Yıl: 2010 Cilt: 9 Sayı: 2 Sayfa Aralığı: 83 - 94 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 29-07-2022

Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü

Öz:
Hibrid elektrikli araçlar, atmosferi kirletmeyen taşıtların geliştirilmesinde ara çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Global ısınmaya neden olduğu ve insan sağlığına zarar veren kirletici gazlar açığa çıkartmaları nedeniyle içten yanmalı motorlar ile çalışan yol taşıtlarında emisyonlara sıkı sınırlamalar getirilmekte, yenilenebilir ve temiz enerji üzerine yapılan çalışmalar giderek yoğunlaşmaktadır. Yakıt hücresi ve hidrojen enerjisi ile çalışan araç teknolojilerinde, hidrojen yakıtının doğada saf halde elde edilememesi ve bu nedenle hidrojen elde ediniminde fosil yakıtlar ile çalışan santrallerin kullanılması, daha az ya da hiç karbon içermeyen yakıtların yol taşıtlarında kullanılmasında engel teşkil etmektedir. Bataryaların fosil yakıtlara göre enerji kapasitelerinin ve sağladıkları menzil miktarının çok düşük olması nedeniyle, hibrid elektrikli araçlarda, içten yanmalı motorların düşük verim ile çalıştığı bölgelerde bataryalar yardımcı güç kaynağı olarak kullanılmakta, dolayısı ile araç seyahati süresince içten yanmalı motorların ortalama verimleri daha yüksek tutularak yakıt tasarrufu sağlanmaktadır. Hibrid elektrikli araçlar üzerine yapılan çalışmalar, sıfır emisyonlu araç teknolojilerinin alt yapısını da güçlendirmektedir. Hibrid elektrikli araçlarda ana problem, bir araya getirilen bileşenler arasındaki güç dağılımının, araç seyahati esnasında gerçek zamanlı olarak hesaplanabilmesi problemidir. Ticari hibrid elektrikli araçlarda, kural tabanlı kontrol yöntemleri ve mekanizmaları kullanılmaktadır. Hibrid elektrikli araçlarda bu kısıtlamaların giderilebilmesi için, gerçek zamanlı kullanılabilecek optimizasyon yöntemleri üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır.
Anahtar Kelime:

Modeling and rule based control of hybrid electric vehicles

Öz:
The increase in temperature of atmosphere is mostly attributed to human activity due to the combustion products of excessively used fossil fuels. These products create greenhouse effect whereby the planet’s surface temperature increases. Use of renewable and clean energy sources is the best solution to reduce increase rate of warming, to mitigate the results of climate change and not to go beyond the irreversible point for the sustainability of life on the planet. The second major source of green house gases comes after electricity generation is transportation sector due to increasing traveling demand as well as its fastest growing rate. There are stringent emission limits stipulated by governors. The proposed emission limits for near future can no longer be satisfied by Internal Combustion Engines (ICE) despite the good advancements in engine technologies. There are numerous studies to adapt clean energy sources on road vehicles. Hydrogen and pure electric energy is seen as an excellent solution for zero emission vehicles. But there are some obstacles for both power sources. The use of hydrogen as common fuel in internal combustion is seen to be unfeasible in immediate future, due to storage, production and availability problems. Hydrogen is not an energy source but it is an energy carrier. Besides this its well-to-wheel efficiency is low with respect to fossil fuels. As to batteries, their poor energy density and long charging time hampers the use of batteries as main power source in on road vehicles. The best solution is to use less or carbon intensive fuels or increasing average efficiency of ICE by using secondary power source in the vehicle. Hybrid vehicles which combine at least two power sources are temporary solution on the way of zero emission vehicles. Hybridization provides means of fuel consumption and emission reduction. Using secondary power source allows down-sizing the engine. Smaller engines operate more efficiently than bigger ones since internal combustion engines are designed to operate efficiently at high loads. Recuperation of the thrown energy and engine stop option are another advantages of hybrid vehicles in fuel economy. Power distribution strategy between energy sources and wheels is of great importance to exploit hybrid vehicles’ features and this may give satisfactory results even in the situations where engine down-sizing and idle stop cannot be implemented. Power management is a complicated global optimum problem since it involves too many objectives such as fuel consumption and emission reductions as well as drive-ability and acceleration performance of hybrid vehicle. Dynamic Programming (DP) technique generally is used to solve global optimum problems with nonlinear constraints. Due to the computational burden and uncertainty in driver’s power demand, dynamic programming technique cannot be handled real-time with available computation technologies. Optimum power split strategy is determined off-line for a given drive cycle and control rules are extracted at the end of DP solution. There are alternative techniques developed that give sub-optimal solutions approaching global optimum results and can be implemented real-time. These methods are based on finding optimum power split ratio in a time interval by applying predictive control or finding instantaneous optimum power split by using equivalent fuel consumption methods. The vehicle speed profile in shorter time intervals is estimated and DP solution is computed for optimum power split in model predictive control methods. Equivalent fuel quantity of battery energy is converted by using mean efficiencies for a defined cycle and then best power split ratio is chosen. Modeling and rule based control methodology of a converted vehicle is explained in this study. The Ford Transit light commercial vehicle is converted to a hybrid electric vehicle. Since it has front and rear wheel drive versions are available in the market, mounting an electric motor to rear axle of front wheel drive version resulted in a parallel hybrid electric vehicle. The construction of longitudinal hybrid electric vehicle models is given. The use of these models to develop rule based control and simulation results are given.
Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • Alley R., Berntsen T., Bindoff N. L., Chen Z., Chidthaisong A., Friedlingstein P., Gregory J., Hegerl G., Heimann M., Hewitson B., Hoskins B., Joos F., Jouzel J., Kattsov V., Lohmann U., Manning M., Matsuno T., Molina M., Nicholls N., Overpeck J., Qin D., Raga G., Ramaswamy V., Ren J., Rusticucci M., Solomon S., Somerville R., Stocker T. F., Stott P., Stouffer R. J., Whetton P., Wood R. A., Wratt D., (2007). Working Group III Report, Climate Change 2007, Intergovernmental Panel on Climate Change, Paris, France.
  • Baalen J.V., (2006). Optimal Energy Management Strategy for Honda Civic IMA, Yüksek Lisans Tezi, Eindhoven Technical University, Eindhoven.
  • Boyalı A., Acarman T., Güvenç L., Kıray B. Özatay E., (2006). Proceedings, Modeling and Control of a Four Wheel Drive Parallel Hybrid Electric Vehicle, IEEE Conference on Control Applications, 155-162 Munich.
  • Boyalı A., Demirci M., Acarman T., Güvenç L., Kıray B., Yıldırım M., (2006). A Simulation Program for a Four Wheel Drive Parallel Hybrid Electric Vehicle and its Use in Rule Based Controller Development and Implementation, Workshop on Hybrid and Solar Vehicles, Salerno, Italy.
  • Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use, National Research Council, National Academy of Engineering. (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs, National Academies Press, USA.
  • Delprat S., Guerra T.M, Rimaux J., (2003). Control Strategies for Hybrid Vehicles: Synthesis & Evaluation, Proceedings, IEEE 58th Vehicular Technology Conference, 5, 3946-3950, Orlando, USA.
  • Ehsani M., (2004). Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicle Fundamentals, Theory, and Design, CRC Press, 102-108, NewYork.
  • Guzella L., Sciarreta A., (2005). Vehicle Propulsion Systems, Introduction to Modeling and Optimization, Sprinter Verlag, Berlin.
  • Johnson V. H., Wipke K.B., Rausen D.J., (2000). Proceedings, HEV Control Strategy for Real- Time Optimization of Fuel Economy and Emissions, Future Car Congress, SAE 2000-01- 1543, Crystal City, U.S.A.
  • Paganelli G., Ercole G., Brahma A., Guezennec Y., Rizzoni G., (2001). General Supervisory Control Policy for the Energy Optimization of Charge- Sustaining Hybrid Electric Vehicles, JSAE Review, 22, 511–518
  • Pacejka H. B., (2002), Tyre and Vehicle Dynamics, Butterworth – Heinemann, U.K.
  • QSS Toolbox for Matlab, (2008). ETH Zurich, www.imrt.ethz.ch/research/qss.html (20.04.2008)
  • SAE J2452, 1999. Stepwise Coast down Methodology for Measuring Tire Rolling Resistance, SAE, USA.
  • Schouten N. J., Salman V., Kheir N.A., (2002). Fuzzy Logic Control for Parallel Hybrid Vehicles, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 10, 3, 460-468.
  • Sciarretta A., Back M., and Guzzella L., (2004). Optimal Control of Parallel Hybrid Electric Vehicles, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 12-3, 352-363.
  • Toyota Motor Corporation, 2003. Toyota’s Global Strategy Report.
  • U.S. Environmental Protection Agency, (2005). Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks 1990-2005.
APA BOYALI A, GÜVENÇ L (2010). Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. , 83 - 94.
Chicago BOYALI Ali,GÜVENÇ Levent Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. (2010): 83 - 94.
MLA BOYALI Ali,GÜVENÇ Levent Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. , 2010, ss.83 - 94.
AMA BOYALI A,GÜVENÇ L Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. . 2010; 83 - 94.
Vancouver BOYALI A,GÜVENÇ L Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. . 2010; 83 - 94.
IEEE BOYALI A,GÜVENÇ L "Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü." , ss.83 - 94, 2010.
ISNAD BOYALI, Ali - GÜVENÇ, Levent. "Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü". (2010), 83-94.
APA BOYALI A, GÜVENÇ L (2010). Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, 9(2), 83 - 94.
Chicago BOYALI Ali,GÜVENÇ Levent Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik 9, no.2 (2010): 83 - 94.
MLA BOYALI Ali,GÜVENÇ Levent Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, vol.9, no.2, 2010, ss.83 - 94.
AMA BOYALI A,GÜVENÇ L Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik. 2010; 9(2): 83 - 94.
Vancouver BOYALI A,GÜVENÇ L Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik. 2010; 9(2): 83 - 94.
IEEE BOYALI A,GÜVENÇ L "Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü." İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, 9, ss.83 - 94, 2010.
ISNAD BOYALI, Ali - GÜVENÇ, Levent. "Hibrid elektrikli araçların modellenmesi ve kural tabanlı kontrolü". İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik 9/2 (2010), 83-94.