PEM yakıt hücresi-lityum polimer batarya hibrit sistemiyle tahrikli mini-İHA üretimi ve enerji yönetim sisteminin modellenmesi
Production of PEM fuel cell-lithium polymer battery hybrid system powered mini-UAV and modelling of energy management system
Yazar: GÖRKEM YALIN
Danışman: PROF. DR. T. HİKMET KARAKOÇ ; PROF. DR. C. ÖZGÜR ÇOLPAN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin: Hibrit enerji = Hybrid energy ; Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Son yıllarda Mini-İHA'ların kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Askeri ve sivil uygulamalarda kullanılan Mini-İHA'lar tahrik sisteminde ihtiyaca göre elektrik kaynağı veya içten yanmalı motor bulundurmaktadır. Elektriğin farklı kaynaklardan sağlandığı hibrit sistemle tahrik edilen İHA'ların daha uzun sürede havada kalması ve görev yapabilmesi amaçlanmaktadır. Bu sebepten yakıt hücreleri ile bataryalar hibritleştirilerek uygun enerji yönetim sistemi altında sadece bataryaların kullanıldığı sistemlere kıyasla avantajlara sahiptirler. Bu avantajların uygulanabilir kılınması için bu çalışma kapsamında üretilen İHA'nın, bataryalı uçuş testleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca tasarım aşamasında gerekli görülen teorik güç ve enerji değerlerine sahip hibrit sistem bir araya getirilerek laboratuvar şartlarında sistemin yer testleri ile kuru itki testleri gerçekleştirilmiştir. Bataryalı uçuş testlerinden elde edilen veriler ışığında örnek bir uçuş profiline yönelik olarak hibrit sistem çalıştırılmış ve batarya voltajının çalışma boyunca değişimi gözlemlenmiştir. Elde edilen yarı deneysel veriler ışığında bir uçuş profiline yönelik enerji yönetim sistemi modellenerek deneysel ve modelden elde edilen veriler karşılaştırılmıştır. Matlab/Simulink ortamında oluşturulan modelden elde edilen batarya doluluk oranı, hidrojen tankı doluluk oranı, yakıt hücresi çalışma akımına ait verilerin uygun enerji yönetim modeli ile elde edilebileceği görülmüştür. İHA'nın görev tanımı aşamasından başlayarak hibrit sistemin enerji yönetimi ve modellenmesine yönelik akış diyagramı oluşturulmuştur. Uçuş profiline yönelik hibritleştirme oranı tanımlanarak her bir uçuş fazına karşılık bu oranın nasıl hesaplanacağı ortaya konulmuştur.

Anahtar Sözcükler: Yakıt hücresi, hibritleştirme, İHA, Enerji yönetim sistemi

Abstract:
In recent years, the use of mini-UAVs has become increasingly common. Mini-UAVs which are used in military and civil applications have electric source or internal combustion engine in the drive system as required. Driven by the hybrid system, where electricity is supplied from different sources, the UAVs are intended to remain in the air longer. For this reason, fuel cells and batteries are hybridized and have advantages over systems using only batteries under the appropriate energy management system. In order to make these advantages feasible, battery operated flight tests of the UAV produced within the scope of this study were performed. In addition, the hybrid system with the theoretical power and energy values deemed necessary during the design phase was brought together and the ground tests and thrust tests of the system were performed under laboratory conditions. In the light of the data obtained from the battery flight tests, a hybrid system was operated for a sample flight profile and the change of battery voltage was observed during operation. In the light of the quasi-experimental data obtained, an energy management system for a flight profile was modeled and experimental and model data were compared. It was observed that the data obtained from the model created in MATLAB / Simulink environment can be obtained with the appropriate energy management model for the battery charge rate, hydrogen tank charge rate, fuel cell operating current. Starting from the task description stage of the UAV, a flow diagram for the energy management and modeling of the hybrid system was created. The hybridization rate for an exemplary flight profile is defined and how this ratio is calculated for each flight phase is determined.

Keywords: Fuel cell, Hybridization, UAV, Energy management system