Menzili Arttırılmış Elektrikli Araçların Modellenmesi, Tasarımı, Benzetimi Ve Analizi

Abstract

Günümüz ulaşımının önemli bir ksmı karayollarında gerçekleştirilmekte ve karayolu araçları petrol kaynaklı yakıtlar kullanmaktadır. Sera gazlarının olumsuz etkisi ve artan petrol fiyatları otomotiv sektörünü alternatif enerji kayanakları aramaya yönlendirmiştir. Çevre dostu olması, fren enerjisini geri kazanabilmesi, sessiz, düzgün rejimli, yüksek verimli çalışabilmesi, böylece daha az çalışma enerjisine ve maliyetine gerek duyması sebebiyle otomotiv sektörü, farklı mimarilere sahip hibrit araçların seri üretimine başlamıştır. Menzili arttırılmış elektri araçlarda içten yanmalı motor küçültülmüş olup bu motor ile tekerlekler arasında mekanik bir bağlantı bulunmamaktadır. Bu görevi farklı mimari seçeneklerine gore bir veya daha fazla elektrik motoru üstlenmiştir. Bu sayede, içten yanmalı motor tam yük bölgesinde ve yüksek verim noktalarında çalışıp elektrik motoruna veya bateriye güç sağlamaktadır. Bu çalışmada, parametrik bir araç için ileriye doğru güç akışı yöntemiyle doğrusal olmayan tek izli araç modeli ve geriye doğru güç akış modeli Matlab ortamında kurulmuş ve bu iki yöntem karşılaştırılmıştır. Alışılagelmiş benzetim modellerinde, araç farklı şartlarda veya farklı araç parametreleriyle yapılmak istenen yeni simülasyonlar için bir çok parameter tekrar elle girilmelidir. Bunun yanında, kullanıcı arayüzlerine sahip, araç özelliklerini daha kolay girebilme imkanları sunan, özel yazlılımlar da bulunmaktadır. Ancak bu yazılımlar göreceli olarak oldukça pahalıdır. Bu çalışmada, benzetim parametrelerini kolay ve hızlı bir şekilde değiştirebilmek için kullanıcı arayüzü sağlayan bir program tasarlanıp gerçeklenmiştir. İlerleyen bölümde, tasarlanan benzetim farklı test çevrimlerinde koştulup güç ve enerji analizi yapılmıştır. Bu çıktıları göz önünde bulundurarak, farklı menzil arttıcı motor seçenekleri araştırılıp incelenmiş ve benzetim için simülasyona eklenmiştir. Benzer şekilde amaca yönelik elektrik makinesi batarya sistemleri incelenmiştir. Teknolojinin hızlı değişim göstermesi sebebiyle makaleler ve kitaplardaki veriler birbirlerinden farklı olabilmektedir; bu sebeple gerçek bir sisteme yakınsayabilmek için birden çok kaynaktan bilgiler alınıp bunların karşılaştırılmasına olanak sağlanmış, mümkün mertebe üretici verilerinden yararlanılmıştır. Daha sonra, elektrik araç için vites kutusunun kaldırılması potansiyeli, test çevrimleri ve performans kısıtları kriterlerine gore, moment arz-talep ve güç arz-talep ilişkilerini değerlendirerek tartışılmıştır. Sonuçlar modele ugulanmış ve elde edilen sistemin gerçeklenemsi yapılmıştır. Sonraki aşamada, ilgili parametreler oluşturulan kullanıcı arayüzü program vasıtasıyla güncellenmiş, benzetimde kullanılan tablolar güncellenmiştir. Benzetimler şehir içi ve şehir dışı çevrimlerini içeren farklı test çevrimlerinde koşturulmuştur; batarya enerjisi, yakıt tüketimi ve sürüş maliyeti tartışılmıştır. Son kısımda ise konvansiyonel ticari bir araç MAEA’a dönüştürme tasarımı yapılmış, modelleme ve benzetimi tamamlanıp sonuçlar konvansiyonel araç ile karşılaştırılmış.

The important part of today’s transportation is on the overland and overland vehicles use fuel from petroleum sources. The negative effect of green house gasses and rising oil price have oriented automotive sector to find alternative energy sources. Because of being environment friendly, capable of recovering brake energy, operating quietly, smoothly, high efficiently and therefore requiring less operating energy and cost, automotive sector have started mass production of different kinds of hybrid vehicles, in spite of relative higher production cost. Electric vehicles with range extender are vehicles equipped with a downsized engine without having a mechanical link to the wheels and, according to the vehicle architecture, one or more electric machines to drive the vehicle. Hence, the engine operates at full load points, also high efficiency points, and supplies power to electric motor and/or battery. In this work, forward power flow using nonlinear single track model and backward power flow of a parametric vehicle are built and compared using Matlab Software. In common simulation models, several parameters should be entered again, if the system is desired to be performed under different conditions or with different vehicle parameters. There are some special softwares used in automotive sector which offer the user to enter simulation parameters such as vehicle mass or air drag coefficient using an interface including dialog or textboxes to simulate different kind of vehicles in a simple and user friendly way. However, these software are relative expensive. To be able to change simulation parameters in a quick and simple way, an interface program in Matlab is developed. In the following part, simulations are run in different test cycles to analyze power and and energy demands. Considering these results, different types of range extender engines are researched and chosen to use in the simulation. Like range extender engine, goal oriented electric machine and battery systems are investigated. Because of rapid changing technology, the related data in papers and books can differ and therefore data from different sources are given which are then crossed and as much as possible, manufacturer data are used to approach to a real system. After that, it is studied on the potential of eliminating the transmission using appropriate differential ratio by comparing both torque supply - demand and power supply - demand of the investigated system and driving conditions. The results are applied to the model and verification of the evaluated system is realized. Later on, all the related parameters are updated by using user interface program and look-up tables and the model is simulated for different test cycles including both city and highway cycles; simulation results such as battery energy, fuel consumption and driving costs are discussed. In the last section, a conventional light duty vehicle is converted to a REXEV. Having modelled and simulated the vehicle, results are compared with the conventional vehicle.