Elektrikli otobüsler için hibrit enerji depolama sistemlerinin genetik algoritma ile optimizasyonu

Abstract

Günümüzde ulaşım sektöründe fosil yakıtlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanılan bu fosil yakıtların başta küresel ısınma olmak üzere dünyaya birçok zararı bulunmaktadır. Bu yakıtların kullanılmasıyla iklim değişiklikleri son yıllarda dünyanın birçok yerinde doğal felaketlerin oluşmasına neden olmaktadır. Özellikle ulaşımdaki fosil yakıt tüketimini azaltmak için son yıllarda alternatif enerji kaynaklarıyla ilgili yapılan çalışmalar artmaktadır. Böylece elektrikli ve hibrit araçlarla ilgili yapılan çalışmalar son zamanlarda önem kazanmıştır. Avrupadaki sera gazı emisyonunun %25'i ulaşımda kullanılan yakıtın %90'ından fazlası petrol kaynaklı olduğu için ulaşımdan kaynaklanmaktadır. İklim değişikliğinin önlenmesi için Avrupa Birliği'nde 2040 yılına kadar karbondioksit emisyonunun %60 seviyelerine düşürülmesi planlanmaktadır. Bu doğrultuda fosil yakıt kullanan sistemlerin azaltılması için şehir içinde kullanılan otobüslerin elektrikli otobüslere dönüştürülmesine yönelik çalışmalar başlamıştır. Elektrikli ve hibrit araçların günümüzde fosil yakıt tüketilen araçlara göre daha az popüler olmasının en önemli nedenleri maliyet ve menzil limitleridir. Elektrikli araçlardaki bu iki durum da kullanılan enerji depolama sistemiyle (EDS) ilgilidir. Genel olarak elektrikli ve hibrit araçlarda EDS olarak bataryalar kullanılmaktadır. Ancak bataryaların maliyeti hala yüksek seviyelerdedir. Bu nedenle elektrikli araçlar ile ilgili olarak yapılan çalışmalarda çoğunlukla bataryaların optimizasyonuyla ilgili kısımlar ele alınmaktadır. Batarya optimizasyonu kimyasal yapısı, boyutu veya birlikte kullanılabilecekleri EDS konfigürasyonları üzerinden yapılabilir. Batarya ile birlikte Ultrakapasite (UC), Volan veya Fuel Cell gibi farklı EDS elemanları kullanılarak Hibrit Enerji Depolama Sistemleri (HESS) oluşturulabilir. Bu HESS yapılarında bataryaların yüksek enerji yoğunluğu ve UC'lerin yüksek güç yoğunluğu özellikleri kullanılarak daha verimli ve performanslı çalışan sistemler oluşturulabilir. Bu çalışmada karbondioksit salınımının azaltılması için İstanbul'da her gün 52 km'lik hatta 15 otobüs ile her otobüsün 10 sefer düzenlediği Beylikdüzü-Söğütlüçeşme metrobüs hattı üzerinde çalışılmıştır. Bu hatta kullanılan bir metrobüs elektrikli otobüse dönüştürülerek batarya ömrü, toplam maliyet ve toplam ağırlık optimize edilecek şekilde HESS optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Oluştrulan HESS sisteminde batarya ile birlikte yüksek güç yoğunlukları ile ön plana çıkan UC de kullanılmıştır. Optimizasyon için birkaç amaç fonksiyonu kullanılabilen Genetik Algoritma (GA) kullanılmıştır. Öncelikle MATLAB/Simulink programında elektrikli otobüsün boylamsal dinamik modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bu modelde sürüş çevrimi olarak metrobüs hattındaki tek sefer kullanılmıştır. Bu kapsamda seferdeki otobüs hızı ve hattaki yolun eğim bilgisi kullanılmıştır. Dinamik model oluşturulduktan sonra MATLAB programında GA ile optimizasyon sistemi oluşturulmuştur. Optimizasyonun ilk aşamasında pasif HESS, Yarı-Aktif HESS ve Tam Aktif HESS olmak üzere, EDS olarak sadece bataryanın da kullanıldığı 5 farklı senaryo oluşturulmuştur. Oluşturulan bu farklı senaryolar batarya ömrünün artırılması, toplam batarya paket maliyetinin ve toplam ağırlığın azaltılması amaç fonksiyonları çerçevesinde, HESS yapıları ayrı ayrı optimize edilmiştir. Farklı HESS yapılarında batarya seri hücre sayısı, batarya parallel hücre sayısı, UC seri hücre sayısı ve UC paralel hücre sayısı optimizasyon parametreleri olarak kullanılmıştır. Boyutsal optimizasyonda sistemin maksimum kurulu enerjisine, kullanılan gerilim değerlerine, toplam enerjinin tek yön seferi karşılayabilme durumuna göre HESS sisteminde bulunan elemanlara kısıt fonksiyonları eklenmiştir. Boyutsal optimizasyon sırasında MATLAB'de Optimizasyon için oluşturulan kodlar, MATLAB optimizasyon aracı ve Simulink'te oluşturulan dinamik model her bir optimizasyon aşamasında çalıştırılmıştır. Boyutsal optimizasyon sonucunda en ideal HESS yapısı 3 amaç fonksiyonu sonuçlarına göre seçilmiştir. Seçilen optimal sonuç için Enerji Yönetim Sistemi (EYS) optimizasyonu yapılmıştır. Bu kısımda talep edilen güç değerine göre enerji ihtiyacını hangi enerji depolama elemanının karşılayacağı belirlenmiştir. Optimizasyon ile iki farklı talep gücü değeri belirlenir. Bu talep güçlerinin üstünde, altında ve arasında talep edilen güç değerleri batarya veya UC'den temin edilir. Sistemin enerji talebi profiline ve HESS sistemindeki elemanların kullanım durumuna göre bu iki talep değeri optimizasyon sonucunda elde edilir. Bu şekilde HESS sisteminde kullanılan batarya ve UC, enerji kapasiteleri ve SoC durumlarına göre en verimli şekilde kullanılır. Bu tez çalışmasında elektrikli otobüslerde enerji depolama sistemi olarak kullanılan bataryalar yerine, batarya ve UC'nin birlikte kullanıldığı bir HESS yapısının boyutsal ve işletim optimizasyon çalışması verilmiştir. EDS sistemi olarak sadece bataryanın, pasif HESS'in, yarı aktif HESS'in ve tam aktif HESS'in kullanıldığı farklı senaryolar için maliyet, batarya ömrü ve toplam ağırlık optimizasyonu çerçevesinde HESS elemanlarının boyutsal ve EYS optimizasyonu yapılmıştır. Bu sonuçlar EDS olarak sadece batarya kullanılan sistemle, batarya ömrü, toplam maliyet ve toplam ağırlık açısından karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak en iyi seçilen EDS ile ilgili EDS elemanlarının gerilim, akım, güç, SoC değişimini gösteren grafikler verilmiştir. En iyi sonucu veren sistem ele alındığında EDS olarak sadece batarya kullanılan sisteme göre 598.178 ₺'lik ek bir maliyetle bataryanın ömrünün 7 yıl arttırıldığı görülmüştür. Uzun vadede bir otobüs için EDS olarak sadece batarya kullanıldığında optimize edilen HESS'in kullanılmasına göre EDS sistemi 1.615.426,68 ₺ ile %37 daha pahalıya mal olmaktadır. Metrobüs hattındaki tüm otobüsler için bu EDS değişimi yapıldığında EDS sistemi maliyeti 24.231.400,2 ₺ azaltılabilmektedir.