docELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN
download 
Şikayet Transkript
ELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN
ELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ HAZİRAN 2014 ETİK BEYAN Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığımız bu tez çalışmasında; Tez içinde sunduğumuz bilgi ve dokümanları akademik kurallar etik çerçevesinde elde ettiğimizi, Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumuzu, Tez çalışmamızda özgün veriler dışında kalan ve tezde yararlanılan eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimizi, Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımızı, Bu tezde sunduğumuz çalışmanın özgün olduğunu ve başka bir yerde sunmadığımızı Beyan ederiz. İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN iv ELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI (LİSANS TEZİ) İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ Haziran 2014 ÖZET Günümüz doğa koşulları ve atmosfer dengesi git gide tehlike altına girmektedir. Petrol rezervlerinin 50 yıllık ömrü kaldığı söylendiği günümüzde araştırmacılara göre doğa petrol ve türevlerinin verdiği zararlara o kadar uzun süre dayanamayacağı görülmektedir. Bu duruma tepkisiz kalamayan otomotiv üreticileri emisyon değerlerini azaltmak için sürekli yeni teknolojiler geliştirmektedirler. Ne kadar azalsa da emisyon değeri sıfır olamayacaktır. Bu yüzden üreticiler alternatif enerji kaynakları ile çalışan araçlar üretmek için çalışmalara başladılar. En uygun motor seçeneği olan elektrik motoru ve elektrik enerjisi olduğu tespit edilmiştir. Üreticiler bir çok elektrikli araç tasarlamış üretmiş ve denemiştir. Avantaj ve dezavantajları gözlemlenmiş. Bu tez kapsamında elektrikli bir taşıt tasarımı yapılmıştır. Bilgisayar ortamında 3 boyutlu çizilen araç parçaları analiz programında dayanım analizleri yapılmıştır. Daha sonra en uygun ebat ve malzeme seçimi yapılarak imalat aşamasına geçilmiştir. Bölüm atölyelerinde gerekli ham maddeler takım v tezgahlar kullanılarak tarafımızca imal edilmiş ve montaj edilmiştir. İmalat aşamasında tasarlanırken gözden kaçan eksikler düzeltilip tasarım revizyon edilmiştir. İmalatı biten aracın yol testi okulumuz taşıt test laboratuarındaki taşıt dinamometreleri kullanarak yapılmıştır. Test sonucunda aracın menzil ve harcadığı enerji hesap edilmiştir. Araç tam şarjlı batarya ile 65 km menzilde yol yapabilmektedir. Deneyde alınan veriler hesaplanarak aracın 100 kilometrede yaklaşık 0.7 litre benzin eş değerinde yakıt harcadığı hesaplanmıştır. sıradan bir sedana göre 10 kat daha tasarruflu bir araç olduğu görülmüştür. Ayrıca elektrikli araçların düzeltilmesi gereken eksik yanları tespit edilmiştir. Anahtar kelimeler:Elektrikli taşıt, Alternatif enerjili taşıtlar vi ELECTRİC VEHICLE DESİGN (THESİS) İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN GAZI UNIVERSITY FACULTY OF TECHNOLOGY June 2014 Abstract Recently, natural conditions and atmosphere is under threat . stil oil reserves is going to continue 50 years but atmosphere cant stant any more. The automotive manufacturers see this problem and try to desing new technology. They want to make a car which have zero emissions engine. Although they try to make this car but it is impossible. So that manufacturers looks for alternative way for run the engine. Electrical power and electrician car is most clean for nature. We designed an electrician car in this treatise. the car analysised with computer program and we chose optimal size and metarials. After that we start to manufacture in our schools workshop. The car was tested and we calculated how many kilometers it can go. And we detected it spend as same as 0.7 liters oil for 100 km. Key Words: Electric vehicles, Alternative-energy vehicle vii TEŞEKKÜR Çalışmalarımız boyunca değerli yardım ve katkılarıyla bizi yönlendiren saygıdeğer hocamız Prof. Dr. Atilla KOCA’ya, Yrd. Doc. Dr. Fatih ŞANİN’e, manevi destekleriyle bizi hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli hocalarımız Arş. Gör. Emre YILMAZ ve Arş. Gör. Hamit SOLMAZ’a ve yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığımız Otomotiv Mühendisliği Bölümü’ndeki kıymetli tüm hocalarımıza ve varlığıyla her zaman maddi manevi desteklerini üzerimizden eksik etmeyen ailelerimize teşekkürü bir borç biliriz. viii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ..............................................................................................................iv ABSTRACT.....................................................................................................vi TEŞEKKÜR....................................................................................................vii İÇİNDEKİLER................................................................................................viii ÇİZELGELERİN LİSTESİ.................................................................................x ŞEKİLLERİN LİSTESİ....................................................................................xii RESİMLERİN LİSTESİ..................................................................................xiii SİMGELER VE KISALTMALAR.....................................................................xv 1. GİRİŞ.........................................................................................................16 2. LİTERATÜR...............................................................................................19 3. ELEKTRİKLİ TAŞITLAR............................................................................39 3.1 Elektrikli Taşıtların Çeşitleri ve Yapıları........................................39 3.1.1 Tümü Elektrikli Araçlar....................................................39 3.1.2. Hibrit Elektrikli Araçlar....................................................44 3.1.3. Yakıt Pilli Elektrikli Araçlar..............................................48 3.2. Elektrikli Taşıtlarda Kullanılan Motor Çeşitleri..............................52 3.2.1. Doğru Akım Motorları.....................................................52 3.2.2. Asenkron Motorlar..........................................................58 3.2.3. Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar.................................60 3.2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motorları (ARM).....................61 3.3 Bataryalar.....................................................................................62 3.3.1 Kurşun- Asit Bataryalar...................................................62 3.3.2 Nikel Bazlı Bataryalar......................................................68 ix Sayfa 3.3.4 Lityum Bataryalar............................................................71 3.4 BATARYA ÖMRÜ VE BATARYALARIN ŞARJ EDİLMESİ...........74 3.4.1 Batarya Ömrü..................................................................74 3.4.2 Çevrim Ömrü...................................................................78 3.4.3 Bataryanın Şarj Durumu ................................................79 3.4.4 Batarya Denetim Sistemi (BDS)......................................82 3.4.5 Bataryaların Şarj Edilmesi...............................................85 3.4.6 Şarj Eşitlenmesi...............................................................86 3.5 Elektrikli ve İçten Yanmalı Motorlu Araçların Karşılaştırılması…..89 3.5.1 Fiyat.................................................................................89 3.5.2 Kullanım Masrafları ve Bakım-Onarım............................91 3.5.3 Menzil Ve Tekrar Depolama Süresi.................................95 3.5.4 Hava Kirliliği ve Karbon Emisyonu..................................96 3.5.5 Hızlanma ve Aktarım Organı...........................................99 3.5.6 Enerji Verimliliği.............................................................101 3.5.7 Güvenlik........................................................................102 4. MATERYAL METOD...............................................................................105 4.1 Elektrikli Aracın Tasarımı............................................................105 4.2 Dayanım Analizleri......................................................................107 4.3. İmalat.........................................................................................116 4.4 Batarya Deşarj Testi..................................................................119 5. Sonuç ve Öneriler...................................................................................125 KAYNAKLAR..............................................................................................128 ÖZGEÇMİŞ.................................................................................................132 x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Simülasyon sunuçları……………………………………………..32 Çizelge 2.2. Kullanılan araç özellikleri…………………………………............36 Çizelge 3.1. Elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri..43 Çizelge 3.2. Elektrik Motorlarına Göre Hibrit Araçlar………………………….48 Çizelge 3.3 Bataryadaki iki farklı pilin şarj durumları……………………….....87 Çizelge 3.4. Yakıt Verimliliği ve Masraf Kısaylaması………………………….93 Çizelge 4.1. Deşarj Gerilim-Zaman Değerleri………………………………...119 xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 1.1. Avrupa dizel motor PM ve NOx emisyon standartları……………..16 Şekil 1.2. Avrupa benzinli motor PM ve NOx emisyon standartları…………17 Şekil 2.1. Güç talep geçiş olasılığı…………………………………………....…25 Şekil 2.2. En uygun SDP politikası……………………………………………..25 Şekil 2.3 Batarya enerji yoğunlukları……………………………………………29 Şekil 2.4.Hibrit araç modeli....……………………………………………………31 Şekil 3.1. Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem…41 Şekil 3.2. Akümülatör ve İki Elektrik Motoru Olan Diferansiyelsiz Sistem......41 Şekil 3.3 Tekerlek İçi Motor………………………………………………………42 Şekil 3.4. Zincir Dişli Mekanizması……………………………………………..43 Şekil 3.5 Hibrit Aracın Elemanları………………………………………………45 Şekil 3.6 Seri Hibrit Sistem………………………………………………………46 Şekil 3.7 Paralel Hibrit Araç……………………………………………………...47 Şekil 3.8. Yakıt Pili………………………………………………………………...49 Şekil 3. 9. 15 kW'lık yakıt pilinin metanol ve voltaj değişimi grafikleri……….50 Şekil 3. 10. Elektrik motorları iç devresi………………………………………...52 Şekil 3.11. DC motor iç devre şeması…………………………………………..53 Şekil 3. 12. Doğru akım motoru çalışma prensibi şeması…………………….54 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 3.13. Elektrik motoru hız karakteristikleri………………………………...56 Şekil 3.14. Fırçalı DC motorun Tork Hız grafiği………………………………..58 Şekil 3.15. Kurşun asit bataryanın deşarjı boyunca oluşan reaksiyonlar…...64 Şekil 3.16. Kurşun asit bataryanın şarjı boyunca gerçekleşen reaksiyonlar..64 Şekil 3.17 Kurşun asit batarya tam dolu şarj halindeyken gerçekleşen gaz reaksiyonları…………………………………………………….........66 Şekil 3.18. Grafik sızdırmaz bir kurşun asit bataryanın açık devre voltajının şarj durumuna göre değişimi…………………………....................66 Şekil 3.19. NiCd bataryanın deşarjı esnasında gerçekleşen reaksiyonlar…69 Şekil 3.20 Deşarj yoğunluğuna bağlı bataryanın çevrim sayısı……………...76 Şekil 3.21 100 Ah lityum iyon pilin deşarj karakteristikleri……………………81 Şekil 3.22 HEA batarya çalışma aralığı………………………………………...85 Şekil 3.23 Bir bataryadaki periyodik şarj eşitlenmesi…………………………88 Şekil 3.24 Elektrik Enerjisi Üretim Dağılımı…………………………………….97 Şekil 4.1. Batarya Zamana Bağlı Deşarj Grafiği……………………………...121 xiii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Asenkron motoru kesit resmi……………………………………….60 Resim 3.2. Anahtarlamalı relüktans motorları………………………………....62 Resim 4.1 Bilgisayar Destekli Şasi Tasarımı…………………………………106 Resim 4.2 Bilgisayar Destekli Gövde Tasarımı………………………………106 Resim 4.3 .sat uzantılı dosya import…………………………………………..107 Resim 4.4 Dayanım Analizi……………………………………………………108 Resim 4.5 Sonlu Elemanlar Tipi………………………………………………108 Resim 4.6 Dökme Demir Elastikiyet Modül…………………………………..109 Resim 4.7 Mesh İşlemi………………………………………………………….109 Resim 4.8 Mesh…………………………………………………………………110 Resim 4.9 Dayanma Yüzeyi……………………………………………………110 Resim 4.10 Kuvvetin Uygulama Yüzeyi………………………………………111 Resim 4.11 Yük Miktarı…………………………………………………………111 Resim 4.12. Çözüm İşlemi……………………………………………………...112 Resim 4.13. Çözüm İşlemi……………………………………………………...112 Resim 4.14 Sonuç Gösterim Biçimi……………………………………………113 Resim 4.15. 1. Parça Analiz Sonucu………………………………………….114 Resim 4.16 2. Parça Analiz Sonucu…………………………………………..115 Resim 4.17 3. Parça Analiz Sonucu…………………………………………..116 xiv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 4.18. Araç blok diyagramı……………………………………………....118 Resim 4.19. Araç son hali……………………………………………………...118 Resim 4.20. Araç testi…………………………………………………………..121 Resim 4.21. Test ekranı………………………………………………………..122 xv KISALTMALAR Kısaltmalar Açıklamalar PM Partikül moleküler EA Elektrikli araç İYM İçten yamlalı motor HEA Hibrit elektrikli araç ÇKA Çevresel koruma ajansı FDAM Fırçasız doğru akım motoru DC Doğru akım EM Elektrik motoru AC Alternatif akım ASM Asenkron motor SM Senkron makineler ARM Anahtarlamalı Relüktans motor BŞD Batarya şarj durumu BDS Batarya denetim sistemi 16 1. GİRİŞ Ulaşım yüzyıllardır insanlığın en önemli gereksinimlerinden biri olmuştur. Bunlardan en çok üzerinde durulan ise kara taşıtları olmuştur. Sürekli bir gelişim sağlayan araçlar teknolojinin de gelişimiyle tüketicilere yüksek performans ve konfor sağlayabilir hale gelmiştir. Sanayi devrimi sonrasında hızlı şekilde artan çevre kirliliği dünyayı ve canlıları olumsuz etkilemektedir. Bu yüzden bilim adamları bu kirliliğin azaltılması için neler yapılması gerektiğini araştırmaya başlamıştır. Özellikle 20. Yüzyılın son çeyreğinden sonra otomotiv sektöründe emisyon değerlerine kısıtlamalar getirilmeye başlanmıştır. Euro emisyon standartlarına uyulmayan araçların Avrupa birliği ülkelerinde satışı yasaklanmıştır. Aşağıda benzinli ve dizel motorlar için PM ve NOx emisyon standartları grafikleri verilmiştir. [1] Şekil 1.1: Avrupa dizel motor PM ve NOx emisyon standartları [1] 17 Şekil 1.2: Avrupa benzinli motor PM ve NOx emisyon standartları [1] Petrol kaynaklı motorların emisyon değerleri, teknoloji ne kadar gelişirse gelişsin tamamen sıfır olmayacaktır. Ayrıca petrol rezervleri gün geçtikçe de azalmaktadır . Bu da otomotiv üreticilerini alternatif enerji kaynakları ile çalışan taşıtlara yöneltmiştir. Kolay ve çok çeşitli yollardan üretilebilen enerji olan elektrik enerjisi en popüleri olmuştur. İçten yanmalı motorlardan önce bulunan ve taşıtlarda kullanılan elektrik motoru 1930'larda menzil ve performans olarak içten yanmalı motorların çok gerisinde kaldığı için üretimleri durdurulmuştu. Tekrar kullanılmak istenilen bu teknoloji için üreticiler öncelikle eksik yanlarını tespit ettiler. İçten yanmalı bir motora göre en önemli eksik yanının düşük menzil ve uzun şarj süresi olduğunu tespit ettiler. Bulunan eksik yönler geliştirilmeye başlandı. Elektrikli taşıtlar üzerinde üniversite ve enstitülerde lisans, yüksek lisans ve doktora düzeyinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların başlıkları taşıt tasarımı, batarya ve enerji kontrol sistemleri, elektrikli motor, alternatif enerji elde etme yöntemleri vb. gibi konulardır. Yapılan çalışmalar neticesinde yeni sistem ve yöntemler geliştirilmiştir. Çalışmalar ve yeni geliştirilen sistemler otomotiv üreticileri tarafından yakından takip edilmektedir. Pazar payı olan çalışmalar seçilip satın alınarak hayata geçirilmektedir. 18 Bu tez kapsamında elektrikli taşıt tasarımı bilgisayar ortamında solidWorks programı ile yapılacaktır. Tasarlanan aracın malzeme dayanım analizleri ansys ile yapılacaktır. Analizler sonucu karar verilen parçalar ile prototip araç üretilecektir. Yol testine tabi tutulacak olan bu prototip ile aracın maksimum hız, menzil ve batarya şarj deşarj değerleri ölçülecek ve içten yanmalı motorlarla kıyaslaması yapılacaktır. 19 2. LİTERATÜR 1800 yılında ,İtalyan Alessandro Volta elektrik enerjisini kimyasal olarak depolanabildiğini göstermiştir. Volta kendinden önce çalışan İtalyan araştırmacı Luigi Galvani'nin yaptığı deneylerden esinlenmiştir.[2] 1821 de İngiliz Briton Michael Farraday deneylerinde Volta kimyasal pil uygulaması yapmış ve bu uygulamalar sonucunda elektrik motorunun ve jeneratörünün prensiplerini göstermiştir.[2] İlk EA modeli 1835 yılında Profesör Stratingh tarafından Hollanda’da yapılmıştır. 1834‐1836 yılları arasında Thomas Davenport tarafından ABD’de elektrikli yol aracının geliştirildiği ve uygulamasının yapıldığı raporlanmıştır. Bu araç üç tekerlekli olmakla beraber şarj edilmeyen bataryalarla tahrik edilmiştir. 4 yıl sonra Robert Davidson şarj edilemeyen batarya ile tahrik edilen elektrikli lokomotifi geliştirmiştir. 1859 yılından sonra kurşun‐asit bataryalar geliştirilmiş ve kullanılmaya başlanmıştır.[2] Ticari olarak satılmaya başlanan ilk otomobilin ortaya çıkışından bu yana 125 yıl geçmiştir. Bu zamandan beri, ekonomik kısıtlar, teknolojik atılımlar, yeni enerji kaynakları, çevresel kaygılar ve yasal düzenlemeler otomobil evrimini şekillendiren kritik faktörler olarak görülmektedir. Aynı faktörler, gelecekte alternatif araçlara geçişte de belirleyici temel faktörler olacaktır. Bu sebeple elektrikli araçların tarihine göz atarken, yüzyıldan daha fazla bir süre önce karşılaşılan sorunların bugün de hala var olduğunu kaydetmek yerinde olacaktır [3]. Araçların elektrik enerjisi ile tahrikine olan ilgi son zamanlarda oldukça yükselmiştir. Ancak bu fikir aslında hiç de yeni değildir. Elektrikli araçlar 1830’larda, benzinli motorun bulunuşundan yıllar önce icat edilmiştir. İçten yanmalı motor (İYM) kullanan ilk araç 1807’de, François Isaac de Rivaz 20 hidrojen‐oksijen karışımı yakan bir motor geliştirdiği zaman ortaya çıkmıştır. 20 yıl sonra, 1828 yılında Macar Anyos Jedlik elektrikle çalışan model bir araç geliştirmiştir. 1832 yılında İskoçya’lı Robert Anderson elektrikli binek bir araç yapmıştır. 1835’de ise Hollandalı Profesör Stratingh ve Amerikalı Thomas Davenport birer elektrikli araç geliştirmişlerdir.[2] Bu ilk elektrikli araçlarda enerji kaynağı olarak tekrar şarj edilemeyen bataryalar kullanılmış ve bu sebeple ticari olarak varlık gösterememişlerdir. Ancak 1859 yılında tekrar şarj edilebilir kurşun‐asit bataryaların geliştirilmesi, ticari olarak satışa sunulan elektrikli araçları ortaya çıkarmıştır.[2] 1881 de Mr. Trouve Plante kurşun batarya kullanarak üç tekerlekli ilk elektrikli aracı yapmış ve bu araç halka Fransa'da gösterilmiştir.[2] 1882 yılında İngiltere’de Prof. William Ayrton ve John Perry, elektrik tahrikli 3 adet tekerlekli aracın uygulamasını yapmıştır. Bu araçların her birinde 10 tane kurşun‐asit batarya kullanılmıştır. Aracın menzili araziye bağlı olarak 16‐20 km arasında olup azami hızı ise 14 km/saattir. Bundan 3 yıl sonra Karl Benz, İYM ile 3 tekerlekli aracı geliştirmiştir.[2] 19. yüzyılın son dönemlerine doğru Amerika, İngiltere ve Fransa’da birçok şirket elektrikli araç üretmeye başlamıştır. Bu üreticilerden en önemlisi Morris ve Salomon’un sahibi olduğu Electric Carriage and Wagon Company adlı şirkettir. Morris ve Salomon 1895 yılında 2 oturma koltuğu olan Electrobats isimli elektrikli aracı geliştirmişlerdir [5]. İçten yanmalı motorlarda gelişmeler ilk yıllarda daha yavaş durumdadır. 1885’de Karl Benz Almanya’da Motor Wagen’ı tanıtana dek benzinle çalışan satın alınabilir bir otomobil üretilememiştir. Bu buluştan sonra hem benzinli hem elektrikli araçlar yaygın olarak satılmaya başlanırken ikisi de farklı teknolojik kısıtlamalarla yüzleşmişlerdir [3]. 21 İçten yanmalı motorlar aşırı gürültülü, kirli, kötü koku yayan ve mekanik problemlere eğilimli durumdaydı. Ayrıca daha büyük bir dezavantajları, çalışmaları için krank kolu ile başlatılmalarının gerekmesiydi. Bu işlem hem güç hem de hızlı refleksler gerektiriyordu ve motor çalışmaya başladığında krank kolunun çevirene vurması nedeniyle yaralanmalar oldukça sıradandı. Ayrıca içten yanmalı araç sürmenin vites değiştirmek gibi zor bir yanı da vardı [3]. İçten yanmalı motorlarla karşılaştırıldığında elektrikli araçların en büyük problemi menzillerinin kısa olmasıydı. Ayrıca bu araçlar bataryaların yüksek ağırlıkları nedeniyle çok ağır ve çok daha yavaştı. Bu dezavantajlara rağmen, 1900’lü yıllarda Amerika’daki elektrikli araçların sayısı benzinle çalışan araçların sayısının neredeyse iki katıydı. 1912’de satışlar maksimuma ulaştı ve elektrikli araçlar bugün olduğundan bile daha yaygın bir hale geldi. 1918 yılında Amerika’da 50,000 civarında elektrikli araç yollarda idi [3]. Ancak ilerleyen yıllarda işin rengi değişmeye başladı. Elektrikli araçların menzil problemleri 1920’lerde Amerika’da şehirlerarasında yolların gelişmeye başlaması, tüketicilerde uzun menzil talebi oluşturdu. Bu soruna çözüm arayışlarından biri de elektrikli araçlarla içten yanmalı motorların iyi yönlerini bir araya getiren hibrit araçlardı. Benzin‐elektrik hibrit otomobil ilk olarak, Ferdinand Porsche tarafından Paris Fuarı’nda sergilediğinde çok olumlu tepkiler aldı. Ancak kısa süre sonra, sistemlerinin karmaşık olmaları ve yüksek üretim maliyetleri yüzünden hibrit elektrikli araçlar tarihe karıştı [3]. Sonuç olarak, 1900’lü yılların başındaki teknolojik ve lojistik gelişmeler sayesinde içten yanmalı motora sahip araçlar, bataryalı ve hibrit araçları gölgede bırakmıştır. İlerleyen süreçte elektrikli araçların satışlarının sürekli 22 olarak azaldığı ve sonunda da piyasadan tamamen yok olduğu görülmektedir [3]. Elektrikli araçların erken yok olmaları, beygir güçlerinin düşük olması ve uzun menzil ihtiyaçlarına cevap verememelerine bağlanmaktadır. Ayrıca petrol fiyatlarındaki düşüş ve kolay erişilebilir petrol rezervlerinin bulunması da bunda etkin rol oynamıştır. Bunların yanı sıra teknolojik gelişmeler de içten yanmalı motorların lehine gerçekleşmiştir. 1897’de susturucunun icadı motor gürültüsünün azalmasını, 1912’de marş motorunun icadı ise krank kolu gereksiniminin ortadan kalkmasını sağlamıştır. Elektrikli araçlarda da teknolojik ilerlemeler olmasına rağmen üç temel kısıt aşılamamıştır: Kısa menzil, düşük hız ve yüksek üretim maliyeti [6]. Henry Ford’un başlattığı seri üretim, içten yanmalı motorlu araçların 500‐1000 $ civarlarında satışına imkân verirken, gösterişsiz bir elektrikli aracın fiyatı 1000 $’ın oldukça üzerinde idi [6]. İçten yanmalı motorlu taşıtların tercih edilmesinin temel sebeplerinden biri petrolün özgül enerjisinin bataryaların özgül enerjisine kıyasla oldukça yüksek olmasıdır. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtın özgül enerjisi 9000 Wh/kg civarlarında iken, örneğin bir kurşun asit bataryanın özgül enerjisi 30 Wh/kg civarında bir değere sahiptir. İçten yanmalı motorun veriminin %20 civarında olduğu göz önüne alındığında içten yanmalı motor sistemine sahip bir taşıt yaklaşık 1800 Wh/kg’lık bir özgül enerjiye sahip olmaktadır. Yaklaşık %90 verime sahip olan elektrik motorunun kullanılması ile girişindeki bataryaların özgül enerjisi göz önüne alındığında ancak 27 Wh/kg civarında kullanılabilir enerjiye sahip olunacaktır. Yani içten yanmalı motora sahip bir taşıtla aynı menzile sahip olabilmek için, içten yanmalı motorun yaklaşık 70 katı ağırlığa sahip bir batarya sistemi kullanılması gerekmektedir. Ayrıca bir batarya sistemini tamamen şarj edebilmek için saatler gerekirken, içten yanmalı motor için gereken yakıtın taşıta yüklenmesi birkaç dakika içerisinde gerçekleştirilebilmektedir [7]. 23 1935 yılında elektrikli araçlar tamamen ortadan kaybolmuş ve 25 yıl boyunca hiç konuşulmamıştır. 1960’lı yıllarda özellikle Los Angeles gibi, coğrafyaların hava kirliliğinin dağılmasına izin vermediği şehirlerde, hava kirliliğinden kurtuluş çaresi olarak elektrikli araçlara tekrar ilgi duyulmaya başlanmıştır [6]. 1970’lerde petrol fiyatının dört katına çıkması ve Arap petrol ambargosu, özellikle Amerika’da alternatif yolların aranmasına neden olmuştur. 1975’de Amerika Posta Servisi, American Motors Corporations’dan 350 adet elektrikli dağıtım jipi almıştır. Bu araçlar 10 saatlik şarjla 80 km/h hıza ve 60 km menzile ulaşabiliyordu. Ancak düşük menzil ve bataryaların yüksek maliyeti, ticarileşme önünde en büyük engel olmayı sürdürmüştür [6]. Yine 1970’li yılların başında Amerika ve Avrupa’da kirliliğin çevreye ve insan sağlığına etkileri hakkında yeni ve gittikçe artan bir ilgi oluşmuştur. Bu konuda yazılan yazılardan biri, Çevresel Koruma Ajansı (ÖKA)’nın kurulmasına ve politikacıların olası bir çevresel felaketin önlenmesi için dünyanın 10 yılı kaldığı gibi meseleleri konuşmasına neden olmuştur. Emisyonların bir tehdit olarak algılanması şeklindeki fikir değişikliği, birçok ülkede petrol temelli yakıtlara alternatiflerin araştırılması ve geliştirilmesi için baskı oluşturmuştur [3]. 1990 yılında Kaliforniya Hava Kaynakları Meclisi (CARB), Kaliforniya’da 1998 yılında satılacak tüm araçların %2’sinin ve 2003 yılında satılacak tüm araçların %10’unun sıfır emisyonlu araçlar (Zero Emission Vehicle ‐ ZEV) olması yönünde bir karar almıştır. Kaliforniya’nın yaptığı düzenleme, Amerikan hükümetini ve endüstrisini daha temiz araçlar ve alternatif yakıt kaynakları geliştirilmesi konusunda motive edici olmuştur [4]. Sonuç olarak, bazı hükümetler araçlara egzoz emisyonlarına göre vergilendirmeler yapmış ve petrol bazlı yakıtlardaki vergileri artırmış, bu da elektrikli araçlara olan ilginin hız kazanmasını sağlamıştır [3]. 1996 yılında 24 General Motors (GM) ilk seri üretim elektrikli araç olan EV1’i Amerika’da piyasaya sürmüştür. Diğer otomotiv üreticileri piyasaya sürdükleri elektrikli araçlarıyla bu trendi izlemişlerdir. Ford Ranger EV pikabı, Honda EV Plus’ı ve Toyota RAV EV’yi piyasaya sürmüştür [4]. Ancak sadece batarya ile tahrik edilen elektrikli araçların düşük menzil problemleri nedeniyle, 1990’larda büyük taşıt üreticileri, tümü elektrikli taşıtların gelişmesi için batarya teknolojisinin de gelişmesi gerektiğini savunmuş ve çalışmalarını hibrit teknolojisi üzerine yoğunlaştırmışlardır. Özellikle Japon firmalarının Toyota Prius, Honda Insight ve Nissan Tino modelleri günümüzdeki hibrit teknolojinin gelişmesinde öncü olmuştur [4]. Michigan üniversitesi öğrencileri Chan Chiao Lin , Huei Peng ve J.W. Grizzle 2003 yılında elektrikli otomobillerde güç yönetimi konusunda çalışmışlar. Çalışmalarında araçtaki alt sistemleri incelemiş ve maksimum enerji tasarrufu için güç kontrol sistemi yapmışlardır. Aracı değişik yol şartlarında deneyerek değişken yol karakteristikleri çıkarmışlar ve bunları markow zincir modelleme haline getirip bilgisayar programında yazmışlardır. Oluşan programa Stakastik Dinamik Programlama ( SDP ) adını koymuşlar. Bu çalışma sonucunda enerji tasarrufu sağladıklarını testleri sonucunda göstermişler.[5] Çalışmalarında oluşturdukları bazı tablolar ; 1- Güç talep geçiş olasılığı grafiği (39 (rad/s) ) 25 Şekil 2.1. Güç talep geçiş olasılığı[5] 2- En uygun SDP politikası ( 44 (rad/s) ) Şekil 2.2. En uygun SDP politikası[5] İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü öğrencileri Murat Yılmaz , Nejat Tuncay ve Özgür Üstün 2006 yılında fırçasız 26 DA motorunun (FDAM) algılayıcısız kontrolünde dalgacık tekniğinin uygulanmasını yapmıştır. Bu çalışmada fırçasız doğru akım motorunun (FDAM) dalgacık teorisi yardımıyla algılayıcısız olarak kontrolü ve elektrikli otomobile uygulanması amaçlamıştır. Bu doğrultuda geliştirilen bir kalkış algoritması yöntemiyle, motorun, indüklenen gerilim bilgisinin algılanabileceği belirli bir hıza kadar açık çevrim olarak hızlanması sağlanıp, bu hızdan sonra geri besleme olarak elde edilen beslenmeyen faz indüklenen geriliminden ve faz akımlarından yararlanılarak kapalı çevrim olarak dalgacık dönüşümü yardımıyla fırçasız doğru akım motorunun algılayıcısız kontrolü gerçekleştirilmiştir. Komutasyon anlarının algılayıcısız olarak elde edilmesi sırasında, geliştirilen PID ve Bulanık kontrolör algoritmaları yardımıyla motor hız ve faz akımları gerçek zamanlı olarak denetlenmiştir [8]. Karl Georg Høyer 2007 de Oslo üniversitesi bünyesinde elektrikli araçların ve alternatif yakıtların tarihçesini araştırmıştır.Kullanılan teknolojileri incelemiş olumlu ve olumsuz yönlerini tespit etmiştir. Araçların insanlardaki kullanım alışkanlığı ve çevreye verdiği etkileri incelenmiş ve tarihsel gelişimde yenilenen teknolojik gelişimler, düzeltilen eksik yönler ve yenilenebilir enerji kullanım düzeyi gözlemlenmiş ve raporlanmıştır. Sonuç olarak da çevrenin bu teknolojiye tepkisi ve nasıl davranılması gerektiği eklemiştir[2]. 2008 yılında Y.Müh. Ali BOYALI tarafından yapılan doktora tezinde Ford Transit marka iki aracı hibrit bir araca dönüştürülmüştür. Dönüştürülen araç için optimizasyon hesaplamaları, kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi ve ayrıntılı seyir dinamiği analizlerinin yapılabilmesi amacıyla basit ve göreceli olarak daha karmaşık modeller oluşturulmuştur. Hibrit elektrikli aracın kontrolü için bir çok ticari hibrit araçta kullanılan kural tabanlı kontrol yöntemi uygulanmıştır. Tez kapsamında ayrıca, arka akstan bir elektrikli motoru ve ön aksta, birbirleri ile uygun bir şekilde bağlanan bir elektrik motoru ve içten yanmalı motor ile tahrik edilen hibrit bir elektrikli araç için yakıt tüketimini minimize edecek en uygun bileşen boyutlarının da, eşdeğer yakıt tüketimi ve tasarım optimizasyonu yöntemleri yardımı ile hesaplanması gösterilmiştir [9]. 27 2009 yılında elektronik ve haberleşme mühendisi Ali Önder Biroğlu tarafından yapılan yüksek lisans tezinde hibrit bir aracın içten yanmalı bir araca göre olan yakıt tasarrufunu ve emisyonunu incelemiştir. Tamamlanan bu tez çalışmasında, otomotiv uygulamalarında standart olan CBD ve ECE çevrimleri için yakıt tüketim verileri karşılaştırılmıştır. Buna göre, tam yüklü araç için CBD çevriminde konvansiyonel araca göre %12,92 lik bir yakıt ekonomisi sağlandığı görülmektedir. Yine tam yüklü araç için ECE çevriminde bu değer %22,41’dir. Aracın yolcuları olmadan boş ağırlığı için aynı iterasyonlar tekrarlandığında, CBD çevriminde %24,03 ve ECE çevriminde %25,52’lik bir yakıt ekonomisi değerine ulaşılmıştır. Aynı çalışmanın araç emisyon haritaları uygulanarak tekrarı ile, araç emisyon değerlerindeki değişimlerde net bir şekilde görülebilir[10]. 2009 yılında Volkan Erginer elektrikli hibrit araçlar ve sürme devreleri tasarımı konusunda yüksek lisans tezi yapmıştır. Bu çalışmada elektrikli araç türleri, farklı yapısal özelliklere sahip hibrit elektrikli araçların özellikleri ve elektrikli araçlarda kullanılan temel bileşenler ayrıntılı şekilde ele alınmıştır. Aracın önemli bileşenlerinden olan DC-DC dönüştürücüler farklı yapılarda ele alınarak etraflıca incelenmiş ve çift yönlü çalışabilen izolasyonlu bir dönüştürücünün en uygun çözüm olduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorları ve bunların kontrol yöntemleri, özellikle sabit mıknatıslı motorlara ağırlık verilerek incelenmiştir. Motor sürme devresinin omurgasını oluşturan inverterler ve inverterlerin farklı çalışma durumları incelenmiş, araç uygulamaları için alan zayıflatma bölgesinde çalışmanın son derece önemli olmasından dolayı kare dalga çalışma ile uzay vektör modülasyonu detaylı şekilde ele alınmıştır. Son olarak da bir araçta kullanılmak üzere seçilmiş sabit mıknatıslı bir senkron motorun “amper başına maksimum moment” kontrol yöntemiyle simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Simülasyon neticesinde aracın farklı yol durumlarında hız, moment, güç ve akım değerleri elde edilmiştir. Denenen farklı paralel bağlantı sistemleriyle maksimum performansı veren sistem araştırılmış[11]. 28 Gallen Üniversitesi öğrencisi Theo Lieven , Silke Mühlmeier, Sven Henkel ve Johann F. Waller 2010 yılında elektrikli araçların pazar payını incelemiş ve 50 yıllık pazardaki öngörüyü ve firmaların çalışmalarını rapor etmiştir. Araç fiyatlarını, kullanım maliyetlerini ve tüketicilerin değerlendirme ve eleştirilerini değerlendirmişler[12]. İstanbul Teknik Üniversitesi Fen öğrencisi Sinan Otlu 2010 yılında yüksek lisans tezinde içten yanmalı bir aracı hibrit araca dönüşümünü ve aracın modellenerek test edilmesini çalışmış. Bu model çalışmasında hibrit aracın avantajlarını büyük oranda sunabilen ve aynı zamanda sağladığı yakıt tasarrufu ile maliyetini karşılayabilecek bir çözüm aramış. Oluşturulan model AVL CRUISE programında simüle edilmiştir. Avrupa şehir içi yol şartları modellenerek hem hibrit araç hem de içten yanmalı araç denenmiş ve karşılaştırılmıştır. Hibrit modelin ayrıca rejeneratif frenli ve frensiz halleri diğer koşullar aynı tutularak ayrı ayrı denenmiştir. Sonuç olarak Li-İyon batarya ve rejeneratif fren sistemi en uygun seçim olduğunu tespit etmiştir[13]. 2010 yılında Yunus DEMİRCİ hibrit araçlarda elektrik motor denetimini incelemiştir. Çalışmada ise model olarak içten yanmalı motor ve elektrik motorunun aynı şaftı paralel olarak sürdüğü bir sistem ele alınmıştır. Batarya olarak Li-ion batarya, elektrik motoru olarak da bir asenkron motor kullanılmıştır. Jeneratör olarak başka makine kullanılmamış, aynı asenkron motor jeneratör modunda çalıştırılarak normal bir araçta frenleme sırasında kaybolan enerjinin bir kısmı geri kazanılmıştır. Asenkron motor denetim yöntemi olarak, alan yönlendirmeli denetim kullanılmıştır. Araç üzerindeki sürtünme ve yol eğiminden gelen kuvvetlerin motora yansıması ve motor torkunun tekerlerde kuvvete dönüşme ilişkisi modellenmiştir. Ayrıca yakıt tasarrufunu ölçmek için batarya şarj durumundaki değişikliğin yakıt karşılığının hesaplanması ile, belli başlı yol ve hız değişimi şartlarında enerji geri kazanımının başarı ölçütleri hakkında bazı tespitlerde bulunulmuştur. Yalnız içten yanmalı motor kullanıldığı durumun simülasyonunda aracın daha 29 hafif olduğu unutulmamış, yakıt tüketimi karşılaştırmasının gerçekçi olmasına dikkat edilmiştir.Çalışmalarda asenkron motor alan yönlendirmeli kontrol yöntemiyle sürülmüştür. Buna göre jeneratör modundaki geri kazanım oranı, mıknatıslanma akımı referans değeri seçiminden oldukça etkilenmektedir. Liion bataryanın da başarıyla kullanılabileceği model üzerinde gösterilmiştir. Sonuçta kalkış-duruş ve yokuş çıkış-iniş şartlarında cazip yakıt tasarruf oranları elde edilmiştir[14]. 2010 yılında kimya mühendisi Burcu Aydın yakıt pilli elektrikli araçların tahriki için farklı bataryaları yüksek lisans tezinde incelemiş ve en uygun batarya tipini bulmaya çalışmıştır.Yaptığı deneyler sonucunda aşağıdaki ki grafiği elde etmiştir. Şekil 2.3 Batarya enerji yoğunlukları[15] Elde edilen grafik sonucun da nikel metal hidrür, lityum iyon, sodyum nikel klorür gibi yeterli enerji yoğunluğuna sahip bataryalar orta mesafeli araçlarda kullanılabilir. Özellikle çok hızlı şarj olabilen nikel metal hidrür bataryalar uzun mesafe süreleri için dizayn edilmiş hibrit araçlar için ya da sık duraklar boyunca şarj edilebilen otobüsler için idealdir. Özellikle lityum iyon batarya olmak üzere bu batarya tiplerinin fiyatları oldukça yüksektir. Doğal olarak 30 elektrikli ulaşım araçlarında bu batarya tiplerinin kullanımı yaygınlaştıkça fiyatları da bu doğrultuda düşüş gösterecektir[15]. 2010 yılında Mehmet Ali Çimen İstanbul Teknik Üniversitesinde yaptığı yüksek lisans tezinde elektrikli ve hibrit elektrikli araçlarda senkron tahrik motoru kontrolü üzerinde çalışmıştır. Tahrik motorunun istenen özelliklerde bir performans gösterebilmesi için kalıcı mıknatıslı senkron bir motorun kontrol algoritması tasarlamıştır. Tasarlanan algoritmanın performansı öncelikle bilgisayar benzetimleri ile gözlemlemiş daha sonra tahrik motoru çeşitli yükler ile yüklenerek simülatör düzeneğinde test edilmiş[16]. 2010 yılında Bülent Vural elektrikli taşıtlarda enerji yönetim stratejilerinin , güç dönüştürücülerinin ve bağlantı yöntemlerinin performans ve verimlilik üzerindeki etkisini araştırmıştır. Doktora tezi olarak yapılan bu çalışmada farklı sistemler deneyerek optimum performansı ve verimliliği veren kombinasyonu araştırmıştır. Yaptığı çalışmalar; - faydalı frenleme enerjisinin daha iyi geri kazanılmasında güç dönüştürücülerin etkisi, -yük paylaşımlı enerji yönetiminin verimlilik ve performans üzerine olumlu katkısı, -enerji kaynakları ve enerji depolama sistemlerine ait farklı bağlantı topolojilerinin verimlilik ve performans açısından karşılaştırılması, incelenmiştir. Yaptığı çalışmalar sonucunda öneri ve elde ettiği sonuçları şu şekildedir. -faydalı frenleme enerjisini daha iyi kazanabilmek için güç yoğunluğu yüksek bir enerji depolama ünitesi ile birlikte, çift yönlü düşürücü-yükseltici çalışabilen kaskad topoloji benzeri bir dönüştürücü de gerekmektedir. -elektrikli taşıtlarda enerji yönetimi veya yük paylaşımının tek başına kullanılması alınabilecektir. yerine birlikte kullanılması ile daha başarılı sonuçlar 31 -bataryalı elektrikli taşıtlarda, batarya ömrünü arttırmak ve şarj-deşarj kayıplarını azaltmak için akımın değerini ve değişim hızını sınırlayabilen çift yönlü bir dönüştürücü kullanılmalıdır[17]. Ali BOYALI ve Levent GÜVENÇ 2010 yılında İTÜ dergisinde çıkan makalede içten yanmalı araçları hibrit araçlara dönüştürülmesini incelemişlerdir. Bu çalışmada yakıt tüketimi ve egzoz gazı emisyonlarının en iyi şekilde azaltılabilmesi için optimizasyon ve araç dinamiğinin incelenmesini sağlayacak iki farklı yöntemle araç modelleri geliştirilmiştir. Tüm modelleme çalışmaları, FOHEV – I (Ford Otosan Hibrit Elektrikli Araç) projesi kapsamında Ford Transit Van hafif ticari araç üzerine kurulmuştur. Mevcut aracın hem önden hem de arkadan tahrikli sürümlerinin olması nedeniyle geliştirme aracı olarak Ford Transit Van modeli seçilmiştir. Önden çekişli aracın arka aksına, batarya ile beslenen bir elektrik motoru bağlayarak mevcut araç paralel hibrit elektrikli araca dönüştürülmüş ve kontrol algoritmaları ve araç seyir dinamiği için kullanılmak üzere iki farklı yöntem ile hibrit elektrikli araç modelleri oluşturulmuştur. Şekil 2.4.Hibrit araç modeli Araç modeli ve kural tabanlı kontrol ile yapılan simülasyon sonuçlarında yakıt tüketimi ve egzoz emisyonları miktarları ve konvansiyonel araca göre gerçekleşen iyileştirme oranları Çizelgede verilmiştir. 32 Çizelge 2.1. Simülasyon sonuçları İyileşme İçten yanmalı Hibrid l/100 km l/100 km 11,33 8,92 %21,3 İçten yanmalı Hibrid İyileşme gr/km gr/km NOx 0,91 0,84 %18,7 CO2 2,85 2,17 %23,9 Yakıt Tüketimi Araç üzerinde kullanılan kural tabanlı kontrol hız değerlerine göre düzenlenirken, simülasyonlarda güç değerleri esas alınmıştır. Bu durumda 6 kW güç gereksinimlerinin altında yalnızca EM durumu, bu güç sınırının üzerinde ise yalnızca İYM etkin durumdadır. Güç kriteri ile yapılan simülasyonlarda, ECE R15 çevrimi süresince araç kütlesi 3300 kg olarak kabul edildiğinde batarya şarj seviyesi aynı kalmakta, yakıt tüketiminde %21.3 civarında iyileşme gerçekleşmektedir[18]. 2011 yılında Mehmet Fatih Kıvrak yüksek lisans tezinde hidrojen yakıt hücreli elektrikli araçlar ve metal hibrit hidrojen saklama ortamlarının salıverme veriminin iyileştirilmesi konusunda çalışmıştır. Bu çalışmada sabit mıknatıslı, fırçalı doğru akım bir elektrik motoruyla tahrik edilen, 3 tekerli, arkadan itişli, yakıt hücreli, elektrikli bir aracın, hidrojen saklama ortamının salıverme verimini arttırmak amaçlanmıştır. Araçta kullanılan metal hidrid saklama ortamlarının salıverme verimini arttırmak amacıyla kapalı devre ısı transfer sistemi kurulmuştur. Normal çalışma sırasında bir grup fan, yakıt hücresinin soğutulması için, dış ortamdan emdiği havayı yakıt hücresine basmaktadır. Fanlar tarafından basılan soğuk hava, yakıt hücresinin ısısını almakta ve sıcak hava, yakıt hücresinden dış ortama aktarılmaktadır. Yapılan deneysel çalışmada, yakıt hücresine adapte edilen bir otomobil radyatörü ısı değiştirici olarak kullanılmıştır. Elektrikli araçta kullanılan metal hidrid tüplerden biri hidrojen ve sıvı giriş-çıkışına imkan veren kapalı bir kaba yerleştirilmiş, 33 kurulan sistem sayesinde, yakıt hücresinden salınan ısının, radyatör vasıtasıyla alınarak metal hidrid tüpe kazandırılması amaçlanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda kurulan sistemin, salınan hidrojen miktarını kayda değer oranda arttırdığı görülmüştür. Yakıt hücresi, çıkışında 800W güç üretecek şekilde yüklenmiş; ilk olarak ısı transfer sistemiyle, daha sonra ısı transfer sistemi olmadan, aynı şartlarda doldurulmuş metal hidrid tüpe bağlanmıştır. Isı transfer sistemi ile çalışan metal hidrid tüp 61 dakika boyunca; ısı transfer sistemi olmadan çalışan tüp ise sadece 18 dakika yakıt hücresini ortalama 800 W güç üretecek şekilde besleyebilmiştir. Normal çalışmada 18 dakika sonra biten tüp, ısı transfer sistemi ile teste devam edildiğine 50 dakika boyunca yakıt hücresini aynı yükte (800W) besleyebilmiştir[19]. 2011 yılında Ayça Göçmen Atılım üniversitesinde yaptığı yüksek lisans tezinde iki tekerlekli elektrikli araç tasarımı yapmıştır. Var olan araçları inceleyerek yeni bir tasarım yaparken hem sürücülü hem de kendi kendine giden bir taşıt tasarlamış. Sistem taşıyıcı modundayken dengeyi sağlayabilmek için sürücü öne(veya arkaya) eğildiğinde öne(veya arkaya) doğru hareket etmektedir. Ek olarak, bu çalışmada fiziksel sistemin iyileştirilmesi, parametre hesabı ve matematiksel modelin iyileştirilmesini yapmıştır [20]. 2011 yılında Serdar DÜŞMEZ tarafından yapılan tez çalışmasında faydalı frenleme enerjisinin daha iyi geri kazanımı için daha başarılı bir güç dönüştürme topolojisinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilecek bu topolojiyle, bir elektrikli taşıtın düşük hızlarda da faydalı frenleme enerjisini geri kazanılabilmesi hedeflenmektedir. Önerilen topolojinin frenleme enerjisi kazanımındaki üstünlüğünü doğrulamak amacıyla her iki dönüştürücü içinde 1kw’lık prototipler tasarlanmış olup, bu dönüştürücülere normalize edilmiş ECE-15’i de içeren üç farklı sürüş çevrimi uygulanarak, dönüştürücülerin frenleme enerjisi kazanım performansları irdelenmiştir. Deneysel sonuçlar incelendiğinde yumuşak ve sert frenleme çevriminde %135, kademeli 34 frenleme çevriminde %21, normalize edilmiş ECE-15 çevriminde ise %23’lük artış sağlanmıştır [21]. Naabel ALTANNEH 2012 yılında yüksek lisans tezi yapmıştır.Bataryalı elektrikli araçların yaygın kullanım alanlarından biri de golf arabalarıdır. Bu tez çalışmasında, bataryalı bir golf arabasının güneş ve hidrojen yakıt pillerinden beslenebilmesi için gerekli düzenlemeler yapılmıştır. Daha önce bir başka tez çalışmasında geliştirilen maksimum güç noktası izlemeli güneş enerjisi sistemine destek olacak bir hidrojen yakıt pili sistemi tasarlanmıştır. Bu sistem yalnızca güneş enerjisinin yeterli olmadığı veya yükün ihtiyacının yüksek olması durumlarında devreye girmektedir. Böylece enerji kaybının düşürülmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, 1.2 kW gücünde bir yakıt pilinin gerilimini aracın bataryalarını doldurabilecek gerilime dönüştüren bir DC/DC dönüştürücü geliştirilmiştir. Yalnızca belli dönemlerde devreye alınan yakıt pili sabit akımda çalıştırılmıştır. Belirlenen akım değerlerinde yakıt pili gerilimi 36 V olan batarya geriliminden düşük olduğundan dönüştürücü yükselten türden seçilmiştir. Geliştirilen güç devresi ve denetleyici sistem laboratuar ortamında denenmiştir [22]. Üzerinde çalışılan araç bünyesinde 6 adet 6 V’luk batarya bulundurmaktadır. Araçta kullanılan 3 kW gücünde doğru akım motoru seri uyarma sargılarına sahiptir. Bu çalışmada aracın yapısı değiştirilmemiş, yalnızca bataryalarını güneş panellerinden ve yakıt pilinden dolduracak bir sistem tasarlanmıştır. Daha anlamlı bir sistem kurulabilmesi için optimum batarya kapasitesi hesaplanarak batarya hacmi ve ağırlığı düşürülmelidir. Ayrıca, aracın seri uyarmalı doğru akım motoru ve sürücü devresi, fırçasız doğru akım motoru ile değiştirilerek daha verimli ve tepki hızı yüksek bir sürücü sistemi elde edilebilir. Son olarak, aracın frenleme anında ısı enerjisi olarak açığa çıkan enerjisi bataryaya veya ultrakapasitörlere aktarılabilir[22]. 2012 yılında Bora Kabatepe Koç Üniversitesi yüksek lisans tezinde elektrikli bir araçta enerji tüketimi emisyon ve araç maliyeti analizi yapmak için araç modelleme konusunda çalışmalar yapmıştır. Çalışmasında literatürde tespit 35 ettiği eksiklikleri gidermek amacıyla elektrikli arabaların performansını hesaplayan ve içten yanmalı araçlarla karşılaştıran bir metot önermektedir. Emisyon hesaplarında kullanılacak elektriğin üretildiği jeneratörlerin emisyon değerleri de hesaba katılmıştır. Ayrıca şarj süresinin uzun olması ve bu konuda çalışmalar yapılması ve maliyet hesaplarının optimize edilmesi için gereklilikleri incelemiştir [24]. 2013 yılında Karabük Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Turgut Öztürk asenkron motor ile sürülen elektrikli aracın modellenmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Bu çalışmada bir elektrikli araç, Matlab programı ile modellenmiş sistemde batarya olarak Li-iyon batarya ve bir asenkron makine kullanılmıştır. Burada aynı elektrik makinesi hem motor hem de jeneratör olarak görev yapmaktadır. Elektrik makinesi jeneratör modunda çalıştığı zaman frenleme esnasında kaybedilen enerji kısmen geri kazanılmaktadır. Elektrik makinesinin kontrolünde iyi ve başarılı sonuçlar veren alan yönlendirmeli kontrol metodu uygulanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda rejeneratif frenlemenin enerji performansına ve menzil şartlarına katkısı saptanmıştır [25]. 2013 yılında 68. İtalya ısı makineleri konferansı için Roberto Cipollone, Davide Di Battista, Matteo Marchionni , Carlo Villante elektrikli araç, hibrit araç ve yakıt pilli araçlar üzerine çalışma yapmış ve en az emisyonlu aracın yakıt pilli araç olduğuna karar vermişlerdir. Fakat yakıt pilli aracın sanal platform kullanımı pahalı ve deneyleri zaman alıcıdır.Yazarlarda hibrit bir aracın matematiksel bir modelini yapmış ve frenlerde kaybedilen enerjiyi geri kazanım sağlamışlardır [26]. Kullandıkları aracın toplam uzunluğu 2.7 m ve genişliği 1.4 m’dir.Park sorunlarına çözüm olması için planlanan bu araç 2 kişiliktir.250 cclik içten yanmalı motor kullanılmıştır.Önde ki tekerlerde bulunan elektrik tahrik sistemi de 16kW güç ve 30 Nm tork üretmiştir.Sonuç olarak aracın kullanım yelpazesi oldukça geniştir ve daha ileri seviyelere ulaşılabilir [26]. 36 2013 4. uluslar arası elektrik mühendisliği ve bilişimi Agus Purwadi, Jimmy Dozeno, Nana Heryana 10kW BLDC motor ve LiPO bataryalara sahip prototip bir elektrikli araçta performans testi yapmışlardır. 10 kW fırçasız doğru akım motor kullanılmış ve li-po bataryaları kontrol etmişlerdir. Bataryanın deşarj süresini uzatmaya ve daha fazla menzil alınmasını amaçlamışlar [27]. Çizelge 2.2. Kullanılan araç özellikleri Araç ağırlığı 900 kg Yük kapasitesi 280 kg Tekerlek çapı 56 cm Tekerlek sayısı 4 Jant çapı 48 cm Yükseklik 174 cm Uzunluk 342 cm Genişlik 152 cm Yapılan deneyler de li-po piller 425 dk boyunca 15A sürekli akım çekilmiştir. 106,3Ah kapasitesine sahip 8205 Wh enerji miktarına sahiptir.Laboratuar sonuçları 106,3 Ah olarak gösterse de üretici firma tarafından 100Ah olarak gösterilmiştir. Motorun maksimum devri 4595 rpm ve max hızı da 62,61 km/h’dır. Motor gücü 11044 W’dır. Motor verimi de %83,41’dir. 46,14-62,1 km seyahat menzili bulunmaktadır[27]. 2013 yılında Cenk Güner’in yapmış olduğu yüksek lisans tezinde Toyota Prius plug-in hibrid ve Chevrolet Volt binek otomobillerinin analizini yapmıştır.Alınan bilgiler doğrultusunda araçların bilgisayar modellemesi yapılmıştır.Bilgisayar taşıt simülasyon programı AVL Cruise programının yardımıyla, eldeki veriler ve tezin kapsamı doğrultusunda araçların birer modeli oluşturulmuştur.Elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak, her iki konseptin de, geleneksel tahrike sahip, günümüzdeki binek araçlardan 37 önemli ölçüde daha yüksek kullanım ekonomisi sunduğu söylenebilir. NEDC ECE-R101 normlarına göre yaptığı ölçümlerde, Prius Plug-in Hybrid 100 kilometrede 2,16 litre, Volt ise aynı mesafe içinde 3,07 litre benzin tüketmiştir. Prius’un tüketim değeri, üretici tarafından açıklanan değerle hemen hemen aynı çıkmıştır. Volt’un tüketim değeri ise, üretici tarafından açıklanandan bir miktar yüksek olarak bulunmuştur[28]. 2013 A.Talha ÇAMCI'nın yüksek lisans tez konusu elektrikli taşıtlarda değişken transmisyon olmuştur. Tez çalışmasında elektrik motorlarının çalışma yapısı üzerinde durulmuş ve şanzıman kullanılarak elektrikli araçların menzil ve performansının nasıl artırılabileceği araştırılmıştır.Elektrik motorlarının genellikle nominal çalışma bölgelerinde hıza karşı sabit tork karakteristiğine sahip olmalarına rağmen, çalışma devri ve yükleme miktarına göre farklı verimlerde çalışıyor olmaları nedeniyle şanzıman sayesinde motorun sürekli olarak en verimli çalışma bölgelerinde çalıştırılması, araçta talep edilecek olan hız değişimlerinin ise yine şanzıman ile sağlanması düşüncesi üretilmiştir.Deneyler sonucunda ölçülen menzil ve performans sonuçlarından yola çıkılarak otomatik vites değiştirme programları hazırlanmış ve şanzıman kontrolörüne yüklenmiştir. Biri kademeli, diğeri sürekli değişken oranlı olan şanzıman programlarının her ikisinde de birinci bölümdeki sabit aktarma oranı ile yapılan testlere kıyasla önemli miktarda menzil ve performans artışları kaydedilmiştir. Sürekli değişken oranlı program ile yapılan testte en yüksek menzil elde edilmiştir. Testlerde ölçülmediği halde, şanzıman kullanımı araca ayrıca tırmanma açısının artması avantajını sağlamıştır. Sürücüsü ile birlikte kütlesi 220 kg olan araçta, yalnızca 8 kg’lık kütle artışına neden olan sürekli değişken oranlı şanzımanın, buna karşın sağladığı faydalar deneysel olarak kanıtlanmıştır [29]. 2014 yılında Mert Safa Mökükcü elektrikli araç sürüş sistemi tasarımı ve imalatı konusunda yüksek lisans tezi yapmıştır. Bir elektrikli motor tasarlamış ve imal ettirmiştir. Üretilen motor yük testlerine sokularak optimum değerleri 38 ve karakteristik eğrileri çıkarılmış daha sonra üretilen araç üzerine bağlanıp yol testleri yapılmıştır. Araca birde sürücü devresi tasarlanıp imal edilmiştir. Gelecekte kullanılabilecek bir prototip üretilmiştir [30]. 39 3. ELEKTRİKLİ TAŞITLAR Elektrikli taşıtlar, elektrik enerjisi ile çalışan taşıtlara verilen isimdir. Elektrikli otomobil bir veya daha fazla elektrik motoru kullanarak, bataryalardan ve diğer enerji depolama cihazlarında depoladığı elektriği kullanarak hareket eden araçlardır. Elektrikli araçlarda, akülerde depolanan elektrik enerjisinin motor vasıtasıyla mekanik enerjiye dönüştürülmesiyle hareket sağlanır. Vites kutusu gibi mekanik parçaların aradan çıkarıldığı bu yeni nesil araçlarda genellikle lityum-iyon aküler kullanılmakta ayrıca son derece sessiz çalışmaktadır. Verimlilikleri her geçen zaman artan elektrikli araçlar artık minivandan spora, normal binek arabadan elektrikli bisikletlere kadar değişik boyut ve stillerde üretilmektedir. Elektrik motorları ani tork verir, güçlü, dengeli hızlanma sağlar.Günümüzde 100 km/h hıza 4 saniyede ulaşabilen ve tam dolu şarjla 350 km'ye kadar yol alabilen elektrikli araçlar üretilmeye başlanmıştır. Elektrikli otomobiller içten yanmalı motorlu araçlarla karşılaştırıldığında bazı avantajlara sahiptir; bunlar yerel hava kirliliğini azaltır, petrol ve petrol ithali yapılan ülkelere bağımlılığı azaltır. Ayrıca birçok gelişmekte olan ülkeler için yüksek petrol fiyatları, ülkelerin ödeme dengeleri üzerine ters bir etkiye sahiptir ve onların ekonomik gelişmelerini engellemektedir. 3.1 Elektrikli Taşıtların Çeşitleri ve Yapıları Elektrikli araçlar; Tümü elektrikli araçlar, Hibrit elektrikli araçlar, Yakıt pilli araçlar olmak üzere üç gruba ayrılır. 3.1.1 Tümü Elektrikli Araçlar Tümü elektrikli araçlarda tekerlek elektrik motoru tarafından tahrik edilmektedir. Elektrikli araçta yüksek miktarda itme kuvvetinin sağlanabilmesi için, gerektiğinde birden fazla elektrik motorunun kullanıldığı farklı 40 uygulamalarda görülür. Elektrik motorunun çalışması için gerekli olan elektrik enerjisi bataryalardan elde edilmektedir. Tümü elektrikli araçlarda ana bataryaya ilave yardımcı güç kaynağı olarak ikinci bir batarya da kullanılmaktadır. Tümü elektrikli araçlarda sadece elektrik motoru kullanılması sebebiyle bu araçlar tamamen sessiz çalışmaktadır. Rejenaratif frenleme sayesinde daha uzun fren ömrü vardır ayrıca kinetik enerji geri kazanılarak elektrik motoru jeneratör gibi kullanılarak kinetik enerji elektrik enerjisine dönüştürülmekte ve bataryaları besleyerek şarj etmektedir. Yakıt maliyeti de dahil olmak üzere bakım maliyeti klasik araçlara kıyasla çok daha düşüktür. Taşıtın hareketi için transmisyon sistemi klasik araçlardan daha az olduğu için bunların bakımı az ve yağ değişikliğine gerek yoktur. Tahrik Sistemlerine göre Tümü Elektrikli Taşıtlar Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem: Bu sistem içten yanmalı motorlarda kullanılan klasik sisteme benzemektedir. İçten yanmalı motor ve yakıt deposu yerine, elektrik motoru ve bataryalar gelmiştir. Elektrik motoru hız kontrol sitemi ile kontrol edildiğinden vites kutusu kaldırılmıştır. Motor dönme hareketini çekiş yapan tekerleklere iletmek amacı ile mekanik bir diferansiyel kullanılır. 41 Şekil 3.1. Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem[30] Akümülatör ve İki veya Dört Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem Bu sistemde çekiş yapan iki tekerlek (önde veya arkada çift) veya dört tekerlek bağımsız birer motor ile doğrudan tahrik edilmektedir. Motorlar için uygun kontrol noktaları belirlenerek aracın farklı yol şartlarında optimum çekiş sağlamasının yanında mekanik aktarma organlarının kullanılmamış olması verimi ve güvenilirliği arttırırken bakım ihtiyacını da azaltmaktadır. Şekil 3.2. Akümülatör ve İki Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem[30] 42 Tümü-elektrikli ve seri-hibrit sistemlerde araç tahriki için tekerlek içi motorların kullanımı son yıllarda giderek yaygınlaşmaktadır. Bu yapıda, iki veya dört adet tekerlek içi motoru kullanılarak aracın hareketi için gereken tahrik gücü sağlanır. Bu durumda her motor için ayrı çevirici devre kullanılması gerekir. Tekerlek içi motor kullanılan taşıt yapısında mekanik güç aktarım elemanlarına gerek duyulmaz. Dolayısıyla güç aktarım organlarında oluşan mekanik kayıplar engellenmiş olur. Ayrıca yüksek güçlü ve büyük boyutlu tahrik motoru ortadan kalktığından dolayı, araç içinde kullanılabilir alan artar. Alışılagelmiş iç rotorlu yapının haricinde, dış rotorlu tekerlek içi motor yapıları da taşıt hareket sistemlerinde kullanılmaktadır. AC motorları, jant içerisine konulacak kadar küçük, hafif ve güçlü tasarlanabilir olduğundan araç diferansiyel kullanılmadan doğrudan tahrik edilmektedir. Şekil 3.3 Tekerlek İçi Motor[30] Malzeme ve üretim alanında ki gelişmelerle birlikte güç ve enerji yoğunlukları artan sürekli mıknatıs malzemeler, elektrik motorlarının yapısında uyartım sargısının yerini almaktadır. Uyartım sargısı ortadan kalktığından dolayı bunu beslemekte kullanılacak fırça ve kollektör düzenekleri de yoktur. Dolayısıyla çok uzun süre bakım ihtiyacı olmadan kullanılabilirler. Bu motorlar diğer alternatiflerine göre daha hafif ve küçük boyutludur aynı zamanda güç/ağırlık oranları yüksektir. Günümüzde özellikle tekerlek-içi tahrikli uygulamalarda kullanılmak üzere sürekli mıknatıslı motorlar üzerine çalışmalar artmaktadır. 43 Akümülatör, Elektrik Motoru, Zincir Dişli veya Kayış Kasnaktan Oluşan Sistem Genellikle daha küçük taşıtlarda ve engelli arabalarında yaygın olarak kullanılan bu sistem de, diferansiyel yerine iki teker arasında bir dişli veya kasnak bulunur ve elektrik motorundan hareket tekerleklere zincir ve dişli ile veya kasnak kayış ile iletilir. Bunların dezavantajı virajlarda rahat dönüş olmayıp virajın geniş dönülmesidir. Şekil 3.4. Zincir Dişli Mekanizması[30] Kullanılan Elektrik Motoruna Göre Tümü Elektrikli Taşıtlar Üretim hattındaki tümü elektrikli taşıtların tahrik sisteminde çeşitli elektrik motorları kullanılmaktadır. Bazı elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri çizelge 3.1 de görülmektedir. Çizelge 3. 1. Elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri[6] Elektrik motoru tipi DC motor Fırçasız DC motor SM senkron motor Üç fazlı indüksiyon motor AC indüksiyon motor AC motor Kullanıldığı elektrikli taşıtlara örnek Citroen AXSaxo, Peugeot 106 Electic, Lada Rapan Daimler Chrysler Zytek Smart EV Dahatsu Hijet EV, Honda Ev Plus, Nissan Hypermini Ford Think City, Fiat Seicento, GM EV1,Daimler Chrysler, Ford e-Ka Renault Clio Electric Mazda Road Ster EV 44 3.1.2. Hibrit Elektrikli Araçlar HEA’lar birden fazla güç kaynağına sahip araçlar olarak da tanımlanır. Temel olarak hibrit taşıtlar yakıt ile güç üreten bir güç kaynağı ve elektrik enerjisi depolayan bir depolama elemanı ile elektrik motorundan oluşmaktadır. Tümü elektrikli araçlara İYM eklenerek aracın menzili ve gücünün arttırılması sağlanmıştır.HEA’lar, direk İYM araca nazaran kirletici emisyonları azaltmakta ve yakıt ekonomisini arttırmaktadır. Seri sistemde, elektrik motoru taşıt tahrik mekanizması olup, içten yanmalı motor jeneratörü çalıştırarak elektrik enerjisi üretmekle görevlidir. Paralel sistemde ise motorlar, taşıtın mekanik güç hattına aynı anda ve devamlı olarak bağlıdırlar. Trafik durumu, bataryaların tamamen boşalması, veya yakıt tüketimi gibi durumlara göre biri veya diğeri taşıtın hareketini sağlamaktadır. Hibrit araçlar araç durduğunda İYM çalışmaz ve titreşim veya motor gürültüsü oluşmaz. HEA’ların boşta çalışma kayıpları yok denecek kadar azdır. Enerji depolama için kullanılan başlıca seçenekler bataryalar, süperkapasitörler ve volanlardır. Bataryalar kullanılan en yaygın enerji depolama sistem olmasına rağmen, diğer enerji depolama alanlarında da gelişmeler devam etmektedir. Hibrit güç ünitesi olarak da otto motorlar, dizel motorlar, gaz türbinleri kullanılmaktadır. İtici kuvvet ise seri hibrid sisteminde olduğu gibi elektrik motorundan, ya da paralel hibrid de olduğu gibi elektrik motoruna ek olarak İYM’undan sağlanabilmektedir. Çünkü paralel hibrit sistemde İYM, itici gücü mekaniksel olarak tekerlere iletmektedir. Hibrit elektrikli aracın alt elemanları şunlardır: İçten yanmalı motor, transmisyon, elektrik motoru, güç elektroniği, yakıt tankı,bataryalar. 45 Şekil 3.5 Hibrit Aracın Elemanları[30] Tahrik Sistemlerine Göre Hibrit Elektrikli Araçlar Seri Tahrik Sistemi (Seri Hibrit) Bir seri HEA’da tekerleklere aktarılan tahrik gücü elektrik motorundan sağlanmaktadır. Burada elektrik motoru, tahrik amacıyla elektriksel gücü mekanik güce çevirmektedir. Motor için gerekli elektriksel güç, elektrik enerjisini depolama sistemlerinden ya da hibrit güç ünitesinden sağlanmaktadır. Hibrit güç ünitesi İYM ve jeneratörden oluşmaktadır. İçten yanmalı motor yakıtın kimyasal enerjisini mekanik enerjiye çevirmekte ve mekanik enerji jeneratörde elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Mekaniksel üretilen elektrik gücü bataryadan gelen güçle birlikte elektronik kontrolörde birleşir. Bu kontrolör daha sonra sürücü isteğini tekerlek hızı ve ana tahrik motorundan elde edilen moment ile her enerji kaynağından ne kadar güç kullanacağını sürücünün isteğine göre belirler. Kontrolör aynı 46 zamanda güç elektroniğini içten yanmalı motor ve jeneratörü sürücü fren yapmak istediğinde rejeneratif mod için açar ve gücü bataryaları şarj edecek şekilde yönlendirir. Böylelikle jeneratörde üretilmiş olan elektrik enerjisi aynı zamanda bataryaları şarj etmek için de kullanılmış olur. Yani araç çalışırken bataryalar hem içten yanmalı motor -jeneratör grubu tarafından hem de rejeneratif frenleme ile şarj edilir. Şekil 3.6 Seri Hibrit Sistem[30] Paralel Tahrik Sistemi(Paralel Hibrit) Paralel hibrit elektrikli taşıtta, İYM ve elektrik motorunun aynı mil üzerinde tekerleklere doğrudan mekanik bağlantı ile tahrik vermektedir. Paralel tahrik sistemleri mekanik olarak seri hibrit sistemlere göre daha karmaşıktır. Paralel hibrit araçlara örnek olarak, Honda Insight ve Honda Civic verilebilir. Paralel tahrikli taşıtlarda klasik taşıtlara göre daha küçük İYM kullanılır. Toplam güç ihtiyacı, çalışma verimine bağlı olarak kontrolör hangi kaynaktan ne kadar güç çekeceğini belirler. 47 Şekil 3.7 Paralel Hibrit Araç[30] Seri / Paralel Tahrik Sistemi (Seri/Paralel Hibrit) Bu seri/paralel tasarım, paralel sisteme benzemektedir. Burada İYM doğrudan tekerleklere bağlıdır. Tasarımın özelliği İYM’nin transmisyon ile bağlı olmayıp seri tahrik sisteminde olduğu gibi jeneratör ile bağlı olmasıdır. Düşük hızlarda araç seri hibrit sistemde olduğu gibi çalışmaktadır. Yüksek hızlarda ise İYM devreye girerek tekerleklere güç verir ve seri tahrikteki gereksiz enerji dönüşümleri ile kaybedilen enerji en düşük seviyeye indirilir. Toyota Prius’da bu sistem kullanılmıştır. Burada amaç hem paralel hem de seri sistemin avantajlarını kullanarak İYM’nin en verimli noktada çalışmasını sağlamaktır. 48 Kullanılan Elektrik Motoruna Göre Hibrit Elektrikli Motorlar Çizelge 3.2. Elektrik Motorlarına Göre Hibrit Araçlar[6] Çizelge 3.2 de üretim hattındaki hibrit elektrikli araçlarla prototip amaçlı[30] geliştirilmiş hibrit elektrikli araçlar incelendiğinde Honda Insight araçta senkron fırçasız DC motor, Toyota Prius ve Nissan Tino araçlarında senkron AC motor, BMW 518 hybrid, Daimler Chrysler ESX3, Fiat Multipla araçlarında 3 fazlı indüksiyon elektrik motorları, Ford Escape HEV, Nissan neo hybrid araçlarda SM elektrikli motor kullanıldığı görülmektedir. 3.1.3. Yakıt Pilli Elektrikli Araçlar Yakıt pili dışarıdan yakıt ve oksijenin beslenmesi ile direkt olarak kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine devamlı olarak dönüştürebilen elektrokimyasal bir aygıttır. Farklı tipte yakıt pilleri üretilmektedir. Üretilen polimer elektron membran (pem), alkalin, fosforik asit, erimiş karbonat ve katı oksit yakıt pilleri içinde pem yakıt pilli taşıtlar için en uygun yakıt pili olarak önerilmektedir. Pem yakıt pili taşıtlar için yüksek güç yoğunluğu, düşük çalışma sıcaklığı (60- 49 110 oC) ve polimer elektrolit kullanılması dolayısı ile titreşim ve darbelere karşı dayanıklı olması sebebiyle tercih edilmektedir. Otomotiv çalışmaları polimer elektrolitli yakıt pili üzerine odaklanmıştır. Bu yakıt pilinde her iki tarafına bağlı elektronlar olan polimer elektrolit ince bir zar tabakası bulunmaktadır. Bu ince zar tabakası elektrot düzeneği H2 ve O2 için geçitler oluşturan seperatörler arasında sıkıştırılır. Bunun gibi tek bir hücrenin üretimi bir voltu geçmediğinden (0,7 volt), voltajın yükseltilmesi için yüzlerce hücre birbirine seri olarak bağlanır. Şekil 3.8. Yakıt Pili[30] Bir yakıt pilli EA; yakıt depolama sistemi, yakıt pili-kontrol ünitesi, güç işlemci ünitesi- kontrolü ve tahrik sisteminden meydana gelmektedir. Yakıt depolama sisteminde depolanan hidrojen direkt olarak veya fosil kökenli yakıtların, yakıt işleme sürecine tabi tutulması ile elde edilen hidrojen yakıt piline beslenir. Yakıt pili ve elektrik motoru arasındaki güç elektroniği devresi, gerilim değerinin yükseltilmesi amacı ile için DC motorlarda DC/DC çeviricisine, AC motoru için DC/AC eviricisine, kontrol için mikroişlemci/dijital sinyal işlemcisine, aşırı yükleme şartları ve rejeneratif frenleme için batarya depolama sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Yakıt pilli elektrikli bir araçta batarya yerine süperkapasitörler kullanılmaktadır. Fakat mevcut teknoloji daha iyi süperkapasitörlerin bataryaların yerini alabilmesi için maliyet ve güvenilirlik açısından geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Yakıt pili kullanan ve araştırma amacıyla üretilen edilen ilk taşıt, yakıt pili ve batarya kullanan bir taşıttır. Yakıt pili ve batarya birbirine paralel bağlanmıştır. 50 Yakıt pili, kararlı sürüş güç kaynağı ve batarya şarjı için kullanılırken; batarya, ilk hareket ve hızlanma için geçici olarak ek güç sağlamaktadır.Bataryadan olabilecek ters akım, bir diyotla önlenmektedir.15 kW gücündeki böyle bir pilin akım voltaj grafiği Şekil 2.9 'de verilmiştir. Pilin ağırlığının 237 kg, hacminin 0,25 m3 olduğu, atmosferik basınçta ve 177 °C çalışma sıcaklığında, 87 voltta 181 amper verdiği, pilin güç düzeyinin, eleman sayısı veya aktif yüzey alanı ile değiştirilebildiği ifade edilmiştir. Şekil 3. 9. 15 kW'lık yakıt pilinin metanol ve voltaj değişimi grafikleri[30] Ulaşım sektöründe, yakıt pili ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini de azaltacaktır. Yakıt pilli otobüs üretimini gerçekleştiren Kanada'nın Ballard Şirketinin yanı sıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW, Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek çabasındadırlar. 1993'ten bu yana çok sayıda prototip araç üretilmiştir. Alman Daimler Chrysler'in ürettiği, yakıt pilini Ballard'dan sağladığı, NECAR4 (sıvı hidrojenle çalışır) ve metanol dönüştürücülü NECAR5, General Motors'un Opel, "Zafira" adı verilen ve 75 kW' lık Ballard "tescilli" yakıt pili taşıyan aracı, Ford tarafından üretilen "Think FC5"ler, Toyota'nın RAV-4 ve Fine-N'i, Nissan Renessa ve Mitsubishi, Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV, Renault'un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir. 51 Günümüz şartlarında fosil yakıtı kaynaklarının yetersizliği ve alternatif yakıt olarak hidrojenin bu yakıtların yerini alacağı araştırmacılar tarafından sürekli olarak söylenmektedir. Hidrojenin enerji üretiminde kullanımında İYM ve yakıt pilinden yüksek verimi nedeni ve çevre duyarlılığı sebebiyle yakıt pilinin tercihi kesin olarak görülmektedir. Bununla beraber yakıt pilinde üretilen elektrik enerjisi taşıtın hareket edebilmesi için tahrik gücüne çevrilmek zorundadır. Bu sebeple araçlarda elektrikli bir tahrik sisteminin tasarlanmasına ve uygulanmasına gerek vardır. Yakıt pilli bir aracın üretimi, daha önce geliştirilmiş bir İYM’a sahip hibrit taşıtın dönüşümü ile sağlanabilir. Yakıt pilli taşıtta hibrit taşıtta olduğu gibi ilk anda taşıta ivme kazandırmak için bir elektrik deposuna ihtiyaç duyar. Çünkü yakıt pilli araç çalışır çalışmaz taşıtın yeterli ivmeye ulaşması için gerekli enerjiyi sağlaması mümkün değildir. Bunun yanında yeniden şarj edilebilir olmadığı içinde yakıt pili tarafından üretilen fazla enerjinin veya rejeneratif frenleme sisteminin ürettiği enerjinin depolanması için enerji depolama sistemine ihtiyaç duyulur. Yakıt pilli taşıtlar doğrudan enerji dönüşümlüdür. Enerji dönüşümü için hareketli parçaları yoktur. Dolayısıyla kayıplar ve gürültü azdır. Enerji kullanımı ve emisyon salınımı çok düşüktür. Bu gün için pazara giriş maliyetleri yüksek ve teknik problemleri tamamen sonlanmış değildir. Yakıt pili teknolojisinde, günümüzdeki çalışmalar; maliyetin ve ağırlığın/hacmin düşürülmesi ve güvenliğin arttırılması yönünde devam etmektedir. Firmaların önemli bir kısmı da, yakıt pilli sistemlerin, içten yanmalı motorlu araçlar ile aynı birim fiyata gelmesine çalışmaktadırlar. Otomotiv için PEM yakıt pillerinin en iyi çözümün olduğuna varılmıştır. Gerek binek gerekse ticari araçlar için yakıt pili sistemleri geliştirilmekte ve imal edilmektedir. Günümüzde; ABD, Japonya ve Avrupa’da 5. jenerasyon prototip yakıt pilli araçlar test edilmektedir. 52 3.2. Elektrikli Taşıtlarda Kullanılan Motor Çeşitleri Elektrik motorları biri sabit (Stator) ve diğeri dönen (Rotor ya da Endüvi) iki ana parçadan oluşur. Şekil 3. 10. Elektrik motorları iç devresi[30] Elektrikli otomobillerde kullanılan motorlar dört temel grupta toplanabilir. Bunlar doğru akım motorları, asenkron motorlar, sabit mıknatıslı senkron motorlar (veya fırçasız doğru akım motorları) ve anahtarlamalı relüktans motorlarıdır. 3.2.1. Doğru Akım Motorları DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkenden akım geçirilmesi sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibi ile çalışır.DC motorların ana parçaları: uyartım (alan) kutbu, endüvi, kolektör ve fırçalardır. Alan kutbu, motor içinde ana manyetik akıyı oluşturur. Kutup, sabit olarak motor dış gövdesinin iç kısmına yerleştirilmiş çıkıntılı kutuplu elektromıknatıstır. Alan sargıları kutuplar üzerine sarılır ve DC uyartım akımını taşırlar. Bazı motorlarda manyetik akı sürekli mıknatıslarla sağlanır. Endüvi ise manyetik kuvvet çizgileri içerisinde dönerek hareket eden, elektrik enerjisinin veya mekanik enerjinin elde edildiği silindirik kısımdır. Endüvide elde edilen gerilimi dış devreye veya elektrik enerjisini endüviye ileten birbirinden ve gövdeden yalıtılmış, bakır dilimler topluluğuna “kollektör” denir. 53 Üretim esnasında gereksinim duyulan düşük hızlarda (ilk kalkış, ayar gibi) dahi sabit moment ve yüksek verim DC motorlar tarafından sağlanabilmektedir. Yük değişimlerinde tako jeneratör geri beslemesi sayesinde devirlerde daha da yüksek hassasiyet sağlanabilir. Bu sayede sabit hat hızları elde edilmiş olur. Doğru akım motorları, hızı kolay değiştirme özelliklerine sahip olduğundan hızın kontrol edilmesi istenen yerlerde kullanılırlar. Yüksek yol alma momenti sağladığından, hız kontrolü geniş aralıklarda yapılır. Diğerlerine göre daha pahalı olmasına karşın, hız kontrolü alternatif akım motorlarına göre daha kolay ve ucuzdur. Bu nedenle ilk elektrikli araç hız kontrolü uygulamalarında doğru akım motorları basit gerilim bölücü sistemlerle birlikte kullanılmışlardır. Buna karşılık fırça kollektör düzeninin periyodik olarak bakım gerektirmesi ayrıca yüksek hızlarda süratle aşınması temel dezavantajını teşkil eder. Şekil 3.11. DC motor iç devre şeması[30] 54 Şekil 3. 12. Doğru akım motoru çalışma prensibi şeması[30] Bir taşıtın sürüş performansı genellikle onun hızlanma zamanı, maksimum hızı ve tırmanma kabiliyeti ile değerlendirilir. Elektrikli taşıtlarda hareket için gerekli tasarım uygun motor gücü ilk düşünülmesi gereken parametredir. Bu parametrelerin tasarımı en fazla hız- güç ve tork karakteristiklerine bağlıdır. Elektrik motorlarında endüvi çevresinde meydana gelen kuvvet F (N), endüvi yarıçapı r (m) ise endüvide meydana gelen tork : T = F.r (Nm) (2.1) Endüvinin bir devrinde F kuvvetinin yapacağı iş: W = 2π .r.F = 2π .T (N m) (2.2) n (d/d) ile dönen bir elektrik motorunun gücü: ? = 2? .? .? 60 (? ? ??) = ? .? 9549 (? ? ) olarak bulunur. (2.3) 55 Açısal hız : ? = 2? .? 60 olduğundan (2.4) P = T.ω (watt) (2.5) olmaktadır. Değişken hızlı elektrik motorları çoğunlukla şekil 2.13 de görülen karakteristiklere sahiptir. Düşük hız bölgesinde (kritik hızdan daha düşük hızlarda), motor sabit bir torka sahiptir. Hız yükseldikçe motor torkunun azaldığı görülmektedir. Motor gücü ise kritik hıza kadar düzgün orantılı olarak artmaktadır. Yüksek hız bölgesinde (kritik hızdan daha yüksek hızlarda), motor sabit bir güce ulaşır. Diyagramda da görüldüğü gibi motor momentinin düşmeye başladığı, motor gücünde artışın sona erdiği hıza kritik hız denmektedir. Elektrik motorunda iletken uzunluğu L (metre), iletkenden geçen akım I(Amper), manyetik yoğunluk miktarı B (Wb/m2), ise rotoru döndüren kuvvet etkisi : F = B.L.I (2.6) Endüvi (rotor) yarıçapı re , endüvi dönüş sayısı n alındığında motor torku T =2π. re. B. I. L Manyetik akı: ∅ = 2. ? . ? . ?? (2.7) 56 Eşitlik 2.2 de yerine konduğunda motor torku ? = ? . ∅. ? (2.8) Şekil 3.13. Elektrik motoru hız karakteristikleri [30] Motorun mekanik parametrelerini (kutup sayısı gibi) bir tek Km motor sabiti parametresi içinde ifade edilirse motor torku (2.4) deki şekilde ifade edilebilir. ? = ? ? . ∅. ? (2.9) Eb Elektrik motorunun çalışma gerilimi, Ra endüvi sargılarının direnci, Es (ZEMK) Üretecin uçlarında alıcı yokken ölçülen gerilim değeri, ?? = ? .?.? (2.10) ω açısal hız ve hız νm=re.ω olarak tanımlanırsa, endüvinin iki tarafı için Eb=2B.L.re.ω bulunur. 57 Eşitlik 2.9 daki ifadeye benzer üretilen ZEMK terimi yeniden düzenlenirse, Eb= Km.∅.w ifadesi elde edilir. (2.11) 2? .? (2.12) Açısal hız ? = ? = ? ? ? .∅ = rad-1 60 60.? bulunur. 2? .? ? .∅ (2.13) Burada motor devri sayısı (d/d)'dır. Sargılardan geçen akım, ?= ? ?? = ? ? −? ? ?? = ?? ? ? .∅ ?? ?? .? (2.14) Eşitlik 2.14 de elde edilen I akım ifadesi eşitlik 2.9 da yerine konulursa, belirli devirde bu motorun torku, ? = ? ? .∅.? ? ?? elde edilir. (? ? .∅)2 ?? ? (2.15) 58 Şekil 3.14. Fırçalı DC motorun Tork Hız grafiği[30] 3.2.2. Asenkron Motorlar ASM motorlar, endüstride en fazla kullanılan elektrik motorlarıdır. Çalışma ilkesi bakımından asenkron motorlara endüksiyon motorları da denir. ASM’ların çalışmaları sırasında elektrik arkı meydana gelmez. Ayrıca diğer elektrik motorlarına göre daha ucuzlardır ve bakıma daha az ihtiyaç gösterirler. Bu özellikler, asenkron motorların endüstride en çok kullanılan motorlar olmalarına sebep olmuştur. Asenkron makineler endüstride genellikle motor olarak çalıştırılırlar, fakat belirli koşulların sağlanması durumunda jeneratör olarak da kullanılabilirler. Asenkron motorları senkron motorlardan ayıran en büyük özellik, dönme hızının sabit olmayışıdır. Bu hız motor olarak çalışmada senkron hızdan küçüktür. Makinenin asenkron oluşu bu özelliğinden ileri gelmektedir. Aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker. Dışta AC gerilimin uygulandığı stator sargıları, içte ise akım taşıyan iletkenlerin bulunduğu rotordan meydana gelir. Stator sargısına uygulanan 3 fazlı AC gerilim döner manyetik alan oluşturur. Manyetik alan içerisindeki dönen rotor sargılarından 59 akım geçirilir. Bu manyetik alan etkisi ve rotordaki manyetik alan etkisi rotorda dönme hareketi meydana getirir. ASM basit ve sağlam yapısı nedeniyle endüstride olduğu gibi EA’larda da kullanılan motor türüdür. Tek ve üçlü fazlı olarak üretilebilmekle beraber, yüksek güç gerektiren elektrikli araç uygulamalarında üç fazlı asenkron motor kullanılmaktadır. Asenkron motorun iki türü bulunmaktadır: Kısa devre kafesli asenkron motor Bilezikli asenkron (rotoru sargılı) motor Kafesli asenkron motorlar daha ucuz ve sağlamdır. Ancak değişken hızlı uygulamalarda kullanılabilmeleri için gereken kontrol sistemlerinin oldukça karmaşık ve pahalı olması nedeniyle uzun bir süre özellikle sabit hızlı uygulamalarda kullanılmışlardır. Güç elektroniği ve mikro işlemcilerdeki gelişmeler paralelinde alternatif akım sürücü sistemlerinin kullanımı artmıştır. Bir doğru akım motorunun aksine alternatif akım motorları karmaşık bir elektromanyetik yapıya sahiptir. Bu nedenle karmaşık kontrol algoritmaları, hızlı gerçek zaman işaret işleme sistemlerine gerek duyulmaktadır. Son 35 yılda güç elektroniği, mikro elektronik ve mikrobilgisayar alanlarında yapılan araştırma ve yatırımlar sonucu fiyat ve kontrol performansları tatmin edici bir düzeye ulaşmış ve farklı uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Bütün gelişmelere rağmen bazı uygulamalarda kafesli asenkron motorlarının kalkınma ve düşük devir sayılarındaki moment yetersizliği hala sorun olmaktadır. Kafesli asenkron makinelerin elektrikli taşıt uygulamalarında kullanılmaları ise 1980’lerin ortalarına doğru başlamıştır. 60 Resim 3.1. Asenkron motoru kesit resmi[30] Elektrikli araç uygulamalarında sağlam yapısı nedeniyle kısa devre kafesli asenkron motorlar tercih edilmektedir. EA’larda ağırlık ve boyut olarak avantajları nedeniyle DC/AC çeviricisi ile birlikte AC senkron motor kullanımı artmaktadır. 3.2.3. Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar Manyetik alan yaratmak için uyarma sargılarının yerine mıknatıs kullanılan motorlardır. Bu yöntem, rotor bakır kayıplarını ve uyarma devresi bakım ihtiyaçlarını ortadan kaldırır. Sürekli mıknatıslı motorlar (SM) genellikle 2 gruba ayrılırlar: SM Senkron makineler: Bu makineler, asenkron motorlarda ki gibi düzenli olarak dönen stator alanına sahiptir. Kare Dalga SM motorlar: Fırçasız DC motor olarak da adlandırılırlar. Stator sargıları ayrık zamanlarda kare dalga ile beslenirler. Son yıllarda sabit mıknatıslı senkron motorlarda (SMSM) dikkat çekici bir gelişim görülmektedir. Bu motorun özel bir türü aynı zamanda fırçasız doğru akım makinesi (FDAM) 61 veya elektronik kollektörlü doğru akım motorları olarak da anılmaktadır. Sıradan bir senkron motora göre avantajı, alan sargısının, uyarma kasnağının ve fırça-bilezik düzeninin bulunmamasıdır. Bunun sonucu olarak daha basit bir yapıya, daha düşük kayıplara sahiptir ve her devir sayısı ve yüklenme durumunda yüksek bir verimle çalışmaktadır. Tüm kontrol işlemleri stator büyüklükleri değiştirilerek yapılabilmektedir. Güç/ağırlık oranı büyük olan bu motorları seçilen kontrol kural ve yöntemine göre bir doğru akım motoru veya bir senkron motoru gibi davranabilmektedir. SMSM (veya FDAM) rotor tarafından uyarma alanı kontrolü yapmaya olanak sağlamamaktadır. Ayrıca sabit mıknatıs malzemelerin fiyatlarının yüksek, mekanik dayanımının düşük olması, aşırı ters mıknatıslanma ve ısınma ile manyetik özelliklerinin bozulması bu motorların zayıf yönlerini oluşturmaktadır. Son yıllarda özellikle daha düşük maliyetli, daha hafif, az yer kaplayan ve verimli elektrik motorlarının geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yürütülmektedir. Önümüzdeki 15 yıl içersinde EA’lar için tüm kriterleri sağlayan elektrik motorlarının tasarlanması beklenmektedir. Sürekli mıknatıslı motorları, maliyetindeki beklenen düşüşler, yüksek manyetik performans, sıcaklık dayanımı, ve korozyona karşı dirençleri dolayısı ile gelecekte tercih edileceği düşünülmektedir. 3.2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motorları (ARM) ARM son 15 yıldır düşük ve orta güçlü tahrik sistemlerinde ilgi çekmeye ve kullanılmaya başlamıştır. Hem statorunda hem de rotorunda çıkıntılar (kutuplar) bulunan anahtarlamalı relüktans motorları, ucuz, basit ve imalatı kolay bir motordur. Rotoru yalıtılmış saç paketi kullanılarak yapılmıştır ve herhangi bir sargı veya mıknatıs içermemektedir. Stator kutupları üzerinde ise basit bir şekilde sarılmış olan stator sargılan yer almaktadır. Stator sargılarından akan akımlar rotor pozisyonuna bağlı olarak uygun zamanlarda anahtarlanarak sürekli bir dönme hareketi ve döndürme momenti elde edilmektedir. Bu momentin ani değeri rotor pozisyonuna ve stator akımına 62 bağlı olarak doğrusal olmayan bir biçimde değişmektedir. Anahtarlamalı relüktans motorunun kontrol teknolojisi, gürültü ve titreşim sorunları halen birçok araştırmacı tarafından araştırılmaktadır. Resim 3.2. Anahtarlamalı relüktans motorları[30] ARM basit ve dayanaklı yapısı, ucuz imalatı, ataleti düşük, yüksek hızı ve verimi ile değişken hız uygulamalarında, diğer motorlar arasında güçlü bir aday haline gelmiştir. Uygulama alanları arasında, ofis araçları, uzay araçları, elektrikli otomobiller, radarlar, madencilik teknolojileri, otomatik kapı sistemleri, su pompaları ve elektrikli ev cihazları sayılabilir. ARM’ lerin en önemli karakteristik özelliği, rotor pozisyonu ve akım genliğine bağlı olarak manyetik devresinin doğrusal olmayan yapıda olmasıdır. 3.3 Bataryalar Elektrikli araçlarda motorun dönmesi için gerekli olan enerji bataryalarda depo edilir.Bu nedenle elektrikli araçlarda hayati önem taşır ve çok çeşitli bataryalar kullanılır. 3.3.1 Kurşun- Asit Bataryalar Elektrikli araçlarda en yaygın olarak kullanılan bataryalardan biridir. Özellikle içten yanmalı motorlarda yaygın olarak kullanılırlar. Fakat elektrikli araçlarda, derin çevrimlere dayanıklı daha sağlam ve sıvı elektrolitten ziyade jel elektrolitli kurşun asit bataryalar kullanılır. Bu bataryaların maliyetleri çok yüksektir. Kurşun asit pillerde negatif plaka, aktif materyal olarak kurşun; pozitif plaka ise aktif materyal olarak kurşun dioksitten oluşur. Plakalar, seyreltik sülfürik asit elektroliti içerisine daldırılmıştır. Sülfürik asit, kurşun ve 63 kurşun dioksit tepkimeye girerek kurşun sülfat ve su oluşturur. Bu proses boyunca oluşan elektrik enerjisi açığa çıkar. Toplam reaksiyon: Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (4.1) Bataryanın her elektrotundaki reaksiyonlar, Şekil 2.1 ve 2.2’de gösterilmiştir. Diyagramın üst kısmında bataryanın deşarj hali görülmektedir. Her iki elektrot reaksiyonu da kurşun sülfat oluşumu ile sonuçlanır. Elektrolit giderek sülfürik asit kaybına uğrar ve bunun sonucunda daha da seyreltik olur. Şarj olurken (Şekil 2.2), elektrotlarda, kurşun ve kurşun dioksit oluşumu başlar ve elektrolitin sülfürik asit yoğunluğu artar. Kurşun asit bataryalar, en yaygın olarak kullanılan yeniden şarj edilebilir bataryalardır. Bunun asıl nedeni, bataryayı oluşturan temel unsurların (kurşun, sülfürik asit, plastik mahfaza) maliyetlerinin düşük olması, emniyetli bir şekilde işlev görmesi ve pil başına 2V civarında oldukça yüksek bir voltaja sahip olmasıdır. Kurşun asit bataryanın en önemli özelliklerinden birisi de aşırı derecede düşük iç direncidir. Bu da bataryadan akım çekildiğinde voltajdaki düşüş çok küçük hatta herhangi bir elektrikli araç bataryasından daha küçük olacaktır. Bir pilin kapasitesi, plakaların alanlarıyla doğru orantılıdır ve iç direnç plaka alanıyla ters orantılıdır. Bunun sonucu olarak da iç direnç, kapasite ile ters orantılıdır. Çizelge 4.1’de performansı iyi bir bataryanın iç direnci 0.022Ω verilmiştir. Bir kurşun asit bataryanın iç direnci aşağıdaki gibi hesaplanır: ? = ? ?? ?? ? ı?ı × 0.022 ? ℎ? ? ? 10 64 Şekil 3.15. Kurşun asit bataryanın deşarjı boyunca gerçekleşen reaksiyonlar[15] Şekil 3.16. Kurşun asit bataryanın şarjı boyunca gerçekleşen reaksiyonlar[15] Kurşun asit bataryaların karakteristikleri; Şekil 3.15 ve 3.16’de gösterilen kurşun asit batarya reaksiyonlarının dışında reaksiyonlarda gerçekleşir. Sülfürik asit içerisindeki kurşun ve kurşun dioksit stabil değildir ve çok yavaş da olsa değişirler: Pozitif elektrotta 2PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + O2 (4.3) 65 Negatif elektrotta Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2 (4.4) Bu durumda bataryanın self-deşarj olmasına sebep olur. Bu reaksiyonların hız sabiti pilin sıcaklığına göre farklılık gösterir, sıcaklık arttıkça daha hızlı gerçekleşir. Aynı zamanda komponentlerin saflığına, elektrotları tutan alaşımların içeriği gibi diğer faktörlere de bağlıdır. Bataryanın deşarj operasyonu boyunca da meydana gelen bu istenmeyen tepkimelerde hidrojen ve oksijen gazı açığa çıkar. Eğer batarya ani bir şekilde deşarj edilirse, düşük voltaj, yüksek sıcaklık, yüksek elektrot aktivitesi gibi sebeplerden dolayı bu reaksiyonlar ve gaz oluşumu daha hızlı gerçekleşir ki, bu deşarj reaksiyonları tüm pillerde aynı oranda gerçekleşmez ve böylece bazı piller, diğerlerinden daha fazla deşarj olur. Bu durum bataryanın şarj edilmesi açısından önem arz etmektedir. Yani tüm pillerin tam olarak şarj olduğunu garantilemek için bazı piller aşırı şarj durumuna tolerans göstermek zorunda olacaktır. Kurşun asit batarya aşırı şarj durumundayken gerçekleşen reaksiyonlar Şekil 3.17’de gösterilmiştir. Bu gaz tepkimeleri, elektron alan ya da veren elektrotlarda daha fazla kurşun sülfat kalmadığında gerçekleşir. Yani batarya tam dolu şarj halindeyken gerçekleşir. Şarj ve deşarj tepkimeleri, pil elektrolitlerinin konsantrasyonlarını değiştirmektedir. Reaktanların konsantrasyonundaki değişim, deşarj olurken pilin üretmiş olduğu voltajda ufak bir değişime yol açmaktadır. Voltajdaki düşüş Şekil 3.18’de gösterilmiştir. Modern sızdırmaz bataryalarda bu değişim doğrusaldır. Batarya voltajının, batarya şarj durumuna dair bir gösterge olarak kullanılamayacağı dikkate alınmalıdır. Aşırı şarj reaksiyonun dikkat edilmesi gereken bir diğer noktası, suyun hidrojen ve oksijene dönüşerek kaybolmasıdır. Eski bataryaların tasarımlarında bu gazlar menfezden dışarı verildiği ve zaman zaman elektrolit sıvısı takviyesi yapıldığı kaydedilmiştir. Modern sızdırmaz bataryalarda böyle bir sisteme gerek duyulmamıştır; gazlar batarya içerisinde 66 tutulur ve tekrar su oluşturmaları için rekombinasyonlarına izin verilir. Tabi ki bu oluşum için bir sınır vardır ve gaz oluşumunun hızlı bir şekilde gerçekleşmemesi için aşamalı olmalıdır. Şekil 3.17 Kurşun asit batarya tam dolu şarj halindeyken gerçekleşen gaz reaksiyonları[15] Şekil 3.18 Grafik sızdırmaz bir kurşun asit bataryanın açık devre voltajının şarj durumuna göre değişimi[15] 67 Kurşun asit batarya üreticileri, bataryaları uzunluk genişlik ve ağılık açısından çok geniş bir yelpazede üretebilmektedirler. Kurşun asit bataryaların farklı uygulamalarda farklı tasarımlarda olmak üzere çok yaygın bir kullanımı olması doğru batarya tipini seçme açısından problem yaratabilir. Klasik arabalarda kullanılan batarya tipi, başlatıcı-aydınlatıcı-ateşleyici (SLI) olarak ifade edilen ve elektrikli araç uygulamaları için uygun olmayan bir batarya tipidir. Bu uygulamalar için uygun olan traksiyoner ve derin çevrim tipi bataryalardır. Bu tip bataryalar, kurşun asit bataryaların maliyeti açısından en pahalı olanlarıdır. Yüzyılı aşkın süredir sulu kurşun asit bataryalar; traksiyon, yedekleme ya da stand by güç sistemleri dahil olmak üzere güç uygulamaları için standart enerji kaynağı olmuştur. Son yirmi beş yılda araştırmalardaki kayda değer ilerlemeler sonucu valf ayarlamalı kurşun asit (VRLA) nın geliştirilmesi ile sulu kurşun asit tasarımına bir alternatif olarak ön plana çıkmıştır. Birim hacim başına daha fazla enerji yoğunluğu ile VRLA bataryalara olan talep, traksiyoner batarya uygulamalarında artmaya devam etmektedir. Traksiyoner uygulamalar için VRLA batarya teknolojisi, özellikle de EA uygulamalarında, batarya bloklarındaki pillerin kurumasını önleyen distile edilmiş su seviyesinin ayarlanması, emniyet işlemleri için minimum kontrol ve bakım gerektirmeyen bataryalara olan talepten doğmuştur. Günümüzde hiç bakım gerektirmeyen batarya henüz icat edilmediği için buradaki bakım gerektirmeyen bataryadan kasıt çok daha az bakım gerektiren bataryadır. Ticari olarak mevcut bataryalar absorbe fiberglas mat (AGM) ve jel teknolojisi olmak üzere iki çeşittir. Bu iki bataryanın tasarımı sulu kurşun asit batarya ile benzerlik gösterir. Sulu bataryalar düzenli olarak distile su ikmaline ihtiyaç duyarlar.Su bataryanın her pilinin içine bir menfez başlığından eklenmektedir. Şarj işlemi gerçekleşirken eriyikli kurşun asit bataryalarda gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyon sonucu pil potansiyeli ve ya başka bir deyişle pil voltajı oluşur ve her iki elektrot arasında potansiyel fark oluşturur. Şarj işlemi boyunca 68 elektrolit çözeltisindeki su, elektroliz sonucu O2 ve H2 iyonlarına ayrışmaktadır. Oluşan oksijen ve hidrojenin %30’u tekrar reaksiyona girmektedir. Oysaki yüksek batarya verimi için devamlı olarak su ikmaline gereksinim duyulmamalıdır. Bunun sonucu olarak bakım maliyetleri önemli ölçüde azaltılmış olmalıdır. Rekombinasyon faktörü arttırılmış VRLA bataryalarda verim %95 -99 civarındadır. Özel havalandırma ve asit içeriği gereksinimleri VRLA bataryalarda en alt seviyededir. Bu durum bataryaların elektronik devrelerin yanı sıra yerleştirilmesine imkan tanır. VRLA bataryalarının iki çeşidi, absorbe mat fiberglas (AGM) bazlı batarya ve jel bazlı bataryadır 3.3.2 Nikel Bazlı Bataryalar Nikel demir, nikel çinko, nikel kadmiyum, nikel metal hidrür bataryalar nikel bazı bataryalar olarak sınıflandırılır. Bunların arasında nikel metal hidrür bataryaların performansı oldukça yüksektir. Nikel çinko batarya da makul bir performans sergilemesine rağmen, 300 derin çevrimlik sınırlı bir ömre sahiptir. Nikel demir bataryaların uygulamaları da oldukça azdır. Nikel kadmiyum batarya, elektrikli araç uygulamaları için kurşun asit bataryaların en büyük rakibi olarak görülmektedir. Sahip oldukları spesifik enerji neredeyse kurşun asit bataryaların spesifik enerjilerinin iki katıdır. NiCd bataryalarda, pozitif elektrot nikel oksihidroksitten ve negatif elektrot ise metalik kadmiyumdan oluşur. Aşağıda gösterilen reaksiyon sonucunda elektrik enerjisi elde edilir. ? ? + 2? ?? ? ? + 2? 2 ? ↔ ? ? (? ? )2 + 2? ?(? ? )2 Elektrotlarda gerçekleşen reaksiyonlar ve bataryanın nasıl çalıştığı Şekil 2.5’de gösterilmiştir. Piller deşarj olurken elektrolitin konsantrasyonu artar. Nikel kadmiyum bataryalar, elektrikli araçlarda dahil olmak üzere birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. 2500 Civarında uzun bir çevrim ömrü, yüksek spesifik güç, - 400C’ den +800C’ ye kadar geniş bir sıcaklık aralığı, düşük self- deşarj, uzun süreli depolama gibi özellikleri NiCd bataryayı cazip 69 hale getirmektedir. Bu da kurşun asit bataryalardakilere göre daha yavaş gerçekleşen self-deşarj reaksiyonları ile çok daha stabil bir batarya olmasına neden olmaktadır. NiCd bataryaları farlı şekil ve boyutlarda satın almak mümkündür ancak elektrikli araçlar için gerekli boyutlarda bulmak kolay olmayabilir. NiCd bataryaların temel kullanım alanları portatif cihazlar, elektronik ekipmanlardır. Aynı zamanda mekanik ve elektriksel olarak oldukça dayanıklıdır. Bir saat içinde şarj edilebilmeleri mümkün olmakla birlikte 20 dakika içerisinde %60 kapasiteye kadar şarj edilebilmektedir. Diğer taraftan her pilin operasyon voltajının sadece 1.2V civarında olması ve her 12V’luk batarya için 10 adet pil gerekmesi, 6 pillik kurşun asit bataryalarla kıyaslandığında olumsuz bir özellik olarak görülür. Bu durumda NiCd bataryaların niçin daha yüksek maliyete sahip olduklarına dair az da olsa bir fikir verebilir. Bir diğer problem ise maliyet açısından kadmiyum kurşundan çok daha pahalı ve çevreye zararlı aynı zamanda kanserojen olmasıdır. Şekil 3.19 NiCd bataryanın deşarjı esnasında gerçekleşen reaksiyonlar [15] Şarj operasyonu esnasında reaksiyonların tersi gerçekleşir. 70 NiCd bataryalar, kurşun asit bataryaların maliyet olarak 3 katıdır. Daha uzun çevrim ömrüne sahip olmaları bu yüksek maliyetin sebebi olarak gösterilebilir. 350 oC’nin altında şarj veriminin ani bir şekilde azalıyor olması elektrikli araçlarda kullanılmasına engel teşkil etmez. Peugeot 106, Citroen AX ve Reno Clio ve Ford Think’in elektrikli versiyonlarında kullanılmaktadır. NiCd bataryaların da kurşun-asit bataryalar gibi doğru bir şekilde şarj edilmesi gerekmektedir. NiCd bataryalar, kurşun asit bataryalara göre self deşarja daha az eğilimlidirler. Normalde voltaj önceden belirlenen bir seviyeye ulaşana kadar sabit bir akımda şarj edilir, istenilen seviyeye ulaşıcında akım kesilir. Bu noktada pil voltajı önceden belirlenen daha düşük bir voltaja iner ve akım tekrar verilir. Bu proses batarya şarj oluncaya kadar devam eder. Daha çok bataryaların daha düşük, sabit bir akımda şarj edilmesi tercih edilir. Bu işlem daha kolay olmasına rağmen daha uzun sürede gerçekleşir. NiCd bataryayı ön plana çıkaran bir diğer özelliği ise aşırı şarj olma durumunun üstesinden gelebilmesidir. Bu da pil yapısındaki negatif elektrottaki kadmiyum hidroksit fazlalığından kaynaklanmaktadır. Böylece pozitif elektrot sürekli olarak tam dolu şarj durumunda olacaktır. Şarj akımının devam etmesi, pozitif elektrotta aşağıdaki reaksiyonun vasıtasıyla oksijen oluşumu ile sonuçlanacaktır: 4? ? − → 2? 2 ? + ? 2 + 4? − (4.6) Serbest kalan oksijen negatif elektrota difüze olur burada kadmiyumla reaksiyona girerek ve (4.6) reaksiyonunda oluşan suyu kullanarak kadmiyum hidroksit oluştururlar. O2 + 2Cd + 2H2O → 2Cd(OH) (4.7) Bu reaksiyonun yanı sıra normal şarj reaksiyonu da (4.6) reaksiyonunda ortaya çıkan elektronları kullanarak bu elektrotta gerçekleşecektir. 2? ? (? ? )2 + 4? − → 2? ? + 4? ? − (4.8) 71 (4.7) ve (4.8) denklemlerini karşılaştırdığımızda kadmiyum hidroksit oluşum oranının, kadmiyuma dönüşüm oranına tam eşit olduğu görülmektedir. Bu da batarya herhangi bir materyal net kullanımı olmaksızın sürdürülebilir bir sistem olduğunun göstergesidir. Bu aşırı şarj durumu süresiz olarak devam edebilir. Çoğu NiCd bataryaların boyutları ve dizaynları, 100Ampsaat’lik bir batarya 10A’de olmak suretiyle C/10 oranında sürekli bir şekilde şarj olmaya devam edebilir. Bu aşırı şarj akımı boşa harcanan enerjiyi temsil etmekte fakat bataryada herhangi bir soruna yol açmamaktadır ve tam dolu şarj için pillerin eşitlendiği son safhada batarya şarj edilirken bazı pillerin için yapılması zorunluluk gerektirmektedir. Nikel kadmiyum bataryanın iç direnci, kurşun asit bataryalardaki kadar olmasa da düşüktür. Bu durum da maksimum ekonomik spesifik güçte biraz da olsa azalmaya neden olmaktadır. Bir NiCd bataryanın iç direncinin deneysel olarak elde edilmiş formülü aşağıda gösterilmiştir: ? = ? ???? ? ı?ı × 0.06 ∗ ?3 ? ℎ? ? (4.9) * Bu formüldeki 0.06 faktörü, kalite değeri iyi olan NiCd traksiyoner bir bataryanın küçük bir örneğinin ölçüm değerleri baz alınarak tespit edilmiştir. (4.9) denklemini, kurşun asit piller için olan (4.2) denklemiyle karşılaştırdığımızda 0.06 sayısının 0.022’ye göre daha büyük olduğunu görmekteyiz ayrıca bu denklemdeki pil sayısı, kurşun asit bataryalar için gerekli olan pil sayısından daha fazla olacaktır. 3.3.4 Lityum Bataryalar 1980’lerin sonlarından itibaren şarj edilebilir lityum iyon bataryalar ticari olarak piyasaya sürülmüştür. Diğer batarya çeşitleriyle kıyaslandığında oldukça yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları fiyatlarının da bu oranda yüksek oluşuna açıklık getirebilir. Maliyeti yüksek laptop bilgisayarlar ve mobil telefon uygulamalarında Li-iyon bataryalar NiCd ve NiMH bataryalara göre daha çok tercih edilmektedir. 72 Lityum İyon Batarya EA uygulamalarında günümüzde ticari anlamda en çok kullanılan batarya tipi Li-iyondur. Lityum metalinin atomik kütlesinin çok düşük olması ve çok yüksek negatif potansiyele sahip olması gibi nedenlerden dolayı batarya teknolojisinde bir çığır açarak hız ve sürüş mesafesi bakımından yüksek performans karakteristiği sergileyen EA'larda uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Lityum metalinin hava ya da birçok sıvı elektrolitle reaksiyona girme eğiliminin yüksek olması bir dezavantajdır. Bu problemin üstesinden gelebilmek için lityum ilave edilmiş grafit karbonları (LixC) kullanılmış ve yüksek performans için uygun potansiyele sahip olduğu görülmüştür. Li- iyon bataryanın deşarjı esnasında anotta serbest hale geçen (Li+) iyonları, organik elektrolit boyunca ilerleyerek katoda doğru hareket eder. Organik elektrolit sıvı değildir. Lityum iyonları katoda ulaştığında hızlı bir şekilde katot materyalinin içerisine katılır. Bu işlem tersinirdir. Lityum iyonlarının hızlı bir şekilde eski haline dönebilme yeteneğinden dolayı Li-iyon bataryalar, Pb-asit ve NiMH bataryalardan daha hızlı bir şekilde şarj ve deşarj olurlar. Aynı zamanda Li –iyon bataryalar NiMH bataryalarla kıyaslandığında eşit miktarda enerji depolamasına karşılık %40 daha küçük ve NİMH bataryaların ağırlığının yarısı kadar bir ağırlığı vardır. Li-iyon bataryalarda kullanılmak üzere çok farklı materyaller geliştirilmektedir. Genellikle anot materyalleri, karbonun çeşitli formları özellikle de grafit ve hidrojen içeren karbon materyallerinden oluşur. Katot için üç çeşit oksitleyici geliştirilmiştir; bunlar kobalt, nikel, manganezdir. Teknik olarak hem nikel hem de manganez oksitlere tercih edilen kobalt oksit kullanılmıştır. Kobalt oksitli lityum-iyon bataryalarda katot; kobalt oksit kaplamalı alüminyum folyodan üretilmektedir. Anotlar ise karbon materyalleri ile kaplanmış ince bir bakır levhadan üretilmiştir. Levhalar plastik bir ayıraç ile ayrıldıktan sonra sarmal bir şekilde sarılır ve lityumhekzaflora-fosfat içerikli sıvı bir elektrolitle doldurulmuş çelik bir haznenin içine konulur. Tam dolu şarj durumundayken bu bataryaların açık devre gerilimi 4.1 Volt’tur. Aynı zamanda sahip oldukları yüksek spesifik enerjinin yanı sıra Li-iyon bataryalar uzun bir kullanım ömrü 73 potansiyeline sahiptir. Yüksek voltaj, klasik tasarımı ve özellikle kobalt yerine manganezin kullanılmasıyla düşük batarya maliyeti vaat etmektedir. Li-ion bataryaların aşırı şarj durumunda, kurşun asit ve NiMH bataryalarda da olduğu gibi elektrot ya da elektrolit formlarının dekompozizasyonları, bataryanın hasar görmesini engellemek için dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir. Li-iyon bataryalardaki elektrolit su içermediği için suyun çözünmesine bağlı gazlaşma olayı gerçekleşmez. Pb-asit ve NiMH bataryalarda olduğu gibi Li-iyon bataryalar aşırı şarj durumuna maruz kalmamak için batarya denetim sistemi ile birlikte çalışabilmelidir. Katı haldeki yeniden şarj edilebilir Li-ion bataryalar birim kütle ve hacim başına daha yüksek enerji içeriğine sahiptir. Aynı zamanda Li-iyon, NİMH gibi nikel bazlı bataryalara oranla çevre dostu bir batarya olarak tanımlanabilir. Li–iyon bataryaların gelişimi, NiMH ve Pb-asit bataryalara göre daha yavaş olmuştur. Neden ise lityum dendrit oluşumundan kaynaklanan batarya pilinin yeterli bir şekilde işlev görmeyişin ve çevrimden dolayı geniş bir alanda lityum partiküllerinin oluşumunun artmasıdır. Bataryada oluşan bu kusurların üstesinden gelmek için metalik lityum yerine alternatif solüsyonlar düşünülmüştür. Bunlardan biri karbon bazlı alternatif bir materyal diğeri ise shuttlecock (badminton topu) olarak da adlandırılan durumda lityum iyonlarının katot ve anot arasında mekik dokumasıdır. Deşarj işlemi boyunca lityum iyonları anottan katota taşınır. Şarj işlemleri boyunca lityum iyonları katottan anoda doğru hareket eder. Lityumla işlem görmüş anodun voltajı lityum metalininkine (yaklaşık olarak 10 mV) yakındır ve bu nedenle pil voltajı aşırı derecede azalmaz. Katı haldeki Li-iyon bataryalar, likit elektrolitli benzerlerine göre çeşitli avantajlar sahiptir. Enerji yoğunlukları 200Wh/L’nin üzerindedir. Operasyon sıcaklığı ise -200C ile 600C arasında oldukça geniş bir aralığa sahiptir. Li- iyon metal oksit/ karbon sisteminde elektrotların her ikisi de yapısı değişmeksizin tersinir bir şekilde lityum açığa çıkarır ya da bünyesine katar. Li-iyon bataryalar oda sıcaklığında çalışmaktadır. Yüksek pil voltajları sayesinde batarya organik bir elektrolite ihtiyaç duyar. LiCoO2, LiNiO2 ve 74 LiMnO4 bazlı katotlar ve anot birlikteliğinin sonuçları detaylı bir biçimde analiz edildiğinde batarya üreticileri lityum-manganez spinelinin geliştirilmesine odaklanmıştır. Lityum Polimer Bataryalar Lityum polimer batarya, negatif elektrot olarak lityum metali, pozitif elektrot olarak ise okside olmuş bir geçiş metali kullanır. Lityum ve metal oksidin kimyasal reaksiyonu sonucunda lityum metal oksit oluşur ve enerji açığa çıkar. Batarya şarj edilirken bu reaksiyonun tam tersi gerçekleşir. Lityum burada reaktan olmakla birlikte aynı zamanda elektrolit boyunca hareket eden taşınabilir iyondur. Toplam kimyasal reaksiyon: xLi + MyOz ↔ LixMyOz (4.11) Lityum polimer teknolojisinde; elektrolit, bir katı iletken polimer olmasından dolayı bataryalar tamamıyla kurudur ve likit elektrolit içermezler. 3.4 BATARYA ÖMRÜ VE BATARYALARIN ŞARJ EDİLMESİ Bataryalar, yapısındaki aktif materyallerin kaybına neden olan istenmeyen kimyasal tepkimeler ve fiziksel değişimler sonucu sınırlı bir kullanım süresine sahiptir. Bu değişimler genellikle tersinmezdir ve pilin elektriksel performansını etkiler. Batarya ömrü ancak istenmeyen kimyasal reaksiyonlar azaltılarak ya da önlenerek arttırılabilir. Bataryada kalan enerji miktarını bilmek ve tam dolu durumdaki enerji miktarı ile kıyaslamasını yapmak, yeniden şarj olmadan önce bataryanın ne kadar süre çalışacağının tahmin edilmesinde yardımcı olmaktadır. 3.4.1 Batarya Ömrü Batarya çevrim ömrü, nominal kapasitesi; başlangıçtaki nominal kapasitesinin %80’nin altına düşmeden önce bir bataryanın performans sergileyebileceği şarj-deşarj döngülerinin sayısı olarak tanımlanır. Çevrim sayısı arttıkça zamanla kapasitede azalma gözlenir. 75 Çevrim ömrünün bir diğer alternatif ölçümü de pil iç direncinin dikkate alınmasıdır. Bataryanın iç direncindeki artış önceden belirlenen bir değere genellikle ilk durumdakinin 1.3 katı olmak üzere yeni bir değere ulaşmadan önceki bataryanın sergilemiş olduğu çevrim sayısı, batarya ömrü olarak tanımlanır. Batarya çevrim ömrü; deşarj yoğunluğuna bağlıdır (Her çevrim, bataryanın tam olarak şarj ve deşarj olduğu varsayılırsa). Eğer batarya her çevrimde kısmi olarak deşarj edilirse çevrim ömrü artacaktır. Bu nedenle deşarj yoğunluğunun çevrim ömrüne özgü belirtilmesi önemlidir. Kimyasal Değişimler: Bataryalarda gerçekleşmesi istenen kimyasal reaksiyonlar maalesef genellikle bazı aktif kimyasalları tüketen ya da reaksiyonlarına engel olan istenmeyen kimyasal reaksiyonları beraberinde getirmektedir. Bu durum batarya ömrünü azaltmaktadır. Sıcaklık Etkileri: Bataryanın içindeki kimyasal reaksiyonlar, hem voltaj hem de sıcaklıkla yürütülür. Bataryanın sıcaklığı arttıkça kimyasal reaksiyonlar hızlanacaktır. Yüksek sıcaklıklar performansı arttırırken bir yandan da batarya ömrünün azalmasına yol açan istenmeyen kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesine sebep olacaktır. Raf ömrü ve şarj tutma, self deşarj oranına bağlıdır ve self deşarj da pildeki olması istenmeyen kimyasal reaksiyonların bir sonucudur. Benzer şekilde korozyon, gaz oluşumu, elektrot pasivasyonu çevrim ömrünü azaltan istenmeyen kimyasal tepkimelerdir. Bu nedenle sıcaklık hem raf ömrünü hem de çevrim ömrünü etkiler. Basınç Etkileri: Bu problem sızdırmaz bataryalarda ortaya çıkmaktadır. Pil içindeki basınç artışı, artan sıcaklığın bir sonucudur. Çeşitli etkenler sıcaklık artışına neden olabilir. Akım fazlası ya da yüksek ortam sıcaklığı, pil 76 sıcaklığının artışına neden olur ve aktif kimyasalların genişlemesine yol açarak pildeki iç basıncın artışına sebebiyet verecektir. Aşırı şarj, sıcaklık artışı nedenlerinden biridir ve daha da önemlisi aşırı şarj gaz oluşumuna sebep olarak iç dirençte daha da büyük bir artışa sebebiyet verecektir. Basınç fazlası; pil koruyucu tabakasında şişme, akım yolunda aksaklık, kısa devre gibi pil içinde mekanik hasarlara neden olacaktır. Deşarj Yoğunluğu: Bataryanın çevrim sayısı, deşarj yoğunluğu artış gösterdikçe doğrusal olmayan düşüş gösterir. Uygulamada deşarj yoğunluğu sınırlanırsa, tasarımcı bataryanın çevrim ömrünü önemli ölçüde arttırabilir. Şekil 3.20 Deşarj yoğunluğuna bağlı bataryanın çevrim sayısı[15] Elektrikli araç uygulamaları gibi uygulamalarda bataryadan maksimum güç çekilir. Bu da bataryanın çok yüksek DoD durumunda deşarj olduğu anlamına gelmektedir. Derin deşarj yoğunluklarında batarya pilleri kalıcı olarak hasar görebilir. Derin çevrim bataryalarının DoD potansiyellerini maksimum yapmak için özel pil yapıları ve kimyasal karışımlar gerekebilir. Traksiyoner bataryalar %80 ile %10 DoD durumunda çalışabilirler. 77 Voltaj Etkileri: Şarj olabilen her bataryanın operasyon voltaj karakteristiği, kendine has pil kimyasıyla ilişkilendirilir. Aktif kimyasalların tümü, tam dolu şarj durumundaki kompozisyonuna dönüştüğünde pil içine giren elektriksel enerji, ısının artmasına neden olur ve kimyasal komponentleri rekombine olamayacakları formlara dönüştüren istenmeyen reaksiyonları başlatır. Pil, üst voltaj limitinin üzerinde şarj etmek pile hasar verecek tersinmez kimyasal reaksiyonların oluşmasına neden olur. Bu duruma eşlik eden sıcaklık ve basınç artışı kontrol edilemez ise pilin patlamasın ve tehlikeli kimyasalları açığa çıkararak yangına neden olabilir. Yine benzer şekilde pili önerilen düşük voltaj limitinin altında deşarj etmek, aktif kimyasallar arasında istenmeyen reaksiyonlara yol açarak kalıcı hasara neden olabilir. Formasyon: Pil formasyonu, yeni bir pilin aktif materyallerinin kullanılabilir formlarına dönüşüm prosessidir. Elektrolit ya da elektrotların başlangıçtaki kristal yapısı, elektrot kaplama işlemi ve elektrotların yapıldığı komponentler üretim işlemleri ile belirlenir. Bu, pilin iç direncini minimum seviyeye getiren optimum yapı olmayabilir ve elektrolit ile elektrotlar arasında optimum teması oluşturmayabilir. Pil boyunca akım geçişleri, pilin ısınması ve soğumasıyla aktif kimyasalların mikro yapılarında küçük değişimlere neden olacaktır. Formasyon, pil üreticisi tarafından komponentlerin mikro yapılarını optimize etmek ve birbirleriyle teması sağlamak için kontrollü koşullar altında üretim yerinde gerçekleştirilen ilk şarjdır. Bazı kimyasal formüllerde tam güç ya da kapasiteye ulaşmadan önce batarya on ya da daha fazla şarj- deşarj çevrimi gerektirebilir. Pil Yaşlanması: Pil yaşlandıkça materyallerin kristal yapısı ve kimyasal kompozisyonu değişir. Elektrotlar üzerinde metalik dendritler, daha geniş kristaller oluşabilir. 78 Bu değişimlerin sonuçları: - Pilin formasyonu boyunca oluşan daha küçük kristaller daha büyük boyutlara ulaşarak iç direnci arttırır ve pil kapasitesi azalır. - Kristal ve dendrit oluşumu, elektrolit ve seperatöre basınç uygulayacak olan elektrot şişmesine neden olur. Elektrotlar böylece birbirine yaklaşarak baskı uygular ve pillerin self deşarjı artış eğilimi gösterir. - Olağan dışı durumlarda dendrit ya da kristal büyümesi seperatörü delerek yüksek self deşarj ya da kısa devre ile sonuçlanabilir. Batarya ömrünü uzatmanın en kolay yolu, bataryayı tasarımda belirtildiği operasyon limitleri içinde çalıştırmaktır. Batarya için tasarlanmış şarj ekipmanları ve emniyet sistemleri kullanılmalıdır. Batarya denetim sistemi, şarj ve deşarj operasyonu boyunca bataryanın bağlı olduğu yükü kontrol ederek pilleri arzu edilen operasyon limitleri içerisinde tutar. Bataryayı oluşturan pillerin şarj eşitlemesi yapılmalıdır. Kapasite kaybı olan piller, formasyon prosesinin tekrarlanmasıyla restore edilebilir ve böylece kullanım ömürleri uzar. 3.4.2 Çevrim Ömrü Çevrim ömrü, pil kapasitesinin başlangıçtaki spesifik kapasitesinin %80’nin altına düşmeden önceki performans sergileyeceği çevrimlerin sayısıdır. Çevrim ömrü sonunda batarya pili fonksiyonuna devam edecektir fakat kapasitesi, ilk durumdaki kapasitesine göre önemli ölçüde azalmış olacaktır. Çevrim ömrü, gerçek operasyon koşullarında batarya ömrüne dair en iyi yaklaşımı vermese de kontrollü koşullar altında bataryaları mukayese etmek için iyi bir yöntemdir. Piller nadiren de olsa ardı ardına şarj- deşarj çevrimlerine maruz kalırlar ve tam olarak yeniden şarj olmadan önce değişik yoğunluklarda kısmi deşarja uğrarlar. Kısmi deşarjlarda daha az miktarda enerji alındığı için batarya daha fazla sayıda derin olmayan çevrimler sürdürecektir. Bu tarz çevrimler daha çok rejeneratif frenleme enerjisini kullanan hibrid elektrikli araçlara özgüdür. 79 3.4.3 Bataryanın Şarj Durumu (BŞD) SoC, bataryanın şarj durumu göstergesi olarak tanımlanır. SoC göstergesinde, pilin akım kapasitesinden ziyade yeni bir pilin nominal kapasitesi referans alınır. Bunun nedeni ise pil yaşlandıkça pil kapasitesinin kademeli olarak azalmasıdır. Sıcaklık ve deşarj oranı, efektif kapasiteyi etkilemektedir. Maalesef çoğu zaman pilin nominal kapasitesi yerine mevcut kapasitesi referans olarak alınmaktadır. Bu durumda ise ömrünü tamamlamaya yakın tam dolu bir pil, nominal kapasitesinin %80’ini kadar efektif bir kapasiteye sahip olmasına rağmen batarya şarj durumunu %100 olarak gösterecektir ve hesaplanan kapasiteyi pilin yeni nominal kapasitesi ile karşılaştırılması yapılarak gerekli düzeltme faktörleri uygulanmalıdır. Bataryada kalan şarj miktarının doğru bir hesaplamasının yapılabilmesi için bataryanın yaşı ve çevresel faktörlerde göz önünde bulundurulmalıdır. Pil eşitlemesi uygulamalarında da herhangi bir pilin şarj durumunu, batarya dizinindeki diğer pillerle orantılı olarak bilmek gerekmektedir. SoC kontrolü batarya denetim sisteminin (BDS)’nin temel bir fonksiyonunu oluşturmaktadır. Lityum bataryaların başlıca kullanım alanı olan otomotiv uygulamalarında enerji akışının etkin ve güvenli denetimi için şarj durunun kesin olarak belirlenmesi gerekmektedir. EA uygulamalarında SoC menzili belirlemek için kullanılır. Bataryanın hiç kullanılmamış ilk aşamadaki kapasitesi baz alınır, mevcut kapasitesi kullanılmaz. HEA uygulamalarında SoC, elektrik motorunu ne zaman devreye gireceği durumları belirler. %5’in üzerinde SoC hataları, sistem yakıt verimini ciddi şekilde etkilemektedir. Şarj Durumunu Belirleme Metotları: Bataryanın şarj durumunu tespit etmek için çeşitli metotlar kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları pil kimyasallarına göre spesifikleşmiştir. Çoğu, şarj durumu ile değişen uygun parametrelerin ölçümüne dayanmaktadır. - Direkt Ölçüm: 80 Eğer batarya sabit bir oranda deşarj oluyorsa bu yöntem uygulanabilir. Bataryadaki şarj, akımın akış zamanı ile çarpımına eşittir. Yalnız burada iki problem ortaya çıkmaktadır. Hemen hemen tüm bataryalarda deşarj akımı sabit değildir., batarya deşarj oldukça lineer olmayan bir şekilde azalma gösterir. Bu yüzden ölçüm cihazı akımın zamana göre integralini almalıdır. İkinci problem ise; metodun bataryanın şarj içeriğini öğrenmek için deşarj edilmesine dayanmasıdır. Halbuki kullanıcı pili deşarj etmeden şarj içeriğini öğrenmek istemektedir. Bataryanın coulombic veriminden dolayı şarj esnasında alınan gerçek şarj, izleme tertibatı ile kaydedilerek bataryadaki efektif şarjı direkt olarak ölçmek mümkün değildir. Bataryanın şarj deşarj döngüsü boyunca bataryadaki kayıplar, şarj esnasında bataryaya alınan şarjdan daha az deşarj esnasında şarj verilecek anlamına gelmektedir. - Özgül Ağırlığa Bağlı BŞD Ölçümü: Bu metot kurşun asit bataryalarda şarj durumunu tespit etmek için kullanılan geleneksel bir metottur. Aktif kimyasallardaki kütle değişiminin ölçülmesine dayanmaktadır. Batarya deşarj olurken aktif elektrolit; sülfürik asit harcanır ve sülfürik asit konsantrasyonu azalır. Bu dönüşüm solüsyonun direkt olarak SoC ile orantılı özgül ağırlığını azaltır. Elektrolitin gerçek özgül ağırlığı bu nedenle bataryanın şarj durumunun bir göstergesi olarak kullanılır. Özgül ağırlık ölçümleri genellikle vakum tipi hidrometre ile yavaş ve uygun olmayan bir yöntemle yapılmaktaydı. Son zamanlarda dijital ölçüm yapan elektronik sensörler pil yapısına yerleştirilmektedir. - Voltaj bazlı BŞD Tahmini: Bu metotta batarya pili voltajı, BŞD ya da kalan kapasitenin hesaplanmasında temel alınır. Sonuçlar gerçek voltaj seviyelerine, sıcaklığa, deşarj oranına ve pil yaşına bağlı olarak çeşitlilik gösterir. Bu yöntemde bataryanın sabit sıcaklık ve deşarj oranında, kalan kapasitesine karşılık açık devre voltajının grafiği oluşturulur. Fakat bazı pil kimyalarında özellikle lityum 81 olmak voltaj, çok sayıda şarj-deşarj döngüsü boyunca çok küçük bir değişim gösterir. Aşağıdaki grafikte yüksek kapasiteli bir lityum iyon pilin deşarj eğrisi gösterilmiştir. Şekil 3.21 100 Ah lityum iyon pilin deşarj karakteristikleri[15] Batarya pil voltajı, pil deşarj olurken fark edilir şekilde düşüş göstermediği için batarya uygulamaları için idealdir. Yine aynı nedenle gerçek bir pil voltajı, pil BŞD durumunun iyi bir göstergesi olmadığı anlamına gelmektedir. Çevrim sonundaki ani pil voltajı düşüşü, bataryanın deşarjının tamamlandığını ya da tamamlanmak üzere olduğunun bir göstergesi olarak kullanılabilir. Lityum pilleri tamamıyla deşarj etmek çevrim ömürlerini önemli ölçüde kısaltır ve birçok uygulamada pil çevrim ömrünü uzatan deşarj yoğunluğu limitlerine maruz kalmaktadır. -Akım Bazlı BŞD Belirlenmesi: Bir elektrik yükündeki enerji içeriği Coulomb olarak ölçülür ve akımın zamana göre integraline eşittir. Pil içindeki kalan kapasite şarj esnasında pile giren akımın ya da deşarj esnasında pilden çıkan akımın ölçülmesiyle ve zamana göre integralinin alınmasıyla hesaplanabilir. Metot, tam dolu bir pile uygulanır. Coulomb sayımı olarak da bilinen bu metot direkt olarak şarj akışını ölçtüğü 82 için diğer BŞD ölçümlerine göre daha yüksek bir doğrulukta çalışır. Coulombic sayımı self deşarj akımı dikkate alınmaksızın bataryadan dış devreye olan akım akışına dayanır. -İç Dirence Bağlı BŞD Ölçümü: Şarj-deşarj döngüleri boyunca pildeki aktif kimyasalların kompozisyonu değişir ve bu durum pil direncinin de değişmesine neden olur. Bu nedenle pil iç direnç ölçümü BŞD belirlemede kullanılabilir fakat iç direncin aynı zamanda sıcaklıkla da değişiklik göstermesi ve pil aktif haldeyken iç direnç ölçümündeki zorluklardan dolayı bu yöntem pek tercih edilmez. Bulanık mantık ve diğer benzer modeller bu problemin üstesinden gelmek için kullanılabilir. 3.4.4 Batarya Denetim Sistemi (BDS) Bataryanın denetlenmesi, şarj ve deşarj işlemi esnasında voltaj, akım, batarya içi ve ortam sıcaklığı gibi kilit rol oynayan operasyon parametrelerinin kontrol altında tutulmasıdır. Bataryanın yük ya da şarj cihazıyla bağlantısının kesilmesi durumunda ve herhangi bir arıza durumunda alarm veren aygıtları korumak amacıyla çevrim boyunca veri girişleri bir monitörde görüntülenmektedir. Elektrikli araçlarda aktif batarya denetimi, efektif ve sürekli bir ölçüm, şarj durumu, voltaj, sıcaklık, bataryanın şarj ve deşarj oranlarının kontrolünün yanı sıra düşük voltaj, aşırı ısınma, yüksek iç direnç ya da açık ve kısa devre gibi durumlarda her bir batarya pilinin sıcaklık ve voltajını da görüntüler. Bunu efektif olarak yerine getirmek için her pilin ek kablolarla bağlantısı gerçekleştirilmelidir. Bu nedenle batarya pillerinin izlenmesi ve uyuşmazlıkları saptamak üzere batarya bloklara bölünür. Blokların sıcaklık ve voltaj değerleri karşılaştırılır. Bu metotla tüm batarya hata durumlarını saptamak mümkündür fakat toplam batarya performansını etkileyen her bir pilin şarj durumundaki uyuşmazlıkları saptamak kolay olmamaktadır. Her pile voltaj ve sıcaklık sensörü yerleştirerek verilerin tek bir kablo üzerinden dijital veri olarak batarya denetiminin izlendiği bilgisayara iletilmesi mümkün olmakla birlikte şarj 83 algoritmasını da ayarlamak mümkündür. Ayrıca BDS, tam güç için bataryayı hazır durumda tutacak ve bataryanın ömrünü uzatacak metotları, şarj rejiminin kontrol edilmesinden planlanan batarya bakımı gibi sistemleri kapsar. Batarya denetim sistemi, enerji denetim sisteminin bir parçasıdır ve araçtaki motor denetimi, iletişim ve emniyet sistemleri gibi diğer sistemlerle ara yüz oluşturmuştur. Batarya performansını ve emniyetini kontrol etmek için öncelikle hangi parametrelerin kontrol edilmesi gerektiğini ve neden kontrole ihtiyaç duyduğunu anlamak gerekmektedir. Bu nedenle pil kimyasını, performans karakteristiklerini ve batarya hata durumlarının esaslarını iyi bir şekilde kavramak gerekmektedir. Tüm batarya denetim sistemlerinin üç temel amacı vardır: -Pillerin ya da bataryanın hasar görmesini engellemek. -Bataryanın ömrünü uzatmak. -Uygulama amacına göre fonksiyonel gereksinimleri karşılayabileceği şekilde bataryanın bakımı yapmak. Bu amaçlar doğrultusunda BDS aşağıdaki fonksiyonları içermelidir. Pil Koruması: Bataryanın kendine has dizayn limitlerinin dışında çalıştırması durumunda bataryanın hasar görmesi kaçınılmazdır. Büyük miktarda enerji içeren yüksek güç pilleri bir kısa devre ya da fiziksel hasar sonucunda bu enerjisini kontrolsüz bir şekilde açığa çıkarırsa yıkıcı sonuçlara neden olabilir. Operasyon koşulları toleransının dışına çıkmış bir bataryayı korumak tüm BDS uygulamalarının temel amacıdır. Farklı uygulamalar ve farklı pil kimyasalları farklı şekilde koruma gerektirebilir. Önceden belirlenen voltaj, akım ve sıcaklığı operasyon limitlerinde tutabilmek için devre kontrol edilmelidir. Özellikle lityum pillerde hata durumunda patlama risklerine karşı pil koruması önem arz etmektedir. Aşağıdaki istenmeyen olay ya da koşullar için pil koruması tavsiye edilmektedir: - Şarj ve deşarj boyunca aşırı akı 84 - Kısa devre - Voltaj fazlası- aşırı şarj - Önceden belirlenmiş deşarj derinliği limitlerinin aşılması - Yüksek ortam sıcaklığı - Aşırı ısınma- pil sıcaklık limitinin aşılması - Pil içinde basın oluşması - Bir kaza durumunda sistemin izolasyonu için - Hatalı kullanım Şarj Kontrol: Bataryaların şarj durumunu tespit etmek, batarya denetim sisteminin ikinci temel görevidir. BDS, pillerin aşırı gerilim altında kalmaması için şarjın her pile eşit şekilde dağılmasını kontrol ederken bataryadaki her bir pilin SoC durumunu hesaplar ve görüntüler. Bataryalar uygun olmayan şarj işleminden hasar görmektedir. BŞD göstergesi şarj ve deşarj çevrimlerinin sonlandırılmasında devreye girer. Aşırı şarj ve deşarj işlemi bataryanın hasar görmesinin iki başlıca nedenidir ve BDS, pillerin arzu edilen operasyon deşarj yoğunlukları arasında kalmasını sağlar. Hibrid elektrikli araçlarda batarya rejeneratif frenlenme enerjisini depolayabilmesi için yüksek güçte şarj kabiliyeti ve ivmelenme ya da harekete geçme durumunda yüksek güçte deşarj olabilme kabiliyetine sahip olmalıdır. Bu nedenle bataryalar gereksinim duyulan güçte deşarj olabilecek ve pillerin aşırı şarj riskine imkan vermeksizin rejeneratif enerjiyi kabul edecek şekilde şarj olabilecek BŞD seviyesinde tutulmalıdır. HEA bataryalarını pil-şarj eşitlemesi için tam olarak şarj etmek, rejeneratif frenleme enerjisini depolama kabiliyetini azaltır. Bu yüzden HEA’larda bataryayı uygun operasyon limitleri içerinse tutmak için doğru BŞD bilgisine gereksinim duyulur. 85 Şekil 3.22 HEA batarya çalışma aralığı[15] Batarya denetim sistemi, batarya görüntüleme birimi, batarya kontrol birimi ve araç enerji denetim sistemi ile bağlantılı araç iletişim ağından oluşmaktadır. 3.4.5 Bataryaların Şarj Edilmesi Bataryaların işlevlini zamanından önce yitirmemesi için doğru bir şekilde şarj edilmesi gerekmektedir. Kurşun asit bataryaları çok düşük bir şarj durumunda bırakmak, sülfasyon prosesinden kaynaklanan kalıcı hasara neden olduğu gibi bataryaların yanlış bir şekilde şarj edilmesi de bataryalar çok çabuk hasara uğratacaktır. Batarya sabit bir akım ya da voltaj girişi sağlamamın yanı sıra akım ve voltajın çok dikkatli kontrolünü gerektiren şarj işlemi basit bir operasyon değildir. Bataryaya ait şarj ekipmanı batarya üreticisinden temin edilmelidir. Aracın şarj edilmesi gereken ve uygun şarj ekipmanı bulunmayan farklı yerler için hafif, taşınabilir bir batarya şarj cihazı alternatifi değerlendirilmelidir. 86 Fotoelektrik panellerin haricindeki durumlarda, bataryayı şarj etmek için gerekli elektrik enerjisi alternatif akımlı (AC) enerji kaynağından gelecektir. Bataryanın şarj olabilmesi için bu akımın doğrusal akıma (DC) çevrilmesi gerekmektedir. Düzeltişmiş DC akımında çok az miktarda dalgalanmalar olmak üzere düzgün bir akım olmalıdır. Çünkü DC akımındaki değişiklikler akım voltajını, batarya voltajının altına düşürmekte, şarj işlemi gerçekleşmemektedir ve “yüksek nokta” dalgalanmaları voltajda bataryaya hasar verecek kadar artışa neden olabilmektedir. Yüksek DC akımlarında düzgün doğrusal DC akımı sağlamak adaptörleri zorlamaktadır bu da yüksek akım şarj cihazları için özel olarak dizayn edilmiş adaptör fiyatlarının oldukça pahalı olmasına sebebiyet vermektedir. Şarj işlemi ile ilgili bir diğer husus ise halka açık yerlerde ve araba park yerlerinde şarj işlemi için olanaklar sağlanmasıdır. Avrupa’da bazı şehirlerde ve ABD’de California’da çeşitli yerlerde şarj istasyonları kurulmuştur. Fakat buradaki ortaya çıkan sorun elektrikli araç bataryaları herhangi bir elektrik kaynağından şarj edilebilir olmasına rağmen şehir şebekesindeki elektrik akımı için elektrikli araçlara yönelik herhangi bir standardizasyon çalışması olmamasıdır. Her elektrikli ve hibrit elektrikli araca yönelik özel olarak dizayn edilmiş bir şarj cihazı kullanılmalıdır ve şarj işlemi araç enerji denetim sistemi ile kontrol edilmelidir. Hangi batarya tipi ya da hangi şarj metodu kullanılırsa kullanılsın bataryalarda şarj eşitlenmesi mutlaka yapılmalıdır. 3.4.6 Şarj Eşitlenmesi Şarj eşitlenmesi ciddi bir hasarın önüne geçmek için tüm batarya tiplerinde düzenli aralıklarla yapılan bir işlemdir. Bataryadan akım çekildiğinde bataryadaki içindeki piller aynı miktarda şarj kaybına uğramaması problem yaratmaktadır. Bu durum bataryadaki farklı pillerin farklı self deşarj oranlarından kaynaklanmaktadır. Bunun nedeni ise üretim varyasyonları ve bataryadaki pillerin tümü tan olarak aynı sıcaklıkta olmadığı sıcaklık değişimleridir. 87 Eğer bataryadan nominal olarak %50 şarj çekildiğinde bazı piller %52 gibi biraz daha fazla, bazı piller ise %60 gibi çok daha fazla şarj kaybediyorsa, tekrar şarj işlemi gerçekleştiğinde şarj kayıpları fazla normal pillere göre fazla olan piller tam olarak şarj olamayacakları için self göstereceklerdir. Çizelge 5.1’de bu durum deşarj eğilimi şarj-deşarj döngüleri ile gösterilmiştir. Çizelge 3.3 Bataryadaki iki farklı pilin şarj durumları [15] A pilinin sarj durumu B pilinin şarj durumu Sonuç %100 %100 Tam dolu %48 %40 %50 desarj %98 %90 %50 sarj %35 %19 %60 desarj %85 %69 %50 kısmi tekrar sarj %33 %9 %50 desarj %83 %59 %50 kısmi desarj %18 Şarj olmuyor Bararya boş %60 desarj Pil A, düşük self deşarj oranlı; pil B ise daha yüksek self deşarj oranına sahiptir. Pillerdeki bu farklılık üretim hataları ve sıcaklıkla ilişkilendirilebilir. Piller ardı ardına şarj ve deşarj edilmiştir. A pili, %20 ile %80 şarj durumu arasında döngüde şarj olmaktadır ki mükemmel bir aralıktır. Buna rağmen pil B nin, her şarj işlemi boyunca şarj seviyesi daha da düşmektedir ve sonuç olarak birkaç çevrimden sonra hasara uğrayacaktır. Bu örnekte olduğu gibi batarya tamamen boşalırsa voltaj hızlı bir şekilde düşecektir. Eğer bataryadan akım çekilmeye devam edildiğinde önemli ölçüde tahrip görmüş bir pil, seri devreden ibaret bataryanın tümünde hasara neden olacaktır. Bu durum bataryanın zamanından önce işlevini yitirmesinin temel sebeplerindendir. Bataryada böyle bir durumun oluşmasını engellemek için batarya, her pili tam olarak şarj oluncaya kadar ( bu proses şarj eşitlenmesi olarak bilinir) düzenli aralıklarla şarj edilmelidir. Pillerin çoğu şarj olduktan sonra self deşarja yatkın 88 pillerin tam olarak şarj olması için bataryaya akım beslenmeye devam edilmelidir. Bu proses gerçekleşirken bazı pillerin aşırı şarj olması kaçınılmazdır. Bu da piller için neden aşırı şarj durumunun üstesinden gelebilmenin önemli olduğuna açıklık getirmektedir. Aşırı şarj durumunda belirli bir akım mümkündür. Bu nedenle bütün pilleri tam dolu şarj durumuna getirirken şarj işleminin son aşaması çok çabuk gerçekleşmemesi, tam dolu hale yaklaşmışken şarj işleminin tamamlanmasının neden daha uzun zaman sürdüğünün açıklamasıdır. Şekil 5.5’de bu proses gösterilmiştir. Çizelge 5.1’dan farklı olarak Şekil 5.5’de herhangi bir pil tam olarak deşarj olmadan şarj eşitlemesi yapılarak batarya kurtarılmıştır. Şekil 3.23 Bir bataryadaki periyodik şarj eşitlenmesi [15] Üst çizgi(A), normal pillerin şarj durumlarını göstermektedir. Alt çizgi (B) ise self deşarja yatkın pilleri göstermektedir. Şarj eşitlemesinde bir kısım pilleri 89 tam dolu şarj durumuna getirmek için diğer piller aşırı şarj olmaktadırlar ve prosesin son bulması bu aşamada 12 birim zaman sürmektedir. Hibrid elektrikli arabalarda, batarya aynı zamanda rejeneratif frenlemeden gelen enerjiyi de absorbe edebilmesi için bataryanın tam olarak şarj edilmesi arzulanan bir durum değildir. Fakat periyodik olarak batarya denetim sistemi pillerin tümü %100 şarj durumunun eşitlemesi için bataryayı tam olarak şarj etmelidir. 3.5 Elektrikli Araçlar İle İçten Yanmalı Motorlu Araçların Karşılaştırılması Elektrikli araçlar için en önemli amaç; içten yanmalı motorlu araçlardaki muadilleri ile kıyaslandığında geliştirme, üretim ve kullanım masrafları arasındaki eşitsizliği gidermektir. 3.5.1 Fiyat Elektrikli otomobillerin satın alma fiyatları sıradan içten yanmalı motorlu otomobillerin fiyatlarından oldukça pahalıdır, hatta çeşitli ülkelerdeki elektrikli otomobil için devlet teşviklerine rağmen durum değişmemektedir. Yüksek fiyatın temel sebebi bataryalardır. Yüksek satın alma fiyatı petrollü otomobillerden elektrikli otomobillere geçişi engellemektedir. 2010’da Financial Times için Nielsen tarafından alınan bir ankete göre, Amerikan ve İngiliz otomobil müşterilerinin dörtte üçü bir elektrikli otomobil almaya istekliler fakat elektrikli otomobil için daha fazla para vermeyi reddediyorlar. Anket sonuçları gösterdi ki Amerikalıların %65’i, İngilizlerin %76’sı sıradan bir arabaya verilen bir ücretin üzerinde bir ücretle elektrikli otomobil almayı istemediği ortaya çıktı. Ayrıca 2010 tarihli J.D. Power and Associates tarafından hazırlanan raporda elektrikli otomobilin tüm kullanım süresi boyunca bataryalara ait toplam sahip olma maliyeti konusunun tamamıyla anlaşılır olmadığı belirtilmiştir, sıradan içten yanmalı motorlarla çalıştırılan araçlarla kıyaslandığında yakıttaki masraf azalmalarını fark edebilmek için sürücünün ne kadar bir müddet bir elektrikli otomobil kullanması gerektiği hakkında hala çok karmaşa vardır. Hibrit elektrikli araçları, bataryalı elektrikli 90 araçların ikinci el satış fiyatları, hem de tükenmiş bataryaların değiştirilme fiyatı, tüketicilerin zihninde bulunan diğer finansal sorunlardır. Elektrikli otomobil şirketi Tesla Motors dizüstü batarya teknolojisini kendi otomobil bataryaları için kullanmaktadır. Bu teknoloji diğer otomobil üreticilerinin kullandığı özel bataryalardan 3 ile 4 kat daha ucuzdur. Özel bataryalar kilovat saat başına 700-800 dolar fiyatı varken dizüstü bilgisayar hücreleri 200 dolar civarındadır. Bu sayede Tesla’nın batarya teknolojisini kullanan örneğin Toyota RAV4 EV ve Smart ED ve gelecek 2014 modelleri Model X gibi elektrikli otomobil fiyatını düşünecektir. Haziran 2012 itibariyle, Tesla Model S için önerilen üç tip batarya boyutu seçeneğine dayanarak, New York Times otomobil bataryalarının kilovat saat başına 400 dolar ile 500 dolar arasında olacağını tahmin etti. Harvard Üniversitesi Belfor Center tarafından 2011 yılında yayınlanan bir çalışmada elde edilen bir bulgu elektrikli otomobil kullanımı ile petrol masraflarından süregelen kurtulmanın, yüksek elektrikli masraflarından otomobillerin dolayı benzinli yaşamı boyunca otomobiller ile dengelenemediğini belirtti. Sonuçlar; devlet desteği olmadığı varsayımı ile, ABD pazarı için 2010 satın alma ve kullanma masrafları ile bütün kullanım ömürleri boyunca elde edilen değerlerin karşılaştırılması ile oluşmuştur. Çalışma öngörülerine göre, bir PHEV-40 sıradan içten yanmalı motorlu araçlara göre 5,377 dolar daha pahalı iken, bataryalı elektrikli otomobil ise sıradan içten yanmalı motorlu araçlardan 4,819 dolar daha pahalıdır. Çalışma ayrıca önümüzdeki 10 ve 20 yıllar için bu karşılaştırmalı fiyat durumlarının, bataryaların ucuzlayacağı, petrolün pahalılaşacağı varsayımı ile incelenmesini de içermektedir. Gelecek senaryoları değerlendirilerek inceleme yapıldığında, çalışma bataryalı elektrikli otomobillerin sıradan arabalardan az bir miktar pahalı olduğunu (1,155-7,187 dolara kadar), bataryalı hibrit otomobillerin(PHEV) bütün karşılaştırma senaryolarında bataryalı elektrikli otomobillerden(BEV) daha pahalı olacağını ve sadece bataryaların çok ucuz, petrol fiyatlarının çok yüksek olduğu bir senaryoda sıradan arabalardan daha ucuz olabileceğini ortaya çıkarmıştır. Tasarruflar 91 değişmektedir çünkü bataryalı elektrikli araçların yapılması basittir ve sıvı yakıt kullanmazlar, bataryalı hibrit otomobiller ise çok fazla karışık güç aktarma organına sahiptir ve hala petrolle çalışan bir motoru bulunmaktadır. 3.5.2 Kullanım Masrafları ve Bakım-Onarım Elektrikli bir otomobilin çalışma masraflarının çoğu batarya bakımı ve olası yerleşimiyle ilgilidir çünkü elektrikli bir aracın motorunda sadece beş hareketli parça varken, benzinli bir aracın içten yanmalı motorunda yüzlerce parça bulunur. Elektrikli otomobiller değiştirilmesi gereken pahalı bataryalara sahiptirler fakat bunun dışında özellikle yaygın lityum tabanlı tasarımlarda çok düşük bakım masrafları bulunmaktadır. Elektrikli aracın kilometre başına masrafını hesaplamak için bataryada meydana gelen yıpranmaya da parasal bir değer atanması bu yüzden gereklidir. Bu oldukça zordur çünkü batarya her şarj edilişinde kapasitesi yavaş yavaş azalacaktır; kullanıcısı bataryanın performansını yeterli bulmadığı zaman ömrünün sonuna gelmiş olacaktır. Batarya ömrünün sonuna gelmiş olsa bile tamamıyla değersiz değildir farklı bir kullanım için yeniden değerlendirilebilir, geri dönüştürülebilir veya yedek olarak kullanılabilir. Bataryaların birçok tekil hücreden oluşmasından dolayı illa ki bütün hücrelerde eşit düzeyde bir yıpranma meydana gelmeyebilir, periyodik olarak en fazla yıpranan hücre değiştirilerek aracın menzili korunabilir. Tesla Roadster’ın çok büyük bataryalarının sıradan bir sürüş ile yedi yıl dayanması tahmin edilmektedir ve bugün satın alındığında 12000 dolara mal olmaktadır. 40 mil(64 km)’lik günlük kullanım yedi yılda 102200 mil(164500 km) ile 1 mil(1.6 km)’de US$0.1174 batarya kullanım masrafına veya 40 mil(64 km)’de US$4.70’a denk gelmektedir. Bettter Place şirketi başka bir masraf kıyaslaması sağlamaktadır, şirket tarafından sunulması için sözleşmeden doğan mesuliyetlerin sağlanması beklenmektedir, hem de bataryaların tekrar şarj edilmesi için temiz elektrik 1 mil(1.6 km)’de 2010 92 yılında 0.08 dolar, 2015 yılında mil başına 0.04 dolar ve 2020 yılında 0.02 dolar olacağını belirtmektedir. 40 millik bir sürüş başlangıçta 3.20 dolarken zaman içerisinde 0.80 dolara düşecektir. 2010’da ABD hükümeti 100 mil(160 km) menzile sahip bir bataryanın yaklaşık 33000 dolara mal olacağını tahmin etti. Bataryanın ömrü ve dayanıklılığı hakkındaki endişeler devam etmektedir. Belgesel film “Who killed the electric car?” , benzinli bir araba ile EV1’ler arasında kullanımları sonucu oluşan parça değişim ihtiyaçları hakkında ustalar elektrikli arabaların her 5.000 mil(8.000 km)’de geldiğinde herhangi bir problemle karşılaşamadıklarını, ön cam yıkama sıvısını doldurduklarını ve geri gönderdiklerini belirtiyorlar. EV1’in enerji kullanımı 11kWh/100 km (0.40 MJ/km; 0.18kWh/mil) dir. US Environmental Protection Agency (ABD Çevre Koruma Ajansı)’ye göre Nissan Leaf 100 km’de 21.25 kWh 0,765 MJ/km ; 0,3420 kWh/mil) enerji kullanmaktadır. Bu farklılık değişik tasarım ve kullanım hedeflerinden ve değişken test standartlarından kaynaklanmaktadır. Araçların gerçek enerji kullanımı sürme şartları ve sürme sitili ile büyük ölçüde ilgilidir. Nissan, Leaf modelinin beş yıllık kullanım masrafının 1,800 dolar benzinli bir aracın ise 6,000 dolar olacağını tahmin etmektedir. Nissan’a göre Leaf modelinin İngiltere’deki kullanım masrafı, tepe değerinde olmayan elektrik tarifesinde(gece tarifesi) şarj edildiğinde mil başına 1,75 pens’dir. Fakat sıradan bir benzinli bir aracın mil başına masrafı 10 pens’dir. Bu tahminler ocak 2012 itibariyle İngiliz Petrol Ekonomisi 7’nin ulusal ortalama değerleri ve gece boyunca yedi saatlik bir şarj ve gündüz vakti Tier-2 tarifesinin bir saatlik şarjı kullanıldığı varsayımlarına dayanmaktadır. Aşağıdaki tablo US Environmental Protection Agency (ABD Çevre Koruma Ajansı) tarafından belirlenen yakıt ödemelerini karşılaştırmaktadır. Ajansın yakıt ekonomisi için(galon petrol mil başına(miles per gallon(mpg)) ve elektrikli otomobillerdeki eşdeğeri) resmi değerleri, ABD’de seri üretimle satılan elektrikli arabaları, Energy Protection Agency(ABD Çevresel Koruma Ajansı) tarafından seçilmiş yakıt verimli elektrikli hibrit(Chevrolet Volt), 93 benzinli elektrikli hibrit arabalar(Toyota Prius üçüncü jenerasyon) ve EPA’nın 2013 model 23 mpg_us’lik(10L/100km; 28 mpg_imp) yakıt ekonomisine sahip araçlar için değerlendirilmiştir. Çizelge 3.4. Yakıt Verimliliği ve Masraf Kıyaslanması[31] Aralık 2012 itibariyle ABD piyasasında bulunan bütün elektrikli otomobiller ile EPA değerlendirmeli en verimli prizli hibritler, hibrit elektrikli araçlar ve 2013 model benzinli otomobiller için yakıt verimliliği ve masraf kıyaslaması (Yakıt ekonomisi ve kullanım masrafları Monroney label de görüntülenmektedir.) Araç Model Kullanım yılı modu EPA EPA EPA değerlendirmeli değerlendirmeli değerlendirmeli Sürüş Yıllık Birleşik Şehir içi Otoban masrafı yakıt yakıt yakıt yakıt 40 km masrafı ekonomisi ekonomisi ekonomisi Notlar Scion iQ EV 2013 121 mpg-e Tamamen (28 kW-hrs/100 elektrik miles) 138 mpg-e (24 kW-hrs/100 miles) 105 mpg-e (32 kW-hrs/100 miles) $0.84 $500 Bakınız (1) Bütün yıllardaki yakıt tipleri değerlendirildiğinde 2013 iQ EV EPA sertifikalı en verimli araçtır [57] Honda Fit EV 2013 118 mpg-e tamamen (29 kW-hrs/100 elektrik miles) 132 mpg-e (26 kW-hrs/100 miles) 105 mpg-e (32 kW-hrs/100 miles) $0.87 $500 Bakınız (1) 112 mpg-e Mitsubishi 2012- Tamamen (30 kW-hrs/100 i 13 elektrik miles) 126 mpg-e (27 kW-hrs/100 miles) 99 mpg-e (34 kW-hrs/100 miles) $0.90 $550 Bakınız (1) Smart electric drive 2013 107 mpg-e Tamamen (32 kW-hrs/100 elektrik miles) 122 mpg-e (28 kW-hrs/100 miles) 93 mpg-e (36 kW-hrs/100 miles) $0.96 $600 Bakınız (1) Değerlendirmeler hem dönüştürülmüş hem de coupe modeller için masraflardır. Ford Focus Electric 105 mpg-e 2012- Tamamen (32 kW-hrs/100 13 elektrik miles) 110 mpg-e (31 kW-hrs/100 miles) 99 mpg-e (34 kW-hrs/100 miles) $0.96 $600 Bakınız (1) 107 mpg-e 96 mpg-e $0.99 $600 Bakınız (1) BMW 2011 Tamamen 102 mpg-e (33 kW-hrs/100 94 ActiveE elektrik miles) Nissan Leaf 99 mpg-e 2010- Tamamen (34 kW-hrs/100 12 elektrik miles) 106 mpg-e (32 kW-hrs/100 miles) 92 mpg-e (37 kW-hrs/100 miles) $1.02 $600 Bakınız (1) Tesla Model S 2013 95 mpg-e Tamamen (35 kW-hrs/100 elektrik miles) 94 mpg-e 97 mpg-e $1.05 $650 Bakınız (1) 60kWh batarya paketli model Tesla Model S 2012 89 mpg-e Tamamen (38 kW-hrs/100 elektrik miles) 88 mpg-e (38 kW-hrs/100 miles) 90 mpg-e (37 kW-hrs/100 miles) $1.14 $700 Bakınız (1) 85kWh batarya paketli model Toyota RAV4 EV 2012 76 mpg-e Tamamen (44 kW-hrs/100 elektrik miles) 78 mpg-e 74 mpg-e $1.32 $850 Bakınız (1) Coda 73 mpg-e 2012- Tamamen (46 kW-hrs/100 13 elektrik miles) 77 mpg-e (44 kW-hrs/100 miles) 68 mpg-e (50 kW-hrs/100 miles) $1.38 $850 Bakınız (1) - - $1.05 $900 Bakınız (1) and (2) En yakıt verimli prizli hibrit araba. 2013 Volt 62 mpge'lik birleşik bir benzin/elektrik değerlendirmesine sahiptir (City 63 mpg-e, Hwy 61 mpg-e).[57] Sadece elektrik Chevrolet Volt (PHEV) 2013 Sadece benzin Toyota Prius (HEV) Ford Taurus FWD (Ortalama yeni araba) 98 mpg-e (35 kW-hrs/100 miles) 201013 2013 Benzinelektrik hibrit Sadece benzin 37 mpg 50 mpg 23 mpg 35 mpg 51 mpg 19 mpg 40 mpg 48 mpg 29 mpg $2.57 $1.74 Bakınız (2) En yakıt verimli $1,050 hibrit elektrik araba, Prius c ile birlikte.[72] $3.79 Bakınız (2) Diğer 2013 modeller(Chrysler $2,300 200'ü ve Toyota Venza'yı da içerir) 23 mpg'yi sağlarlar.[73] Notlar:Bütün yakıt masrafları 15,000 mil yıllık sürüşe(%45 otoban, %55 şehir içi) dayanarak çıkarılmıştır.$50 civarındaki değerler yuvarlanmıştır. Elektrik masrafı $0.12/kw-hr (kasım, 30 2012 itibariyle). 1 galon benzinin 95 dönüştürülmüşü=33.7 kW-hr. (2) Kaliteli benzin fiyatıABD$3,81 galon başına (Volt tarafından kullanılan), ve düzenli benzin fiyatı ABD$3,49 galon başına (Kasım 30, 2012 itibariyle). 3.5.3 Menzil Ve Tekrar Depolama Süresi İçten yanmalı motorlu araçların çoğu sınırsız menzile sahip olduğu değerlendirmesi yapılır ve çok kısa bir sürede neredeyse çok yaygın bir şekilde bulunan benzin istasyonlarından depolarını doldururlar. Elektrikli araçlar tek şarj ile daha az bir menzile sahiptir ve şarj süresi uzun bir zaman alabilmektedir. ABD’de şoförler günlük ortalama 40 mil(64 km)’den az bir mesafe kat etmektedir böylece GM EV1 modeli ABD vatandaşlarının %90’ının sürüş ihtiyaçlarına uygundur. Bununla birlikte, insanlar hedeflerine varamadan bataryalarının biteceği endişesini yaşayabilirler. Tesla Roadster şarj başına 245 mil(394 km) gidebilmektedir. Roadster 3,5 saat gibi bir sürede 220V, 70A ‘lik bir prizde şarj olabilmektedir. Bununla birlikte, Avrupa standartlarında 220 volt 16 amper bir prizden şarj olması 15 saatten fazla sürmektedir. Otomobil üreticilerinin elektrikli araçların kısa menzilini uzatmak için tek bir çözümü vardır o da araçların bataryalarını değiştirilebilir şekilde yapmalarıdır. Batarya değiştirme teknolojisine sahip bir elektrikli araç 100 mil(160 km)’lik bir sürüş menzili ile batarya değiştirme istasyonuna gidebilecektir ve tükenmiş batarya tam dolu batarya ile 1 dakikada değiştirilerek elektrikli araca 100 mil(160 km)’lik bir sürüş menzili sağlayacaktır. Bu işlem benzinli araçlardaki depo doldurma işleminden daha temiz ve daha hızlıdır. Fakat yüksek yatırım maliyeti yüzünden ekonomik olarak uygulanabilir değildir. 2010 sonu itibariyle batarya değiştirme teknolojisini elektrikli araçları ile entegre etmeyi planlayan iki şirket vardır: Better Place, Tesla Motors. Better Place Japonya’da 2010 Kasım’a kadar batarya değiştirme istasyonu işletti ve ABD, Kaliforniya’da dört adet batarya değiştirme istasyonu kurmayı planlamaktadır. 96 Bir diğer depolama yöntemi doğru akım hızlı şarj istasyonları, üç fazlı endüstriyel prizlerden yüksek hızlı şarj yeteneği ile tüketiciler 100 millik bataryanın %80’ini 30 dakika gibi bir sürede şarj edebilmektedir. ABD’de bütün ülkeyi kapsayan hızlı şarj altyapısı 2013’de tamamlanacaktır. 45 adet doğru akım hızlı şarj istasyonu BP ve ARCO tesislerinde kurulacak, 2011 Marta kadar hizmete açılacak. Elektrikli araç projesi on altı şehirde şarj altyapısı yerleştirecek ve altı eyaletteki büyük metropol şehirlere yerleştirilecek. Nissan Japonya’daki bayilerinden iki yüz tanesinin hızlı şarj istasyonu kuracağını duyurdu, bu hazırlık Aralık 2010’da piyasaya çıkacak olan Leaf modeli içindi ve Japonya’da her 25 milde bir hızlı şarj istasyonu kurmayı amaçlamışlardı. 3.5.4 Hava Kirliliği ve Karbon Emisyonu Elektrikli otomobiller şehirlerde temiz havaya katkıda bulunur çünkü zararlı bir atık üretmezler; is(partiküller), uçucu organik bileşikler, hidrokarbonlar, karbon monoksit, ozon, kurşun ve çeşitli nitrojen oksitleri gibi. Temiz hava genelde yereldir çünkü bataryayı tekrar şarj etmek için kullanılan elektrik kaynağına bağlıdır, hava kirliliği emisyonları üretim santrallerinin olduğu yere kaymaktadır. Salınan karbon dioksit miktarı, aracı şarj etmek için kullanılan güç kaynağının emisyon yoğunluğuna bağlıdır, araç bazında düşünüldüğünde söz konusu aracın verimliliği ve şarj işlemi sırasında kayıp olan enerjiye bağlıdır. Şebeke elektriği için emisyon yoğunluğu ülkeden ülkeye değişmektedir, ve bir ülke değerlendirildiğinde talebe göre, yenilenebilir enerji kaynaklarının uygunluğuna göre ve fosil yakıtların üretimde verimliliğine göre değişmektedir. Şebekeden bağımsız yenilenebilir enerji ile aracın şarj edilmesi çok düşük bir karbon yoğunluğuna sebep olmaktadır. (sadece üretim ve şebeke bağımsız üretim sistemlerinin kurulumu örneğin konutlara ait rüzgâr türbinleri) ABD elektriğinden 2008’de şarj olan bir elektrikli araç sürüldüğü kilometre başına 115 gram CO2 yaymaktadır. Oysa ABD piyasasında satılan sıradan 97 bir petrol arabası kilometre başına 250 gram CO2 üretmektedir, bunun bir kısmı yakıtın üretilmesi bir kısmı da bu yakıtın alınan yere olan sevkiyatından kaynaklanmaktadır. Şekil 3.24 Elektrik Enerjisi Üretim Dağılımı UCS(Union of Concerned Scientists) 2012’de prize takılan otomobil bataryalarının bütün yaşam döngüleri enerji üretiminden yola (well to wheel) değerlendirilerek şarj edilmesinden meydana gelen sera gazı emisyonunu ve ABD’de bölgesel olarak elektrik üretiminde kullanılan yakıt ve teknolojiye göre farklılık gösteren ortalama sera gazı emisyonunu değerlendiren bir rapor yayınlamıştır. Bu çalışma Nissan Leaf tamamen elektrik otomobillerin analizinin başlangıç noktasını oluşturmuştur. UCS çalışması sıradan yıllık karbondioksit gram biriminden emisyonu yerine galon başına mil cinsinden yapılmıştır. Çalışma elektriğin üretildiği doğalgaz, nükleer, hidroelektrik veya diğer yenilenebilir kaynakların bulunduğu bölgelerde prize takılan elektrikli otomobillerin sera gazı emisyonunu önemli ölçüde düşürme potansiyeli 98 olduğunu ortaya koydu. Diğer taraftan, kömürden üretilen güç oranının yüksek olduğu bölgelerde, hibrit elektrikli otomobiller, prize takılan elektrikli otomobillerden daha az CO2 emisyonu üretir, ve en iyi yakıt verimli benzinli küçük otomobiller prize takılan otomobillerden biraz az bir emisyon üretir. En kötü durum senaryosunda, bütün enerjinin kömürden üretildiği bir bölge için, yapılan çalışma prize takılan elektrikli bir arabanın, benzinli bir arabanın şehir/otobandaki birleşik yakıt ekonomisi olan 30 mpg_us’ye denk bir sera gazı emisyonu yaydığını ortaya koydu. (7.8 L/100 km; 36 mpg_imp). Aksine, tamamen doğalgaza dayanan bir bölgede, elektrikli otomobiller 50 mpg_us’lik değerli benzinli otomobillere eşdeğerdir.(4.7L/100 km; 60 mpg_imp)[96][97] ABD nüfusunun %45’ini kapsayan bir çalışma, elektrikli bir araba için, 50 mpg_us birleştirilmiş yakıt ekonomisi kapasiteli benzinli bir arabanın örneğin Toyota Prius’tan daha az CO2 emisyonu üretmekte olduğunu gösterdi. Bu gruptaki şehirler Portland, Oregon, San Francisco, Los Angeles, New York City ve Salt Lake City ve en temiz şehirlerde well to wheel emisyonu eşdeğeri 79 mpg_us’lik yakıt ekonomisini başarmışlar.(3.0L/100 km; 95 mpg_imp). Çalışma ayrıca şunu ortaya koydu, nüfusun %37’si için, elektrikli otomobil emisyonu örneğin Honda Civic Hibrit ve Lexus CT200h’da olduğu gibi 41 ile 50 mpg_us aralığında bulunan birleşik yakıt ekonomili benzinli otomobillerin olduğu aralığa düşecektir. Bu gruptaki şehirler Phoenix, Arizona, Houston, Miami, Columbus, Ohio, Atlanta ve Georgia’dır. Nüfusun %18’i karbon yakmaya dayalı güç kaynaklarının olduğu bölgelerde yaşamaktadır ve birleşik yakıt ekonomisi 31 ile 40 mpg_us örneğin Chevrolet Cruze ve Ford Focus gibi emisyonlar bu seviyede olacaktır. Bu gruptaki şehirler Denver, Minneapolis, Saint Louis, Missouri, Detroit ve Oklohama City’dir.[97][98][99] Çalışma bulgularına göre ABD’deki bütün bölgelerde elektrikli otomobiller yeni kompakt benzin motorlu otomobillerden daha az sera gazı emisyonu yaymaktadırlar, en kötü CO2 emisyonunun olduğu bölgede 33 mpg_us değerli benzinli otomobillere eşdeğer(7.1L/100 km; 40 mpg_imp) bir emisyona sahiptirler. 99 Türkiye'de 1990-2009 Ulusal Sera gazı Envanter raporunda, ulaştırma sektörü toplam karbon emisyonunun %17'sinin kaynağıdır, ulaştırma sektörü içerisinde karayolu tipi %84.74'e denk gelmektedir. Ülkemizde satışı yapılan Renault Fluence Z.E. modelinin ortalama yakıt tüketimi 13,9kWh/100 km'dir. Türkiye'nin kaynaklara göre ortalama birim enerji emisyonu 0,53426 kgCO2/kWh ile Avrupa ortalamasının (0,8 kgCO2/kWh) altındadır. 3.5.5 Hızlanma ve Aktarım Organı Elektrik motorları yüksek güç/ağırlık oranı sağlayabilirler ve bu motorları destekleyen yüksek akımlar sağlayan bataryalar tasarlayabilirler. Gerçi bazı elektrikli otomobiller çok küçük motorlara sahiptirler, 15 kW(20 beygir) veya daha az ve bu yüzden mütevazı bir ivmelenmeye sahiptir, çoğu elektrikli otomobil büyük motorlara ve çevik ivmelenmeye sahiptirler. Ek olarak, diğerlerine nazaran elektrik motorunun sabit torku hatta çok düşük hızlarda bile aynı değerlendirilmiş(nominal) motor güçlü içten yanmalı motora nazaran elektrikli otomobilin ivmelenme performansı artış eğilimindedir. Diğer erken çözümlerden biri American Motors’un deneysel Amitron pickaback(piggyback) batarya sistemleri, bu batarya sistemlerinde bir kısım sürdüren(devam ettiren) hızlar için, diğer kısım ise gerektiğinde ivmelenmeyi artırmak için kullanılır. Elektrikli otomobiller kullanılabilir güç miktarını artıran doğrudan motor tekerlek konfigürasyonu kullanılabilir. Tekerleklere doğrudan bağlı çok sayıda motor olması tekerleklerin her biri için hem tahrik hem de fren sistemlerinde kullanılmasına izin verir, dolayısıyla çekiş gücü artar. Bazı durumlarda, örneğin whispering wheel tasarımında, motor doğrudan tekerin içine yerleştirilebilir, bu sayede otomobilin ağırlık merkezi düşer ve hareketli parça sayısı azalır. Şaft, diferansiyel veya transmisyon olmadığı için elektrikli otomobiller daha az aktarım organına ve dönel eylemsizliğe sahiptir. Tekerleğin içerisinde motorun yerleştirilmesi tekerleğin yaysız ağırlığını artırabilir, bu durum aracın kontrolü üzerinde ters bir etki yaratabilir. 100 Otomatik veya tek vitesli tasarımlar vites değiştirme gereksinimini ortadan kaldırdı, bu sayede daha pürüzsüz ivmelenme ve fren sağlanır. Bir elektrik motorunun torkunun akımın fonksiyonu olması, dönel hızın olmaması sebebiyle içten yanmalı motorlu araçlarla karşılaştırıldığında elektrikli araçlar ivmelenme esnasında daha büyük bir hız aralığında yüksek torka sahiptir. Elektrikli bir araçta tork oluşurken herhangi bir gecikme olmaması elektrikli araç sürücülerinde yüksek bir memnuniyeti oluşturdu. Otomatik vites tasarımı en az karmaşık olandır, fakat yüksek ivmelenme motordan yüksek tork getirir, yüksek torkta yüksek akım gerektirir ve sonuç olarak joule ısınma oluşur. Bunun sebebi; motorun dâhili elektrik tesisatı dirence sahiptir, ohm yasasına göre akım geçtiği zaman ısı olarak güç harcanır. Elektrik motorlarının torku dönel hızına bağlı olmadığından, motorun çıkış gücü tork ile dönel hızın çarpılmasıdır, bu da demektir ki motor yavaş döndüğü zaman çıkış gücüyle orantılı olarak daha fazla güç harcanır. Aslında, aktarma organları araç yavaş hareket ederken daha az verimli hale gelirler. Tek vites tasarımında, bu problem motorun tekerden daha hızlı dönmesine izin veren bir vites oranı kullanarak hafifletilir, bu işlem motorun düşük tork ve yüksek dönel hızını tekerin yüksek torku ve düşük dönel hızına çevirir, bu sayede eşit veya daha iyi ivmelenme verimlilik azaltılmadan sağlanmış olur. Bununla birlikte, motorun çalışabileceği bir tepe hızı olduğu için vites değiştirme (takas:tradeoff) aracın tepe hızını düşürür. Eğer yüksek bir tepe hızı isteniyorsa, vites değiştirme ivmelenmeyi düşürür ve düşük hızlarda verimliliği azaltır. Çoklu hız aktarım kullanımı aracın hem yüksek hem de düşük hızlarda verimli kullanılmasına izin verir, fakat daha karmaşık ve masraflıdır. Örneğin, Venturi Fetish Süper Araba ivmelenmesi sunarak 220 kW(295 hp)’lık göreceli tutarlılığa rağmen ve 160 km/sa (100 mph)’lik bir tepe hızına sahiptir. Bazı DC motorlu kısa mesafe yarışı için kullanılan elektrikli araçlar, basit iki hızlı manuel aktarmaya sahiptir. Tesla Roadster 2.5 Sport 0 dan 60 101 mil/sa(97 km/sa) hıza 215 kW(288 hp’lik) bir motor ile 3.7 saniyede ivmelenebilmektedir. Ayrıca Wrightspeed X1 prototipi Wrightspeed Inc. Tarafından geliştirilmiştir ve dünyanın en hızlı yasal elektrikli arabasıdır. 0 dan 60 mil/saniye hıza 2.9 saniyede çıkabilmektedir, dünyanın en hızlı bazı spor arabalarını geride bırakmıştır. 3.5.6 Enerji Verimliliği İçten yanmalı motorlar nispeten yerleşik yakıt enerjisini itme gücüne dönüştürürken verimsizdirler, enerjinin çoğu ısı olarak harcanmaktadır. Diğer taraftan, elektrikli motorlar depolanmış enerjiyi aracı sürme gücüne dönüştürürken çok daha verimlidir ve elektrik tahrikli araçlar hareketsizken veya kendi kendine giderken enerji harcamazlar ve kaybedilen enerjinin bir kısmı, frenin tutması sırasında bir miktar enerji kaybedilir ve yeniden üretimli frenleme sayesinde yeniden kullanılır, yeniden üretimli frenleme, frenleme esnasında kaybedilen enerjinin beşte biri kadarını tutar. Tipik olarak, sıradan benzinli motorlar aracı hareket ettirmek için veya güç aksesuarları için yakıt enerjisinin sadece %15’ini etkin bir şekilde kullanır. Dizel motorlar %20’lik bir verimliliğe sahipken, elektrik motorlu araçlar %80 civarı bir verimliliğe sahiptir. Elektrikli arabaların üretimi ve dönüşümü tipik olarak 10 ila 23 kwh/100 km dir. Güç tüketiminin yaklaşık %20’si bataryaların şarj edilmesindeki verimsizliklerden kaynaklanmaktadır. Tesla Motors aracın verimliliği(şarj durumundaki kayıpları da içerir) onların lityum iyonlu bataryalar 12.7 kwh/100 km(0.21 kwh/mi) ve kuyudan tekere verimlilik(elektriğin doğalgazdan üretildiği varsayımıyla) 24.4 kwh/100 km(0.39 kwh/mi). 102 3.5.7 Güvenlik Bataryalı elektrikli araçların güvenlik meselelerine uluslararası standart olan ISO 6469 ile değinilmektedir. Bu doküman özel meselelerle ilgilenen üç kısımdan oluşur: • Yerleşik elektrik enerjisi depolama, örneğin batarya • Fonksiyonel güvenlik araçları ve hatalara karşı koruma • Elektrik kazalarına karşı insanların korunması ABD’de General Motors itfaiyeciler ve ilk yardımcılar için çeşitli şehirlerde eğitim programları düzenledi ve Chevrolet Volt’un aktarma organlarının ve yüksek voltaj komponentleri kontrol eden 12 volt elektrik sisteminin güvenli bir şekilde ayrılması için görev dizilerini gösterdi sonra kazazedelerin tahliyesine geçildi. Volt’un yüksek gerilim sistemi, hava yastığının açılması sonucu otomatik olarak kapatılacak şekilde tasarlanmıştır ve kontrol modülünden herhangi bir iletişim kaybı tespit edildiğinde de kapanır. GM ayrıca 2011 Volt’ta acil durum müdahalecileri için acil durum müdahale rehberi hazırlamıştır. Rehber ayrıca yüksek gerilim sisteminin ayırma yöntemlerini belirtir ve “cut zone” bilgisini belirler. Nissan’da ilk yardımcılar için bir rehber yayınladı, Nissan Leaf modelinin bir kazası esnasında hasarlı bu araca müdahale prosedürlerini açıklamaktadır. Bu rehber arabanın güvenlik sisteminin yerleşik otomatik işlemlerinden ziyade manüel olarak yüksek gerilim sisteminin kapatılmasını içermektedir. Ağustos 2012 itibariyle, ABD’de Volt, Leaf veya Tesla Roadster markalarıyla ilgili bir kaza sonrası yangına rapor edilmiş değildir. Elektrikli aracın menzili ve dayanıklılığını artırmak için ağırlığının olabildiğince düşük tutulması yönünde büyük çabalar vardır. Bununla birlikte, ağırlık ve batarya kümeleri elektrikli araçları, benzinli araçlardan daha ağır yapmaktadır, menzili düşürmekte, fren mesafesini uzatmakta; ayrıca daha az iç hacme neden olmaktadır. Bununla birlikte, bir çarpışmada, ağır araçtaki yolcuların kaza durumu ortalama olarak daha az hasar ve daha önemsiz 103 yaralar, hafif araçtaki yolcular ise daha ciddi hasarlar görmektedir. Bu yüzden ek ağırlık aracın performansına negatif bir etki olsa bile güvenlik açısından fayda sağlamaktadır. 900 kg’lık bir aracın yaptığı kazada 1400 kg’lık aracın yaptığı kazaya oranla yolcularda ortalama %50 daha fazla sakatlık olmaktadır. Tek araçlı kazada ve iki araçlı kazalarda diğer araç için arttırılmış ağırlık hızlanmada artışa sebep olmakta ve bundan dolayı kazanın şiddetinde artış olmaktadır. Bazı elektrikli arabalar düşük sürtme kuvvetli yuvarlanma dirençli tekerlek lastiği kullanır, tipik olarak normal lastiklere göre daha az hakim olma (sıkı tutma) sağlar. Çoğu elektrikli araba küçük, hafif ve kırılgan bir gövdeye sahiptir, gerçi, bu yüzden yetersiz güvenlik koruması sunar. ABD’de Insurance Institute for Highway Safety(IIHS) kamuya açık yollarda elektrik motoru ile sürülen, yakın çevre elektrikli araçlara atıfta bulunarak, düşük hızlı araçların ve mini kamyonların kullanımını ayıplamıştır. 3.5.8 Kontrollerdeki Farklılıklar Şimdilik bütün elektrikli araç üreticileri sürüş deneyimini sıradan otomatik transmisyonlu şoförlerin daha alışık olduğu şekilde benzetmek için en iyisini yapmaktadırlar. Modellerin çoğu bu yüzden bir PRNDL seçici, otomatik transmisyonlu arabalarda genellikle bulunur, temelindeki mekanik farklılıklarda bulunmaktadır. Basmalı butonlar, kullanım açısından en kolaydır, bütün modlar yazılım vasıtasıyla aracın kontrollerinde işletilmektedir. Motor tekerleklere kalıcı bir şekilde bağlanmış olsa bile sabit oranlı bir vites vasıtasıyla ve park etmeme mandalı tarafından sunulan hala seçici üzerinde sağlanan P ve N modları vardır. Bu durumda, N’de motor geçersiz olur ve elektriksel olarak işletilen el freni P modunu sağlar. Bazı arabalarda motor D’de küçük bir hareket için yavaş bir dönüş yapar, sıradan otomatiğe benzer. Ayak ICE’nin hızlandırıcısından kaldırıldığı zaman, motor freni arabanın yavaşlamasına neden olur. Elektrikli bir araç şu koşullar altında enerjisiz 104 ilerleyebilir, ve hafif yenileyici freni uygulamak daha alışılmış bir karşılık sağlamak yerine L modu seçilerek aralıksız yokuş aşağı sürüş için bu etki artırılabilir, düşük bir vites seçmeye benzer bir süreçtir. Kabin Isıtma ve Soğutma; Elektrikli araçlar aracın içini ısıtmak için çok az atık olarak ısı ve direnç elektrik ısısı üretirler, kullanılabilecek eğer ısı batarya şarjından/boşalmasından üretilecekse içeriyi ısıtmak için kullanılamaz. Isıtma basitçe elektrik direnç ısıtıcısı ile sağlanabilirken, yüksek verimlilik ve tamamlayıcı soğutma tersine çalışan bir ısı pompasından elde edilebilir(hibrit Toyota Prius ‘larda şu anda işletilen sistemlerdir). Pozitif Sıcaklık Katsayısı(PTC) kavşak soğutma basitliği sebebiyle ilgi çekicidir. Bu tür bir sistem örneğin Tesla Roadster’lerde kullanılmaktadır. Bazı elektrikli arabalar, örneğin Citroen Berlingo Electrique, yardımcı bir ısıtma sistemi kullanır(örneğin benzinli üniteler Webasto veya Eberspacter tarafından üretilirler) fakat yeşil ve sıfır emisyon güven belgesi bu yüzden feda edilmiştir. Kabin soğutması güneş enerjisi ile artırılabilir, en basit şekilde ve etkin olarak dış havayı araç kapalı ve güneş halinde artacak aşırı ısınmayı engeller(bu tür soğutma mekanizmaları sıradan araçlar için satış sonrası kitleri olarak bulunmaktadır). 2010 Toyota Prius’un iki modeli bu özelliği bir opsiyon olarak bulundururlar. 105 4. MATERYAL METOD Tasarımı yapılan elektrikli taşıtın imalatı, tasarımı ve testleri Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği bölümü atölye ve laboratuarlarında yapılmıştır. Tasarım aşamasında çizimler solidworks, mukavemet hesapları ve analiz için ansys programı kullanılmıştır. Motor, sürücü, lastik tekerlekler ve fren donanımının dışındaki bütün parçalar ham maddelerin işlenmesi ile tarafımızdan imal edilmiştir. 4.1 Elektrikli Aracın Tasarımı Tasarım işlemi solidworks programında yapılmıştır. Tasarlanan araç 3 tekerlekli arkadan tahrikli bir araçtır. Tek sürücü ve iki yolcu kapasiteli düşünülmektedir. Direksiyon sistemi tamamen mekaniktir. Şase kısmı alüminyum dikdörtgen profilden tasarlanmıştır. Bağlantı kısımları demir u profiller ile güçlendirilmiştir. (2500x800x600) ebatlarında profiller alüminyum kaynak tasarlanmıştır. Direksiyon sistemi mekanik olarak direk dönüş açısı verecek şekilde oluşturulmuştur. Ön düzen sistemi bütün ön düzen açıları ayarlanabilecek şekilde serbest süspansiyon sistem özellikleri taşımaktadır. İstenilen özellikler solidworks programında 3 boyutlu olarak tasarlanmış parçaların mekanik çalışmaları ve ebatları tayin edilmiştir. Seçilen parçaların ansys programında dayanım analizleri yapıldıktan sonra çap ve ebadında optimum değeri tespit edilmiştir. Araç 3 tekerlekli arka teker hub motor ve tahrik tekeridir. Arka kısma bataryalar yerleştirilmiştir. Bataryaların üzerine 2 kişilik yolcu koltuğu konulmuştur. Ön düzen sisteminde yapılan sistem kamber kaster tüm ön düzen açıları ayarlanabilir bir sistem tasarlanmıştır. Aracın kaporta kısmı polikarbon ile tasarlanmıştır. 106 Resim 4.1 Bilgisayar Destekli Şasi Tasarımı Resim 4.2 Bilgisayar Destekli Gövde Tasarımı 107 4.2 Dayanım Analizleri Tasarlanan aracın ön düzen parçalarının dayanım analizleri ANYSY 10.0 ile yapılmıştır. Yapılan analizlerde farklı malzemeler kullanılmış çıkan sonuçlara göre malzeme seçimi yapılmıştır. İlk olarak SolidWorks programında tasarlanan parça .sat uzantılı olarak kaydedilir ve Ansys programına import edilir. Resim 4.3 .sat uzantılı dosya import Sonrasında yapılacak olan analiz türü seçilir. Dayanım analizi yapılacağı için structural ikonu seçilir. 108 Resim 4.4 Dayanım Analizi Daha sonra alanları böleceğimiz sonlu elemanın tipini seçeriz. Resim 4.5 Sonlu Elemanlar Tipi 109 Dökme demir için elastikiyet modülü değerleri girilmiştir. Resim 4.6 Dökme Demir Elastikiyet Modül Daha sonra mesh işlemi için uygun değerler girilir ve parça mesh edilir. Resim 4.7 Mesh İşlemi 110 Resim 4.8 Mesh Sonra ki adım da parçanın dayanma( sabit ) yüzeyleri seçilir. Resim 4.9 Dayanma Yüzeyi 111 Bu adımda parçaya gelecek olan kuvvetin etkilediği alan seçilmiştir. Bu kuvvet hesaplanırken bu parçaya gelebilecek maksimum yük tahmin edilmiş ve yüzey alanına bölünerek basınç değeri olarak girilmiştir. Resim 4.10 Kuvvetin Uygulama Yüzeyi Resim 4.11 Yük Miktarı 112 Daha sonra programın çözüm yapması beklenmiştir. Resim 4.12. Çözüm İşlemi Resim 4.13. Çözüm İşlemi 113 Çözümleme bittikten sonra parçanın analizini görmek için aşağıda ki işlemler yapılır. Resim 4.14 Sonuç Gösterim Biçimi 114 Resim 4.15. 1. Parça Analiz Sonucu Yapılan analiz sonucu yukarıda ki resimde gösterilmiştir.Resimde de görüldüğü üzere gerilme sonucu kritik bölgeye ulaşmamış ve parça sağlam kalmıştır. 115 Aynı parça 7000 serisi alüminyum kullanılarak bir daha analiz yapılmıştır. Aynı kuvvet değerleri girilmiş elastikiyet modülü olarak 7000 serisi alüminyum değerleri girilmiştir. 7000 serisi alüminyumda uygulanan kuvvette mukavvemet sağlamıştır. Fakat daha az maliyetli olduğu için tasarlanan araçta dökme demir kullanılmıştır. Resim 4.16 2. Parça Analiz Sonucu 116 Ön düzende kullanılan başka bir parçanın daha analizi yapılmıştır. Bu malzeme de dökme demir seçilmiştir ve uygun yük değerleri girilmiştir. Analiz sonucun da bu parçanın da bu yüklere dayandığı görülmüştür. Resim 4.17 3. Parça Analiz Sonucu 4.3. İmalat İlk olarak şasi imalatı ile başlanmıştır. Tam boy alınan profiller uygun ölçülerde kesilip kaynatılmıştır. Daha sonra uygun bağlantı yerlerine u demir profiller yerleştirilmiştir. Bağlantı yapılacak yerlere uygun çapta delikler delinmiştir. Daha sonra ön düzen sistemi için tasarlanan parçalar imalat tezgehları kullanılarak üretilip şase üzerine montajı yapılmıştır. Direksiyon sistemi imalatı için tasarlanan hilal parça el işçiliği ile gerekli ekipmanlar kullanılarak yapılmış ve mil bağlantıları ve yatakların kaynatılması ve imalatı 117 yapılmıştır. Arka teker bağlantısı için yapılan kollar tasarlanan süspansiyon ile birleştirilmiştir. Mekanik olarak üretimi biten aracın fren bağlantıları yapılmıştır. Çıkma bir fren merkezi kullanılmıştır. 4 çıkışlı merkezin biri kapalı biri arka tekere diğer iki çıkış ise ön tekerlere gitmektedir. Fren testleri yapılmıştır ve uygun olduğu görülmüştür. Elektrik aksamın kurulumu motor data sheetindeki bağlantıları dikkat alınarak yapılmıştır. Aracın motor sürücüsü artı kutuptan sigorta yolu ile aküye bağlıdır. Elektrik motoru 60V ile sürüldüğünden 5 adet 12V 90Ah kurşun asit bataryanın seri bağlanması ile 60V 90Ah batarya grubu oluşturulmuştur. Pedal ve motor soketleri motor sürücüsüne bağlanmıştır. Sürücü iki açma kapama düğmesine bağlıdır. Birincisi sürücüye güç veren düğme ikincisi ise ileri geri yönlendirmeyi sağlayan düğmedir. Araç ileri geri hareketi elektrik akımının yönünü değiştirerek yapıldığı için ileri gittiği hızla geri de gidebilmektedir. Ayrıca yan elektrik sistemlerde bir aküden gerilim alınarak yapılmıştır. Bu sistemler korna ve fren lambasıdır. Aracın kaporta kısmı polikarbon ile yapılmıştır. Bu malzemenin seçilme amacı hem hafif hem de ucuz olmasıdır.bilgisayar ortamında tasarlanan gövde parçaları kalıp polikarbon üzerine çizilerek kesilmiştir. Daha sonra montaj işlemi şase üzerine perçin ile tutturularak yapılmıştır. Daha sonra dış kaplama tasarlanıp araç üzerine giydirme tekniği uygulanarak araç üretimi tamamlanmıştır. 118 Resim 4.18. Araç blok diyagramı Resim 4.19. Araç son hali 119 4.4 Baratya Deşarj Testi Tez kapsamında imal edilen aracın yol testleri yapılmıştır. 5 adet 12V'luk kurşun asit batarya bulunan aracın sabit hızda batarya deşarj testi yapılmıştır. Test için araca bir ampermetre ve voltmetre bağlanmıştır. Testler Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliğinde bulunan taşıt test laboratuarındaki şasi dinamometre kullanılarak yapılmıştır. Dinamometre tamburlarına araç çıkartılmıştır. Dinamometrenin yükü belirlenirken aracın normal sürüş sırasında çektiği akım değeri dikkate alınmıştır. Araç normal sürüş sırasında 30-35 A civarında akım çekmektedir. Dinamometreye ilk önce 10N kuvvet verilmiştir fakat ampermetrede okunan değer 50A olmuştur. Normal sürüş şartlarına göre amper değeri çok yüksek olduğu için dinamometreye girilen kuvvet düşürülmüştür. Sırayla 8N, 5N ve 3N değerler verilmiş ve ampermetreden sırasıyla 46A, 40A ve 33A olmuştur. Okunan değerlerden normal sürüş karakteristiklerine en uygun 3N kuvveti seçilmiştir. İmal edilmiş olan aracın maksimum hızı 65 km/h olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle 50 km/h sabit hız testler için uygun görülmüştür. Bu hızda araç sabit tutulmaya çalışılmıştır. Araç toplam 80 dk kullanılmıştır ve 3 dk aralıklarla voltmetreden değerler okunmuştur. Okunan değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Çizelge 4.1. Deşarj Gerilim-Zaman Değerleri Zaman(dk) Gerilim(V) 3 59,2 6 59,1 9 59,1 12 59 15 58,9 18 58,8 21 58,7 120 24 58,6 27 58,4 30 58,3 33 58,2 36 58,2 39 58 42 57,8 45 57,6 48 57,4 51 57,2 54 57,1 57 56,9 60 56,6 63 56,4 66 56 69 55,7 72 55,2 75 53,4 77 50,4 121 50 km/h Sabit Hızda Batarya Deşarj Grafiği 60 59 58 GERİLİM(V) 57 56 55 54 53 52 51 50 49 0 10 20 30 40 50 60 70 ZAMAN(DK) Şekil 4.1. Batarya Zamana Bağlı Deşarj Grafiği Resim 4.20. Araç testi 80 90 122 Resim 4.21. Test ekranı Deney için 77 dk araç kullanılmıştır. 77 dk sonra batarya dip deşarja uğramaması için deneye son verilmiştir. Daha sonra bataryanın yoğunluğu ölçülmüştür. Yaklaşık Yoğunluk Şarj Durumu 1.110- 1.140 Tamamen boş 1.140- 1.170 Hemen hemen boş 1.170- 1.200 Yaklaşık ¼ şarjlı 1.200- 1.230 Yaklaşık ½ şarjlı 1.230- 1.260 Yaklaşık ¾ şarjlı 1.260- 1.290 Tam şarjlı 123 Ölçülen ölçülmüştür. değerler sonucunda batarya yoğunluğu 1.150 olarak Bunun sonucunda bataryanın hemen hemen boş olduğu görülmüştür.Daha sonra boş bataryaların şarj edilme işlemi yapılmıştır. Bataryaların kapasitesi 90 Ah'tir.Hemen hemen boş olan bataryalara eklenecek kapasite 90 Ah olacağından; Ş? ?? ? ü???? = Ş? ?? ? ? ı? ı = ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ???? Ş? ? ? ? ? ? (3.1) 20 (3.2) ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ???? ?? Kayıp süre %25 kabul edilerek hesap edilince 5 A ile 18 saat şarj edilmesi hesap edilmiştir.Yüzeysel şarjda düşünüldüğü zaman 20 saat şarjda kalması yeterlidir.Bataryaların şarjı için harcanan para hesap edildiğin de; P=V . I . h (3.1) P=12(V) . 5(A) . 20(h) P=1,2( kWh) TEDAŞ'dan alınan genel elektrik tarifesinden alınan birim fiyat 37 kr/kWh 'dır. Buna göre 1 akü için; Fiyat=1,2 (kWh) . 37 (kr/kWh) Fiyat=44,4 kr 5 akü için; Toplam fiyat=44,4(kr) . 5 Toplam fiyat=222 (kr) Toplam fiyat=2,22 (TL) 77 dk boyunca 50 km/h sabit hızda kullandığımız araç yaklaşık olarak 65 km menzil yapmıştır. Buradan 100 km için fiyatı 124 100km için fiyat=Toplam fiyat . 100(km) / 65(km) 100 km için fiyat= 3,41 TL olarak bulunur. Benzin pompa çıkış fiyatı 5 tl olduğu kabul edilerek benzine eşdeğer sarfiyat 100km de 7 litre hesabı ile 100 km için içten yanmalı sıradan bir sedan araba yaklaşık olarak 35 TL yakmaktadır. Elektrikli araçta ki tasarruf oranı 100:7/100:0,7= 10 katıdır. Litre yakıt dönüşümü yapılacak olursa 100 km de 7 litre yakan bir içten yanmalı motorlu taşıta göre elektrikli taşıtımız 0,7 litre benzine eşdeğer enerji harcamaktadır. Tasarlayıp imal ettiğimiz elektrikli araç içten yanmalı bir araca göre enerji maliyeti çok düşüktür. 125 5. SONUÇ ve ÖNERİLER Günümüz çevre koşulları ve gittikçe kötüleşen atmosfer insanlığı kirliliğe karşı daha hassas davranmaya yöneltmiştir. Petrol rezervleri tahmini 50 yıl daha tüketim ihtiyacını karşılayacak fakat doğanın petrolün vermiş olduğu zararlara o kadar uzun süre dayanması pek mümkün gözükmemektedir. Her geçen gün sıkılaştırılan emisyon değerleri araç üretim maliyetlerini ciddi manada artırmaktadır. Çevreye hiç zararı olmayan doğa dostu elektrikli taşıtlara yönelim artarak çoğalmaktadır. Gelecekte de elektrikli araç teknolojisi yeterince geliştiğinde içten yanmalı araçların yerini alan bir alternatif olacaktır. Elektrikli araçların en önemli kullanım amacı emisyon ve çevredir. Fakat elektrik üretimi için petrol ve türevleri kullanılırsa yapılan işin hiç bir anlamı kalmaz. Bu yüzden alternatif enerji kaynakları teknolojilerinin de geliştirilmesi lazım. En temiz ve kolay üretim olan güneş enerjisinden elektrik üretmek elektrikli taşıtlar için en uygun sistemlerden biridir. Araç gövdesine yada aracın park edildiği yerlere konulan güneş panelleri elektrik enerjisini üretebilir ve araç şarjı için kullanılabilir. Bu yöntem hem doğaya hiçbir kirlilik katmamakta hem de çok ucuz maliyetli kullanım sunmaktadır. Devletin ve dünya sosyal kuruluşlarının bu konuda desteğinin de yüksek olması sektördeki girişimcileri bu alana yöneltmektedir. Her geçen gün yeni bir araç tasarlanmakta prototip olarak üretilip denenmektedir. Şuan ki teknoloji elektrikli taşıtların üretim maliyetini yüksek tutmaktadır. Fakat çok düşük kullanım maliyeti bu aradaki farkı kapatabilecek potansiyeldedir. Şarj istasyonlarının artması ve şarj süresinin kısalması bu tarz araçlara ilgiyi artıracaktır. Aynı zmanda devletin bu tip araçlara vergi indirimi şeklinde teşviki olmaktadır. 126 Elektrikli araçların eksik yönleri de vardır onlardan bahsedersek. Elektrik enerjisini depo etmek için uygun batarya bulunamamaktadır. Kullanılan bataryalar uygun kapasitede tasarlandığında çok fazla yer kaplamaktadır. Buda araçta hem fazla ağırlık hem de fazla yer kaplamaktadır. Aynı zamanda bataryanın şarj süresi çok uzundur. Bu dezavantaj aracı sürekli aktif olarak kullanmak pek mümkün olmamaktadır. Bu sorunun çözümü olarak aracın park edildiği yerde ve ya istasyonlarda şarj ünitesi tercihen güneş panelleri ile şarj edilebilen kurularak sürekli yedekte batarya tutup onu şarj etmeli. Kullanıcı bataryası bittikçe buradan değiştirerek şarj süresi için beklemeyebilir. Bu tez kapsamında yapmış olduğumuz araç 3 tekerlekli olup yaklaşık 150 kg gelmektedir. Arka tek teker hub motor olup tahrik tekeridir. Araçta kurşun asit bataryalardan 5 seri ünite kurulmuştur. Bu aküler 12 V 90 Ah olmaktadır. 5 seri halde 60 volt elde edilmiştir. Motor 60 V 3 kW tır. Batarya gerilimi sürücü vasıtası ile motora gönderilmektedir. Şoför kontrolündeki gaz pedalı aldığı konuma göre 5 A e kadar akımı sürücüye gönderir. İleri geri anahtarına göre sürücü araca gerekli olan akımı bataryadan çekerek motora verir. Herhangi bir güç aktarma organı olmadığı için verim % 97 gibi yüksek bir değerde kalır. Araç üretimi ve tasarımı tarafımızca okul atölyelerinde ve bilgisayarlarında yapılmıştır. Yapılmak istenilen araç ilk olarak solidworks programında bilgisayar ortamında tasarlanmıştır. Burada mekanik hareketi incelenmiş ve eksik ve problemler düzeltilmiştir. Daha sonra araç için düşünülen parçalar Ansys programında dayanım analizine tabi tutularak en uygun malzeme ve ebadı seçilmiştir. Bu işlemin yapılma sebebi hem güvenli dayanım sağlamak hem de gereksiz ağırlık oluşturmamaktır. Yapılan çalışma ile optimum değerler tespit edilmiştir. Aynı zamanda araç yapımı için malzeme temini, fiyat ve kolay işlenebilirlik göz önünde tutulmuştur. Tasarımı biten aracın üretimine başlanmıştır. Üretim esnasında fark edilen ve tasarımda göremediğimiz eksiklikler geri dönüm olarak 127 düzeltilmiştir.ve tasarıma eklenmiştir. Otomotiv Mühendisliği bölümü bünyesinde ve öğrenci işçiliğiyle hocalarımızın yardımı ile üretmiş olduğumuz araç prototip halini almıştır. Daha sonra aracın yol testi yapılarak enerji sarfiyatı hesaplanmıştır. Bölümümüzde bulunan taşıt test laboratuarındaki dinamometrede aracın yol testi yapılmıştır. Bu testte sabit hızda batarya deşarj işlemi yapılarak aracın menzil ve yakıt sarfiyatı hesabına gidilmiştir. Aracın normal yol şartlarındaki akım değeri bilinmektedir. Araç tambura alınmıştır. Yol şartı kuvvet değeri için sırası ile 10 N, 8 N, 5 N, 3 N değerleri denenmiş. En uygun kuvvet 3 N çıkmıştır. 50 km/h sabit hızda araç 77 dk teste tabi tutularak deşarj işlemi yapılmıştır. Batarya değeri 50 V a düştüğünde deney sonlandırılmıştır. Deney sonucunda aracın batarya yoğunluğu ölçülerek batarya doluluk oranı ölçülmüştür. Hemen hemen boş çıkan bataryanı şarjı için gerekli elektrik sarfiyatı hesaplanarak aracın 100 km deki maliyeti hesaplanmıştır. Aracımız 100 km de 3.41 tl yakmaktadır. Test edilen elektrikli araç içten yanmalı motorla kıyaslandığında enerji maliyeti 10 kat daha düşük çıkmıştır. 128 KAYNAKLAR [1] İnternet: Vikipedia.org ''Emisyon standartları'' http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards [2] Høyer, K. G., ''The history of alternative fuels in transportation: The case of electric and hybrid cars'', Utilities Policy, 16(2008) 63-71 (2008). [3] J.D., ''Drive Green 2020: More Hope than Realit '', Power and Associates, New York (2010) [4] Hurst, D. ve Wheelock, C., ''Battery Electric and Plug‐in Hybrid Electric Vehicles: OEM Strategies, Demand Drivers'', Technology Issues, Key Industry Players, and Global Market Forecasts, Pike Research, New York (2010). [5] Chan-Chiao, L., Huei, P., ve Grizzle J,. W,. '' A Stochastic Control Strategy for Hybrid Electric Vehicles'', Yüksek lisans, University of Michigan, Michigan(2003). [6] Ünlü, N. Karahan, Ş. Tür, O. Uçarol, H. Özsu, E. Yazar, A., “Elektrikli Araçlar”, TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Gebze-Kocaeli, (2003) [7] Larminie, J. ve Lowry, J., ''Electric Vehicle Tecnology Explained'', John Wiley&Sons, West Sussex, England (2003). [8] Yılmaz, M., Tuncay, N. ve Üstün Ö., '' Fırçasız DA motorunun (FDAM) algılayıcısız kontrolünde dalgacık tekniğinin uygulanması'', İTÜ Mühendislik Dergisi, 5, 73-84, (2006). [9] Boyalı, A., '' Hibrid Elektrikli Yol Taşıtlarının Modellenmesi ve Kontrolü'', Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2008) [10] Biliroğlu, A., Ö., '' Seri Hibrit Elektrikli Araçların Modellenmesi ve Kontrolü'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2009) 129 [11] Erginer, V., ''ELEKTRİKLİ HİBRİT ARAÇLAR VE SÜRME DEVRELERİ'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2009) [12] Lieven, T., Mühlmeier, S., Henkel, S., Waller, J.F., '' Who will buy electric cars? An empirical study in Germany'', Transportation Research, 16(D), 236–243, (2010) [13] Otlu, S., ''İçten Yanmalı Motorlu Bir Taşıtın Basit Bir Hibrit Elektrikli Taşıta Dönüşümü İçin Bir Model'', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) [14] Demirci, Y., ''Hibrit Araçlarda Elektrik Motoru Denetimi'', Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) [15] Aydın, B., ''Yakıt Pilli Elektrikli Araçların Tahriki İçin Farklı Tipte Batarya Gruplarının Belirlenmesi'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) [16] Çimen, M., A., ''Elektrikli Ve Seri Hibrit Elektrikli Araçlarda Simülatör Kullanarak Kalıcı Mıknatıslı Senkron Tahrik Motoru Kontrolü'', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) [17] Vural B., ''Elektrikli Tasıtlarda Enerji Yönetim Stratejilerinin, Güç Dönüstürücülerinin ve Bağlantı Topolojilerinin Performans Ve Verimlilik Üzerine Etkisi'', Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) [18] Boyalı, A., Güvenç, L., ''Hibrit Elektrikli Araçların Modellenmesi Ve Kural Tabanlı Kontrolü'', İTÜ Mühendislik Dergisi, 9(2), 83-94, (2010). [19] Kıvrak, M., F., ''Hidrojen Yakıt Hücreli Elektrikli Araçlar Ve Metal Hidrid Hidrojen Saklama Ortamlarının Salıverme Veriminin İyileştirilmesi'', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010) 130 [20] Göçmen, A., ''İki Tekerlekli Elektrikli Araç Tasarımı'', Yüksek Lisans Tezi, Atılım Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2011) [21] Düşmez, S., '' Elektrikli Taşıtlarda Faydalı Frenleme Enerjisinin Daha İyi Kazanımı İçin Bir Güç Dönüştürücü Asarımı Ve Uygulaması'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2011) [22] Alttanneh, N., ''Güneş Pili ve Hidrojen Yakıt Pilinden Beslenen Küçük Bir Elektrikli Araç İçin Batarya Şarj Sistemi Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi'', Yüksek Lisans, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2012) [23] Kabatepe, B., '' A Methodology to Analyze Short Term Impacts of Electric Vehicles on Costs, Emissions and Energy Consumption: Case of Turkey'', Yüksek Lisans Tezi, Koç Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2012) [24] Öztürk, T., '' Asenkron Motor İle Sürülen Elektrikli Aracın Modellenmesi'', Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013) [25] Cipollone, R., Battista, D., D., Marchionni, M., Villante, C., ''Model Based Design And Optimization Of A Fuel Cell Electric Vehicle'', 68th Conference of the Italian Thermal Machines Engineering Association, İtalya, (2013) [26] Purwadi, A., Dozeno, J., Heryana, N., ''Testing Performance of 10 kW BLDC Motor and LiFePO4 Battery on ITB-1 Electric Car Prototype'', The 4th International Conference on Electrical Engineering and Informatics, Malezya (2013) [27] Güner, C., '' Dışarıdan Şarj Edilebilen Hibrit Elektrikli Araç İle Menzil Artırıcılı Elektrikli Araç Konseptlerinin Karşılaştırmalı Analizi '', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013) 131 [28] Çamcı, A., T., '' Hafif Elektrikli Araçlarda Sürekli Değişken Oranlı Şanzıman Kullanılarak Menzil Ve Performansın Artırılması'', Yüksek Lisans Tezi, Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013) [29] Mökükcü, M., S., ''Electrıc Vehıcle Powertraın Desıgn Implementatıon '', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi And Fen Bilimleri Enstitüsü, (2014) [30] Yaşar, E., ‘’Elektrikli Taşıt Tasarımı ve Simülasyonu’’, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2008) [31] İnternet: wikipedia.org ‘’elektrikli otomobil’’ http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrikli_otomobil 132 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : KARAKAŞ, İsmet Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 10.06.1990 Ankara Medeni hali : Bekar Telefon : 0 (535) 559 87 79 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Lise Eğitim Birimi Milli Piyango Anadolu Lisesi Mezuniyet tarihi 2008 Yabancı Dil İngilizce Çalıştığı Projeler 2012 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla katıldık. Kurul özel ödülünü ekip olarak kazandık. 2012 Okulumuz bünyesin de Alternatif enerjili taşıtlar topluluğunu kurduk ve 1 dönem başkanlığını yaptım. 2013 Gazi Üniversitesi Bilim Şenlikleri proje yarışması için elektrikli taşıt tasarlayıp imal ettik ve mansiyon ödülü kazandık. 2013 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla katıldık. 133 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : PEKCAN, Mustafa Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 02.06.1992 Mersin Medeni hali : Bekar Telefon : 0 (538) 336 36 13 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Lise Eğitim Birimi Sami Evkuran Anadolu Lisesi Mezuniyet tarihi 2010 Yabancı Dil İngilizce Çalıştığı Projeler 2012 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla katıldık. Kurul özel ödülünü ekip olarak kazandık. 2012 Okulumuz bünyesin de Alternatif enerjili taşıtlar topluluğunu kurduk ve 1 dönem yönetim kurulu üyeliği yaptım. 2013 Gazi Üniversitesi Bilim Şenlikleri proje yarışması için elektrikli taşıt tasarlayıp imal ettik ve mansiyon ödülü kazandık. 2013 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla katıldık.
