Hibrit enerji yönetim sistemi algoritmalarının paralel hibrit araçlarda analizi ve dinamometre testleriyle doğrulanması
Analysis of hybrid energy management system algorithms in parallel hybrid vehicles and verification with dynamometer tests
Yazar: BAYRAMCAN İNCE
Danışman: DOÇ. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Sunulan tez kapsamında, Ankara içinde yolcu taşımacılığında görev yapan belediye otobüsleri üzerinden yoğun veri toplama ve simülasyon faaliyetlerini içeren analizlerin sonuçlarına dayanarak, belediyelerin ve Ulaştırma Bakanlığı'nın gelecekte içten yanmalı motora sahip taşıtlar yerine elektrikli ve/veya hibrit taşıtların kullanması halinde, sağlanabilecek yakıt tasarrufunun analizine yönelik bir araştırma yapılmıştır. Başka bir deyişle, mevcut taşıtların ya elektrikli araca ya da hibrit araca dönüşümü yapılarak ve bunların enerji yönetim algoritmalarını (çalışma esnasında elde edilme yöntemi çözümlenen sürüş çevrimlerine göre) optimize etmek suretiyle, teorik olarak, ne kadar yakıt tasarrufu yapılabileceği hesaplanmıştır. Çalışma esnasında, özgün bir yöntemle, araç takip sistemi verileri kullanılarak ülkemizin farklı şehirleri için geçerli sürüş çevrimlerinin (driving cycle) belirlenmesinde kullanılabilecek  yöntemler geliştirilmiş ve sonrasında bu yöntemler hibritleştirme analizinde kullanılmıştır.
Üstteki amaçlar doğrultusunda, bahsi geçen taşıtların güç dizini ve taşıt dinamiği modelleri sanal ortamda kurulmuştur. Elektrik-hibrit taşıtların enerji yönetim sistemlerinin algoritmaları literatürden araştırılmış ve  özellikle Eşdeğer Enerji Minimizasyon Yöntemi (EEMY) daha basit olan kural tabanlı yöntemlere göre ne miktarda fayda sağlayacağı konusunda analizler yürütülmüştür. Özellikle EEMY'nin gerçek zamanlı sürüş çevrimine göre güncellenmesi tabanlı özgün bir yöntem geliştirilmiştir.  Bu yöntem kullanılarak % 50'ye varan yakıt tüketimi tasarrufu yapmanın mümkün olduğu tespit edilmiştir. Yöntem kapsamında, araç takip sistemlerinin kullanımı ile enerji yönetim sistemi parametrelerinin trafik yoğunluk bilgisine göre uyarlanması sağlanmıştır. Başka bir deyişle, sanal ortamda,  trafiğe yeni katılan bir aracın, teorik olarak bulunduğu yol segmenti için hız zaman grafiğinin ne şekilde olacağı, yakın geçmişte bu yol segmentinde seyahat etmiş araçların araç takip sistemi verileri kullanılarak enerji sarfiyatı en aza indirilmiştir. Dolayısıyla, sürüş çevrimleri kullanılarak elde edilmiş algoritmaların kalibrasyonunu araç rotası için yapılmıştır.
Çalışmanın son aşamasında üç tekerlekli, ön tekerlekleri elektrikli jant motorlu, arka tekerleği içten yanmalı motor tahrikli, paralel hibrit mimariye sahip bir taşıt üretilmiştir. Bu taşıtın taşıt kontrol bilgisayarına tezin teorik aşamaları esnasında tasarlanan hibrit enerji yönetim algoritmaları kodlanmıştır. Hacettepe kampüsünde hız-zaman verileri toplanmıştır. Elde edilen verilerden basitleştirilmiş bir sürüş çevrimi türetilmiştir. Kontrollü deneylerin yapılabilmesi adına Hacettepe Üniversitesi Otomotiv Laboratuvarında bulunan dinamometre deney düzeneği üzerinde özgün bir test prosedürü geliştirilmiştir. Test esnasında içten yanmalı motorun ve elektrikli jant motorlarının (sökülüp paralel bir araca monte edilerek) dinamometre tamburlarının eş zamanlı olarak tahrik etmesi mümkün kılınmıştır. Deneysel sonuçlar, tezin teorik aşamalarında da gösterildiği gibi, hibrit taşıtların kullanılması halinde, EEMY'nin, diğer yöntemlere göre, çok daha fazla yakıt tasarrufu sağlayabildiğini göstermektedir. Hem teorik hem de pratik sonuçlar sürüş çevrimi hakkında bilgi sahibi olunduğunda (ki bu şehir için yolcu taşımacılığında kullanılan taşıtlar için son derece geçerlidir), üstte bahsi geçen hibrit enerji yönetim algoritmasının yakıt tüketimini azaltmada büyük potansiyeli olduğunu kanıtlamaktadır.

Abstract:
Within the scope of this thesis, based on results based on intensive data collection and simulation activities related to municipal buses serving the city of Ankara, a research study about the analysis of potential fuel savings, that could be provided if municipalities and the Ministry of Transport used electric and/or hybrid vehicles instead of vehicles with internal combustion engines, has been carried out. In other words, the amount of fuel savings has theoretically been calculated by transforming the existing vehicles to either electric or hybrid vehicles and by optimizing their energy management algorithms (according to the driving cycles obtained during the thesis). Original methods were developed to determine driving cycles for the different cities of our country and were used in the subsequent hybridization analyses.For the above mentioned purposes, powertrain and vehicle dynamics models of aforementioned vehicles were established in the virtual environment. The algorithms of the energy management systems of the electric/hybrid vehicles have been investigated from the 
literature and analyses have been carried out to determine the benefits of advanced methods such as the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) based methods compared to simpler rule based methods. In particular, an original method based on adaptive- ECMS, which consists in scheduling control parameters according to the  real–time driving cycle has been developed. By using this method, it was found that fuel consumption savings up to 50% fuel consumption were possible. Within the scope of the method, the parameters of the energy management system were adapted to the traffic density information provided by the vehicle tracking system. In other words, in the virtual environment, the speed time graph for the road segment where the ego vehicle is about to travel is predicted theoretically, using the vehicle tracking system data of vehicles that travelled on the same road segment in the recent past. Thereby, the calibration of the hybrid energy system algorithms is made possible by using driving cycles calculated for the road segment under interest.
In the final stage of the thesis, a three–wheeled parallel hybrid vehicle with electric hub motors at the front wheels and an internal combustion engine driven rear wheel has been constructed. The hybrid energy management system algorithms  designed during the theoretical stages of the thesis, have been coded to the vehicle control computer of this vehicle. Speed – time data have been collected in the Hacettepe University campus and a simplified driving cycle has been obtained according to the data. In order to carry out controlled experiments, a unique test procedure has been developed on the dynamometer test setup in the Hacettepe University Automotive Laboratory. During the tests, internal combustion engine and electric hub motors (which were disassembled and mounted to a separate vehicle chassis) were made to drive dynamometer drums simultaneously. Experimental results show that ECMS can provide much more fuel savings than other methods as also shown in the theoretical stages of the thesis. Both the theoretical and practical results prove that the hybrid energy management algorithm mentioned above has a great potential in reducing fuel consumption, when the driving cycle is more or less known, which is quite valid for vehicles used in urban passanger transportation that generally have fixed routes.