Elektrikli araçlarda konfor ve performans artırımına yönelik kontrol stratejilerinin geliştirilmesi
Development of control strategies for increasing comfort and performance in electric vehicles
Yazar: DENİZ KAPTAN
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT UCUN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Enerji verimliliğini sağlama ve çevre kirliliğini azaltma adına elektrikli araçlar yaygınlaşmıştır.  Aracın verimliliği ve performansı açısından uygun elemanların belirlenerek sistemin kontrol edilmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, Sabit Mıknatıslı Senkron Motor (SMSM),  Lityum-İyon batarya ve iki vitesli aktarma organına sahip bir elektrikli araç sistemi ele alınarak sistemin performansının iyileştirilmesi ve verimliliğinin artırılması amaçlanmıştır. Aracın çekiş sistemini oluşturan elektrik motorlarının kontrolünde genellikle klasik geri beslemeli kontrolörler kullanılır. Bu çalışmada mevcut literatürden farklı olarak elektrikli araç sistemi frekans tabanlı yöntemlerle ele alınmış ve sistem cevabı üzerindeki performans düşürücü etkilerin azaltılması amaçlanmıştır. Frekans tabanlı sistem tanıma analizinde; Voltera serisi tabanlı yaklaşımlar, Frekans Cevabı Fonksiyonları (FCF), Bode diyagramları, Yüksek Mertebeli Sinüzoidal Giriş Tanımlama Fonksiyonları (YMSGTF) kullanılır. Bu çalışmada ilk olarak, bozucu etmenlere karşı sistemin hız performansını kompanze etmeye yönelik YMSGTF tabanlı ileri beslemeli kompanzatörler tasarlanmıştır. Önerilen kompanzatörlerin benzetimiyle sistemin hız tepkisi ve batarya tüketimi gibi çıktılarında başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmanın diğer kısmında ise; elektrikli araç modeli Lur'e tipi bir sisteme dönüştürülmüş ve Chebyshev polinomları vasıtasıyla elektrik motoru hız kontrol döngüsünde yer alan optimal kompanzatör tasarlanmıştır. Chebyshev polinomları tabanlı optimal kompanzatör, sistem çıkışında istenmeyen harmoniklere bağlı maliyet fonksiyonunu minimize ederek bir önceki kompanzatörlere nazaran daha yumuşak bir hız tepkisi elde edilmesini sağlamış ve batarya tüketimini de iyileştirmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca, farklı hız referanslarında Chebyshev polinomları tabanlı optimal kompanzatörün etkisini gözlemlemek için sisteme sürüş çevrimi sinyali uygulanmış olup, rotor mekanik hız cevabı ve batarya tüketiminde başarılı sonuçlar elde edilmiştir. 
Anahtar Kelimeler: Alan yönlendirmeli kontrol, elektrikli araç, frekans tabanlı sistem tanıma, sabit mıknatıslı senkron motor, yüksek mertebeli sinüzoidal giriş tanımlama fonksiyonları.

Abstract:
Electric vehicles (EVs) become more commonplace in an effort to lower pollution levels and improve energy efficiency.  To increase an EV's performance, it is essential to choose the fundamental components wisely and to regulate the electric motor and the system as a whole. The goal of this study is to improve the controller performance of the electric motor against external effects, which increases performance and efficiency of the vehicle so the electric vehicle system with Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM), Li-Ion batteries, and two speed transmission is discussed. Electric motors are typically controlled by conventional feedback control loop controllers.  In contrast to previous research, this study used frequency-based techniques to manage the electric vehicle system, with the goal of mitigating any negative impact on system output performance. In the frequency based system identification analysis, Voltera series based approach, Frequency Response Functions (FRF), Bode Diagrams and Higher Order Sinusoidal Input Describing Functions (HOSIDFs) are used. Initially, in this study, feedforward compensators are built to boost the speed control performance utilizing HOSIDFs by compensating for external impacts. Through the use of traction motor drive simulations, the effectiveness of the suggested structure is demonstrated and examined and positive outcomes are attained in terms of battery usage and speed response. In the other portion of the study, the EV is modeled as a Lur'e type system and Chebyshev polynomials are used to create a compensator inside PI speed control loop. Smooth speed response and an efficient state of charge (SOC) during gear changes are two examples of how the optimal coefficients of the Chebyshev polynomials-based compensator improve the performance of the system by minimizing the cost function associated with the system output harmonics. Throughout this study, driving cycle is also applied to the system to consider the effect of the compansators for different speed signals and succesful results are obtained on the speed response and SOC.
Keywords: Electric vehicle, field oriented control, frequency based system identification, higher-order sinusoidal describing functions, permanent magnet synchronous motors.