ELEKTRİKLİ BİR ŞEHİR İÇİ OTOBÜSÜN MATLAB/SİMULİNK ÜZERİNDE MODELLENMESİ PDF

Preview

Summary

ELEKTRİKLİ BİR ŞEHİR İÇİ OTOBÜSÜN MATLAB/SİMULİNK ÜZERİNDE MODELLENMESİ Umut Buğra ŞEKER Oğuzhan KARAKAŞ LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ OCAK 2019 Umut Buğra ŞEKER ve Oğuzhan KARAKAŞ tarafından hazırlanan “ELEKTRİKLİ BİR ŞEHİR İÇİ OTOBÜSÜN MATLAB/SİMULİ...

Description

ELEKTRİKLİ BİR ŞEHİR İÇİ OTOBÜSÜN MATLAB/SİMULİNK ÜZERİNDE MODELLENMESİ

Umut Buğra ŞEKER Oğuzhan KARAKAŞ

LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

OCAK 2019

Umut Buğra ŞEKER ve Oğuzhan KARAKAŞ tarafından hazırlanan “ELEKTRİKLİ BİR

ŞEHİR

İÇİ

OTOBÜSÜN

MATLAB/SİMULİNK

ÜZERİNDE

MODELLENMESİ” adlı bu tezin Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.

Doç. Dr. Hamit SOLMAZ

……………………………

Tez Danışmanı

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği/çokluğu ile Otomotiv Mühendisliği Bölümünde Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.

Prof. Dr. Can ÇINAR

……………………………

Doç. Dr. Melih OKUR

……………………………

Doç. Dr. Hamit SOLMAZ

……………………………

Bu tez, G. Ü. Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği’nce onanmıştır. Prof. Dr. H. Serdar YÜCESU Otomotiv Mühendisliği Bölüm Başkanı

……………………………

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığımız bu tez çalışmasında; 

Tez içinde sunduğumuz verilerin, bilgilerin ve dokümanların akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimizi,



Elde edilen tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumuzu,



Tez çalışmamızda özgün verilerimiz dışında kalan ve tezde yararlanılan eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimizi,



Tez çalışmasında kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımızı,



Bu tezde sunduğumuz çalışmanın özgün olduğunu ve başka bir yerde sunulmadığını beyan ederiz.

Oğuzhan KARAKAŞ

Umut Buğra ŞEKER

iv

ELEKTRİKLİ BİR ŞEHİR İÇİ OTOBÜSÜN MATLAB/SİMULİNK ÜZERİNDE MODELLENMESİ

(Lisans Tezi) Oğuzhan KARAKAŞ Umut Buğra ŞEKER GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ

Ocak 2019 ÖZET 19. yüzyılda içten yanmalı motorun keşfinden itibaren Dünya üzerinde ulaşım ve ulaştırma için kullanılan taşıtların büyük bölümünde petrol ve türevleri kullanılmaktadır. 100 yılı aşkın bir süredir dünya çapında kullanılan en büyük enerji kaynağı petrolün, yol açtığı çevre kirliliği, rezervlerinin tükenme tehlikesi ve varil fiyatının gün geçtikçe artması bilim insanlarını daha temiz ve daha verimli olan temiz enerji kaynakları geliştirmeye teşvik etmiştir. Elektrikli taşıtlar, içten yanmalı motora sahip geleneksel taşıtlara göre; sessizlik, yüksek verim, düşük yakıt tüketimi ve düşük bakım maliyetleri gibi avantajlara sahiptir. Bu tez çalışmasında ülkemizde çok sayıda bulunan ve sıklıkla kullanılan şehir içi otobüsler ele alınmış; elektrik motoru kullanımına geçildiğinde ne gibi avantajlar sağlanacağını bulmak, maliyetlerin ne olacağını hesaplamak ve bu değişimin ne kadar uygulanabilir olacağını ortaya koymak amacıyla yapılmıştır. Şehir içi otobüs kullanımının ortaya çıkardığı emisyon, yakıt-bakım masrafı, gürültü kirliliği gibi kavramlar göz önünde bulundurularak MATLAB/Simulink ortamında tam elektrikli şehir içi kullanıma yönelik 12 metre otobüs modellenmiştir.

v

Modellenen taşıt için elektrik motoru olarak TM4 firmasının “SUMO HD HV3500” modeli seçilmiştir. Simülasyon işlemi için Ankara şehir içi otobüs hatlarından birisi olan 541 Eryaman-Kızılay hattında sürüş çevrimi çıkartılmış ve simülasyonlar bu çevrim üzerine uygulanmıştır. Yapılan simülasyonların sonucunda toplam menzil, kalan menzil ve enerji tüketimleri incelenmiş, otobüsün farklı ağırlıkları için karşılaştırmalar yapılmıştır. Rejeneratif frenlemenin batarya durumuna etkileri araştırılmıştır. Taşıta etkiyen direnç değerleri değiştirilerek simülasyonlar tekrarlanmış ve dirençlerin batarya kullanımına ve menzile etkisi incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler : Elektrik Motoru, Elektrikli Taşıt Modelleme, Elektrikli Taşıt Simülasyon, MATLAB/Simulink, NEDC, Elektrikli Taşıt, Elektrikli Otobüs Sayfa Adedi

: 80

Tez Danışmanı

: Doç. Dr. Hamit SOLMAZ

vi

MODELING OF AN ELECTRICAL BUS WITH MATLAB/SIMULINK

(Thesis) Oğuzhan KARAKAŞ Umut Buğra ŞEKER

GAZI UNIVERSITY FACULTY OF TECHNOLOGY

January 2019

ABSTRACT

Since the discovery of the internal combustion engine in the 19th century, petroleum and its derivatives are used in most of the vehicles which is using for transportation on the Earth. The environmental pollution caused by petroleum, the largest energy source used worldwide for over 100 years, the danger of depletion of the reserves and the increase in the price of the barrels have encouraged scientists to develop cleaner and more efficient clean energy sources. Electric vehicles, according to conventional vehicles with internal combustion engine; has advantages such as noislessness, high efficiency, low fuel consumption and low maintenance costs. In this thesis, city buses, which are frequently used worldwide and in our country, have been handled to find out what advantages will be provided when the electric motor is switched to use, to calculate what the costs will be and to show how this change can be applied. Considering the concepts such as emission, fuelmaintenance costs and noise pollution caused by the use of city buses, a 12-meter bus is modeled in MATLAB / Simulink environment for full electrical urban use.

vii

The HV SUMO HD HV3500 model of TM4 was chosen as the electric motor for the modeled vehicle. For the simulation process, driving cycle has generated in 541 Eryaman-Kızılay line which is one of the urban bus lines and simulations were applied on this cycle. As a result of the simulations performed, total range, remaining range and energy consumptions were examined and comparisons were made for the different weights of the bus. The effects of regenerative braking on battery status were investigated. Simulations were repeated by changing the resistance values and the effects on battery usage and range were investigated.

Keywords

: Electric Engine, Modelling of An Electric Vehicle, Simulation

of An Electric Vehicle, MATLAB/Simulink, NEDC, Electric Vehicle, Electrical Bus Number of Pages

: 80

Supervisor

: Assoc. Prof. Dr. Hamit SOLMAZ

viii

TEŞEKKÜR Bu çalışmasında bizlere yardımlarını esirgemeyen danışmanımız Sayın Doç. Dr. Hamit SOLMAZ’a, Sayın Doç. Dr. Fatih ŞAHİN’e, Sayın Öğr. Gör. Dr. Mustafa Baha BAYRAM’a ve çalışmamıza destek olan Yağız ŞENAL’a teşekkürü bir borç biliriz. Ayrıca bizim için hiçbir fedakârlıktan kaçınmayan ve bize sürekli destek olan ailelerimize sonsuz teşekkür ve sevgilerimizi sunarız.

ix

İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET....………………………………………………………………………….......iv ABSTRACT…………………………………………………………………………vi TEŞEKKÜR…………………………………………………………………..........viii İÇİNDEKİLER………………………………………………………………………ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ…………………………………………….……………xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ…………………………………………………………….xiii RESİMLERİN LİSTESİ………………………………………………………...….xvi SİMGELER VE KISALTMALAR……………………………………...………....xvii 1. GİRİŞ…………………………………………………………………………..…..1 2. ELEKTRİKLİ ARAÇLAR…………………………………………………………9 2.1. Hibrit Elektrikli Araçlar………………………………………...……….10 2.1.1. Seri-Hibrit elektrikli araçlar……………..…………………….11 2.1.2. Paralel-Hibrit elektrikli araçlar…………….………………….12 2.1.3. Seri-Paralel hibrit araçlar…………..………………………….13 2.2. Hibrit Araçların Avantajları……………………………………………..13 2.3. Hibrit Araçların Dezavantajları..………………………………………..13 2.4. Elektrikli Araçların Avantajları………………………………………....14 2.5. Elektrikli Araçların Dezavantajları……………………………………...14 2.6. Türkiye ve Elektrikli Araçlar……………………………………………14 3. LİTERATÜR TARAMASI……………………………………………………….15

x

4. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA VE MODELLEMEDE KULLANILAN BİLEŞENLER……………………………………………………………………….20 4.1. Elektrik Motorları……………………………………………………….20 4.1.1. Doğru akım (DC) motor…………………..…………………...21 4.1.2. Asenkron motor……………………………………………….22 4.1.3. Sürekli mıknatıslı senkron motor………………….…………..23 4.1.4. Anahtarlamalı relüktans motor……………………..………….24 4.1.5. Elektrik motoru seçimini neler etkiler………………..……….26 4.2. Bataryalar……………………………………………………………….27 4.2.1. Kurşun-Asit (Pb-Acid) piller……………………………….…29 4.2.2. Nikel-Kadmiyum (NiCd) piller………………………….….…29 4.2.3. Nikel metal hidrit (NiMH) piller…………………………..…..30 4.2.4. Lityum iyon (Li-ion) piller……………………………….……30 4.2.5. Lityum iyon polimer (LiPo) piller……………………….…….31 4.2.6. Lityum demir fosfat (LiFePO4) piller……………………...…..31 4.2.7. Lityum sülfür (Li-S) piller………………………………….….31 4.3. Taşıta Etki Eden Direnç Kuvvetleri……………………………………..32 4.3.1. Aerodinamik (Rüzgar) direnç kuvveti……………………..…..33 4.3.2. Yuvarlanma direnç kuvveti………………………………..…..35 4.3.3. İvmelenme direnç kuvveti…………………………………......36 4.3.4. Yokuş direnç kuvveti……………………………………….....37 4.3.5. Taşıta etkiyen toplam direnç kuvveti…………………………..38 4.4. Güç Aktarma Sistemleri…………………………………………………39 4.4.1. Zincir-Dişli veya kayış-kasnaktan oluşan sistemler…………...39 4.4.2. Batarya, elektrik motoru ve diferansiyelli sistem…………...…40 4.4.3. İki veya dört elektrik motorlu diferansiyelsiz sistem…………..40

xi

4.5. Rejeneratif Frenleme……………………………………………………41 4.6. Sürüş Çevrimleri………………………………………………………...42 4.7. Simülasyon Verileri……………………………………………………..46 5. ELEKTRİKLİ TAŞITIN MODELLENMESİ…………………………………….47 5.1. Matlab Simulink Arayüzü……………………………………………….47 5.2. Elektrik Motor Modeli…………………………………………………..47 5.3. Taşıta Etki Eden Direnç Kuvvetlerinin Modeli………………………….50 5.4. Hız Kontrol Modeli……………………………………………………...51 5.5. Güç Aktarma Sistem Modeli…………………………………………….52 5.6. Rejeneratif Fren Modeli…………………………………………………56 5.7. Enerji Tüketim Modeli…………………………………………………..57 5.8. Deney Sürüş Çevrimi……………………………………………………58 5.9. Sonuç Modeli……………………………………………………………59 6. SİMÜLASYON SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME………………………..60 6.1. Simülasyon Sonuçları ve Grafikleri……………………………………..60 6.2. Rejeneratif Frenleme Kazancı Etkisinin İncelenmesi…………………...65 6.3. Yakıt Tüketim ve Emisyon Karşılaştırması……………………………..68 6.4. Taşıt Direnç Parametrelerinin Menzile ve Batarya Tüketimine Etkisi….70 7. SONUÇ VE ÖNERİLER………………………………………………………….74 KAYNAKLAR……………………………………….……………………………..77 ÖZGEÇMİŞ……………………………………….………………………………...82

xii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge

Sayfa

Çizelge 4.1. Elektrik Motorların Karşılaştırılması…………………………………..26 Çizelge 4.2. Elektrikli Taşıt Üreticilerinin Kullandığı Batarya Teknolojileri……..…28 Çizelge 4.3. Hibrit Elektrikli Taşıt Bataryaları ve Güç Yoğunlukları……………..…28 Çizelge 4.4. Elektrikli araçlarda kullanılan pil teknolojileri………………………....29 Çizelge 4.5. Lityum Batarya Karakteristik Özellikleri………………………………32 Çizelge 4.6. Farklı Taşıt Tipleri İçin Aerodinamik Direnç Katsayıları……………....34 Çizelge 4.7. Farklı Yol Şartları İçin Yuvarlanma Direnç Katsayıları…………….…35 Çizelge 4.8. Araca Etkiyen Dirençlerin Etkilerinin Kıyaslanması……………….….38 Çizelge 4.9. Simülasyon Verileri…………………………………….……………...46 Çizelge 5.1. Elektrik motorunun Özellikleri…………………………………..……..48 Çizelge 5.2. Deney Sürüş Çevrimi Özellikleri…………………………….…….…...58 Çizelge 6.1. Araç Ağırlığına Göre Batarya Tüketimleri………………………..……63 Çizelge 6.2. Rejeneratif Frenleme Açık/Kapalı Sonuçlar…………………….….…..65 Çizelge 6.3. Yakıt Tüketim Değerleri……………………………….….……………68 Çizelge 6.4. Aerodinamik Direncin Etkileri……………………………………..…..70 Çizelge 6.5. Yuvarlanma Direnci Etkileri…………………………………….……..70

xiii

ŞEKİLLERİN LİSTESİ Sayfa

Şekil

Şekil 2.1. Tam Elektrikli Araç………………………………………………………...9 Şekil 2.2. Seri Hibrit Araç…………………………….……………………………..11 Şekil 2.3. Paralel Hibrit Araç………………………………………………………...12 Şekil 4.1. Elektrik Motorlarının Sınıflandırılması…………………………………...20 Şekil 4.2. DC Motor Bileşenleri……………………………………………………..21 Şekil 4.3. DC Motor Tork-Hız Karakteristiği………………………………………..22 Şekil 4.4. Asenkron Motorların Tork-Hız Karakteristiği………………………….....23 Şekil 4.5. Yüzey Mıknatıslı Ve İçten Mıknatıslı Senkron Motor……………………23 Şekil 4.6. Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor………………………………………...24 Şekil 4.7. Anahtarlamalı Relüktans Motor Tork-Hız Karakteristiği…………………25 Şekil 4.8. Elektrikli

Araçlarda

Kullanılacak

Motordan

Beklenen

Tork-Hız

Karakteristiği………………………………………………………………………...26 Şekil 4.9. Taşıta Etkiyen Direnç Kuvvetleri……………………………………..…..32 Şekil 4.10. Hareket Halindeki Bir Taşıtın Basınç Dağılımı………………………….33 Şekil 4.11. Taşıt Hızının Yuvarlanma Direncine Etkisi……………………………...36 Şekil 4.12. Yol Eğim Açısının Gösterimi…………………………………………....37 Şekil 4.13. Tek Elektrik Motoru ve Diferansiyelli Sistem…………………………...40 Şekil 4.14. İki veya Dört Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem……….41 Şekil 4.15. Rejeneratif Mod On-Off Batarya Şarj durumu…………………………..41 Şekil 4.16. UDC Driving Cycle……………………………………………………...42 Şekil 4.17. US06 Driving Cycle……………………………………………………..43

xiv

Şekil 4.18. Artemis Urban Driving Cycle……………………………………………43 Şekil 4.19. NEDC Driving Cycle…………………………………………………....44 Şekil 4.20. EUDC Driving Cycle……………………………………………………44 Şekil 4.21. ECE-15 Driving Cycle…………………………………………………..45 Şekil 4.22. Highway Fuel Economy Test Cycle…………………………………….45 Şekil 5.1. Elektrik Motorunun Performans Eğrisi…………………………………...49 Şekil 5.2. Elektrik Motor Modeli…………………………………………………….49 Şekil 5.3. Taşıta Etkiyen Direnç Kuvvetleri Hesap Modeli…………………………50 Şekil 5.4. Taşıta Etkiyen Toplam Direnç Torku Modeli…………………………….50 Şekil 5.5. Hız Kontrol Modeli……………………………………………………….52 Şekil 5.6. Powertrain Modeli……………………………………………………..….52 Şekil 5.7. Güç Aktarma Sistemi Modeli…………………………………………….56 Şekil 5.8. Rejeneratif Fren Modeli………………………………………..………...56 Şekil 5.9. “State of Charge” Enerji Tüketim Modeli…………………….………….57 Şekil 5.10. Deney Sürüş Çevrimi……………………………………………………58 Şekil 5.11. Sonuç Modeli……………………………………………………………59 Şekil 6.1. Sürüş Çevrimi ve Taşıt Hızı……………………………………………….60 Şekil 6.2. Elektrik Motor Tork Grafiği ……………………………………………...61 Şekil 6.3. Elektrik Motor Devir Grafiği……………………………………………...61 Şekil 6.4. Taşıt İvme Grafiği………………………………………………………...62 Şekil 6.5. Taşıt Hız Grafiği…………………………………………………………..62 Şekil 6.6. Kat edilen Yol Grafiği……………………………………………….……63 Şekil 6.7. Batarya Tüketim Grafiği…………………………………………………..64

xv

Şekil 6.8. Rejeneratif Frenleme Kazancının Toplam Menzile Etkisi……………….66 Şekil 6.9. Rejeneratif Frenleme Kazancının Kalan Menzile Etkisi………………….66 Şekil 6.10. Rejeneratif Frenleme Kazancının 100 Km’de Harcanan Batarya Kapasitesine Etkisi…………………………………………………………………..67 Şekil 6.11. Emisyon Değerleri………………………………………………………69 Şekil 6.12. Aerodinamik Direnç Katsayısının Toplam ve Kalan Menzile Etkisi…….71 Şekil 6.13. Aerodinamik Direnç Katsayısının Batarya % ve 100 Km’de Harcanan Kapasiteye Etkisi…………………………………………………………………….71 Şekil 6.14. Yuvarlanma Direnç Katsayısının Toplam ve Kalan Menzile Etkisi…….72 Şekil 6.15. Yuvarlanma Direnç Katsayısının Batarya % ve 100 Km’de Harcanan Kapasiteye Etkisi…………………………………………………………………….72

xvi

RESİMLERİN LİSTESİ Resim

Sayfa

Resim 1.1. Gustave Trouvé’nin Elektrikli Taşıtı….…………………….…………….6 Resim 1.2. Elektromote İsimli Troleybüs (1882)…………………………………......7 Resim 1.3. Electrobats İsimli New York Taksi (1901)…………………………..……7 Resim 2.1. Hibrit Araç Şematik Gösterimi……………………………………..……10 Resim 4.1. Anahtarlamalı Relüktans Motor Stator Ve Rotoru……………………....25 Resim 5.1. TM4 SUMO HD HV3500 ve Reflex CO300-HV………………………..48 Resim 5.2. ZF Rear Axle System AV 133……………………………………..…….53

xvii

SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simge

Simge Adı

Birimi

idiff

Diferansiyel Redüksiyon Oranı

-

ηdiff

Diferansiyel Verimi

-

ηmotor

Elektrik Motoru Verimi

-

Iaks

Aks Atalet Momenti

kgm2

Iteker

Teker Atalet Momenti

kgm2

Itoplam

Toplam Atalet Momenti

kgm2

ρ

Hava Yoğunluğu

kg/m3

Af

Taşıt Ön Kesit Alanı

m2

Cd

Aerodinamik Direnç Katsayısı

-

𝒇𝒓𝒐

Yuvarlanma Direnç Katsayısı

-

TKütle

Toplam Taşıt Kütlesi

kg

Acclow

Alçak Gerilim Aksesuarlarının Gücü

W

Acchigh

Yüksek Gerilim Aksesuarlarının Gücü

W

ηinventör

İnvertör Verimi

-

ηKonvertör

Konvertör Verimi

-

ηbatarya

Batarya Verimi

-

rw

Teker Yarıçapı

m

Batcap

Batarya Kapasitesi

kWh

g

Yerçekimi İvmesi

m/s2

Mnet

Net Torku

Nm

Mmotor

Motor Torku

Nm

Mload

Toplam Direnç Torku

Nm

Mdout

Diferansiyel Çıkış Torku

Nm

Mdin

Diferansiyel Giriş Torku

Nm

Maks

Aks Torku

Nm

xviii

Mtekerlek

Tekerlek Torku

Nm

ẇaks

Aks Açısal İvmesi

rad/s2

ẇmotor

Elektrik Motoru Açısal İvmesi

rad/s2

ẇtekerlek

Tekerlek Açısal İvmesi

rad/s2

wmotor

Elektrik Motoru Açısal Hızı

rad/s

Kısaltma

Açıklama

EGO

Elektrik – Gaz – Otobüs Genel Müdürlüğü

LPG

Likit Petrol Gazı

CNG

Sıkıştırılmış Doğal Gaz

NEDC

Yeni Avrupa Sürüş Çevrimi

WLTP

Küresel Uyumlu Hafif Araç Test Prosedürü

EUDC

Extra Urban Driving Cycle

HWFET

The Highway Fuel Economy Test

UDC

Urban Driving Circle

SFTP-US06

Supplemental Federal Test Procedure

DAM

Doğru Akım Motoru

ARM

Anahtarlamalı Relüktans Motor

SMSM

Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor

ASM

Asenkron Motor

İYM

İçten Yanmalı Motor

EM

Elektrik Motoru

DC

Doğru Akım

AC

Alternatif Akım

ET

Elektrikli Taşıt

NiMH

Nikel Metal Hidrür

Pb-Acid

Kurşun-Asit

NiCd

Nikel Kadmiyum

Li-ion

Lityum İyon

xix

LiPo

Lityum İyon Polimer

LiFePO4

Lityum Demir Fosfat

Li-S

Lityum Sülfür

SOC

State of Charge (Batarya Şarj Durumu)

GPS

Global Positioning System

1

1. GİRİŞ 100 yılı aşkın bir süredir dünya çapında kullanılan en büyük enerji kaynağı petrolün, yol açtığı çevre kirliliği, rezervlerinin tükenme tehlikesi ve varil fiyatının gün geçtikçe artması bilim insanlarını daha temiz ve daha verimli olan temiz enerji kaynakları geliştirmeye teşvik etmiştir. Bu yönde yapılan çalışmalar hala sürmektedir. Petrol ve türevi ürünlerin en çok kullanıldığı sektörleri ulaşım, taşıma ve ısıtma olarak sınıflandırmak mümkündür. 19. yüzyılda içten yanmalı motorun keşfinden i...