Elektrikli scooter'larda PEM yakıt hücresi kullanarak sürüş performansının iyileştirilmesi
Driving performance enhancement using  PEM fuel cell in electric scooters
Yazar: HİLAL BIYIK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENCER ÜNAL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Elektrikli scooter = Electric scooter ; Yakıt pili = Fuel cell

Özet:
Günümüzde şehir içi ulaşım araçlarında kullanılan fosil yakıtların çevreye büyük zararları bulunmaktadır. Bu zararların en aza indirilmesi amacıyla yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan ulaşım araçlarına olan talep her geçen gün artmaktadır. Yüksek enerji verimliliği, sıfır emisyon değerleri, trafik sıkışıklığına yol açmaması, zamandan tasarruf sağlaması, park sorunu olmaması ve uygun fiyatlı olması elektrikli scooter (e-scooter) kullanımını diğer ulaşım araçlarına göre daha avantajlı hale getirmiştir. Modern şehir yaşamında popüler hale gelen e-scooter'ların performansının artırılmasına yönelik yapılan çalışmalar büyük önem taşıyor. Bu çalışma ile elektrikli scooterlarda karşılaşılan bataryanın şarj ömrünün kısa olması, şarj sürelerinin uzun olması ve en önemlisi sürüş mesafesinin kısa olması gibi sorunları ortadan kaldırmayı amaçladık. Bu amaçla elektrikli bir scooterda batarya yerine geleceğin enerji kaynağı olan yakıt hücresinin kullanıldığı bir scooter benzetim modeli önerilmiştir. Ayrıca scooter modeline aküden güç alınarak rejeneratif frenleme eklendi. Sunulan her iki modelin dinamik davranışları, uzun süreli sürüş çevrimi koşullarına göre ilk kez karşılaştırılarak, bu konuda gelecekte yapılacak çalışmalar için araştırmacılara motivasyon sağlanması amaçlanmaktadır. Benzetim modelinde sürüş performansını arttırabilmek için WMTC, ECE15 ve ARTEMIS Urban sürüş çevrimleri tercih edilmiştir. Bu sürüş çevrimleri sırasında scooter modellerinin performansı karşılaştırılarak sonuçlar değerlendirildi. Üç farklı sürüş çevriminden elde edilen sonuçlardan, yakıt hücresi kullanılarak tasarlanan bir scooterın, bataryalı scooter ile karşılaştırıldığında %120'nin üzerinde menzil artışı sağlayabildiği görülüyor. Bunun yanı sıra yakıt hücresinin içten yanmalı motorlara kıyasla düşük güç yoğunluğu yavaş güç tepkisi gibi olumsuz özellikleri vardır. Bu olumsuzluk yüksek hüç yoğunluğuna sahip lityum iyon bataryalarla elimine edilebilir. Bu çalışmaya bataryada ve yakıt hücresinde meydana gelen olumsuzlukları giderecek yakıt hücresi\batarya entegrasyonundan oluşan ve gelecek için önem vadeden bir model daha önerildi. Ek olarak, kaynakları kontrol eden bir enerji yönetim sistemi kullanılmıştır. Bu sistem ile scooter'da güç kaynaklarının ayrı ayrı ve beraber kullanımı söz konusu olduğunda ortaya çıkan sistem davranışları karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir.

Abstract:
The usage of fossil fuels in urban transportation vehicles nowadays has a negative impact on the environment. The need for transportation vehicles powered by renewable energy sources is growing daily in an effort to reduce these impacts. Electric scooters (e-scooters), are a more advantageous mode of transportation than other vehicles because of their high energy efficiency, low emissions, lack of traffic congestion, time savings, ease of parking, and affordability. Research aimed at improving the efficiency of e-scooters, which are becoming common in modern urban areas, is extremely significant. Our goal in conducting this study was to find solutions for the issues that come with electric scooters, like their short driving range, lengthy charging times, and short battery life. In order to do this, a simulation model of a scooter was developed that substitutes in electric scooter's fuel cell—the energy source of the future—for the battery. In addition, regenerative braking has been added to the scooter model by taking power from the battery.  In an effort to inspire further study on this topic, the dynamic behaviors of the two models are compared for the first time in relation to long-term driving cycle conditions. WMTC, ECE15 and ARTEMIS Urban driving cycles were preferred, in order to increase driving performance in the simulation. The scooter models' performances were compared during these driving cycles, and the outcomes were assessed. Based on the outcomes of three distinct driving cycles, it can be observed that a fuel cell-powered scooter offers a range improvement of more than 120% when compared to a battery-powered scooter. In addition, the fuel cell has negative features such as low power density and slow power response compared to internal combustion engines. This drawback can be eliminated with lithium-ion batteries with high power density. Another model consisting of fuel cell/battery integration that will eliminate the negative effects occurring in the battery and fuel cell and which promises importance for the future has been proposed for this study. Additionally, an energy management system is used to control resources. With this system, the system behaviors that occur when the power sources are used separately and together in the scooter are examined comparatively.