İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Müh. Hamdi UÇAROL
Anabilim Dalı : ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ
Programı : ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ
MAYIS 2003
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Hamdi UÇAROL (504991190)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 5 Mayıs 2003 Tezin Savunulduğu Tarih : 29 Mayıs 2003
Tez Danışmanı : Prof. Dr. Adnan KAYPMAZ
Diğer Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Belgin TÜRKAY
Doç. Dr. Mehmet Sait TÜRKÖZ
MAYIS 2003
ÖNSÖZ
Yüksek lisans tezimin hazırlanmasında yardımlarını esirgemeyen, başta değerli hocam, Sayın Prof. Dr. Adnan Kaypmaz’a; Sayın Prof. Dr. Nejat Tunçay’a, TÜBİTAK-MAM’daki iş arkadaşlarıma, sevgi ve desteklerini her zaman yanında hissettiğim aileme teşekkürlerimi sunarım.
Mayıs 2003 Müh. Hamdi UÇAROL
ii
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ii KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vi ŞEKİL LİSTESİ vii ÖZET viii SUMMARY ix
1. GİRİŞ 1
2. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ 3 2.1 Seri Karma Elektrikli Araç 3
2.2 Paralel Karma Elektrikli Araç 5
2.3 Seri-Paralel Karma Elektrikli Araç 6
3. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ALT SİSTEMLERİ 7 3.1 Enerji Yönetimi 7
3.1.1 Sınıflandırma 7 3.1.2 Enerji akışı kontrolu 8 3.1.2.1 Seri karma kontrol 10 3.1.2.2 Paralel karma kontrol 11 3.1.2.3 Seri-paralel karma kontrol 13 3.1.2.4 Kompleks karma kontrol 15 3.2 Elektrik Motorları 19
3.2.1 Asenkron motorlar 24 3.2.2 Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar 26 3.2.3 Anahtarlamalı relüktans motoru 28 3.3 Yakıt Pilleri 28
3.4 Enerji Depolama Sistemleri 36
3.4.1 Aküler 36 3.4.1.1 Kurşun-asit aküler 38 3.4.1.2 Nikel-kadmiyum aküler 40
iii 3.4.1.3 Nikel-metal hidrid aküler 41 3.4.1.4 Nikel-çinko aküler 42 3.4.1.5 Sodyum-sülfür aküler 42 3.4.1.6 Çinko-hava aküler 42 3.4.1.7 Zebra aküler 43 3.4.1.8 Lityum aküler 43 3.4.2 Süperkapasitör(Ultrakapasitör) 47 3.4.3 Volan 49 3.5 Simülasyon Programları 49
3.5.1 SIMPLEV 49 3.5.2 CarSim 50 3.5.3 HVEC 50 3.5.4 CSM HEV 50 3.5.5 V-Elph 50 3.5.6 ADVANCE 51 3.5.7 VTB 51 3.5.8 ADVISOR 52
4. KARŞILAŞTIRMA 57
5. UYGULAMA 70
6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 73
7. KAYNAKLAR 75
EK A 77
ÖZGEÇMİŞ 80
iv KISALTMALAR
AC : Alternatif Akım DC : Doğru Akım PAFC : Fosforik asit yakıt pili AFC : Alkalin yakıt pili MCFC : Ergimiş karbonatlı yakıt pili PWM : Pulse With Modulation SOFC : Katı oksit yakıt pili SPFC : Katı polimer yakıt pili DMFC : Direkt metanol yakıt pili APU : Auxillary Power Unit VVVF : Variable voltage variable frequency FOC : Field orinted control MARC : Model reference adaptive control STC : Self-tuning control VSC : Variable structure control NNC : Neural network control DSP : Digital signal processor GTO : Gate turn-off thyristor BJT : Bipolar-junction transistor MOSFET : Metal-oxide field-effect transistor IGBT : Insulated-gate bipolar transistor MCT : MOS-controlled thyristor PWM : Pulse width modulation CAD : Computer aided design FEM : Finite element method EM : Electromagnetic DCM : Direct current motor IM : Induction motor SRM : Switched reluctance motor PMSM : Permanent magnet synchronous motor PMBM : Permanent magnet brushless motor PMHM : Permanent magnet hybrid motor
v TABLO LİSTESİ
Sayfa No Tablo 3.1 Elektrik tahrik sisteminden beklentiler ve sonuçları...... 20 Tablo 3.2 Karma elektrikli araçlardaki elektrik motorlarının değerlendirilmesi ...... 22 Tablo 3.3 Önemli yakıtların teorik enerji karakteristikleri ...... 29 Tablo 3.4 Yakıt pillerinin karakteristikleri...... 30 Tablo 3.5 Yakıt pilli karma elektrikli araç demonstrasyonları ...... 35 Tablo 3.6 DOE’nin karma elektrikli araçlardaki enerji depolama sistemi şartları .... 37 Tablo 3.7 Çeşitli akülere ait karakteristikler ...... 45 Tablo 3.8 Çeşitli süperkapasitörlerin karakteristikleri ...... 47 Tablo 4.1 Tahrik sistemlerinin teknik detayları ...... 60 Tablo 4.2 İçten yanmalı motorlu araç tahrik sistemi elemanları ...... 61 Tablo 4.3 Seri karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları ...... 61 Tablo 4.4 Paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları ...... 61 Tablo 4.5. Sürüş çevrimlerinin teknik özellikleri ...... 62
vi ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No Şekil 2.1 Karma elektrikli araç çeşitleri ...... 4 Şekil 3.1 Karma elektrikli araçların sınıflandırılması ...... 8 Şekil 3.2 Seri karma elektrikli araç çalışma durumları ...... 10 Şekil 3.3 Paralel karma elektrikli araç çalışma durumları ...... 12 Şekil 3.4 Seri-paralel karma elektrikli araç ( İYM ağırlıklı) çalışma durumları ...... 13 Şekil 3.5 Seri-paralel karma elektrikli araç(elektrik ağırlıklı) çalışma durumları ..... 15 Şekil 3.6 Kompleks karma (ön karma, arka elektrikli) elektrikli araç ...... 16 Şekil 3.7 Kompleks karma (ön elektrikli, arka karma) elektrikli araç ...... 18 Şekil 3.8 Karma elektrikli araç elektrik tahrik sisteminin genel görünümü ...... 21 Şekil 3.9 Dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi ...... 23 Şekil 3.10 Asenkron motorun çalışma karakteristik eğrisi ...... 24 Şekil 3.11 Asenkron motorlar için evirici devresi ...... 25 Şekil 3.12 Sürekli mıknatıslı fırçasız motor moment-hız karakteristiği ...... 26 Şekil 3.13 Anahtarlamalı relüktans motoru için evirici devresi ...... 28 Şekil 3.14 Yakıt pilli karma elektrik araç uygulamasının şematik görünümü ...... 31 Şekil 3.15 Yakıt pili sisteminin araç üzerindeki uygulaması ...... 32 Şekil 3.16 Akü gücü ve şarj durumuna bağlı kullanılabilir enerji eğrisi ...... 37 Şekil 3.17 VRLA akü hücresinin gerilim karakteristiği...... 39 Şekil 3.18 Çeşitli akü tipleri(kurşun-asit, nikel metal hidrid, lityum-iyon) ...... 41 Şekil 3.19 Çinko-hava akü şematik diyagramı ve araç uygulaması...... 43 Şekil 3.20 Lityum iyon akü grubu araç uygulaması ...... 44 Şekil 3.21 Çeşitli enerji kaynaklarının güç ve enerji yoğunlukları ...... 46 Şekil 3.22 Süperkapasitör bankası, hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi ...... 48 Şekil 3.23 VTB bilgisayar programından görünüş (modelleme ve sonuç sayfaları) . 52 Şekil 3.24 Araç parametreleri giriş ekranı ...... 53 Şekil 3.25 Simülasyon parametreleri giriş ekranı ...... 54 Şekil 3.26 ADVISOR sonuç ekranı ...... 55 Şekil 3.27 ADVISOR programının grafik arayüz, veri dosyaları ve modeller arasındaki bağlantısı ...... 56 Şekil 4.1 Karşılaştırma yapılan araç çeşitleri ...... 58 Şekil 4.2 İçten yanmalı motor moment-hız ve güç-hız eğrileri ...... 59 Şekil 4.3 Sürekli mıknatıslı elektrik motorunun moment-hız ve güç-hız eğrileri...... 59 Şekil 4.4 UDDS şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ...... 62 Şekil 4.5 HWFET otoban sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ...... 63 Şekil 4.6 NEDC şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ...... 63 Şekil 4.7 Araç ağırlıkları ...... 64 Şekil 4.8 Maksimum hızlar ...... 65 Şekil 4.9 İvmelenme süreleri...... 65 Şekil 4.10 Yokuş çıkma kabiliyetleri ...... 66 Şekil 4.11 Değişik sürüş çevrimlerindeki yakıt tüketimleri ...... 67 Şekil 4.12 Değişik sürüş çevrimlerindeki toplam sistem verimi ...... 67 Şekil 5.1 Araç yerleşiminden bir görüntü ...... 71
vii KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
ÖZET
Enerji tasarrufunun ve çevre duyarlılığının giderek önem kazandığı günümüzde, hava kirliliğinin azalmasına, yakıt tüketiminin azalmasına ve ithal edilen petrole bağımlılığın azalmasına önemli derecede katkıda bulunan karma elektrikli araçlar, konvansiyonel içten yanmalı motorlu araçlara bir alternatif olma yönünde olumlu şekilde ilerlemektedirler.
Karma elektrikli araç, en az iki enerji depolama elemanından(örneğin; yakıt deposu, akü, volan, süperkapasitör, basınç tankı) alınan enerjinin, en az iki enerji dönüştürücü eleman(örneğin; içten yanmalı motor, gaz türbini, elektrik motoru, hidrolik motoru, yakıt pili) vasıtasıyla tekerlere hareket enerjisi olarak verildiği araçtır. Enerji depolama elemanlarından aracın tekerlerine doğru akan enerji yollarının en azından bir tanesinde enerji akışı çift yönlüyken, en azından bir tanesinde de enerji akışı tek yönlüdür. Karma elektrikli bir araçta, çift yönlü enerji akışı kabiliyetine sahip olan enerji depolama elemanı elektrik enerjisini sağlar.
Bu tez çalışmasında, karma elektrikli araçlar, çalışma prensipleri ve karma elektrikli araçların alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve geleceğinde büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve elektriksel tahrik sistemleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte, içten yanmalı motorlu araç, karma elektrikli araç çeşitlerinden, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın birbirlerine göre üstünlüklerini belirlemek üzere, değişik sürüş çevrimlerinde ve test koşullarında bilgisayar simülasyonları yapılarak, karşılaştırmalı değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, içten yanmalı motorlu panel-van tip konvansiyonel bir aracın seri karma elektrikli araca dönüştürüldüğü prototip çalışması ve sonuçları anlatılmıştır.
SUMMARY
Hybrid electric vehicles, that make contributions to the reduction of air pollution, to the reduction of fuel consumption and to the reduction of the dependence on imported oil, are well on the way to become an alternative for the conventional internal combustion engine vehicle.
A hybrid vehicle has a powertrain in which propulsion energy can be transmitted to the wheels by at least two different energy conversion devices (e.g. internal combustion engine, gas turbine, electric motor, hydraulic motor, fuel cell) drawing energy from at least two different energy storage devices (e.g. fuel tank, battery, flywheel, supercapacitor, pressure tank etc.). At least one of the paths along which energy can flow from an energy storage device to the wheels is reversible, while at least one path is irreversible. In a hybrid-electric vehicle the reversible energy storage device supplies electric energy.
In this thesis study, hybrid electric vehicles, operating principles and the subsystems of the hybrid electric vehicles are presented. Fuel cells, energy storage systems and electrical drive systems which have a great importance at today’s and the future’s hybrid electric vehicles are examined in detail. In addition to this, to determine the advantages and disadvantages between internal combustion engine vehicle, series hybrid electric vehicle and parallel hybrid electric vehicle, comparative assesments are done by computing simulations at different drive cycles and test conditions. Moreover, the prototype study and the results are presented in which an internal combustion engine vehicle is converted to a series hybrid electric vehicle.
ix
1. GİRİŞ
Günümüzde otomobillerde tekerlerlekleri tahrik etmek için genellikle mekanik sistemler kullanılmaktadır. Bu tür sistemlerde, dizel veya benzinli içten yanmalı motorlar, mekanik sistemlerle taşıt aracının şaftına doğrudan bağlanmıştır. Motorlarda yakıtın yanması sonucu elde edilen mekanik enerji, tekerleklere aktarılarak taşıt aracının hareketi sağlanmaktadır.
Teknolojik gelişmeler ile birlikte son yıllarda elektrikli tahrik sisteminin araçlarda kullanılması yaygınlaşmıştır. Bu gelişmeler; elektrik motor sürücü sistemlerinde kullanılan güç elektroniği elamanlarındaki gelişmeler, motor kontrol sistemlerindeki gelişmeler, generatör ve motor teknolojisindeki gelişmeler, araçlardaki elektriksel yük artışları şeklinde ifade edilebilir.
Araçlardaki elektrik tahrik sistemlerinde, elektrik motoru olarak genellikle asenkron motor veya sürekli mıknatıslı motor kullanılmaktadır. Elektrikli tahrik sistemleri mekanik sistemlere göre birçok avantajlara sahiptir. Elektrikli tahrik sistemlerinde, bağlantının elektriksel olarak yapılması, mekanik sürücü sistemlerinde olmayan bir esneklik, yüksek kontrol kabiliyeti sağlamakta, ayrıca gelişen teknoloji ile birlikte daha yüksek güçlere daha düşük boyut ve daha düşük ağırlıklarda ulaşabilme imkanı doğmaktadır. Bu tür sistemlerin veriminin yüksek olması, gürültü seviyesinin düşüklüğü ve daha fazla çevre dostu olması, elektrikli tahrik sistemlerinin diğer özellikleridir.
Elektrikli tahrik sistemleri, önümüzdeki yıllarda araç teknolojisi uygulamaları için önemli bir kavramdır. Yakın gelecekte daha da yaygınlaşacak olan karma elektrikli araçlarda, elektriksel enerji depolama, sürekli mıknatıslı tahrik motorları ve yakıt pilleri gibi kritik teknolojiler giderek önem kazanmaktadır. Karma elektrikli araç kavramı, araçların görev yeteneklerini arttıracak ve özellikle gelişmiş enerji depolama sistemleri ve yakıt pillerinin kullanılması ile elde edilecek sessiz ve emisyonsuz araçlar, çevre sorumluluğunun ve enerji tasarrufunun önem kazandığı günümüz ve gelecek dünyasında önemli yere sahip olacaklardır.
1 Bu tez çalışmasında, karma elektrikli araçlar, çalışma prensipleri ve karma elektrikli araçların alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve geleceğinde büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve elektriksel tahrik sistemleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte, içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın birbirlerine göre üstünlüklerini belirlemek üzere, değişik sürüş çevrimlerinde ve test koşullarında bilgisayar simülasyonları yapılarak, karşılaştırmalı değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, içten yanmalı motorlu panel-van tip konvansiyonel bir aracın seri karma elektrikli araca dönüştürüldüğü prototip çalışması ve sonuçları anlatılmıştır.
2
2. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
Karma elektrikli araç, kabaca tanımlanacak olursa, en az iki enerji depolama elemanından(örneğin; yakıt deposu, akü, volan, süperkapasitör, basınç tankı) alınan enerjinin, en az iki enerji dönüştürücü eleman(örneğin; içten yanmalı motor, gaz türbini, elektrik motoru, hidrolik motoru, yakıt pili) vasıtasıyla tekerlere hareket enerjisi olarak verildiği araçtır. Enerji depolama elemanlarından aracın tekerlerine doğru akan enerji yollarının en azından bir tanesinde enerji akışı çift yönlüyken, en azından bir tanesinde de enerji akışı tek yönlüdür. Karma elektrikli bir araçta, çift yönlü enerji akışı kabiliyetine sahip olan enerji depolama elemanı elektrik enerjisini sağlar. Karma elektrikli araç uygulamalarında, ortaya çıkan ihtiyaçları karşılamak için değişik tasarımlar görülse de belli başlı üç ana konfigürasyon bulunmaktadır. Bunlar; Seri Karma, Paralel Karma ve Seri-Paralel Elektrikli Araç çeşitleridir.[1]
2.1 Seri Karma Elektrikli Araç
Seri karma elektrikli bir araçta, aracın tekerlerini tahrik eden elektrik motoru, enerjisini ya bir aküden, veya içten yanmalı motora akuple edilmiş bir generatorden ya da eş zamanlı olarak her ikisinden birlikte alır. Şekil 2.1’de seri karma bir elektrikli araç konfigürasyonu görülmektedir. İçten yanmalı motor-generator seti genellikle aracın ortalama ihtiyacı olan gücü karşılarken, enerji depolama elemanı(çoğunlukla akü, ancak süperkapasitör ya da elektromekanik volan da uygulanabilir) tepe güçleri karşılar. Düşük yük koşullarında ya da frenleme(rejeneratif) sırasında akü şarj olur. Seri karma elektrikli araçlar genel olarak şebekeden şarj edilmeye ihtiyaç duymazlar. Bu, akülü araçlara menzilini arttırmak için takılan küçük içten yanmalı motorlu seri karma araçlar için geçerli değildir.
Seri karma bir elektrikli aracın içten yanmalı motoru yol yükünden oldukça bağımsız olduğundan sabit bir çalışma noktasında ya da belirli çalışma noktaları arasında sınırlandırılarak kullanılabilir. Motor, içten yanmalı motor ya da tekerlekleri direk sürmeye pek uygun olmayan başka bir motor olabilir. İçten yanmalı motor generator
3 setinin yerini tamamen bir yakıt pili alabilir. Emisyonlar ve verim açısından bakılacak olursa içten yanmalı motor sürüş için gerekli yük talepleri düşünülmeden optimize edilebilir. Benzinli, doğal gazlı ve sıvılaştırılmış petrol gaz(LPG)’lı seri karma elektrikli araçlar çok düşük emisyonlara sahip olabilirler. Diğer yandan, dizel motorlu seri karma elektrikli araçların yakıt tasarrufu daha iyi olabilir.
Şekil 2.1 Karma elektrikli araç çeşitleri
Generator setinden gelen ortalama enerji ile akülerden gelen tepe enerjisinin olması gereken oranı, uygulamanın karakteristiğine, özellikle sürüş modeline bağlıdır. Bu aynı zamanda seri karma elektrikli araçların avantajı ve dezavantajıdır. Bir taraftan, belirli bir uygulamada sistem minimum yakıt tüketimi ve emisyonlar için optimize edilebilirken, diğer taraftan ortalama bir sürüş periyodunda yarı optimal bir verimle çalışan bir seri karma elektrikli araç, maksimum yük durumlarındaki ihtiyacı karşılayabilmek için aşırı boyutlandırılmış sistemlere ihtiyaç duyabilir. Genel olarak söylenebilir ki, seri karma elektrikli araçlar görevi tam olarak bilinen araçlar(şehir içi otobüsler, şehir içi dağıtım araçları) için en uygun araç tipidir. Böyle araçlar için seri
4 karma araçlar aynı zamanda tasarım esnekliği sağlar. Bütün ekipmanlar elektriksel olarak birbirlerine bağlıdır. Böylelikle, tasarımcı, güç sistemi elemanlarını aracın içerisinde uygun yerlere koymak için büyük özgürlüğe sahip olur. Örneğin, seri karma elektrikli bir otobüste, içten yanmalı motoru aracın üstüne yerleştirmek ve aracı tekerleklerin içine monte edilmiş elektrik motorları ile sürmek, otobüsün zeminini oldukça rahatlatacaktır.[1]
2.2 Paralel Karma Elektrikli Araç
Şekil 2.1’de, üç farklı paralel karma elektrikli araç konfigürasyonu görülmektedir. Birinci konfigürasyon, bir içten yanmalı motor ve akülü elektrik sürüş sistemini, transmisyon ya da tekerlerde birleştiren klasik bir paralel karma sürüş sistemidir. Böyle araçlar genellikle sadece içten yanmalı motorla tahrik edilerek, karma tahrik sistemi ile veya motor kapatılarak sadece saf elektrikli halde çalıştırılabilirler. Gerekli elektrik enerjisi, tercihe bağlı olarak büyük miktarda şebekeden şarj edilerek elde edilir. İçten yanmalı motor çalışma modunda, elektrik sürüş sistemi rejeneratif frenleme imkanını sağlar. Paralel karma çalışma esnasında, içten yanmalı motor aynı zamanda aküleri şarj edebilir. Elektrikli çalışma modu genellikle şehir içinde kullanılır. Bu durum, araç şehir içindeyken içten yanmalı motorun başlangıçtaki soğuk çalışma bölgesindeki kötü emisyonlarını ve motorun çalışma eğrisine uygun olmayan bölgelerde çalışmasını önler. Şehir dışı ve otoban sürüşlerinde, içten yanmalı motor optimal çalışma noktası yakınlarında çalışarak kabul edilebilir yakıt tüketimi ve emisyonlar sunar.
İkinci konfigürasyon, paralel karma elektrikli aracın başka bir tipidir ve bazen hafif karma(mild hybrid) ya da motor yardımlı(engine assist) olarak da adlandırılır. Bu durumda, küçük bir elektrik makinası içten yanmalı motorun dönen kısmına bağlanır. Bu elektrik motorunun görevi; aracı düşük hızlarda sıfır emisyon durumunda götürmek, içten yanmalı motorun marş motoru olmak, düşük devirlerde içten yanmalı motora ilave moment sağlamak ve ihtiyaç olduğunda ilave tepe güç sağlamaktır. Frenleme sırasında ve sadece içten yanmalı motor ile sürüş sırasında elektrik motoru generator olarak çalışır ve aküyü şarj eder. Bu paralel karma konfigürasyonu, aküleri kendi kendine şarj edebilir, dolayısıyla dışarıdan şarj sistemine ihtiyacı yoktur. Bu sistem, yakıt tüketimini, emisyonları azaltmakla birlikte
5 geliştirilmiş sürüş imkanı ve içten yanmalı motor cevabı imkanı sunmaktadır. Sürüş sistemi elemanlarının sayısının azalmasıyla ve elektrik sisteminin(elektrik makinası ve akü) boyutlarının sınırlanmasıyla, bu sistem, maliyet avantajları sunar. Ancak, bu sistem, tamamı elektrikli halde çalışmaya imkan tanımaz. Bu sistemin örnekleri, ISAD(Integrated Starter Alternator Damper) sistemi olarak Citroen Xsara Dynalto aracında ve IMA(Integrated Motor Assist) sistemi olarak Honda Insight aracında kullanılmıştır.
Üçüncü konfigürasyon, bazı yeni paralel karma araç prototiplerinde kullanılan bir modeldir. Biri ön tekerlekleri, diğeri de arka tekerlekleri tahrik eden iki ayrı güç sisteminden oluşur. Günümüz prototiplerinden GM Precept modelinde, bu sistem ufak bir değişiklik ile arka tekerleklere hafif karma(mild hybrid) güç sistemi, ön tekerlere de ayrı bir elektrik motoru konularak gerçekleştirilmiştir. Bu konfigürasyon, tasarımcılara rejeneratif frenlemeyi optimize etmeyi olanaklı kılar.
2.3 Seri-Paralel Karma Elektrikli Araç
Adından da anlaşılacağı gibi, bu sistem kısmen seri karma, kısmen de paralel karma olarak çalışır. Bu sistem, iki elektrik makinası, göreceli olarak karmaşık bir transmisyon ve akıllı bir kontrol sistemi gerektirir. İlk çalışma anında sistemde sadece elektrik motoru görev yapar. Daha sonra düz yolda normal koşullara geçince elektrik motoru ve içten yanmalı motor birlikte çalışırlar. İvmelenme ve yokuş tırmanma durumunda akülerden ilave enerji elektrik motoruna iletilir. Araç yavaşlarken ve yokuş aşağı ilerlerken aküler şarj olur. Tekrar eğimsiz yol koşulları ile karşılaşıldığında ve akülerin şarj seviyelerinin yeterli olduğu durumlarda içten yanmalı motor devreden çıkar. Bütün bu kontroller, akıllı kontrol sistemi tarafından yapılır. Böylelikle, içten yanmalı motorda yakıt tasarrufu sağlanır ve CO2, CO, HC ve NOx emisyonları oldukça düşer. Şekil 2.1’de Seri-Paralel karma elektrikli araca ait bağlantı modeli görülmektedir. [1]
6
3. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ALT SİSTEMLERİ
3.1 Enerji Yönetimi
3.1.1 Sınıflandırma
Karma elektrikli araç, tahrik enerjisinin iki ya da daha fazla tipteki enerji kaynağından sağlandığı ve en azından bunlardan birisinin elektriksel enerji iletebildiği bir araçtır. Bu tanıma bağlı kalarak, içten yanmalı motor ve akü, akü ve yakıt pili, akü ve kapasitör gibi birçok çeşit karma elektrikli araç mevcuttur. Bu karmaşık tanımın yanı sıra, karma elektrikli araç basit anlamda, bir içten yanmalı motor ve de bir elektrik motoru bulunan bir araçtır. Bu bölümde, bu tanıma göre, tahrik sisteminde hem içten yanmalı motor, hem de elektrik motoru bulunan, enerji kaynağı olarak da içten yanmalı motor ve akü kullanan karma elektrikli bir aracın enerji yönetim sistemi incelenecektir.
Bir önceki bölümde anlatılan sınıflandırma genel olarak kabul görse de, araçlardaki enerji yönetim şekillerinde ortaya çıkan ihtiyaçlar ve farklılıklar günümüzde aşağıdaki sınıflandırmayı doğurmuştur. Karma elektrikli araçlar, geleneksel olarak seri ve paralel olarak iki temel çeşide ayrılırlar. Seri ve paralel karma araçların özelliklerini gösteren araçların geliştirilmesi ile birlikte bu sınıflandırma seri, paralel ve seri-paralel olarak genişlemiştir. 2000 yılında, bu üç sınıflandırmaya da dahil edilemeyen yeni bir çeşidin geliştirilmesiyle karma elektrikli araçlar dört sınıf halinde gruplandırılmıştır.
Seri karma Paralel karma Seri-paralel karma Kompleks karma
Şekil 3.1’de bu sınıflandırmaya karşılık düşen blok diyagramlar görülmektedir. Burada, elektriksel ve mekanik hatlar çift yönlü iken hidrolik hat ise tek yönlüdür.
7
Şekil 3.1 Karma elektrikli araçların sınıflandırılması
Buradan da görülebilir ki, seri karmanın anahtar özelliği generator ile içten yanmalı motoru akuple edip sadece elektrikle tahrik için elektrik üretmek iken, paralel karmanın anahtar özelliği içten yanmalı motor ile elektrik motorunu aynı şaft üzerinde akuple ederek tekerleri tahrik etmektir. Seri-paralel karma, seri ve paralel karma sistemlerin doğrudan kombinasyonudur. Kompleks karma sistem ise, seri- paralel karma konfigürasyonun yeteneklerinin üzerinde ilave çalışma durumları sunar.[2]
3.1.2 Enerji akışı kontrolu
Karma elektrikli araçlardaki konfigürasyonların değişikliklerinden dolayı, sistem elemanları arasındaki enerji akışını düzenlemek için farklı güç kontrol stratejileri gereklidir. Bu kontrol stratejileri, karma elektrikli araçlardaki bazı hedefleri yerine getirmeyi amaçlar. Dört ana hedef vardır. Bunlar;
Maksimum yakıt ekonomisi Minimum emisyonlar
8 Minimum sistem maliyeti İyi sürüş performansı
Karma elektrikli araçlar için güç kontrol stratejilerinin tasarımı farklı faktörler içerir. Bazı anahtar faktörler aşağıda özetlenmiştir:
İçten yanmalı motorun optimal çalışma noktası- Optimal çalışma noktası olarak, içten yanmalı motorun moment-hız düzlemi üzerinde yakıt ekonomisinin maksimizasyonu, emisyonların minimizasyonu ya da yakıt ekonomisi ve emisyonlar arasındaki bir orta nokta esas alınabilir. İçten yanmalı motorun optimal çalışma eğrisi- İçten yanmalı motor farklı güç ihtiyaçlarını karşılamak durumunda olduğu için bunlara karşılık gelen optimal çalışma noktaları optimal çalışma eğrisini oluştururlar. İçten yanmalı motor optimal çalışma bölgesi- İçten yanmalı motor, moment- hız düzlemi üzerinde yakıt verimliliğinin optimum olduğu, tercih edilen bir çalışma bölgesine sahiptir.
Minimum içten yanmalı motor dinamikleri- İçten yanmalı motorun çalışma hızının, ani dalgalanmalardan kaçınılacak şekilde düzenlenmesi gerekir. Minimum içten yanmalı motor hızı- İçten yanmalı motor düşük hızlarda çalıştığı zaman yakıt verimliliği çok düşüktür. İçten yanmalı motorun hızı belirli bir eşik değerinin altında olduğu zaman kapatılmalıdır. Minimum içten yanmalı motor çalıştırma zamanı- İçten yanmalı motor çok sık çalıştırılıp kapatılmamalıdır. Aksi halde, bu durum yakıt tüketiminin ve emisyonların artmasına neden olur. Bu dezavantajları engelleyecek bir minimum çalıştırma zamanı belirlenmelidir.
Uygun akü kapasitesi- Akü kapasitesi, ivmelenme için yeterli enerjiyi sağlayabilecek, frenleme esnasında ya da yokuş aşağı giderkenki rejeneratif enerjiyi kabul edebilecek uygun bir seviyede korunmalıdır. Akü kapasitesi çok yüksek olduğu zaman, içten yanmalı motor kapatılmalı ya da boşta çalıştırılmalıdır. Bu kapasite çok düşük olduğu zaman ise, içten yanmalı motor aküyü şarj etmek için çıkışını arttırmalıdır. Nispi dağıtım- Güç talebinin, içten yanmalı motor ve akü arasındaki dağıtımı, sürüş çevrimi boyunca orantılı olarak bölünmelidir.
9 Coğrafik politika- Belirli şehirlerde ya da bölgelerde karma elektrikli aracı, saf elektrikli halde çalıştırma ihtiyacı doğacaktır. Bu geçiş, elle ya da otomatik olarak kontrol edilmelidir.[2]
Yukarıda bahsedilen kritik faktörlere bağlı olarak ortaya çıkan çeşitli kontrol sistemleri aşağıda anlatılmıştır.
3.1.2.1 Seri karma kontrol Seri karma, karma elektrikli aracın en basit çeşididir. İçten yanmalı motorun mekanik çıkışı, bir generator kullanılarak elektrik enerjisine çevrilir. Elektrik enerjisi, ya aküleri şarj eder ya da elektrik motoru ve mekanik transmisyon üzerinden tekerleri tahrik eder. Kavramsal olarak bakıldığında, bu araç, konvansiyonel araçla kıyaslanabilsin diye sürüş menzili içten yanmalı motor ile arttırılmış elektrikli araçtır.
Şekil 3.2 Seri karma elektrikli araç çalışma durumları
İçten yanmalı motorun tahrik sistemi ile bağlantısı olmadığından, generator setini yerleştirmekte esnekliğe sahiptir. Sürüş sistemindeki basitliğe rağmen, içten yanmalı
10 motor, generator ve elektrik motoru gibi üç tahrik elemanına ihtiyaç duyar. Bir başka dezavantajı ise, eğer bu araç uzun bir meyili tırmanmak için tasarlanmışsa, bütün tahrik elemanlarının bu meyili baştan sonuna kadar gidebilecek şekilde maksimum güçte boyutlandırılması gereklidir. Diğer taraftan, sadece evden işe, işten eve ve alışveriş gibi kısa yolculuklar için düşünülürse, buna karşılık generator seti daha düşük güçte boyutlandırılabilir.
Seri karma sistemde enerji akışı kontrolü Şekil 3.2’de görüldüğü üzere dört çalışma durumunda gösterilebilir. Seri karma elektrikli araçların kalkış, normal sürüş ve ivmelenmesi sırasında, içten yanmalı motor(generator üzerinden) ve akü elektrik enerjisini güç çeviricisine iletir. Oradan da elektrik motorunu sürerek transmisyon aracılığıyla tekerlekleri tahrik eder. Düşük yükte, içten yanmalı motorun çıkışı, tekerlekleri sürmek için ihtiyaç olan güçten yüksek olacağından, üretilen enerji aynı zamanda aküleri uygun seviyeye ulaşıncaya kadar şarj etmede kullanılır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında elektrik motoru generator olarak çalışıp, tekerleklerdeki kinetik enerjiyi elektriğe dönüştürerek çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Aynı zamanda, araç tamamen dursa dahi aküler, içten yanmalı motor tarafından generator ve çevirici üzerinden şarj edilebilirler. Toyota Coaster karma elektrikli aracında seri karma kontrolü uygulamıştır.[2]
3.1.2.2 Paralel karma kontrol Seri karma sistemden farklı olarak paralel karma sistem, içten yanmalı motor ve elektrik motorunun tekerleklere mekanik güç aktarmasını olanaklı kılar. İçten yanmalı motor ve elektrik motoru genellikle tekerleklerin şaftına iki dişli aracılığıyla bağlanır. Böylelikle sadece içten yanmalı motor, sadece elektrik motoru ya da her ikisi birlikte tahrik gücünü sağlayabilir. Kavramsal olarak paralel karma sistem, daha düşük emisyonlar ve yakıt tüketimi elde edebilmek için elektrikle desteklenmiş içten yanmalı bir araç modelidir. Elektrik motoru, rejeneratif frenleme esnasında ya da içten yanmalı motorun verdiği gücün, tekerlekleri tahrik edecek güç ihtiyacından fazla olduğu anlarda, aküleri şarj etmek için bir generator olarak kullanılabilir. Seri karma elektrikli araçtan üstünlüğü, içten yanmalı motor ve elektrik motoru gibi sadece iki tahrik elemanına ihtiyaç duymasıdır. Seri karma sisteme göre bir diğer avantajı ise aynı performansı elde edebilmek için daha küçük bir içten yanmalı motor ve elektrik motoru kullanılabilir. Uzun yol uygulamasında bile, sadece içten yanmalı
11 motor gerekli maksimum güç için boyutlandırılmaya ihtiyaç duyulurken, elektrik motoru hala yarısı kadar boyutlandırılabilir.
Şekil 3.3 Paralel karma elektrikli araç çalışma durumları
Paralel karma elektrikli araçtaki dört çalışma durumu Şekil 3.3’te gösterilmiştir. Kalkış ya da ivmelenme sırasında, içten yanmalı motor ve elektrik motorunun ikisi de aracı tahrik etmek için gerekli gücü orantılı olarak paylaşırlar. Genel olarak, içten yanmalı motor ve elektrik motoru arasındaki nispi dağılım %80-20’dir. Normal sürüş sırasında, aracı tahrik etmek için gerekli gücü tek başına sağlarken elektrik motoru kapalı durumdadır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, elektrik motoru generator olarak çalışıp çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Aynı zamanda, içten yanmalı motor ve elektrik motoru aynı şafta bağlantılı olduğu için araç düşük yüklerdeyken aküler, içten yanmalı motor tarafından elektrik motoru aracılığıyla şarj edilebilir. Honda Insight karma elektrikli aracında bu enerji akış kontrolü kullanılmıştır.[2]
12 3.1.2.3 Seri-paralel karma kontrol Seri-paralel karma sistem, seri ve paralel karma elektrikli araçların her ikisinin de özelliklerini gösterirken, seri ile karşılaştırıldığında ilave bir mekanik bağlantı, paralel ile karşılaştırıldığında ilave bir generator içerir. Her iki sistemin avantajlı özelliklerine sahip olmasına rağmen, seri-paralel karma elektrikli araç göreceli olarak daha karmaşık ve maliyetlidir. Bununla birlikte, kontrol ve üretim teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte bazı modern karma elektrikli araçlarda uygulanmaktadır.
Şekil 3.4 Seri-paralel karma elektrikli araç ( İYM ağırlıklı) çalışma durumları
13 Seri-paralel karma sistem, seri ve/veya paralel karma sistemin özelliklerini içerir. Bundan ötürü, enerji akışı kontrolünü gerçekleştirmek için olası birçok çalışma durumu mevcuttur. Basit olarak, bunları içten yanmalı motor ağırlıklı ve elektrik ağırlıklı olarak iki gruba ayırabiliriz. İçten yanmalı motor ağırlıklı sistem, içten yanmalı motorun elektrik motorundan daha aktif olduğunu gösterirken, elektrik ağırlıklı sistem elektrik motorunun daha aktif olduğunu göstermektedir.
Şekil 3.4, altı çalışma durumunun bulunduğu içten yanmalı motor ağırlıklı seri- paralel karma sistemi göstermektedir. Kalkış anında, aküler aracı tahrik etmek için gerekli gücü tek başına sağlarken içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme sırasında hem içten yanmalı motor, hem elektrik motoru aracı tahrik etmek için gerekli gücü orantılı olarak bölüşürler. Normal sürüş sırasında, içten yanmalı motor gerekli gücü tek başına sağlarken, elektrik motoru kapalı durumdadır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında elektrik motoru generator olarak çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Sürüş sırasında aküyü şarj etmek için, içten yanmalı motor, hem aracın tekerleklerini tahrik eder, hem de generator aracılığıyla çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Aracın durduğu durumlarda, içten yanmalı motor aküleri şarj etmek için generatoru tahrik edebilir. Nissan Tino karma elektrikli aracında bu enerji akış kontrol sistemi uygulanmıştır.
Şekil 3.5, altı çalışma durumunun bulunduğu elektrik ağırlıklı seri-paralel karma sistemi göstermektedir. Kalkış anında ve düşük yüklerde, aküler aracı tahrik etmek için elektrik motorunu beslerken içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme ve normal sürüş durumunda, içten yanmalı motor ve elektrik motoru ikisi birden çalışarak aracı tahrik ederler. Anahtar farklılık, ivmelenme için kullanılan elektrik enerjisi, hem generator hem de aküden gelirken, normal sürüş sırasında yalnızca içten yanmalı motor tarafından tahrik edilen generator tarafından gelir. Bir planet dişlisi (planetary gear) içten yanmalı motorun çıkışını ayırmak için kullanılarak, aracı tahrik etmek ve generatoru tahrik etme işlevlerini gerçekleştirilir. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, elektrik motoru generator olarak çalışarak aküleri çevirici üzerinden şarj eder. Aynı zamanda, sürüş sırasında aküleri şarj etmek için içten yanmalı motor bir yandan generatoru tahrik ederken bir yandan da aracın tekerlerini tahrik eder. Araç dururken, içten yanmalı motor aküleri şarj edebilsin diye generatoru tahrik edebilir. Toyota Prius karma elektrikli aracı bu sistemi uygulamaktadır.[2]
14
Şekil 3.5 Seri-paralel karma elektrikli araç(elektrik ağırlıklı) çalışma durumları
3.1.2.4 Kompleks karma kontrol Adıyla da belirtildiği gibi, bu sistem diğer üç sınıflandırmaya dahil edilemeyecek kompleks bir konfigürasyon içerir. Kompleks karma, seri-paralel karma ile benzer görülmekle birlikte generator ve elektrik motorunun ikisi de elektrik makinasıdır. Bununla birlikte, esas farklılık kompleks karma sistemde elektrik motoru çift yönlü enerji akışı yaparken, seri-paralel karmada generator tek yönlü enerji akışı
15 sağlamaktadır. Bu çift yönlü enerji akışı, çok çeşitli çalışma durumlarına imkan tanırken, özellikle seri-paralel karma sistem tarafından gerçekleştirilemeyen üçlü tahrik(içten yanmalı motor ve iki elektrik motoru) çalışma durumunu gerçekleştirir. Seri-paralel karma elektrikli araca benzer şekilde, kompleks karma sistem yüksek derecede karmaşıklık ve yüksek maliyete sahiptir. Bununla birlikte, bazı yeni karma elektrikli araçlarda çift akslı tahrik sistemi bulunmaktadır.
Şekil 3.6 Kompleks karma (ön karma, arka elektrikli) elektrikli araç
16 Kompleks karma kontrolün geliştirilmesi, karma elektrikli araçlar için çift akslı tahrik sistemi üzerine odaklanmıştır. Bu sistemde, ön tekerleklerin aksı ve arka tekerleklerin aksı ayrı ayrı tahrik edilmektedir. Ön tekerlekler ve arka tekerlekler arasında bir aktarım ya da tahrik şaftı olmadığından, bu durum daha hafif bir tahrik sistemine ve araç içerisinde yerleştirme esnekliğine imkan tanır. Bununla birlikte, dört tekerde yapılan rejeneratif frenleme, aracın yakıt verimliliğini ve dolayısıyla yakıt ekonomisini önemli derecede arttırır.
Şekil 3.6’da, ön tekerleklerin karma bir sürüş sistemi ve arka tekerleklerin de bir elektrik motoru tarafından tahrik edildiği çift akslı bir kompleks karma sistem görülmektedir. Bu sistemde altı çalışma durumu vardır. Kalkış anında, akülerden çekilen enerji ile ön ve arka elektrik motorları, aracın ön ve arka akslarını ayrı ayrı tahrik ederken, içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme sırasında, içten yanmalı motor ve ön elektrik motoru birlikte çalışarak ön aksı tahrik ederken, arka elektrik motoru da aynı zamanda arka aksı tahrik etmektedir. Bu çalışma durumunun üç tahrik elemanı(bir içten yanmalı motor ve iki elektrik motoru) kullanılarak eş zamanlı bir şekilde aracı tahrik ettiğine dikkat edilmelidir. Normal sürüş ve/veya akü şarjı sırasında, içten yanmalı motorun çıkış enerjisi bölünerek hem ön aksı tahrik eder, hem de elektrik motorunu(generator olarak çalışan) tahrik ederek aküyü şarj eder. İçten yanmalı motor, ön elektrik motoru ve ön aksı birbirine akuple etmek için kullanılan mekanik bağlantı elemanı genellikle planet dişli esasına dayanır. Düşük yüklerde sürüş sırasında, akülerden çekilen enerjiyle sadece ön elektrik motoru çalıştırılarak ön aks tahrik edilirken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru kapalı durumdadır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, ön ve arka elektrik motorları ikisi birden aynı anda generator olarak çalışarak aküleri şarj ederler. Bu çift akslı sistemin kendine has bir özelliği, akslar arasındaki enerji dengeleme kapasitesidir. Ön tekerleklerin tahrik edilmeden döndüğü durumlarda, ön elektrik motoru generator olarak çalışarak, içten yanmalı motorun çıkış gücündeki değişimleri kullanır ve aküleri şarj eder. Bu güç farkı, daha sonra aküler üzerinden arka tekerlekleri tahrik ederek aksları dengelemek için kullanılır. Toyota Prius karma elektrikli aracının geliştirilmiş üst versiyonu, THS-C olarak adlandırdıkları bu enerji akış kontrol modelini kullanmaktadır.
17 Şekil 3.7’de, ön tekerleklerin bir elektrik motoru ve arka tekerleklerin de karma bir sürüş sistemi tarafından tahrik edildiği çift akslı başka bir kompleks karma sistem görülmektedir. Araç tahrik sisteminde altı çalışma durumu mevcuttur.
Kalkış anında akülerden çekilen enerji ile sadece ön elektrik motoru çalışarak aracın ön aksını tahrik ederken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru kapalı durumdadır. Araç hareket ettikten sonra, akü aynı zamanda arka elektrik motoruna
Şekil 3.7 Kompleks karma (ön elektrikli, arka karma) elektrikli araç
18 enerji ileterek, içten yanmalı motorun hızının artmasını çabuklaştırır ve böylece içten yanmalı motor çalışır. İvmelenme sırasında, ön elektrik motoru ön aksı tahrik ederken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru birlikte çalışarak arka aksı tahrik eder. Böylece, bu çalışma durumunda üç tahrik elemanı(bir içten yanmalı motor ve iki elektrik motoru) kullanılarak eş zamanlı bir şekilde araç tahrik edilir. Normal sürüş sırasında, içten yanmalı motor aracın arka aksını tahrik etmek için tek başına çalışır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, hem ön hem de arka elektrik motoru generator olarak çalışarak aküleri şarj ederler. Sürüş sırasında akü şarjı için, içten yanmalı motorun enerji çıkışı bölünerek, hem arka aksı tahrik eder hem de arka elektrik motorunu tahrik ederek onu generator olarak çalıştırıp aküleri şarj eder. GM Precept karma elektrikli aracı bu enerji akış kontrol sistemini kullanmaktadır.
3.2 Elektrik Motorları
Elektrikli tahrik sistemi, karma elektrikli aracın kalbi olarak nitelendirilebilir. Elektrikli tahrik sistemi, motor sürüş sisteminden aldığı hareket enerjisini transmisyon üzerinden tekerlere iletir. Bazı durumlarda, transmisyon olmadan tekerler doğrudan elektrik motoru tarafından sürülebilir. Elektrik motoru, güç elektroniği anahtarlama elemanları ve elektronik kontrol ekipmanlarından oluşan motor sürücüsü, karma elektrikli araç tahrik sisteminin çekirdeğini oluştururlar. Karma elektrikli araçtaki elektrik motor sürüş sisteminin ana gereksinimleri aşağıda özetlenmiştir.
Yüksek anlık güç ve yüksek güç yoğunluğu Kalkış ve yokuş tırmanma durumları için düşük hızlarda yüksek moment; normal seyir sırasında yüksek hızlarda yüksek güç Sabit moment ve sabit güç bölgelerini içeren çok geniş hız aralığı Moment ihtiyacına hızlı cevap verebilme Geniş hız ve moment aralıklarında yüksek verim Rejeneratif frenleme için yüksek verim Aracın değişik çalışma koşulları için yüksek güvenirlik ve sağlamlık Kabul edilebilir seviyede maliyet
Karma elektrikli araçlardaki elektrik tahrik sistemlerinin seçimi, esas olarak üç faktöre bağlıdır. Bunlar; sürücünün beklentileri, araç kısıtları ve enerji kaynaklarıdır.
19 Sürücünün beklentileri; ivmelenme, en yüksek hız, tırmanma kabiliyeti, frenleme ve menzil özelliklerini içeren sürüş profili ile tanımlanır. Araç kısıtları; aracın çeşidine, araç ağırlığına ve aracın taşıdığı yüke bağlıdır. Enerji kaynakları ise; aküler, yakıt pilleri, süperkapasitörler, volanlar(flywheel) ve değişik karma kaynaklarla ilgilidir.[3]
Aracı tahrik etme görevini yerine getiren elektrik motorları, araç üzerindeki enerji kaynaklarından aldıkları elektrik enerjisini, araç yüklerine göre, uygun moment ve hız gereksinimlerini karşılayacak şekilde mekanik enerjiye çevirir. Etkili bir uygulama için, sürüş sisteminin genel gereksinimleri ve kullanıldığında araç üzerinde ortaya çıkan etkileri Tablo 3.1’de verilmiştir. Araçtaki gereksinimlere göre, teknik ve ekonomik faydalar değerlendirilip bir seçim yapılır. Seçilen teknolojinin olgunluğu ve uygulama için ilave mühendislik ve dizayn değerlendirmesi gerekliliği de ek olarak göz önüne alınır.[4]
Tablo 3.1 Elektrik tahrik sisteminden beklentiler ve sonuçları Gerekli özellik Sonuçlar Sürekli ve yumuşak sürüş cevabı Sürüş konforu Yüksek verim Menzil, Enerji tasarrufu Frenleme esnasında enerji kazanımı Enerji tasarrufu Tekerleklere gelen yüksek özgül güç Araç performansı, ağırlık Araca entegre etmeye uygunluk Araç yapısı Düşük bakım ihtiyacı Düşük işletme maliyeti Güvenirlik Ömür çevrim maliyeti,Kullanıcı kabulü Düşük ilk maliyet Ömür çevrim maliyeti Düşük gürültü Sürüş konforu
Elektrik tahrik sistemlerinin gelişimi, değişik teknolojilerdeki büyümeye; özellikle elektrik motorları, güç elektroniği, mikro elektronik ve kontrol stratejisi teknolojilerine bağlıdır. Şekil 3.8, elektrik tahrik sistemlerine genel bir bakış altında, elektrik motor çeşitlerini, bilgisayar destekli tasarım metodolojilerini, güç elektroniği elemanları ve topolojilerini, kontrol donanımları, yazılımları ve stratejilerini göstermektedir. Günümüzde motor teknolojisi ile ilgili olarak; sonlu elemanlar yöntemiyle bilgisayar destekli tasarım analizi yapılan asenkron motorlar ve sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar en elverişli pozisyonda olanlardır. Güç elektroniği teknolojisinde, darbe genişlik modülasyonlu IGBT eviriciler en popüler olanlarıdır.
20 Kontrol teknolojisinde ise mikroişlemci veya dijital sinyal işlem tabanlı vektör kontrolleri oldukça yaygındır.
Moment-hız karakteristiklerinin, aracın tahrik gereksinim karakteristiğine uymasından ve hız kontrollerinin basit olmasından dolayı doğru akım motorları eskiden beri elektrik tahrik sistemlerinde önemli bir yere sahiptir. Bununla birlikte, doğru akım motorlarında bulunan komütatör düzenli bakım gerektirmektedir. Günümüzde, komütatörsüz motorlar teknolojik gelişmeler ile yeni bir çağ açmış ve daha yüksek verim, daha yüksek güç yoğunluğu, daha düşük işletme maliyeti ve doğru akım motorlarına göre daha az bakım ve daha çok güvenirlik sunmaktadır.
Şekil 3.8 Karma elektrikli araç elektrik tahrik sisteminin genel görünümü
Yüksek güvenirlik ve bakımsız işletme koşulları, karma elektrikli araçlardaki elektrik tahrik sisteminde dikkat çeken konular haline gelince, komütatörsüz motorlar daha etkileyici hale gelmiştir. Asenkron motorlar, olgunlaşmış teknolojileri, yüksek güvenirliği ve bakım gereksinimi olmama özelliği ile karma elektrikli araç tahrik sistemleri olarak geniş bir kabul görmüşlerdir. Bir değişik alternatif olarak, sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar, magnetik alanı üretmek için sürekli mıknatıs kullandıklarından ötürü umut vadetmektedirler. Böylelikle, yüksek verim ve yüksek güç yoğunluğu elde edilebilmektedir. Anahtarlamalı relüktans motorlar, basit ve sağlam yapılarından dolayı bu alanda potansiyel göstermektedir. [2]
21 Elektrik motorları her zaman uygulamanın gerektirdiklerinin bir fonksiyonu olarak değerlendirilmelidir. Örneğin, bir motor diğer çeşit motorlara göre belirli çalışma bölgelerinde daha verimliyken, bazı çalışma bölgelerinde daha verimsiz olabilir. İyi bir karşılaştırma yapabilmek için, sadece maksimum verimlerini karşılaştırmamak, belirli bir hızdaki çalışma bölgesine göre verim haritasına da bakmak gereklidir. Tablo 3.2’deki karşılaştırma, sürekli mıknatıslı motorların elektrikli araçlar için avantajlı olduğunu göstermektedir. Gerçekten, sürekli mıknatıslı motorlar performans göstergelerinde önemli birçok özelliğe sahiptirler. Fakat üretim maliyeti göz önüne alındığında, mıknatısların yüksek maliyeti ve motorun göreceli olarak yapımındaki karmaşıklık hesaba katılmalıdır. Fiyat esas alınırsa, genel sonuçlarda asenkron motorlar avantajlı görülecektir. Bununla birlikte, anahtarlamalı relüktans motoru da çeşitli uygulamalar için dikkat çeken bir motordur.[5]
Tablo 3.2 Karma elektrikli araçlardaki elektrik motorlarının değerlendirilmesi Motor Tipi Asenkron Sürekli Anahtarlamalı Doğru Senkron motor mıknatıslı relüktans akım motor motor motoru motoru Motor boyut 0 + 0 - 0 ağırlık Yüksek hız + + + - - Dayanım, + 0 + - - bakım Verim 0 + 0 - 0 Kontrolör 0 0 0 + 0 boyut ağırlık Kontrol + + - + 0 kolaylığı Güç elemanları 0 0 + + 0 sayısı Güvenirlilik 0 0 0 0 0 Toplam +++ ++++ ++ -- --
İlk elektrikli araç prototiplerinin çoğunda seri uyarmalı ya da elektronik kıyıcılar tarafından kontrol edilen dıştan uyarma devreli doğru akım motorları bulunmaktaydı. Şekil 3.9’da, dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi görülmektedir. Tasarım şekilleri ve ekonomik kısıtlar fırçalı teknolojinin seçimini desteklemiştir. Seri motorlar sadece bir DC/DC çevirici ünitesine ihtiyaç duyarlar. Elektrikli araçlarda seri bir motor kullanıldığında, klasik sabit moment-sabit güç
22 karakteristiğinden çok spesifik moment hız eğrisi esas alınır. Frenleme ve geri yönde sürüş için, devrede ilave elemanlara ihtiyaç duyulur, çünkü alan ya da armatür bağlantılarının değişmesi gereklidir. Bunu yapmak için en az dört anahtarlama elemanına ihtiyaç vardır. Frenleme için, sürüş sistemi kararsızlık durumuna karşı korunmalıdır.
Dıştan uyarmalı DC motorlar, seri uyarmalı motorlarla karşılaştırıldığında ilave bir kontrole ihtiyaç duyarlar. Alan akımı, armatür akımından bağımsızdır. Bu düşük akım çoğunlukla bir tranzistörlü alan akım kıyıcısıyla kontrol edilir. Bu durumda, sabit moment-sabit güç çalışma alanı sistematik olarak 1/4’lük bir hız oranına indirgenir. Geri sürüşlerde, iki bölgeli kıyıcı bir devre ile armatür akımı ters çevrilir.
Şekil 3.9 Dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi
Günümüz bakış açısıyla, IGBT’ler elektrikli araçlarda en yaygın kullanılan anahtarlama elemanıdır. Sadece, akü gerilimlerinin düşük olduğu(100V) çeviricilerde ve çok yüksek frekanslı çeviricilerde(DC/DC çevirici, şarj devresi) MOSFET anahtarlar görülmektedir. Bununla birlikte, son yıllarda yarı iletken anahtarlardaki erişilebilirliğin artması, tasarım tekniklerinin ve maliyetlerin azalması dolayısıyla güç elektroniği teknolojisindeki gelişmeler fırçasız motorların geliştirilmesi yolunu açmıştır. Bu durum motor tasarımcılarını, motorun dönüş hızı, akımı ve bakım gereksinimi kısıtlarında rahatlatarak sürüş sisteminin verimliliği, ağırlığı ve tasarım esnekliği konularında olumlu etkiler yaratmıştır.
Elektrik makinalarındaki ve sürüş sistemlerindeki gelişmeler, istenen moment-hız karakteristiğine ulaşmak için, motor tipine ve uygulamanın gerekliliklerine göre, gerilim, akım, uyarma akımı, vektör kontrolü gibi değişik kontrol çözümleri getirmiştir.[4]
23 3.2.1 Asenkron motorlar
Asenkron motorlar, günümüzde değişik komütatörsüz motorlar arasında en olgunlaşmış teknolojiye sahiptir. Şekil 3.10, asenkron motorun sabit moment, sabit güç ve yüksek hız çalışma bölgelerinden oluşan çalışma karakteristiğini göstermektedir.
Karma elektrikli araç tahrik sisteminde, asenkron motorun dinamik performansını geliştirmek amacıyla genellikle vektör kontrolü tercih edilir. Vektör kontrolü, nominal hızın üç-dört katına varan geniş bir hız aralığında çalışma imkanı sunsa da, yüksek hızlardaki verim buna orantılı olarak azalmaktadır.[3]
Şekil 3.10 Asenkron motorun çalışma karakteristik eğrisi
Asenkron bir makinanın çalışma prensibi, değişken bir stator alanı ile rotor-stator arasındaki hız farkından kaynaklanan, rotorda indüklenen akıma bağlı alan arasındaki etkileşim esasına dayanır. Değişken hız sürücülerinde, evirici, darbe genlik modülasyonu tekniğini kullanarak(PWM), DC besleme kaynağını üç fazlı gerilime, değişken frekans ve genlikteki sinüzoidal kaynağa çevirir. Toplam mekanik çıkış, farklı frekanslardaki makine karakteristiklerinin birbirini izlemesi sonucu oluşur. Faz akımının moment ve alan bileşenleri üzerindeki değişiklik imkanı, bir tahrik karakteristiği gerçekleştirme imkanı verir. Asenkron motorlar, günümüzdeki elektrikle tahrik edilen araçların teknik ve ekonomik gereksinimlerini karşılayabilecek bir çözümdür. Bütün hız karakteristiği boyunca verimleri yeteri
24 derecede iyidir. Normal çalışma koşulları altında verimleri %80-86 arasındadır. Maksimum çalışma hızları yüksektir. Örneğin binek araçları için 30-50 kW arasındaki motorlarda 15000 d/d(devir/dakika)’ya kadar çıkmaktadır. Yüksek hız kabiliyeti, bir dişli kutusu ihtiyacı doğurmaktadır. Fakat böylece, aşağıdaki özelliklere sahip olan bir tasarım haline gelmektedir.
Düşük ağırlık ve hacim Aynı boyutlardaki bir DC motora göre daha yüksek özgül güç Akı zayıflatma bölgesi yeterince geniş(sabit moment bölgesi üç ya da dört katına çıkmakta), böylelikle elektronik çeviriciyi boyutlandırırken gücün önemli derecede azalması Sensörsüz teknikler kullanılarak pozisyon algılayıcılarından kaçınma Sağlamlık ve üretim kolaylığı Düşük üretim maliyeti Moment üretim tekniği ve sürekli mıknatısların olmayışı, sürüş sisteminin arızalarını toleranslı hale getirmektedir.[5]
L
V dc M C 3 ~
Şekil 3.11 Asenkron motorlar için evirici devresi
AC motorlar, sinüzoidal bir gerilim tarafından ya da bazı uygulamalarda trapezoidal bir gerilim ile sürülmeye ihtiyaç duyarlar. Bu durum, darbe genişlik modülasyonu modunda çalışan bir üç fazlı eviricinin DC gerilim kaynağı ile beslenmesiyle gerçekleşir. Şekil 3.11’de asenkron motorları sürmek için kullanılan bir evirici devresi görülmektedir.
Elektrikli araçlar için tasarlanan günümüz eviricilerinde bipolar tranzistörler, MOSFET’ler ve çoğunlukla IGBT’ler kullanılmaktadır. Üç fazlı tam köprü düşük
25 akım modülleri uygun fiyatlara mal edilebilmektedir. Evirici kontrol ünitesi üç fazlı gerilim üretmektedir. Rejeneratif frenleme ya da ters yönde sürüş, ilave bir yarı iletken anahtara ihtiyaç duymadan gerçekleştirilir. Alan kontrolü her zaman uygulanmaz. Göreceli olarak daha düşük frekanslardaki DC kıyıcı devrelerle karşılaştırıldığında eviriciler, akülerdeki akım darbelerini azaltmak için daha büyük bir filtreye ihtiyaç duyarlar. Şekil 3.11’de gösterilen evirici devresi senkron motorlar için de kullanılır.[6]
3.2.2 Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar
Diğer modern motor sürüş sistemlerinin arasında, asenkron motor sürüş sistemi ile yarışmaya en kabiliyetli olan sistem, sürekli mıknatıslı fırçasız motorlardır. Bu sistemin avantajları aşağıda sıralanmıştır.
Şekil 3.12 Sürekli mıknatıslı fırçasız motor moment-hız karakteristiği
Magnetik alan, yüksek enerjili sürekli mıknatıslar tarafından uyarıldığından dolayı, belirli bir çıkış gücü için toplam ağırlık ve hacim önemli derecede düşürülerek daha yüksek güç yoğunluğu elde edilir. Rotor bakır kayıpları olmadığından dolayı, verimleri doğal olarak asenkron motorlardan daha yüksektir. Sıcaklık esas olarak statorda meydana geldiği için, etrafa dağıtılması daha yüksek verimle yapılabilir. Sürekli mıknatısla uyarma, üretim hataları riskinden, aşırı ısınmadan veya mekanik hasardan daha az etkilendiğinden güvenilirliği daha yüksektir.
26 Rotorun daha düşük elektromekanik zaman sabitinden dolayı, belirli bir güçteki rotor ivmelenmesi arttırılabilir.
Sürekli mıknatıslı fırçasız motorun hız aralığını arttırmak ve verimliliğini geliştirmek için güç elektroniği çeviricisinin iletim açısı, nominal hızın üzerinde kontrol edilebilir. Şekil 3.12, sürekli mıknatıslı fırçasız motorun iletim açısı kontrolü yapılarak elde edilen moment-hız karakteristiğini göstermektedir. Hız aralığı, nominal hızın üç ila dört katına kadar ulaşılabilir. Bununla birlikte, çok yüksek hızlarda verim düşebilir, sürekli mıknatıs demagnetizasyondan ve olası hatalardan etkilenebilir. Değişik yapılarda sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar mevcuttur. Sürekli mıknatısın düzenlenişine göre, temel olarak yüzeye monteli ya da gömülü mıknatıs motor tipleri bulunmaktadır. Yüzey mıknatıs tasarımlı motorlarda daha az mıknatıs kullanılırken, gömülü mıknatıs tasarımlar daha yüksek hava aralığı akı yoğunluğuna ulaşabilirler. En çok kullanılan sürekli mıknatıs neodmiyum-demir borondur. Sürekli mıknatıslı karma motor olarak adlandırılan bir başka motor çeşidi, hava aralığı magnetik alanını, sürekli mıknatıs ve alan sargısının birleşiminden elde eder. Sürekli mıknatıslı karma motorlar, daha geniş hız aralığı ve daha yüksek verim sunarken yapısı daha karmaşıktır.[3]
Günümüzde kullanılan bazı sürekli mıknatıslı motorlar, trapezoidal dağıtılmış magnetik alana sahiptir. Çok fazlı sargılar buna karşılık bir eviriciye bağlıdır. Bu yüzden sürekli mıknatıslı motorlar, elektronik olarak komütatörlü ya da fırçasız DC motor olarak adlandırılır. Sargılar, bir alan bölümü altında anahtarlanabilir ya da magnetik alan dağıtımına adapte edilebilir. Ancak, fazların sayısının artması ile birlikte yarı iletken anahtarların sayısı da artar. Bu yüzden, üreticiler üç fazlı motorları tercih etmektedirler. Sürekli mıknatıslı motor eviricisinin güç kısmı, asenkron motorlar için tasarlanan eviricilere benzerdir. Evirici kontrolünde sürekli mıknatıslı motorlar için özel bir durum göz önünde bulundurulmalıdır. Kutupların pozisyonları, bir algılayıcı sistemi ile ya da motor gerilimi ile kontrol edilmelidir. Asenkron motorlar ya da dıştan uyarmalı doğru akım motorlarla karşılaştırıldığında, anma hızının üzerindeki bir aralıkta çalışma durumu basit değildir. Bu durumda, kontrol reaktif akım ile ya da daha büyük bir kutup açısı ile gerçekleştirilebilir. Frenleme bölgesinde çalışma mümkündür. Sabit moment ve sabit güç çalışma bölgesi arasındaki oran asenkron motorunkinden biraz farklı olacaktır.[6]
27 3.2.3 Anahtarlamalı relüktans motoru
Anahtarlamalı relüktans motorlarının karma elektrikli araç uygulamaları için potansiyele sahip olduğu görülmektedir. Anahtarlamalı relüktans motorlar, basit yapı, düşük üretim maliyeti avantajlarına sahiptirler ve elektrikli araç tahrik sistemi için moment-hız karakteristiğini karşılamaktadırlar. Konstrüksiyonlarındaki basitliğine karşın, tasarım ve kontrolünde basitlik içermez. Kutup uçlarındaki şiddetli doyma ve kutupların saçak etkisinden dolayı, tasarım ve kontrolü zor ve inceliklidir. Aynı zamanda, genellikle akustik gürültü problemi gösterirler. [3]
T13 T24 Vdc L1 L3 L2 L4 T1 T3 T2 T4
Şekil 3.13 Anahtarlamalı relüktans motoru için evirici devresi
Anahtarlamalı relüktans motoru, düşük güçlerdeki yüksek verimliliğinden ve düşük malzeme maliyetinden dolayı elektrikli araçlar için önerilmektedir. Çeşitli kontrol tipleri mevcuttur. Basit anlamda, her bir bobin iki yarı iletken anahtar arasında bağlıdır. Sadece bir akım yönü gerekliliği vardır. Birden çok fazlı anahtarlamalı relüktans motorunda, bazı bobinler için çeviricinin içerisinde bir kombinasyon gerçekleştirilebilir. Şekil 3.13’te dört fazlı anahtarlamalı relüktans motoru için altı yarı iletken anahtarlı bir çevirici görülmektedir.[6]
3.3 Yakıt Pilleri
Araçlarda kullanılan içten yanmalı motorun daha verimli, daha düşük emisyonlu alternatif güç kaynaklarıyla değiştirilebilme olasılığı 1960’lardan beri düşünülmektedir. O zamandan beri, yakıt pillerinin, içten yanmalı motorun yapabileceklerinin benzerini veya daha iyisini yapabilme kabiliyetine sahip olduğu geniş kabul görmüştür. Bu görüş, bugün çoğunlukla desteklenmektedir. Yakıt pili 1839 yılında William Grove tarafından keşfedilmiştir. İçten yanmalı motorlardaki Carnot çevriminin verimiyle kıyaslandığında, yakıt pillerinin verimliliği daha yüksek olduğundan dolayı yakıt pillerinin araç uygulamalarında yer edineceği ilk kez Wilhelm Ostwald tarafından öne sürülmüştür. Yakıt pili teknolojisinin araç
28 uygulamaları ve sabit uygulamaları alanında 20.yüzyılda önemli rönesanslar gerçekleşmiştir. 1950 ve 1960’lı yıllarda, sanayileşmiş ülkelerde, şehir hava kalitelerinin kötüye gitmesinden dolayı yakıt pillerinin temiz emisyonları, etkileyici bir özellik haline gelmiştir. 1970’lerdeki petrol krizi de, yüksek verimli yakıt pilinin, araç uygulamalarında, içten yanmalı motorun yerini almasını desteklemiştir. Ne yazık ki, o yıllarda yakıt pillerinin maliyetlerinden dolayı içten yanmalı motorla boy ölçüşemediği görülmektedir. 1990’lardan bugüne gelene kadar, artan bir ilgi ile yakıt pillerinin araç uygulamalarında ticarileştirme çalışmaları devam etmektedir.
Yakıt pilleri, elektroaktif kimyasalları tüketerek enerji üretir, bu kimyasallar hücreye sağlandığı sürece yakıt pili sürekli olarak enerji üretebilir. Bir yakıt pilini anlatmanın en kolay yolu, elektrolizin tersi olduğunu söylemektir. En basit anlamda, hidrojen ve oksijenin elektrokimyasal dönüşüm ile suya dönmesidir. Hidrojen, anotta hidrojen iyonlarına ve elektronlarına ayrılır. Elektronlar, dış devre üzerinden katoda akar, hidrojen iyonları elektrolit üzerinden katoda akarlar ve oksijen ile elektronlarla reaksiyona girerek suyu oluştururlar. Teorik elektromotor kuvveti veya hidrojen- oksijen hücresinin potansiyeli 1 atm, 25C standart koşullarda 1.23 V’dur. Ancak pratik akım yoğunluklarında ve çalışma koşullarında bir hücrenin tipik gerilimi 0.7- 0.8 V arasındadır. Bu yüzden, yakıt pilleri seri hücrelerin bağlanmasından oluşur. Hidrojen, yakıt pili için ideal bir çevre kirletmeyen yakıt olarak görülmektedir. Çünkü bütün yakıtlar arasında, birim ağırlık başına en yüksek enerjiye sahiptir ve yakıt pili reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan ürün sadece sudur.[3]
Tablo 3.3 Önemli yakıtların teorik enerji karakteristikleri Özgül enerji(Wh/kg) Enerji yoğunluğu(Wh/l) Sıkıştırılmış hidrojen gazıa 33600 600 Sıvı hidrojenb 33600 2400 Magnezyum hidrid 2400 2100 Vanadyum hidrid 700 4500 Metanol 5700 4500 Benzin 12400 9100 a Ortam sıcaklığında ve 20 MPa basınçta b Krojenik sıcaklıkta ve 0.1 MPa basınçta
Hidrojen, birincil bir yakıt olmadığı için, genellikle bir yakıt dönüştürücüsü tarafından hidrokarbonlar, metanol ve kömür gibi çeşitli birincil yakıtlardan elde edilir. Hidrojeni depolamanın üç ana yolu vardır. Bunlardan birincisi, sıkıştırılmış
29 gaz(compressed hydrogen gas-CHG) olarak depolamaktır. Sıkıştırılmış doğal gaza benzer şekilde, sıkıştırılmış hidrojen gazı, 20-34.5 MPa basınçta fiberglasla kuvvetlendirilmiş alüminyum tanklarda depolanabilir. İkinci olarak, kaynama noktasının altına düşürülerek(-253C) sıvı hale getirilir ve krojenik tanklarda depolanır. Üçüncü olarak, magnezyum ve vanadyum gibi bazı metallerle reaksiyona girdirilerek metal hidridleri oluşturması sağlanır. Reaksiyon, geri çözünürlüğün sıcaklığına bağlı olarak tersinirdir. Tablo 3.3, değişik formlarda depolanan hidrojeni, sıvı metanol ve sıvı benzini içeren bazı önemli yakıtların teorik enerji içeriklerini göstermektedir.
Tablo 3.4 Yakıt pillerinin karakteristikleri PAFC AFC MCFC SOFC PEMFC DMFC Çalışma 150-210 60-100 600-700 900-1000 50-100 50-100 Sıcaklığı (C) Güç 0.04- yoğunluğu 0.2-0.25 0.2-0.3 0.1-0.2 0.24-0.3 0.35-0.6 0.23 (W/cm2) Ömür(binsaat) 40 10 40 40 40 10 Maliyet 1000 200 1000 1500 200 200 (US$/kW) Devreye alma 1-4 <0.1 5-10 - <0.1 <0.1 zamanı(saat) Verim 32-45 dolaylı 36-45 >50 43-55 43-55 - >50 doğrudan H2
Sıkıştırılmış hidrojen gazı, depolama, düşük ağırlık, düşük maliyet, olgunlaşmış teknoloji ve yeniden yakıt haline hızlı gelme kabiliyetinin avantajlarını sunmakla birlikte büyük hacimli boyutlar ve güvenlik yönünden dezavantajlıdır. Sıvı hidrojen, yüksek özgül enerji ve yakıta hızlı dönüşme kabiliyetini birlikte sunarken pahalı üretim ve gaz haline geçmedeki istikrarsızlık dezavantajlarını birlikte getirir. Metalhidridler, kompakt boyutlar ve esas güvenlik özelliklerini sağlarken, çok yüksek sıcaklıkta ayrışma sıcaklığı(magnezyum hidrid 287C) veya göreceli olarak düşük özgül enerjiye(vanadyum hidrid 700Wh/kg) sahip olmanın sıkıntısını çekmektedirler.
Yakıt pili sistemleri arasında yakıtın çeşidi, elektrolidin çeşidi, yakıt ve çalışma sıcaklığının çeşidi gibi çok fazla sayıda değişken olduğundan dolayı literatürde
30 birçok sınıflandırma görülmektedir. Yakıt pillerinin altı çeşidi bulunmaktadır. Sabit uygulamalar ve araç uygulamaları için geliştirilen bu çeşitler şunlardır.
Fosforik asit yakıt pili(phosphoric acid fuel cell-PAFC) Alkali yakıt pili(alkaline fuel cell-AFC) Ergimiş karbonatlı yakıt pili(molten carbonate fuel cell-MCFC) Katı oksit yakıt pili(solid oxide fuel cell-SOFC ) Polimer elektrolit zarlı yakıt pili(polymer electrolyte membrane - proton exchange membrane fuel cell-PEMFC) Doğrudan metanollü yakıt pili(Direct methanol fuel cell-DMFC)
Bu sistemlerin bazı çalışma karakteristiklerinin bir özeti Tablo 3.4’te verilmiştir.
MCFC ve SOFC yüksek çalışma sıcaklıklarından dolayı, sırasıyla 600C ve 900C, araç uygulamaları pratik olarak zorlaşmaktadır. DMFC, otuz yıldır geliştirilmekte olmasına karşın bu teknoloji halen olgunlaşmamıştır. Elde edilen güç seviyesi ve güç yoğunluğu pratik araç uygulamaları için çok düşüktür. Diğerleri, PAFC, AFC, PEM tipi yakıt pilleri araç uygulamaları için teknik olarak mümkündür.
Şekil 3.14 Yakıt pilli karma elektrik araç uygulamasının şematik görünümü
PEM tipi yakıt pili teknolojisindeki gelişmelerle birlikte bu yakıt pilleri, elektrikli araç uygulamalarında AFC’ye göre avantajlı hale gelmiştir. Bunun ana sebepleri,
31 yüksek güç yoğunluğu ve daha uzun çalışma zamanı, bununla birlikte düşük çalışma sıcaklıklarını sağlamak ve ekonomik olarak maliyetlerinin daha düşük olmasıdır. Böylelikle, elektrikli araçlar için yakıt pilleri konusunda günümüz araştırma geliştirme çalışmaları PEM yakıt pilleri üzerine odaklanmıştır. Şu anki çalışmalardaki kilit nokta, katı polimer çekirdeğin ve platinyum elektrokalist elektrotların malzeme maliyetlerini düşürmektir. Sıvı yakıtın belirgin avantajını elde tutarken, DMFC’nin noksanlıklarından uzaklaşarak, metanol yakıtlı PEM yakıt pilleri, elektrikli araçlar için giderek daha etkileyici hale gelmektedir.[7] Şekil 3.14’te yakıt pilli karma elektrikli araç sisteminin şematik görünümü ve Şekil 3.15’te de araç üzerindeki uygulaması gösterilmiştir.[8]
PAFC, MCFC ve SOFC teknolojileri, yük dengeleme, ev ve ticari enerji üretimi ve yedek güç gibi sabit uygulamalar için geliştirilmiştir. Bununla birlikte, PAFC’nin otobüsler için bir güç kaynağı olarak kullanıldığı bazı çalışmalar yürütülmektedir. Bu arada, BMW şirketi, katı oksit yakıt pilinin(SOFC), arabalarda, otobüslerde ve kamyonlarda, araç hareket halinde olmadığı durumlarda ısıtma, klima ve elektrikle yapılan işlemler için kullanılmasını araştırmaktadır.
Şekil 3.15 Yakıt pili sisteminin araç üzerindeki uygulaması
PEM yakıt pili, diğerlerine göre daha küçük boyutları ve devreye alma süresinin kısa olmasından dolayı araç uygulamalarında özellikle dikkat çekmektedir. Bir aracı enerjilendirmek için en basit ve en pratik PEM yakıt pili sistemi, yakıtın doğrudan elektriğe çevrildiği doğrudan hidrojen veya doğrudan metanol uygulamalarıdır. Hidrojen besleme altyapısının, güvenli ve verimli hidrojen depolama sistemlerinin olmamasından dolayı, yakıt pilini uygun yakıta göre tasarlamak yaklaşımıyla,
32 halihazırda bulunan sıvı yakıtlardan benzin ve metanolün kullanımına gidilmektedir. Bu yaklaşımın getirdiği sorun, yakıt piline saf hidrojen beslemek için yakıtı dönüştüren küçük bir rafinerinin araç içine yerleştirilme ihtiyacıdır. Bununla birlikte, yakıt pilinin katalitik elektrotlarının zehirlenmemesi için hidrojen hiç sülfür içermemeli ve sadece milyonda birkaç karbonmonoksit bulundurmalıdır. Bu teknoloji, bazı emisyonların üretimi, toplam sistem veriminde azalma ve sistem karmaşıklığında artış gibi problemleri de beraberinde getirmektedir. Aslında, bu sistemin tek avantajı bilinen bir yakıtın kullanılmasıdır. Ancak, kullanılacak benzin, sülfür içermemelidir, bu da içten yanmalı motorda kullanılan yakıttan farklı olması gerektiği anlamına gelir.
Bu sistemin aracı sürme kabiliyeti konusunda olduğu kadar, bu metod ve böyle bir dolaylı sistemin toplam devreye alma süresi konusunda da kaygılar vardır. Sürüş kabiliyeti, aracın gaz pedalına basıldığında duruş pozisyonundan yumuşak şekilde hareket haline geçme kabiliyetidir. Doğrudan yakıt beslemesi olmayan dolaylı bir yakıt pili sisteminin, yakıt işlemcisinin geçici hal cevabı, araç sürüş kabiliyetinin iyi olmasını sağlayacak derecede hızlı olmalıdır. Birçok yönden, dolaylı bir sistem, yakıt pilinin bilinen bir yakıtla çalıştırılmasında övgüye değer özellikler içermektedir.
Araçları tahrik etmek için kullanılan en basit ve en iyi yakıt pili sistemleri, ön bir işlem ihtiyacı duyulmadan yakıtın doğrudan yakıt pili içerisinde dönüştürüldüğü sistemlerdir. Buna aday dört sistem, doğrudan hidrojen beslemeli PEM tipi yakıt pili, doğrudan hidrojen beslemeli AFC yakıt pili, doğrudan metanol yakıt pili ve sıvı asit elektrotlu doğrudan hidrojen ya da metanol yakıt pilleridir.
DMFC’yi ele alacak olursak, halen üstesinden gelmesi gerekilen teknik zorluklar bulunmakta ve ticarileşmekten en uzak olan tiptir. Özet olarak, DMFC, çözülmemiş metanol tortularından dolayı platinyum esaslı elektrokatalistlerin zehirlenmesinden zarar görür ve bu da hücre performansının düşmesine neden olur. Bu problemi çözmek üzere, platinyum ile birleşmesi için daha etkili bir yardımcı katalizör bulunması gerekir. Otuz yıl önce, platinyum-rutenyum alaşımlarla desteklenmiş karbon malzemeler, metanolün elektro-oksidasyonu için en iyi katalizörlerdir. Bu katalizör sistem en etkin olma özelliğini korumakla birlikte, birtakım gelişmeler göstermiştir. 1970’lerdeki performans ile bugünkünü karşılaştırmak zordur. Ancak, önceki çalışmalar PEM elektrolitten çok, sülfirik asit üzerinde yoğunlaşmıştır. PEM
33 elektrolitte, aynı zamanda metanolün hava elektroduna geçiş problemi mevcuttur. Metanol, yüksek oranda suyla birleşmiş hidronyum iyonları tarafından transfer edilerek çözüm yoluna gidilmiştir. Bu şekildeki geçiş sistem verimini düşürerek, yakıtın hava buharında kaybına ve hava elektrodunun zehirlenmesine neden olmaktadır. Metanol geçişinin, devirdayımlı sıvı sülfirik asit elektrodu ve uygun bir çok küçük delikler içeren zar ile, bir katı PEM elektrolitine göre daha kontrol edilebilir olduğu görülmüştür. Özetle, hem sıvı asit, hem de PEM tipi DMFC yakıt pilleri diğer bütün direkt hidrojen sistemlerine göre ticarileşmekten daha uzak görünmektedirler.
Direkt hidrojen tipi PEMFC yakıt pilleri etkileyici özellikler göstermektedir. Yüksek sıcaklıklarda çalışan Ballard tipi sistemlerle ve ortam basıncına yakın çalışan IFC sistemleriyle mükemmel sonuçlara ulaşılmıştır. Bununla birlikte, maliyete ilişkin kesin bir veri yayımlanmamış olmasına rağmen toplam sistem maliyeti içten yanmalı motorla yarışabilmek için halen çok pahalıdır. Gösterilen ilerlemelerle birlikte, PEMFC yakıt pili sistemlerinin daha az pahalı hale gelmesi için olumlu olasılıklar mevcuttur. Doğrudan hidrojen AFC yakıt pilleri çok fazla dikkat çekmemektedir. AFC yakıt pillerinin basitlik ve ucuzluk faydalarını sundukları hakkında bir şüphe olmamasıyla birlikte, asit sistemlerle karşılaştırıldığında malzeme seçiminde daha fazla esneklik vardır. PEMFC yakıt pillerindeki pahalı platinyum katalistlerin tersine, hidrojen ve hava elektrotları için düşük maliyetli temel metal katalistler kullanılabilir. ZeTech, AFC yakıt pili sistemlerinin geliştirilmesinde oldukça etkin bir rol oynamakta ve üretim için küçük montaj hatları oluşturmaktadır.
PEM yakıt pili ya da AFC yakıt pili sistemlerle tahrik edilen araçların yaygınlaşmasının önündeki önemli iki engel, hidrojenin yakıt olarak kabul edilmesi ve araç üzerinde uygun bir hidrojen depolama yönteminin eksikliğidir. Buna bağlı olarak, hidrojeni kullanma sırasındaki güvenlik esasları ve bu gazın büyük miktarlarda taşınması ve dağıtımı için altyapının olmayışı problem noktalarıdır. Araçların üzerinde hidrojen depolama konusu ikinci büyük teknik zorluktur. Kabul edilebilir bir sürüş menzili sağlayabilmek için, tanklardaki sıkıştırılmış hidrojenin basıncının 34 MPa’dan fazla olması gerekir. Bu depolama tankı aynı zamanda ağırlık ve hacim dezavantajlarını beraberinde getirmektedir. Hidrojenin krojenik sıvı olarak depolanması, -253C gibi bir sıcaklık gerektirmekte ve bu da sıvılaştırma sürecinde
34 Tablo 3.5 Yakıt pilli karma elektrikli araç demonstrasyonları Tarih Üretici Araç Teknoloji Yakıt, Menzil 1990 H Power, 3 adet 9.1 metre 50 kW Fuji Electric, Metanolden Georgetown otobüs fosforik asit* hidrojen Ünv., A.B.D. Hükümeti 1991 Ballard 9.8 metre 120 kW, Ballard PEM Sıkıştırılmış otobüs hidrojen 1993 Enerji Ortakları “Green 15 kW, PEM Sıkıştırılmış car”spor hidrojen, 100 km otomobil 1994 Daimler-Benz Necar 60 kW, Ballard Mk 5, Sıkıştırılmış PEM hidrojen 1996 Daimler-Benz Necar 2 50 kW, Ballard Mk 7, Sıkıştırılmış PEM hidrojen, 250 km 1997 Daimler-Benz Necar 3 50 kW, Ballard Mk 7, Metanolden PEM hidrojen, 400 km 1998 Daimler-Benz Necar 4 50 kW, Ballard Mk 7, Sıvı hidrojen, PEM 400 km 1997 Ballard 6 adet 12.2 205 kW, Ballard Mk 6, Sıkıştırılmış metre otobüs PEM hidrojen 1996 Toyota RAV4 10 kW, PEM* Hidrojen , 250 km 1997 Toyota RAV4 25 kW, PEM* Metanolden hidrojen, 500 km 1997 Daimler-Benz Nebus 12 metre 190 kW Ballard, PEM Sıkıştırılmış otobüs hidrojen, 250 km 1997 Renault Laguna 30 kW, De Nora, PEM Sıvı hidrojen, 500 km 1997 Mazda Demio 25 kW, PEM* Metanolden hidrojen, 170 km 1998 Georgetown 12 metre otobüs 100 kW, International Metanolden Ünv.,Nova Bus, Fuel Cells, fosforik asit* hidrojen, 550 km US DoT 1998 Zevco Londra 5 kW, alkalin* Sıkıştırılmış Milenyum taksi hidrojen, 150 km 1998 Opel(GM) Zafira 50 kW, PEM* Metanolden hidrojen PSA Berlingo 30 kW yakıt pili, 20 kW Hidrojen, NiMH akü 300 km GM EV1 Yakıt Pili 102 kW, 3~AC Metanol asenkron motor Ford P2000 FCEV 67 kW Hidrojen Ford P2000 SUV Metanol Ford P2000 FC5 PEM yakıt pili Honda FCX-V1 60 kW Ballard yakıt pili Hidrojen Honda FCX-V2 60 kW Honda yakıt pili Metanol Nissan Altra 30 kW PEM Metanol * Akü ya da başka enerji depolama elemanı içeren karma sistem
35 enerji tüketimi içermektedir. Metal hidridlerin içerisinde depolama yöntemi de önerilmekle birlikte, bu sistem de ekstra ağırlık getirmekte ve aracın sürüş menzilini kısıtlamaktadır.
Yakıt pilli araçların karma elektrikli araç olarak geliştirilmesi çalışmalarındaki temel strateji, aracın verimliliğini arttırmak için akü ya da ultrakapasitör gibi bir enerji depolama elemanı kullanarak yük dengelemektir. Böylelikle, yakıt pilini maksimum güç ihtiyacı için boyutlandırma gereği ortadan kalkar. Bunun yerine, yakıt pili esas olarak sabit çıkış gücünde çalışır ve çıkış gücü tahrik gücünden fazla olması durumunda enerji depolama elemanını besler. Enerji depolama elemanı da ivmelenme ve yokuş tırmanma durumlarında yüksek enerjiyi sağlarken, araç rejeneratif frenleme yaparken enerjiyi depolar. Özetle, bir araçta hangi yakıt pilinin enerji kaynağı olarak kullanılacağı kararı, yakıt pilinin konvansiyonel yakıtlarla mı yoksa yakıt pilinin en iyi özelliklerini göstereceği yakıtla mı çalıştırılacağına bağlıdır. Tablo 3.5’de dünyadaki yakıt pilli karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları görülmektedir.[9]
3.4 Enerji Depolama Sistemleri
DOE(US Department of Energy), karma elektrikli araçlarda kullanılacak olan enerji depolama elemanlarının sağlaması gerektiği performans hedeflerini belirlemiştir. Tablo 3.6’da bu değerler görülmektedir. Bu tabloda, minimum değerler günümüzde olması gereken, istenen değerler de gelecekte ulaşılması hedeflenen seviyelerdir. Enerji depolama elemanı olarak anılan bu sistemlerde her ne kadar adı verilmemişse de bu değerleri sağlayabilecek en kuvvetli aday olarak aküler görülmektedir.[10]
3.4.1 Aküler
Karma elektrikli bir araçtaki aküler, araç kullanımı sırasında %50 civarındaki bir nominal şarj seviyesinde çalıştırılmaktadır. Böylelikle, şarj ve deşarj darbe akımlarıyla başa çıkarak, aşırı şarj(~%80’in üstü), aşırı deşarj(~%20’nin altı) veya tam deşarj(~%0) durumuna gelmezler. Bu büyük akım darbelerinin, aküleri yüksek ve düşük gerilimlere çıkarmaya eğilimleri olduğundan, şekilde de görüldüğü gibi karma elektrikli araçlarda %30-70 şarj seviyeleri arası bir çalışma bölgesi seçilir. Bu aralık, %25-75 seviyelerine biraz daha açılacak olursa, akünün anma kapasitesinin
36 Tablo 3.6 DOE’nin karma elektrikli araçlardaki enerji depolama sistemi şartları Karakteristikler Birim Hızlı cevap veren motor Yavaş cevap veren motor Minimum İstenen Minimum İstenen Darbe deşarj gücü kW 25 40 65 80 Rejeneratif tepe kW 30 60-110 70 150 darbe gücü Toplam enerji (deşarj ve kW h 0.3 0.5-0.75 3 3.0-8.0 rejeneratif) bin 200,25 Wh 300,35 Wh 120,100 Wh 300,200 Wh Şarj deşarj ömrü adet 50,100 Wh 100,100 Wh 20,600 Wh 100,600 Wh Etiket ömrü yıl 10 10 10 10 Maksimum ağırlık kg 40 35 65 50 Maksimum hacim litre 32 25 40 40 Maksimum mm 150 150 150 150 yükseklik Üretim maliyeti US $ 300 200 500 500 (100.000 adet/yıl)
yaklaşık olarak sadece yarısının kullanılabildiği görülür. Anma karma çalışma seviyesi, araçta kullanılan akü tipinin ve elektrokimyasının, şarjını iletme ve şarjı kabul etme karakteristiklerine bağlı olarak seçilir. Eğer bir akü, şarjı kabul etmekten
Şekil 3.16 Akü gücü ve şarj durumuna bağlı kullanılabilir enerji eğrisi
37 çok deşarj konusunda kuvvetliyse şarj seviyesi %50’nin altında, şarj edilebilme özelliği daha kuvvetliyse şarj seviyesi %50’nin üstünde seçilmelidir. Araç kontrol sistemi, akülerin şarj seviyesini sürekli ölçerek bu sınır seviyelere yaklaşmadan çalışma bölgesinin ayarını yapmalıdır. Şekil 3.16’da, aküden elde edilebilecek enerji miktarının şarj, deşarj durumuna göre eğrisi görülmektedir.[10]
Literatürde, elektrikli ve karma elektrikli araçlar için önerilen çeşitli aküler bulunmaktadır. Aşağıdaki bölümlerde, araçlarda kullanmak için gelecekte umut vadeden akülerden bahsedilmiştir.
3.4.1.1 Kurşun-asit aküler Geliştirilmesi çok eski tarihlere de dayansa, günümüzde hala çok yaygın olarak kullanılan akü tipidir. Yaygın olarak kullanılan üç çeşit kurşun-asit akü tipi vardır. Bunlar, aşırı fazla elektrolitli, az bakımlı ve valf regüleli(VRLA-valve regulated lead-acid) kurşun asit akülerdir.
Konvansiyonel(aşırı fazla elektrolitli) tip aküler, elektrolitin özgül ağırlığını kontrol etmek, plakaların üzerindeki elektroliti korumak için periyodik olarak su ilave etmek ve akü deşarj olduktan sonra, kapasitesinin düşmesine neden olan şiddetli sülfatlaşmayı önlemek için tekrar şarj etmeyi gerektirir. Asit kabarcıklarının emisyonları, akü çevresindeki metalik kısımların korozyona uğramasına neden olur. Üst kapaktaki asit sızıntısı, kaçak akıma neden olarak kendi kendine deşarj olmayı ve toprakla şönt olma tehlikesini arttırır. Bu problemlerin üstesinden gelebilmek için oksijenin yeniden birleşmesi çevrimine dayanan VRLA aküleri ortaya çıkmıştır. Bu aküler, akü yerleşiminde rahatlık, su eklemeden veya özgül ağırlığı kontrol etmeden kullanım, arttırılmış güvenlik ve bazı durumlarda üstün performans sağlamaktadırlar.
Geçmişte kurşun-asit aküleri sınıfta bırakan kilit sorunlar; kısa ömür, yüksek bakım gereksinimi ve yetersiz enerji yoğunluğudur. Bu sorunlara ek olarak, güvenlik, çevresel etki faktörü ve malzemelerin geri kazanımı geçmişe göre daha önemli hale gelmektedir. Şekil 3.17’de, 2 V, 1.2 Ah VRLA akü hücresinin 80A yükte ve yüksüz haldeki şarj durumu karakteristiği görülmektedir.[11]
Düşük maliyeti, iyi performansı ve geri dönüşümü de olanaklı kılan mevcut üretim tesisleri ve altyapı imkanlarıyla, kurşun-asit aküler karma elektrikli araç
38 uygulamalarında dikkate alınması gereken bir teknolojidir. Tipik bir VRLA akünün özgül enerjisi yaklaşık olarak 30-40 Wh/kg arasında değişirken, özgül güç seviyeleri 150-200 W/kg civarındadır. Bu değerlerde, 3.6 kW/kg’lık ticari ulaşılabilir ürünler mevcuttur. Bununla birlikte, şarj durumu %100’lerden, %50 gibi düşük seviyelere inene kadar 200 W/kg veya daha fazla özgül güç seviyelerinde sabit güç çıkışı elde edilebilir. VRLA aküleri, DOE minimum güç gereksinimlerini ve özel ürünler istenilen seviyeleri sağlayabilir. Tam şarj edilmiş durumda, VRLA akülerin yüksek güç, düşük sıcaklık şarj-deşarj kapasiteleri oldukça iyidir. Buna karşılık, %50 şarj seviyesinde, indirgenmiş elektrolitin kuvveti aküyü donmaya karşı hassaslaştırır ve bu da performansta büyük bir düşüşe sebep olur. Bu güçlükler, aküyü kullanma stratejileri ve ısıl yönetim sistemleri ile aşılabilir, ancak bu hem maliyete, hem de akü ömrüne etki edecektir. VRLA aküler, DOE’nin sınırı olan 52C’lere kadar etkin bir şekilde çalışma özelliği göstermekle birlikte, kendi-kendine deşarj olma performansı, limitlerin bir hayli üstündedir.
Şekil 3.17 VRLA akü hücresinin gerilim karakteristiği
VRLA akü sistemleri, karma elektrikli araçlar için istenilen gücü ve enerji seviyelerini sağlamakla birlikte ağırlık, hacim ve boyut amaçlarını karşılayamamaktadır. Şarj kabulü, halen diğer teknolojiler kadar verimli olmasa da, karma elektrikli araçlar için kullanımı kabul edilebilir seviyelerdedir. Maliyet hedefleri, bu teknolojinin mevcut haliyle bile karşılanabilmektedir. Kullanım
39 ömrünün on yıl şartını sağlaması, bu teknoloji için karşılanması zor olsa da maliyetinin ucuzluğu ile bu sorun aşılabilir. Geri dönüşüm oranı yüksek olduğundan(>%95) önemli bir çevre ve güvenlik etkisi yoktur. Özetle, düşük maliyeti, destek faaliyetlerinin ulaşılabilirliği, periyodik bakım ve modüllerin yerleştirilip çıkartılması, diğerlerine göre daha az problemli olduğundan karma elektrikli araçlar için uygun bir teknolojidir.[10]
3.4.1.2 Nikel-kadmiyum aküler Nikel-Kadmiyum(NiCd) aküler, performans seviyeleri birçok yönden kurşun-asit akülere benzer olduğundan birbirleriyle yarışırlar. NiCd aküler, 40-50 Wh/kg özgül enerji ve 150-500 W/kg güç seviyelerine sahiptir. İnce plakalara sahiptirler. 1.2 V gibi düşük hücre gerilimlerinden dolayı yüksek gerilimlere çıkmak için birçok seri bağlantı gerektirir. Bir aracı sürmeye yeterli güç seviyelerini sağlarlar, ancak DOE gereksinimlerini sağlayacak kadar mükemmel değildirler. NiCd akülerin, düşük sıcaklıklarda, yüksek oranda deşarj performansları çok iyidir. Aküler arasında, düşük sıcaklıktaki en iyi performansa sahiptir. Bununla birlikte, performansları sıcaklığa karşı oldukça duyarlıdır. Örneğin, ortam sıcaklığı 30C’den 40C’ye artış gösterdiğinde ömürleri kabaca yarı zaman iner. Bu yüzden ısıl yönetim sistemiyle birlikte kullanılması gerekir. Yüksek güç gerektiren durumlarda deşarj performansı diğer aday teknolojilere göre çok iyi olmamakla birlikte, şarj seviyesi %30-70 çalışma aralığındaki karma elektrikli araçlar için şarj kabul yeteneği mükemmeldir.[10]
Ni-Cd aküler, günümüzde özgül enerji, özgül güç, şarj ömrü ve güvenilirlik arasında dengeyi en iyi temsil eden aküdür. Ni-Cd aküler, bununla birlikte hafıza etkisinden dolayı kullanıcıya sıkıntı yaratmaktadır. Anma kapasitesini sağlamak için şarj rejimleri uzun zaman almaktadır. Hafıza etkisi, kadmiyum elektrodu üzerinde normalin dışında büyük kristaller oluşmasından kaynaklanmaktadır. Bu kristaller, kadmiyum elektrodunun yüzey alanını düşürerek akünün efektif iç direncini arttırmaktadır. Ayrıca, Ni-Cd akülerin birim ağırlık başına düşen enerji miktarı kurşun asit akülerden sadece biraz fazla iken, yüksek sıcaklıklarda kendi kendine deşarj olma oranı oldukça yüksektir.[11] Hepsinin en kötüsü, kadmiyum çevreyi kirletebilecek çok kötü bir zehir ve kansorejen bir maddedir. NiCd teknolojisi, kurşun-asit gibi imalatı yapılan olgun bir teknolojidir. Dünyadaki birçok karma
40 elektrikli araç geliştirme programlarında, daha yaygın olarak otobüslerde, yani düşük özgül enerjinin caydırıcı bir faktör olmadığı durumlarda kullanılmaktadır.[10]
3.4.1.3 Nikel-metal hidrid aküler Nikel-Metal Hidrid(NiMH) aküler, NiCd aküler gibi 1.2 V’luk hücre gerilimine sahip olmakla birlikte benzer boyutlardakilere göre daha yüksek özgül enerji ve enerji yoğunluğu seviyeleri ile karma elektrikli araçlarda kullanılmak üzere etkileyici özellik gösterirler. Varta, SAFT ve Ovonics gibi firmalar tarafından geliştirilmiş değişik ürünler bulabilmek mümkündür. Toyota Prius karma elektrikli aracında ticari olarak piyasada bulunan 6.25 Ah silindirik, D-boyutlu hücrelerden oluşan NiMH aküleri kullanmaktadır. Düşük deşarj oranlarında belirlenmiş özgül enerji seviyeleri,
Şekil 3.18 Çeşitli akü tipleri(kurşun-asit, nikel metal hidrid, lityum-iyon) yüksek güç seviyelerinde keskin bir düşüşe maruz kalır. Buna rağmen, halen etkileyici özelliğe sahip olsalar da artan güç seviyelerinde gerilim düşüşüne karşı direncini önemli derecede yitirdiğinden ötürü, çalışma sırasındaki şarj durumunun 300-400 V arasında tutabilmeyi DOE gereksinimlerine göre sağlayamaz. Aşırı sıcaklıklardaki performansı, NiCd akülerde olduğu gibi zayıftır. Yüksek sıcaklık, çevrim ömrünü kısaltır ve yeniden şarj edilebilirliğe imkan tanımaz. İnce plakalı, yüksek yüzey alanlı hücrelerin kendi kedine deşarj olma performansı oldukça zayıftır ve <50 Wh/gün gereksinimini karşılayamaz. Optimal performanslarına ulaşabilmek için ısıl yönetim sistemleriyle birlikte kullanılması gereklidir. Çevresel etki açısından, NiCd akülere göre daha az tehlikelidirler. Önemli dezavantajlarından biri maliyetleridir. Bununla birlikte, yüksek miktarlarda üretim ve üretim tecrübesinin artmasıyla maliyetleri azalacaktır ve mevcut halde Toyota Prius’ta kullanılması da
41 NiMH akülerin ticari ulaşılabilir olduğunu göstermektedir.[10] Şekil 3.18’de karma elektrikli araçlarda kullanılan çeşitli akü tipleri görülmektedir.
3.4.1.4 Nikel-çinko aküler NiCd ve NiMH akülere benzer şekilde bir alkalin sisteme sahip olan Nikel-Çinko(Ni-Zn) aküler, aynı nikel katodu fakat farklı bir çinko metal anod ile birleştirilmiş şekilde kullanırlar. NiZn aküler, 60-80 Wh/kg özgül enerji ve 200-300 W/kg özgül güç seviyelerinde iyi bir çevrim ömrüne sahiptir. Esas teknik problem, çinko anoduyla ilgili olan şekil değişiklikleridir. Bu problem, çinko anodun güçlü bir şekilde sağlamlaştırılmasıyla, alkalin elektrolitleri, yüksek miktarlarda kalsiyum ve kadmiyum kullanılarak giderilebilir. Ancak, bu hususlardan dolayı karma elektrikli araçlar için ince plakalı Ni-Zn aküler üretmek zor olmakta ve enerji depolama elemanı olarak kullanılmak için umut vadetmemektedirler.[10]
3.4.1.5 Sodyum-sülfür aküler Sodyum sülfür aküler, diğer sıvı elektrolitli akülerden önemli ölçüde farklılıklar içerirler. Bir sodyum iyonu, reaksiyona giren sıvı sodyum ve sülfürü ayırır. Çalışma sıcaklığı 300C’den yüksek olduğundan dolayı araç uygulamalarında sıkıntı yaratmaktadır.[11]
3.4.1.6 Çinko-hava aküler Çinko-hava aküler, Ni-MH ile karşılaştırıldığında çok daha yüksek enerji depolayabilmektedir. Ancak, çinko-hava üniteleri istenen gücü üretebilmek için akü içerisine uygun hava akışını sağlayacak bir hava yönetim sistemine ihtiyaç duymaktadır. Aynı zamanda KOH elektrodunun karbonlaşmasını önlemek için bu havadan karbondioksiti uzaklaştırmak gereklidir. Bir başka zayıf yönü; hızlı şarj edilememeleri ve hücre başına 0.9 V ’un (hücre çalışma gerilimi 1-1.2 V) altına deşarj olduğunda kalıcı şekilde zarar görmeleridir. Bunlara ek olarak, zayıf güç yoğunluklarından dolayı yüksek güçlü bir akü ile ya da ultrakapasitörle tamamlamak gerekmektedir.[11] Şekil 3.19’da bir çinko-hava akünün şematik diyagramı ve araçlarda uygulanan çinko-hava akü grubu görülmektedir.[12]
42
Şekil 3.19 Çinko-hava akü şematik diyagramı ve araç uygulaması
3.4.1.7 Zebra aküler Zebra aküler, yaklaşık olarak 300C’de çalışmalarından dolayı, aşırı soğuk ya da aşırı sıcak ortamlarda kullanılmasının akü üzerinde zararlı bir etkisi yoktur. Konvansiyonel akü sistemlerinde, aşırı sıcaklık, ısıl yönetiminin ayrıntılarına girmeyi gerektirir ya da akü performansında azalmaya neden olur. Bunun yanı sıra, yüksek çalışma sıcaklığından dolayı, zebra akülerin potansiyel sıcaklığı kabini hızlı şekilde ısıtmaya veya camların buzlarının çözülmesine imkan vermektedir. Ancak, ısıl yönetim ihtiyaçları yüzünden elektrikli araç sürüş sistemleri için ideal değildir. Zebra aküler, araç kapatılıp tekrar kullanılmak istenildiği zaman akü grubunu istenilen sıcaklığa getirmek ve tam olarak şarj etmek için bir-iki güne ihtiyaç duymaktadır. Bu yeniden ısınma zamanı, akülerin kapandığındaki şarj durumuna, akü grubu sıcaklığına ve yeniden ısıtmak için kullanılan güce bağlıdır. Bu yüzden, bu teknoloji yukarıdaki nedenler ve güvenlik nedenleri ile otomotiv endüstrisi tarafından terk edilmiştir.[11]
3.4.1.8 Lityum aküler Lityum aküler arasında en çok umut vadeden lityum-iyon(Li-Ion) akülerdir. Konvansiyonel asidik ve alkalin akülerin aksine, lityum iyon hücreler organik bir çözücüde çözülmüş bir lityum tuzu içeren sıvı olmayan elektrolitlerle çalışır. Lityum akülerde hücredeki lityuma bağlı olarak 3.5-4 V arası gerilim üretilir. Bu elektrolitin faydası, uyumluluğu ve 80C’lere kadar çıkan ısıl kararlılığıdır. Hücre çalışması sırasında, lityum iyonları iki plaka arasındaki elektrolitleri ileri ve geri yönde geçerek şarj ve deşarj olmasını sağlar.[11] Şekil 3.20’de aracın tabanına yerleştirilmek üzere özel olarak paketlenmiş lityum-iyon akü grubu görülmektedir.[13]
43 Bu akülerin anma özgül enerjileri 125 Wh/kg, uygulamadaki en yüksek sınırları da 150-180 Wh/kg arasında değişmektedir. Bu aküler, iyi bir yüksek sıcaklık aküsü değildir. Genellikle 45C sıcaklık ve yukarısında çevrim ömürleri önemli derecede azalır. Düşük sıcaklıklarda, şarj-deşarj performansları, yüksek hücre empedansı ve organik çözücü-elektrolit sistemin düşük iletkenliğine bağlı olarak zayıflar. Yüksek empedans, aynı zamanda yüksek deşarj akımlarında büyük gerilim düşmelerine neden olarak DOE’nin 300-400 V performans aralığını sağlamasını zorlaştırır. Şarj kabulü iyi olduğundan, zayıf olan yüksek güçte deşarj performansı etkisini minimize edebilmek için aküyü %55-60 şarj seviyelerinde çalıştırmak mümkündür. Kendi kendine deşarj olma oranı NiCd ve NiMH akülerden daha iyidir.
Şekil 3.20 Lityum iyon akü grubu araç uygulaması
Akü ömrünü uzatmak ve sıcaklık artışından kaynaklanan zararlardan korunmak için gelişmiş ısıl yönetim sistemleriyle birlikte kullanmayı gerektirirler. Önemli dezavantajlarından birisi şarjın kompleks olması ve güvenliktir. Aşırı şarj ya da deşarj olmaması için hücrelerin bireysel olarak şarj ve deşarjlarının kontrol edilmesi gerekir. Özellikle, aşırı şarj hücrelerin kimyasal yapısına zarar vererek akünün kapasitesinin ve çevrim ömrünün azalmasına neden olur. Akü içerisindeki her hücrenin şarj gerilimi 4.2 V ile sınırlandırılmalıdır. Diğer taraftan şarj gerilimi 4.2 V’un altında da olursa, bu durum da deşarj kapasitesinin azalmasına neden olur.Karma elektrikli araçta, aküler belirli bir şarj seviyesinde çalıştırıldığı için bu durumlarla pek karşılaşılmaz. Ancak, araçtaki aküler birçok hücrelerden oluşmaktadır. Böylece, özellikle sıcaklık, akü yaşı ve aracın talep ettiği güçlerin aşımı durumlarında, aşırı şarj ve deşarjı önlemek için hücreler arası dengenin iyi bir şekilde korunması gerekir. Bu da akü şarj sistemi tarafından özel bir kontrol ile gerçekleştirilir.[10]
44 Lityum-iyon hücreler, kapasite göz önünde bulundurulduğunda lityum akü teknolojisinde en yüksek olanı değildir. Katı polimer elektrolitli lityum aküler üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bu akünün hücrelerinin kalınlığı 0.5 mm’den daha düşük olacaktır. Bu hücrelerden istenilen şekil ve boyutta akü yapılabilir. Akü içerisinde sıvı bulunmaması, bu aküleri oldukça emniyetli hale getirebileceği gibi şu ana kadar bilinen aküler arasında en yüksek özgül enerjiye sahip olacaktır.[11]
Çeşitli akü tiplerine ait, özgül enerji, enerji yoğunluğu, özgül güç, sarj-deşarj gibi önemli parametreler Tablo 3.7’de bulunmaktadır. Bu parametreler, değişik akü üreticilerine göre geniş farklılıklar göstermekte, aynı üreticinin aynı aküsünün değişik modellerinde bile bu parametrelerin birini elde ederken diğerinden vazgeçilmektedir. Bu yüzden, bu parametreler fikir vermek amaçlı olup, akü teknolojisindeki gelişmelerle birlikte bu veriler sürekli değişmektedir.
Tablo 3.7 Çeşitli akülere ait karakteristikler Özgül Enerji Enerji Özgül güç Şarj ömrü Maliyet (Wh/kg) Yoğunluğu (W/kg) (adet) (US$/kWh) (Wh/l) VRLA 30-45 60-90 200-300 400-600 150 Ni-Cd 40-60 80-110 150-350 600-1200 300 Ni-Zn 60-65 120-130 150-300 300 100-300 Ni-MH 60-70 130-170 150-300 600-1200 200-350 Zn/Hava 230 269 105 90-120 Al/Hava 190-250 190-200 7-16 Na/S 100 150 200 800 250-450 Na/NiCl2 86 149 150 1000 230-350 Li-Polimer 155 220 315 600 Li-İyon 90-130 140-200 250-450 800-1200 >200
Tablo 3.7, aküler hakkındaki avantajları, dezavantajları anahtar özellikleriyle özetlemektedir. Kısa vadede yüksek potansiyel gösteren aküler, VRLA, Ni-Cd ve Ni- MH akülerdir. Ni-MH akünün özellikleri, Ni-Cd’a göre daha üstün nitelikli olduğundan bu teknolojinin olgunlaşmasıyla birlikte, Ni-MH aküler Ni-Cd’ların yerini almaktadırlar. Elektrikli araç uygulamaları için Ni-Cd aküler üretmekte olan bazı akü üreticileri eğilimlerini Ni-MH’e kaydırmaktadırlar. Ni-MH’ün iyi performansından dolayı etkileyici olmasına rağmen, VRLA aküler olgunlaşmış teknolojisi ve maliyet avantajı ile kısa dönemde popülerliğini sürdürmektedir. Diğer taraftan, Ni-Zn, Zn-Air, Na/NiCl2, Lityum-polimer ve Lityum-iyon aküler orta
45 vadede yüksek performans içermektedir. Lityum-iyon aküler, birçok akü üreticisi tarafından elektrikli araçlar için orta vadede en çok umut vadeden akü olarak görülmektedir. Şu andaki engel yüksek maliyetli olmasıdır ki, seri üretimde bu maliyet oldukça düşürülebilir.
Şekil 3.21 Çeşitli enerji kaynaklarının güç ve enerji yoğunlukları
Çinko-hava aküler, yüksek özgül enerjisinden dolayı umut vadetmekle birlikte, bu aküler rejeneratif frenleme sonucu ortaya çıkan enerjiyi depolayamamaktadırlar. Ni-Zn akülerin en büyük dezavantajı düşük şarj-deşarj sayısı olmakla beraber, yapılan son geliştirmelerle orta vadede Ni-MH akülerle yarışabilme potansiyeli olabilir. Na/NiCl2 aküler, elektrikli araç uygulamaları için kabul edilebilir yüksek sıcaklıklı akülerdir. Orta vadede, akünün performans değerleri yükselecek yönde umut vermektedir. Lityum polimer aküler için yapılan demonstrasyon çalışmaları elektrikli araç uygulamaları için iyi performanslar göstermekte olduğunu sergilemektedir. Orta vadede, daha fazla akü üreticisinin bu aküler hakkında araştırma ve geliştirme yapacağı umut edilmektedir. Şu konuda gözden kaçırılmamalıdır ki, akülerin araç için istenilen performansı göstermeleri ile birlikte, akülerin uygun koşullarda şarj ve deşarj edilmesini sağlayacak akü yönetim sistemi de önemli noktalardan biridir.[3]
Şekil 3.21’de çeşitli aküler, yakıt pili sistemleri ve içten yanmalı motorlara ait güç yoğunluğu ve enerji yoğunluklarının karşılaştırmalarını göstermektedir.[11]
46 3.4.2 Süperkapasitör(Ultrakapasitör)
Ultrakapasitörler (elektro-kimyasal süperkapasitörler), bir gaz ya da vakum ile ayrılmış iki plakadan oluşan ve konvansiyonel kapasitörden 20 ila 200 kat daha büyük kapasitans özelliği gösteren aygıtlardır. Süperkapasitörlerin akülere göre birçok avantajları bulunmaktadır. Hızlı şarj ve deşarj edilebilmektedirler. Süperkapasitörler, tek kutuplu ve çift kutuplu konfigürasyonlarda düzenlenebilir, az bakım gerektirirler, zehirsiz ve göreceli olarak ucuz malzemeden yapılırlar. Bu özellikleriyle elektrikli aracın ani ivmelenmedeki güç gereksinimi ihtiyacını göreceli olarak daha hafif ağırlıkla karşılamak için uygun görünmektedirler. [11]
Tablo 3.8 Çeşitli süperkapasitörlerin karakteristikleri
Ürün Vanma C R RC Wh/kg W/kg W/kg Ağırlık Hacim (V) (F) (mOhm) (sec) (1) (2) . (kg) (litre) Skeltech* 2.5 2110 .3 .63 3.55 1495 13290 .392 .269 Skeltech* 2.5 815 .4 .32 3.1 2441 21700 .180 .127 Skeltech* (propilen 2.5 776 1.0 .78 2.6 901 8015 .195 .127 karbonat) Saft* 2.7 3500 1.0 3.5 4.1 336 2800 .65 .50 Maxwell 2.5 2700 .32 .86 2.55 784 6975 .70 .62 Ness 2.5 2550 .33 .84 2.31 819 7284 .65 .534 Ness 2.7 3870 .22 .85 3.43 1114 9909 .836 .731 Ness 2.7 4615 .28 1.3 3.70 846 7524 .865 .731 Panasonic (propilen 2.5 1200 1.0 1.2 2.3 514 4596 .34 .245 karbonat) Panasonic 2.5 1791 .30 .54 3.44 1890 16800 .310 .245 Panasonic 2.5 2500 .43 1.1 3.70 1035 9200 .395 328 Montena 2.5 1800 .50 .90 2.49 879 7812 .40 .30 Montena 2.5 2800 .39 1.1 3.33 858 7632 .525 .393 Okamura 2.7 1350 1.5 2.0 4.9 650 5785 .21 .151 ESMA 1.3 10000 .275 2.75 1.1 156 1400 1.1 .547 (1) 400 W/kg sabit güçteki enerji yoğunluğu, Vanma – ½ Vanma (2) Baz alınan güç P=9/16*(1-EF)*V2/R, EF= deşarj verimi * gelişmiş prototipler
Tablo 3.8’de, ticarileşmiş ve geliştirilmekte olan prototip süperkapasitörlere ait karakteristikler görülmektedir. Elektrikli araçlardaki sistem yüksek gerilimini elde etmek için hücreleri seri bağlayarak yapılan testler göstermektedir ki, süperkapasitör hücreleri modüller ve paketler halinde kolaylıkla bağlanabilir ve bir hücrenin karakteristiğine bağlı kalarak bu grubun performansı güvenilir şekilde hesaplanabilir.
47 Buna ek olarak, süperkapasitör grubunun içerisindeki her bir hücrenin anma geriliminin değerinin tek başına hücrelerin anma gerilimine çok yakın olduğu gösterilmiştir. Karbon bazlı süperkapasitörlerin şarj-deşarj ömürlerinin 500.000 ila 1 milyon çevrim arası olacağına inanılmaktadır. Bu henüz büyük kapasitör bankalarıyla gerçekleştirilmemekle birlikte, tek hücrelerin üstünde yapılan deneyler bunu göstermektedir. Birçok araç uygulamaları için enerji yoğunluğu (Wh/kg) kilit performans karakteristiğidir. Bunun nedeni, kapasitör bankası enerji depolama ihtiyacına göre boyutlandırılır. Burada kapasitör bankasının ağırlığı ve hacmi, hücrelerin enerji yoğunluğu ile doğrudan orantılıdır. Enerji yoğunluğu ise özellikle elektrotlarda kullanılan karbonun özgül kapasitansına ve yoğunluğuna bağımlıdır.[14]
Şekil 3.22 Süperkapasitör bankası, hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi
Yüksek nitelikli karbonlar hücrenin performansını arttıracaktır. Metaloksit süperkapasitörler geliştirilme aşamasında olup yukarıda bahsedilen karbon-karbon süperkapasitörlerden daha yüksek performans göstermekte ve gelecek için umut vadetmektedirler.
Karma elektrikli araç uygulamalarında, süperkapasitörleri akülerle birlikte kullanmak, enerji depolama ünitesi olarak sadece aküyü kullanmaktan daha anlamlı olmaktadır. Elektrik tahrik sisteminde, hem ivmelenme hem de frenleme nedeniyle oluşan yüksek güç ihtiyacı, yüksek güçlü akülerin kullanma gereksinimini doğurmaktadır. Bu ise akü sisteminin maliyetini arttırarak, akülerin daha sınırlı şarj- deşarj aralığında çalışmasına neden olmaktadır. Akü sistemi süperkapasitörlerle desteklendiğinde, akülerin şarj-deşarj aralığının arttırılması imkanı doğmakta ve bu
48 durum daha küçük ve daha ucuz bir akü grubunun kullanılmasına imkan tanımaktadır.[14] Şekil 3.22’de karma elektrikli araçlarda kullanılan süperkapasitör grubu ve bu süperkapasitörlerde her bir hücre hakkında bilgi algılamaya yarayan hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi görülmektedir. [15]
3.4.3 Volan
Karma elektrikli araç tasarımlarında, ivmelenme anındaki tepe gücü sağlamak ve frenleme enerjisini geri kazanmak problemine getirilen çözüm önerilerinden bir tanesi de elektromekanik bir akü olan volandır(flywheel). Bu sistemler, özellikle çok fazla dur-kalk yapan şehir içi otobüsüne ve benzer karakteristik gösteren araçlara oldukça uymaktadır. Bu sistemlerde, bir volan motor/generator ünitesi bir güç elektroniği çeviricisi tarafından kontrol edilmektedir. Volan, gelişmiş kompozit yapıda olmakla birlikte, motor/generator genellikle sürekli mıknatıslı tipte ve sistemde yüksek frekanslı güç anahtarları kullanılmaktadır. Motor/generator ünitesi ile birlikte bir yük dengeleyicisi olarak yüksek devirli çalışan volan, aracın düşük güç ihtiyacı olduğu zamanlarda gücü kendisine alarak, yokuş tırmanmada ya da hızlı ivmelenme durumlarında güç katkısında bulunarak görev yapar.[16]
3.5 Simülasyon Programları
Literatürde adı geçen çeşitli karma elektrikli araç simülasyon programları bulunmaktadır. En önemlilerin gözden geçirildiği kısa bir özet aşağıda sunulmuştur.
3.5.1 SIMPLEV
SIMPLEV , karma elektrikli araçlar ve elektrikli araçları modellemek amacıyla Idaho National Engineering Laboratuvarı tarafından geliştirilmiştir. Bu program, değişik motorları, alternatörleri, içten yanmalı motorları, aküleri, transmisyonları seçmeyi sağlayan menü tabanlı bir arayüze sahiptir. Araç performansını simüle eden bir program olan SIMPLEV, konvansiyonel, tümü elektrikli, seri karma ve paralel karma tahrik sistemlerini simüle etme kabiliyetine sahiptir. SIMPLEV, küçük araçlardan(golf arabaları) büyük tren lokomotiflerine kadar geniş bir aralıktaki araçların simülasyonlarını yapar. Bu program, sürüş sistemi elemanlarının performans parametrelerini saniye-saniye tahmin etmeyi sağlar.[17]
49 3.5.2 CarSim
CarSim, AeroVironment Inc. tarafından geliştirilmiş bir program olup Simplev’e çok benzerdir. CarSim sadece seri karma elektrikli araçlar ve elektrikli araçları simüle etmekte ve emisyonlar hakkında bilgi vermemektedir.[18]
3.5.3 HVEC
HVEC(Hybrid Vehicle Evaluation Code), Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı tarafından tamamı elektrikli araçları ve seri karma elektrikli araçları simüle etmek üzere geliştirilmiştir. Bu program, daha önce bahsedilen iki programın temel özelliklerini içermekle birlikte, onlarda olmayan birtakım ekipman modellerine sahiptir. Örneğin, yakıt pilleri içten yanmalı motor yerine bir APU(Auxillary Power Unit) olarak, enerji depolama ünitesi olarak aküler yerine volan ve alternatif yakıtlar(hidrojen, sıkıştırılmış doğal gaz) benzin yerine kullanılarak modellenebilmektedir. Toplam yakıt tüketimini, emisyonları ve performans karakteristiklerini sunabilme kabiliyetine sahiptir. Program çeşitli sürüş çevrimleri için ivmelenme, yokuş tırmanma performanslarını, emisyonları ve araç performansını sunar. Program, rejeneratif frenlemeyi içermektedir ve eleman performanslarındaki duyarlılık analizi için kullanışlıdır. Bu program, elektrikli araç prototiplerinde, bir hidrojen konsept aracında, karma trenlerde ve bir doğal gaz aracında uygulanmıştır. Ayrıca, yüksek yakıt ekonomisi ve düşük emisyonlar için araçları optimize etmekte kullanılmaktadır.[18]
3.5.4 CSM HEV
CSM HEV, karma elektrikli aracın karakteristiklerini simüle eden, Colorado School of Mines tarafından geliştirilen bir programdır. Bu program, MATLAB/SIMULINK tabanlı, kolay kullanılabilen bir program olup daha önceki bahsedilen simulasyon programlarından daha kolay konfigürasyon değişikliğine izin vermektedir. [18]
3.5.5 V-Elph
V-Elph(Electrically-Peaking Hybrid) simulasyon programı, Texas A&M Üniversitesi tarafından geliştirilmiştir. MATLAB/SIMULINK tabanlı bir program olan V-Elph, her türlü karma elektrikli araca ait sistem dizayn parametrelerine ait simülasyonları yapabilmektedir. Görsel bir program tekniği kullanılarak, kullanıcıya araç yapısını
50 kolay ve hızlıca değiştirebilme imkanı sunulmuş ve simülasyon sonuçları da grafik olarak verilmektedir. Elektrik motorlarının, içten yanmalı motorların , akülerin, araç dinamiklerinin, yakıtların ve kontrol stratejilerinin, menü tabanlı detaylı modelleri bulunmaktadır.[19]
3.5.6 ADVANCE
Bu program, TNO Otomotiv bölümü tarafından geliştirilmiştir. Matlab/Simulink ortamında hazırlanan program, kullanıcılara araç modeli geliştirmekte kolaylık ve esneklik sağlar. Bu program ile konvansiyonel, elektrikli ve karma elektrikli araçların tasarımı, analizi ve değerlendirmesi yapılabilir. İçten yanmalı motor, diferansiyel, vites kutusu, araç gövdesi, değişik elektrik motorları, aküler gibi çeşitli araç parçalarını simülasyon araçları olarak model veritabanı şeklinde içerir. Matlab/Simulink gerçek zamanlı simülasyon olanağını sunmaktadır. Bu özellik, bir araç modelini Hardware-In-the-Loop testleri için kullanmayı olanaklı kılmaktadır.[20]
3.5.7 VTB
VTB(Virtual Test Bed) programı South Carolina Üniversitesi merkezli olup, geliştirilmesi uluslararası katılımla gerçekleştirilmektedir. Bu program sadece araçlar konusunda değil, yakıt pili tesisi, elektrikli gemi, elektrik motorları, uydu sistemleri, yarıiletken anahtarlar gibi çeşitli konularda, özetle termal, elektrik ve mekanik disiplinleri içeren disiplinler arası bir programdır.
VTB, iki önemli özelliğe sahiptir.(i) Değişik dillerde yaratılmış modelleri tek bir simülasyon ortamında toplama kabiliyetine sahiptir. (ii) Simulasyon sonuçlarını, ileri derecede görsellikle sunabilmektedir(mekanik ekipmanların tam hareketli animasyonları, hesaplanmış sonuçların sistem sonuçları üzerinde yaratıcı şekilde haritalandırılması). VTB’nin ilk özelliği, çok sayıda teknik sisteme ait her bir elemanın en uygun dilde tanımlanmasını sağlar(örneğin, elektronik elemanlar için SPICE, dinamik sistemler için ACSL, Advanced Continous Simulation Language, güç elektroniği devreleri için SABER, kontrol için MATLAB). Öte yandan, ikinci özellik kullanıcının simülasyon sonuçlarını anlayışını önemli derecede arttırır. Şekil 3.23’de VTB programının modelleme ve sonuç sayfalarından örnekler gösterilmektedir.[21,22]
51 VTB programı halen gelişme aşamasında olan bir programdır. Bu tez çalışması sırasında VTB programı ile karma elektrikli araçların simülasyonları üzerine denemeler yapılmıştır. Ancak programın veritabanında yeterli sayıda ve özellikte modeller henüz bulunmamaktadır. Bu durum, değişik konfigürasyonlardaki araçlara ait modellemeyi olanaksız hale getirmiştir. Ancak, programın altyapısındaki gelişmeler bu programın önümüzdeki senelerde sıklıkla kullanılacak bir program olacağının sinyallerini vermektedir.
Şekil 3.23 VTB bilgisayar programından görünüş (modelleme ve sonuç sayfaları)
3.5.8 ADVISOR
ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator), 1994 yılında NREL(National Renewable Energy Laboratory) tarafından geliştirilmeye başlanmıştır. Bu program, A.B.D. Enerji Bölümünün(DOE) karma elektrikli araçlar için teknoloji geliştirmek üzere Ford, General Motors ve Daimler Chrysler ile olan Karma Elektrikli Araç Tahrik Sistemleri anlaşması çerçevesine destek olmak üzere bir analiz programı olarak tasarlanmıştır. Birincil görevi, karma elektrikli ve elektrikli araç elemanlarının sistem düzeyinde etkileşimlerini ve onların araç performansı ile yakıt tüketimine olan etkilerini aydınlatmaktır. ADVISOR, ilk olarak 1998 yılında internet üzerinden halka sunulmuş ve birçok yenilenme geçirmiştir. Programın en son hali, ADVISOR 2002 versiyonudur.[23]
52 ADVISOR’da kullanılan modeller, sürüş sistemi elemanlarının giriş/çıkış ilişkilerinin, laboratuarda yapılan ölçümler sonucu ampirik olarak ortaya konmasına dayanır. Bununla birlikte, sürekli hal testlerinde(örneğin sabit moment, hız) toplanan datalar kullanılarak, bunların geçici hal etkileri düzeltilmiştir. Çok sayıda özel ve standart sürüş çevrimlerini(drive cycle) kullanmaktadır.[24]
Şekil 3.24 Araç parametreleri giriş ekranı
ADVISOR, MATLAB/Simulink ortamında yaratılmıştır. MATLAB, hesapları gerçekleştirmek için matris tabanlı programlamada kolaylık sağlarken, Simulink karmaşık sistemleri, grafiksel blok diyagramlar kullanarak ifade etmek için kullanılabilir. ADVISOR, kullanıcıya simulasyon işlemleri boyunca yol göstermek için üç adet ana grafiksel arayüz(GUI-graphical user interface) ekranı kullanır. Bu arayüzlerle, kullanıcı, araç parametrelerinin ve sürüş çevrimi gereksinimlerinin, araç performansı, yakıt ekonomisi ve emisyonlar üzerindeki etkilerini iteratifsel olarak değerlendirebilir. Bu arayüzler, MATLAB çalışma alanında bulunan işlenmemiş giriş ve çıkış verileri ile etkileşimi kolaylaştırırlar. Araç modeli, alt sistemler arasındaki bağlantıyı ifade etmek için, Simulink blok diyagramları kullanılarak grafiksel olarak resmedilir. Böylece, model simülasyon sırasında, MATLAB çalışma
53 ortamından giriş verilerini okuyarak, çıkışları sonuç çalışma bölgesine gönderip sonuç ekranında görüntülendirir.
Şekil 3.25 Simülasyon parametreleri giriş ekranı
Araç giriş ekranında, Şekil 3.24’de görüldüğü üzere, kullanıcı aracı oluşturur. Bu sayfadaki menülerden aracın düzeni(örneğin; seri, paralel, konvansiyonel) ve sürüş sistemini oluşturacak elemanlar seçilir. Değişik elemanların karakteristik performans haritaları ekranın sol altında görülebilir ve ilgili menüden ulaşılabilir. Bir elemanın boyutu(örneğin; tepe gücü ve sayısı) kutular içerisinde gösterilen karakteristik değerlerle oynanarak değiştirilebilir. Bir elemanın herhangi bir skalar büyüklüğü, değişkenleri düzenleme menüsünden istenildiği gibi değiştirilip, daha sonra kullanılmak üzere kaydedilebilir. Kullanıcı, araç parametrelerinin giriş ayarlarını tamamladıktan sonra devam tuşuyla simulasyon penceresine gelir.[24]
Şekil 3.25’de görülen Simulasyon ekranında, kullanıcı aracın hangi olaylar içerisinde simule edileceğini tanımlar. Bu, tek bir sürüş çevrimi olabileceği gibi, birden çok çevrim veya özel test prosedürlerini(ivmelenme testi, eğim testi) içerebilir.
54 Şekil 3.26’da görülen sonuç ekranında, araç performansını sürüş çevrimi boyunca ve de çevrimin herhangi bir noktasında anlık olarak görme olanağı mevcuttur. Sonuç ekranının sağ tarafında, yakıt tüketimi ve emisyonlar gibi özet sonuçlar bulunmaktadır. Sol tarafta ise, zamana bağlı olarak detaylı sonuçlar(örneğin; motor hızı, motor momenti, akü gerilimi, vs.) çizilmiştir.[24]
Şekil 3.26 ADVISOR sonuç ekranı
Şekil 3.27’de MATLAB çalışma alanındaki verilerle bağlantı halinde bulunan grafik arayüz ekranı görülmektedir. Alt sistemlerdeki cihazların verileri metin dosyaları halinde kaydedilmiştir. Kullanıcının seçimlerine göre uygun veri kümeleri çalışma ortamına yüklenir. Grafik arayüz aynı zamanda kullanılacak modelin seçimini kontrol etmek için de kullanılır. Grafiksel blok diyagram olarak gösterilen model, MATLAB çalışma ortamına yüklenen verileri giriş parametre kümesi olarak algılar.[24]
Şubat 2002’de, ADVISOR, Ansoft’un SIMPLORER programıyla birleşmiştir. Bu yeni araç sistem tasarım çözüm programı, SIMPLORER’ın elektriksel sistem
55 karakteristiklerini doğru tahmin etmedeki kuvveti ile ADVISOR’ın bütün aracın sistem analizini gerçekleştirmedeki gücünü biraraya getirmiştir. Bu birleşmiş çözüm programı, mühendislere ileri tahrik sistemleri ve elektrik sistemleri teknolojilerinin analiz ve değerlendirme olanağını sağlamaktadır. [17.23]
Blok Diyagram
Grafik Arayüz
Veri Dosyaları
Şekil 3.27 ADVISOR programının grafik arayüz, veri dosyaları ve modeller arasındaki bağlantısı
56 4. KARŞILAŞTIRMA
Bu bölümde, günümüz içten yanmalı motorlu araçları ile bu konvansiyonel araçlara göre farklı sürüş sistemleri içeren karma elektrikli araçların, enerji tüketimlerinin ve performans kriterlerinin karşılaştırılması yapılacaktır.
Burada karşılaştırılması yapılacak araç çeşidi, binek tip sedan bir araç olup tahrik sistemleri konvansiyonel, seri karma ve paralel karma olarak farklılık gösterecektir. Bu çalışmada bütünüyle yeni bir araç tasarımı hedeflenmemiştir. Yeni bir araç tasarımı yaparken; bu aracın sağlaması istenilen performans hedeflerini ortaya koymak ve bu hedefleri gerçekleştirmek için gerekli tahrik sistemlerinin hesaplarını yapmak gerekir. Bu hesaplar sonucu ortaya çıkan sistem elemanlarına ait güç değerleri, konvansiyonel araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli araçtaki tahrik sistemine ait farklılıkları ortaya koyacaktır. Bu durumda ise, aynı performans hedeflerini gerçekleyen farklı güçlerdeki araç tasarımları ortaya çıkacaktır. Burada karşılaştırması yapılabilecek tek unsur ise yakıt tüketimleri olacaktır.[1]
Bu tez çalışmasında, içten yanmalı motorlu bir araç üzerindeki tahrik sistemi, seri karma ve paralel karma tahrik sistemleri ile değiştirilerek, sadece bu sistemlerin değişiminden kaynaklanan araç performansındaki değişimler ve bu sistemlerin beraberinde getirdiği avantajlar ve dezavantajlar irdelenecektir. Eşit koşullarda bir karşılaştırma yapabilmek için; aynı tipteki araç üzerinde, sadece sürüş sistemindeki tahrik elemanları değiştirilerek, tahrik sistemlerinin güçleri birbirlerine eşitlenmiştir. Bu karşılaştırmaları yapabilmek için gerekli simülasyonlar, daha önceki bölümde anlatılan ADVISOR bilgisayar simülasyon programında gerçekleştirilmiştir.
Bu karşılaştırmada tahrik sistemlerinin değiştirildiği ortak bir binek tip sedan araç esas alınmıştır. Bu araca ait özellikler aşağıda verilmiştir.
Araç boş ağırlığı : 592 kg ( motorsuz, sürücüsüz, vs.) Hava sürtünme katsayısı : 0.335
57 Ön yüzey alanı : 2 m2 Tekerlek yarıçapı : 0.65 m Tekerlek yuvarlanma katsayısı : 0.01
Yukarıda özellikleri verilen araç üzerinde tahrik sistemleri değiştirilerek karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. Bu değişik tahrik sistemlerine sahip araçlar şunlardır. İçten yanmalı motorlu araç Seri karma elektrikli araç Paralel karma elektrikli araç
Bu araçlara ait sistemlerin düzenlenişleri Şekil 4.1’de görülmektedir.
Şekil 4.1 Karşılaştırma yapılan araç çeşitleri
Bu tahrik sistemleri, birçok değişik elemanlarla oluşturulabilir. Bu çalışmada sistem elemanları arasındaki farklılıklardan gelebilecek değişimleri sınırlandırabilmek için, içten yanmalı motor olarak benzinli içten yanmalı motor, elektrik motoru olarak sürekli mıknatıslı elektrik motoru, aküler de nikel metal hidrür tip seçilmiştir.
58 Bütün araçlarda kullanılan içten yanmalı motor, 41 kW gücünde (1991 Geo Metro 1.0L) benzinli içten yanmalı motor modelinden geliştirilmiştir. Motorun maksimum gücü, 5700 devirde 41 kW ve maksimum momenti de 3477 devirde 81 Nm’dur. İçten yanmalı motora ait moment-hız ve güç-hız karakteristikleri Şekil 4.2’de verilmiştir.
Şekil 4.2 İçten yanmalı motor moment-hız ve güç-hız eğrileri
Seri karma elektrikli ve paralel karma elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motoru, 32 kW’lık Unique Mobility’e ait sürekli mıknatıslı motor modeli esas alınarak oluşturulmuştur. Elektrik motoruna ait moment-hız ve güç-hız karakteristikleri Şekil 4.3’de verilmiştir.
Şekil 4.3 Sürekli mıknatıslı elektrik motorunun moment-hız ve güç-hız eğrileri
Seri karma elektrikli araçta ve paralel karma elektrikli araçta aynı tip nikel metal hidrür aküler kullanılmıştır. Bu akülerin maksimum kapasitesi 28 Ah olup, anma gerilimleri 6 V’tur. Ağırlıkları 3.6 kg olan bu akülerin boyutları 195x102x81 mm’dir.
59 Nominal enerji kapasiteleri 175 Wh olan nikel metal hidrür akülerin tepe gücü olarak 1.6 kW verebilmektedir.
İçten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli araçlarda kullanılacak alt sistemlere ait karakteristik özellikler Tablo 4.1’de görülmektedir. Bu tabloda, her bir araçtaki farklı tahrik sistemlerine ait elemanların güçleri ve ağırlıkları bulunmaktadır. Buradan da görülmektedir ki, araçlardaki tahrik sisteminin toplam tahrik güçleri birbirlerine eşittir. Araç toplam ağırlıklarındaki farklılık, tahrik sistemi elemanlarının farklılıklarından kaynaklanmaktadır..
Tablo 4.1 Tahrik sistemlerinin teknik detayları İçten Yanmalı Seri Karma Paralel Karma Motorlu Araç Elektrikli Araç Elektrikli Araç P motor (kW) 75 41 41 P generator(kW) - 75 - P elek.motor(kW) - 75 34 Akü sayısı (adet) - 50 25 Akü kapasite (Ah) - 28 28 Araç boş ağırlık(kg) 592 592 592 İç.yan.motor (kg) 220 131 131 Elek. Motor (kg) - 127 58 Generator (kg) - 87 - Akü (kg) - 180 90 Diğer (kg) 134 61 125 Yük (kg) 136 136 136 Toplam ağırlık (kg) 1082 1314 1132
Yukarıda görülen tablodaki tahrik sistemi elemanları ADVISOR simulasyon programında belirli isimlerle ve adreslerle tanımlanmaktadır. İçten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları ve bunlara karşılık gelen ADVISOR programındaki isimleri sırasıyla Tablo 4.2, Tablo 4.3 ve Tablo 4.4’de verilmiştir.
60 Tablo 4.2 İçten yanmalı motorlu araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı ADVISOR adı Tahrik sistemi conventional Araç VEH_SMCAR İçten yanmalı motor FC_SI41_emis Transmisyon TX_5SPD Tekerler ve aks WH_SMCAR Egzoz EX_SI Ek yükler ACC_CONV Kontrol sistemi PTC_CONV
Tablo 4.3 Seri karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı ADVISOR adı Tahrik sistemi Series Araç VEH_SMCAR İçten yanmalı motor FC_SI41_emis Generator GC_ETA95 Elektrik motoru MC_PM32ev Enerji depolama ESS_NIMH28_Ovonic Transmisyon TX_1SPD Tekerler ve aks WH_SMCAR Egzoz EX_SI Ek yükler ACC_HYBRID Kontrol sistemi PTC_SER
Tablo 4.4 Paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı ADVISOR adı Tahrik sistemi Parallel Araç VEH_SMCAR İçten yanmalı motor FC_SI41_emis Elektrik motoru MC_PM32ev Moment bağlantı TC_DUMMY Enerji depolama ESS_NIMH28_Ovonic Transmisyon TX_5SPD Tekerler ve aks WH_SMCAR Egzoz EX_SI Ek yükler ACC_HYBRID Kontrol sistemi PTC_PAR
61 Farklı tahrik sistemlerine sahip araçlara ilişkin veriler simülasyon programına girildikten sonra, karşılaştırmalı değerlendirme için bu araçların ivmelenme ve yokuş testi simülasyonları yapılmıştır.
Bir başka karşılaştırma unsuru da araçların değişik sürüş çevrimlerinde test edilerek yakıt tüketimi ve toplam sistem verimlerinin karşılaştırılmasıdır. Araçların, şehir içi sürüş çevrimi(UDDS- Urban Dynamometer Driving Schedule), otoban sürüş çevrimi(HWFET- Highway Fuel Economy Test) ve bunların karışımından oluşan sürüş çevrimlerinde(NEDC- New European Driving Cycle) simülasyonları yapılmıştır. Bu sürüş çevrimlerine ait teknik özellikler Tablo 4.5’de verilmektedir.
Tablo 4.5. Sürüş çevrimlerinin teknik özellikleri Sürüş çevrimleri UDDS HWFET NEDC Sürüş çevrimi tipi şehiriçi otoban yüksek hızlı şehiriçi Süre(sn) 1369 765 1184 Uzunluk(km) 11.99 16.51 10.93 Maksimum hız(km/h) 91.25 96.4 120 Ortalama hız(km/h) 31.51 77.58 33.21 Durma sayısı 17 1 13
Araç test simulasyonlarının gerçekleştirildiği UDDS, HWFET ve NEDC sürüş çevrimlerine ait hız-zaman grafikleri sırasıyla Şekil 4.4, Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’de verilmiştir.
Şekil 4.4 UDDS şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
62
Şekil 4.5 HWFET otoban sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
Şekil 4.6 NEDC şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
Tahrik sistemlerinin karşılaştırılmasında esas alınan aracın aynı olması, dolayısıyla aracın boş ağırlığının aynı olmasına karşın, tahrik sistemlerinin farklılığı aracın toplam ağırlığında farklılık getirmiştir. Bu araçlar arasında en hafif olanı içten yanmalı motorlu(konvansiyonel) araç olmakla birlikte, en ağır olanı, elektrik motoru, akü grubu, içten yanmalı motor-generator setinin kullanıldığı seri karma elektrikli araçtır. Bununla birlikte, elektrik motoru ve içten yanmalı motora sahip, seri karma
63 elektrikli araca göre daha küçük akü grubu olan ve generator bulunmayan paralel karma elektrikli aracın toplam ağırlığı, seri karma elektrikli araca göre düşük olmakla birlikte, konvansiyonel aracın ağırlğına daha yakındır. Bu farklı sistemlere sahip araçların ağırlık karşılaştırılması Şekil 4.7’de verilmiştir.
Konvansiyonel Seri Paralel
1400
1200
1000
800
600 Ağırlık (Kg) 400
200
0 Araç boş ağırlık Toplam ağırlık
Şekil 4.7 Araç ağırlıkları
Farklı tahrik sistemlerine sahip içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın ivmelenme testi ve yokuş çıkma testlerinin simülasyonları yapılmış ve elde edilen sonuçlar aşağıda değerlendirilmiştir. Bu sonuçlardan görülmüştür ki, tahrik sistemlerinin değişmesinden kaynaklanan ağırlık farklılıkları araç performansı üzerine önemli derecede etki etmiştir. Bunun en belirgin örneği, seri karma elektrikli araçta ortaya çıkmaktadır. Maksimum hız ölçütünde, seri karma elektrikli araç, diğerlerine göre daha yavaş iken, ağırlığı konvansiyonel araca yakın olan paralel karma elektrikli aracın maksimum hızı, konvansiyonel araç ile aynı değerlerdedir. Araçların maksimum hızlarının karşılaştırıldığı grafik Şekil 4.8’de görülmektedir.
64 200
160
120
80 Hız (km/saat)
40
0 Konvansiyonel Seri Paralel
Şekil 4.8 Maksimum hızlar
İvmelenme sürelerine baktığımızda ise seri karma elektrikli aracın maksimum hız ölçütünde ağırlıktan kaynaklanan dezavantajı burada görülmemektedir. Bundaki en önemli faktör ise, elektrik motorunun tahrik sisteminde itici güç olmasından dolayı, elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment özelliğiyle içten yanmalı motora göre üstünlük sağlamasıdır. Paralel karma elektrikli araçta bu avantajın üstüne, bir de ağırlık olarak konvansiyonel araca daha yakın ağırlıkta olma avantajı eklendiğinden, ivmelenme sürelerinde diğerlerine göre daha iyi performansa sahiptir. İvmelenme sürelerine ait grafikler, Şekil 4.9’da verilmiştir.
Konvansiyonel Seri Paralel 12
10
8
6
Süre (sn) 4
2
0 0-100 km/saat 0-60 km/saat 80-120 km/saat
Şekil 4.9 İvmelenme süreleri
65 Yokuş çıkma kabiliyetlerine bakılacak olursa, benzer şeyler burada da söylenebilir. Seri karma elektrikli aracın çıkabildiği yokuş eğimi yine ağırlık nedeniyle en düşük değerlerdeyken, paralel karma elektrikli araç, diğer ikisine göre üstünlük göstermiştir. Yokuş çıkma kabiliyetlerine ait grafikler Şekil 4.10’da verilmiştir.
25
20
15
10 Yokuş Yokuş eğimi (%) 5
0 Konvansiyonel Seri Paralel
Şekil 4.10 Yokuş çıkma kabiliyetleri
Yukarıda bahsedilen ivmelenme testlerine ve yokuş çıkma testlerine ek olarak, farklı tahrik sistemlerine sahip bu üç araç değişik üç sürüş çevriminde karşılaştırmalı olarak test edilerek, yakıt tüketimlerine ve toplam sistem verimlerine ait simülasyonlar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.11 ve Şekil 4.12’de görülmektedir. UDDS sürüş çevrimi ve NEDC sürüş çevrimi, şehiriçi sürüş çevrimleri yaklaşık olarak benzer özellikler göstermektedir. Bu iki sürüş çevriminde araçların yakıt tüketimlerine bakılacak olursa; konvansiyonel aracın yakıt tüketimi en yüksek değerde iken, konvansiyonele göre yakıt tüketimi oldukça iyi olan seri karma elektrikli araç, seri karmadan daha da iyi olan paralel karma elektrikli araç onu takp etmektedir. Bu durumun en önemli sebeplerinden biri, UDDS ve NEDC sürüş çevrimlerinin karakteristiklerinin gösterildiği Şekil 4.4 ve Şekil 4.6’e bakılınca anlaşılacaktır. Şehiriçi karakteristiğini modelleyen bu sürüş çevrimleri, aracın duruş kalkış sayısının fazla olduğu ve duruş pozisyonunda belirli süreler beklediği(trafik sıkışıklıkları, trafik lambaları gibi) tipik şehir içi özelliklerine sahip çevrimlerdir. Konvansiyonel aracın özelliklerine bakacak olursak, içten yanmalı motorun aracı
66 Konvansiyonel Seri Paralel 9 8 7 6 5 4 3
2 Yakıt tüketimi (l/100km) Yakıt tüketimi 1 0 UDDS NEDC HWFET
Şekil 4.11 Değişik sürüş çevrimlerindeki yakıt tüketimleri
Konvansiyonel Seri Paralel 0,2
0,16
0,12
0,08
0,04 Toplam sistem Toplamverimi sistem (%)
0 UDDS NEDC HWFET
Şekil 4.12 Değişik sürüş çevrimlerindeki toplam sistem verimi hareket ettirmek için gerekli olan kalkış anındaki yüksek momenti verebilmesi için belirli bir devire çıkması gerekmektedir. Çok sayıda duruş kalkış sırasında, bu kalkış anı karakteristiği yakıt tüketiminin artmasına neden olmaktadır. Ayrıca, aracın bekleme durumlarında, içten yanmalı motorun düşük devirlerde(rölantide) çalışması da yakıt tüketiminin artmasına neden olan etkenlerden biridir. Seri karma ve paralel karma elektrikli araca bakacak olursak; her ikisi de konvansiyonel araca göre bu iki avantaja sahip olduğu için yakıt tüketimleri daha düşüktür. Şehir içindeki duruş
67 kalkış sırasında, elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment özelliğinin getirdiği faydalar ve bekleme anlarında elektrik motorunun çalışması, dolayısıyla enerji harcamama özelliği, yakıt tüketimlerinin azalmasına destek vermektedir. Buna ek olarak, elektrik motorunun rejeneratif frenleme özelliğinden dolayı şehirçi sürüş çevrimlerinde bulunan çok sayıdaki duruş kalkış sırasında, duruşlarda yapılan frenleme ve yokuş aşağı giderken yapılan frenlemeler, elektrik motorunu generator olarak çalıştırmaktadır. Konvansiyonel araçlarda ziyan olan bu frenleme enerjisini, seri karma elektrikli ve paralel karma elektrikli araçlar aküleri şarj etmekte kullanmaktadır. Bu geri kazanılan enerji yakıt tüketimine, dolayısıyla toplam sistem verimine katkıda bulunmaktadır. Toplam sistem verimi, tahrik sistemindeki bütün elemanların verimleri göz önünde bulundurularak, araca verilen enerjinin tekerlerden alınan hareket enerjisiyle oranlanması sonucu ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, otoban sürüş çevrimi olan HWFET sürüş çevriminde yapılan simülasyonların sonuçlarına bakılacak olursa; konvansiyonel aracın, şehir içinde, içten yanmalı motordan kaynaklanan dezavantajının burada bir ölçüde azaldığı görülmektedir. Bunun sebebi ise, otoban sürüş çevriminde, araç yüksek hızlarda gittiği için, içten yanmalı motor belirli bir devirde, yaklaşık olarak sabit güçte ve aracın, ilk hareket anında ihtiyaç duyduğu güçlere göre daha düşük güçlerde gitmekte olduğundan, yakıt tüketimi, şehiriçi yakıt tüketimine göre düşmüştür. Seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli araç ise şehir içindeki duruş kalkışlardan gelen avantajı olmamakla birlikte, yine de konvansiyonel araca göre, yakıt tüketiminde ve toplam sistem veriminde daha iyi performans göstermektedir.
Sonuç olarak; içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın, aynı test koşullarında ve aynı sürüş çevrimlerinde yapılan simülasyonları sonucunda şu bulgular elde edilmiştir. Aynı araç üzerine farklı tahrik sistemleri yerleştirildiğinde, seri karma elektrikli araç en ağır olan olarak göze çarpmaktadır. Bunu, paralel karma elektrikli araç ve içten yanmalı motorlu araç izlemektedir. Ağırlık faktörünün, araç performansı üzerine doğrudan etkisi olduğundan, maksimum hızlarda ve yokuş çıkma kabiliyeti ölçütlerinde seri karma elektrikli araç bu dezavantajın sonuçlarını diğerlerine göre daha düşük performans göstererek ödemektedir. Paralel karma elektrikli araç, bu ölçütlerde içten yanmalı motorlu araç ile yarışır durumdadır. Yakıt tüketiminde ise, özellikle şehiriçi sürüş çevrimlerinde, sırasıyla paralel karma elektrikli araç ve seri karma elektrikli araç,
68 içten yanmalı motorlu araca göre üstünlük sağlamaktadır. Bu durum, paralel karma elektrikli araç ve seri karma elektrikli aracın, bütün özellikleri göz önüne alındığında, içten yanmalı motorlu araçlara alternatif olacak seçenekler olduğunun göstergesidir.
69 5. UYGULAMA
TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü’nde, içinde bulunduğum araştırma grubu ile birlikte seri karma bir elektrikli araç geliştirilmiştir. Bu projede, içten yanmalı motor ile tahrik edilen mevcut konvansiyonel tip bir panelvan aracın tahrik sistemi elektrikli hale çevrilerek, seri karma elektrikli araca dönüştürülmüştür.
Seri karma elektrikli hale dönüştürülen bu aracın tekerleklerini, üç fazlı, sincap kafesli asenkron bir motor tahrik etmektedir. Nominal gücü olan 30 kW’ı sürekli olarak verebilen bu motor, 2 dakika süreyle maksimum 60 kW tepe gücü verebilmektedir. Maksimum çalışma hızı 9000 devir/dakika iken, maksimum momenti 0-2300 devir/dakika aralığında 260 Nm ve ağırlığı ise 80 kg.’dır. Elektrik motorunun önünde bulunan evirici DC gerilim barasından aldığı doğru gerilimi, alternatif gerilime çevirerek, motorun dolayısıyla aracın hız kontrolünü, sürücünün isteğine göre gerçekleştirir. Evirici, darbe genişlik modülasyonlu IGBT yarı iletken anahtarlardan oluşmaktadır. Enerji akışı çift yönlüdür. Sürücü gaza bastığında, eviricinin çıkış gerilimi artarak motoru hızlandırır. Sürücü frene bastığında, mekanik frenden önce elektriksel fren devreye girerek, elektrik motoru generator olarak çalışır ve aküleri şarj eder.
Aracın tahrik gücünü sağlamak için, akü grubu ve içten yanmalı motor-generator seti kullanılmıştır. Akü grubunun çıkışı ve generatorun çıkışı birleştirilerek DC gerilim barası oluşturulmuştur. Akü grubu, 12V 60 Ah’lik 25 adet kurşun-asit aküden oluşmaktadır. Böylece, toplam 300 V DC gerilim elde edilmiş olup, toplam ağırlık 375 kg gelmektedir. Diğer taraftan, 17 kW maksimum güçte iki silindirli bir içten yanmalı motor, 15 kW gücünde bir generator ile akuple edilerek çıkışı DC baraya bağlanmıştır. Generator çıkışı, alternatif gerilim olup kontrollü bir doğrultucu tarafından doğru gerilime çevrilmektedir. Aracı tahrik etmek için kullanılan enerji aküler tarafından sağlanmaktadır. Akülerin enerjisi, tahrik gücüne yetmediği zaman
70 generator seti devreye girmektedir. Bununla birlikte, akülerin şarj seviyesi 275 V’un altına düştüğü zaman generator seti akü grubunu şarj etmek için kullanılmaktadır.
Aracın konvansiyonel halinde bulunan içten yanmalı motor sökülmüş ve seri karma elektrikli tahrik sistemine ait elektrik motoru, akü grubu, generator seti, evirici ve doğrultucu gibi elemanların araç üzerine montajı yapılmıştır. Böylece, seri karma elektrikli aracın toplam ağırlığı 1714 kg.’ı bulmuştur. Bu aracın maksimum hızı 92 km/h olup, 60 km hıza 14 saniyede ulaşmaktadır. Sadece akülerden çekilen enerji ile sıfır emisyon araç (ZEV-zero emission vehicle) halindeki sürüş menzili 120 km.’nin üstüne çıkmaktadır.[25]
Şekil 5.1 Araç yerleşiminden bir görüntü
Aracın, seri karma elektrikli hale dönüştürülmesi sonucunda, konvansiyonel haline göre performansında birtakım düşmeler görülmüştür. Bu durum, aracın ağırlığının artmasından dolayı maksimum hız ve ivmelenme sürelerinde görülen düşüşlerdir. Ağırlık artışının esas nedenlerinden biri, maliyetinin düşüklüğü nedeniyle kurşun-asit aküler kullanılmasıdır. Bu akülerin yerine, Nikel metal hidrür ya da Lityum iyon akülerin kullanılması ağırlığı azaltmakla birlikte performansı iyileştirecektir. Aynı
71 zamanda asenkron elektrik motorları yerine, sürekli mıknatıslı elektrik motorlarının kullanılması maliyeti arttıracak olmasına karşın performansta iyileşmelere neden olacaktır. Bununla birlikte, geliştirilen bu seri karma elektrikli aracın önemli özellikleri bulunmaktadır. Elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment özelliği, içten yanmalı motorun giderek artan moment grafiğine göre avantaj sağlamaktadır. Böylece, vites kutusu ile arttırılan içten yanmalı motor performansına göre elektrik motoru için vites kutusunda bazı viteslerin kullanılmasına gerek kalmamaktadır. Aynı zamanda, elektrik motorunun hem ileri hem de geri yöne dönme kabiliyeti, vites kutusundaki geri vitesin gerekliliğini de ortadan kaldırmıştır. Sadece akülerden tahrik imkanı bulunması nedeniyle elektrik motorunun sessiz çalışma özelliği, şehir içinde gürültü kirliliği yaratmayacak, aynı zamanda emisyon olmadığı için hava kirliliğine neden olmayacaktır. Frenleme sırasında ve yokuş aşağı sürüş durumlarında, elektrik motoru generator olarak çalışıp aküleri şarj edecektir. Şehiriçi trafik sıkışıklıklarında ve trafik ışıklarındaki beklemeler sırasında elektrik motoru enerji harcamadığından dolayı bu durum yakıt tasarrufu sağlayacaktır.
72 6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Günümüzde kullanılan otomobillerdeki tahrik sistemleri mekanik sistemlerden oluşmaktadır. Bu tür sistemlerin çevreye zararlı gazlar yayması, enerji tasarrufu ve geri kazanımı imkanı olmaması, araçlarda alternatif tahrik sistemlerinin araştırılmasına neden olmuştur.
Son yıllarda güç elektroniği elemanlarında, motor kontrol sistemlerindeki ve elektriksel enerji depolama sistemlerindeki teknolojik gelişmeler elektrikli tahrik sistemlerini avantajlı hale getirmiştir. Elektrikli tahrik sistemlerinin verimliliklerinin artması, ağırlık yönünden giderek hafifleşmesi, elektriksel bağlantı yapıldığından dolayı hacim bakımından esneklik sağlaması ve kontrol kabiliyetinin fazla olması bu tip tahrik sistemlerinin araçlarda kullanılmasına neden olmuştur.
Bu tez çalışmasında, konvansiyonel içten yanmalı motorlu araçlara bir alternatif olarak düşünülen karma elektrikli araçlar incelenmiştir. Karma elektrikli araçların çalışma prensipleri, alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve geleceğinde büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve elektriksel tahrik sistemleri detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Özet olarak; yakıt pillerinin araç uygulamalarında kullanılması günümüzde ticari olarak ulaşılabilir görülmemekle birlikte, geleceğin umut vadeden teknolojisidir. Enerji depolama elemanlarının performanslarındaki artış, karma elektrikli araçların sürüş menzilini uzatacak en önemli faktördür. Çeşitli akü tipleri üzerine araştırmalar devam etmekle birlikte, günümüz bakış açısıyla yakın gelecekte, araçlardaki bu performans artışını gerçekleştirmeye aday olarak lityum aküler görülmektedir. Elektriksel tahrik sistemlerinde, asenkron motorlar olgunlaşmış teknolojisiyle göze çarparken, sürekli mıknatıslı motorlar, yüksek güç yoğunlukları ve yüksek devirleri ile karma elektrikli araçların giderek artan güç ihtiyacını karşılamak için etkileyici çözümler sunmaktadır. Ayrıca, elektrik motorlarının, araçların tekerleklerinin içine yerleştirilmesi(hub-drive), geleceğin karma elektrikli araçlarında düşünülen tahrik sistemi şeklidir.
73 Bununla birlikte, bu çalışmada, içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın birbirlerine göre üstünlüklerini belirlemek üzere, değişik sürüş çevrimlerinde ve test koşullarında bilgisayar simülasyonları yapılarak, karşılaştırmalı değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. İçten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın, aynı test koşullarında ve aynı sürüş çevrimlerinde yapılan simülasyonları sonucunda şu bulgular elde edilmiştir. Aynı araç üzerine farklı tahrik sistemleri yerleştirildiğinde, seri karma elektrikli araç en ağır olan olarak göze çarpmaktadır. Bunu, paralel karma elektrikli araç ve içten yanmalı motorlu araç izlemektedir. Ağırlık faktörünün, araç performansı üzerine doğrudan etkisi olduğundan, maksimum hızlarda ve yokuş çıkma kabiliyeti ölçütlerinde seri karma elektrikli araç bu dezavantajın sonuçlarını diğerlerine göre daha düşük performans göstererek ödemektedir. Paralel karma elektrikli araç, bu ölçütlerde içten yanmalı motorlu araç ile yarışır durumdadır. Yakıt tüketiminde ise, özellikle şehiriçi sürüş çevrimlerinde, sırasıyla paralel karma elektrikli araç ve seri karma elektrikli araç, içten yanmalı motorlu araca göre üstünlük sağlamaktadır.
Ayrıca, uygulama çalışması olarak içten yanmalı motorlu panel-van tip konvansiyonel bir araç, seri karma elektrikli araca dönüştürülmüştür. Sessiz sürüş(sadece akülerden) imkanı da tanıyan bu aracın özellikle şehiriçi uygulamalarında enerji geri kazanımından dolayı, enerji tasarrufu imkanı yarattığı ve emisyon ve gürültü açısından içten yanmalı motorlu araçlara göre daha çevre dostu olduğu görülmüştür.
Sonuç olarak, bu çalışmalar çerçevesinde, karma elektrikli araçların özellikleri göz önüne alındığında, içten yanmalı motorlu araçlara alternatif olacak seçenekler olduğu görülmektedir.
74
7. KAYNAKLAR
[1] Smokers, R., Dijkhuizen, A.J., Winkel, R.G., 2002. Hybrid Drivetrain Configurations, Annex VII: Hybrid Vehicles Overview Report 2000, International Energy Agency [2] Chau, K.T., Wong, Y.S., 2002. Overview of Power Management in Hybrid Electric Vehicles, Energy Conversion and Management, 43, 1953- 1968 [3] Chan, C.C., 2002. The State of the Art of Electric and Hybrid Vehicles, Proceedings of the IEEE, 90, 247-275 [4] Brusaglino, G., Ravello, V., Schofield, N., Howe, D., 1999. Advanced Drives for Electrically Propelled Vehicles, Proceedings of the IEE [5] Maggetto, G., Van Mierlo, J., 2001. Electric Vehicles, Hybrid Electric Vehicles and Fuel Cell Electric Vehicles: The State of the Art and Perspectives, Ann.Chim.Sci.Mat., 26(4), 9-26 [6] Maggetto, G., Van Mierlo, J., 2000. Electric and Electric Hybrid Vehicle Technology: A Survey, Proceedings of the IEE [7] Chan, C.C., Wong, Y.S., Chau, K.T., 2002. Optimal design of Hybrid Fuel Cell Electric Vehicles, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23, 2033-2043 [8] Oh, H.S., Kim, S., Kim, N., Lee, J., Hwang, I., 2002. Design and Evaluation of Polymer Electrolyte Fuel Cell Power Plant for Fuel Cell Hybrid Vehicle, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23, 1944-1950 [9] Mc Nicol, B.D., Rand, D.A.J., Williams, K.R., 2001. Fuel Cells for Road Transportation Purposes- yes or no?, Journal of Power Sources, 100, 47-59 [10] Nelson, R.F., 2000. Power Requirements for Batteries in Hybrid Electric Vehicles, Journal of Power Sources, 91, 2-26 [11] Shukla, A.K., Arico A.S., Antonucci, V., 2001, An appraisal of electric automobile power sources, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 5, 137–155 [12] King, R.D., Song, D., Gikakis, C., Gilon, Y., 2002, Zero Emissions Zinc Air Electric Transit Bus – Performance Test Results, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23, 790-801 [13] Bitsche, O., Schmolz, A., Ehmer, M., Keilhofer, K., Klemens, T., 2002, Fleet Test of Four DaimlerChrysler EPIC Minivans Powered by Lithium Ion Batteries, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19- 23, 360-371
75 [14] Burke, A., Miller, M., 2002, Comparison of Ultracapacitors and Advanced Batteries for Pulse Power in Vehicle Applications: Performance, Life and Cost, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23, 855-866 [15] Jeong, J., Lee, H., Kim, C., Choi, H., Cho, B., 2002, A Development of an Energy Storage System for Hybrid Electric Vehicles Using Supercapacitor, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19- 23, 1379-1389 [16] Hodkinson, R., Fenton, J., 2001, Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design, Butterworth-Heinemann Press, Oxford [17] Sun, L., Bai, W., Sun, F., 2002. State-of-the-art Electric Vehicle Simulation Technology, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19- 23, 2064-2073 [18] Kellermeyer, W., 1998. Development and validation of a modular hybrid electric vehicle simulation model, MSc Thesis, West Virginia University, Virginia [19] Rahman, Z., Butler, K.L., Ehsani, M., 1999. Designing Parallel Hybrid Electric Vehicles Using V-Elph 2.01, Proceedings of the American Control Conference, USA, June [20] Tillaart, E.V.D., Mourad, S., Lupker, H., 2002. TNO Advance- A Modular Simulation Tool for Combined Chassis and Powertrain Analysis, Proceedings of the 4th International All Electric Combat Vehicle Conference, Hollanda. [21] Gökdere, L., Benlyzaid, K., Dougal, R., Santi, E., Brice, C., Parker, D.S., Hodge C.G., 2002. A virtual prototype for a hybrid electric vehicle, Mechatronics, 12, 575-593. [22] http://vtb.engr.sc.edu [23] http://www.ctts.nrel.gov/analysis/advisor.html [24] Markel, T., Brooker, A., Hendricks, T., Johnson, V., Kelly, K., 2002. ADVISOR: A System Analysis Tool for Advanced Vehicle Modelling, Journal of Power Sources, 110, 255-266. [25] Yazar, A., Tunçay, R.N., Uçarol, H., Tür, O., Kiraz, H., 2002. ELİT-1 Elektrikli Araç Projesi Sonuç Raporu, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Gebze, Kocaeli, Türkiye
76 EK A Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları
İçten Yanmalı Araç Elektrik Motoru Generator Akü Motor Ağırlık Güç Güç Gerilim Güç Adı Durum Tip Tip Tip Tip Tip (kg) (kW) (kW) (V) (kW) Audi Duo III test paralel 1710 3 faz asenkron 35 Kurşun-asit 230 TDI-dizel 66 BMW 318 ISAD ticarileşme paralel starter 6 Otto-benzin Chevrolet Triax prototip paralel 1330 Gen III 35 starter 15 Ni-MH 350 turbo-benzin 48 Chrysler Citadel prototip paralel Siemens 52 Kurşun-asit V6- benzin 189 Chrysler Durango prototip paralel Siemens asenk. 66 Li-iyon V6-benzin Citroen Saxo test seri 1050 Leroy-Somer DC 20 AC 6,5 Ni-Cd 120 boxer-benzin 10 Citroen Xsara ticarileşme paralel 1100 asenkron 7 Ni-MH 220 Otto-benzin 65 Citroen Dynactive ticarileşme paralel 1450 Sürekli mıkna. 25 Ni-MH 168 Otto-benzin 55 CSIRO prototip seri Anahtarl. relük. Kurşun-asit 200 CMC Daihatsu Charade prototip paralel 1660 AC asenkron 37 Kurşun-asit 240 benzin Daihatsu Move test 1070 DC fırçasız 19 Kurşun-asit 288 Daihatsu Move II prototip paralel 780 18 Ni-MH Miller-benzin Daimler Chrysler S prototip paralel 80 V6-benzin 132 Dodge ESX prototip seri 1440 Zytec Sür. mıkn. 186 Kurşun-asit TD-dizel Dodge ESX2 prototip paralel 1125 starter-asenk. 15 Kurşun-asit 300 DI-dizel 55 Dodge ESX3 prototip paralel 1020 Delphi-starter 15 Li-iyon 165 DI-dizel 55 Dodge Powerbox prototip paralel Siemens 52 V6-CNG 187 ETH-Z test paralel Asenkron 16 120 Otto-benzin 50 Fiat Multipla ticarileşme paralel 1850 3 faz asenkron 30 15 Ni-MH 216 Otto-benzin 68 Ford Aachen paralel 1650 Ford Escape ticarileşme paralel 1643 Sür. mıkn.asenk. 65 28 Sanyo NiMH 300 Zetec-benzin Ford Explorer prototip paralel starter 10 42
77 Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları(devam)
İçten Yanmalı Araç Elektrik Motoru Generator Akü Motor Ağırlık Güç Güç Gerilim Güç Adı Durum Tip Tip Tip Tip Tip (kg) (kW) (kW) (V) (kW) Ford P2000 LSR prototip paralel 908 starter 8 Varta NiMH 280 Diata 55 Ford Prodigy prototip paralel 1082 3 faz asenk. 8 Ni-MH 288 Diata 55 Ford Synergy prototip seri 910 Sürekli mıknatıslı DI-dizel Ford VCC110 seri 1715 GM EV1 Parallel prototip paralel 1450 GM- AC asenk. 100 starter-DC 4,8 Ovonic-NiMH 290 Isuzu DI-dizel 55 GM EV1 Seri prototip seri 1339 GM- AC asenk. 100 AC 40 Ovonic-NiMH 290 GM Precept prototip paralel 1176 Unique- AC PM 25 Unique- PM 10 Ni-MH 350 Isuzu DI-dizel 40 Holden ECO prototip paralel Anahtarl. relük. 50 Kurşun-asit GM 95 Honda prototip seri Sürekli mıkn. 50 NiMH Otto 60 Hyundai FGV II prototip paralel 1280 DC 10 Ni-MH benzin Kia KEV 4 prototip paralel 1478 50 7 Kurşun-asit 336 benzin Mitsubishi Chariot prototip seri 1290 AC asenkron 60 Li-iyon 336 CNG 25 Mitsubishi ESR prototip seri AC asenkron 70 Alkalin 336 benzin Mitsubishi Pistachio ticari paralel 700 starter-altern. benzin 54 Mitsubishi SUW prototip paralel 980 Sürekli mıkn. 12 starter-altern. Li-iyon GDI-benzin 77 Mitsubishi Compact prototip paralel starter-altern. GDI-benzin 63 Nissan AI-X paralel Sony Li-iyon DI-benzin Nissan Stylish prototip paralel GDI-benzin Nissan Tino Neo ticari paralel 3 faz senkron 20 3 faz senkron 13 Li-iyon 345 benzin 73 Peugeot 406 VERT seri 1800 DC 45 Saft- NİCd dizel 37 Pininfarina Ethos prototip paralel starter 10,5 DI 40 Pininfarina Metrocubo seri 1300 benzin Renault Koleos prototip paralel 2000 Elegie 30 Li-iyon benzin 127 Renault Next paralel 875 Sürekli mıknatıslı 14 Ni-Cd benzin 35
78 Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları(devam)
İçten Yanmalı Araç Elektrik Motoru Generator Akü Motor Ağırlık Güç Güç Gerilim Güç Adı Durum Tip Tip Tip Tip Tip (kg) (kW) (kW) (V) (kW) Renault Scenic prototip paralel 1650 Sürekli mıknatıslı 30 Ni-Cd 172 benzin 80 Renault Vert test seri 2000 Sürekli mıknatıslı 2x45 Ni-Cd 288 gaz türbin 38 Sachsenring prototip paralel 1425 Sürekli mıknatıslı 30 NaNiCl2 284 Audi TDI 66 Saturn prototip seri UQM- Sürek.mıkn. 53 PbSO4 Kawasaki 14 Subaru Elten paralel 920 starter- PM 8,5 Ni-MH 300 A benzin 31 Suzuki EV-sport prototip paralel 625 GM Generation III Ni-MH Otto-benzin 15 Suzuki Pu3 prototip paralel 600 Otto-benzin Toyota Corona prototip paralel Ni-MH DI-benzin Toyota HV-M4 prototip paralel benzin Toyota Prius ticari seri-paralel 1240 Sürek.mık.senk. 33 Ni-MH 288 DOHC 53 Volvo ECC seri 70 Ni-Cd 120 gaz türbin Citroen Berlingo test seri 1500 Leroy-Somer DC 28 AC 6,5 Saft- NİCd 138 Lombardini 10 Renault Kangoo prototip seri 1775 62 Saft- NİCd Lombardini
79 ÖZGEÇMİŞ
Hamdi Uçarol 1977 yılında Adana’da doğdu. Lise öğrenimini Adana Anadolu Lisesi’nde tamamladıktan sonra 1995 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik- Elektronik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü’ne girdi. 1999 yılında Elektrik Mühendisi ünvanı ile mezun oldu ve aynı yıl İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Mühendisliği bölümünde yüksek lisans programına başladı. 2001-2002 yıllarında İstanbul Üniversitesi İşletme İktisadı Enstitüsü İşletmecilik İhtisas Programı’nı tamamladı. 1999 yılından beri TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü’nde Araştırmacı olarak görev yapmaktadır.
80