Araç Takip Sistemi Verilerini Kullanarak Elektrikli ve Hibrit Taşıtlar için Enerji Yönetim Sistemi Algoritmalarının Optimizasyonu ve Ticari/Kamusal Kullanıma Yönelik Motorlu Taşıtlar için Optimal Hibritleştirme Alternatiflerinin Değerlendirilmesi

Abstract

TÜBİTAK MAG Proje01.03.2019Bir yandan toplu tasımada kullanılan sehir içi otobüsler ve servisler, öte yandan her gün yüzkilometrenin üzerinde yol kateden çöp kamyonları ve kurye araçları çok miktarda yakıttüketmektedir. Bu proje kapsamında, Ankara içinde yolcu tasımacılıgında görev yapanbelediye otobüsleri üzerinden yogun veri toplama ve simülasyon faaliyetlerini içerenanalizlerin sonuçlarına dayanarak, belediyelerin ve Ulastırma Bakanlıgı?nın gelecekte içtenyanmalı motora sahip tasıtlar yerine elektrikli ve/veya hibrit tasıtların kullanması halinde,saglanabilecek yakıt tasarrufunun analizine yönelik bir arastırma yapılmıstır. Baska birdeyisle, mevcut tasıtların ya elektrikli araca ya hibrit araca dönüsümü yapılarak ve bunlarınenerji yönetim algoritmalarını (proje esnasında elde edilme yöntemi çözümlenen sürüsçevrimlerine göre) optimize etmek suretiyle, teorik olarak, ne kadar yakıt tasarrufuyapılabilecegi hesaplanmıstır.Proje esnasında sürüs çevrimleri bir araç takip sistemi üreticisi ile ortak çalısma yürütülerekelde edilmistir. Ayrıca bir otobüs üreticisiyle de proje ekibi veri toplayarak araç takip üreticisitarafından saglanan verilerin validasyonu yapmıstır. Proje esnasında, özgün bir yöntemle,araç takip sistemi verileri kullanılarak ülkemizin farklı sehirleri için geçerli sürüs çevrimlerinin(driving cycle) belirlenmesinde kullanılabilecek yöntemler gelistirilmis ve sonrasında buyöntemler hibritlestirme analizinde kullanılmıstır.Üstteki amaçlar dogrultusunda, bahsi geçen tasıtların güç dizini ve tasıt dinamigi modellerisanal ortamda kurulmus. Elektrik-hibrit tasıtların enerji yönetim sistemlerinin algoritmalarıliteratürden arastırılmıs ve özellikle Esdeger Enerji Minimizasyon Yöntemi (EEMY) veDinamik Programı tabanlı yöntemler gibi gelismis yöntemlerin, daha basit olan kural tabanlıyöntemlere göre ne miktarda fayda saglayacagı konusunda analizler yürütülmüstür. ÖzellikleEEMY nin gerçek zamanlı sürüs çevrimine göre güncellenmesi tabanlı özgün bir yöntemgelistirilmistir. Bu yöntem kullanılarak % 50 ye varan yakıt tüketimi tasaruffu yapmanınmümkün oldugu tespit edilmistir. Yöntem kapsamında, araç takip sistemlerinin kullanımı ileenerji yönetim sistemi parametrelerinin trafik yogunluk bilgisine göre uyarlanmasısaglanmıstır. Baska bir deyisle, sanal ortamda, trafige yeni katılan bir aracın teorik olarakbulundugu yol segmenti için hız zaman grafiginin ne sekilde olacagı yakın geçmiste bu yolsegmentinde seyahat etmis araçların araç takip sistemi verileri kullanılarak öngörülerek enerjisarfiyatı en aza indirilmistir. Dolayısıyla, sürüs çevrimleri kullanılarak elde edilmisalgoritmaların kalibrasyonunu bu yol segmenti için yapılmıstır.Projenin son asamasında üç tekerlekli, ön tekerlekleri elektrikli jant motorlu, arka tekerlegiiçten yanmalı motor tahrikli paralel hibrit mimariye sahip bir tasıt üretilmistir. Bu tasıtın tasıtkontrol bilgisayarına projenin teorik asamaları esnasında tasarlanan hibrit enerji yönetimalgoritmaları kodlanmıstır. Hacettepe kampüsünde hız-zaman verileri toplanmıstır. Elde edilenverilerden basitlestirilmis bir sürüs çevrimi türetilmistir. Kontrollü deneylerin yapılabilmesiadına Hacettepe Ü. Otomotiv Laboratuvarında bulunan dinamometre deney düzenegiüzerinde özgün bir test prosedürü gelistirilmistir. Test esnasında içten yanmalı motorun veelektrikli jant motorlarının (sökülüp paralel bir araca monte edilerek) dinamometretamburlarının es zamanlı olarak tahrik etmesi mümkün kılınmıstır. Deneysel sonuçlar,projenin teorik asamalarında da gösterildigi gibi, hibrit tasıtların kullanılması halinde, EEMYnin, diger yöntemlere göre, çok daha fazla yakıt tasarrufu saglayabildigini göstermektedir.Hem teorik hem de pratik sonuçlar sürüs çevrimi hakkında bilgi sahibi olundugunda (ki busehir için yolcu tasımacılıgında kullanılan tasıtlar için son derece geçerlidir), üstte bahsi geçenhibrit enerji yönetim algoritmasının yakıt tüketimini azaltmada büyük potansiyeli oldugunukanıtlamaktadır.Both city buses and personnel services that are used in public transportation on the one hand andgarbage trucks and courier vehicles on the other travel more than a hundred kilometers per dayand consume substantial amounts of fuel. Within the scope of this project, based on results basedon intensive data collection and simulation activities related to municipal buses serving the city ofAnkara, a research study about the analysis of potential fuel savings, that could be provided ifmunicipalities and the Ministry of Transport used electric and/or hybrid vehicles instead of vehicleswith internal combustion engines, has been carried out. In other words, the amount of fuel savingshas theoretically been calculated by transforming the existing vehicles to either electric or hybridvehicles and by optimizing their energy management algorithms (according to the driving cyclesobtained during the project).During the project, driving cycles were obtained by collaborating with a vehicle tracking systemmanufacturer. In addition, together with a bus manufacturer, the project team collectedexperimental data and validated the data provided by the vehicle tracking system manufacturer.Original methods were developed to determine driving cycles for the different cities of our countryand were used in the subsequent hybridization analyses.For the above mentioned purposes, powertrain and vehicle dynamics models of aforementionedvehicles were established in the virtual environment. The algorithms of the energy managementsystems of the electric/hybrid vehicles have been investigated from the literature and analyseshave been carried out to determine the benefits of advanced methods such as the EquivalentConsumption Minimization Strategy (ECMS) and Dynamic Programming based methodscompared to simpler rule based methods. In particular, an original method based on adaptive-ECMS, which consists in scheduling control parameters according to the real–time driving cyclehas been developed. By using this method, it was found that fuel consumption savings up to 50%fuel consumption were possible. Within the scope of the method, the parameters of the energymanagement system were adapted to the traffic density information provided by the vehicletracking system. In other words, in the virtual environment, the speed time graph for the roadsegment where the ego vehicle is about to travel is predicted theoretically, using the vehicletracking system data of vehicles that travelled on the same road segment in the recent past.Thereby, the calibration of the hybrid energy system algorithms is made possible by using drivingcycles calculated for the road segment under interest.In the final stage of the project, a three–wheeled parallel hybrid vehicle with electric hub motorsat the front wheels and an internal combustion engine driven rear wheel has been constructed.The hybrid energy management system algorithms designed during the theoretical stages of theproject, have been coded to the vehicle control computer of this vehicle. Speed – time data havebeen collected in the Hacettepe University campus and a simplified driving cycle has beenobtained according to the data. In order to carry out controlled experiments, a unique testprocedure has been developed on the dynamometer test setup in the Hacettepe UniversityAutomotive Laboratory. During the tests, internal combustion engine and electric hub motors(which were disassembled and mounted to a separate vehicle chassis) were made to drivedynamometer drums simultaneously. Experimental results show that ECMS can provide muchmore fuel savings than other methods as also shown in the theoretical stages of the project. Boththe theoretical and practical results prove that the hybrid energy management algorithmmentioned above has a great potential in reducing fuel consumption, when the driving cycle ismore or less known, which is quite valid for vehicles used in urban passanger transportation thatgenerally have fixed routes.Keywords: Electric Vehicle, Hybrid Vehicle, Energy Management System, Equivalent EnergyMinimization Strateg