Equivalent consumption minimization strategy for plug-in hybrid electric vehicles
Elektrik prizinden şarj edilebilir hibrit elektrikli araçlar için eşdeğer yakıt tüketimi minimizasyonu stratejisi
- Tez No: 952974
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Otomotiv Mühendisliği, Automotive Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Otomotiv Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Sera gazları iklim değişikliğinin birincil nedenidir, çünkü sera gazları güneş ışığının atmosfere geri dönüşünü engeller ve bu nedenle güneşten gelen ısının büyük bir kısmı dünya yüzeyi tarafından emilir ve bu ısı düşük atmosferi ve dünya yüzeyini ısıtır. Sera gazlarının en büyük nedeninin karbondioksit olması ve karbondioksit oluşumunun ana nedeninin üçte bir oranında ulaşım olması nedeniyle, hükümetler küresel ısınmayı yavaşlatmak için özellikle ulaşımda karbondioksit gazı emisyonlarını en aza indirecek önlemler alıyor. Dünyada artan araç sayısı nedeniyle 2021 yılında sıkı karbondioksit emisyonu düzenlemeleri uygulamaya konuldu. Bu yeni standartlar, egzoz emisyonlarını belirli bir değerin altına düşürme konusunda otomobil endüstrisine önemli yasal engeller getiriyor. Bu noktada, araç üretici firmalar için bu hedefe ulaşmada hibrit elektrikli araçlar kritik bir rol oynamaktadır. Araç üreticileri adına, ürünlerini yasalara ve emisyon normlarına uygun bir şekilde pazara satabilmek için hibrit ve elektrikli araç teknolojilerine yatırım yapmak durumu kaçınılmaz olacaktır. Hibrit elektrikli araçlar, içten yanmalı motor çalışma veriminin çok düşük olduğu alanlarda, elektrik motorunun kullanılarak yakıt tüketimini ve dolayısıyla karbondioksit salınımını azaltmak için kullanılan, geleneksel içten yanmalı motora ve ek olarak bir elektrik motoru ve batarya grubuna sahip araç tipidir. Özellikle dur kalk manevralarının fazla olduğu şehir içi sürüşlerde, elektrik motorları içten yanmalı motorların ilk kalkış anı için gerekli olan atalet kuvvetlerinin üstesinden gelmek için çekiş sağlayarak içten yanmalı motorun harekete geçmesini sağlayabilir. Ayrıca, elektrik motorları sürücünün daha hızlı bir şekilde hızlanma isteğinin olduğu durumlarda ek tork sağlarlar ve hibrit elektrikli araç üzerinde kullanılan batarya grubunun ve elektrik motorunun güç kapasitesine bağlı olarak, çekiş kaynağı olarak sadece elektrik motorunun kullanıldığı elektrikli sürüş modunun kullanılabilmesine olanak sağlarlar. Hibrit elektrikli araçlar, araç üzerinde kullanılan bileşenlerine ve hibridizasyon derecelerine göre, mikro hibrit, hafif hibrit, tam hibrit ve prizden şarj edilebilir hibrit olmak üzere dört sınıfa ayrılabilirler. Ana topolojiler olarak ise aktarma organı üzerindeki güç akışına göre, seri hibrit, paralel hibrit ve çift modlu hibrit olmak üzere 3 ana gruba ayrılırlar. Mikro hibrit araçlar, düşük güç oranına sahip elektrik motorunu bünyesinde barındırdılar. Düşük güçlü elektrik motoru dur-kalk gibi manevralarda içten yanmalı motorun ataletini yenip, motoru tekrar çalıştırmak için kullanılmaktadır. Dur-kalk sistemi ise, araç durgun halde iken içten yanmalı motorun boşta çalışma süresini azaltılarak, yakıt tüketimi ve zehirli emisyon gazı salınımını azaltmak için tasarlanan bir sistemdir. Hafif hibrit araçlar, sürücünün ani hızlanma isteği ya da anlık olarak yüksek tork talep durumlarında, gerekli olan tork ihtiyacını içten yanmalı motor ile birlikte sağlayabilecek kapasitede elektrik motoruna sahip olan araç tipidir. Bu şekilde tüm tork içten yanmalı motordan talep edilmeyecek ve içten yanmalı motor, olabilecek en verimli noktada çalıştırılarak, yakıt tüketimin azalımı sağlanacaktır. Mikro ve yarı hibrit araçlarda tamamen elektrikli sürüş modu yoktur. Tam hibrit araçlar, yüksek kapasite batarya ve yüksek torklu elektrik motor sayesinde kısa mesafelerde, içten yanmalı motorun kullanılmadığı ve aracın tüm çekiş ihtiyacının sadece elektrik motoru tarafından karşılandığı elektrikli sürüş modunu mümkün kılmaktadır. Özellikle içten yanmalı motorun veriminin düşük olduğu düşük hız bölgelerinde, tork ihtiyacı tamamen elektrikli motor ile sağlanır ve bu sayede emisyon salınımı engellenir. Elektrik prizinden şarj edilebilir hibrit elektrikli araçlar ise tam hibrit araçlar ile aynı fonksiyonlara sahiptir. Şebekeden şarj edilebilmeleri sayesinde, tam dolu bir yüksek voltajlı batarya grubu sayesinde, içten yanmalı motor hiç çalışmadan sadece elektrikli sürüş modu ile 100 km'nin üzerine ulaşabilen menzilleri kat edebilirler. Seri hibrit araçlarda, içten yanmalı motorun tek görevi, jeneratör vasıtasıyla sürekli olarak yüksek voltajlı batarya grubunun doldurulmasını sağlamaktır. Bataryadaki enerji ise, elektrik motoru tarafından aracın çekişi için kullanılmaktadır. Seri hibrit araç konfigürasyonu günümüzde genellikle menzil arttırıcı olarak kullanılmaktadır. Paralel hibrit araç mimarisinde, tekerlekler aktarma organları vasıtasıyla hem içten yanmalı motora hem de elektrik motoruna mekanik olarak bağlıdır ve her ikisinden de çekiş için tahrik sağlanabilir. Aracın frenlemesi sırasında, elektrik motoru jeneratör modunda çalışıp manyetik olarak frenleme yapabilmesi sayesinde, frenleme enerjisiyle ürettiği elektrik enerjisini bataryaya aktararak bataryanın dolmasını sağlar. Elektrik motorunun aktarma organları üzerindeki yerleşim konumuna bağlı olarak P0, P1, P2, P3 ve P4 adı verilen farklı paralel hibrit konfigürasyonları ortaya çıkmaktadır. Çift modlu hibrit mimarisinde ise, kullanılan planet dişli mekanizması sayesinde araç tahriği sadece içten yanmalı motor, sadece elektrik motoru ya da her ikisi ile birlikte sağlanabilmektedir. Hibrit araçta operasyonel strateji açısından, en düşük karbondioksit salınımı anlamına gelen en düşük yakıt ekonomisini elde etmek için içten yanmalı motorun ve elektrik motorunun mümkün olduğunca verimli bir şekilde çalıştırılması kritik öneme sahiptir. Bundan dolayı, enerji yönetimi ve enerji optimizasyonu konusu otomotiv endüstrisinde önemli bir odak noktası haline gelmiştir. Temelde kullanılan iki ana enerji yönetimi stratejisi türü vardır; kural tabanlı ve optimizasyon tabanlı. Kural tabanlı teknikler, enerji dağılım stratejisini yönetmek için bir dizi kural oluşturmak için buluşsal yöntemlerin yanı sıra, önceki deneyimleri ve araç verilerini veya test verilerini kullanır. Optimizasyon tabanlı tarafta ise, ana 2 kategori vardır; global optimizasyon ve gerçek zamanlı optimizasyon. Eğer ki sürüş çevrimi özellikleri biliniyorsa, global optimizasyon yöntemleri enerji yönetimi için tatmin edici sonuçlar verir. Global optimizasyon ise, bir fonksiyonun global minimum ve maksimumunu bulmaya çalışan bir uygulamalı matematik ve sayısal analiz alanıdır ve genellikle minimizasyon problemi olarak adlandırılır. Dinamik programlama ve genetik algoritma, enerji yönetimi tarafında kullanılan en yaygın küresel optimizasyon yöntemleridir. Ancak gerçek hayatta çevrim karakteristiğinin önceden tespit edilmesi veya anlaşılması zor olduğundan, genellikle gerçek zamanlı optimizasyon yöntemleri tercih edilmektedir. Bu amaçla seçilen ve en yaygın olarak kullanılan gerçek zamanlı optimizasyon yöntemi eşdeğer tüketim minimizasyon stratejisidir (ECMS). Bu stratejinin arkasındaki ana mantık, bir eşdeğer faktörü vasıtasıyla, batarya kullanım enerjisinin sanal yakıt tüketimine çevrilmesini sağlamak ve bunun ile içten yanmalı motorun gerçek yakıt tüketimin toplanıp, herhangi bir zamanda eşdeğer toplam sanal yakıt tüketimini hesaplamaktır. Hibrit elektrikli araçların enerji yönetimi, maliyet fonksiyonu olarak eşdeğer yakıt tüketiminin seçilmesi ve bu maliyetin minimize edilmesi amacıyla yapılır. Bu stratejide, enerji yönetim sistemleri için statik bir eşdeğer faktörü kullandığından, doğru faktörün mantıklı bir şekilde seçilmesi çok önemlidir, aksi takdirde ya aşırı batarya tüketimi görülür ya da içten yanmalı motor çok fazla çalışır ve gerçek yüksek yakıt tüketimine neden olur. Özellikle elektrik prizinden şarj edilebilir hibrit elektrikli araçlarda, şarj durumunun belirli bir eşiğin üzerinde tutulması batarya sağlığı açısından kritik önem taşımaktadır. Eşdeğer tüketim minimizasyon stratejisi, statik bir eşdeğer faktörü kullanmasına rağmen eşdeğer faktörün doğru seçimi ile yakıt tüketimini ve karbondioksiti azaltmak açısından tatmin edici sonuçlar vermektedir. Bu tezde, MATLAB Simulink uygulamasında hem içten yanmalı motor hem de yüksek gerilimli batarya grubu ve yüksek güç kapasiteli elektrik motoru içeren, P2 mimarisinde, elektrik prizinden şarj edilebilir hibrit elektrikli araç modeli oluşturulmuştur. Hibrit elektrikli araç yönetmeliğine göre belirlenen şarj tüketim (charge depleting) ve şarj koruma (charge sustaining) testlerinin, araç modeli üzerinde simülasyonları yapılmıştır. Enerji yönetimi tarafında, içten yanmalı motor ve elektrik motoru arasındaki tork dağılımı için bir kontrolör olarak çalışan eşdeğer yakıt tüketimi minimizasyon stratejisi algoritması eklenmiştir. Ardından hibrit elektrikli araç modeli, yakıt karşılaştırması açısından adil olması açısında yüksek voltajlı batarya ve elektrikli aktarma organlarından kaynaklanan ağırlık azalması dikkate alınarak konvansiyonel içten yanmalı motor modeline dönüştürülmüştür. Eşdeğer yakıt tüketim minimizasyon stratejisi enerji yönetim sistemine sahip hibrit araç modeli, hafif Taşıtlar için dünya genelinde uyumlu test prosedürü (WLTP) tip 3b testiyle analiz edilmiş ve sonuçlar optimum statik eşdeğer faktör seçimi ile yakıt tüketiminin yaklaşık %29,10 oranında azaldığını göstermiştir. Ayrıca, şarj tüketim testinde, 6 kez arka arkaya koşulan tip 3b testlerinde, çekiş kaynağı olarak sadece elektrik motorunun kullanıldığı sürüş modunda, 98,88 km elektrikli sürüş menzili elde edilmiştir. Ek olarak, şarj tüketim testinin ardından, elektrikli sürüş modunun devre dışı kaldığı ve içten yanmalı motorun etkinleştirildiği onay döngüsü testi sırasında, yüksek voltajlı akünün şarj durumu, beklendiği gibi belirli bir eşiğin üzerinde tutulmuştur. MATLAB kodunun detayları ekler bölümünde verilmiştir.
Özet (Çeviri)
Greenhouse gases are the primary cause of climate change, because greenhouse gases prevent the turn back of the sunlight to the atmosphere and due to this reason, most of the heat that coming from the sun is absorbed by earth's surface and this heat warms the low atmosphere and earth's surface. Due to biggest cause of greenhouse gasses is carbon dioxide and main reason for carbon dioxide formation is transportation with one third rate, governments are taking measures to minimize carbon dioxide gas emissions in order to slow global warming especially for the transportation. Due to increasing vehicle number in the world, tight carbon dioxide emission regulations were introduced in 2021. These new standards present significant legal hurdles to the vehicle industry in terms of lowering exhaust emissions below a certain value. At that point, hybrid electric vehicles play a critical role to achieving this goal for OEMs. Most of the vehicle manufacturer must invest hybrid technologies to be able to sell their products to the market. Hybrid electric vehicles have an electric motor and battery package in addition to a conventional internal combustion engine, which is utilized to reduce fuel consumption and consequently carbon dioxide emissions by employing the electric engine in areas where the internal combustion engine efficiency is too low. Generally, in the urban driving where the start and stop activations are too much, electric motors can handle the start the internal combustion engine and provide traction for overcome the necessary inertial forces. They also provide additional torque in transient maneuvers where fast torque build is necessary for better acceleration and allow pure electric drive where just electric motor is used as a traction source depending on the battery and electric motor power capacity. They can be categorized into four classes based on components and degree of hybridization which consist of micro hybrid, mild hybrid, full hybrid (FHEV) and plug-in hybrid (PHEV). As main topologies, they are splitted 3 main parts depending on the power flow in the powertrain of vehicle: series hybrid, parallel hybrid and power-split hybrid. In terms of operational strategy on the hybrid vehicle, for getting the best fuel economy which means lowest carbon dioxide, it's critical to run the internal combustion engine and electric motor as efficiently as possible. As a result, the topic of energy management and energy optimization have become a major focus in the automotive industry. There are two main types of energy management strategies; rule-based and optimization based. Rule based techniques use heuristics methods, as well as previous experiences and vehicle data or test data, to build a set of rules for managing an operating strategy. On the optimization-based side, there are main 2 categories exist: global optimization and real time optimization. If the driving cycle characteristics are known, global optimization methods give satisfying results for energy management. Global optimization is an area of applied mathematics and numerical analysis that searches to locate the global minimum and maximum of a function and it is commonly referred to as a minimization problem. Dynamic programming and genetic algorithm are the most common global optimization methods used for energy management side. But in the real life, due to it is hard to detect or understand the cycle characteristic previously, generally real time optimization methods are preferred. The most utilized instantaneous optimization method for this purpose is the equivalent consumption minimization strategy (ECMS). The main logic behind ECMS is to convert energy consumption of electric equipment into fuel consumption using an equivalent factor (EF), which is then added to the engine's real fuel consumption to produce the equivalent total virtual fuel consumption at any given time. The minimum energy distribution of HEVs is solved using the equivalent fuel consumption as the goal function. Due to ECMS uses a static equivalent for the energy management systems, it is so crucial to select the correct factor in sensible way, otherwise, either excessive battery consumption is seen or ICE works too much and causes too high fuel consumption. Especially for the plug-in hybrid vehicles which have high voltage battery package with the high battery capacity, it is critical to keep the state of charge above a certain threshold for the battery health. Although ECMS uses a static value, with the correct selection of equivalent factor, it gives satisfying results in terms of decreasing the fuel consumption and carbon dioxide. In this thesis, a P2 plug-in hybrid electric vehicle model was created in MATLAB Simulink tool including both internal combustion engine and electric motor with high voltage battery system. According to the regulation for plug-in hybrid electric vehicle, charge depleting and charge sustaining tests were performed on the vehicle model. For the energy management side, ECMS algorithm was implemented to plug-in hybrid electric vehicle model as a controller for the torque distribution between ICE and EM. Then the plug-in hybrid electric vehicle model has been converted conventional internal combustion engine model taking into the account the weight decreased origined from high voltage battery and electrified powertrain to be fair for fuel comparison. Plug-in hybrid model with the ECMS energy management system has been analyzed in WLTP Class 3b and the results showed that, with the optimum static equivalent factor selection, fuel consumption has been decreased about 29.10%. And also, in charge depleting test, in 6 times back-to-back WLTP tests, 98.88 km electric range was obtained where only EM has been used as traction source. Additionally, after the charge depleting test, during the confirmation cycle where the electric drive is switched off and ICE is activated, charge state of HV battery was kept as expected over a certain threshold. Details of ECMS code is given in the appendices section.
Benzer Tezler
- Adaptive equivalent consumption minimization strategy with driving pattern recognition for hybrid electric vehicles
Hibrit elektrikli araçlar için sürüş tanıma ile uyarlanabilir eşdeğer yakıt tüketimi minimizasyonu stratejisi
BARIŞ KALAYCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN SEZER
- Hibrid elektrikli araçlar için enerji yönetim sistemleri
Energy management system for hybrid electric vehicles
EMRE KURAL
Doktora
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ
- Eşdeğer tüketim minimizasyon stratejisi ile hibrit elektrikli araçların enerji yönetimi
Energy management of hybrid electric vehicles with equivalent consumption minimization strategy
MERVE NUR GÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiTarsus ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR COŞKUN
- Hafif hibrit traktörlerde düşük yakıt tüketimi ve emisyon salımı için hibrit modların analizi
Analysis of hybrid modes for low fuel consumption and emission reduction in mild hybrid tractors
MİRAÇ ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TARKAN SANDALCI
- Güneş-melez enerjili insansız hava aracı
Solar-hybrid powered unmanned aerial vehicle
SELİN ENGİN
Doktora
Türkçe
2025
Havacılık ve Uzay MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLYAS KANDEMİR