Fotovoltaik-yakıt hücreli bir hibrit elektrikli aracın modellenmesi ve simülasyonu
Modelling and simulation of a photovoltaic-fuel cell hybrid vehicle
Yazar: EYYÜP TAŞKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN ÜLKER
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Azalan fosil kaynaklara karşın artan talep, çevre kirliliği ve iklim değişimi gibi sebepler büyük bir sorun teşkil etmekte ve bu duruma karşın önlem alınması gerekmektedir. Araştırmacılar yenilenebilir enerji kaynaklarını ulaşımda daha fazla kullanarak bu problemleri çözmek için çeşitli çalışmalar yapmaktadırlar. Elektrikli ve hibrit elektrikli araçların (HEA) kullanımı ve geliştirilmesi bu konuda önemli bir alternatiftir. HEA'lar birden fazla kaynak ile enerji ihtiyacının karşılanabildiği araçlardır. Bu araçların enerji ihtiyacının karşılanabilmesi için yenilenebilir kaynaklardan güneş enerjisi ve hidrojen enerjisi en uygun kaynaklardandır. Yakıt hücreleri (FC); hidrojen enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen komponentlerdir. Yakıt hücreli enerji üretim sistemleri; yüksek verimlilikleri, geleneksel yakıtlara daha az bağımlılığı, iyileştirilmiş yakıt ekonomisi ve düşük emisyon sebebiyle çevreci olması sebebiyle geleneksel içten yanmalı motorlara karşı uygun bir alternatiftir. Özellikle proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC); yüksek güç yoğunluğu ve düşük çalışma sıcaklığı gibi avantajlarıyla dikkat çekmektedir. Güneşten gelen radyasyon enerjisini elektrik enerjisine çevirebilen fotovoltaik (FV) panellerde çevreci bir enerji kaynağıdır. Günümüzde bu alanda çeşitli çalışmalar yapılsa da FV paneller şürüş için yeterli enerjiyi tek başına sağlayamadığından uzun sürüş koşullarında tek enerji kaynağı olarak kullanılması uygun değildir. Bu sebeple sürüş menzilinin ve enerji verimliliğinin arttırılması için yakıt hücresi ile birlikte kullanılabilir. Yakıt hücresi ile çalışan HEA'larda, uzun sürüş koşullarında gereken enerjinin sağlanabilmesi ve fazla enerjinin depolanabilmesi için batarya da kullanılmaktadır. Ancak birden fazla kaynağın kullanılması durumunda aracın verimli çalışabilmesi için enerji yönetimi ve optimizasyonu gerekmektedir. Bu sebeple enerji veriminin arttırılması için HEA'lar üzerine daha fazla çalışma yapılmalıdır. Bu tez çalışmasında, enerji kaynağı olarak PEMFC, FV panel ve batarya kullanan bir hibrit elektrikli araç modellenmiştir. Araçta tahrik sağlanabilmesi için kalıcı mıknatıslı senkron motor (KMSM) kullanılmıştır. Araç Matlab Simulink yazılımı ile modellenmiştir. Modellenen HEA'da kullanılan komponentlerin daha verimli çalışabilmesi amacıyla Oransal-İntegral (PI) kontrolcüler tasarlanmıştır. Birincisi sürücü modelinde çevrim hızının takip edilebilmesi için, diğeri KMSM modelinde hız takibi için ve sonuncusu ise yakıt hücresi için kullanılan doğru akım-doğru akım (DA-DA) yükselticide akım kontrolü için PI kontrolcüler tasarlanmıştır. HEA, karayolu yakıt ekonomisi testi (HWFET) sürüş çevriminde simule edilmiş ve çevrim hızının takip edilmesi amaçlanmıştır. HEA için gerekli enerjinin kesintisiz sağlanması, pil ömrünün iyileştirilmesi ve sürüş menzilinin arttırılması için enerji yönetimi geliştirilmiştir. Böylece farklı koşullarda araç komponentlerinin nasıl çalışacağı test edilmiş ve sonuçlar incelenmiştir.

Abstract:
Reasons such as increasing demand, environmental pollution and climate change despite decreasing fossil resources constitute a major problem and precautions should be taken against this situation. Researchers have been doing various studies to solve these problems by using renewable energy sources more in transportation. The use and development of electric and hybrid electric vehicles (HEVs) is an important alternative in this regard. HEAs are vehicles where energy needs can be met with more than one source. In order to meet the energy needs of these vehicles, solar energy and hydrogen energy from renewable sources are the most suitable sources. Fuel cells (FCs) are the components that can convert hydrogen energy into electrical energy. FC power generation systems are one of the appropriate alternative to conventional internal combustion engines due to its high efficiency, less dependence on conventional fuels, improved fuel economy and environmental friendliness due to low emissions. Especially proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) draw attention with their advantages such as high power density and low operating temperature. Photovoltaic (PV) panel, which can convert the radiation energy from the sun into electrical energy, is an environmentally friendly energy source. Nowadays, although various studies have been carried out in this field, PV panels are not appropriate for use as the sole energy source in long driving conditions, since they cannot provide enough energy for driving alone. Hence, they can be used with an FC to increase driving range and energy efficiency. In FC powered HEVs, batteries are also used in order to provide the required energy in long driving conditions and to store the excess energy. However, in case of using more than one source, energy management and optimization are required for the vehicle to work efficiently. Therefore, more studies should be made on HEVs to increase energy efficiency. In this thesis, an HEV having PEMFC and PV panel as energy sources along with a Li-ion battery package are modeled. Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is used to provide propulsion to the HEV. The whole HEV is modeled in Matlab Simulink software. The several Proportional-Integral (PI) controllers have been designed so that the components used in the HEV can work more efficiently. One of them is designed for tracking the cycle speed in the driver model, another one for speed tracking in the PMSM model, and the last one for current control in the direct current-direct current (DC-DC) amplifier used for the fuel cell. The whole HEV model is simulated in the highway fuel economy test (HWFET) driving cycle and the cycle speed is intended to be followed. An energy management algorithm has been developed to provide uninterrupted energy for HEV, improve battery life and increase driving range. Thus, how the vehicle components will work in different conditions has been tested and the results have been examined.