Menzili uzatılmış elektrikli araçlarda eş değer yakıt tüketimi ile yakıt ve nox optimizasyonu
Nox and fuel optimization on range extended vehicles using equivalent consumption of minimization strategy
Yazar: AYŞEGÜL KURŞUN
Danışman: PROF. DR. SALMAN KURTULAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Egzoz emisyonları = Exhaust emissions ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles

Özet:
Elektrikli araçların 20. yüzyılda başlayan üretimleri, çeşitli nedenlerle içten yanmalı motorların tercih edilmesi nedeniyle yavaşlamış ve önemsiz bir düzeye inmiştir. Otomotiv firmaları içten yanmalı motorlu araçları,  araştırma, geliştirme ve üretme faaliyetletini kesintisiz olarak günümüze kadar sürdürmüşlerdir. Ancak, küresel ısınmanın çevre üzerindeki etkileri, enerji kaynaklarının azalması gibi önemli nedenlerle elektrikli araç teknolojisi yeniden gündeme gelmiştir. Günümüzde birçok otomotiv firması elektrikli araçlar üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmaları yapmaktadır. Bu yapılan çalışmalar genellikle, batarya kapasitesini arttırmak, hibrit araç teknolojilerini geliştirerek yakıt ekonomisi sağlamak ve emisyon optimizasyonu gibi konuları kapsamaktadır. Bu tezde yapılan çalışmalarda, menzili uzatılmış bir elektrikli aracın çevrim içi enerji yönetim kontrol problemini ele alınmıştır. 
Elektrikli araçlar saf ve hibrit araçlar olarak ikiye ayırabilir. Saf elektrikli araçlarda sadece elektrik enerjisi kullanılır ve bu yüzden batarya kapasitesi en yüksek araçlardır. Hibrit araçlarda ise elektrik enerjisi ve bir başka kaynak daha kullanılır. Bu çoğu zaman benzin veya dizeldir. Hibrit araçlar da kendi içinde seri paralel ve seri-paralel hibrit araçlar olmak üzere üçe ayrılır. Seri hibrit elektrikli araçlarda çekiş gücü elektrik motoru tarafından karşılanır. Elektrik motoruna elektrik enerjisini batarya veya içten yanmalı motor sağlar veya her ikisi aynı anda sağlayabilir. Bu enerji dağılımı kontrol stratejileri tarafından belirlenir. Paralel hibrit araçlarda ise çekiş gücü bir güç aktarım merkeziyle hem içten yanmalı motor hem de elektrik motoruyla sağlanabilir. Son olarak seri-paralel hibrit araçlarda, içten yanmalı motor, elektrik motoru, jeneratör bir veya birden çok dişli sistemle güç aktarım organlarına bağlanır. Hem paralel sistem mantığıyla mekaniksek güç ortak sağlanabilir hem de seri sistem mantığıyla jeneratör sistemi elektrik motoruna ve batarya sistemine enerji sağlayabilir. Bütün bu çalışma prensiplerinde hangi motorun ne zaman ne kadar çalışacağı kontrol metotlarıyla belirlenir. 
Seri ve paralel hibrit araçlar için geliştirilmiş ve halen geliştirilmekte olan birçok kontrol stratejisi vardır. Bu stratejilerin en temel amacı, yakıt ekonomisi yapmak, emisyonları düşürmek, batarya verimini ve ömrünü arttırmak, araç performansını arttırmaktır. Bu amacı gerçekleştirirken bataryanın şarj durumunun kabul edilebilir değerler arasında olması optimizasyon probleminin kısıtları arasındadır. En bilinen kontrol stratejileri, kurala dayalı kontrol, dinamik programlama ile kontrol, eş değer yakıt tüketimi stratejisi ve yol tahminine bağlı stratejilerdir. 
Menzili uzatılmış elektrikli araçlar; iki özelliği nedeniyle, seri hibrit ve saf elektrikli araçlar arasında yer alır. Birincisi sürücünün şehir içinde sadece elektrik enerjisiyle yol almasıdır. İkinci ise, şehir içi mesafesinden daha uzun bir mesafe gitmesi gerektiğinde içten yanmalı motor ve jeneratör sisteminin, "GENSET", devreye girip elektrikli araçların bir dezavantajı olan menzili uzatmaktır. "GENSET" sisteminin çalışması kontrol stratejisi problemidir. Termostat metodunda batarya şarj durumu, "SOC" belli bir minimum noktaya düştüğünde "GENSET" sistemi tek bir çalışma noktasında devreye girer ve bu nokta motor ve jeneratör çiftinin en verimli noktasıdır. "GENSET" sistemin en verimli noktası altın oran optimizasyon metoduyla bulunabilir. Yakıt ve NOx değerlerine bağlı bir maliyet fonksiyonu geliştirilir ve bu "GENSET"in üretebileceği her güç değeri için hesaplanır. Bu hesap sonucunda minimum yakıt ve NOx değerini veren optimum tork ve hız değeri bulunur. Termostat metodunda önemli nokta uygulanacak güç değerinin hem maliyeti az hem de aracın çekiş gücünü karşılayacak olmasıdır. Eş değer yakıt tüketimi stratejisi, "ECMS", metodunda ise, "GENSET" sistemi birçok çalışma noktasında uygulanabilir. Bu çalışma noktaları, aracın o an ki güç ihtiyacına ve batarya şarj durumuna bağlıdır. "ECMS"de maliyet fonksiyonunda hem içten yanmalı motorun yakıt tüketimi vardır hem de bataryanın gelecekteki potansiyel yakıt tüketim eş değeri vardır. Batarya şarj olduğunda gelecekte yakıt tüketimi azalacağı için enerji tüketimi azalır. Batarya deşarj olduğunda ise, içten yanmalı motor az yakıt yakacaktır fakat deşarj enerjisi yakıt ile kompanze edilecektir. Bu potansiyel enerji bir eş değer faktör ile maliyet fonksiyonuna eklenir. "ECMS" bu koşullar altında en uygun gücün bulunmasını sağlayan bir optimizasyon metodudur. 
Bu tezde kontrol stratejilerinden termostat ve "ECMS" üzerinde çalışılmıştır. Çalışma ortamı Matlab Simulink kullanılarak oluşturulmuştur. Ford Otosan A.Ş. ve Okan Üniversitesi ortak proje kapsamında oluşturulan araç modeli temel alınarak elektrikli motor ve içten yanmalı motor sistemi uygun bir şekilde eklenerek menzili uzatılmış elektrikli araç modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modele kontrol sistemi modeli eklenerek sistem tamamlanmıştır. Sistem modeli oluşturulurken bileşenlerin güç akışı modelleri yapılmıştır. Sistem dinamiğinin doğruluğunu sağlayacak şekilde bileşen dinamiklerinde basitleştirilme yapılmıştır. Termostat ve ECMS metodu ile yapılan benzetimler sonucunda menzili uzatılmış elektrikli araçlar için ECMS metodunun hem NOx hem de yakıt optimizasyonu için en uygun metot olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
At the beginning of 20th centuries, electrical motors were more popular than internal combustion engines (ICE). After the implementation the starter motor on ICE, they had become more advantages than electrical motors. Automobiles companies started investments on vehicles with ICE and the technology today have been come. However, due to global warming and energy source problems, electrical vehicle have become reasonable to produce. Now, many automobile companies are working on research and development on electrical vehicles again. The studies generally focus on battery capacity, hybrid vehicle technology, and fuel and emission optimization. In this thesis, the studies were done on optimization of NOx and fuel economy of range extended electric vehicles. 
The electrical vehicles can be classified as pure and hybrid vehicles. Pure electrical vehicles use only electrical energy and so battery capacity should be highest in amongst electrical vehicles. In hybrid vehicles, there is not only electrical energy to power the vehicles, but also heat energy can be used. Therefore, battery can be smaller than pure electrical one. Moreover, there are two kinds of hybrid vehicles that are parallel and series hybrid vehicles. In parallel hybrid vehicles, the traction power could be supplied by both electrical motor and ICE or by only electrical motor and only engine. This management is done by energy management system in the vehicles. On the other hand, in series hybrid vehicles, ICE is not connected to the powertrain and it is connected to a generator, which produces electrical energy to battery and electrical motor with the power of ICE. Range extended vehicles are a kind of series hybrid vehicles. Electrical vehicle should be enough powerful to accelerate the vehicle. In the case of battery's state of charge is not enough to continue the journey, then, GENSET is on and state of charge should stay steady using the power supplied by GENSET. How to make state of charge steady is the problem of control strategy. 
There are several control methods developed and still developing for series and parallel hybrid vehicles. The main objectives of these strategies are fuel economy, to decrease emissions, battery efficiency, to increase battery life and to improve vehicle performance. Achieving these objectives, the state of charge (SOC) should be in the boundaries, which are the constraints of the optimization problem. The most known and applied control strategies in the literature are, ruled based control, dynamic programming, equivalent consumption of minimization strategy and the strategies based on determination of driving routes. 
There are two main functionalities of range extended vehicles. One of the functionalities is driver uses the vehicle which is powered by only electrical motor. Second functionality is, when the driver uses the route, which is longer than city routes, GENSET system starts working and range extender increases the range, which is a disadvantage of pure electrical vehicles. Therefore, range extended vehicles are everyday usage type of vehicles which you can also drive at weekends for a longer trip. In everyday usage, the battery SOC should be full and at the end of day SOC decreases. Then, battery of vehicle is plugged in electricity supply to be charged. GENSET system in range extended vehicles is backup and it provides the driver flexibility not to concern range limit. 
The main engineering problem in range extended vehicle is how to optimize GENSET. In this thesis, thermostat and equivalent consumption of minimization methods are used in optimization of GENSET: Both thermostat and ECMS methods, GENSET operating points should be optimized. It means that torque and speed values of each power value of GENSET should be found which minimize the cost function. Cost function is determined considering objective of the problem. The problem of this thesis is the minimize NOx and fuel consumption. The effect of NOx and fuel on cost function is determined by coefficients. If minimization of fuel consumption is more important than NOx effects, coefficient of fuel should be higher than coefficient of NOx. In order to find the optimized torques and speeds of GENSET which minimize the cost function of each power values, golden section method is used. The output of golden section method is used by ECMS and thermostat. 
The principle of thermostat method is to open GENSET when SOC reaches its minimum value. GENSET system works in only one operating point which the most efficient point of ICE and electrical motor couple. The most efficient operating point is the minimum cost value of golden section output. Minimum cost value is not the only criteria to choose operating point, but also power should be enough to accelerate the vehicle. On the other hand, electrical motor and internal combustion can be work in more than one operating points in ECMS. These operating points depend on the power required and battery SOC at that time. There are two concepts in ECMS, the concept of negative or positive potential costs, depending on whether the electric power that is generated by the GENSET is more or less than the requested mechanical power. Formulation of ECMS is sum of the actual fuel consumption in the engine and sum of a term that has the same units and is related to the use of the battery power. This additional term represents the virtual consumption associated with the battery use and is related to the future fuel consumption due to the use of the battery at the present time. If the battery is charged condition ECMS potential cost is negative and if battery is discharged state potential cost is positive. Real cost is equal to sum of cost of ICE power and sum of cost of battery power which is multiplied by an equivalent factor. It is important to find the equivalent factor in ECMS because it effects the potential costs effect on real cost. In this study, equivalent factor is a function of tangent function and it is formulated by SOC and its boundaries. The effect of equivalent factor is to keep the SOC in the boundaries. If SOC increases too much, potential cost is decrease by decrease in equivalent factor. On the contrary, if SOC decreases too much, equivalent factor increases and cost electrical energy increases. In conclusion, objective of ECMS is to find the optimum GENSET power, which optimize in current condition and the future conditions. 
In the content of this thesis, all simulations are done using Matlab Simulink. The vehicle model, which is developed by Ford Otosan and Okan University, is taken as skeleton of model and this model is converted to a range extended electric vehicle. In addition, both ECMS and thermostat control strategies are added in to this model. Developing system model, range extended vehicle components are modeled separately and then combined them together to study on system level control. Power flow of all components is modeled. However, system components dynamics are simplified as system level dynamics are managed correctly. This modeling approach makes simulations faster and reduces efforts of modeling detail dynamics. 
In order to improve simulation, also ICE is modeled as map based. These maps are driven by engine mapping data, which is collected in dynamometer tests. Electrical motor is modeled as static and it is assumed that it gives the torque, which is required. Asynchronous motors and brushless direct current motors are more common used in electrical vehicle applications. Direct current motors needs DC/DC converter because battery voltage decrease due to SOC decrease. Asynchronous motor needs DC/AC inverters. In this thesis, asynchronous motor is used and its efficiency is mapped in the model. Battery model is simplified, as well as its dynamics are very slow. Inverter model between battery and asynchronous motor is added in to the system. 
In conclusion, the optimization of NOx and fuel economy in range extended vehicle is achieved successfully by equivalent consumption of minimization strategy. In order to compare the result, thermostat method is developed and applied. In results, the equivalent consumption of minimization strategy is better than thermostat method. ECSM manages both NOx and fuel improvement.