Yakıt pilli ticari araçların modellenmesi ve verimliliğinin incelenmesi
Modeling and analysis of the efficiency of fuel cell commercial vehicles
Yazar: ÖMER FARUK AKYÜNCİ
Danışman: PROF. DR. ÖZDEN AĞRA ; DOÇ. DR. ALP TEKİN ERGENÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gümüzde Otomotiv üreticilieri, 2019 Filo Ortalamasına göre \%30 CO2 azaltımını zorunlu kılan Avrupa Birliği emisyon düzenlemelerini karşılamanın olası yöntemlerine odaklanıyor. Emisyon düzenlemelerinin dönemsel olarak sıkılaştığı biliniyor. Ancak yalnızca emisyon mevzuatına dayalı önlemler, yeryüzünün yeşil gazlardan önemli ölçüde arındırılması için yeterli değildir. Daha fazla önlem dikkate alınmalıdır. Otomotiv üreticileri ciddi cezaları kabul etmek yerine, konvansiyonel dizel motor uygulamasında iyileştirmeler, hidrojen içten yanmalı motorlar, bataryalı elektrikli araçlar veya yakıt hücreli araç uygulamaları gibi farklı teknolojik paketleri içeren planlar oluşturuyor. Yakıt hücreleri sessiz çalışmaları, temiz olmaları ve karbonsuz uygulamaları nedeniyle ev, iş yeri, enerji depolama alanları, otomotiv endüstrisi gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Yakıt hücreli araç seçeneği, hem CO2 emisyonlarını büyük ölçüde düşürme hem de uzun süreli kullanım için tüketici ihtiyaçlarını (menzil, performans vb.) karşılama açısından en mantıklı seçenekler arasında yer almaktadır. Bu çalışma, bileşen seçimi ve kontrol mantığı geliştirmeyi temel alan menzili arttırılmış bir otobüs uygulamasına dayalı çalışmaları içermektedir. Araç modeli, yakıt hücresi modeli, güç aktarma sistemi modeli, termal model ve kontrol algoritması gibi farklı bileşenlerden oluşan entegre bir araç modeli ile bir boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Tek boyutlu modeller, yakıt hücresi sistemleri ve bileşenlerinin analizi ve optimizasyonu için ideal platformlardır ve hızlı ve güvenilir bileşen boyutlandırma ve seçimine yardımcı olur. Ayrıca bu çalışmada yakıt hücreli araç sanal ürün geliştirme sürecinin metodolojik adımları incelenmektedir. İlk olarak, polarizasyon eğrisinin tedarikçi verileriyle korelasyonu yapılarak yakıt hücresi yığınına ait bir sistem modeli geliştirildi. Daha sonra araç bazlı veriler toplanıp modele uygulanarak araç sistem modeli geliştirildi ve daha önce geliştirilen alt sistem modelleri ile uyumlu çalışan entegre bir model oluşturulduktan sonra; kontrol algoritması geliştirme çalışmaları başlatıldı. Bu analizlerde, yol takibi, tırmanma performansı ve uzun mesafeli otobüs uygulaması için enerji kullanımı dahil olmak üzere birçok önemli faktör incelenmektedir.  Geliştirilen metodoloji sadece otobüslerle sınırlı olmayıp aynı zamanda tüm yakıt hücreli araç çeşitlerine de uygulanabilmektedir. Bu sayede yakıt pilli araçlara geçiş hızlandırılarak CO2 azaltımına katkı sağlanabilir.

Abstract:
Today Automotive OEMs are focusing on the possible methods of fulfilling the European Union emission regulations which dictate 30\% CO2 reduction with respect to 2019 Fleet Average. It is known that the emission regulations are getting stricter periodically. However only emission legislation-based measures are not enough to make earth significantly purified from the green gases. Further precautions must be taken into consideration OEMs create cycle plans that incorporate several technical packages, such as advancements in conventional diesel engines, battery electric vehicles, hydrogen internal combustion engines, and fuel cell application, instead of accepting the substantial penalty. Fuel cells are used in many areas such as homes, workplaces, energy storage areas, automotive industry due to their silent operation, cleanliness, and carbon-free application. In contrast, the fuel cell application option is among the most sensible for both greatly lowering CO2 emissions and meeting consumer needs (range, performance, etc.) for long-term use. This study presents research of an extended-range coach based on component selection and control logic development. An integrated vehicle model, which consists of distinct components such a vehicle model, fuel cell model, powertrain model, thermal model and control algorithm, is used to do one-dimensional studies. One-dimensional models are the ideal platforms for the analysis and optimization of fuel cell systems and their components, assisting in fast and reliable component sizing and selection. In this study, the methodological steps of fuel cell vehicle virtual product development process are examined. Firstly, a system model of the fuel cell stack is developed via making a correlation of polarization curve to supplier data. Then, the vehicle system model is developed by gathering and implementing the vehicle-based data into the model. After generating an integrated model which operates in a harmony of the previously developed subsystem models; the control algorithm development studies are initiated. Several important factors, including derate performance, gradability performance, and energy usage for a long-distance coach application, are investigated in these assessments. The developed methodology is not only limited with the coaches but also applicable to any fuel cell vehicle variants. In this way, the transition to fuel cell vehicles can be accelerated and contribute to CO2 reduction.