Hibrid elektrikli araçlar için enerji yönetim sistemleri

HEA'ların verimlilik artışını sağlayacak ve komponentlerin optimal şartlarda bir arada çalışmasını sağlayacak HEA Enerji Yönetim Sistemleri'nin geliştirilmesi araç tasarımının önemli bir parçasıdır. Öte yandan, HEA Enerji Yönetim Sistemleri birçok komponentin, zaman zaman birbirlerine ters düşen verim özelliklerini bir arada iyileştirmeyi amaçlaması açısından bu tez kapsamında da görüleceği üzere bir optimizasyon probleminin bir parçasıdır. Bu tez öncelikle HEA ve ŞE-HEA Enerji Yönetim Sistem'lerinin bir optimizasyon problemi olarak tanımlamakta ve bu problemin çözümü için teorik ve pratik temelde farklı yöntemler uygulamaktadır. HEA için kat edilen sürüş manevrasında (Ör: Sürüş Çevrimi), sürüş başlangıç ve sonundaki şarj dengesi optimizasyon problemi için kullanılan kısıtlardan bir tanesidir. ŞE-HEA için problem daha farklı olup, yüksek batarya kapasitesi nedeni ile batarya şarj dengesi aranmaz. Dolayısı ile HEA ve ŞE-HEA arasında problem tanımı olarak bazı farklar yer almaktadır. Enerji Yönetim Sistem'inin amacı, bu tez kapsamında yakıt tüketiminin minimizasyonu olarak ele alınmıştır. Bu iki farklı problem tanımının çözümüne yönelik farklı tipte yöntemler uygulanmıştır. Problemin teorik olarak optimum davranışını biliyor olmak, geliştirilecek diğer yöntemler için bir "Benchmark Çözüm" oluşturması açısından önemlidir. Öte yandan global optimum davranışı veren bu çözümün pratikte uygulanabilirliği mümkün değildir. Bu tez kapsamında, Dinamik Programlama (DP) metodu ile HEA ve ŞE-HEA için global optimum davranış elde edilmiştir. DP çözümü problemi zaman ve durum değişkenleri açısından ayrık bir yapıya dönüştürmekle beraber, yukarıda bahsedilen sistem kısıt ve davranışlarını göz önüne alarak, problemi sondan başa doğru çözen iteratif bir algoritmadır. Öte yandan bu tezde irdelenen paralel hibrid topolojisinde yer alan vites geçiş davranışlarının yakıt tüketimine bir etkisi vardır. Bu etkiyi irdelemek adına DP çözüm kontrol girişi olarak vites seçiminin de serbestçe yapıldığı bir versiyon için de tekrarlanmıştır. Gerek DP çözümün işlem ve hafıza yükünün çok yüksek olması gerekse de çözüm için tüm sürüş özelliklerinin önceden bilinmesi gerektiği gerçeği, DP çözümü teorik bir yapıdan öteye geçiremez. Dolayısıyla alternatif bir optimizasyon çözümü için Eşdeğer Yakıt Tüketimi Minimizasyonu (EYTM) aynı hibrid araç tiplerine uygulanmıştır. EYTM metodu, fiziksel ve optimal kontrol teorisi ile açıklanabilmekte olup, anlık optimizasyon yapıldığından işlem yükü DP'ye göre çok daha hafiftir. EYTM temel olarak, bataryaya giren ve çıkan elektrik enerjisinin eşdeğer yakıt tüketimi eşleniğini göz önüne alarak gerçek yakıt tüketimi ile beraber değerlendirildiği eşdeğer yakıt tüketimi değerine dayanmaktadır. Bu eşdeğer yakıt tüketimi değeri, aslında anlık olarak minimize edilecek bir bedel fonksiyonudur. EYTM metoduna optimal kontrol yöntemi aracılığı ile de ulaşılabilir. Problem klasik optimizasyon yöntemleri aracılığı ile ifade edildiğinde oluşturulacak Hamilton fonksiyonun çözümü için, eşdeğer durum değişkeni ile ilgili diferansiyel denklemin analitik olarak çözülmesi gerekmektedir. Gerçek uygulamada karşılaşılan bir problem özellikle HEA için yol topoğrafyasının şarj kontrolü üzerinde yarattığı bozucu etkidir. Özellikle, negatif eğimli yollardaki reküperatif şarj imkânından, bataryanın erken dolmasından dolayı kısıtlı olarak faydalanılabilir. Benzer bir durumda ise, pozitif eğimli bir yolda, bataryanın erken boşalmış olması, yol yükünün fazla olacağı kısımlarda İYM yükünün daha da artacağı, dolayısı ile tüketimin yüksek olacağı anlamına gelir. Bu problem, yol topoğrafyasının önceden bilinmesi sayesinde, öngörülü şarj ve deşarj stratejileri ile giderilebilir. Bu çerçevede, bu tez kapsamında HEA için iki farklı tipte şarj dengeleme kontrolcüsü geliştirilmiştir. İlk yöntem, klasik EYTM formülasyonuna yapılan bir eklenti sayesinde, pozitif ya da negatif eğimden meydana gelen yol enerjisinin, eşdeğer yakıt karşılığının formülasyonda kullanılmasına dayanır. Böylece, yeni EYTM formülasyonu ile eğim öncesi duruma göre, ön şarj ya da ön deşarj yapılması sağlanır. İkinci yöntem, ilk formülasyonda bulunan parametrelerden bazılarının Model Öngörülü Kontrol – Model Predictive Control (MPC) formülasyonunda tekrar kullanılmasıyla elde edilmiştir. Buna göre, EYTM bedel fonksiyonu, kontrol girişine yani hibrid güç aktarma oranına bağlı olarak lineerleştirilir. Daha sonra birinci dereceden bir sistem dinamiği fonksiyonu toplam batarya enerjisi ve bataryadan öngörülü olarak çekilecek batarya gücü cinsinden oluşturulur. Problem, yüksek mertebeden bir parametre optimizasyonu problemi haline getirilerek anlık olarak çözülür. Geliştirilen tüm kontrolcüler ve enerji yönetim sistemleri aslında iki farklı modelleme metodolojisine dayandırılarak test edilmiştir. İlki bir kontrol modeli niteliğindeki sanki statik araç ve güç aktarma organları modellemesi olup, ters modelleme metodolojisine sahiptir. Yani sürüş hızlarının gerçekleştiği kabulü ile buna karşılık gelecek yol yüklerinin hesaplanmasına dayanır. İkinci modelleme metodolojisi ise, sürüş çevriminin bir giriş değeri olup, sürücü modelinin aracın bu hızı takip etmesi için gereken kontrol sinyallerini ürettiği bir yapıdır. İkinci durum, gerçek araç yapısını daha iyi ifade ettiğinden ve tüm araç-aktarma organı dinamiklerini göz önüne aldığından, daha yüksek güvenilirlikte bir model yapısındadır. Bu tez kapsamında, birinci tip modeller için MATLAB/Simulink ve MATLAB Komut Dosyası kullanılmış olup, ikinci tip model yapısı için AVL CRUISE ve IPG CarMaker paket programlarından faydalanılmıştır. Tezin modelleme ile ilgili kısmında her iki modele ait davranışlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Tezin son bölümünde ise, araç ve sürücü destek sistemlerine örnek iki kontrolcü Model Öngörülü Kontrol yönteminde faydalanılarak geliştirilmiştir. Bunlardan ilki boylamsal bir hız ve konum kontrolcüsü olan Adaptif Seyir Sistemi ile yeni geliştirilmiş olan Trafik Işığı Asistanı sistemi tanıtılmıştır. Her iki boylamsal kontrol algoritması öncelikle basit model üzerinde test edildikten sonra kompleks nonlineer araç modellerine uygulanmıştır. Öte yandan Trafik Işığı Asistanı Sistemi aynı zamanda gerçek zamanlı bir platform çerçevesinde sürücü içeren simülasyon ortamında bir araç simülatörüne entegre edilmiştir. Bu entegrasyon aynı zamanda fonksiyonun sürücü ile iletişiminin sağlandığı sürücü arayüzüne ilişkin sinyallerin sağlanması ve ekrana aktarılmasını da içermektedir.