hibrit araçlarda motor, Thesis of Physics

Download hibrit araçlarda motor and more Thesis Physics in PDF only on Docsity!

KIRIKKALE ÜN İ VERS İ TES İ

FEN B İ L İ MLER İ ENST İ TÜSÜ

ELEKTR İ K-ELEKTRON İ K ANAB İ L İ M DALI

YÜKSEK L İ SANS TEZ İ

H İ BR İ T ARAÇLARDA ELEKTR İ K MOTORU DENET İ M İ

YUNUS DEM İ RC İ

EYLÜL 2010

Elektrik-Elektronik Anabilim Dalında Yunus Demirci tarafından hazırlanan HİBRİT ARAÇLARDA ELEKTRİK MOTORU DENETİMİ adlı Yüksek Lisans Tezinin Anabilim Dalı standartlarına uygun olduğunu onaylarım.

Doç Dr. Ediz POLAT Anabilim Dalı Başkanı

Bu tezi okuduğumu ve tezin Yüksek Lisans Tezi olarak bütün gereklilikleri yerine getirdiğini onaylarım.

Yrd. Doç. Dr. Ata SEVİNÇ Danışman

Jüri Üyeleri

Başkan : Yrd. Doç. Dr. Murat LÜY ___________________ Üye (Danışman) : Yrd. Doç. Dr. Ata SEVİNÇ ___________________ Üye : Yrd. Doç. Dr. Tolga EREN___________________

Bu tez ile Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onaylamıştır.

Prof. Dr. Burak BİRGÖREN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ii

ilişkisi modellenmiştir. Ayrıca yakıt tasarrufunu ölçmek için batarya şarj durumundaki değişikliğin yakıt karşılığının hesaplanması ile, belli başlı yol ve hız değişimi şartlarında enerji geri kazanımının başarı ölçütleri hakkında bazı tespitlerde bulunulmuştur. Yalnız içten yanmalı motor kullanıldığı durumun simülasyonunda aracın daha hafif olduğu unutulmamış, yakıt tüketimi karşılaştırmasının gerçekçi olmasına dikkat edilmiştir.

Sonuç olarak, modellenen hibrit araç üzerinde hem tekrarlanan dur-kalk, hem de yokuş çıkış-iniş şartlarında önemli oranda yakıt tasarrufu sağlanmıştır. Asenkron motorun alan yönlendirmeli denetiminde kullanılan mıknatıslanma akımı değerinin de enerji geri kazanım oranını önemli ölçüde etkilediği fark edilmiştir.

Anahtar Kelimeler : Hibrit Elektrikli Araçlar, Elektrikli Araçlarda Motor Kontrolü, Paralel Hibrit Araçlar.

iii

ABSTRACT

ENGINE CONTROL IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE

DEMİRCİ, Yunus Kırıkkale University Graduate School of Natural and Applied Sciences Electrical and Electronics Engineering, MSc Thesis Supervisor: Assist. Prof. Dr. Ata SEVİNÇ September 2010, 74 pages

The interest for hybrid electric vehicles has increased rapidly in automotive technologies in parallel to the search for usage of efficient energy and availability of clean energy resources. If the appropriate system configuration is selected by examining the road conditions of the region, hybrid electric vehicles are more successful comparing to conventional vehicles in terms of fuel consumption and emissions.

By modeling and controlling a hybrid vehicle's electric motor in MATLAB environment in this thesis, it is aimed to compare the fuel consumption of hybrid operation with that of only the internal combustion engine operation according to the simulation results.

The history of hybrid vehicles, general hybrid structures, some mass production hybrid vehicles, electric motors, battery models and transmission systems in hybrid vehicles have been summarized in the thesis as background knowledge. A system that modeled for internal combustion engine and electric motor driving the same shaft in parallel has been considered in the main study. Li-ion battery and an induction motor have been used as battery and electric motor. No other machine is used as a generator; by operating the same induction motor in generating mode, the lost energy is partly recovered during braking of a normal vehicle. Field oriented control is used as the induction motor control method. The relations about how the

v

TE Ş EKKÜR

Öncelikle Tezimin hazırlanması esnasında desteklerinden dolayı aileme ve hiçbir yardımı esirgemeyen ve bizlere büyük destek olan, bilimsel imkânlarını sonuna kadar bizlerin hizmetine veren, çalışmalarımızda zamanını esirgemeyen tez yöneticisi hocam, Sayın Yrd. Doç. Dr. Ata SEVİNÇ’e teşekkür ederim.

vi

İ Ç İ NDEK İ LER D İ Z İ N İ

Sayfa

ÖZET ………………………………………………………………..…..….. ii ABSTRACT …………………………………………………………….….. iii TE Ş EKKÜR ………………………………………………………..…..….. v İ Ç İ NDEK İ LER ……………………………………………………..….….. vi Ş EK İ LLER D İ Z İ N İ………………………………………………..…..….. ix Ç İ ZELGELER D İ Z İ N İ……………………………………………..…….. xii S İ MGELER D İ Z İ N İ …………………………………………..………….. xiii KISALTMALAR D İ Z İ N İ ………………………………………………... xv 1.G İ R İŞ……………………………………………………………….……. 1 1.1. Problem Tanımı…………………………………………...…….….. 1 1.2. Zorluklar kısıtlamalar……………………………………..…….….. 1 1.3.Hibrit Araçların Tarihçesi……………………………………….….. 2 1.4. Literatür Özeti……………………………………………..……….. 4 1.5. Tezin Ana Hatları…………………………………………..…...….. 6

2. H İ BR İ T ARAÇLAR HAKKINDA GENEL B İ LG İ LER ………...….. 7 2.1. Hibrit Araç Türleri ……………………………….…………….….. 7 2.1.1. Seri Hibrit Model.…………………………………….……… 7 2.1.2. Paralel Hibrit Model..………………………………….……... 8 2.1.3. Seri-Paralel Hibrit Model.……………………………..……... 10 2.2. Günümüzdeki Popüler Paralel Hibrit Araç Modelleri ve Genel Özellikleri...........................................................................….……… 11 2.2.1. Honda Şirketinin Insight Modeli…………………….……….. 11 2.2.2. Honda Firmasının Civic Modeli……………………….…….. 12 2.2.3. Toyota Firmasının Prius Modeli……………………….…….. 13 2.3. Prototip Ve Deneysel Hibrit Elektrikli Araçlar…………….…......... 14 2.3.1. Elit-1 Modeli………………….……………………….……... 14 2.3.2. Hibrid Transit Modeli………………………………….…….. 15 2.4. Hibrit Araçlarda Kullanılan Başlıca Elektrik Motorları……………. 16 2.4.1. Doğru Akım Elektrik Motorları……………………….……... 16

ix

Ş EK İ LLER D İ Z İ N İ

 - 2.4.2. Alternatif Akım Motorları………………….………………… - 2.4.2.1. Asenkron (Endüksiyon) Elektrik Motorları………….. - 2.4.2.2. Senkron Motorlar…………………….……….……… - 2.4.2.3. Fırçasız Doğru Akım Motorları……………….……... - 2.4.2.4. Servo Motorlar……………………………….………. 

• 2.5. Pil Modelleri……………………..………………………….……...
  • 2.5.1. Kurşun Asitli Piller………………………………….………..
  • 2.5.2. Nikel Kadmiyum Piller (Ni-Cd)……………………………...
  • 2.5.3. Nikel Metal Piller (Ni-MH)………………...………………... - Sebebi……………………………...……….….….….……….. 2.5.4. Lityum İyon Piller (Li-ion) ve Hibrit Araçlarda Kullanım
• 2.6. Süper Kapasitörler…………………………….…………….………
• 2.7. Eviriciler .…………...………………………………………………
• 2.8. Gezegen Dişli Sistemi……………………………………………… - Transmission-CVT)………………………………..………........... 2.9. Sürekli Değişken Otomatik Şanzıman (Continuously Variable
• 3. MODELLEME VE S İ MÜLASYON …………………….…………….
  • 3.1. Batarya ……………………………………………….……….........
  • 3.2. Motor…. ……………………………………………….…………...
    • 3.2.1. Koordinat dönüşümleri…………………………………........
    • 3.2.2. Asenkron Motor Modeli……….……………….……………..
  • 3.3.Alan Yönlendirmeli Kontrol (Field Oriented Control(FOC)) ………
  • 3.4. Sürücü…………………………………………….………………...
    • 3.4.1. Uzay Vektör Modülasyonu (Space Vector Modulation)……..
  • 3.5. Transmisyon………………………………….…….………….........
    • 3.5.1.Araca Etkiyen Kuvvetler………………………………………
      • 3.5.1.1. Havanın Sürtünmesi……………….…….………..………
      • 3.5.1.2. Tekerde Oluşan Sürtünme……….………...………...........
      • 3.5.1.3. Yokuş Direnci…………………….…..………..…............
    • 3.5.2. Katsayı Dönüşümleri…………..………….…………………..
  • 3.6. Yol Modelleri………………...……..………………......…..............
    • 3.6.1. Kalkış ve Duruş Modeli..……………………………..............
    • 3.6.2. Yokuş Çıkışı ve İnişi Modeli..………………………………..
  • 3.7.Yol Modellerine Göre Simülasyon Sonuçları….…………………… viii - 3.7.1. Tasarruf Sonuçlarının Değerlendirilmesi……………………..
• 4. SONUÇLAR VE ÖNER İ LER …………………………….……............
• KAYNAKLAR …………………………………………………….….........
• EKLER …………………………………………………….……….............. - EK 1. ASENKRON MOTOR MODEL İ…………………………… - EK 2. ANA PROGRAM …………………………….………............. - EK 3. BATARYA MODEL İ…………………………….………......
• 1.1. Mixte-Wagen……………………………………………..……. ŞEKİL SAYFA
• 1.2. Dual Power……………………………………………..………
• 2.1. Seri hibrit sisteminin genel yapısı……………………………...
• 2.2. Paralel hibrit sisteminin genel yapısı……………………….….
• 2.3. Seri-paralel hibrit sisteminin genel yapısı………………….…..
• 2.4. Birinci nesil Honda Insight………………………………….…
• 2.5. 2010 model Honda Insight……………………………….…….
• 2.6. Honda Civic………………………………………………….....
• 2.7. Birinci nesil Toyata Pirus…………………………………...….
• 2.8. 2010 model Toyota Prius…………………….…………….…..
• 2.9. Fiat Doblo Hibrid………………………………………...…….
• 2.10. Ford Hibrit Transit……………………………………………..
• 2.11. DC motor ve parçaları………………………………………….
  • değişimleri ……………….……………………….…………… 2.12. Mıknatıslı bir DC motor tork ve gücünün hıza karşı
• 2.13. 3 Fazlı asenkron motorun tipik tork hız eğrisi .…………...…...
• 2.14. Bilezik tipi rotor………………………………………………..
• 2.15. Kafes tipi rotor…………………………………………………
  • voltajları……………………………………………………..… 2.16. Asenkron motorda üç fazda oluşan manyetik alanlar ve giriş
• 2.17. Dıştan rotorlu fırçasız DC motor……………………………….
• 2.18. Kurşun Asit Pilin şarj durumu-voltaj eğrisi. …………………..
  • eğrisi ………............................................................................... 2.19. Nikel-Kadmiyum ve Nikel-Metal Pillerinin şarj durumu-voltaj
• 2.20. Lityum İyon Pilin sarj durumu-voltaj eğrisi …………………...
• 2.21. Lityum-İyon Pilin yapısı ………………………………..….….
• 2.22. Süper Kapasitör………………………………………..…….…
• 2.23. Süper Kapasitörlerin araç içi yerleşimi………………...………
• 2.24. H-Köprüsü bağlantı şekli……………………………...……….

xi

3.21. Asenkron model için yalnız benzin motoru ve mekanik frenlemeyle yokuş çıkış ve iniş modeli için sonuç grafikleri.…..………………………………..…………………. 59 3.22 Asenkron model için benzin motoru, asenkron motor ve geri kazanımlı frenlemeyle yokuş çıkış ve iniş modeli için sonuç grafikleri ...…...…...…...…...…...…...…...…...…...…...…...…. 60 3.23 Hibrit çalışmada yokuş çıkış ve iniş modeli için batarya akım grafiği……..…...…...…...…...…...…...…...…...…...…...…...... 60

xii

Ç İ ZELGELER D İ Z İ N İ

ÇİZELGE SAYFA

3.1. Hibrit sürüş tasarruf oranının çizelgesi…...…...…...…...…...… 62

xiv

K (^) s Sabit Sürtünme Katsayısı

Mtoplam Aracın toplam ağırlığı(kg) g Yerçekim ivmesi(m/s^2 ) b 1 Hızla orantılı sürtünme katsayısı(Ns/m)

g Yerçekimi ivmesi(m/s^2 ) α Yokuş eğim açısı c Vites dönüşüm oranı v Araç hızı[m/s]

ω m Rotor mekanik açısal hızı(rad/s)

η İletim verimi

T m Motorun üretilen herhangi bir tork bileşeni F t Tm nin tekere ulaşan kuvvet karşılığı F L Yol eğiminden gelen yük kuvveti

xv

KISALTMALAR D İ Z İ N İ

VTEC Değişebilir valf zamanlama ve elektronik çekiş kontrol sistemi DC Doğru akım AC Alternatif akım IGBT Yalıtılmış geçitli çift kutuplu transistor Ni-Cd Nikel Kadmiyum Pil Ni-MH Nikel Metal Pil Li-ion Lityum İyon Pil CVT Sürekli değişken otomatik şanzıman FOC Alan Yönlendirmeli Kontrol

2

1.3. Hibrit Araçların Tarihçesi

1900–1912 arası dönemde araçlar için menzil ve performans artırma düşüncesi oluşmaya başlamıştır. Bu amaçla 1900 yılında French Electroautomobile ve 1903 yılında Krieger elektrikli-benzinli araçları geliştirmeye çalışmışlardır. Bu araçta elektrik motor, benzinli motor ile birlikte kullanılarak ilk hibrit yapı denenmiştir.

Bilinen ilk hibrit araç olarak kabul edilen, istenildiğinde benzinli istenildiğinde elektrik motoruyla ilerleyebilen araç 1902 yılında “Mixte-Wagen” (Şekil 2.1) adıyla 27 yaşındaki Ferdinand Porsche tarafından yapılmıştır. Viyanalı bir fayton üreticisi olan Ludwig Lohner ile birlikte çalışan Porsche, 4 silindirli bir Daimler motoruna aküler, bir jeneratör ve elektrik motorları eklemiştir. Bu haliyle Mixte-Wagen, benzinli motor stop edildiğinde bile akülerin çalıştırdığı elektrikli motoruyla ilerlemeye devam edebilmekteydi. Araçta 5,2 kW anlık güç sağlayabilen elektrik motorları kullanılmıştır. Araç, 50 km/saat maksimum hız ve 50km menzil özelliklerine sahipti.

Ş ekil 1.1. Mixte-Wagen

1915 te Woods Motor Vehicle şirketi Dual Power (Şekil 1.2) adındaki hibrit aracı ile ilk paralel hibrit aracı yapmıştır. Bu sistemde aküden aldığı elektrikle çalışan elektrik motoru, dört silindirli küçük bir benzinli motor ile şafta direk bağlıdır. 25 km/saat altındaki hızlarda aracı elektrik motoru, üstündeki süratlerde(55 km/saat azami hızı) ise içten yanmalı motor götürmektedir.

3

Ş ekil 1.2. Dual Power

1921’de Owen Magnetic Toring isimli araç bataryasız seri hibrit yapıda üretilmiştir. Bu tarihten sonra 1960 yılına kadar araç üreticileri içten yanmalı motora sahip araçların üretimine ağırlık vermişlerdir. Bu nedenle 1920 ile 1960 seneleri arasında hibrit araçlarla ilgili çalışmaların duraksadığı görülür.

1960-1970 seneleri arasında Victor Wouk birçok hibrit araç tasarlayarak hibrit araçların vaftiz babası ismini almıştır. 1976 senesinde Buick Skylark isimli benzinli aracı, 16 kW’lık bir elektrik motor ekleyerek hibrit araca çevirmiştir. Çevresel Koruma Ajansı tarafından desteklenen çalışmaları, ajanstaki bir skandal yüzünden durmuştur.

1978 senesinde David Arthurs, standart bir Opel Gt aracını birbirine bağlı jeneratör ve elektrik motoru ile şarj olabilen aküler ekleyerek, kendi geliştirdiği kontrol sistemi sayesinde, hibrit bir araca çevirerek bir araca geri kazanımlı frenleme sistemini ilk uygulayan kişi olmuştur.

1989 yılında Audi firması, araç üzerinde şarj edilerek kullanılabilme özelliğine sahip(plug-in) paralel hibrit elektrikli Avant Quattro model aracı tasarlayıp prototip olarak yüz adet üretmiştir. Araçta arkadan itişi sağlayan 12,6 beygir gücündeki Siemens marka elektrik motorları bulunmaktaydı. Elektrik motoru için gerekli olan elektrik enerjisi Nikel-Kadmiyum batarya paketi tarafından sağlanmaktaydı. Aracın önden çekişini 136 beygirlik içten yanmalı motor sağlamaktaydı.