TEMEL BİLGİLER – Enerji Sistemleri

Transkript

HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR
ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ
ELEKTRİK MOTORLARI
Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
«Her tercih bir vazgeçiştir»
Batteries for more electric, cleaner vehicles
Batteries are designed for four levels
applications and specifications:
1.
2.
3.
4.
of
Stop-and-start: lead-acid batteries, improved from
starter batteries + possibly supercapacitors , Li-ion.
Usable energy <500 Wh
Hybrids with the emblematic Toyota Prius (NiMH
batteries). More recent hybrid cars use Li-ion
technology. Available energy < 1.5 kWh : small
battery, high power
Plug-in : 5-10 kWh
Pure electric: 20 kWh minimum, 30 or more
preferred. Lithium technology
Anne de Guibert Aarhus, Innovation in Industrial Technologies: the case of batteries, 20 June 2012
Batteries for stationary applications
Up to now, 90 % of batteries for storage
application utilized lead-acid technology.
The 10 % remaining are NiCd used for
severe conditions applications
New applications (smart grids, association
with renewable energies) are lithium-ion
oriented:
• long life,
• absence of maintenance,
• high power for frequency control are
determining qualities
High specific energy is not as important as for
mobility. Life and cost are key issues, power
can be.
BATARYALAR
Enerji depolama kapasitesi bakımından kurşun-asit bataryalara
nazaran iki kat yüksek NiMH veya üç kat yüksek lityum-iyon
bataryaları hızla geliştirilmektedir. Yüksek sıcaklık bataryalarının
(sodyum-sülfür, sodyum-nikel klorür, lityum-demir sülfit), enerji
depolama kabiliyetleri yüksek olmasına rağmen, karmaşık yapısı ve
yüksek çalışma sıcaklığı (300-450 oC) nedeni ile kullanılmasının
zordur.
NiMH bataryaları nispeten daha az performansa sahip nikel
kadmiyum bataryalarının yerini almaktadır. Bu bataryalar kısa ve
orta vadede elektrikli araç uygulamalarında büyük oranda
kullanılacaktır. Bu süre sonunda endüstrinin lityum-iyon
bataryaları kullanıma alması beklenmektedir.
Lityum iyon bataryalar, maliyet ve stabilite açısından istenilen
seviyeye ulaştıklarında rakipsiz kalacaklardır. Kullanım kolaylığı ve
ömürleri ile yüksek hücre voltajı (3.6 V), enerji yoğunluğu (100125 Wh/kg) ve hacimsel yoğunluğu birlikte değerlendirildiğinde
çeşitli tasarım problemlerine anahtar olacaktır.
"ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003
Fluence Z.E.
ELEKTRİK MOTORU
Fluence Z.E.’nin elektrik motoru 70 kW güç ve 226 Nm tork üretmektedir
Fluence Z.E.
Fluence Z.E.’de 70 kW gücünde
bir elektrikli motor görev
yapıyor.
Fluence
Z.E.’de
lityum-iyon
teknolojisine
sahip
aküler
kullanılmaktadır.
Bu
aküler/piller toplamda 398 volt
elektrik
depolayabiliyor.
Akülerin ağırlığı ise 250 kg.
Fluence Z.E.’nin toplam ağırlığı
ise 1605 kg.
Akülerin beslediği elektrikli
motoru ise senkron tipinde bir
ünite.
Motor Gücü: 70 kW (95 HP)
Tork: 226 Nm
Maksimum Hız: 135 km/h
Menzil: 130-160 km
Şanzıman: Otomatik
Akü Tipi: Lityum-İyon
Akü Fiyatı: Aylık kira bedeli 83 euro (48 ay ve
10.000 km/yıl - KDV dahil)
Şarj Süresi: Duvara monte edilen özel “Wallbox”
ile 6-8 saat.
220 V duvar tipi prizle 10-12 saat. Hızlı şarj ile
30 dk’da yüzde 80 şarj
Tüketim: Dizel Fluence modelinin deposu
yaklaşık 244 TL’ye dolarken Fluence Z.E. aküsünü
ortalama 4 TL’ye doldurabiliyor. Fluence Z.E.’nin
100 km maliyeti 3 lira civarında. Fluence 1.5 dCi
ise 100 km’de yaklaşık 25 TL harcıyor.
Pure EV Nissan Leaf
Battery technical characteristics:
• Laminated Li-ion battery 24 kWh
made of 48 modules of 4 cells (2x2)
• Power > 90 kW
• Energy density 140 Wh/kg
• Autonomy 160 km
• Life: 5 years ; e.o.l. at 80% initial
capacity
• Under the floor and seats of the
vehicle
Charge:
• duration < 8 hours on 220 V home
plug
• fast charge: 80% capacity in 30 min
Batteries built by AESC (jv Nissan-Nec)
Sales began in April 2010
Bolloré Blue car
Innovation in utilization (Autolib)
Use metallic lithium as negative
electrode active material (alone against
all other manufacturers)
Technical characteristics given by the
manufacturer:
• 30 kWh battery
• Power 60 kW
• Specific energy 140 Wh/kg
• Autonomy 250 km
• Life: 10 years/ 1200 cycles
• Operation at 60-100°C ( Li-polymer
technology)
Tablo 1. Çeşitli Tipte Piller Enerji ve Güç Yoğunlukları [3,4]
Dr. Muhsin Mazman, Dr. Davut Uzun, Dr. Cem Kaypmaz, Emre Biçer, "Elektrikli Araçlar İçin Enerji Depolama Çözümleri", 2011
Table: Properties of different types of rechargeable battery
Sources: LCE (2006)1, Batteries in a portable world2, Battery FAQ3
SEI, Hybrid Electric and Battery Electric Vehicles, November 2007
Table: The main technical characteristics of the four vehicles studied
Note: EGR = exhaust gas re-circulation technology
Table: The main technical characteristics of the four vehicles studied
SEI, Hybrid Electric and Battery Electric Vehicles, November 2007
Table: Typical battery performance for the near term (medium car)
(1) Obtained by multiplying the nominal capacity (in C or Ah) by the nominal voltage (V). For
the Toyota Prius III, we find
6.5Ah*201.6V=1.31 kWh.
(2) 28 modules weighting 1040 g each
pubs.rsc.org
VOLANLAR
Volanlar, yüksek ivmelenme gibi ani güç gerektiren araç özelliklerinin geliştirilmesine
oldukça uygundur. Yüksek güç yoğunluğuna nazaran enerji yoğunlukları oldukça düşüktür.
Volanlar, dönme hızlarının 50.000 d/d gibi yüksek değerlere ulaşması ile yüksek enerji
depolama kabiliyetine ulaşırlar. Konvansiyonel malzemeler, bu hızlarda ortaya çıkan
gerilmelere dayanım gösterememektedir. Bu nedenle karbonfiber malzemelerin volanlarda
uygulanmasına yönelik bir çok çalışma yürütülmektedir. Otobüs ve kamyon gibi araçlarda
yüksek rejenaratif güçlerin depolanmasında ve bataryaların zayıf güç yoğunluğunu
geliştirmek amacı ile kullanımı öngörülmektedir. Ref.: "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi
Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003.
The Ricardo flywheel concept is hermetically sealed
in a container, with a sealed-for-life vacuum,
transmitting power through a magnetic gear drive.
http://articles.sae.org/12282/
Flywheel = high voltage mechanical battery
The flywheel energy storage device incorporates the following core
elements:
• a high inertia energy storage rotor (“rotor”)
• a variable speed permanent magnet synchronous AC motor/generator
(“motor”)
• a bi-directional PWM IGBT based inverter (“inverter”)
• the rotor provides the energy storage rating
• the motor provides the power rating
• the inverter provides the DC link voltage rating
Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011
Mechanical plant (note the presence of r2 and ω2 in the equations for energy and
stress)
Solid disk
Pierced disk
Kinetic energy (J)
Polar inertia
(kg·m2)
Peak stress (Pa)
Charge sustaining hybrid vehicle “sweet
spot” of 10-20 seconds
5x106
cycles
Important note for flywheels: no erosion of
performance characteristics (energy, power,
efficiency) with age or cyclic use
Addressable end-use typically falls
within a 10 sec – 10 min timeframe
"More power, less energy"
We advocate high power energy storage systems
(ESS) for charge sustaining hybrids with a high
degree of hybridization (DOH), where
DOH=ESSpower/((ESSpower+Primepower))
Higher DOH gives rise to better fuel economy
More power, not more energy, is the critical
variable in terms of improved transportation
energy efficiency
High DOH hybrids provide improved efficiency without performance erosion
J. Gonder et al., "Lower-Energy Requirements for Power-Assist HEV Energy Storage Systems—Analysis and Rationale," NREL,
PR-540-47682, 2010.
Transit bus ESS power and SOC
PRMS ≈ 28 kW
dP/dt > 500 kW/s
di/dt > 800 A/s
-60 kW facility
charge power limit
ΔSOCmax ≈ 350 Wh
A 10 minute slice from a 90 minute measured data set. Input power
profile developed by CrossChasm Technologies for a charge
sustaining series hybrid transit bus operating on a TTC route.
SÜPER KAPASİTÖRLER
Süper kapasitörler yüksek güç yoğunlukları ile volanlara benzer uygulamalara
adaydır. Ancak uygulama kolaylığı ve yüksek güvenirliliklerinin yanında maliyetleri
nedeni ile seri üretim araçlarda henüz kullanılmamaktadır. Bunun yanında
önümüzdeki yıllarda süper kapasitörlerin uygun maliyette geliştirileceği ve
volanlara karşı büyük üstünlük sağlayacağı düşünülmektedir.
en.wikipedia.org
en.wikipedia.org
Styles of supercapacitors with activated carbon electrodes
Schematic construction of a supercapacitor
with stacked electrodes
1.Positive electrode, 2.Negative electrode,
3.Separator
Schematic construction of a wound
supercapacitor
1.Terminals, 2.Safety vent, 3.Sealing disc,
4.Aluminum can, 5.Positive pole, 6.Separator,
7.Carbon electrode, 8.Collector, 9.Carbon
electrode, 10.Negative pole
en.wikipedia.org
EC: Electrochemical Capacitor
Volvo
For Example: Simplified system for a city bus, 220kW
NiMH-battery + EC
NiMH-battery
Battery
EC
DC/DC
310 kg
280 kg
90 kg
Battery
DC/DC
1150 kg
45 kg
Total weight
680 kg
Total weight
1195 kg
Weight reduction: 43 %
Volvo
YAKIT PİLLERİ
Gelecekte yakıt pillerinin EA’larda ana enerji
kaynağı olarak yaygın olarak kullanılacaktır.
Son dönemlerde araç üreticileri tarafından,
özellikle yakıt pili ve yakıt dönüştürücünün
boyutlarının küçültülmesi için çalışmalar
yürütülmektedir.
Bunun
yanında
yakıt
pillerinin seri üretim araçlarda uygulanmasına
kadar geçen sürede güvenilirlik, stabilite, çeşitli
iklim ve yol şartlarına uyum, güvenlik, bakım
gibi konularda ayrıntılı çalışmalara henüz
başlanmıştır. Yakıt pilli seri üretim araçlarının
önümüzdeki on yıl içerisinde piyasada
görüleceği düşünülmektedir.
Yakıt hücreleri/pilleri (Fuel cell) nedir?
Yakıt hücreleri/pilleri (Fuel cell), kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren
elemanlardır. Yakıt hücresi, fosil yakıtlarının yakılması yerine, yakıt ile oksijenin elektrokimyasal
reaksiyonu sonucunda enerji üreten bir tür bataryadır. Yakıt olarak genellikle hidrojen
kullanılmaktadır. Oksijenle hidrojenin reaksiyonu su ürettiğinden, bu reaksiyondan kirletici ürün
çıkışı söz konusu değildir.
en.wikipedia.org
www.ika.rwth-aachen.de
USABC: The United States Advanced Battery Consortium
www.cleanmpg.com
Vehicle Kinetic Energy
E 
A
2
B
• VB > VA
A
• VA > VB
1
m(VA2  VB2 )
accelerating, fuel is consumed, kinetic energy is increased
B
braking, vey little fuel is consumed, kinetic energy is
reduced
energy is dissipated in the brakes as heat in conventional
cars
In hybrids braking energy is recovered by an electric
generator and stored in a battery
it is called regenerative energy, or “Regen Energy”
Heydar Ali Palizban PhD, Hybrid and Electric Vehicles - An overview, Feb 28, 2009
Vehicle Potential Energy
E
mgh
Need engine power, fuel is consumed, potential energy is increased
no need for engine power
Braking, vey little fuel is consumed, potential energy is reduced energy is
dissipated in the brakes as heat in conventional cars
In hybrids braking energy is recovered, Engine can be turned off
automatically going downhill
Heydar Ali Palizban PhD, Hybrid and Electric Vehicles - An overview, Feb 28, 2009
http://static.howstuffworks.com/gif/regenerative-brake-diagram.jpg
TEMEL BİLGİLER – Doğru Akım
Doğru Akım: Zamanla yönü ve şiddeti
değişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce
“Direct Current” kelimelerinin kısaltılması
“DC” ile gösterilir.
DC
üreten
kaynaklar
şu
şekilde
sıralanabilir:
Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine
dönüştüren araçlara pil adı verilir.
Akü: Kimyasal yolla elektrik enerjisi üreten
araçtır.
Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrik
enerjisine çeviren ünitelerdir.
Doğrultmaç devresi: Alternatif akım
elektrik enerjisini DC elektrik enerjisine
çeviren araçlardır.
Güneş pili: Güneş enerjisini DC elektrik
enerjisine çeviren elemanlara güneş pili
denir.
Doğru akımın yaygın olarak
kullanıldığı alanlar:
•
Haberleşme
cihazlarında
(telekomünikasyonda)
•
Radyo, teyp, televizyon, gibi
elektronik cihazlarda
•
Redresörlü
kaynak
makinelerinde
•
Maden arıtma (elektroliz) ve
maden
kaplamacılığında
(galvonoteknik )
•
Elektrikli taşıtlarda (tren,
tramvay, metro)
•
Elektro-mıknatıslarda
•
DC elektrik motorlarında
TEMEL BİLGİLER – Alternatif Akım
Alternatif Akımın Tanımı
Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir
düzen içerisinde değişen akıma alternatif akım
denir.
Alternatif Akımın Elde Edilmesi
Alternatif akım ya da gerilimin elde
edilmesinde alternatör denilen aygıtlar
kullanılır.
Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değeri
sabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DC
gerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. Fakat
AC’de akım/ve gerilim değerleri sürekli
değişmektedir. Bu yüzden AC’yi ifade etmek
için çeşitli değerler kullanılmaktadır. Bunlar
ani değer, maksimum (tepe) değer, tepeden
tepeye değer, ortalama değer ve etkin değerdir.
Frekans: Frekans, sinüs
sinyalinin bir saniyede
tekrarlanan saykıl sayısıdır.
Periyot: Bir saykılın
gerçekleşmesi için geçen
süreye periyot denir. Periyot
birimi saniye (s) dir ve “T”
ile gösterilir.
TEMEL BİLGİLER – Alternatif Akım
Sinüs dalgasında periyot
Sinüs dalgasında alternans
TO SUM UP: Options for storing the Energy



Recharging vehicle battery packs
 State of charge influences how much of
the generated current can be safely
stored
 Ubiquitous method for hybrid cars
Charging an array of capacitors/supercapacitors
 Pro: Very high charge/discharge rate
(high power density)
 Con: Much lower energy density
than batteries
 Allows for regen braking if batteries
are at a high state of charge
 Implemented on some buses
Non-electrical methods
 Fluid compression
 Flywheels
http://static.howstuffworks.com/gif/regenerative-brake-diagram.jpg
ELEKTRİK MOTORLARI
Elektrikli araç tahrik sistemlerinde
başlıca
4
elektrik
motoru
kullanılmaktadır.
• DC motor
• Asenkron motor
• Sürekli mıknatıslı motor
• Anahtarlamalı relüktans motoru
ELEKTRİK MOTORLARI
Üretici Firma
Alternatif 1
UQM
Alternatif 2
UQM
Alternatif 3
Ansaldo
Alternatif 4
Ansaldo
Alternatif 5
Solectria
Alternatif 6
Enova
Model Numarası
SR 218N
SR 286
A1H207C
A1H256B
AC55
EDM90
Tip
Sürekli Güç [kW]
Maksimum Güç [kW]
Sürekli Tork [Nm]
Maksimum Tork [Nm]
Maksimum Hız [rpm]
Maksimum Verim [%]
Çap [mm]
Uzunluk [mm]
Ağırlık [kg]
Kontrolcü Ağırlığı [kg]
Kontrolcü
Boyutları
[mm]
Voltaj [VDC]
Fırçasız PM
30
75
150
240
8000
94
280
216
40
15,9
380x365x11
9
250-400
Fırçasız PM
55
100
550
5000
90
405
241
86
15,9
380x365x11
9
250-400
H
Asenkron
30
90
300
500
130
14
Asenkron
34
78
55
369
8000
95
343
447
106
14,7
430x330x145
420x320x180
450x235x240
606x518x201
260-300
300-600
100-400
250-425
235
391
61
10
326x212x11
5
185-400
E
H
E
H
E
--
8.6 s
--
3.5 s
--
27 s
11%
29%
12%
23%
11%
15%
10 km/h @
36 s
5 km/h @
32 s
10 km/h @ 31
s
5 km/h @ 27
s
10 km/h @ 40
s
10 km/h @
27 s
9s
5s
10 s
Tırmanma Kabiliyeti
% 15lik Egim [E/H]
%15 lik Eğimde 10km/h
Hıza Çıkma Süresi [s]
Maksimum Tırmanma
Kabiliyeti
Maksimum Eğimde
İvmelenme Zamanı [s]
Düz Yolda 40km/h Hıza
Çıkana Kadar Geçen
Zaman [s]
10 s
4s
Asenkron
30
60
130
260
9000
Asenkron
70
140
220
450
9000
230
400
80
14
Alternatif 7
MES
MES
200250
asenkron
30
94,8
100
239
10000
270
362
65
35
9000
7.2 s
ELEKTRİK MOTORLARI
Doğru Akım Motorlar
DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bir iletkenden akım geçirilmesi
sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibiyle çalışırlar. DC
motorlarda manyetik alanın oluşturulması için statorda bir alan sargısı ve
rotorda da dönme hareketinin sağlanması içinde bir endüvi sargısı
bulunur. DC gerilim dönen kısma da uygulandığından fırça kolektör
düzeneği kullanılmaktadır. Bu düzenek DC motorun bakım gereksinimini
arttırmakta ve sanayide olduğu gibi EA’larda da kullanımının azalmasına
neden olmaktadır.
DC motorlar alan sargısının türüne göre serbest uyarmalı, seri
uyarmalı, paralel uyarmalı ve kompund uyarmalı olmak üzere 4’e
ayrılırlar. Şekilde DC motor türlerinin şematik resimleri görülmektedir.
Serbest uyarmalı DC motorlarda, uyarma sargısı ve besleme sargısı
elektriksel olarak birbirinden bağımsız olan iki kaynaktan beslenir. Seri
uyarmalı DC motor da uyarma sargısı ve endüvi sargısı birbirine seri,
paralelde ise paralel olarak bağlanmıştır. Kompund motor bu iki türün
birleştirilmesiyle elde edilir.
ELEKTRİK MOTORLARI
ELEKTRİK MOTORLARI
Senkron ve Asenkron Kavramı
Alternatif akım makinelerinin isimlendirilmesi ürettikleri döner manyetik
alanın (stator manyetik alanı), döner mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı
oluşu yada olmayışına göredir.
Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan
Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayan
Senkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrine eşit olan
makine.
Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrinden her
zaman büyük olan makine.
Asenkron Makine
ELEKTRİK MOTORLARI
Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi
ELEKTRİK MOTORLARI
ELEKTRİK MOTORLARI
ELEKTRİK MOTORLARI
Table: Typical Electric Motors 20 – 200 kW Parameters
ELEKTRİK MOTORLARI
Table: Electric Motors Properties Comparison
ELEKTRİK MOTORLARI
Table 1. BEV and PHEV parameters comparison

TEMEL BİLGİLER – Enerji Sistemleri

Transkript

Benzer belgeler

ELEKTRİKLİ BİSİKLET BAKIM VE GENEL BİLGİLERİ GENEL

gyroscope - METU NCC

Doç. Dr. Mükrimin Şevket GÜNEY - Mühendislik Fakültesi

S.No Eser Adı Yazar 1 2003 Energy statistics yearbook = Annuaire

Kablosuz enerji (2019)

Enerji izleme projeleri daha da kolaylaştı

Malzemeler ve Alanlar

hs/mıcus serisi dokunmatik pc kullanım kitabı

eıf 2013 uluslararası enerji kongresi ve fuarı eıf

ENERJİ TEKNOLOJİLERİ ve YÖNETİMİ Profesyonellere Yönelik

energy use ın agrıculture sector of turkey türkiye tarım sektöründe

tıklayınız

2010 Yılı Faaliyet Raporu - TETAŞ | Türkiye Elektrik Ticaret ve