Bir hafif hibrit elektrikli şehir içi otobüs uygulamasının performans, yakıt ekonomisi ve çevresel etkileri açısından incelenmesi
The investigation of the impact of mild hybrid electric city bus application on performance, fuel economy and emissions
Yazar: ALİCAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL AHMET GÜNEY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Şehir içi otobüsler, yolcu konforu, seyir rotasının esnekliği, minimum altyapı gereksinimi, ihtiyaçlar doğrultusunda boyutlandırılabilen yolcu ve güç kapasitesi gibi avantajlarından ötürü uzun yıllardır şehirlerin birincil toplu taşıma yöntemi olarak konumlandırılmaktadır. Bu misyonu doğrultusunda canlılarla maksimum etkileşim halinde olması nedeniyle, özellikle egzoz gazı ve gürültü emisyonları açısından araç seviyesinde çeşitli tedbirlerin alınmasını gerekli kılmaktadır. Benzer bir etkileşim neredeyse tüm araç üreticileri için geçerli olduğundan gerek kural koyucuların belirli periyotlarla devreye aldığı emisyon regülasyonları gerekse de kamuoyunun ilgili firmalar üzerindeki çevrecilik baskısı, bu alanda yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi ve azami oranda araçlara entege edilmesini zorunlu kılmaktadır. Malzeme, üretim yöntemi ve alternatif tasarım çözümlerine ek olarak, son yıllarda özellikle taşıtlarda elektrifikasyon ve yazılım tabanlı akıllı araç teknolojilerinin öne çıktığı görülmektedir. Bu trend neredeyse tüm global oyuncuların sadece binek araç segmentinde değil, otobüs ve kamyon gibi ağır ticari araç segmentinde de elektrikli araç modelleri sunmasına önayak olmuştur.
Genellikle ihaleyle yoluyla satışı yapılan şehir içi otobüsler için toplam sahip olma maliyeti araç alımında ilk etmen olarak öne çıkmaktadır. Dolayısıyla araçların ilk satınalma, yakıt ve bakım maliyetleri minimum 5-8 senelik projeksiyonlar çerçevesinde hesaplanmaktadır. Elektrikli araçlar da özellikle yüksek gerilim batarya ve güç elektroniği komponentlerinin, konvansiyonel dizel araç bileşenlerine göre daha maliyetli olması nedeniyle, ilk satınalma maliyetleri açısından henüz yeterince rekabetçi olamasa da bakım ve yakıt maliyetlerinde sunduğu avantaj sayesinde, toplam sahipolma maliyeti perspektifinden daha ekonomik bir iş modeli yaratabilmektedir. Son yıllardaki elektrifikasyon trendiyle beraber global oyuncuların bu alandaki ciddi yatırımları, her segment için elektrikli araç bileşenlerinin maliyetlerini günden güne azaltmakta ve özellikle günlük çalışma mesafelerinin yüksek olduğu şehir içi otobüsler için bu bileşenlerin getirdiği delta maliyetlerin daha kısa sürede amoritze edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Dolayısıyla gelecek yıllarda elektrikli otobüs segmentinde de daha çok model ve satış adedi görülmesi öngörülmektedir.
Ağır ticari araçlara yönelik akademik ve sektörel "elektrifikasyon" yönelimleri incelendiğine, genellikle egzoz emisyonlarını azaltma potansiyeli daha yüksek olan ve  elektrikli güç paketinin birincil tahrik sistemi olduğu çözümler öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında farklı bir yaklaşım olarak, temelde binek araç segmentine yönelik olarak geliştirilen bir 48V elektrikli güç paketinin, birincil tahrik sistemi dizel motor ve yarı otomatik şanzımandan oluşan bir araç paketine entegrasyonu ile, birincil tahrik sisteminin daha verimli şekilde kullanımının hedeflenmesidir. Bu noktada 48V elektrikli güç paketinin kullanımı, < 60V yüksek gerilim sınırlandırması altında kalarak yüksek gerilim koruması gerektirmeyen, bu sayede daha ekonomik motor sürücü, DA/DA ve batarya bileşenlerinden oluşan bir sistem kurgulanabilmesi açısından önemli bir avantaj yaratacaktır. Bu sayede, kısa vadeli amortizasyon sürecini gözeten müşteriler için alternatif bir ürün yaklaşımı sunulabilinecektir. Yarı otomatik şanzımanlı bir aracın, genellikle tam otomatik şanzımanın tercih edildiği bir segmentte altyapı olarak önerilmesinin altında yatan sebep ise, bu teknolojinin düşük aktarım kayıpları sayesinde yakıt tüketimi ve emisyon salınımları açısından tam otomatik şanzımana göre taşıdığı yaklaşık %10'luk avantajdır. Yarı otomatik şanzımanın bu yakıt ekonomisi avantajına rağmen şehir içi uygulamalarında tercih edilmemesinin başlıca nedeni olan mekanik kavrama sisteminin dur-kalk çalışma profilindeki ömür ve konfor problemleri, 48V elektrikli güç paketinin bu dezavantajı minimize edecek şekilde boyutlandırılması, konumlandırılması ve kontrol edilmesiyle bertaraf edilecektir.  Aynı zamanda elektrikli güç paketinin motor durdur-çalıştır, rejeneratif frenleme, motor çalışma noktasını kaydırma, elektrikli aksesuar sistemleri gibi çevreci özellikleriyle de yakıt tüketimi ve CO2 salınımını azaltma potansiyelinin > %20 'ye taşınması hedeflenmektedir. 
Çalışma metodolojisi olarak tam otomatik ve yarı otomatik şanzımanlı, dizel motorlu 8 metre şehir içi otobüslerin performans, yakıt tüketim ve kavrama ömrü metrikleri çeşitli ölçümlere saptanacaktır. Sonrasında 48V hafif hibrit elektrikli güç paketinin de modelleneceği AVL Cruise 1 boyutlu yazılım ortamında konvansiyonel güç paketine sahip araçların modelleri kurulacak, test verileri ışığında modeller ve metodoloji korale edilecektir. Son olarak korale edilmiş yarı otomatik şanzımanlı, dizel motorlu araç modeli üzerine hibrit elektrikli araç bileşenleri eklenerek, fayda analizi detaylı olarak incelenecektir. Bu çalışma kapsamında yapılan test ve analiz faaliyetlerinin, bundan sonra bu alanda yapılacak çalışmalar için de önemli bir bilgi birikimi sunması tezin ikincil önemli hedefi olarak tanımlanabilir.

Abstract:
The city buses are the primary transportation method of nearly all cities for many years, thanks to passenger comfort, flexibility of daily routes, minimum infrastructure investment, different size and powerpack options. Since that vehicles interacts with many people every day, the need of enviromental actions are getting more important in time. As that is also a case for all automotive products, the global OEM's are under increasing pressure of the rulemakers and customers to develop enviromental friendly vehicles. New materials, production methodologies, design concepts have been always in scope of them, however the "electrification" and "software based intelligent vehicle technologies" have dominated the last 5-10 years of innovations and R&D investments. As a result of this trend, the number of electric vehicles are increasing exponentialy year by year in all segments including heavy duty vehicles like trucks and buses.
The Total cost ownership is the primary assessment criteria in purchasing of city buses, who are mostly purchased by tenders and considering a mininum life time of 5 years. That creates a good opportunity to cover the delta cost of expensive high tech battery and power electronic components of the electric buses. As the electrified city bus has significantly less energy and maintenance cost, the total cost of ownership becomes more feasible against a conventional diesel automatic bus. The ongoing R&D investments and scale of economics are also motivating the electrification trend by reducing the delta costs. Therefore, we expect to see more electric bus models and sales in future.
The studies mostly focused on the full hybrid electric and battery electric vehicles, which have more CO2 emission reduction potential with higher delta costs. However, this study proposes an alternatif way, which is a low cost 48V electrification solution with >20% CO2 – fuel consumption improvement potential in a city bus application. The electric components at 48V voltage level does not need any onboard high voltage safety equipments and that brings an opportunity to provide an electric power with minimum cost.  The author prefers to combine the limited power and fuel economy advantage of a 48V mild hybrid electric powerpack with the semi-automatic transmission which has a mechanical clutch system with less friction losses over the common technology of full automatic transmission (with hydrodynamic clutch system). Normally, the semi-automatic transmission has a limited application in city bus segment, because of the driving comfort and clutch durability problems. The proposed powerpack is aiming to eliminate those natural disadvantages by utilizing the 48V electric powerpack with a proper sizing, control strategy and configuration. 
Firstly, the automatic and semi-automatic diesel variants will be tested to measure the performance and fuel consumption metrics. AVL Cruise 1D simulation tool is used for modelling all conventional vehicle variants and correlating with the measurements. Finally, the mild hybrid powerpack proposal will be built on the semi-automatic vehicle model for assessment of performance, clutch durability and performance benefits.