ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN BATARYA VE ULTRAKAPASİTÖRDEN OLUŞAN HİBRİT ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMİNİN YÖNETİMİ

Abstract

Dünyadaki petrol rezervlerinin azalması, egzoz gazı salınımının artması ve bunun sonucu olarak küresel ısınmaya sebep olması alternatif enerji kaynağı çalışmalarının yoğunlaşmasına sebep olmuştur. Bu yüzden son yıllarda elektrikli araç çalışmalarına yoğunluk verilmiştir. Elektrikli araç çalışmalarında ana güç kaynağı olarak bataryalar kullanılmasına karşın bataryaların güç yoğunluklarının düşük olup anlık yüksek akımı sağlayamazlar. Aşırı şarj ve derin deşarjların oluşması bataryalara zarar vermekte ve bataryaların ömrünü kısaltmaktadır. Bataryaların bu eksik yönlerini tamamlayıcı güç kaynağı olarak ultrakapasitörler (UK) üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. UK ve batarya bileşiminden oluşan hibrit enerji kaynağının bu olumsuzlukları yok edeceği gösterilmiştir. Araçların frenleme durumlarında veya aşağı eğimli yolda hızı azaltılırken büyük bir kinetik enerjinin geri kazanım fırsatı doğmaktadır. Bu tezde söz konusu enerjinin geri kazanılıp iki yönlü dönüştürücüler vasıtasıyla bataryanın ve UK'nın şarj edilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla bu tez çalışmasında elektrikli araçların mekanik yapıları, güç aktarma organları ve matematiksel modelleri incelenmiştir. Batarya ve UK hücre teknolojileri araştırılmıştır. Batarya ve UK'lardan oluşan hibrit depolama sistemleri, bu sistemlerde koruma ve enerji yönetimi yöntemleri araştırılmıştır. Batarya ve UK arasında enerji akışı, yönetimi ve kontrolünü sağlayabilmek amacıyla dönüştürücüler üzerine çalışmalar incelenmiştir. Bu çalışmada araçlara etki eden kuvvetler hesaplanmış ve 'MATLAB/Simulink' ortamında aracın matematiksel modelinin benzetimi yapılmıştır. Literatürdeki dönüştürücü çalışmaları incelenmiş ve iki yönlü kaskat dönüştürücüler kullanılmıştır. Elektrik motoru olarak 'MATLAB/Simulink' ortamında bulunan hazır DA motor modeli kullanılmıştır. Bu benzetim çalışmasında ana güç kaynağı olarak batarya seçilmiştir. UK devreye alınarak batarya geriliminin fazla dalgalanmaması ve akımının bölüşülmesi sağlanmıştır. Böylece bataryanın tepe akımları düşürülerek ve aşırı şarj/deşarjdan korunarak verimli kullanımı ve ömrünün uzatılması sağlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Elektrikli araç, hibrit enerji depolama sistemi, batarya, ultrakapasitör, kaskat DA/DA dönüştürücü

Researches about alternative energy resources have been increased due to declining patrol reserves, increasing emission of exhaust gases as global warming alerting. For this aim, studies on electric vehicles are strongly motivated in recent years. The main energy source of the electric vehicles are batteries but they don't have high specific power so they cannot give high currents that often needed. Batteries can be damaged and their life are shortened in case of deep discharge and excessive charge. Ultracapacitors are attracts interest of researchers to improve drawbacks of the batteries as an energy storage device. It is proved that hybrid energy storage systems consist of battery and ultracapacitor can improve these drawbacks. When speed of a vehicle is decreased, for instance braking or driving at declining road, there is important kinetic energy which can be regenerated. In this study, regeneration of this energy and storing it in the battery and/or ultracapacitor via bidirectional converters are investigated. Firstly, electric vehicles are examined. Mechanic constructions of them, their power transmission devices and mathematical model of them are studied. Cell technologies of batteries and ultracapacitors are investigated. Protection and management systems for hybrid energy storage systems consist of battery and ultracapacitor are studied. Power converters are investigated to manage energy flow between storage devices and to control vehicle via electric motor. Forces acting on a vehicle dynamics are mathematically examined and simulated in 'MATLAB/Simulink' package program. Studies in literature about bidirectional power converters are investigated for energy management of hybrid energy storage systems. Ultracapacitor is used as secondary energy storage device supporting main energy source. By controlling cascade converter coupling ultracapacitor with battery, the current of the motor is participated by ultracapacitor and voltage of battery is not allowed to excessive fluctuations. Peak battery currents are reduced for efficient use of battery. It can be said that, battery is saved from deep discharge and excessive charge and its life is prolonged. Keywords: Electric vehicle, hybrid energy storage systems, battery, ultracapacitor, cascade DA/DA converter