırım Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ CELEN

Geri Dön