Hibrit güç aktarma sistemlerinde enerji yönetimi performansının deneysel incelenmesi

Abstract

This doctoral thesis presents an experimentally grounded investigation of energy management performance in a hybrid powertrain, with particular emphasis on the interaction between drivetrain configuration, electric-drive-level control structure, and energy utilization under realistic operating conditions. Unlike many existing studies that rely predominantly on simulation-based models or idealized assumptions, this work is based on a laboratory-scale drivetrain platform that was designed, constructed, instrumented, and experimentally validated from the ground up. The research begins with experimental identification and validation of a 2.2 kW brushless DC (BLDC) motor model, followed by systematic energy and efficiency characterization of the BLDC motor planetary gearbox drivetrain under varying speed and load conditions. The influence of control structure is then examined through comparative open-loop and closed-loop proportional–integral–derivative (PID) speed control experiments, demonstrating that feedback control significantly affects transient power losses, drivetrain efficiency, and battery state-of-charge (SOC) behavior at the electric drive level. Under variable-speed and fixed-load conditions, closed-loop control improves overall system efficiency by up to 19 percentage points and reduces battery SOC depletion by up to 0.75 percentage points per test sequence compared with open-loop operation. This highlights the importance of experimentally characterizing drivetrain-level energy behavior as a foundation for realistic energy management studies. The experimental framework is subsequently extended to a hybrid electric configuration by integrating an internal combustion engine (ICE) mechanically coupled to the BLDC motor via a multi-ratio planetary gearbox. Hybrid electric assist is experimentally demonstrated under constant ICE speed operation, with drivetrain kinematics described for reference using the Willis equation. Fuel consumption measurements conducted under fixed load torque conditions reveal that electric assistance reduces ICE fuel consumption by approximately 16.3%, 29.6%, and 46.9% for BLDC assist speeds of 500 rpm, 900 rpm, and 1800 rpm, respectively, at a constant ICE speed of 450 rpm and 2 N·m load torque. These fuel savings are accompanied by corresponding battery SOC depletions ranging from 0.62% to 4.07%, highlighting a clear fuel–battery energy trade-off. The results demonstrate that energy-related performance in hybrid powertrains arises from the coupled effects of drivetrain kinematics, electric drive control actions, and operating conditions, rather than from high-level control algorithms alone. The experimentally obtained findings provide practical insight into control-aware energy behavior and establish a solid experimental basis for realistic energy management approaches in hybrid powertrain applications.Bu doktora tezi, hibrit güç aktarma sistemlerinde enerji yönetimi performansının deneysel temelli bir incelemesini sunmakta olup, özellikle aktarma sistemi konfigürasyonu, elektrikli tahrik seviyesindeki kontrol yapısı ve gerçekçi çalışma koşulları altında enerji kullanımının etkileşimine odaklanmaktadır. Simülasyon tabanlı modellere veya idealize edilmiş varsayımlara dayanan birçok çalışmanın aksine, bu çalışma sıfırdan tasarlanan, kurulan, enstrümante edilen ve deneysel olarak doğrulanan laboratuvar ölçekli bir güç aktarma sistemi platformuna dayanmaktadır. Araştırma, 2,2 kW gücünde bir fırçasız doğru akım (BLDC) motorunun deneysel olarak tanımlanması ve doğrulanması ile başlamakta, ardından BLDC motor-gezegen dişli kutusu aktarma sistemi farklı hız ve yük koşulları altında enerji ve verimlilik açısından sistematik olarak karakterize edilmektedir. Kontrol yapısının etkisi, açık çevrim ve kapalı çevrim oransal-integral-türev (PID) hız kontrolü deneylerinin karşılaştırılması yoluyla incelenmiş; geri beslemeli kontrolün geçici güç kayıpları, aktarma sistemi verimliliği ve batarya şarj durumu (SOC) davranışı üzerinde elektrikli tahrik seviyesinde önemli bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir.Değişken hız ve sabit yük koşulları altında, kapalı çevrim kontrolün açık çevrim çalışmaya kıyasla toplam sistem verimliliğini 19 yüzde puanına kadar artırdığı ve test başına batarya SOC tükenmesini 0,75 yüzde puanına kadar azalttığı belirlenmiştir. Bu bulgular, gerçekçi enerji yönetimi çalışmalarının temelini oluşturmak üzere aktarma sistemi seviyesinde enerji davranışının deneysel olarak karakterize edilmesinin önemini ortaya koymaktadır. Deneysel çerçeve daha sonra, çok oranlı bir gezegen dişli kutusu aracılığıyla BLDC motora mekanik olarak bağlanan bir içten yanmalı motorun (ICE) sisteme entegre edilmesiyle hibrit bir konfigürasyona genişletilmiştir. Hibrit elektrik destek sistemi, sabit ICE devri altında deneysel olarak gösterilmiştir ve şanzıman kinematiği, referans amacıyla Willis denklemi kullanılarak açıklanmıştır. Sabit yük momenti koşulları altında gerçekleştirilen yakıt tüketimi ölçümleri, elektrikli desteğin ICE yakıt tüketimini sırasıyla 500 rpm, 900 rpm ve 1800 rpm BLDC destek hızlarında yaklaşık %16,3, %29,6 ve %46,9 oranlarında azalttığını ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, 450 rpm sabit ICE hızı ve 2 N.m yük momenti altında elde edilmiştir. Elde edilen yakıt tasarrufları, %0,62 ile %4,07 arasında değişen batarya SOC azalmaları ile birlikte gerçekleşmiş olup, yakıt-batarya enerjisi arasında açık bir enerji değiştokuşunu ortaya koymaktadır. Elde edilen sonuçlar, hibrit güç aktarma sistemlerinde enerjiyle ilişkili performansın yalnızca üst seviye kontrol algoritmalarından değil; aktarma sistemi kinematiği, elektrikli tahrik kontrol eylemleri ve çalışma koşullarının birleşik etkisinden kaynaklandığını göstermektedir. Deneysel olarak elde edilen bulgular, kontrol farkındalığına sahip enerji davranışına ilişkin pratik içgörüler sunmakta ve hibrit güç aktarma sistemi uygulamalarında gerçekçi enerji yönetimi yaklaşımları için sağlam bir deneysel temel oluşturmaktadır.