Hibrit elektrikli bir kamyon için bulanık mantık tabanlı enerji yönetim sistemi algoritmalarının geliştirilmesi
Development of fuzzy logic based energy management system algorithms for hybrid electric truck
Yazar: HAZAL SÖLEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen dünyamızda otomotiv sektörü endüstriyel, ekonomik ve ulaşım sistemleri bakımından büyük önem taşımaktadır. İnsanlar ihtiyaç duydukları hareketliliği otomotiv sektörü sayesinde sağlarken, sektör de her geçen gün gelişmektedir. Günümüzde kullanılan araçların çok büyük bir kısmı içten yanmalı motora sahip, fosil yakıt tüketen araçlardır ve sayıları her geçen gün artmaktadır. Yandığında çevreye zararlı atıklar salgılayan fosil yakıtların kullanımının bu kadar artmasının sonucu olarak, çevre kirliliği kabul edilemeyecek derecelere yükselmiştir. Otomotiv sektörünün çevre kirliliğine olan etkilerinin geri dönülmez bir düzeye ulaşmakta olduğunu fark eden pek çok devlet konuyla ilgili önlem almaya başlamıştır. Bu amaçla ülkeler, emisyon sevilerini düşürmek için yeni yasalar çıkarmıştır. Çıkartılan bu yasalar pek çok otomotiv üreticisini alternatif enerjili araçlar üretmeye zorlamıştır. Çünkü içten yanmalı motorun yapısı giderek zorlaşan emisyon standartlarını sağlamaya uygun değildir. 
Alternatif enerjili araç çalışmaları; elektrikli araçlar, yakıt hücreli araçlar ve hibrit araçlar üzerinde yoğunlaşmaktadır. Henüz gelişme aşamasında olan bu araç yapılarının her birinin ayrı avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Ancak tüm alternatif enerjili araçların dezavantajlarının ilk sıralarında, uygun enerjinin üretimi ve depolanması sorunu gelmektedir. Örneğin hidrojen yakıt hücreli araçlarda yakıtın elde edilmesi ve uygun istasyonlarda satılması büyük bir sorunken, elektrikli araçlarda elektrik enerjisinin depolanması büyük bir sorun teşkil etmektedir. Elektrikli araçlar ve içten yanmalı araçlar arasında bir geçiş bölgesinde olan hibrit araçlar, günümüzde oldukça popüler bir alternatif enerjili araç türüdür. Generatör seti sayesinde elektrik enerjisinin depolanması sorununa alternatif bir çözüm üretilirken, elektrik enerjisi ile alınan mesafelerde de sıfıremisyon değerine sahip olunmaktadır.
Hibrit araçlarda kullanılan düşük verimli içten yanmalı motor nedeniyle, aracın enerji yönetim sisteminin doğru bir şekilde tasarlanması oldukça önemlidir. Başta içten yanmalı motor olmak üzere, tüm sistem komponentlerini en yüksek verim bölgesinde uyumlu bir şekilde çalıştırmak, tüm enerji yönetim sistemlerinin esas amacıdır. Literatürde hibrit araçların kontrolü için pek çok farklı yöntem mevcuttur. Bu yöntemler çevrimiçi ve çevrimdışı yöntemler olmak üzere ikiye ayrılır. Çevrimdışı yöntemler, yüksek işlem yoğunluğu nedeniyle gerçek zamanlı çalışması zor olan ancak optimum çözüme en çok yaklaşan uygulamalardır. Doğrusal programlama, dinamik programlama, genetik algoritma ve parçacık sürüsü optimizasyonu yöntemleri en çok kullanılan çevrimdışı yöntemlerdir. Bu yöntemler sıklıkla çevrimiçi yöntemlerin başarı oranını ölçmek için kullanılır. Çevrimiçi yöntemler ise araç üzerinde gerçek zamanlı çalışabilen yöntemlerdir. Bu yöntem kendi içinde kural tabanlı kontrol ve optimizasyon tabanlı kontrol olarak ikiye ayrılır. Kural tabanlı algoritmalar, önceden tanımlanmış kural setlerine bağlı olarak çalışan kontrol yöntemleridir. Uygulama ve gerçek zamanlı çalışma kolaylığı nedeniyle sıkça tercih edilirler. Kural tabanlı algoritmalar kendi içlerinde deterministik kural tabanlı algoritmalar ve bulanık mantık tabanlı algoritmalar olmak üzere ikiye ayrılır. Aralarındaki temel fark deterministik yöntemlerkesin sınırlara sahipken, bulanık tabanlı yöntemlerin daha esnek geçişlere sahip olmasıdır. Optimizasyon tabanlı yöntemler ise global optimizasyon problemlerini yerel optimizasyon problemlerinin arka arkaya çözülmesi şeklinde indirgeyerek, çevrimdışı yöntemlerde görülen yüksek yoğunluklu işlem yükünü hafifleterek sistemin gerçek zamanlı olarak çalışabilmesini sağlar. En çok tercih edilen optimizasyon tabanlı yöntemler; eşdeğer tüketim azaltma stratejisi, model kestirimci kontrol ve yapay sinir ağlarıdır.
Tez kapsamında ISUZU NPR10 Long model şarj edilebilir seri hibrit bir kamyon için enerji yönetim sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen araç çöp kamyonu olarak kullanılacaktır. Konvansiyonel araçtan hibrit sisteme geçilirken öncelikle aracın çalışma şekli incelenmiş ve komponentlerin gereksinimleri belirlenmiştir. Bu amaçla öncelikle konvansiyonel bir araç üzerinde yol testleri yapılmış ve aracın enerji tüketim, güç isteri, günlük alınan yol gibi veriler toplanmıştır. Ardından veriler yorumlanarak araç için uygun komponentler seçilmiş ve konvansiyonel aracın, elekrikli araca dönüşümü tamamlanmıştır. Sonraki aşama ise aracın enerji yönetim metodunun belirlenmesidir. Bu amaçla metodunun belirlenmesi için literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Uygulama kolaylığı ve gerçek zamanlı çalışılabilirlik durumları göz önünde bulundurulduğunda, kural tabanlı yöntemlerin seçimi uygun olarak görülmüştür. 
Geliştirilen ilk EMS deterministik kural tabanlı bir kontrolcüdür. Burada araç üzerindeki komponentlerin verim haritaları göz önünde bulundurularak temel bir enerji yönetim sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen ilk kontrolcü, aracın kullanım amacı ve çalışma koşullarından bağımsız olarak tasarlanmıştır. Geliştirilen ikinci kontrolcü ise bulanık mantık tabanlı bir kontrolcüdür. Deterministik kontrolcünün fonksiyonlarından olan araç çalışma modu ve generatör seti hızı belirleme işlemleri, geliştirilen yeni kontrolcüde bulanık mantık tabanlı  kontrolcüler tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu fonksiyonların bulanık mantık kontrolcüler tarafından yaptırılmasındaki temel amaç, araç performansı ve yakıt tüketimini doğrudan etkileyen bu fonksiyonların daha yüksek doğruluk oranında gerçekleştirilmesini sağlamaktır. Deterministik kural tabanlı kontrolcüde modların ve hız geçişlerinin kesin sınırlar ile belirlenmesi ve doğrudan tasarımcı tecrübesine bağlı olması, bazı durumlarda sistemin nistepeten düşük verim seviyelerinde çalışmasına neden olabilmektedir. Bulanık mantık tabanlı kontrolcüye geçiş ile bu durumun önlenmesi hedeflenmiştir.
Geliştirilen ikinci kontrolcünün bir diğer özelliği, aracın kullanım amacı göz önünde bulundurularak tasarlanmış olmasıdır. Çöp kamyonları, çalışma koşulları gereği sabit rotalı araçlar sınıfındadır. Bu araçlar gün içinde belirli rotaları belirli saatlerde tamamlarlar. Bu nedenle aracın enerji tüketiminin öngörülmesi nispeten kolaydır. Geliştirilen aracın tasarım hedeflerinden biri çöp toplama alanı olan yerleşim bölgerinde sıfır emisyona sahip olması ve gürültü seviyesinin azaltılmasıdır. Bu tasarım hedeflerinin gerçekleştirilebilmesi için aracın yerleşim bölgelerinde elektrikli modda çalıştırılması gerekmektedir. Belirtilen bu işlemlerin gerçekleştirilebilmesi bulanık mantık tabanlı kontrolcüye, çevrimdışı çalışan bir kısım eklenmiştir. Algoritmanın bu kısmının ilk olarak; araç rotası, sürüş saati ve sürücü bilgilerini kullanarak hafızasından eski enerji tüketim bilgisini okur. Ardından araçta yakıt deposunda ve bataryada depolanan toplam enerjiyi kontrol ederek rotanın tamamlanması için yeterli enerjiye sahip olunup olunmadığı bilgisini sürücü ile paylaşır. Ardından aracın elektrikli modda çalışılacak alana gelene kadar bataryasında yeterli enerji miktarını depolaması için bir referans SOC sinyali oluşturur. Oluşturulan bu sinyal ardından çevrimiçi çalışan kontrolcüye giriş sinyali olarak aktarılır. Çevrimiçi kontrolcünün bulanık mantık araç çalışma modu seçimi kontrolcüsü tarafından kullanılan bu sinyal, aracın elektrikli çalışma alanına gelene kadar yeterli enerjiyi depolamak için hangi çalışma modunda çalışması gerektiğini belirler. Kullanılan bulanık mantık kontrolcüler sayesinde kontrolcü tasarımcısının, aracın doğrusal olmayan yapısı gereği göz önünde bulunduramadığı pek çok durumda daha esnek bir karar mekanizmasına sahip olması sağlanır. 
Tez kapsamında gerçekleştirilen iki farklı enerji yönetim sistemikontrolcüsünün modellenmesi açıklanacak ve performans sonuçları elde edilerek karşılaştırılacaktır. 
Tezin birinci bölümünde konvansiyonel araçların neden olduğu çevre kirliliği ve buna karşı devletlerin aldığı önlemler, geliştirilen alternatif enerjili araçlar ve bunların türlerinden bahsedilmektedir.
Tezin ikinci bölümünde; konvansiyonel bir çöp kamyonuna yapılan yol testlerinden, seri hibrit NPR 10 Long kamyonun temel özelliklerinden ve aracın TruckMaker ortamında modellenmesi ele alınmaktadır.
Tezin üçüncü bölümünde ise, hibrit araçlarda kullanılan enerji yönetim sistemleri hakkında literatür taraması geniş kapsamlı olarak ele alınarak incelenmektedir.
Tezin dördüncü bölümünde, geliştirilen deterministik kural tabanlı enerji yönetim sistemi ve bulanık mantık tabanlı enerji yönetim sistemi hakkında ayrıntılı bilgiler ve modellemeler açıklanmaktadır.
Tezin beşinci bölümünde ise geliştirilen iki EMS kontrolcüsünden elde edilenperformans sonuçlarının karşılaştırılması ve değerlendirilmesi verilmektedir.

Abstract:
The automotive sector has a great importance in our developing world. While the people provide the mobility they need through the automotive sector, the sector is evolving. Most of the vehicles currently used are fossil fuel consuming vehicles with internal combustion engines. The number of these vehicles are increasing day by day. As a result of the increase in the use of fossil fuels that release hazardous waste to the environment, environmental pollution has increased to unacceptable levels. Many states that have realized that the effects of the automotive sector on environmental pollution are reaching an irreversible level have begun to take measures on this issue. To this end, countries have adopted new laws to reduce emissions. These laws have forced many automobile manufacturers to produce alternative energy vehicles. Because the internal combustion engine structure is not suitable to comply with increasingly difficult emission standards.
Alternative energy vehicle studies concentrates on electric vehicles, fuel cell vehicles and hybrid vehicles. Each of these vehicle structures, which are still in development, has different disadvantages. However, the problem of production and storage of the appropriate energy is in the first ranks of the disadvantages of all alternative energy vehicles. For example, in the case of hydrogen fuel cell vehicles, obtaining fuel and selling at suitable stations is a major problem, while the storage of electrical energy in electric vehicles is a major problem. Hybrid vehicles, which are in the transition zone between electric vehicles and internal combustion vehicles, are a popular alternative energy vehicle today. Hybrid vehicles are equipped with a generator set that stores electrical energy as an alternative solution to the problem, and has 0 emission value at distances taken with electrical energy.
Due to the low efficiency internal combustion engine used in hybrid vehicles, it is very important that the energy management system of the vehicle is done correctly. The main purpose of all energy management systems is to operate all system components in the highest efficiency region in the most efficient way. There are many different methods for the control of hybrid vehicles in the literature. These methods are divided into online and offline methods. Offline methods are applications that are difficult to run in real time due to high processing density but are most close to the optimum solution. Linear programming, dynamic programming, genetic algorithm and particle swarm optimization methods are the most commonly used offline methods. These methods are often used to measure the success rate of online methods. Online methods are real-time methods on the vehicle. This method is divided into two as rule-based control and optimization-based control. Rule-based algorithms are control methods that operate based on predefined rule sets. They are frequently preferred for application and real-time operation. Rule-based algorithms are divided into deterministic rule-based algorithms and fuzzy logic-based algorithms. The main difference between them is that deterministic methods have definite boundaries, whereas fuzzy based methods have more flexible transitions. Optimization-based methods reduce global optimization problems by sequential resolution of local optimization problems, thus allowing the system to operate in real time by reducing the high-intensity processing load seen in offline methods. Most preferred optimization-based methods; equivalent consumption reduction strategy, model predictive control and artificial neural networks.
Within the scope of the thesis, an energy management system has been developed for plug in ISUZU NPR10 Long model serial hybrid truck. The developed vehicle will be used as garbage truck. When switching from conventional vehicle to hybrid system, the operation of the vehicle was examined and the requirements of the components were determined. For this purpose, road tests have been performed on a conventional vehicle and the data such as energy consumption, power demand, daily collected route are collected. Then the data were interpreted and the appropriate components for the vehicle were selected and the conversion of the conventional vehicle to the electric vehicle was completed. The next step is to determine the energy management method of the vehicle. For this purpose, literature review was done to determine the method. Given the ease of implementation and real-time workability, the choice of rule-based methods was deemed appropriate. The first controller developed is a deterministic rule-based controller. Here, a basic energy management system has been developed by considering the efficiency maps of the components on the vehicle. The first controller developed was designed independent of the intended use and operating conditions of the vehicle. The second controller developed is a fuzzy logic-based controller. The vehicle operating mode and generator set speed determination, one of the functions of the deterministic controller, are carried out by fuzzy logic-based controllers in the newly developed controller. The main purpose of these functions by fuzzy logic controllers is to ensure that these functions are directly affected by vehicle performance and fuel consumption at a higher accuracy rate. In deterministic rule-based controller, determining the modes and velocity transitions with exact boundaries and being dependent on direct designer experience may cause the system to operate at low efficiency levels in some cases. This is aimed at preventing this by using to a fuzzy logic-based controller.
Another feature of the second controller is that it is designed with the purpose of use of the vehicle. Garbage trucks are in the class of vehicles with a fixed course due to working conditions. These vehicles complete certain routes during the day. Therefore, it is relatively easy to predict the energy consumption of the vehicle. One of the design objectives of the developed vehicle is to have zero emissions in the residential area with garbage collection area and to reduce the noise level. In order to achieve these design objectives, the vehicle must be operated in electrical mode in residential areas. In order to perform these operations, an offline working part added to a fuzzy logic-based controller has been. This part of the algorithm first reads old energy consumption information from the memory using the vehicle route, driving time and driver information. It then checks the total energy stored in the fuel tank and the battery and shares the information with the driver whether or not it has enough energy to complete the route. It then generates a reference SOC signal to store sufficient energy in the battery until the vehicle is in the electric mode. This generated signal is then transmitted to the online controller as an input signal. This signal, used by the online controller's fuzzy logic vehicle operating mode selector controller, determines which operating mode should operate to store enough energy until the vehicle is in the electrical work area. Thanks to fuzzy logic controllers, it is ensured that the controller designer has a more flexible decision-making mechanism in many cases resulting from the non-linear nature of the vehicle which the designer cannot consider.
Within the scope of the thesis, modeling of two different controllers will be explained and their performances will be compared.
In the first part of the thesis, the environmental pollution caused by conventional vehicles and the measures taken by the states, alternative energy vehicles developed and their types are mentioned.
In the second part of the thesis, the road tests of a conventional garbage truck are explained and the basic features of the series hybrid NPR 10 Long and the modeling of the vehicle in the TruckMaker environment is discessed.
In the third part of the thesis, there is a literature review about energy management systems used in hybrid vehicles.
In the fourth part of the thesis, there are explanations about the deterministic rule based energy management system and fuzzy logic based energy management system.
In the fifth part of the thesis, the performances of the two controllers were compared.