RM Mekatronik İleri Mühendislik Hesaplamaları

Hibrit Elektrikli Araçların Modellenmesi, Simülasyonu ve Kontrolcüsünün Geliştirilmesi

Atmosfer ısısında son yıllarda gözlemlenen artışın nedeni olarak fosil yakıtlarının yoğun şekilde kullanılması nedeniyle insan etkinliklerine bağlanmaktadır. Fosil yakıtların yanma ürünleri, atmosfer sıcaklığının artmasına neden olan sera gazı etkisi yapmaktadır. Küresel ısınmadaki hızlı artışın yavaşlatılması için çeşitli çözüm önerileri olmasına karşın aralarındaki en iyi çözüm insan etkinliklerinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması olarak gösterilmektedir.

Sera gazlarının salınımında elektrik üretiminden sonra ikinci olarak ulaşım sektörü gelmektedir. Bu nedenle hükümetler ve devletler ulaşımdan kaynaklanan fosil yakıt emisyonlarına giderek sıkılaşan kısıtlamalar getirmektedir. İçten yanmalı motor teknolojilerinde önemli gelişmeler gerçekleşse de, yakın gelecekte getirilen kısıtlamaları sağlayamayacağı görülmektedir.

Yenilenebilir enerji kaynaklarının yol taşıtlarında kullanılması üzerine çok sayıda çalışma yapılmaktadır. Hidrojen yakıtı ve yalnızca elektrik enerjisi her ne kadar yol taşıtları için mükemmel temiz enerji kaynağı olarak görülse de, bu enerji kaynaklarının yol taşıtlarında kullanılmasının önünde çeşitli engeller vardır.

Hidrojenin yakıt olarak yakın gelecekte, depolama, üretim ve kolay edinilebilme sorunları nedeniyle yaygın olarak kullanılması mümkün görünmemektedir. Hidrojen bir enerji kaynağı değil enerji taşıyıcısıdır. Bu nedenle hidrojen''in elde edilmesi sürecinde genel olarak fosil yakıtlardan elde edilen enerji türleri kullanıldığından hidrojen ve yalnız elektrik enerjisi de temiz enerji kaynakları olarak kabul edilmemektedir. Bugünkü teknolojiler göz önüne alındığında,  yol taşıtlarının egzoz gazlarının doğanın dengesine olan etkisinin azaltılması için en iyi çözümler,  biyo-kütle (atmosferdeki sera gazları ile fotosentez yapan bitkilerden elde edilen yakıt) ile elde edilen nötr yakıtların kullanılması yada sistemin enerji kayıplarının azaltılmasıdır.

Her ne kadar bataryadan çekilen elektrik enerjisi, fosil yakıtlar ile kıyaslandığında çok düşük enerji yoğunluğu ve menzili nedeniyle ana enerji kaynağı olarak alternatif olamasa da, batarya taşıt sisteminin toplam verimliliğinin artırılmasında bir tampon olarak kullanılabilmektedir. İki yada daha fazla farklı güç kaynağının kullanıldığı sistemlere hibrid (melez) sistemler denilmektedir.

Karayolu taşıtlarında ikinci güç kaynağı olarak elektrik enerjisi kullanılması hibrid elektrikli araç kavramını ortaya çıkartmıştır. Hibridleştirme ile gelen belirli avantajlar vardır. Bunlar;

• 1- Ek bir güç kaynağı kullanıldığında daha küçük İçten Yanmalı Motor (İYM) kullanılması
• 2- Isı olarak dışarı atılan fren enerjisinin geri kazanılması
• 3- İYM'nin rölanti devrinde kapatılabilmesi
• ve son olarak güç kaynakları arasında en iyi güç dağılımı kontrolünün gerçekleştirilebilme olanaklarıdır. Büyük motorların daha küçük motorlara göre, sürtünme ve pompalama kayıpları daha yüksektir. Aynı zamanda yanma esnasında yüzey hacim oranları da büyük olduğundan, motor küçültüldüğünde enerji kayıpları da azalmaktadır. Bununla birlikte İYM'lar büyük yüklerde daha verimli bölgelerde çalışacak şekilde tasarlandığından, küçük motorlar aynı yüklerde daha verimli çalışmaktadır. İYM'ın rölantide çalıştığı durumlarda kapatılması da yakıt tasarrufu ve emisyonların azaltılmasında kullanılabilmektedir. Ayrıca güç kaynakları, toplam verim en yüksek olacak şekilde çalıştırılabilmektedir.

Güç paylaşımının belirlenmesi karmaşık bir optimizasyon problemidir. Egzoz gazlarının düşürülmesi, yakıt tüketiminin azaltılması gibi hedefler gerçekleştiriliyorken aracın sürülebilirliği ve konforunun da en az dönüştürülen modelde olduğu kadar iyi olması istenmektedir.

Bu tür bir problem optimum kontrol yöntemleri ile analitik olarak çözülebilmektedir. Ancak, sistemin kompleks olması nedeniyle gerçek zamanlı çözüm Dinamik Programlama (DP) gibi sayısal yöntemlerle eş zamanlı olarak çözülebilmektedir.

DP çözümü en iyi çözümü vermektedir. Sistemin çok bileşenli ve ayrık durumlara sahip olması ve DP çözümünün ancak tam bilgi ile elde edilebilmesi, ve DP çözümünün çok kısa sürede elde edilmesi gereksinimi, günümüz hesaplama teknolojileri ile anlık olarak aracın seyahati halinde gerçekleştirilemediği için DP çözümü çevrim dışı elde edilerek bu çözüm sonucunda oluşturulan kurallar ile hibrid araçlar kontrol edilmektedir.

DP çözümünün araç üzerinde kısa sürelerde gerçek zamanlı elde edilmesi mümkün olmadığından, hibrid elektrikli araçlarda global optimum (DP) sonuçlarına yakın sonuçlar veren optimizasyon yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerde araç seyahati sırasında harcanılan elektrik enerjisi, ortalama verimler yardımı ile yakıt miktarına dönüştürülmekte ve optimizasyon hesaplamaları, yakıt miktarının vereceği enerjiye karşılık gelen elektrik enerjisi miktarı göz önünde tutularak yapılmaktadır.

Kaynaklar

1. A. Boyali, M. Demirci, T. Acarman, L. Güvenç, O. Tür, H. Uçarol, B. Kiray, E. Ozatay, "Modeling and Control of a Four Wheel Drive Parallel Hybrid Electric Vehicle", IEEE International Conference on  Control Applications,  Munich, Germany, 4-6 October 2000.

2. A. Boyali, M. Demirci, T. Acarman, L. Güvenç, B. Kiray, M. Yildirim, "Simulation Program and Controller Development for a 4WD Parallel HEV", International Workshop on Hybrid and Solar Vehicles, Salerno, Italy, November 2006.

3. A. Boyali, T. Acarman, L. Güvenç, "Component Sizing in Hybrid Electric Vehicle Design using Optimization and Design of Experiments Techniques, Workshop on Hybrid Electric Vehicle Modeling and Control in connection with IEEE 2007 Intelligent Vehicle Symposium,  Istanbul Turkey, June 13-15, 2007.

Ali BOYALI,"Hibrit Elektrikli Yol Taşıtlarının Modellenmesi ve Kontrolü", Doktora Tezi

Bize ulaşmak için ...