Tekerlek içi motorlu elektrikli araçlarda elektronik diferensiyel sistemin gerçekleştirilmesi
Implementation of electronic differential system of in-wheel electric vehicle
Yazar: MERVE YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. HASAN KÜRÜM
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde ulaşım sektörünün genişlemesi bir takım sorunları beraberinde getirmiştir. Bu sorunların başında, çevre kirliliğinin artışı ve fosil yakıtların zamanla tükenmeye başlaması gelmektedir. Zararlı gazların yaydığı emisyonları ortadan kaldırmak, yakıt tasarrufu sağlayarak petrol ithal edilen ülkelere bağımlılığı azaltmak ve hava kirliliğini önlemek amacıyla elektrikli araçlar kullanılmaya başlanmıştır. 2000'li yılların ortalarında, sürücü ve batarya teknolojisindeki gelişmeler, verimli elektrik motorlarının kullanımı ve güvenli sürüşün önem kazanmasıyla elektrikli araçların kullanımı yaygınlaşmıştır. Bunların yanında, bataryaların ek masrafları ve şarj istasyonlarının azlığı gibi bazı olumsuz tarafları da vardır. 
Elektrikli araçlarda kaygan ve eğimli yollarda, güç ve momenti çekiş tekerleklerine eşit şekilde dağıtmak için diferansiyel sistemler kullanılır. Bir elektrikli araç viraja girdiğinde, diferansiyel dişlileri devreye girerek virajın dışında kalan tekerleğin hızlı, içinde kalan tekerleğin ise yavaş dönmesini sağlarlar. Diferansiyel sistemin kullanılmadığı durumda, bir tekerlek hızlanırken diğerinin yavaşlaması için frenleme yapılacağından tekerlekler kayacaktır. Bu da güvenli sürüşün sağlanamamasına, yakıt tüketiminin artmasına ve lastiklerin kısa zamanda aşınmasına sebep olur.
Bu çalışmada, aktarım organlarının kullanımını ortadan kaldırmak için motorlar tekerlek içlerine yerleştirilerek bir elektronik diferansiyel sistem gerçekleştirilmiştir. Böylece aktarım organlarından dolayı oluşan mekanik kayıplar, dişlilerin bakım ve onarım masrafları gibi dezavantajlar da ortadan kalkmıştır. Genellikle arka tekerlekler için yapılmış çalışmalar yerine, ön tekerlekler için bir elektronik diferansiyel sistem tasarlanmıştır. Direksiyon açısına ve aracın hızına bağlı olarak tekerleklerin dönmesi gereken hız değerleri Ackermann-Jeantand modelinden alınan matematiksel denklemlerden hesaplanmıştır. Bu denklemler kullanılarak MATLAB/Simulink'te modellemesi yapılmıştır. Daha sonra, CoDeSys V2.3 yazılımı kullanılarak sistemin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Hesaplanan hız bilgilerini motor sürücülerine göndermek için açılımı "Kontrol Alan Ağı" olan "Controller Area Network (CAN-BUS)" protokolü kullanılmıştır. Bu protokol, hızlı, esnek, güvenilir, eşit mesaj erişimli, kablo kullanımının az olması ve dolayısıyla maliyetin düşük ve araç ağırlığının az olması gibi önemli avantajlarından dolayı tercih edilmiştir. Elektronik diferansiyelin tasarımını doğrulamak için direksiyon açısını 1˚'den 15˚'ye kadar birer derece aralıklarla değiştirerek motorların hız bilgisi deneysel olarak alınmıştır. CAN-BUS'tan iletilen ön tekerlek içi motorların hız bilgileri, deneysel sonuçlarla ve Simulink modelinden alınan hız değerleriyle kıyaslanarak elde edilen sonuçlar doğrulanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Elektrikli Araç, Elektronik Diferansiyel, Kontrol Alan Ağı.

Abstract:
Nowadays, expansion of transportation sector causes some issues. The most important ones are increasing of environment pollution and depletion of fossil fuels. Therefore, Electric Vehicles (EVs) are used to eliminate the emission emitted from the harmful gases, reducing dependence on countries imported oil by providing fuel-saving, and prevention of air pollution. In the middle of 2000s, developments in driver and battery technology, using of efficient electric motors, and becoming the importance of safe driving increase using of EVs. On the contrary, there are also disadvantages such as additional costs of batteries and lack of charging stations.
Differential systems for EVs are used in slippery and sloping roads to distribute power and torque equally to the traction wheels. Once an EV enters to the cornering, the wheel which is outside of the cornering is provided to rotate fast and the wheel which is inside of the cornering is provided to rotate slowly by differential gears. In case of not using the differential gears, when a wheel accelerates, the wheels slip due to braking to declerate the other one. This also causes unsafe driving, increasing of fuel consumption and tyre wear.
In this study, an electronic differential system of in-wheel EV has been realized for eliminating the use of powertrains. In this way, some drawbacks such as mechanical losses, maintenance and repair costs of gears which are caused by the powertrains are also eliminated. An electronic differential system for front wheels instead of studies genereally realized for rare wheels has been designed. According to the change of the steering angle and speed of EV, required speed values of the wheels have been estimated by using mathematical equations obtained from Ackermann-Jeantand model. By using these equations, MATLAB/Simulink modelling has been realized. Then, an electronic differential system has been designed by CoDeSys V2.3 Software. "Controller Area Network (CAN-BUS)" protocol has been used for transmitting estimated speed values to the motor drivers. This protocol has been preferred for a lot of main advantages such as being fast, flexible, and reliable, equal message access, using fewer cables thus, low cost and low vehicle weight. In order to verify the design of the electronic differential system, speed values have been taken as experimental by changing from 1˚ to 15˚ with a degree range. The speed values of front in-wheel motors received by CAN-BUS have been verified by comparing experimental results and motor speed values obtained from Simulink model.

Keywords: Electric Vehicle, Electronic Differential, Controller Area Network (CAN-BUS).