ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ Programı
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Hamdi UÇAROL Anabilim Dalı : ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ Programı : ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ MAYIS 2003 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Hamdi UÇAROL (504991190) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 5 Mayıs 2003 Tezin Savunulduğu Tarih : 29 Mayıs 2003 Tez Danışmanı : Prof. Dr. Adnan KAYPMAZ Diğer Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Belgin TÜRKAY Doç. Dr. Mehmet Sait TÜRKÖZ MAYIS 2003 ÖNSÖZ Yüksek lisans tezimin hazırlanmasında yardımlarını esirgemeyen, başta değerli hocam, Sayın Prof. Dr. Adnan Kaypmaz’a; Sayın Prof. Dr. Nejat Tunçay’a, TÜBİTAK-MAM’daki iş arkadaşlarıma, sevgi ve desteklerini her zaman yanında hissettiğim aileme teşekkürlerimi sunarım. Mayıs 2003 Müh. Hamdi UÇAROL ii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ii KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vi ŞEKİL LİSTESİ vii ÖZET viii SUMMARY ix 1. GİRİŞ 1 2. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ 3 2.1 Seri Karma Elektrikli Araç 3 2.2 Paralel Karma Elektrikli Araç 5 2.3 Seri-Paralel Karma Elektrikli Araç 6 3. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ALT SİSTEMLERİ 7 3.1 Enerji Yönetimi 7 3.1.1 Sınıflandırma 7 3.1.2 Enerji akışı kontrolu 8 3.1.2.1 Seri karma kontrol 10 3.1.2.2 Paralel karma kontrol 11 3.1.2.3 Seri-paralel karma kontrol 13 3.1.2.4 Kompleks karma kontrol 15 3.2 Elektrik Motorları 19 3.2.1 Asenkron motorlar 24 3.2.2 Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar 26 3.2.3 Anahtarlamalı relüktans motoru 28 3.3 Yakıt Pilleri 28 3.4 Enerji Depolama Sistemleri 36 3.4.1 Aküler 36 3.4.1.1 Kurşun-asit aküler 38 3.4.1.2 Nikel-kadmiyum aküler 40 iii 3.4.1.3 Nikel-metal hidrid aküler 41 3.4.1.4 Nikel-çinko aküler 42 3.4.1.5 Sodyum-sülfür aküler 42 3.4.1.6 Çinko-hava aküler 42 3.4.1.7 Zebra aküler 43 3.4.1.8 Lityum aküler 43 3.4.2 Süperkapasitör(Ultrakapasitör) 47 3.4.3 Volan 49 3.5 Simülasyon Programları 49 3.5.1 SIMPLEV 49 3.5.2 CarSim 50 3.5.3 HVEC 50 3.5.4 CSM HEV 50 3.5.5 V-Elph 50 3.5.6 ADVANCE 51 3.5.7 VTB 51 3.5.8 ADVISOR 52 4. KARŞILAŞTIRMA 57 5. UYGULAMA 70 6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 73 7. KAYNAKLAR 75 EK A 77 ÖZGEÇMİŞ 80 iv KISALTMALAR AC : Alternatif Akım DC : Doğru Akım PAFC : Fosforik asit yakıt pili AFC : Alkalin yakıt pili MCFC : Ergimiş karbonatlı yakıt pili PWM : Pulse With Modulation SOFC : Katı oksit yakıt pili SPFC : Katı polimer yakıt pili DMFC : Direkt metanol yakıt pili APU : Auxillary Power Unit VVVF : Variable voltage variable frequency FOC : Field orinted control MARC : Model reference adaptive control STC : Self-tuning control VSC : Variable structure control NNC : Neural network control DSP : Digital signal processor GTO : Gate turn-off thyristor BJT : Bipolar-junction transistor MOSFET : Metal-oxide field-effect transistor IGBT : Insulated-gate bipolar transistor MCT : MOS-controlled thyristor PWM : Pulse width modulation CAD : Computer aided design FEM : Finite element method EM : Electromagnetic DCM : Direct current motor IM : Induction motor SRM : Switched reluctance motor PMSM : Permanent magnet synchronous motor PMBM : Permanent magnet brushless motor PMHM : Permanent magnet hybrid motor v TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 3.1 Elektrik tahrik sisteminden beklentiler ve sonuçları.................................. 20 Tablo 3.2 Karma elektrikli araçlardaki elektrik motorlarının değerlendirilmesi ....... 22 Tablo 3.3 Önemli yakıtların teorik enerji karakteristikleri ........................................ 29 Tablo 3.4 Yakıt pillerinin karakteristikleri................................................................. 30 Tablo 3.5 Yakıt pilli karma elektrikli araç demonstrasyonları .................................. 35 Tablo 3.6 DOE’nin karma elektrikli araçlardaki enerji depolama sistemi şartları .... 37 Tablo 3.7 Çeşitli akülere ait karakteristikler .............................................................. 45 Tablo 3.8 Çeşitli süperkapasitörlerin karakteristikleri ............................................... 47 Tablo 4.1 Tahrik sistemlerinin teknik detayları ......................................................... 60 Tablo 4.2 İçten yanmalı motorlu araç tahrik sistemi elemanları ................................ 61 Tablo 4.3 Seri karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları .................................. 61 Tablo 4.4 Paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları .............................. 61 Tablo 4.5. Sürüş çevrimlerinin teknik özellikleri ...................................................... 62 vi ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2.1 Karma elektrikli araç çeşitleri ....................................................................... 4 Şekil 3.1 Karma elektrikli araçların sınıflandırılması .................................................. 8 Şekil 3.2 Seri karma elektrikli araç çalışma durumları .............................................. 10 Şekil 3.3 Paralel karma elektrikli araç çalışma durumları ......................................... 12 Şekil 3.4 Seri-paralel karma elektrikli araç ( İYM ağırlıklı) çalışma durumları ........ 13 Şekil 3.5 Seri-paralel karma elektrikli araç(elektrik ağırlıklı) çalışma durumları ..... 15 Şekil 3.6 Kompleks karma (ön karma, arka elektrikli) elektrikli araç ....................... 16 Şekil 3.7 Kompleks karma (ön elektrikli, arka karma) elektrikli araç ....................... 18 Şekil 3.8 Karma elektrikli araç elektrik tahrik sisteminin genel görünümü .............. 21 Şekil 3.9 Dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi ................................... 23 Şekil 3.10 Asenkron motorun çalışma karakteristik eğrisi ........................................ 24 Şekil 3.11 Asenkron motorlar için evirici devresi ..................................................... 25 Şekil 3.12 Sürekli mıknatıslı fırçasız motor moment-hız karakteristiği .................... 26 Şekil 3.13 Anahtarlamalı relüktans motoru için evirici devresi ................................. 28 Şekil 3.14 Yakıt pilli karma elektrik araç uygulamasının şematik görünümü ........... 31 Şekil 3.15 Yakıt pili sisteminin araç üzerindeki uygulaması ..................................... 32 Şekil 3.16 Akü gücü ve şarj durumuna bağlı kullanılabilir enerji eğrisi ................... 37 Şekil 3.17 VRLA akü hücresinin gerilim karakteristiği............................................. 39 Şekil 3.18 Çeşitli akü tipleri(kurşun-asit, nikel metal hidrid, lityum-iyon) ............... 41 Şekil 3.19 Çinko-hava akü şematik diyagramı ve araç uygulaması........................... 43 Şekil 3.20 Lityum iyon akü grubu araç uygulaması .................................................. 44 Şekil 3.21 Çeşitli enerji kaynaklarının güç ve enerji yoğunlukları ............................ 46 Şekil 3.22 Süperkapasitör bankası, hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi ......... 48 Şekil 3.23 VTB bilgisayar programından görünüş (modelleme ve sonuç sayfaları) . 52 Şekil 3.24 Araç parametreleri giriş ekranı ................................................................. 53 Şekil 3.25 Simülasyon parametreleri giriş ekranı ...................................................... 54 Şekil 3.26 ADVISOR sonuç ekranı ........................................................................... 55 Şekil 3.27 ADVISOR programının grafik arayüz, veri dosyaları ve modeller arasındaki bağlantısı ............................................................................................ 56 Şekil 4.1 Karşılaştırma yapılan araç çeşitleri ............................................................. 58 Şekil 4.2 İçten yanmalı motor moment-hız ve güç-hız eğrileri ................................. 59 Şekil 4.3 Sürekli mıknatıslı elektrik motorunun moment-hız ve güç-hız eğrileri...... 59 Şekil 4.4 UDDS şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ......................................... 62 Şekil 4.5 HWFET otoban sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ....................................... 63 Şekil 4.6 NEDC şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ......................................... 63 Şekil 4.7 Araç ağırlıkları ............................................................................................ 64 Şekil 4.8 Maksimum hızlar ........................................................................................ 65 Şekil 4.9 İvmelenme süreleri...................................................................................... 65 Şekil 4.10 Yokuş çıkma kabiliyetleri ......................................................................... 66 Şekil 4.11 Değişik sürüş çevrimlerindeki yakıt tüketimleri ....................................... 67 Şekil 4.12 Değişik sürüş çevrimlerindeki toplam sistem verimi ............................... 67 Şekil 5.1 Araç yerleşiminden bir görüntü .................................................................. 71 vii KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ÖZET Enerji tasarrufunun ve çevre duyarlılığının giderek önem kazandığı günümüzde, hava kirliliğinin azalmasına, yakıt tüketiminin azalmasına ve ithal edilen petrole bağımlılığın azalmasına önemli derecede katkıda bulunan karma elektrikli araçlar, konvansiyonel içten yanmalı motorlu araçlara bir alternatif olma yönünde olumlu şekilde ilerlemektedirler. Karma elektrikli araç, en az iki enerji depolama elemanından(örneğin; yakıt deposu, akü, volan, süperkapasitör, basınç tankı) alınan enerjinin, en az iki enerji dönüştürücü eleman(örneğin; içten yanmalı motor, gaz türbini, elektrik motoru, hidrolik motoru, yakıt pili) vasıtasıyla tekerlere hareket enerjisi olarak verildiği araçtır. Enerji depolama elemanlarından aracın tekerlerine doğru akan enerji yollarının en azından bir tanesinde enerji akışı çift yönlüyken, en azından bir tanesinde