İki elektrik motoru ve hibrit enerji depolama sistemine sahip elektrikli araçlarda güç paylaşım kontrolü

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.