Yakıt hücresi tabanlı hibrit elektrikli araçta hata önleme ile yeni bir enerji yönetimi ve ekserjik performans iyileştirmesi

Abstract

Günümüzde yeşil enerjinin kullanımı giderek önem kazanmaktadır. Bu nedenle, düşük CO2 salınımına sahip çevre dostu hibrit elektrikli araçlar tercih edilmektedir. Bataryalı elektrikli araçların düşük menzil problemi, hibrit araçların emisyon salımının istenilen seviyede olmaması yakıt hücreli araçların popülerliğini artırmıştır. Birincil enerji kaynağı yakıt hücresi olan bu araçlar sistem performansını artırmak amacıyla bataryalar ve süperkapasitörlerle birlikte kullanılmaktadır. Yakıt hücresi+batarya, yakıt hücresi+süperkapasitör ve üç enerji depolama birlikte kullanılması en popüler topolojiler olarak sınıflandırılmaktadır. Bu enerji depolama sistemlerinin birlikte kullanımı ile güç dağılımının doğru ve verimli olması için enerji yönetim sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Enerjinin verimli kullanımı ise ekserji yönetimi ile sağlanmaktadır. Aynı zamanda, yakıt hücreli araçların güvenirliliğini ve sürekliliğini sağlamak amacıyla hataya toleranslı sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında yakıt hücresi+batarya, yakıt hücresi+süperkapasitör ve yakıt hücresi+batarya+süperkapasitör topolojileri oluşturulmuştur. Bu topolojilere ve UDDS, HWFET, WLTP ve FTP sürüş çevrimleri uygulanmıştır. Enerji yönetim stratejilerinden olan güç takipçisi kontrol stratejisi ile bulanık mantık kontrol stratejileri her topolojiye uygulanmış ve yakıt tüketimi, güç performansı, enerji verimliliği karşılaştırılması her sürüş çevrimi için yapılmıştır. Ekserji analizi ile enerji analizinde tespit edilemeyen kayıplar belirlenmektedir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında hem enerji hem de ekserji analizleri yapılmıştır. Bulanık mantık kontrol stratejisi ve güç takipçisi kontrol stratejisi altında üç topolojide ekserji verimlilikleri ve kayıpları ayrıntılı olarak incelenmiştir. Aynı zamanda, yakıt hücreli araçlarda güvenilir ve kesintisiz çalışma oldukça önemlidir. Sistemin karmaşıklığı sebebiyle olası hatalarda sistemin sürekliliğini bozmamak ve aracın çalışmasına devam etmesi için hata toleransı önemlidir. Bu sebeple bu tez çalışmasında hata senaryolarına göre sistemin tepkileri incelenmiştir. Bu tez, yakıt hücreli araç teknolojisinin daha geniş uygulama alanlarına sahip olmasına, sürdürülebilir ve verimli araçların geliştirilmesine katkı sağlamayı amaçlamaktadır.

Nowadays, the use of green energy is becoming increasingly important. For this reason, environmentally friendly hybrid electric vehicles with low CO2 emissions are preferred. The low range problem of battery electric vehicles and the emission emission of hybrid vehicles not being at the desired level have increased the popularity of fuel cell vehicles. These vehicles, whose primary energy source is a fuel cell, are used with batteries and supercapacitors in order to increase system performance. Fuel cell + battery, fuel cell + supercapacitor and all of together are classified as the most popular topologies. With the combined use of these energy storage systems, an energy management system is needed to ensure correct and efficient power distribution. The efficient use of energy is provided by exergy management. At the same time, fault-tolerant systems are needed to ensure the reliability and continuity of fuel cell vehicles.

In this thesis, fuel cell + battery, fuel cell + supercapacitor and fuel cell + battery + supercapacitor topologies were created. UDDS, HWFET, WLTP and FTP driving cycles were applied to these topologies. Power follower control strategy and fuzzy logic control strategies, which are among the energy management strategies, were applied to each topology and fuel consumption, power performance, energy efficiency comparisons were made for each driving cycle. The losses that cannot be detected in energy analysis are determined with exergy analysis. Therefore, both energy and exergy analyses were performed in this thesis study. Exergy efficiencies and losses were examined in detail in three topologies under the fuzzy logic control strategy and power follower control strategy. At the same time, reliable and uninterrupted operation is very important in fuel cell vehicles. Due to the complexity of the system, fault tolerance is important in order not to disrupt the continuity of the system in possible faults and to continue the operation of the vehicle. For this reason, the reactions of the system according to fault scenarios were examined in this thesis study. This thesis aims to contribute to the wider application areas of fuel cell vehicle technology and the development of sustainable and efficient vehicles.