Elektrikli Araçlarda Tam Elektrikli Frenleme için Bulanık Mantık Tabanlı Yeni Bir Yöntemin Geliştirilmesi ve Uygulaması

Elektrik enerjisi ve devimsel (kinetik) enerjinin birbirine dönüştürülebilir olması, elektrikli taşıtları geleneksel içten yanmalı motorlu araçlardan ayıran bir doğal olaydır. Elektrik makinaları sayesinde gerçekleşen bu olayda, geleneksel taşıtlarda frenleme ile kampana ve disklerde ısı enerjisine dönüştürülerek çevreye atılan devimsel enerji, elektrikli taşıtlarda elektrik enerjisine dönüştürülerek batarya ve ultrakapasitör sistemleri üzerinde depolanıp tekrar kullanılabilir. Bu olay enerji geri kazanımlı (rejeneratif) frenleme olarak adlandırılır. Enerji geri kazanımlı frenleme, taşıtın toplam verimi ile erimini (menzilini) arttıran bir özelliktir ancak enerjinin depolanabileceği belirli koşullarda mümkündür. Özellikle lokomotif gibi çok büyük devimsel enerjiye sahip raylı taşıtlarda ve vinç gibi yüksek frenleme gücü isteyen aletlerde dinamik frenleme yapıldığı da görülmektedir. Bu yöntemde de yine devimsel enerji elektrik enerjisine dönüştürülür, ancak depolama yerine, bir direnç üzerinden ısı enerjisine çevrilir. Elektrik ile frenleme uygulamalarından biri de, pozitif referansta dönen bir elektrik makinasına tersi yönde dönmesini sağlayacak bir döner alan uygulamaktır. Literatürde ters akımla-gerilimle frenleme ya da “plugging” yöntemi olarak geçmektedir. Bu makale çalışmasında bir elektrikli taşıtın yalnız elektrikli frenleme yöntemleri ile durdurulmasına çalışılmıştır. Yukarıda bahsi geçen frenleme yöntemlerinin sınırları araştırılmış, tüm fren aralığını kapsayabilecek yeni bir elektriksel frenleme algoritması tanımlanmıştır. Yöntem tam elektrikli frenleme (TEF) olarak adlandırılmıştır. Yöntemi gerçeklemek için model tabanlı kontrol yöntemleri kullanılarak bir bulanık mantık kontrolcü geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem bir elektrikli motosiklet üzerinde denenerek sonuçlar tartışılmıştır.

Anahtar Kelimeler:

Elektrikli frenleme, elektrikli araç, geri kazanımlı frenleme, dinamik frenleme, ters akımla frenleme, bulanık mantık kontrol, model tabanlı kontrol, tam elektrikli frenleme

Development and Application of a Fuzzy Logic Based Novel Method for Electrical Braking of Electric Vehicles

The bi-directional conversion between electrical energy and kinetic energy is the a fundamental natural phenomenon that separates electrical and conventional internal combustion engine (ICE) vehicles. With this conversion, which occurs thanks to electrical machines, kinetic energy; that is converted to heat in the drums or discs of the conventional vehicles and dissipated to environment, can be stored in the batteries and ultra-capacitors and re-used in the electrical vehicles. This is called regenerative braking. Regenerative braking is a method, which increases the total efficiency and range of a vehicle, but it is only possible on certain circumstances where the electrical energy can be stored. Vehicles with very large kinetic energy, especially rail vehicles like locomotives and some equipment that require very large braking power like cranes also utilize dynamic electrical braking. In this method, it is seen that the kinetic energy is converted to electrical energy, but instead of storing, it is converted to heat on some resistor units. Another application of electric braking is to apply a field to rotate an electrical machine in reverse, while it is already rotating on a positive reference. In the literature, this method is called braking with reverse current-voltage or plugging. In this paper, it has been investigated to stop an electric vehicle only with electrical braking methods. The limits of the above mentioned braking methods have been researched; a novel n optimal electrical braking algorithm to cover all braking range is defined. The method is called Full Electrical Braking (FEB). To realize this method, a fuzzy logic based controller is developed, using model based control methods. The developed system has been tested on an electric scooter and the results have been discussed.

Keywords:

Electrical braking, electric vehicle, regenerative braking, dynamic braking, plug braking, fuzzy logic control, model based control, full electric braking,

PDF

___

ERTRAC European Road Transport Research Advisory Council, «ERTRAC European Road Transport Research Advisory Council» European Union, 2008.
FURORE Future Road Vehicle Reseach, «R&D Technology Roadmap» European Union, 2007.
IEA - International Energy Agency, «Electric and Plug in Hybrid Electric Vehicle (EV/PHEV)» 2009.
NREL National Renewable Energy Laboratory, «A Renewable Energy Community: Key Elements» US Department of Energy, 2008.
R. Burgelman ve A. Grove, «An Electric Plan for Energy Resilliance» The McKinsley Quarterly, no. 4, 2008.
Global Insight, «World: Electric Dreams: Will Lithium-Ion Battery Technology Represent the Tipping Point for Hybrids and Electric Cars?» Global Insight, 2008.
C. Lang, «Plugging into Tomorrow’s Vehicles» Price Waterhouse Coopers Automotive Institute, 2008.
Tesla Motors, Inc., «Tesla Model S Specs» Aralık 2014. [Çevrimiçi] http://www.teslamotors.com/models/specs.
Toyota, «Yeni Nesil Prius,» Aralık 2014. [Çevrimiçi] http://www.toyota.com.tr/new-cars/prius/index.json.
Y. Gao, L. Chu ve M. Ehsani, «Design and Control Principles of Hybrid Braking System for EV, HEV and FCV» VPPC 2007 - IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2007.
C. Gökçe, «Modeling and Simulation of a Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle, YL Tezi» İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2005.
H. Jene, E. Scheid ve H. Kemper, «HEV Concepts – Fuel Savings and Costs» ICAT'04 - International Conference on Automotive Technologies, İstanbul, 2004.
M. Ji-Yank ve et.al., «A Cost-Effective Method of Electric Brake With Energy Regeneration for Electric Vehicles» IEEE Transactions on Industrial Electronics, cilt 56, no. 6, 2009.
C. Gökçe, Ö. Üstün ve A. Y. Yeksan, «Dynamics and Limits of Electrical Braking» 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), Bursa, 2013.
K. Zang, J. Li, M. Ouyang, J. Gu ve Y. Ma, «Electric Braking Performance Analysis of PMSM for Electric Vehicle Applications» International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, 2011.
J. Guo, J. Wang ve B. Cao, «Application of Genetic Algorithm for Braking Force Distribution of Electric Vehicles» 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2009.
M. Ehsani, Y. Gao, S. Gay ve A. Emadi, Modern Electric, Hybrid Electric and Fuel Cell Vehicles, CRC Press LLC, 2005.
United Nations, ECE R13. Regulation; Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles of Categories M, N and O with Regard to Braking, 2006.
FIAT Technical Norms, Vehicle Subsystem Specifications - Fren ve Yan Sistemleri, 2010.
J. Zhang, X. Lu, J. Zue ve B. Li, «Regenerative Braking System for Series Hybrid Electric City Bus» The World Electric Journal, cilt 2, no. 3, 2008.
S. DeMers, Mechanical and Regenerative Braking Integration for a Hybrid Electric Vehicle, Master Tezi, Waterloo Üniversitesi, Kanada, 2008.
C. Gökçe, «A Brake System for Vehicles with Electric Drive». Avrupa Birliği (EPO) Patent EP2463163(B1), 17 Nisan 2013.
The MathWorks Inc., «What Is Sugeno-Type Fuzzy Inference?» The MathWorks Inc., [Çevrimiçi] http://www.mathworks.com/help/fuzzy/what-is-sugeno-type-fuzzy-inference.html. [05 12 2014].
C. Gökçe ve Ö. Üstün, «Bir Fren Kontrol Sistemi ve Yöntemi». Türkiye Cumhuriyeti Patent TR20120009307, 9 Ağustos 2012.
C. Gökçe ve Ö. Üstün, «Bremssteuersystem und Bremssteuerverfahren». Almanya Federal Cumhuriyeti Patent DE102013215763, 9 Ağustos 2013.