Seri hibrit elektrikli araçta enerji yönetim ve güç dağıtım sistemleri
Energy management and power distribution systems in series hybrid electric vehicle
Yazar: KÜRŞAD GÖKCE
Danışman: PROF. DR. AYHAN ÖZDEMİR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Anahtar kelimeler: Hibrit elektrikli araç, akü, ultrakapasitör, enerji, güç, verim, modelleme, optimizasyon, model referans kontrol, DC/DC konvertör.
Farklı tip enerji kaynaklarının bir arada kullanıldığı hibrit elektrikli araçlarda, yakıt tüketiminin düşürülmesi ve emisyonların azaltılabilmesi için enerji kaynaklarının en verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Dolayısıyla farklı tip enerji kaynakları arasında güç dağıtımını optimum bir şekilde gerçekleştirecek etkin enerji yönetim ve güç dağıtım sistemlerine (EYS) ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, EYS'lerle ilgili literatürdeki çalışmalara çeşitli katkılar sunulmuştur. Öncelikle, akü ve ultrakapasitör sistemleri içeren seri hibrit elektrikli araçlar için anlık optimizasyon tabanlı yeni bir EYS geliştirilmiştir. Ayrıca, EYS'de kullanılmak üzere enerji kaynakları ve tahrik sistemi arasında transfer olan enerjinin verimini ifade eden yeni bir performans kriteri ve buna bağlı bir maliyet fonksiyonu tanımlanmıştır. Önerilen EYS ile bu performans kriteri maksimum yapılırken, aküler yüksek şarj/deşarj akımlarına karşı korunmuştur. Bir diğer katkı olarak, farklı EYS ve araç komponentlerinin performanslarının test edilebileceği Matlab/SIMULINK tabanlı yeni bir modelleme ve benzetim mimarisi geliştirilmiş ve bu mimari üzerinde seri hibrit elektrikli araç modeli oluşturulmuştur.
İki aşamalı olarak önerilen EYS'nin ilk aşamasında, akü ve ultrakapasitör sistemi tek bir hibrit enerji kaynağı olarak değerlendirilmiş ve talep gücü bu hibrit enerji kaynağı ile içten yanmalı motor (İYM)-jeneratör seti (genset) arasında, İYM ve jeneratörün verim haritalarını kullanarak, optimum genset çalışma noktaları elde edilecek şekilde paylaştırılmıştır. Farklı akü şarj seviyesi (SOC) aralıkları ve sürüş çevrimleri için yapılan benzetim çalışmaları ile, önerilen EYS'nin global optimum çözümü veren dinamik programlama (DP) yöntemine oldukça yakın sonuçlar ürettiği, ayrıca literatürde gerçek zamanlı sistemler için uygulanan eşdeğer yakıt tüketimi minimizasyonu (ECMS) ve model öngörülü kontrol (MPC) gibi alternatif anlık optimizasyon yaklaşımlarına göre optimum çözümün daha hızlı elde edildiği ve İYM'un daha verimli çalıştırıldığı gösterilmiştir. 
İkinci aşamada, akü ve ultrakapasitör sistemleri arasında yük paylaşımı gerçekleştirilmiştir. Bunun için literatüre yeni bir yaklaşım olarak bir yük seviyelendirme stratejisi geliştirilmiş ve önerilen stratejinin performansı literatürde yer alan kural tabanlı, oransal kontrollü ve hareketli ortalama yöntemlerine dayalı yük paylaşım stratejleri ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Karşılaştırmalı benzetim çalışmalarında, önerilen strateji ile akü ani akım değişimlerinin ve yüksek akım ile şarj/deşarj oranlarının diğer yöntemlere göre daha az olduğu gösterilmiştir.
Tezin son kısmında, EYS'de ultrakapasitör gücünün DC baraya transferinde kullanılan iki yönlü bir DC/DC konvertör için literatürde kullanılan kontrolör sistemlerine yeni bir yaklaşım olarak Kalman filtreli model referans uyarlamalı bir kontrolör sistemi (MRUK) tasarlanmıştır. Yapılan benzetim çalışmalarında MRUK'nin sonlu zaman kontrolörüne göre özellikle sistem belirsizliklerine, bozuculara ve devre parametrelerindeki değişimlere daha az duyarlı olduğu dolayısıyla daha dayanıklı bir yapıda olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
Keywords: Hybrid electric vehicle, battery, ultracapacitor, energy, power, efficiency, modeling, optimization, model reference control, DC/DC converter.
In order to reduce the fuel consumption and exhaust emissions in hybrid electric vehicles, energy sources in the vehicle must be used most efficiently. To achieve this, there is a need for effective energy management and power distribution systems (EMS) to ensure the optimum power distribution between different types of energy sources used in the vehicle. 
In this thesis, several contributions have been made to the studies in the literature on EMSs.  A new EMS based on the instantaneous optimization strategy for series hybrid electric vehicles with battery/ultracapacitor systems has been developed as a new approach to the EMS strategies. Besides, a new performance criteria which defines the efficiency of the energy transferred between the energy sources and the propulsion system, has been defined and formulated as a new cost function. The aim of the proposed EMS is to maximize this cost function as well as to protect the battery against high charge/discharge currents. In order to test the performance of different EMSs and vehicle components, a series hybrid electric vehicle model has been built on a new modeling and simulation architecture developed in Matlab/SIMULINK. In the first stage of two-stages proposed EMS, the requsted power has been shared between the battery/ultracapacitor hybrid energy source and the internal combustion engine (ICE)-generator set (genset) by taking the efficiency maps of the ICE and generator into account in order to obtain the optimum genset operating points. Simulation results for different state of charge (SOC) level and driving cycle conditions showed that the solutions obtained by the proposed EMS are very close to the global ones produced by dynamic programming (DP) approach and the proposed EMS operates the engine at higher efficiency and provides a competitive performance with a lower computational burden when compared to the real time implementable methods such as equivalent fuel consumption minimization strategy (ECMS) and model predictive control (MPC). In the second stage, a load-leveling power split strategy has been developed as a new approach to the existing  strategies such as rule based, proportional control based and moving averaging strategies to distribute the power between the battery and ultracapacitor systems. Comparative simulation studies showed that, with the proposed strategy, the battery is less exposed to rapid current changes and to high charge/discharge rates when compared to the alternative methods. 
In the last part of thesis, a model reference adaptive controller with Kalman filter has been developed  as a new approach to the controllers presented in the literature for a bidirectional DC/DC converter used in EMSs to transfer ultracapacitor power to the DC bus. In simulation studies, it has been shown that the proposed controller has a robust property such that it is less sensitive to changes in circuit parameters and to system uncertainties and disturbances than deadbeat controller.