Metrobüs Şaft Torkunun Sınırlandırılmasına Yönelik Hibrit Güç Aktarma Yapısı ve Güç Yönetim Sistemi Tasarımı

Bu yayında, İstanbul trafiğinde aktif olarak kullanılmakta olan metrobüslerin kullanım ömürlerinin artırılmasına yönelik bir hibrit güç aktarma mimarisi önerilmiş, bu yapıyla birlikte kullanılacak bir güç yönetim algoritması geliştirilmiş ve yeni ortaya çıkan sonuçlar analiz edilmiştir. Çalışmanın amacı mevcut metrobüslerin çekiş barındırmayan aksına iki adet harici elektrik motoru takılarak, bu motorların uygun durumlarda devreye alınmasıyla aracın orijinal çekiş yükünün azaltılması ve şaft torkunun sınırlandırılmasıdır. Bu sayede, şaft ömrünün artırılması amaçlanmıştır. Eklenecek motorların ne zaman devreye alınıp devreden çıkarılacağına, ne zaman motor veya jeneratör olarak çalıştırılacaklarına yönelik kararları alacak güç yönetim algoritması, öncelikle benzetim ortamında denenmelidir. Benzetimlerin gerçekçi sonuç verebilmesi için ise, aracın ve yolun yüksek doğrulukla modellenmesi gerekmektedir. Benzetimlerde kullanılan tek izli boylamsal dinamik modelin geliştirilebilmesi için, metrobüs üzerinden sürüş esnasında deneysel veri toplanmış ve bu veriler model içerisine entegre edilmiştir. Bunun yanında metrobüs hattına ait eğim ve hızlanma verileri de elde edilerek performans benzetimleri için altyapı oluşturulmuştur. Ayrıca güç yönetim algoritmasının geliştirilebilmesi için, aracın orijinal durumunda şoförün hangi gaz pedal açıklığında ne kadar tork talebinde bulunduğuna dair haritanın da bilinmesi oldukça kritiktir ve bu çalışmada bu haritanın nasıl elde edildiği de gösterilmektedir. Son olarak, güç yönetimi için geliştirdiğimiz kural tabanlı bir kontrol algoritması hakkında bilgi verilmiş ve elde edilen sonuçlar analiz edilmiştir. Yapılan benzetimler sonucunda, kullanılan tork-hasar eğrisine göre şaft ömrünün %75.86 oranda artırıldığı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Güç Yönetimi, Hibrit Araçlar, Taşıt Modelleme, Taşıt Simülasyonu

Design of Hybrid Power Transmission Architecture and Power Management Strategy for Metrobus Shaft Torque Limitation

In this paper, an improved hybrid powertrain is proposed for extending the lifetime of original drive shaft of the Metrobuses that are being actively used in İstanbul traffic. A new power management method for the proposed powertrain is developed and the results of the method are analyzed along the study. The aim of the study is decreasing the operating load of the original axle and extend its lifetime by mounting two additional electric machines to one of the non-driven axles. The power control method which calculates the correct timing of the machines when to be used as a motor/generator or when to activate and deactivate them, should be tested in simulation environment first. In order to get realistic results from simulations, the models must be reliable. In order to develop the single-track dynamic model of the vehicle, experimental data is collected under real driving condition and is integrated into the model. Besides this, the collected road slope and metrobus acceleration data provides an infrastructure for performance simulations. On the other hand, the throttle-torque map is very critical to understand the driver’s torque request. In this study, derivation of the torque map from experimental data is also explained. Finally, a rule based power management algorithm for lifetime extension is developed along the paper and its results are analyzed at the end of the work. According to the simulation results, the lifetime of the driving shaft of the original metrobus is extended by 75.86% in proposed hybrid powertrain.

Keywords:

Power Management, Hybrid Vehicles, Vehicle Modeling, Vehicle Simulation,

PDF

___

Baumann BM, Washington G, Glenn BC, Rizzoni G. 2000, “Mechatronic Design and Control of Hybrid Electric Vehicles”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 5(1), 58–72.
Bohn C, Atherton DP, 1995, “An Analysis Package Comparing PID Anti-Windup Strategies”, IEEE Control Systems, 15(2), 34-40.
Brosilow C, Joseph B., 2002, Techniques of Model-Based Control, Prentice Hall Professional.
Emadi A, Rajashekara K., Williamson SS, Lukic SM., 2005, "Topological Overview of Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicular Power System Architectures and Configurations" IEEE Transactions on Vehicular Technology, 54(3), 763-770.
Genta G., 1997, Motor Vehicle Dynamics Modeling and Simulation, Singapore, World Scientific.
Kessels J, Koot M, Bosch P, Kok D., 2008, “Online Energy Management for Hybrid Electric Vehicles” IEEE Transactions on Vehicular Technology, 57(6), 3428–3440.
Lee YL, Barkey ME., 2005, Development of Accelerated Life Test Criteria, Lee YL, Pan J, Hathaway R, Barkey M. Fatigue Testing and Analysis, Elsevier Inc., 313–337.
Liu T., Hu X., Li S., Cao D., “Reinforcement Learning Optimized Look-Ahead Energy Management of a Parallel Hybrid Electric Vehicle”, 2017, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 99, 1-11.
Paganelli G, Guerra T, Delprat S, Santin J, Delhom M, Combes E., 2000, “Simulation and Assessment of Power Control Strategies for a Parallel Hybrid Car,” Proceedings of the Institution of Mechanical Part D: Journal of Automobile Engineering, 214(7), 705–717.
Pisu P, Rizzoni G., 2007, “A Comparative Study of Supervisory Control Strategies for Hybrid Electric Vehicles”, IEEE Trans. Control Syst. Technol. 15(3), 506-518.
Pradhan MN, Gaikwad HT.,, 2015 “Fatigue Analysis of Composite Drive Shaft,” International Journal of Engineering Research and Technology, vol. 4(5), 484-489.
Prez RV, Bossio GR, Moitre D, Garca GO., 2006., “Optimization of Power Management in an Hybrid Electric Vehicle Using Dynamic Programming”, Mathematics and Computers in Simulation, 73(14), pp. 244 – 254
Rajamani R., 2006. Vehicle System Dynamics and Control, United States, Springer.
Rice RC., 1997, SAE Fatigue Design Handbook,, Society of Automotive Engineers.
Ripaccioli G, Bemporad A, Assadian F, Dextreit C, Cairano SD, Kolmanovsky IV., 2009, “Hybrid Modeling, Identification, and Predictive Control: An Application to Hybrid Electric Vehicle Energy Management”, Proc. of Hybrid Systems: Computation and Control, 5469, 321–335.
Sezer V., Gökaşan M., Bogosyan S., 2011, “A Novel ECMS and Combined Cost Map Approach”, IEEE Trans. On Vehicular Technology, 60(8), 3557-3570.
Sezer V., Ünsal A.H., Timuçin B., Kurar A.F., Akçil L., 2015, Gökaşan M., Muğan A., “Metrobüs Çekiş Karakteristiğinin İyileştirilmesine Yönelik Veri Toplama-Modelleme Çalışmaları ve Güç Dağıtım Kontrolörü Geliştirilmesi”, Otomatik Kontrol ulusal Konferansı, TOK 2015, Denizli, Türkiye, 729-734.
Shigley JE, Mischke CR, Budynas RG, Liu X, Gao Z., 1989, Mechanical Engineering Design, New York, USA, McGraw-Hill. Siuru B., 2004, “Phileas: A New Idea in Public Transport”, Mass Transit, 25(2), 44-46.
Vagg, C., Akehurst, S., Brace, C. J., Ash, L., 2016, “Stochastic Dynamic Programming in the Real-World Control of Hybrid Electric Vehicles”. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 24(3), 853-866.