Dalgacık dönüşümü/bulanık mantık tabanlı enerji yönetim stratejisi kullanılarak yakıt hücresi/ultra-kapasitörlü hibrit taşıt sisteminin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of fuel cell/ultra-capacitor hybrid vehicular system using wavelet transform/fuzzy logic based energy management strategy
Yazar: OZAN ERDİNÇ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET UZUNOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde gittikçe artan çevresel kirlilik ve fosil yakıtların hızla tükenmesi, bütün dünyanın alternatif enerji kaynakları üzerinde çalışmalar yapmasına neden olmuştur. Özellikle, artan çevresel kirliliğe yol açan zararlı gaz salınımında taşıtların etkisi oldukça önemli bir yer teşkil etmektedir. Bunun yanı sıra, mevcut taşıt sistemlerinde kullanılan konvansiyonel içten yanmalı motorların verimleri özellikle düşük devirlerde önemli oranda azalmaktadır. Taşıtlarda, alternatif olarak elektrik motorlarının kullanılması hem çevresel faktörler hem de düşük devirlerde yüksek verimlere sahip olmalarından dolayı dikkat çekici bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Elektrik motorlarının kullanıldığı taşıt sistemlerinin tahrik edilmesi için de, yakın bir gelecekte, yakıt hücresi teknolojilerinin verimli, sürdürülebilir, alternatif ve çevre dostu bir çözüm olması beklenmektedir. Ancak, tek başına bir yakıt hücresi sistemi ilk çalışma anında, özellikle de taşıtların şehir içi trafiğinde sıklıkla karşılaştığı geçici ve çok yüksek güç taleplerini tam olarak karşılamada yetersiz kalmaktadır. Ayrıca, güç taleplerindeki bu tür ani ve geçici değişimlerde (ani hızlanma veya frenleme), yakıt hücresi sisteminin en önemli alt elemanı olan membranda yeterince nemlenememe veya aşırı nemlenme, ve gaz açlığı gibi problemler de ortaya çıkabilmektedir. Yakıt hücresi işletiminde, gaz açlığının hücre performansı ve güvenliği açısından önemli etkisi vardır. Bu nedenle yakıt hücresi sistemini mümkün olduğu kadar sürekli hal yüklenmelerinde çalıştırmak, ani güç artışlarını ve yüklenmelerini yakıt hücresi sistemine hissettirmemek, daha güvenilir bir çalışma ortamı sağlayacaktır. Böylelikle hem yakıt hücresi ömrü uzayacak hem de hidrojen tüketimi azaltılmış olacaktır. Bunlara ilaveten şu anki ticari yakıt hücresi sistemleri, yeniden kullanılabilen frenleme enerjisini kazanabilme özelliğine sahip değildir. Bu nedenle, taşıt uygulamalarında yakıt hücresi sistemlerinin uygun bir enerji depolama ünitesi ile birlikte kullanılması, genel sistem performansını ve verimliliğini önemli oranda arttırmaktadır. Enerji depolama sistemlerinden biri olan ultra-kapasitör sistemlerinin, çok büyük miktarlardaki gücü çok hızlı bir biçimde verebilme ve frenleme enerjisini de verimli bir biçimde kazanabilme kabiliyeti vardır. Bu durumlar göz önüne alındığında, yakıt hücresi ve ultra-kapasitör sistemlerinin birlikte kullanılması, taşıtların bütün yük taleplerine cevap verebilecek bir yapı oluşturacaktır. Bunun yanı sıra, uygun bir yük paylaşımı algoritması ve iyi tasarlanmış bir kontrol stratejisinin yakıt hücresi ve ultra-kapasitör hibrit yapısına uygulanması ile birlikte genel sistem verimliliği ve yakıt tasarrufu da arttırılabilir.Bu çalışmada, dalgacık dönüşümü tabanlı bir yük paylaşımı algoritması ve bulanık mantık tabanlı bir kontrol algoritması kullanılarak, hibrit bir yakıt hücresi/ultra-kapasitör taşıt sisteminin enerji yönetimi gerçekleştirilmektedir. Gerçekleştirilen yük paylaşımı algoritması ile birlikte taşıtın güç talebindeki anlık değişimlerin temel yük talebinden ayrıştırılması sağlanmaktadır. Bu sayede de yakıt hücresinin yapısı için uygun bir sürekli hal yüklenmesinin elde edilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilen kontrol algoritması ile birlikte ultra-kapasitörün şarj seviyesinin kontrolünün sağlanması, bu sayede de taşıt performansının ve enerji tasarrufunun arttırılması hedeflenmektedir.

Abstract:
Growing environmental pollution and depleting fosil fuels have accelerated the studies realized for alternative energy sources in all over the world. Particularly, the effect of vehicles plays a major role in harmful gas emissions causing environmental pollution that increases every passing day. Besides, the efficiency of conventional internal combustion engines used in existing vehicle systems significantly decreases especially at lower rpms. Alternatively, the usage of electric motors has become prominient as an attractive solution due to the environmental factors and high efficiency in lower rpms. In near future, fuel cell technologies are expected to be a sustainable, alternative and environmental friendly solution for the propulsion of vehicles using electric motors. However, using a fuel cell alone may not be sufficient for start-up, and especially for instantaneous peak power demands which vehicle systems face typically in urban traffic conditions. Moreover, such transient changes (rapid acceleration or hard breaking) may cause insufficient humidification with gas starvation or flooding problems in fuel cell membrane, which is the most important component of a fuel cell system. Gas starvation has an impact in cell performance and safe operation of a fuel cell system. Thus, operating fuel cell in steady state conditions and preventing the effects of sudden load changes on fuel cell will provide a safe operation for fuel cell, and accordingly increase its lifetime and decrease hydrogen consumption. Also, commercially available fuel cells are not reversible and they do not have capability of capturing the braking energy. Therefore, using fuel cell with a proper energy storage unit in vehicular applications promotes the performance and efficiency of the overall system significantly. Ultra-capacitors, one of the energy storage systems, have the capability of supplying or capturing high amounts of power swiftly. Considering the aforementioned issues, utilizing fuel cell and ultra-capacitor systems together will be efficient to meet all the load demands of a vehicle. Besides, a proper load sharing algorithm and well-designed control strategy applied to fuel cell and ultra-capacitor hybrid system will increase the overall system efficiency and fuel economy.In this study, the energy management of a hybrid fuel cell/ultra-capacitor vehicular system is realized utilizing a wavelet transform based load sharing and a fuzzy logic based control algorithm. With the usage of the performed load sharing algorithm, the separation of the base load demand of a vehicle from its transients is provided. Thus, the objective is to acquire a steady state load profile which is suitable for the structure of fuel cell. Besides, the aim of the developed control algorithm is to control the state-of-charge of the ultra-capacitor, thus promoting the vehicle performance and energy savings.