STANDART SEYİR ÇEVRİMLERİ VE MODEL TABANLI SİMÜLASYONDA ELEKTRİKLİ ARAÇTA HARCANAN ENERJİ KARŞILAŞTIRMASI

ÖZET

Son yıllarda elektrikli araçların (EV) kullanıcılar tarafından bilinirliğinin artması ve kullanımının günden güne yaygınlaşması ile birlikte gelişen teknolojilerin otomotiv üreticileri tarafından benimsendiği ve üreticilerin elektrifikasyon alanındaki çalışmalarını arttırdıkları gözlemlenmektedir. Yeni karbondioksit emisyon standartlarının 2020 yılı sonrasında yürürlüğe gireceği gerçeği, otomotiv üreticilerinin birçoğuna yeni teknolo- jileri üretmeye ve bu teknolojileri pazara sunmaya itmektedir. Emisyon ölçümlerinde gerçeğe daha yakın sonuçlar elde etmeye olanak sağlayan Dünya Genelinde Uyumlu Test Çevrimi- Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Cycle (WLTC) 2018 yılı içerisinde Avrupa’ da devreye girmiştir. Bu çalışma kapsamında, elektrikli bir araç WLTC ve bir önceki referans olan Yeni Avrupa Sürüş Döngüsü- New European Drive Cycle (NEDC) koşullarında sanal ve gerçek ortamda test edilmiş, sonuçlar menzil ve enerji tüketimi açısından incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Elektrikli araç, WLTC, NEDC, Test döngüsü, Menzil, Elektrifikasyon

1. GİRİŞ

Günümüzde petrol nedenli küresel hava kirliliğindeki artış, yaşanmış olan emisyon krizi ve elektrikli araçların teknolojilerinin süreç içinde gelişmesi alternatif ulaşım metotlarına ilginin artmasına neden olmuştur (Tsiakma- kis et al. 2017). Bu bağlamda, taşıt egzoz emisyonları açısından en temiz ulaşım alternatifi olması beklenen EV’lerin en önemli dezavantajı tek bir şarjla görece kısa bir menzile sahip olmalarıdır (Sarıkurt et al. 2017). Bu- nunla beraber araçların broşürlerindeki verilen tam şarj ile gidilebilecek mesafelerin gerçek kullanım koşulları ile farklı olması ve elektrikli araçların mesafe hesaplamaları hakkındaki yazılan makalelerde bu konuya ilişkin hesaplamalar çelişkiler mevcuttur (URL 1).

(EU) No 443/2009 nolu regülasyon binek araçlar için 2015’ten 2020 yılına kadar ortalama karbondioksit emisyon oranlarının 130 gCO2/km’den 95 gCO2/km’ye çekilmesini hedeflemektedir (URL 2).
Burada amaçlanan otomobil endüstrisi tarafından yakıt verimliliğini artıracak ve CO2 emisyonlarını azaltacak yeni teknolojilere yapılan yatırımları teşvik etmektir (URL 3).

Emisyon hedeflerine ulaşamayan üreticileri yüksek cezalar beklemektedir. Geçerli test protokolü ve ilgili test döngüsü olan NEDC’nin, gerçek dünyadaki yol operasyon koşullarında CO2 hedeflerini düşürmedeki verimliliği çeşitli eleştiriler almıştır.

Sertifikasyon sırasında ölçülen CO2 emisyon oranı gerçek yol koşullarında ölçülen emisyon oranından daha düşük gerçekleşmektedir. Bu fark “boşluk” olarak adlandırılmaktadır ve zamanla bu boşluk artmaktadır. NEDC’de mevcut test prosedürünün esneklikleri yani çeşitli esnek tanımlanmış sınırlar üzerinde yapılan yorum ve aracın laboratuvar koşullarında çalışması bu boşluğa katkıda bulunmaktadır. Bu konuları ele almak ve etkinliğini güçlendirmek için Avrupa Komisyonu, mevcut politikaların bir tip onay sürecinde yeni, daha gerçekçi test prosedürünü devreye almıştır. WLTC kirletici ve CO2 emisyonlarını belirlemek için küresel bir standart olarak geliştirilmiştir. WLTC ile daha sağlam bir test temeli ve gerçek karayolu taşıtlarının operasyo- nunu daha iyi temsil eden bir prosedür sağlamak amaçlanmaktadır (Tsiakmakis et al. 2017).

Örneğin Avrupa’da, gerçek emisyonlar arasındaki tutarsızlığın temel nedenlerinden biri, hafif hizmet araçlarının emisyon sertifikası için tip onayı testleri için kullanılan mevcut test döngüsünden ( NEDC) gelmektedir. NEDC’nin gerçek trafikteki bir aracın gerçek sürüş davranışını temsil etmediği ve bu nedenle kirletici emisyonlarını ve yakıt tüketimini doğru bir şekilde yansıtmadığı gösterilmiştir. Bu tutarsızlığın bir başka nedeni de “döngü tespiti” dir. Bazı otomobiller, laboratuvardaki şasi dinamometresindeki test döngüsünün iyi kontrol edilen koşulları altında yasal gereklilikleri yerine getirmek için ‘programlanabilir’ ancak yoldayken oldukça farklı çalışırlar. (Tutuianu et al. 2017).

WLTC ile her ne kadar gerçekçi koşullara yakın sonuçlar ölçülse de çevresel şartlar ve kullanım koşullarına göre üreticinin beyan ettiği yakıt tüketimi ve menzil değerlerinden bir miktar sapma olabilmektedir. Üreticinin beyan ettiği değerler ile ortaya çıkması muhtemel farklar fosil yakıtlı araç kullanıcılarında genel- likle kayda değer bir kaygı oluşturmamaktadır. Buna karşın elektrikli araçlarda halihazırda menzil kısıtlı ve şarj süreleri fosil yakıt dolum sürelerine göre oldukça uzundur. Bu sebeple elektrikli araç üreticile- rinin beyan ettiği yakıt tüketim ve menzil değerlerinin gerçek kullanım koşullarından sapması kullanıcılar üzerinde ilave baskı oluşturmaktadır. Piyasa halihazırda satılmakta olan bazı elektrikli araçların yakıt tüketim ve menzil beyanları NEDC’ ye göre verilmiş iken, 2018 ve sonrası piyasaya sunulmuş olan araçlarda bu beyanlar WLTC sonuçlarına göre belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında tam elektrikli bir araç NEDC ve WLTC koşullarında sanal ve fiziksel olarak test edilmiş, sonuçlar kilometre başına enerji tüketimi açısından incelenmiştir.

2. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA HARCANAN ENERJİ KARŞILAŞTIRMASI

2. 1. NEDC VE WLTC ARASINDAKİ FARKLAR

Yakıt tüketimini etkileyen ana farkları arasında test çevrimi ve vites değiştirme sırası, araç kitle tanımı, yol yükü tespiti, şasi dinamometresi ön koşullanması, sıcaklık ve REESS (Şarj Edilebilir Elektrikli Enerji Depolama Sistemi- Rechargeable Electric Energy Storage System) şarj dengesi düzeltmesi gibi parametreler ile WLTC, NEDC’den önemli ölçüde farklıdır (Tsiakmakis et al. 2017). Şekil 1. de görüldüğü gibi NEDC- WLTC hız zaman karşılaştırılması grafik üzerinde yapılmıştır.

Şekil 1. NEDC-WLTC Hız -Zama Karşılaştırması

Tablo 1.de görüldüğü gibi NEDC ve WLTC arasındaki farklar gösterilmiştir.

Tablo 1. NEDC ve WLTC Arasındaki Farklar (URL 4)

Tablo 2.de görüldüğü gibi NEDC ve WLTC arasındaki parametrik farklar gösterilmiştir.

Tablo 2. NEDC ve WLTC Arasındaki Parametrik Farklar (URL 4)

Elektrikli araç NEDC ve WLTC çevrimini ayrı ayrı koşturmak üzere firmada bulunan ve emisyon  testlerinin yapıldığı laboratuvarda aynı koşullarda test edilmiştir. Tablo 3.de test edilen EV özellikleri gösterilmiştir.

2. 2. SİMÜLASYON VE GERÇEK KOŞUL TEST ÇEVRİMLERİ

İlgili araç matematiksel olarak MATLAB Simulink ortamında modellenmiş, simülasyonlar NEDC ve WLTC’ de belirtilen koşul ve kısıtlar çerçevesinde gerçekleştirilmiştir.

Şekil 2’de görüldüğü gibi NEDC ve WLTC arasında daha net bir karşılaştırma yapabilmek için her iki çevrim şehir içi ve şehir dışı olarak ayrıştırılmıştır. NEDC çevriminde şehir içi ve şehir dışı ayrımı net iken WLTC’ de 60km/s ’den düşük hızların daha yoğun olduğu ilk 780 saniyelik kısmın şehir içi olduğu varsayılmıştır. WLTC çevriminde 780 ila 1800 saniye arasında kalan kısım ise şehir dışı olarak kabul edilmiştir.

Şekil 2. WLTC Grafiği Üzerinde Şehir İçi- Şehir Dışı Korelasyonu

NEDC ve WLTC arasındaki şehir içi ve şehir dışı menzil karşılaştırılması Tablo 4’de gösterilmiştir.

Tablo 4. NEDC ve WLTC Arasındaki Şehir İçi ve Şehir Dışı Harcanan Enerji Karşılaştırılması

NEDC ve WLTC arasındaki şehir dışı harcanan enerji karşılaştırılması Tablo 5’te gösterilmiştir.

Tablo 5. NEDC ve WLTC Arasındaki Şehir Dışı Harcanan Enerji Karşılaştırılması

NEDC ve WLTC arasındaki şehir içi harcanan enerji karşılaştırılması Tablo 6’da gösterilmiştir.

Tablo 6. NEDC ve WLTC Arasındaki Şehir İçi Harcanan Enerji Karşılaştırılması

3. SONUÇLAR

Bu çalışmada elektrikli aracın menzile etki eden enerji tüketimi; NEDC ve WLTC çevrimlerinde, şehir içi ve şehir dışı koşullarında fiziksel olarak ve MATLAB Simulink ortamında sanal olarak test edilerek incelenmiştir.

Şehir içi ve şehir dışı test çevrimlerinde kilometre başına harcanan enerji olarak incelendiğinde WLTC sonuçlarının NEDC’ ye göre %10 ila %12 oranında fazla olduğu, simülasyon sonuçlarında ise %7 ila %9 oranında bir fark oluştuğu görülmüştür. Şehir dışı koşullarda kilometre başına harcanan enerji olarak incelendiğinde WLTC sonuçlarının NEDC’ye göre %8 ila %10 oranında fazla olduğu görülmüştür. Şehir içi kilometre başına harcanan enerji olarak incelendiğinde WLTC sonuçlarının NEDC’ ye göre %7 ila %9 oranında fazla olduğu görülmüştür.

Simülasyonlarda kullanılan araç modelinde ideal kabul edilen bazı kısımların daha detaylı olarak matematiksel ifade edilmesi ile simülasyon sonuçlarının gerçek test sonuçlarına daha da yakınsayacağı öngörülmektedir. Tespit edilen iyileştirmeler ileride yapılacak bir çalışma kapsamında ayrıca uygulanacaktır.Global olarak farklı üreticilerin vermiş olduğu referans değerlere bakıldığında NEDC ve WLTC ortalama harcanan enerji değerleri arasında %8 ila %33’e varan oranlarda fark oluştuğu gözlemlenmiştir.

Sonuçlar elektrikli araç kullanıcıları, yeni elektrikli araç satın almak isteyen müşteriler veya elektrikli araç üzerinde çalışma yapan tüm teknik insanların; üreticilerin vermiş olduğu katalog değerleri üzerinde korelasyon yapmasını kolaylaştıracaktır. Bu çalışmanın dünyada WLTC’ye geçişin hızlandığı bu dönemde NEDC ve WLTC arasındaki korelasyonda bir rehber niteliği olması beklenilmektedir.

KAYNAKLAR

• Tsiakmakis S., Fontaras G., Cubito C., Pavlovic J., Anagnostopoulos K., Ciuffo B., (2017) , “From NEDC to WLTP: effect on the type-approval CO2 emissions of light-duty vehicles, JRC Policy Report, pp. 6-9

• Sarıkurt T.*, Balıkçı A. “Tam elektrikli araçlar için özgün bir enerji yönetim sistemi uygulaması”, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 32:2 (2017), pp. 323-333

• URL 1: InsideEVs (2019), Here’s How To Calculate Conflicting EV Range Test Cycles: EPA, WLTP, NEDC, https://insideevs.com/features/343231/heres-how-to-calculate-conflicting-ev-range-test-cycles-epa-wltp- nedc/, 07.03.2019

• URL 2: European Union Regulation (EC) No 510/2011 (2011), https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/ LexUriServ.do?uri=OJ:L:2011:145:0001:0018:EN:PDF

• URL 3: European Union Regulation (EC) No 443/2009 (2009),https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ TXT/?uri=CELEX%3A32009R0443

• Tsiakmakis S. a,b, Fontaras G. a,⇑, Ciuffo B. a, Samaras Z. b (2017), “A simulation-based methodology for quantifying European passengercar fleet CO2 emissions”., Elsevier Apllied Energy, 2 pages

• URL4: ACEA (2017),European Automobile Manufacturers Association,https://wltpfacts.eu/from-nedc-to- wltp-change/

• Tutuianu M. a,⇑, , Bonnel P. a , Ciuffo B. a , Haniu T. b , Ichikawa N. c , Marotta A. a⇑ , Pavlovic J. a , Steven H. d (2015), “Development of the World-wide harmonized Light duty Test Cycle (WLTC) and a possible pathway for its introduction in the European legislation” (2015), Transportation Research Part D 40, 61–75, 2 page