Elektrikli yol taşıtlarında bulanık mantık tabanlı tam elektrikli frenlemenin geliştirilmesi ve uygulanması

Elektrik enerjisi ve devimsel (kinetik) enerjinin birbirine dönüştürülebilir olması, elektrikli taşıtları geleneksel içten yanmalı motorlu (İYM) araçlardan ayıran bir doğal olaydır. Elektrik makineleri sayesinde gerçekleşen bu olay ile geleneksel taşıtlarda frenleme ile kampana ve disklerde ısı enerjisine dönüştürülerek çevreye atılan devimsel enerji, elektrikli taşıtlarda elektrik enerjisine dönüştürülerek batarya ve ultrakapasitör sistemleri üzerinde depolanıp tekrar kullanılabilir. Bu olay enerji geri kazanımlı (rejeneratif) frenleme olarak adlandırılır. Enerji geri kazanımlı frenleme, taşıtın toplam verimi ile erimini arttıran bir özelliktir ancak enerjinin depolanabileceği belirli koşullarda mümkündür. Ticarileşmiş ya da araştırma aşamasında olan hemen hemen tüm elektrikli araçlar ile elektrik ile hafif ve üzeri seviyede melezlenmiş araçlarda enerji geri kazanımlı frenleme kullanıldığı görülebilir. Özellikle lokomotif gibi çok büyük devimsel enerjiye sahip raylı taşıtlarda ve vinç gibi yüksek frenleme gücü isteyen aletlerde dinamik frenleme yapıldığı da görülmektedir. Bu yöntemde de yine devimsel enerji elektrik enerjisine dönüştürülür, ancak depolama yerine, bir direnç üzerinden ısı enerjisine çevrilir. Bu tip araçlarda dinamik frenleme kullanılmasında asıl amaç mekanik frenlerin çabuk eskimesini engellemektir. Benzer bir uygulama da otobüs ve kamyon gibi ağır karayolu taşıtlarındaki, temelde Foucault Akımları oluşturarak taşıtların yavaşlamasına yardımcı olan "retarder" sistemlerinde de görülür. Otomobil gibi, nispeten daha düşük kütle ve dolayısıyla devinim enerjisine sahip taşıtlarda direnç üzerinden ya da Foucault akımları ile frenleme üzerine bir uygulamaya rastlanmamıştır. Elektrik ile frenleme uygulamalarından biri de, pozitif referansta dönen bir elektrik makinesine tersi yönde dönmesini sağlayacak bir döner alan uygulamaktır. Literatürde ters akımla-gerilimle frenleme ya da "plugging" yöntemi olarak geçmektedir. Bu yöntem uygulandığında ters yönde oluşan alan nedeniyle mevcuttaki gerilim-akım seviyelerinde hızlı bir artış olur. Ayrıca, frenleme için enerji harcanmaktadır. Bu da yöntemin kullanım alanlarını azaltır. Bu yöntem genellikle yüksek eylemsizliğe sahip parçaların bulunduğu üretim hatlarında kullanılır (haddehaneler vb.). Günümüzde, elektrikle sürülenler de dâhil olmak üzere, tüm taşıtlarda mekanik frenleme sistemleri vardır. Bu sistemler genellikle solenoid valfler ile sürülen çok karmaşık hidrolik yapılardır ve günümüz otomotiv güvenlik gereklilikleri olan kilitlenme engelleme (ABS), elektronik kararlılık sistemleri (ESP) gibi şasi kontrol fonksiyonlarını da gerçekleştirecek kapasitedelerdir. Günümüz elektrikli taşıtlarında kullanılan frenleme sistemleri yukarıda bahsi geçen geri kazanımlı ve mekanik frenleme sistemlerinin bileşimi şeklinde tasarlanmaktadır. Elektrikli frenleme yalnızca elektrikli sürüşün olduğu tekerleklerde mümkün olabildiği için, ileri elektrikli araç frenleme sistemlerinde elektrik ve mekanik frenleme arasında araç dinamiğini tehlikeye atmayacak paylaşım algoritmaları geliştirilmektedir. Elektrikli taşıt üzerinde taşınan enerjinin batarya tarafından sınırlanması ve bu nedenle çok değerli olması nedeniyle, en yüksek geri kazanımın sağlanması önemlidir. Ancak bataryanın dolu olduğu, ya da enerjiyi istenildiği seviyede soğuramadığı durumlarda elektrikli frenleme yerini daha fazla mekanik frenlemeye bırakır. Ayrıca, bataryayı geri kazanılan enerji ile doldurabilmek için bataryanın mevcut gerilim seviyesinin üzerine çıkmak, aradaki farkın ise istenilen frenleme gücünü sağlayabilecek bir akım oluşturmasını sağlamak gerekir. Bu da özellikle düşük hızlarda yeterli ters elektromotor kuvvet (EMK) oluşturulamadığında mümkün olamamaktadır. Bu tez çalışmasında ana amaç, elektrikli bir taşıtın elektrikli frenleme etkisi ile durmasını sağlayacak frenleme algoritmasının oluşturulmasını sağlayarak mekanik frenlemenin durmaya etkisini en düşüğe indirmek ya da tamamen ortadan kaldırmaktır. Tam elektrikli frenleme için 3 ana elektrikli frenleme yönteminden faydalanılacaktır. Geri kazanımlı elektrikli frenleme, aracın üzerindeki devinim enerjisinin en yüksek seviyede geri kazanımını sağlamak üzere tasarlanacaktır. İstenilen geri kazanımın ya da frenleme etkisinin sağlanamadığı durumlarda dinamik frenleme devrede olacaktır. Özellikle araç çok yavaşladığında, artık frenleme etkisini oluşturacak yeterli akım-gerilim oluşmadığında ters akımla frenlemeden faydalanılması öngörülmüştür. Elektrikli taşıtlarda kullanılan bileşenler elektrik-mekanik-kimyasal sistemlerdir. Bu nedenle çevresel etmenlerden çok fazla etkilenirler. Ayrıca bir taşıt, farklı yükleme, çevresel etkiler ile yolun tipi ve eğimi gibi nedenlerle bir normal çalışma döngüsünde dahi farklı dinamiklere sahip olabilir. Bu gibi nedenlerin çokluğu nedeniyle, bu tez çalışmasında belirli bir kontrol sistemi yerine bulanık kontrol tabanlı bir sistem kullanılması öngörülmüştür. Bu sayede istenilen frenleme yöntemleri içerisinde istenilen etkiyi görmek üzere bir geçiş sağlanabilecektir. Tez çalışmasının temelde iki çıktısı olacaktır. İlk çıktıda bahsi geçen tüm elektrikli frenleme yöntemlerinin ilk kez bir taşıtta uygulanacağı bir yapı tanımlanacaktır. Elektrikli araçlar üzerindeki elektrik enerjisinin maliyeti düştükçe bu yapının kullanım alanı artabilir. İdeal durumda taşıtlar mekanik frenleme kullanmadan, bu tezde tanımlanacak Tam Elektrikli Frenleme (TEF) yöntemi ile durdurulabilir. Bulanık kontrol tabanlı böyle bir sistem bilimsel açıdan da daha önceden uygulanmamıştır ve tezin getirdiği bir yeniliktir. Diğer bir çıktı ise enerji geri kazanımlı frenlemenin bulanık mantık kontrolcü ile kontrol edilmesidir. Bu çıktının mevcut bir elektrikli araçta kullanılması mümkündür. Tezin bu kısmının taşıdığı ticari potansiyel nedeniyle İstanbul Teknik Üniversitesi ve TOFAŞ Türk Otomobil Fabrikası A.Ş. ortaklığında bir proje kurgulanmıştır. Proje Türkiye Cumhuriyeti Bilim, Teknoloji ve Sanayi Bakanlığı SANTEZ programı tarafından tez ile aynı isimde "Elektrikli Yol Taşıtlarında En İyi Elektriksel Frenleme için Yeni Bir Yöntemin Geliştirilmesi ve Uygulanması" başlığı ile ve "1591.STZ.2012-2" numarası ile desteklenmiş ve Mayıs 2014'te başarı ile sonlandırılmıştır. Tez çıktısı olan tam elektrikli fren kontrol algoritmasını içeren "Bir Fren Kontrol Sistemi ve Yöntemi" başlıklı TR20120009307 numaralı başvuru Türk Patent Ofisi, "Bremssteuersystem und Bremssteuerverfahren" başlık ve DE102013215763 numaralı başvuru Alman Patent Ofisi tarafından incelenme aşamasındadır. Tez araştırmaları esnasında karşılaşılan fren pedalının elektrikli frenleme esnasındaki geri beslemesi sorununun çözümü için öngörülen bir çözüm yöntemi, EPO'ya yapılan "A Brake System for Vehicles with Electric Drive" başlıklı ve EP2463163(B1) numaralı başvuru olumlu sonuç alarak patentlenmiştir. Tez çalışmalarından ayrıca bir uluslararası konferans yayını yapılmış ve bir de ulusal hakemli dergi yayını kabul edilmiş, uluslararası bir yayın başvurusu da tezin yazıma hazırlandığı zamanda incelenme aşamasındadır.