Design and evaluation of energy management systems for connected hybrid and electric vehicles
Bağlantılı hibrit ve elektrikli araçlar için enerji yönetim sistemleri geliştirilmesi ve değerlendirilmesi
- Tez No: 828141
- Danışmanlar: PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Otomotiv Mühendisliği, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Günümüzde ulaşım kaynaklı emisyonlar en önemli emisyon kaynaklarından biri haline gelmiştir. Paris İklim Anlaşması ve Yeşil Mutabakat'ın da etkisi ile özellikle çevresel avantajları sebebiyle elektrikli araçlar ön plana çıkmaktadır. İlk olarak 1800 lerin sonunda ortaya çıkan elektrikli araçlar tekrar ön plana çıkmıştır ve her geçen gün trafikteki elektrikli araç sayısı artmaktadır. Hibrit araçlar ise elektrikli araçlara geçişte bir basamak olarak değerlendirilebilir ve artık mevcut araç stokunun önemli bir payını elde etmiştir. Diğer yandan ileri sürücü destek sistemlerinin gelişimi ile başlayan sürecin, otonom ve bağlı araçlar teknolojisinde önemli gelişmelere öncülük etmesi beklenmektedir. Tam otonom araçlara geçişte araç haberleşme sistemlerinin araç üstü sensörler ile birlikte kullanılması kaçınılmazdır. Bu nedenle, beraberindeki birçok teknolojik ekosistemin gelişmesinde anahtar rol üstlenen otomotiv endüstrisinin, önümüzdeki 10 yıl içerisinde geçtiğimiz 100 yıldan daha fazla değişim geçirmesi beklenmektedir. Gelişen teknolojiler ile özellikle bağlantılı ve otonom araçlar ile bu dönüşümün gerçekleşmesi öngörülmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, bağlantılı, hibrit ve elektrikli araçlar için akıllı enerji yönetimi stratejileri geliştirmek, geliştirilen enerji yönetim sistemlerinin sağladığı faydayı değerlendirmektir. Ayrıca elektrikli araçlara geçişin enerji ve çevre açısından etkilerini değerlendirmektir. Gerçekleştirilen optimizasyon çalışmalarında özellikle aynı değişkenin karşılaştırılabilmesi için kaynaktan tekerlere emisyon değerleri de incelenmiştir. Bu tez çalışması sırasında üç adet makale hazırlanmış ve bu makalelerden tezin hazırlanmasında istifade edilmiştir. Tezin sunulduğu tarih itibariyle, bu makalelerden bir tanesi yayınlanmış diğer iki tanesi için de istenen revizyonlar yapılmış ve tekrar sunulmuştur. Hazırlanan makaleler“ Farklı Güç Sistemlerine Sahip Araçlardan Oluşan Konvoy İçin Dinamik Programlama Tabanlı Çevreci Hız Öneri Sistemi Geliştirilmesi”,“Menzili Artırılmış Elektrikli Araçlar için Sürüş Döngüsü Tabanlı Enerji Yönetimi Stratejisi Geliştirilmesi”ve“Tam Elektrikli ve Konvansiyonel Araçlar için Kaynaktan Tekere Emisyonlar Açısından Karşılaştırmalı Çalışma”başlıklarında sunulmuştur. Karşılaştırmalı çalışma içeren makale“Transportation Research Part D”dergisinin seksen yedinci sayısında yayınlanmıştır. Optimizasyon sırasında kullanmak ve uygun karşılaştırmaları yapabilmek için elektrik enerjisinin kWs başına emisyon değerleri hesaplanmıştır. Bu çalışmada kaynaktan tekere metodolojisi kullanılmıştır. Elektrikli ve hibrit araçlarda kullanılan elektrik enerjisinin çevresel etkilerini hesaplamak ve optimizasyon çalışmalarında maliyet fonksiyonlarında kullanılmak üzere yapılan bu çalışma ile, ülkemizde elektrik üretiminin kaynaktan tekere eşdeğer karbondioksit salınımı ilk kez kapsamlı bir şekilde ortaya konmuştur. Enerji üretim kaynakları dikkate alınarak yapılan çalışmaya göre ülkemizde kWs başına kaynaktan tanka emisyon değeri kWs başına 520 g karbondioksit eşdeğer olarak hesaplanmıştır. Bu değer kullanılarak hibrit ve elektrikli araçlar üzerine yapılan çalışmalarda elektrik enerjisi ve fosil yakıtlar için aynı değeri kıyaslayabilme imkanı sağlanmıştır. Model bazlı optimizasyon çalışmalarında kullanılmak üzere araç modelleri oluşturulmuştur. Seri hibrit araçlarda enerji yönetim sistemi geliştirilmesi için tüm kritik alt sistemler test edilerek test verileri ile doğrulanmış bir araç modeli oluşturulmuştur. Elektrik motoru, motor sürücüsü, batarya hücreleri ve içten yanmalı motor test sonuçları kullanılarak bir araç modeli oluşturulmuş ve araç seviyesinde yapılan testler ile bu model doğrulanmıştır. Oluşturulan alt sistem modellerini içeren araç modeli ve doğrusal dinamik araç modeli kullanılarak model bazlı optimize edici geliştirilmiştir. Aracın kullanılacağı güzergahın sürüş çevrimine bağlı olarak menzil uzatıcının daha verimli çalışacağı bir strateji geliştirilmiştir. Aynı seyahat süresi ve hız profilinde seyahat etmek koşulu ile menzil uzatıcının daha verimli çalışabileceği hız zaman aralıklarının belirlenmesi prensibi ile çalışan bir optimize edici geliştirilmiştir. Geliştirilen optimize edicinin kullanıldığı ve baz durumlar karşılaştırılmıştır. Sonuçlar yoğun trafikte %6.21, orta trafikte %1.77 ve hafif trafikte %0.58 karbondioksit emisyonlarının azaltılabileceğini ortaya çıkarmıştır. Hem fosil yakıt hem de elektrik enerjisi kullanan araçlarda yapılacak optimizasyon çalışmalarında eşdeğer karbondioksit salınımı maliyet fonksiyonu oluşturmak için aynı değeri karşılaştırmak açısından faydalı olacaktır. Bu çalışma da bu açıdan bir örnek teşkil etmiştir. Geliştirilen enerji yönetim sistemi bağlantılı hibrit araçların güzergah ve trafik yoğunluğu bilgisinin sağlanması ile daha verimli bir şekilde kullanılmasnı sağlayacaktır. Ayrıca bir araç özelliği olarak araç emisyon haritaları ortaya konmuştur. Araçlar şasi dinamometresi üzerinde test edilerek hız ve teker kuvvetine bağlı olan emisyon haritaları oluşturulmuştur. Araç emisyon haritalarının özellikle farklı tipte ve farklı güç, aktarma sistemlerine sahip araçların bulunduğu trafikte optimizasyon çalışmaları için kullanılabileceği tezi savunulmuştur. Özellikle ualşım kaynaklı emisyonların azaltılması için yoğun çalışmaların yürütüldüğü ve yürütüleceği göz önüne alındığında, bağlantılı araçların daha verimli kullanılması için standartlaşmış emisyon haritalalarının kullanılması sistem seviyesinde optimizasyon yapılmasını kolaylaştıracaktır. Bu noktadan hareketle benzinli, elektrikli ve dizel araçların içinde olduğu kooperatif hız kontrolünün yapıldığı bir konvoy için dinamik programlama bazlı bir optimize edici geliştirilmiştir. İstanbul Anadolu yakasaı sahil yolunun bir kısmını içeren örnek bir durum üzerinde geliştirilen model test edilmiştir. Belirlenen rotada araçlar trafik lambalarının olduğu bir güzehta belli bir mesafeyi kat etmişlerdir. Bu esnada salınan emisyonların en aza indirilmesi için katmanlı dinamik programlama tabanlı bir optimize edici geliştirilmiştir. Bu çalışmada amaç fonksiyonu kaynaktan tekere emisyonları, sınır koşulları maksimum, minimum hız limitleri, trafik lambası durumlarını içermektedir. Sınır koşulları ve amaç fonksiyonuna göre hız profilleri optimize edilmektedir. Trafik lambalarının durumlarına göre atanan noktalar, emisyon haritları ve araç modelleri kullanılarak emisyon salınımı açısından lokal minimum değerler tespit edilmiştir. Ardışık lokal minimum değerleri arasında yeni geçiş noktaları atanarak ikinci kademe dinamik optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Son aşamada ise hız eğrilerinin kesişme noktaları için yavaşlama ve hızlanma profilleri farklı ivme değerleri göz önüne alınarak yine dinamik programlama yöntemi ile en uygun değerler seçilmiştir. Böylece trafik ışıklarının da olduğu bir ortamda farklı güç ve aktarma orgablarına sahip araçların bulunduğu bir konvoy için optimum hız profilini ortaya koyan dinamik programlama tabanlı çok katmanlı bir optimize edici geliştirilmiştir. Geliştirilen optimize edici tarafından bulunan optimum hız profilleri bağlantılı araçlarda hız öneri sisteminin bir girdisi olarak kullanılabileceği gibi otonom araçlarda araçların hız kontrlü için de kullanılabilecektir. Geliştirilen optimize edicinin verimi kullanıldığı güzergaha göre farklılık gösterecektir. Belirlenen örnek güzergahta ilk duruma göre toplam konvoy emisyonunun aynı seyahat süresi için %19.8 oranında azaltıldığı ölçülmüştür. Bu çalışmada da ortaya koyulan dinamik kooperatif trafik kontrolünün dünyada 2030'lu yıllara doğru yaygınlaşmaya başlaması beklenmektedir. Sürüş çevrimleri araçların özellikle enerji tüketimi ve emisyon salınımlarını incelemek için kullanılmaktadır. Elektrikli araçların çevresel etkilerinin gerçek bir sürüş çevrimi ile analiz edilebilmesi için sürüş çevrimi hazırlanarak testler gerçekleştirilmiştir. Belirlenen güzergahlarda toplanan veriler istatistiksel olarak analiz edilerek İstanbul için bir sürüş çevrimi geliştirilmiştir. Geliştirilen sürüş çevrimi kullanılarak, elektrikli araç kullanımı ile kaynaktan tekerlere emisyon değerlerinin gerçekte ne kadar değişeceği ortaya konmuştur. Yapılan şasi dinamometresi testlerinin sonuçlarına göre elektrikli araçlar aynı güzergahta kilometre başına 73.9 g eşdeğer karbondioksit salınımı gerçekleştirirken benzinli araçlar 183.4 g eşdeğer karbondioksit salınımı gerçekleştirmektedir. Bu nedenle, genel olarak elektrikli araçlara ilişkili emisyon azaltımını etkin bir şekilde gerçekleştirmek için elektriklere araçlara geçiş yenilenebilir enerjinin daha yaygın kullanımı ile güçlendirilmelidir. Aynı zamanda, bu çalışmanın sonuçları politika yapıcılar için de bir rehber olabilir. Özetle, sunulan tez kapsamında ülkemiz için kaynaktan tanka, kaynaktan tekere emisyon salınımları incelenerek bu alanda ilk kez değerler hesaplanarak, ölçülerek literatüre kazandırılmış, ülkemizde elektrikli araçlara geçişin çevresel etkileri çalışması literatüre kazandırılmış, kritik araç komponentlerinin her birinin test edilmesi ile valide hibrit ve elektrikli araç modelleri kurulmuş, emisyon haritası kavramı ortaya atılarak farklı araçlar için emisyon haritaları oluşturulmuş, tek araç ve birden fazla aracın olduğu durumlar için hazırlanan modeller ve eşdeğer karbondioksit emisyonu değerleri dikkate alınarak dinamik programlama gibi yöntemler ile optimize ediciler geliştirilmiş, geliştirilen enerji yönetim sistemlerinin verimliği dinamometre ortamında test edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Transportation is one of the most significant sources of emissions across various industries. With the effect of Paris Climate Agreement and the Green Deal, environmental concerns and technological progress push the development and market penetration of electric vehicles and hybrid electric vehicles. The number of electric and hybrid vehicles which can be considered as a stepping stone for electric vehicles are increasing day by day. On the other hand, transportation systems are becoming more efficient and safe by the improvement of the communication systems both on the vehicles and the infrastructure. There are significant improvements in connected and autonomous vehicles which has been started with the development of advanced driver assistance systems. The automotive industry, which plays a key role in the development of many accompanying technological ecosystems, is expected to be enhance more changes in the next 10 years than in the past 100 years. It is estimated that this transformation will dominance especially with the technologies progress in connected and autonomous vehicles. The main purpose of the study is to develop smart energy management strategies for connected, hybrid and electric vehicles and evaluate the benefits of developed smart energy management strategies. At the same time, the effects of the transition to electric vehicles in terms of energy consumption and environment is evaluated. For the optimization studies the Well-to-Wheels emission values are calculated and used in order to ensure apple-to-apple comparison. During the thesis study, three articles have been prepared and the preapared articles have been the substructure of the thesis. As of the date of submission of the thesis, one of the articles has been published and the requested revisions have been made for the other two articles and resubmitted. Prepared articles entitled as“ Dynamic Programing Based Green Speed Advisory System Design for Mixed Platooning Vehicles”,“ Driving Cycle Based Energy Management Strategy Development for Range Extended Electric Vehicles ”and“ Comparative Study on Well-to-Wheels Emissions between Fully Electric and Conventional Automobiles in Istanbul”. The article about the comparative study on Well-to-Wheels emissions has been published in the eighty-seventh issue of the“Transportation Research Part D”journal. Turkey's energy mix is analyzed and the emission factor of electricity production of Turkey is estimated in order to make appropriate comparisons during optimization studies. The Well-to-Wheels equivalent carbon dioxide emissions of the electricity is calculated. By considering energy sources, the Well-to-Wheels emission of Turkey is calculated as 520 g carbon dioxide equivalent per kWh. By using the carbon intensity of electricity, it is possible to compare the same variable for electric energy and fossil fuels for hybrid and electric vehicles. Vehicle models are created to use for model-based optimization studies. In order to develop an energy management system for serial hybrid vehicles, all critical subsystems are tested and a vehicle model which is validated by the test data is created. The model is developed by mathematical modelling of vehicle dynamics and testing the the electric motor, motor driver, battery cells and internal combustion engine. The developed models are validated by vehicle level testing on chassis dynamometer. A driving cycle based energy management strategy is developed for range extended electric vehicles to increase system efficiency and equivalent vehicle range. The results showed that; the optimized strategy can save CO2 emission by 6.21%, 1.77% and 0.58% for heavy, moderate and light traffic respectively. The usage of range extender in an efficient way by taking the traffic data into account extends the vehicle range, especially in heavy traffic conditions. For the hybrid vehicles which consumes both electric energy and fossil fuels, It will is important to compare the same value fort he objective function such as equivalent carbon dioxide emission. This study is a good example from this point of view. The developed energy management system will enable connected hybrid vehicles to be in more efficient way by using the route and traffic density information. In addition, vehicle emission maps are developed as a vehicle feature. The vehicles are tested on the chassis dynamometer and emission maps which are based on speed and wheel force are created. It is offered that vehicle emission maps can be used for optimization studies, especially in traffic with different types of vehicles. Considering that there are many ongoing studies on reducing tranportation based emissions, the use of the standardized emission maps are important for system level efficient use of connected vehicles. From this point of view, a multi-layer dynamic programing based optimizer is designed to minimize platooning Well-to-Wheels emissions of platooning vehicles where the platoon consists of an electric, a gasoline and a diesel vehicle. Vehicle emission maps and longitudinal dynamics are used for vehicle modelling. Tank-to-Wheels emission maps of internal combustion engine vehicles are produced by testing the vehicles on a chassis dynamometer. The optimization process has exploration and exploitation layers. The cost function is total Well-to-Wheels emission, design variable is speed trace, constraints are speed limits, traffic light states and vehicle accelerations limits. The test results show that the developed optimizer helps to achieve a 19.8% reduction in total Well-to-Wheels emissions for the defined use case. Thus, there is a significant emission saving potential in using speed advisory system for platooning vehicles through signalized intersections. On the other hand, driving cycles are used to examine the energy consumption and emission emissions of vehicles. In order to analyze the environmental effects of electric vehicles on a real driving cycle, a driving cycle has been developed for Istanbul by statistically analyzing the data collected on the determined routes. By using the developed driving cycle, the vehicle test are conducted. Acoording to the results electric vehicles emit 73.9 g carbon dioxide equivalent per kilometer on the same route, while gasoline vehicles emit 183.4 g equivalent carbon dioxide emissions. Therefore, the transition to electric vehicles should be strengthened by more widespread use of renewable energy in order to effectively reduce emissions associated with electric vehicles in general. At the same time, the results of this study can be a guide for policy makers. In summary, within the scope of the thesis electric carbon intensity of Turkey is calculated by considering Turkey's energy mix and Well-to-Wheels greenhouse gas emissions are analyzed both for conventional and electric vehicles are measured. A dynamic programing based optimizer is developed to decrease total Well-to-Wheels emissions of the mixed conventional and electric platooning vehicles through signalized intersections. Vehicle emission maps are generated both for electric and conventional vehicles for model-based optimization. A driving cycle based energy management strategy is developed for range extended electric vehicles to increase system efficiency and equivalent vehicle range. The vehicle model is developed by critical subsystem testing. An up to date driving cycle for Istanbul is developed (so called Istanbul Driving Cycle) by using collected traffic data across various sections of the city. An internal combustion engine vehicle and an electric vehicle are tested on a chassis dynamometer under the same conditions to determine specific energy consumption and specific emissions.
Benzer Tezler
- İnsansız hava aracıyla sağlanan fotoğraflar, CBS ve PVSYSTkullanımı ile bina çatısına kurulacak güneş paneli için uygunluk analizi
Suitability analysis for installing solar panels on building roofs using uav-sourced photos, GIS, and PVSYST
CAHİDE USAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Yönetim Bilişim Sistemleriİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRİ HAKAN DENLİ
- Dynamic modelling, simulation based analysis and optimization of hybrid ship propulsion systems
Gemi hibrit tahrik sistemlerinin dinamik modellemesi, optimizasyonu ve simülasyon temelli analizi
ÖMER BERKEHAN İNAL
Doktora
İngilizce
2022
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ DENİZ
- Elektrikli araçların dağıtım şebekesine etkisinin maliyet analizi ve genetik algoritma ile en iyileştirilmesi
Effects of electric vehicles on distribution network, cost analysis and optimization with genetic algorithm
HAZAL ÇİFTÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN EMRE TÜRKAY
- Elektrikli araç şarj altyapısı tasarımı ve akıllı şarj sisteminin geliştirilmesi
Design, modeling and application of electric vehicle charging infrastructure including smart charging management
BÜNYAMİN YAĞCITEKİN
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET UZUNOĞLU
- Gemi makine dairesi bakım işlemlerinin verimlilik analizi
Efficiency analysis of maintenance of ship machinery systems
ÇAĞLAR KARATUĞ
Doktora
Türkçe
2023
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU