İki elektrik motoru ve hibrit enerji depolama sistemine sahip elektrikli araçlarda güç paylaşım kontrolü
Power split control for a hybrid energy storage system with two propulsion machines in electric vehicles
Yazar: HÜSEYİN AYHAN YAVAŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. METİN GÖKAŞAN ; PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrikli otomobiller = Electric cars ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system

Özet:
Elektrikli araçların büyük çoğunluğu hareketini, güç aktarım sistemlerinde bulunan, tek bir elektrik motoru ile sağlamaktadır. Aracın performansını aynı zamanda güç aktarım sisteminin verimini arttırmak amacı ile tek bir hareket motoru yerine, etkili bir güç paylaşım stratejisi uygulayarak, aynı şafta bağlı, birbirini tamamlayıcı tork ve hız karakteristiğine sahip, iki elektrik motoru kullanılabilir. İki motor kullanımının bir diğer avantajı ise, yüksek güce sahip büyük hacimli tek bir motor kullanımı yerine, düşük güç ve küçük hacimde iki motor kullanımı sayesinde kaput altındaki alanın çok daha efektif kullanılabilmesidir. Bu güç aktarım topolojisi, özellikle sürtünme direncini azaltan aerodinamik yapıları sebebiyle, kaput altındaki alanı sınırlı olan spor araçlar için ilgi çekici bir çözüm olacaktır
Günümüzde, elektrikli araçlarda ana enerji depolama birimi olarak batarya kullanılmaktadır.  Seyir halinde sıkça karşılaştığımız hızlanma ve yavaşlamaların neden olduğu, yüksek güç taleplerini karşılamak ve batarya gücünde oluşacak dalgalanmalardan dolayı batarya ömrünün zarar görmemesi için, bataryalar çoğunlukla, olması gerekenden fazla boyutlandırılarak araçlara yüklenmektedir. Prensip olarak bataryalar yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Ultra-kapasitörler (UK) ise yüksek güç yoğunluğuna ve anlık yüksek şarj/deşarj kabiliyetine sahiptir. Batarya ve UK'ün birbirini tamamlayıcı bu özelliklerinden yararlanmak için, batarya/UK hibrit enerji depolama sistemi (HEDS) düşünülmüştür.  Bu sistemde UK, bir güç tamponu gibi davranarak anlık şarj/deşarj'a ait yüksek güçleri karşılar. Bu şekilde batarya üzerindeki baskı azalır ve batarya ömrü uzar. 
Bu tez çalışmasında, güç aktarım sisteminde iki elektrik motoruna ve batarya/UK HEDS sahip bir elektrikli araç için güç kontrol stratejisi sunulmuştur. Önerilen güç kontrol stratejisi iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda, talep gücü, rejeneratif frenleme ve ilerleme periyotlarında, elektrik motorlarının en yüksek verime sahip olmasını sağlayacak şekilde, iki motor arasında paylaştırılır. Bu önerilen, gerçek zamanlı uygulanabilir güç paylaşım stratejisi, iki elektrik motorunun birbirini tamamlayıcı özelliklerinden en iyi şekilde faydalanmaktadır.
İkinci kısımda, hesaplanmış olan optimum motor güçleri, HEDS içinde batarya ve UK arasında paylaştırılır. HEDS güç paylaşımını optimize edebilmek için, batarya gücünün genliğini ve batarya akımındaki dalgalanmaları minimize ederek, batarya ömrünü uzatacak bir konveks optimizasyon problemi formüle edilmiştir. 
Tek motor, eşdeğer iki motor ve birbirini tamamlayıcı iki motor kullanan güç aktarım topolojileri, tez içerisinde çeşitli simülasyon çalışmaları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyon çalışmalarına göre, önerilen topoloji ve güç paylaşım stratejisi, güç aktarım sisteminin verimini %10 arttıracak ve bataryanın ömrünü %82 uzatacak potansiyele sahiptir. Güç aktarım sistemindeki verim artışı, elektrikli aracın tek bir şarj ile gidebileceği azami mesafenin de %27' ye kadar uzamasını sağlamaktadır.
Diğer yandan, batarya/UK/Yakıt Pili (YP) HEDS topolojisi önerilmiş ve bu topoloji toplam ağırlık hepsinde aynı kalmak kaydıyla sadece batarya ve batarya/UK topolojileri ile batarya ömrü ve tamamen elektrik enerjisi ile gidebileceği menzil (AER) açısından karşılaştırılmıştır. YP ve UK'ün getirdiği ilave ağırlıktan dolayı, toplam ağırlığın aynı kalması amacıyla en küçük boyutta batarya batarya/UK/YP topolojisinde kullanılırken, en büyük boyuttaki batarya, bünyesinde sadece batarya olan topolojide kullanılmıştır. En uzun batarya ömrü, batarya/UK/YP topolojisinden az bir farkla daha iyi olan batarya/UK topolojisi ile elde edilmiştir. En iyi AER ise batarya/UK topolojisinden 2.4 kez daha iyi olan batarya/UK/YP topolojisi ile ulaşılmıştır.
Ayrıca bu tez kapsamında, yüksek güç (YG) ve yüksek enerji (YE) özelliklerine sahip bataryalar kullanılarak, enerji depolama sistemi (EDS) 'nin optimum boyutlandırılması yapılmıştır ve farklı güç aktarım sistemi ve EDS topolojileri için altı ayrı çalışma durumu incelenmiştir.
Bu tezin literatüre yaptığı önemli katkılar şu şekilde sıralanabilir; ilk olarak, gerçek zamanlı uygulanabilen, güç aktarım sisteminin verimini arttıracak, iki motor arsında optimum güç paylaşımını sağlayacak bir güç paylaşımı kontrol stratejisi sunulmuştur. İkinci olarak, ağırlık, verim ve menzil açısından, güç aktarım sisteminde, tek motor kullanımı, eşdeğer iki motor kullanımı ve birbirini tamamlayıcı iki motor kullanımına ait topolojiler karşılaştırılmıştır. Üçüncü olarak, YG veYE batarya tipleri için optimum EDS boyutlandırılması araştırılmıştır. Dördüncü olarak, batarya ömrünü uzatacak bir konevks optimizasyon problemi HEDS için formüle edilmiştir. Beşinci olarak, güç aktarım sistemi ve EDS topolojileri için altı ayrı çalışma durumu incelenmiş ve sonuçlar sunulmuştur. Son olarak ise batarya/UK/YP HEDS topolojisi tartışılmıştır.

Abstract:
The Majority of electric vehicles (EVs) on the market have only one propulsion machine in their powertrains. To enhance power performance and propulsion efficiency, two propulsion machines, with complimentary torque-speed characteristics, are coupled to the same shaft via a torque coupler could be deployed in the EV powertrain. A potential merit of using two propulsion machines is the improved powertrain efficiency and effective load power split. Another advantage of using two complimentary propulsion machines, instead of a single large machine, is that the space under the hood can be effectively utilized. This is particularly an attractive solution for race cars, with limited space due to their aerodynamic body frame, which in turn will reduce the drag coefficient.
Nowadays, batteries are used as the primary energy storage devices in EVs; however, they are usually oversized in order to deliver high power and avoid the unwanted degradation due to frequent acceleration and deceleration. In principle, batteries have relatively high energy density. Ultra-capacitors (UCs), on the other hand, have high power density and excellent instantaneous charging and discharging capabilities. In order to take advantage of these complementary features of the battery and UC, a battery/UC hybrid energy storage system (HESS) is considered. In the HESS, UC pack acts as a power buffer for instantaneous charging/discharging of high peak power. In this way, the stress on the battery is substantially relieved, resulting in battery lifetime extension 
In this dissertation, a power split control strategy is proposed for an electric vehicle (EV) powertrain with two propulsion machines and a battery/ultra-capacitor (UC) hybrid energy storage system (HESS). The proposed power split control strategy consists of two stages. In the first stage, the load power is split between the two propulsion machines to obtain the highest powertrain efficiency in both propulsion and regenerative braking modes. A real-time implementable power split control strategy is proposed to benefit from complementary operation features of these two propulsion machines. 
In the second stage, the load power is split between the battery pack and UC in the HESS. To optimize the power split in HESS, a convex optimization problem is formulated to minimize the battery power magnitude and battery current variations to extend the battery lifetime.
The powertrain topologies for single propulsion machine, two identical propulsion machines and two complemantary propulsion machines are compared in the simulation cases. The implementation of proposed power split control strategy in the powertrain of an EV with two propulsion machines will potentially result in up to 10% improvement in the powertrain efficiency and up to 82% extension of the battery lifetime. The improvement of propulsion efficiency will in turn lead to up to 27% extension of all-electric driving range (AER). 
On the other hand, a battery/UC/Fuel Cell (FC) HESS topology is introduced. Remaining ESS total weight same, only battery, battery/UC and battery/UC/FC topologies are compared based on AER and battery health. Due to additional weight of FC and UC, smallest battery size is utilized in the battery/UC/FC topology to keep ESS weight same as other compared topologies and the biggest battery size is utilized in the only battery ESS topology.  According to simulation results, the longest battery life time is achived with battery/UC topology which is slightly better than battery/UC/FC topology. The longest AER is achived with battery/UC/FC topology which is 2.4 times better than battery/UC topology.
Moreover, optimal ESS sizing is studied for only battery ESS for high power (HP) and high energy (HE) batteries. Six case studies are presented for different powertrain and ESS topologies.
The main contributions of this paper are as follows, First, a real-time implementable power split control strategy is presented, which optimally splits power between two propulsion machines to improve the powertrain efficiency. Second, the powertrain topology with two identical propulsion machines and the powertrain topology with two complementary propulsion machines are compared with utilizing single propulsion machine in the powertrain according to weight, efficiency and all-electric-range (AER). Third, Optimal battery sizing is studied for a battery ESS with utilizing HP and HE batteries, Fourth, a convex HESS optimization problem is formulated with the objective function to extend battery life. Fifth, six case studies are investigated based on different powertrain and ESS topologies. Finally, battery/UC/FC HESS topology is discussed and only battery, battery/UC and battery/UC/FC topologies are compared based on AER and battery health.