Ağır ticari araçların alternatör ve batarya yönetim sisteminin matematiksel modellenmesi ve enerji verimliliğine katkılar
Mathematical modeling of alternator and battery management system of heavy commercial vehicles and contributions to energy efficiency
Yazar: TEOMAN AKDOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen otomotiv sektörü ile beraber araçlarda kullanılan elektrikli bileşenlerin sayısı artarken araçlardan talep edilen enerji miktarı da artmaktadır. Gittikçe artan sıkı emisyon kuralları ve yakıt tüketimi yönetmelikleri, güvenli, temiz ve yüksek verimli  kara taşımacılığın geliştirilmesine olan ilgiyi teşvik etmektedir.
Otomotiv sektöründe üretilen yeni araçların, verimliliği arttırılarak hem yakıt ekonomisine katkı sağlanılmaktadır, hem de CO2 salınımı azaltarak doğaya olan etkileri azaltılmaktadır. Artan güç ve enerji talebi ile beraber araçların elektriksel sistemlerinde yapılacak olan iyileştirmeler önem kazanmıştır. Araç şarj sisteminin etkili kullanılması durumunda elektrik enerjisinden kazanç sağlanılacağı gibi yakıt ekonomisinde de bir kazanç sağlamak mümkündür.
Bu çalışma kapsamında ağır ticari araçların şarj sisteminde enerji tasarrufu sağlamak amacı ile alternatör, akü yük ve akıllı şarj algoritmasının matematiksel modelleri geliştirilmiş olup, benzetim çalışması yapılarak, önerilen yeni modeller ile geleneksel şarj sistemlerinin karşılaştırılması yapılmış, elde edilen performans değerleri karşılaştırılmalı olarak sunulmuştur.
Günümüzde kullanılan içten yanmalı motorlu araçların elektriksel mimarisi incelendiğinde, araçların elektriksel sistemi alternatör, marş motoru, şarj ve batarya yönetim sistemleri üzerine kurulmuştur. Gelişen teknolojiler ile araçlardaki elektronik parçaların artmasıyla araçtaki güç ve enerji ihtiyacını arttırmıştır. Araçlarda kullanılan elektronik kontrol üniteleri, elektrik motorları, aydınlatma sistemleri, ısıtıcılar, valfler, sensörler ve benzeri elektriksel yüklerin ihtiyacını alternatör ve batarya sistemleri karşılamaktadır.
Bu çalışma kapsamında alternatör, akü, yük ve akıllı şarj algoritmasının matematiksel modelleri geliştirilmiş ve benzetim çalışması yapılmıştır. Daha sonra tüm bu modeller birleştirilmiş ve araç şarj sisteminin benzetimi yapılmıştır.
Alternatör içten yanmalı motor tarafından tahrik edilir ve içten yanmalı motor çalıştığında enerji üretmeye başlar ve bir kayış yardımıyla dönerek içten yanmalı motordan güç talep eder. Alternatör içten yanmalı motordan ne kadar az güç talep ederse içten yanmalı motorun da ürettiği güç bu oranda azalır, yakıt ekonomisine katkı sağlar, CO2 emisyonu azalır ve dolayısıyla doğaya olan zararı azalır. Alternatör özel bir tasarıma sahip senkron generatördür ve rotoru senkron generatörden farklı olarak pençe şeklinde tasarlanmıştır. Alternatör uyarma akımını ilk olarak aküden alır ve daha sonra üzerinde bulunan köprü diyotlar yardımıyla hem kendisini besler, hem de doğru gerilim üretir. Alternatör rotoru her ne kadar senkron generatörden farklı olsa da benzer şekilde pençe rotorda fırça ve bilezik yapısı bulunur. 
Senkron makinalardan farklı olarak alternatörün pençe tipi rotoru, yüksek hızlarda çalışmaya elverişli olarak tasarlanmıştır. Alternatörün pençe tipi rotoru ağır ticari araçlarda 2200-12000 devir/dk aralığındaki hızlarda dönebildiğinden yüksek hızlarda oluşan merkez kaç kuvvetine dayanıklıdır. Çıkık kutuplu veya yuvarlak rotorlu senkron generatörlere kıyasla rotor çapları daha küçüktür ve araçlarda dar alandaki paketleme sıkıntılarından dolayı avantaj yaratır. Ayrıca bu makinalara kıyasla daha fazla güç üretirler. Alternatör yüksek hızlarda çıkık kutuplu senkron makinalara göre daha az ısınır. Çıkık kutuplu senkron generatörler yüksek hızlarda girdap akımı kayıplarından ötürü güçlerinin bir kısmı ısıya dönüşür. Bu nedenle araçlarda alternatör kullanılmaktadır.
Araç şarj sisteminin bir diğer kritik parçası da bataryalardır. İçten yanmalı motorlu araçlarda kullanılan bataryalar kurşun asit bataryalardır. Kurşun asit bataryanın avantajları yüksek akım kapasiteli, hızlı şarj olabilen, yüksek adetlerde kolay ve ucuza üretilebilmesidir. Bunun yanında kg başına verdiği enerji düşük olduğundan dolayı ağırdır. Kurşun asit akülerin kullanılmasının en önemli nedeni hızlı şarj olması, marş anında yüksek akım kapasitesi sağlaması ve anlık yüksek güçleri karşılamasıdır. Bunun yanında bakımı kolaydır. 
Ağır ticari araçlarda kullanılan marş motorlarının nominal gerilimi 24 V DA iken binek araçlarda kullanılan marş motorlarının nominal çalışma gerilimi 12 V DA'dır. Ağır ticari araçların bu nedenle tüm elektriksel sistemleri 24 V DA üzerine kurulmuştur ve elektriksel mimarisindeki parçalar 24 V DA nominal geriliminde çalışmaktadır. Bu nedenle ağır ticari araçlarda iki adet birbirine seri bağlanmış 12 V DA batarya bulunur. Ağır ticari araçlar kullanılan bataryaların kapasitesi çoğunlukla 225 Ah'tir. Bu yüzden benzetim çalışmalarında bu değer kullanılmıştır.
Bataryaların eş değer devresi incelendiğinde şarj ve deşarj karakteristiklerinin farklı olduğu ortaya çıkmıştır. Bataryalar doldukça iç direncini arttırmaktadır ve şarj akımını kısmaktadırlar. Sıcaklık arttıkça da bataryalar şarj akım kapasitesini arttırmaktadır. Hava soğudukça da tam tersi davranış göstererek iç direncini arttırmakta ve şarj akımını kısıtlamaktadır. Bataryaların kapasitesine bağlı olan paralel iç direnci bataryaların boşalmasına neden olmaktadır. 
Bu çalışma kapsamında alternatörün modelini oluşturmak için 1 adet ağır ticari araçtan alınan alternatör parçalarına ayrılmış ve üzerine alınan ölçümler sonucu çıkan değerler matematiksel modelde kullanılmıştır. Matematiksel modelden çıkan veriler, araçtan alınan veriler ile karşılaştırılmış ve bir fark olmadığı gözlemlenerek güvenirliği doğrulanmıştır.
Bataryanın matematiksel modeli matlab/simulink'te oluşturulmuştur. Oluşturulan model sayesinde bataryaların doluluk oranı hesaplanmıştır. Bataryalar ile ilgili en önemli parametre ADO(akü doluluk oranı)'dır. ADO bilinmesi durumunda akıllı şarj algoritmaları ile araçların şarj sistemleri verimli bir şekilde geliştirilebilir. Burdan elde edilen veri akıllı şarj algoritmasında bir girdi olarak kullanılmıştır. Oluşturulan modelin sıcaklıkla olan değişimi incelenmiş ve sıcaklıkla olan değişiminin beklenildiği gibi olduğu ortaya konulmuş ve güvenirliği doğrulanmıştır.
Araçtaki yükler belirlenmiş ve araçtaki yüklerin kullanım sıklığı bir eş zamanlılık katsayısı ile belirlenerek aracın ortalama yük ihityacı belirlenmiştir. Burda elde edilen veriler benzetim çalışmasında kullanılmıştır. Ayrıca araçta bulunan içten yanmalı motorun en fazla kullanıldığı aralık 1100-1500 dev/dk'da değişen hızlarda bir sürüş senaryosu oluşturulmuş, bu senaryoya göre motor devri modellenmiş, artan azalan ve sabit devir aralıklarında motor devrinin benzetimi yapılmıştır.Tüm şarj senaryoları için aynı sürüş senaryosu kullanılmıştır.
Geleneksel şarj yönteminin yanısıra enerji verimini arttırmak için iki adet şarj algoritması geliştirilmiştir. ADO bir girdi olarak bu modelde kullanılmıştır. Akıllı şarj algoritması 1 ve 2'de ADO 65%'den sonra sistem gerilimini 28.5 V DA'dan 28 V DA'a çekerken motor devrinin negatif olduğu noktalarda tekrardan 28.5 V DA'a çekmiştir. ADO 75% ile 92% arasındayken akıllı şarj algoritması 1 aküleri 5 A sabit akımla şarj etmiş ve akıllı şarj algoritması 2 de 8 A ile sistemi şarj etmiştir. Bu aralıkta motorun negatif ivmelendiği noktalarda sistem gerilimi 28.5 V DA'da tam şarja çekilmiştir. ADO 92%'yi geçtikten sonra ise sadece yükleri karşılayacak şekilde alternatörden devrede tutulmuştur. Şarj algoritması kapsamında oransal ve integral değerleri, PI değerleri, iteratif olarak belirlenmiş ve benzetimde kullanılmıştır.
Geleneksel şarj sistemlerinde ise sabit gerilimde araçlar sürekli olarak şarj edildiğinden alternatör üzerinde bir kontrol mekanizması bulunmamaktadır. Alternatör 28.5 V DA sabit gerilimde araç sistemini şarj etmektedir. Bu durumun aküleri fazla şarja götürdüğü ve akü ömrünün azalmasına neden olduğu bilinmektedir.
Aynı sürüş ve sıcaklık senaryosunda akıllı şarj sistemi 1'in bataryaları hem geleneksel şarj sistemine göre, hemde akıllı şarj sistemi 2'ye göre daha verimli doldurduğu ortaya çıkmıştır. Geleneksel şarj sistemine göre elde edilen kazanç 6,48%'dir. Akıllı şarj sistemi 2 ile geleneksel şarj sistemi karşılaştırıldığında bu verim 5,02%'dir.Motorun negatif ivmelendiği noktalarda aküye aktarılan enerjiler kıyaslandığında ise akıllı şarj sistemi 1, geleneksel şarj sistemine göre 102,93% daha fazla enerjiyi aküye depolamıştır. Akıllı şarj sistemi 2 ile geleneksel şarj sistemi karşılaştırıldığında ise bu oran 81,16%'dır. Sonuç olarak şarj akımı azaldıkça verimliliğin arttığı ortaya çıkmıştır.
Aynı sürüş, sıcaklık senaryosu ve aynı şarj süresi boyunca karşılaştırma yapıldığı zaman akıllı şarj sistemi 1 ve akıllı şarj sistemi 2, geleneksel şarj sisteminden daha verimli olduğu ortaya çıkmıştır. Akıllı şarj sistemleriyle alternatör aynı süre içinde daha az enerji üretmiş ve yakıt ekonomisine katkı sağlamıştır. Yapılan çalışmada akıllı şarj sistemi 1'in geleneksel şarj sistemine göre alternatörden talep ettiği enerji 18,98% daha azdır. Bu kazanç 3146,39 Wh'tir. Benzer şekillde akıllı şarj sistemi 2 ile geleneksel şarj sistemi kıyaslandığında alternatörden talep edilen enerji 14,43% daha azdır. Burdaki kazanç 1932,65 Wh'tir. 
Aynı şarj süresinde motorun negatif ivmelendiği noktalarda elde edilen kazançlar kıyaslandığında ise akıllı şarj sistemi 1, geleneksel şarj sistemine göre %15,11 daha fazla enerji üreterek yakıt ekonomisine katkı sağlamıştır. Bu değer 419,73 Wh'tir. Benzer şekilde akıllı şarj sistemi 2 ile geleneksel şarj sistemi motorun negatif ivmelendiği noktada kıyaslandığında ise akıllı şarj sistemi 2 , 14,89% daha fazla enerji üretmiştir. Bu noktadaki kazanç 334,22 Wh'tir.
Belirlenen sürüş senaryosu dahilinde akıllı şarj algoritması 1, akıllı şarj algoritması 2'den ve geleneksel şarj sisteminden hem elektriksel olarak, hem de yakıt ekonomisi olarak daha fazla katkı sağladığı sonucuna ulaşılmıştır.
Sonuç olarak geliştirilen akıllı şarj algoritması yardımıyla ağır ticari araçlar için alternatör ve batarya yönetim sisteminin matematiksel modeli kullanılarak enerji verimliliğine katkı sağlanmıştır.

Abstract:
With the developing automotive industry, the number of electrical components used in the vehicles increases, and the amount of energy requested by the vehicles is growing too. New strict regulations and fuel consumption rules encourage interest in the development of safe, clean and high efficient land transportation.
By improving the efficiency of new vehicles produced in the automotive sector, fuel economy is contributed to both by reducing CO2 emissions and reducing the impact on the environment. With the increasing power and energy demand, the improvements in the electrical charging systems of the vehicles have gained importance. In case of effective use of the car charging system, it is possible to have a gain not only in electrical energy and but also in the fuel economy.
In the scope of this study, mathematical models are created in order to save energy in the charging system of heavy commercial vehicles. Simulation studies are carried out and new proposed models are compared with conventional charging systems and performance values are compared. Mathematical models of alternator, battery, loads and smart charge algorithm have been developed and simulated. All these models are then combined and simulated to analyze heavy commercial vehicle electrical charge system.
When the electrical architecture of the internal combustion engine vehicles is examined, the electrical system of the vehicles is built on alternator, starter, charging and battery management systems. With the increasing technologies and the increase of electronic components in the vehicles, the need for power and energy has increased. Electronic control units used in vehicles, electric motors, lighting systems, heaters, valves, sensors and similar electrical loads are feeded by alternators and battery systems.
The alternator is driven by the internal combustion engine and starts producing energy while the internal combustion engine is running. In vehicles the alternator is driven by a belt and requires power from the internal combustion engine. The less power the alternator requires from the internal combustion engine, the less the power the internal combustion engine produces, contributing to fuel economy, reducing CO2 emissions and therefore reducing the impact to the environment. The alternator is a special designed synchronous generator having claw type rotor. The alternator first receives the excitation current from the battery and then feeds itself through the bridge rectifier diodes on it and generates DC voltage. Although the alternator rotor is different from the synchronous generator, the claw pole rotor has a similar brush and bracelet structure.
Unlike synchronous machines, the alternator's claw type rotor is designed to operate at high speeds. Since the claw type rotor of the alternator is able to rotate at speeds between 2200-12000 rpm in heavy commercial vehicles, it is resistant to the centrifugal forces at high speeds. Rotor diameters are smaller compared to synchronous generators with salient or non salient type rotors, and are advantageous in packaging due to narrow spaces. They also produce more power compared to these machines. The alternator is less heated at high speeds than the non salient pole synchronous machines. Non sailent pole synchronous generators are transformed into heat due to fuko losses at high speeds. Therefore, alternator is preferred.
Batteries are another critical part of the car charging system. Batteries used in internal combustion engines are lead acid batteries. The advantages of the lead acid battery are high current capacity, fast charge, high quantity and easy to produce. In addition, the energy per kg is small and that's why lead acid batteries are heavy.The most important reason for the use of lead acid batteries is fast charging, high current capacity at start-up, and instantaneous high power. Easy to maintain.
The rated voltage of the starter motors used in heavy commercial vehicles is 24 V DC and the rated operating voltage of the starter motors used in passenger cars is 12 V DC. For this reason, all electrical systems of heavy commercial vehicles are built on 24 V DC and the components in electrical architecture operate at a nominal voltage of 24 V DC. Therefore, heavy commercial vehicles have two 12 V DC batteries connected in series. Generally the capacity of the batteries used in heavy commercial vehicles is 225 Ah. That's why this value is used in simulation studies.
When the equivalent circuit of the batteries is examined, it is revealed that the charge and discharge characteristics are different. As the batteries are charged, they increase the internal resistance and reduce the charging current. As the temperature increases, the batteries increase the charging current capacity. In cold temperatures, it acts in the opposite way, increases its internal resistance and limits the charge current. The parallel internal resistance inside the battery reduces the capacity.
In order to build the model of the alternator, one fo the HC vehicle alternator is disassembled into pieces to get measurements and the values obtained are used in mathematical model. The data from the mathematical model are compared with the data obtained from vehicle and it is observed that there is no difference and the accuracy of the model is verified.
The mathematical model of the battery is created in matlab / simulink. With the help of the model, charge rate of the batteries are calculated. The most important parameter for batteries is SoC(State of charge). In the known case of SoC, intelligent charging algorithms can be developed and the charging systems of the vehicles can be efficiently modeled. The data obtained here is used in the intelligent charging algorithm. The change in temperature of the model is investigated and it is revealed that the change in temperature is as expected.
The loads in the vehicle are determined and the frequency of load usage in the vehicle is determined by a coefficient of simultaneity and the average load requirement of the vehicle is determined. The data obtained here are used in the simulation study. In addition, a driving scenario is defined and according to this driving scenario, the engine speed is modeled at speeds ranging from 1100 to 1500 rpm and the engine speed is simulated at steady, increased and decreased speed ranges for a specified driving condition. The defined driving scenario is used in all charging systems.
In addition to conventional charging system, two more charging algorithms have been developed to increase energy efficiency. SoC is used as an input in this model. In smart charging algorithms 1 and 2, after 65% SoC, smart charging algorithms have been reduced the system voltage set point from 28.5 V DC to 28 V DC. While engine has a negative decceleration after 65% SoC, intelligent charging algorithms takes alternator voltage set point to 28.5 V DC again to gain and save energy from internal combustion engine inertia. While the SoC is between 75% and 92%, smart charging algorithm 1, charges the batteries with 5 A constant current and smart charging algorithm 2 charges with 8 A constant current. When internal combustion engine rpm is deccelerating, then both algorithms takes voltage set point to 28.5 V DC to gain energy. For simulation models, Proportional and integral values are calculated iteratively and calculated values are used in simulation.
In conventional charging systems, there is no control mechanism on the alternator since the vehicles are continuously charged at constant voltage. The alternator charges the vehicle system at a constant voltage of 28.5 V DC. It has been known that this leads to overcharging of batteries and decreasing the battery life.
In the same driving and weather temperature conditions, the conventional charging system and the new proposed smart charging systems 1 and 2 are compared to perform their performance. Smart charging system 1 has been found to charge the batteries more efficiently than the conventional charging system and smart charging system 2. The gain obtained by the smart charging 1 when compared to conventional charging system is 6,48%. When compared to the conventional charging system with the smart charging system 2, this efficiency is 5.02%. In comparison with the energies transferred to the battery at the negative acceleration of engine, the smart charging system 1 has 102.93% more energy stored in the battery than the conventional charging system. When the smart charging system 2 is compared with the conventional, this ratio is 81.16%. As a result, as the charge current decreases, the efficiency increases.
According to same driving and weather conditions and also during the same charging period, the smart charging system 1 and the smart charging system 2 become more efficient than the conventional charging system. In the study, the smart charge system 1 demanded 18,98% less energy than the conventional charging system. This gain is 3146,39 Wh. Similarly, when the conventional charging system is compared with the smart charging system 2, the energy demanded by the alternator is 14.43% less. The gain here is 1932,65 Wh.
In the same driving and weather temperature conditions and during the same charging period, when compared to the gains obtained at the points where the motor is decelerated, the smart charging system 1 contributed to the fuel economy by producing 15.11% more energy than the conventional charging system. The calculated value is 419,73 Wh. Similarly, when the conventional charging system with the smart charging system 2 compared to the negative acceleration of the motor, the smart charging system 2 produced 14.89% more energy. The gain at this point is 334,22 Wh.
It has been concluded that the intelligent charging algorithm 1, from the smart charging algorithm 2 and from the conventional charging system, contributes more both electrically and as fuel economy.
As a result, the intelligent charging algorithm used in mathematical model of alternator and battery management system, contributed to electrical energy efficiency and reduced the total amount of energy which is produced by an alternator to save fuel consumption.