İnsansız hava araçları için batarya-yakıt hücresi hibrit enerji yönetim sisteminin geliştirilmesi

Abstract

İnsansız hava araçlarının özellikle multirotor konfigürasyonlarda kullanımının yaygınlaşması, uçuş süresi, görev menzili ve enerji verimliliği gibi başarım kriterlerini kritik hale getirmiştir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan lityum batarya tabanlı enerji sistemleri, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı dinamik yanıt avantajlarına sahip olmakla birlikte, sınırlı özgül enerji kapasiteleri nedeniyle uzun süreli uçuş görevlerinde yetersiz kalmaktadır. Bu bağlamda hidrojen yakıt hücreleri, yüksek özgül enerji ve uzun çalışma süreleri sunmaları nedeniyle İHA uygulamaları için önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak yakıt hücrelerinin yavaş dinamikleri, ani yük değişimlerine karşı sınırlı tepkileri ve sistem yaşlanmasına duyarlılıkları, tek başına kullanımlarını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, yakıt hücrelerinin bataryalar ile birlikte hibrit bir yapı içerisinde kullanılması, her iki enerji kaynağının avantajlarını bir araya getiren etkili bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Bu tez çalışmasında, multirotor İHA'lar için hidrojen yakıt hücresi ve lityum bataryadan oluşan aktif hibrit bir güç sistemi tasarlanmış, MATLAB/Simulink ortamında modellenmiş ve ayrıntılı olarak benzetimi yapılmıştır. Çalışmanın temel amacı; batarya destekli bir hibrit yapı ile yakıt hücresinin dinamik sınırlamalarını telafi eden, uçuş süresini uzatan ve enerji verimliliğini artıran bir güç sistemi ve buna ait enerji yönetim stratejisi geliştirmektir. Bu kapsamda yakıt hücresi, batarya, güç elektroniği dönüştürücüleri, enerji yönetim sistemi ve kontrol mekanizmaları bütünleşik bir yapı içerisinde ele alınmıştır. Tez kapsamında öncelikle proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücresinin matematiksel ve fiziksel modelleri ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Yakıt hücresinin gerilim karakteristiği; tersinir gerilim, aktivasyon, ohmik ve konsantrasyon kayıpları dikkate alınarak modellenmiş; gaz dinamiği, kısmi basınçlar ve Faraday yasasına dayalı fiziksel denklemler kullanılarak sistemin elektrokimyasal davranışı temsil edilmiştir. Bu modelleme, yakıt hücresinin verimli çalışma bölgelerinin belirlenmesine ve enerji yönetim stratejisinin oluşturulmasına temel teşkil etmiştir. Güç elektroniği katmanında, yakıt hücresinin 24 V seviyesindeki çıkış gerilimini 48 V doğru akım (DA) bara gerilimine yükseltmek amacıyla 5-fazlı faz kaydırmalı yükseltici (interleaved boost) dönüştürücü tasarlanmıştır. Çok fazlı yapı sayesinde giriş ve çıkış akım/gerilim dalgalanmaları azaltılmış, yüksek güç seviyelerinde daha verimli ve dengeli bir çalışma elde edilmiştir. Batarya tarafında ise hem şarj hem de deşarj işlemlerinin aynı donanım üzerinden gerçekleştirilebilmesi için 4-anahtarlı çift yönlü alçaltıcı-yükseltici (buck–boost) dönüştürücü kullanılmıştır. Her iki dönüştürücü için detaylı tasarım denklemleri verilmiş, indüktör ve kapasitör değerleri belirlenmiş ve kapalı çevrim gerilim–akım kontrol yapıları kompanzatörler kullanılarak modellenmiştir. Enerji yönetim sistemi tasarımı kapsamında, hibrit enerji sistemlerinde kullanılan pasif ve aktif mimariler incelenmiş, bu çalışma için aktif mimarinin daha uygun olduğu gösterilmiştir. Ardından İHA uygulamalarında kullanılan farklı EMS yaklaşımları; kural tabanlı kontrol, frekans tabanlı yöntemler, eşdeğer yakıt tüketimi minimizasyonu (ECMS), model öngörülü kontrol (MPC) ve dinamik programlama açısından değerlendirilmiştir. Gerçek zamanlı uygulanabilirlik, hesaplama maliyeti, sistem güvenilirliği ve kontrol edilebilirlik kriterleri dikkate alındığında, bu çalışma kapsamında kural tabanlı bir enerji yönetim sisteminin tercih edilmesi uygun bulunmuştur. Kural tabanlı EMS, yakıt hücresinin verimli çalışma ve mümkün olduğunca sabit güç seviyelerinde çalışmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Hidrojenin batarya enerjisine kıyasla daha maliyetli olması, yakıt hücresinin yaşlanma ve yıpranma etkileri ile bataryanın şarj durumu (SoC) kısıtları, kural setlerinin oluşturulmasında temel kriterler olarak ele alınmıştır. Talep edilen güç seviyesi ve batarya şarj durumu (SoC) bilgisine bağlı olarak yakıt hücresi çıkış gücü belirlenmiş, kalan güç ihtiyacı batarya tarafından karşılanmıştır. Ayrıca, sistemin ilk çalıştırma anı ve ani geçici rejimler için frekans tabanlı bir anahtarlama mekanizması kullanılarak bataryanın öncelikli olarak devreye alınması sağlanmıştır. Kural tabanlı yapı, daha esnek ve yumuşak bir kontrol sağlamak amacıyla bulanık mantık kontrolcü ile gerçekleştirilmiştir. Talep gücü ve batarya şarj durumu (SoC) girişleri kullanılarak yakıt hücresi çıkış gücü bulanık mantık ile belirlenmiştir. Bulanık mantık kontrolcüsünün üyelik fonksiyonları ve eşik değerleri, hidrojen tüketimi ve görev sonu hedeflenen SoC değerinden sapmasını içeren çok kriterli bir maliyet fonksiyonu kullanılarak genetik algoritma (GA) ile optimize edilmiştir. Optimizasyon süreci çevrim dışı olarak yürütülmüş ve elde edilen en iyi parametre seti ile kontrolcü nihai haline getirilmiştir. Geliştirilen bütünleşik sistem modeli, uçuş sırasında talep edilecek zamana bağlı yük profilleri altında benzetimi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, yüksek SoC ve yüksek güç taleplerinde batarya ağırlıklı bir güç paylaşımı gerçekleştirildiğini; SoC değerinin nominal aralığa yaklaşmasıyla birlikte yakıt hücresinin verimli ve sabit güç bölgelerinde devreye alındığını göstermiştir. Ani ve dalgalı yük taleplerinde bataryanın hızlı dinamik yanıtından faydalanılmış, böylece yakıt hücresinin gereksiz güç dalgalanmalarına maruz kalması önlenmiştir. Sonuç olarak, hidrojen tüketimi açısından maliyet etkin, yakıt hücresi ömrünü koruyan ve uçuş süresini artıran bir hibrit güç sistemi elde edilmiştir.