Elektrikli araçlarda kullanılan faydalı frenleme sisteminin batarya üzerindeki olumsuz etkilerinin azaltılması
Reducing the negative effects of the regenerative braking system used in electric vehicles on the battery
Yazar: MEHMET ŞEN
Danışman: PROF. DR. MUCİZ ÖZCAN ; DOÇ. DR. YASİN RAMAZAN EKER
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Devreler ve Sistemler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik enerji sistemleri = Electrical energy systems ; Elektrik mühendisliği = Electricity engineering ; Elektrikli otomobiller = Electric cars

Özet:
Fosil yakıtların hızla tükenmesi ile artan yakıt fiyatları nedeniyle dünya, çevre dostu olan elektrikli araç (EA) kullanımına yönelmeye başlamıştır. EA'larda enerjinin verimli bir şekilde depolanması ve kullanılması önemlidir. Bu bağlamda EA'larda faydalı frenleme sisteminden elde edilen geri kazanım, enerji verimliliği için önemli rol oynamaktadır. EA'larda faydalı frenleme, kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek bataryayı yeniden şarj eder ve enerji tüketimine fayda sağlar. Ancak bu sistemin batarya ömrü üzerindeki etkisi önemlidir; faydalı frenleme sırasında yüksek şarj C oranları bataryanın bozulmasına neden olur.  Bu tez çalışması, faydalı frenleme sisteminin verimli ve güvenli bir şekilde depolanması için bulanık mantık tabanlı süperkapasitör ve bataryadan oluşan hibrit depolama tekniğini sunmaktadır. Çalışmada öncelikle bulanık mantık kontrolü için EA'da kullanılacak bataryanın kısıtlılıkları belirlenmiştir. Ardından bulanık mantık sistemi oluşturularak ADVISOR ve Siemens Simcenter Flomaster programlarında NEDC sürüş çevriminde testler yapılmıştır. Bataryanın faydalı frenlemeden sürekli şarj olarak ömrünün azalmasını önlemek için öncelikli depolama süperkapasitör olmuştur. Araç ortalama enerji tüketiminden daha fazla enerji harcadığı durumlarda ise süperkapasitörden destek alınarak hem enerji tüketimi azaltılmış hem de süperkapasitör enerjisi boşaltılarak, faydalı frenlemeden gelecek enerji için hazırlık yapılmıştır. Bu sayede faydalı frenleme sırasında bataryaya aktarılan yüksek akım değerleri, süperkapasitör aracılığıyla etkili bir şekilde sınırlandırılmıştır. Hibrit depolama sistemli EA'ta batarya üzerinde oluşan akım değerleri ADVISOR programında %29,1 Simcenter Flomaster programında ise %28,7 oranında azalmıştır. Böylece hibrit depolamalı sistemde batarya %46,84 oranında daha az ısı üretmiştir. Simülasyon testlerinin ardından, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerle hibrit depolamalı sistemin batarya üzerindeki iyileştirici etkileri somut bir şekilde gösterilmiştir. Özellikle faydalı frenleme esnasında hibrit depolamalı sistemin batarya ömrü ve kapasitesine olan olumlu etkilerini daha net gözlemlemek amacıyla, Aspilsan marka 18650 silindirik Li-iyon (NMC) bataryalar üzerinde yaşlandırma testleri yapılmıştır. Bu kapsamda, 25 °C'de 1C oranında 500 çevrim şarj ve deşarj edilerek yapılan testler sonucunda bataryanın kapasitesinde %16,77'lik bir kayıp gözlemlenmiş ve test sonucunda kapasitesi 2402 mAh olarak ölçülmüştür. Ardından, bataryaların sağlık durumunu değerlendirmek için Metrohm Vionic cihazında NEDC sürüş çevrimi modellenerek deney düzeneği oluşturulmuş ve deneyler farklı ortam sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde hem batarya depolamalı hem de hibrit depolamalı sistemler için kapasite ölçümleri yapılmıştır. Sonuçlar, hibrit depolamalı sistemin batarya kapasitesinde %3,09 oranında bir iyileşme sağladığını göstermektedir. Bu iyileşme, EA kullanıcılarının bataryalarını daha kararlı bir performans sergilemesine ve uzun ömürlü olmasına katkıda bulunmaktadır. Ayrıca, batarya sağlığındaki bu iyileşme, düzenli bakım ve servis maliyetlerini de azaltmaktadır. Bu bağlamda hibrit depolamalı sistemin avantajlarını daha net bir şekilde ortaya koymak amacıyla yapılan yaşlandırma testlerinde, hibrit depolamalı sistemin batarya ömrünü 103 çevrim daha uzattığı tespit edilmiştir. Bu, hibrit depolamalı bir EA bataryasının ortalama 30.000 km daha fazla kullanılabilir olduğu anlamına gelmektedir. Sonuç olarak, faydalı frenleme esnasındaki oluşan enerjinin bulanık mantık denetleyicisi ile kontrol edilerek hibrit depolamalı sisteme aktarılması, batarya kapasitesinde ve performansında belirgin iyileşmeler sağlayarak, kullanıcıların batarya ömrünü uzatmakta ve bakım maliyetlerini azaltmakta etkili olmuştur.

Abstract:
Fossil fuels are running out quickly, and the cost of fuel is increasing, so people are starting to switch to more ecologically friendly electric vehicles (EVs). It is important to store and utilize energy efficiently in EVs. In this context, the recovery from the regenerative braking system in EVs plays an important role for energy efficiency. Regenerative braking in EVs recharges the battery by converting kinetic energy into electrical energy and benefits energy consumption. However, the impact of this system on battery life is significant; high charge C-rates during regenerative braking lead to battery degradation.  This thesis presents a fuzzy logic based hybrid storage technique consisting of a supercapacitor and a battery for efficient and safe storage of the regenerative braking system. First, the constraints of the battery to be used in the EV for fuzzy logic control are determined. Then, the fuzzy logic system was created and tested in ADVISOR and Siemens Simcenter Flomaster programs in NEDC driving cycle. The primary storage was supercapacitor to prevent the battery from decreasing its lifetime by continuously charging from useful braking. In cases where the vehicle consumes more energy than the average energy consumption, support from the supercapacitor is used to both reduce energy consumption and prepare for the energy coming from useful braking by discharging the supercapacitor energy. In this way, the high current values transferred to the battery during regenerative braking are effectively limited by the supercapacitor. In the EV with hybrid storage system, the current values on the battery decreased by 29.1% in the ADVISOR program and 28.7% in the Simcenter Flomaster program. Thus, the battery generated 46.84% less heat in the hybrid storage system. Following the simulation tests, experiments were conducted in the laboratory environment to show the improvement effects of the hybrid storage system on the battery in a tangible way. In order to more clearly observe the positive effects of the hybrid storage system on battery life and capacity, especially during regenerative braking, aging tests were performed on Aspilsan brand 18650 cylindrical Li-ion (NMC) batteries. In this context, a 16.77% loss in the capacity of the battery was observed as a result of the tests performed by charging and discharging 500 cycles at 1C at 25 °C and its capacity was measured as 2402 mAh as a result of the test. Then, in order to evaluate the health status of the batteries, an experimental setup was created by modeling the NEDC driving cycle in the Metrohm Vionic device and the experiments were carried out at different ambient temperatures. In these experiments, capacity measurements were performed for both battery storage and hybrid storage systems. The results show that the hybrid storage system provides a 3.09% improvement in battery capacity. This improvement contributes to a more stable performance and longer battery life for EV users. Moreover, this improvement in battery health reduces regular maintenance and service costs. In this context, aging tests conducted to more clearly demonstrate the advantages of the hybrid storage system have shown that the hybrid storage system extends the battery life by 103 cycles. This means that an EV battery with hybrid storage can be used for an average of 30,000 km more. In conclusion, transferring the energy generated during regenerative braking to the hybrid storage system by controlling it with a fuzzy logic controller has been effective in extending the battery life and reducing maintenance costs for users by providing significant improvements in battery capacity and performance.