elektrİklİ taŞit tasarimi - teknikbelgeler.com€¦ · tez içinde sunduğumuz bilgi ve...
TRANSCRIPT
ELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI
İsmet KARAKAŞ
Mustafa PEKCAN
LİSANS TEZİ
OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
HAZİRAN 2014
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Tez Yazım Kurallarına uygun olarak
hazırladığımız bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğumuz bilgi ve dokümanları akademik kurallar etik
çerçevesinde elde ettiğimizi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak
kurallarına uygun olarak sunduğumuzu,
Tez çalışmamızda özgün veriler dışında kalan ve tezde yararlanılan
eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimizi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımızı,
Bu tezde sunduğumuz çalışmanın özgün olduğunu ve başka bir yerde
sunmadığımızı
Beyan ederiz.
İsmet KARAKAŞ Mustafa PEKCAN
iv
ELEKTRİKLİ TAŞIT TASARIMI
(LİSANS TEZİ)
İsmet KARAKAŞ
Mustafa PEKCAN
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
Haziran 2014
ÖZET
Günümüz doğa koşulları ve atmosfer dengesi git gide tehlike
altına girmektedir. Petrol rezervlerinin 50 yıllık ömrü kaldığı söylendiği
günümüzde araştırmacılara göre doğa petrol ve türevlerinin verdiği
zararlara o kadar uzun süre dayanamayacağı görülmektedir. Bu duruma
tepkisiz kalamayan otomotiv üreticileri emisyon değerlerini azaltmak
için sürekli yeni teknolojiler geliştirmektedirler. Ne kadar azalsa da
emisyon değeri sıfır olamayacaktır. Bu yüzden üreticiler alternatif enerji
kaynakları ile çalışan araçlar üretmek için çalışmalara başladılar. En
uygun motor seçeneği olan elektrik motoru ve elektrik enerjisi olduğu
tespit edilmiştir. Üreticiler bir çok elektrikli araç tasarlamış üretmiş ve
denemiştir. Avantaj ve dezavantajları gözlemlenmiş. Bu tez kapsamında
elektrikli bir taşıt tasarımı yapılmıştır. Bilgisayar ortamında 3 boyutlu
çizilen araç parçaları analiz programında dayanım analizleri yapılmıştır.
Daha sonra en uygun ebat ve malzeme seçimi yapılarak imalat
aşamasına geçilmiştir. Bölüm atölyelerinde gerekli ham maddeler takım
v
tezgahlar kullanılarak tarafımızca imal edilmiş ve montaj edilmiştir.
İmalat aşamasında tasarlanırken gözden kaçan eksikler düzeltilip
tasarım revizyon edilmiştir. İmalatı biten aracın yol testi okulumuz taşıt
test laboratuarındaki taşıt dinamometreleri kullanarak yapılmıştır. Test
sonucunda aracın menzil ve harcadığı enerji hesap edilmiştir. Araç tam
şarjlı batarya ile 65 km menzilde yol yapabilmektedir. Deneyde alınan
veriler hesaplanarak aracın 100 kilometrede yaklaşık 0.7 litre benzin eş
değerinde yakıt harcadığı hesaplanmıştır. sıradan bir sedana göre 10
kat daha tasarruflu bir araç olduğu görülmüştür. Ayrıca elektrikli
araçların düzeltilmesi gereken eksik yanları tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler:Elektrikli taşıt, Alternatif enerjili taşıtlar
vi
ELECTRİC VEHICLE DESİGN
(THESİS)
İsmet KARAKAŞ
Mustafa PEKCAN
GAZI UNIVERSITY
FACULTY OF TECHNOLOGY
June 2014
Abstract
Recently, natural conditions and atmosphere is under threat . stil
oil reserves is going to continue 50 years but atmosphere cant stant
any more. The automotive manufacturers see this problem and try to
desing new technology. They want to make a car which have zero
emissions engine. Although they try to make this car but it is
impossible. So that manufacturers looks for alternative way for run the
engine. Electrical power and electrician car is most clean for nature. We
designed an electrician car in this treatise. the car analysised with
computer program and we chose optimal size and metarials. After that
we start to manufacture in our schools workshop. The car was tested
and we calculated how many kilometers it can go. And we detected it
spend as same as 0.7 liters oil for 100 km.
Key Words: Electric vehicles, Alternative-energy vehicle
vii
TEŞEKKÜR
Çalışmalarımız boyunca değerli yardım ve katkılarıyla bizi yönlendiren
saygıdeğer hocamız Prof. Dr. Atilla KOCA’ya, Yrd. Doc. Dr. Fatih ŞANİN’e,
manevi destekleriyle bizi hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli
hocalarımız Arş. Gör. Emre YILMAZ ve Arş. Gör. Hamit SOLMAZ’a ve yine
kıymetli tecrübelerinden faydalandığımız Otomotiv Mühendisliği
Bölümü’ndeki kıymetli tüm hocalarımıza ve varlığıyla her zaman maddi
manevi desteklerini üzerimizden eksik etmeyen ailelerimize teşekkürü bir
borç biliriz.
viii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ..............................................................................................................iv
ABSTRACT.....................................................................................................vi
TEŞEKKÜR....................................................................................................vii
İÇİNDEKİLER................................................................................................viii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ.................................................................................x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ....................................................................................xii
RESİMLERİN LİSTESİ..................................................................................xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR.....................................................................xv
1. GİRİŞ.........................................................................................................16
2. LİTERATÜR...............................................................................................19
3. ELEKTRİKLİ TAŞITLAR............................................................................39
3.1 Elektrikli Taşıtların Çeşitleri ve Yapıları........................................39
3.1.1 Tümü Elektrikli Araçlar....................................................39
3.1.2. Hibrit Elektrikli Araçlar....................................................44
3.1.3. Yakıt Pilli Elektrikli Araçlar..............................................48
3.2. Elektrikli Taşıtlarda Kullanılan Motor Çeşitleri..............................52
3.2.1. Doğru Akım Motorları.....................................................52
3.2.2. Asenkron Motorlar..........................................................58
3.2.3. Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar.................................60
3.2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motorları (ARM).....................61
3.3 Bataryalar.....................................................................................62
3.3.1 Kurşun- Asit Bataryalar...................................................62
3.3.2 Nikel Bazlı Bataryalar......................................................68
ix
Sayfa
3.3.4 Lityum Bataryalar............................................................71
3.4 BATARYA ÖMRÜ VE BATARYALARIN ŞARJ EDİLMESİ...........74
3.4.1 Batarya Ömrü..................................................................74
3.4.2 Çevrim Ömrü...................................................................78
3.4.3 Bataryanın Şarj Durumu ................................................79
3.4.4 Batarya Denetim Sistemi (BDS)......................................82
3.4.5 Bataryaların Şarj Edilmesi...............................................85
3.4.6 Şarj Eşitlenmesi...............................................................86
3.5 Elektrikli ve İçten Yanmalı Motorlu Araçların Karşılaştırılması…..89
3.5.1 Fiyat.................................................................................89
3.5.2 Kullanım Masrafları ve Bakım-Onarım............................91
3.5.3 Menzil Ve Tekrar Depolama Süresi.................................95
3.5.4 Hava Kirliliği ve Karbon Emisyonu..................................96
3.5.5 Hızlanma ve Aktarım Organı...........................................99
3.5.6 Enerji Verimliliği.............................................................101
3.5.7 Güvenlik........................................................................102
4. MATERYAL METOD...............................................................................105
4.1 Elektrikli Aracın Tasarımı............................................................105
4.2 Dayanım Analizleri......................................................................107
4.3. İmalat.........................................................................................116
4.4 Batarya Deşarj Testi..................................................................119
5. Sonuç ve Öneriler...................................................................................125
KAYNAKLAR..............................................................................................128
ÖZGEÇMİŞ.................................................................................................132
x
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 2.1. Simülasyon sunuçları……………………………………………..32
Çizelge 2.2. Kullanılan araç özellikleri…………………………………............36
Çizelge 3.1. Elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri..43
Çizelge 3.2. Elektrik Motorlarına Göre Hibrit Araçlar………………………….48
Çizelge 3.3 Bataryadaki iki farklı pilin şarj durumları……………………….....87
Çizelge 3.4. Yakıt Verimliliği ve Masraf Kısaylaması………………………….93
Çizelge 4.1. Deşarj Gerilim-Zaman Değerleri………………………………...119
xi
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 1.1. Avrupa dizel motor PM ve NOx emisyon standartları……………..16
Şekil 1.2. Avrupa benzinli motor PM ve NOx emisyon standartları…………17
Şekil 2.1. Güç talep geçiş olasılığı…………………………………………....…25
Şekil 2.2. En uygun SDP politikası……………………………………………..25
Şekil 2.3 Batarya enerji yoğunlukları……………………………………………29
Şekil 2.4.Hibrit araç modeli....……………………………………………………31
Şekil 3.1. Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem…41
Şekil 3.2. Akümülatör ve İki Elektrik Motoru Olan Diferansiyelsiz Sistem......41
Şekil 3.3 Tekerlek İçi Motor………………………………………………………42
Şekil 3.4. Zincir Dişli Mekanizması……………………………………………..43
Şekil 3.5 Hibrit Aracın Elemanları………………………………………………45
Şekil 3.6 Seri Hibrit Sistem………………………………………………………46
Şekil 3.7 Paralel Hibrit Araç……………………………………………………...47
Şekil 3.8. Yakıt Pili………………………………………………………………...49
Şekil 3. 9. 15 kW'lık yakıt pilinin metanol ve voltaj değişimi grafikleri……….50
Şekil 3. 10. Elektrik motorları iç devresi………………………………………...52
Şekil 3.11. DC motor iç devre şeması…………………………………………..53
Şekil 3. 12. Doğru akım motoru çalışma prensibi şeması…………………….54
xii
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 3.13. Elektrik motoru hız karakteristikleri………………………………...56
Şekil 3.14. Fırçalı DC motorun Tork Hız grafiği………………………………..58
Şekil 3.15. Kurşun asit bataryanın deşarjı boyunca oluşan reaksiyonlar…...64
Şekil 3.16. Kurşun asit bataryanın şarjı boyunca gerçekleşen reaksiyonlar..64
Şekil 3.17 Kurşun asit batarya tam dolu şarj halindeyken gerçekleşen gaz
reaksiyonları…………………………………………………….........66
Şekil 3.18. Grafik sızdırmaz bir kurşun asit bataryanın açık devre voltajının
şarj durumuna göre değişimi…………………………....................66
Şekil 3.19. NiCd bataryanın deşarjı esnasında gerçekleşen reaksiyonlar…69
Şekil 3.20 Deşarj yoğunluğuna bağlı bataryanın çevrim sayısı……………...76
Şekil 3.21 100 Ah lityum iyon pilin deşarj karakteristikleri……………………81
Şekil 3.22 HEA batarya çalışma aralığı………………………………………...85
Şekil 3.23 Bir bataryadaki periyodik şarj eşitlenmesi…………………………88
Şekil 3.24 Elektrik Enerjisi Üretim Dağılımı…………………………………….97
Şekil 4.1. Batarya Zamana Bağlı Deşarj Grafiği……………………………...121
xiii
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 3.1. Asenkron motoru kesit resmi……………………………………….60
Resim 3.2. Anahtarlamalı relüktans motorları………………………………....62
Resim 4.1 Bilgisayar Destekli Şasi Tasarımı…………………………………106
Resim 4.2 Bilgisayar Destekli Gövde Tasarımı………………………………106
Resim 4.3 .sat uzantılı dosya import…………………………………………..107
Resim 4.4 Dayanım Analizi……………………………………………………108
Resim 4.5 Sonlu Elemanlar Tipi………………………………………………108
Resim 4.6 Dökme Demir Elastikiyet Modül…………………………………..109
Resim 4.7 Mesh İşlemi………………………………………………………….109
Resim 4.8 Mesh…………………………………………………………………110
Resim 4.9 Dayanma Yüzeyi……………………………………………………110
Resim 4.10 Kuvvetin Uygulama Yüzeyi………………………………………111
Resim 4.11 Yük Miktarı…………………………………………………………111
Resim 4.12. Çözüm İşlemi……………………………………………………...112
Resim 4.13. Çözüm İşlemi……………………………………………………...112
Resim 4.14 Sonuç Gösterim Biçimi……………………………………………113
Resim 4.15. 1. Parça Analiz Sonucu………………………………………….114
Resim 4.16 2. Parça Analiz Sonucu…………………………………………..115
Resim 4.17 3. Parça Analiz Sonucu…………………………………………..116
xiv
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa
Resim 4.18. Araç blok diyagramı……………………………………………....118
Resim 4.19. Araç son hali……………………………………………………...118
Resim 4.20. Araç testi…………………………………………………………..121
Resim 4.21. Test ekranı………………………………………………………..122
xv
KISALTMALAR
Kısaltmalar Açıklamalar
PM Partikül moleküler
EA Elektrikli araç
İYM İçten yamlalı motor
HEA Hibrit elektrikli araç
ÇKA Çevresel koruma ajansı
FDAM Fırçasız doğru akım motoru
DC Doğru akım
EM Elektrik motoru
AC Alternatif akım
ASM Asenkron motor
SM Senkron makineler
ARM Anahtarlamalı Relüktans motor
BŞD Batarya şarj durumu
BDS Batarya denetim sistemi
16
1. GİRİŞ
Ulaşım yüzyıllardır insanlığın en önemli gereksinimlerinden biri olmuştur.
Bunlardan en çok üzerinde durulan ise kara taşıtları olmuştur. Sürekli bir
gelişim sağlayan araçlar teknolojinin de gelişimiyle tüketicilere yüksek
performans ve konfor sağlayabilir hale gelmiştir.
Sanayi devrimi sonrasında hızlı şekilde artan çevre kirliliği dünyayı ve
canlıları olumsuz etkilemektedir. Bu yüzden bilim adamları bu kirliliğin
azaltılması için neler yapılması gerektiğini araştırmaya başlamıştır. Özellikle
20. Yüzyılın son çeyreğinden sonra otomotiv sektöründe emisyon değerlerine
kısıtlamalar getirilmeye başlanmıştır. Euro emisyon standartlarına uyulmayan
araçların Avrupa birliği ülkelerinde satışı yasaklanmıştır. Aşağıda benzinli ve
dizel motorlar için PM ve NOx emisyon standartları grafikleri verilmiştir. [1]
Şekil 1.1: Avrupa dizel motor PM ve NOx emisyon standartları [1]
17
Şekil 1.2: Avrupa benzinli motor PM ve NOx emisyon standartları [1]
Petrol kaynaklı motorların emisyon değerleri, teknoloji ne kadar gelişirse
gelişsin tamamen sıfır olmayacaktır. Ayrıca petrol rezervleri gün geçtikçe de
azalmaktadır . Bu da otomotiv üreticilerini alternatif enerji kaynakları ile
çalışan taşıtlara yöneltmiştir. Kolay ve çok çeşitli yollardan üretilebilen enerji
olan elektrik enerjisi en popüleri olmuştur.
İçten yanmalı motorlardan önce bulunan ve taşıtlarda kullanılan elektrik
motoru 1930'larda menzil ve performans olarak içten yanmalı motorların çok
gerisinde kaldığı için üretimleri durdurulmuştu. Tekrar kullanılmak istenilen bu
teknoloji için üreticiler öncelikle eksik yanlarını tespit ettiler. İçten yanmalı bir
motora göre en önemli eksik yanının düşük menzil ve uzun şarj süresi
olduğunu tespit ettiler. Bulunan eksik yönler geliştirilmeye başlandı.
Elektrikli taşıtlar üzerinde üniversite ve enstitülerde lisans, yüksek lisans ve
doktora düzeyinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların başlıkları taşıt
tasarımı, batarya ve enerji kontrol sistemleri, elektrikli motor, alternatif enerji
elde etme yöntemleri vb. gibi konulardır. Yapılan çalışmalar neticesinde yeni
sistem ve yöntemler geliştirilmiştir. Çalışmalar ve yeni geliştirilen sistemler
otomotiv üreticileri tarafından yakından takip edilmektedir. Pazar payı olan
çalışmalar seçilip satın alınarak hayata geçirilmektedir.
18
Bu tez kapsamında elektrikli taşıt tasarımı bilgisayar ortamında solidWorks
programı ile yapılacaktır. Tasarlanan aracın malzeme dayanım analizleri
ansys ile yapılacaktır. Analizler sonucu karar verilen parçalar ile prototip araç
üretilecektir. Yol testine tabi tutulacak olan bu prototip ile aracın maksimum
hız, menzil ve batarya şarj deşarj değerleri ölçülecek ve içten yanmalı
motorlarla kıyaslaması yapılacaktır.
19
2. LİTERATÜR
1800 yılında ,İtalyan Alessandro Volta elektrik enerjisini kimyasal olarak
depolanabildiğini göstermiştir. Volta kendinden önce çalışan İtalyan
araştırmacı Luigi Galvani'nin yaptığı deneylerden esinlenmiştir.[2]
1821 de İngiliz Briton Michael Farraday deneylerinde Volta kimyasal pil
uygulaması yapmış ve bu uygulamalar sonucunda elektrik motorunun ve
jeneratörünün prensiplerini göstermiştir.[2]
İlk EA modeli 1835 yılında Profesör Stratingh tarafından Hollanda’da
yapılmıştır. 1834‐1836 yılları arasında Thomas Davenport tarafından ABD’de
elektrikli yol aracının geliştirildiği ve uygulamasının yapıldığı raporlanmıştır.
Bu araç üç tekerlekli olmakla beraber şarj edilmeyen bataryalarla tahrik
edilmiştir. 4 yıl sonra Robert Davidson şarj edilemeyen batarya ile tahrik
edilen elektrikli lokomotifi geliştirmiştir. 1859 yılından sonra kurşun‐asit
bataryalar geliştirilmiş ve kullanılmaya başlanmıştır.[2]
Ticari olarak satılmaya başlanan ilk otomobilin ortaya çıkışından bu yana 125
yıl geçmiştir. Bu zamandan beri, ekonomik kısıtlar, teknolojik atılımlar, yeni
enerji kaynakları, çevresel kaygılar ve yasal düzenlemeler otomobil evrimini
şekillendiren kritik faktörler olarak görülmektedir. Aynı faktörler, gelecekte
alternatif araçlara geçişte de belirleyici temel faktörler olacaktır. Bu sebeple
elektrikli araçların tarihine göz atarken, yüzyıldan daha fazla bir süre önce
karşılaşılan sorunların bugün de hala var olduğunu kaydetmek yerinde
olacaktır [3].
Araçların elektrik enerjisi ile tahrikine olan ilgi son zamanlarda oldukça
yükselmiştir. Ancak bu fikir aslında hiç de yeni değildir. Elektrikli araçlar
1830’larda, benzinli motorun bulunuşundan yıllar önce icat edilmiştir. İçten
yanmalı motor (İYM) kullanan ilk araç 1807’de, François Isaac de Rivaz
20
hidrojen‐oksijen karışımı yakan bir motor geliştirdiği zaman ortaya çıkmıştır.
20 yıl sonra, 1828 yılında Macar Anyos Jedlik elektrikle çalışan model bir
araç geliştirmiştir. 1832 yılında İskoçya’lı Robert Anderson elektrikli binek bir
araç yapmıştır. 1835’de ise Hollandalı Profesör Stratingh ve Amerikalı
Thomas Davenport birer elektrikli araç geliştirmişlerdir.[2]
Bu ilk elektrikli araçlarda enerji kaynağı olarak tekrar şarj edilemeyen
bataryalar kullanılmış ve bu sebeple ticari olarak varlık gösterememişlerdir.
Ancak 1859 yılında tekrar şarj edilebilir kurşun‐asit bataryaların geliştirilmesi,
ticari olarak satışa sunulan elektrikli araçları ortaya çıkarmıştır.[2]
1881 de Mr. Trouve Plante kurşun batarya kullanarak üç tekerlekli ilk elektrikli
aracı yapmış ve bu araç halka Fransa'da gösterilmiştir.[2]
1882 yılında İngiltere’de Prof. William Ayrton ve John Perry, elektrik tahrikli 3
adet tekerlekli aracın uygulamasını yapmıştır. Bu araçların her birinde 10
tane kurşun‐asit batarya kullanılmıştır. Aracın menzili araziye bağlı olarak
16‐20 km arasında olup azami hızı ise 14 km/saattir. Bundan 3 yıl sonra Karl
Benz, İYM ile 3 tekerlekli aracı geliştirmiştir.[2]
19. yüzyılın son dönemlerine doğru Amerika, İngiltere ve Fransa’da birçok
şirket elektrikli araç üretmeye başlamıştır. Bu üreticilerden en önemlisi Morris
ve Salomon’un sahibi olduğu Electric Carriage and Wagon Company adlı
şirkettir. Morris ve Salomon 1895 yılında 2 oturma koltuğu olan Electrobats
isimli elektrikli aracı geliştirmişlerdir [5].
İçten yanmalı motorlarda gelişmeler ilk yıllarda daha yavaş durumdadır.
1885’de Karl Benz Almanya’da Motor Wagen’ı tanıtana dek benzinle çalışan
satın alınabilir bir otomobil üretilememiştir. Bu buluştan sonra hem benzinli
hem elektrikli araçlar yaygın olarak satılmaya başlanırken ikisi de farklı
teknolojik kısıtlamalarla yüzleşmişlerdir [3].
21
İçten yanmalı motorlar aşırı gürültülü, kirli, kötü koku yayan ve mekanik
problemlere eğilimli durumdaydı. Ayrıca daha büyük bir dezavantajları,
çalışmaları için krank kolu ile başlatılmalarının gerekmesiydi. Bu işlem hem
güç hem de hızlı refleksler gerektiriyordu ve motor çalışmaya başladığında
krank kolunun çevirene vurması nedeniyle yaralanmalar oldukça sıradandı.
Ayrıca içten yanmalı araç sürmenin vites değiştirmek gibi zor bir yanı da
vardı [3].
İçten yanmalı motorlarla karşılaştırıldığında elektrikli araçların en büyük
problemi menzillerinin kısa olmasıydı. Ayrıca bu araçlar bataryaların yüksek
ağırlıkları nedeniyle çok ağır ve çok daha yavaştı.
Bu dezavantajlara rağmen, 1900’lü yıllarda Amerika’daki elektrikli araçların
sayısı benzinle çalışan araçların sayısının neredeyse iki katıydı. 1912’de
satışlar maksimuma ulaştı ve elektrikli araçlar bugün olduğundan bile daha
yaygın bir hale geldi. 1918 yılında Amerika’da 50,000 civarında elektrikli araç
yollarda idi [3].
Ancak ilerleyen yıllarda işin rengi değişmeye başladı. Elektrikli araçların
menzil problemleri 1920’lerde Amerika’da şehirlerarasında yolların gelişmeye
başlaması, tüketicilerde uzun menzil talebi oluşturdu. Bu soruna çözüm
arayışlarından biri de elektrikli araçlarla içten yanmalı motorların iyi yönlerini
bir araya getiren hibrit araçlardı. Benzin‐elektrik hibrit otomobil ilk olarak,
Ferdinand Porsche tarafından Paris Fuarı’nda sergilediğinde çok olumlu
tepkiler aldı. Ancak kısa süre sonra, sistemlerinin karmaşık olmaları ve
yüksek üretim maliyetleri yüzünden hibrit elektrikli araçlar tarihe karıştı [3].
Sonuç olarak, 1900’lü yılların başındaki teknolojik ve lojistik gelişmeler
sayesinde içten yanmalı motora sahip araçlar, bataryalı ve hibrit araçları
gölgede bırakmıştır. İlerleyen süreçte elektrikli araçların satışlarının sürekli
22
olarak azaldığı ve sonunda da piyasadan tamamen yok olduğu görülmektedir
[3].
Elektrikli araçların erken yok olmaları, beygir güçlerinin düşük olması ve uzun
menzil ihtiyaçlarına cevap verememelerine bağlanmaktadır. Ayrıca petrol
fiyatlarındaki düşüş ve kolay erişilebilir petrol rezervlerinin bulunması da
bunda etkin rol oynamıştır. Bunların yanı sıra teknolojik gelişmeler de içten
yanmalı motorların lehine gerçekleşmiştir. 1897’de susturucunun icadı motor
gürültüsünün azalmasını, 1912’de marş motorunun icadı ise krank kolu
gereksiniminin ortadan kalkmasını sağlamıştır. Elektrikli araçlarda da
teknolojik ilerlemeler olmasına rağmen üç temel kısıt aşılamamıştır: Kısa
menzil, düşük hız ve yüksek üretim maliyeti [6].
Henry Ford’un başlattığı seri üretim, içten yanmalı motorlu araçların
500‐1000 $ civarlarında satışına imkân verirken, gösterişsiz bir elektrikli
aracın fiyatı 1000 $’ın oldukça üzerinde idi [6].
İçten yanmalı motorlu taşıtların tercih edilmesinin temel sebeplerinden biri
petrolün özgül enerjisinin bataryaların özgül enerjisine kıyasla oldukça
yüksek olmasıdır. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtın özgül enerjisi
9000 Wh/kg civarlarında iken, örneğin bir kurşun asit bataryanın özgül
enerjisi 30 Wh/kg civarında bir değere sahiptir. İçten yanmalı motorun
veriminin %20 civarında olduğu göz önüne alındığında içten yanmalı motor
sistemine sahip bir taşıt yaklaşık 1800 Wh/kg’lık bir özgül enerjiye sahip
olmaktadır. Yaklaşık %90 verime sahip olan elektrik motorunun kullanılması
ile girişindeki bataryaların özgül enerjisi göz önüne alındığında ancak 27
Wh/kg civarında kullanılabilir enerjiye sahip olunacaktır. Yani içten yanmalı
motora sahip bir taşıtla aynı menzile sahip olabilmek için, içten yanmalı
motorun yaklaşık 70 katı ağırlığa sahip bir batarya sistemi kullanılması
gerekmektedir. Ayrıca bir batarya sistemini tamamen şarj edebilmek için
saatler gerekirken, içten yanmalı motor için gereken yakıtın taşıta yüklenmesi
birkaç dakika içerisinde gerçekleştirilebilmektedir [7].
23
1935 yılında elektrikli araçlar tamamen ortadan kaybolmuş ve 25 yıl boyunca
hiç konuşulmamıştır. 1960’lı yıllarda özellikle Los Angeles gibi, coğrafyaların
hava kirliliğinin dağılmasına izin vermediği şehirlerde, hava kirliliğinden
kurtuluş çaresi olarak elektrikli araçlara tekrar ilgi duyulmaya başlanmıştır [6].
1970’lerde petrol fiyatının dört katına çıkması ve Arap petrol ambargosu,
özellikle Amerika’da alternatif yolların aranmasına neden olmuştur. 1975’de
Amerika Posta Servisi, American Motors Corporations’dan 350 adet elektrikli
dağıtım jipi almıştır. Bu araçlar 10 saatlik şarjla 80 km/h hıza ve 60 km
menzile ulaşabiliyordu. Ancak düşük menzil ve bataryaların yüksek maliyeti,
ticarileşme önünde en büyük engel olmayı sürdürmüştür [6].
Yine 1970’li yılların başında Amerika ve Avrupa’da kirliliğin çevreye ve insan
sağlığına etkileri hakkında yeni ve gittikçe artan bir ilgi oluşmuştur. Bu
konuda yazılan yazılardan biri, Çevresel Koruma Ajansı (ÖKA)’nın
kurulmasına ve politikacıların olası bir çevresel felaketin önlenmesi için
dünyanın 10 yılı kaldığı gibi meseleleri konuşmasına neden olmuştur.
Emisyonların bir tehdit olarak algılanması şeklindeki fikir değişikliği, birçok
ülkede petrol temelli yakıtlara alternatiflerin araştırılması ve geliştirilmesi için
baskı oluşturmuştur [3].
1990 yılında Kaliforniya Hava Kaynakları Meclisi (CARB), Kaliforniya’da 1998
yılında satılacak tüm araçların %2’sinin ve 2003 yılında satılacak tüm
araçların %10’unun sıfır emisyonlu araçlar (Zero Emission Vehicle ‐ ZEV)
olması yönünde bir karar almıştır. Kaliforniya’nın yaptığı düzenleme,
Amerikan hükümetini ve endüstrisini daha temiz araçlar ve alternatif yakıt
kaynakları geliştirilmesi konusunda motive edici olmuştur [4].
Sonuç olarak, bazı hükümetler araçlara egzoz emisyonlarına göre
vergilendirmeler yapmış ve petrol bazlı yakıtlardaki vergileri artırmış, bu da
elektrikli araçlara olan ilginin hız kazanmasını sağlamıştır [3]. 1996 yılında
24
General Motors (GM) ilk seri üretim elektrikli araç olan EV1’i Amerika’da
piyasaya sürmüştür. Diğer otomotiv üreticileri piyasaya sürdükleri elektrikli
araçlarıyla bu trendi izlemişlerdir. Ford Ranger EV pikabı, Honda EV Plus’ı ve
Toyota RAV EV’yi piyasaya sürmüştür [4].
Ancak sadece batarya ile tahrik edilen elektrikli araçların düşük menzil
problemleri nedeniyle, 1990’larda büyük taşıt üreticileri, tümü elektrikli
taşıtların gelişmesi için batarya teknolojisinin de gelişmesi gerektiğini
savunmuş ve çalışmalarını hibrit teknolojisi üzerine yoğunlaştırmışlardır.
Özellikle Japon firmalarının Toyota Prius, Honda Insight ve Nissan Tino
modelleri günümüzdeki hibrit teknolojinin gelişmesinde öncü olmuştur [4].
Michigan üniversitesi öğrencileri Chan Chiao Lin , Huei Peng ve J.W. Grizzle
2003 yılında elektrikli otomobillerde güç yönetimi konusunda çalışmışlar.
Çalışmalarında araçtaki alt sistemleri incelemiş ve maksimum enerji tasarrufu
için güç kontrol sistemi yapmışlardır. Aracı değişik yol şartlarında deneyerek
değişken yol karakteristikleri çıkarmışlar ve bunları markow zincir modelleme
haline getirip bilgisayar programında yazmışlardır. Oluşan programa
Stakastik Dinamik Programlama ( SDP ) adını koymuşlar. Bu çalışma
sonucunda enerji tasarrufu sağladıklarını testleri sonucunda göstermişler.[5]
Çalışmalarında oluşturdukları bazı tablolar ;
1- Güç talep geçiş olasılığı grafiği (39 (rad/s) )
25
Şekil 2.1. Güç talep geçiş olasılığı[5]
2- En uygun SDP politikası ( 44 (rad/s) )
Şekil 2.2. En uygun SDP politikası[5]
İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
öğrencileri Murat Yılmaz , Nejat Tuncay ve Özgür Üstün 2006 yılında fırçasız
26
DA motorunun (FDAM) algılayıcısız kontrolünde dalgacık tekniğinin
uygulanmasını yapmıştır. Bu çalışmada fırçasız doğru akım motorunun
(FDAM) dalgacık teorisi yardımıyla algılayıcısız olarak kontrolü ve elektrikli
otomobile uygulanması amaçlamıştır. Bu doğrultuda geliştirilen bir kalkış
algoritması yöntemiyle, motorun, indüklenen gerilim bilgisinin algılanabileceği
belirli bir hıza kadar açık çevrim olarak hızlanması sağlanıp, bu hızdan sonra
geri besleme olarak elde edilen beslenmeyen faz indüklenen geriliminden ve
faz akımlarından yararlanılarak kapalı çevrim olarak dalgacık dönüşümü
yardımıyla fırçasız doğru akım motorunun algılayıcısız kontrolü
gerçekleştirilmiştir. Komutasyon anlarının algılayıcısız olarak elde edilmesi
sırasında, geliştirilen PID ve Bulanık kontrolör algoritmaları yardımıyla motor
hız ve faz akımları gerçek zamanlı olarak denetlenmiştir [8].
Karl Georg Høyer 2007 de Oslo üniversitesi bünyesinde elektrikli araçların ve
alternatif yakıtların tarihçesini araştırmıştır.Kullanılan teknolojileri incelemiş
olumlu ve olumsuz yönlerini tespit etmiştir. Araçların insanlardaki kullanım
alışkanlığı ve çevreye verdiği etkileri incelenmiş ve tarihsel gelişimde
yenilenen teknolojik gelişimler, düzeltilen eksik yönler ve yenilenebilir enerji
kullanım düzeyi gözlemlenmiş ve raporlanmıştır. Sonuç olarak da çevrenin
bu teknolojiye tepkisi ve nasıl davranılması gerektiği eklemiştir[2].
2008 yılında Y.Müh. Ali BOYALI tarafından yapılan doktora tezinde Ford
Transit marka iki aracı hibrit bir araca dönüştürülmüştür. Dönüştürülen araç
için optimizasyon hesaplamaları, kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi ve
ayrıntılı seyir dinamiği analizlerinin yapılabilmesi amacıyla basit ve göreceli
olarak daha karmaşık modeller oluşturulmuştur. Hibrit elektrikli aracın
kontrolü için bir çok ticari hibrit araçta kullanılan kural tabanlı kontrol yöntemi
uygulanmıştır. Tez kapsamında ayrıca, arka akstan bir elektrikli motoru ve ön
aksta, birbirleri ile uygun bir şekilde bağlanan bir elektrik motoru ve içten
yanmalı motor ile tahrik edilen hibrit bir elektrikli araç için yakıt tüketimini
minimize edecek en uygun bileşen boyutlarının da, eşdeğer yakıt tüketimi ve
tasarım optimizasyonu yöntemleri yardımı ile hesaplanması gösterilmiştir [9].
27
2009 yılında elektronik ve haberleşme mühendisi Ali Önder Biroğlu
tarafından yapılan yüksek lisans tezinde hibrit bir aracın içten yanmalı bir
araca göre olan yakıt tasarrufunu ve emisyonunu incelemiştir. Tamamlanan
bu tez çalışmasında, otomotiv uygulamalarında standart olan CBD ve ECE
çevrimleri için yakıt tüketim verileri karşılaştırılmıştır. Buna göre, tam yüklü
araç için CBD çevriminde konvansiyonel araca göre %12,92 lik bir yakıt
ekonomisi sağlandığı görülmektedir. Yine tam yüklü araç için ECE
çevriminde bu değer %22,41’dir. Aracın yolcuları olmadan boş ağırlığı için
aynı iterasyonlar tekrarlandığında, CBD çevriminde %24,03 ve ECE
çevriminde %25,52’lik bir yakıt ekonomisi değerine ulaşılmıştır. Aynı
çalışmanın araç emisyon haritaları uygulanarak tekrarı ile, araç emisyon
değerlerindeki değişimlerde net bir şekilde görülebilir[10].
2009 yılında Volkan Erginer elektrikli hibrit araçlar ve sürme devreleri
tasarımı konusunda yüksek lisans tezi yapmıştır. Bu çalışmada elektrikli araç
türleri, farklı yapısal özelliklere sahip hibrit elektrikli araçların özellikleri ve
elektrikli araçlarda kullanılan temel bileşenler ayrıntılı şekilde ele alınmıştır.
Aracın önemli bileşenlerinden olan DC-DC dönüştürücüler farklı yapılarda ele
alınarak etraflıca incelenmiş ve çift yönlü çalışabilen izolasyonlu bir
dönüştürücünün en uygun çözüm olduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra
elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorları ve bunların kontrol yöntemleri,
özellikle sabit mıknatıslı motorlara ağırlık verilerek incelenmiştir. Motor sürme
devresinin omurgasını oluşturan inverterler ve inverterlerin farklı çalışma
durumları incelenmiş, araç uygulamaları için alan zayıflatma bölgesinde
çalışmanın son derece önemli olmasından dolayı kare dalga çalışma ile uzay
vektör modülasyonu detaylı şekilde ele alınmıştır. Son olarak da bir araçta
kullanılmak üzere seçilmiş sabit mıknatıslı bir senkron motorun “amper
başına maksimum moment” kontrol yöntemiyle simülasyonu
gerçekleştirilmiştir. Simülasyon neticesinde aracın farklı yol durumlarında hız,
moment, güç ve akım değerleri elde edilmiştir. Denenen farklı paralel
bağlantı sistemleriyle maksimum performansı veren sistem araştırılmış[11].
28
Gallen Üniversitesi öğrencisi Theo Lieven , Silke Mühlmeier, Sven Henkel ve
Johann F. Waller 2010 yılında elektrikli araçların pazar payını incelemiş ve
50 yıllık pazardaki öngörüyü ve firmaların çalışmalarını rapor etmiştir. Araç
fiyatlarını, kullanım maliyetlerini ve tüketicilerin değerlendirme ve eleştirilerini
değerlendirmişler[12].
İstanbul Teknik Üniversitesi Fen öğrencisi Sinan Otlu 2010 yılında yüksek
lisans tezinde içten yanmalı bir aracı hibrit araca dönüşümünü ve aracın
modellenerek test edilmesini çalışmış. Bu model çalışmasında hibrit aracın
avantajlarını büyük oranda sunabilen ve aynı zamanda sağladığı yakıt
tasarrufu ile maliyetini karşılayabilecek bir çözüm aramış. Oluşturulan model
AVL CRUISE programında simüle edilmiştir. Avrupa şehir içi yol şartları
modellenerek hem hibrit araç hem de içten yanmalı araç denenmiş ve
karşılaştırılmıştır. Hibrit modelin ayrıca rejeneratif frenli ve frensiz halleri diğer
koşullar aynı tutularak ayrı ayrı denenmiştir. Sonuç olarak Li-İyon batarya ve
rejeneratif fren sistemi en uygun seçim olduğunu tespit etmiştir[13].
2010 yılında Yunus DEMİRCİ hibrit araçlarda elektrik motor denetimini
incelemiştir. Çalışmada ise model olarak içten yanmalı motor ve elektrik
motorunun aynı şaftı paralel olarak sürdüğü bir sistem ele alınmıştır. Batarya
olarak Li-ion batarya, elektrik motoru olarak da bir asenkron motor
kullanılmıştır. Jeneratör olarak başka makine kullanılmamış, aynı asenkron
motor jeneratör modunda çalıştırılarak normal bir araçta frenleme sırasında
kaybolan enerjinin bir kısmı geri kazanılmıştır. Asenkron motor denetim
yöntemi olarak, alan yönlendirmeli denetim kullanılmıştır. Araç üzerindeki
sürtünme ve yol eğiminden gelen kuvvetlerin motora yansıması ve motor
torkunun tekerlerde kuvvete dönüşme ilişkisi modellenmiştir. Ayrıca yakıt
tasarrufunu ölçmek için batarya şarj durumundaki değişikliğin yakıt
karşılığının hesaplanması ile, belli başlı yol ve hız değişimi şartlarında enerji
geri kazanımının başarı ölçütleri hakkında bazı tespitlerde bulunulmuştur.
Yalnız içten yanmalı motor kullanıldığı durumun simülasyonunda aracın daha
29
hafif olduğu unutulmamış, yakıt tüketimi karşılaştırmasının gerçekçi olmasına
dikkat edilmiştir.Çalışmalarda asenkron motor alan yönlendirmeli kontrol
yöntemiyle sürülmüştür. Buna göre jeneratör modundaki geri kazanım oranı,
mıknatıslanma akımı referans değeri seçiminden oldukça etkilenmektedir. Li-
ion bataryanın da başarıyla kullanılabileceği model üzerinde gösterilmiştir.
Sonuçta kalkış-duruş ve yokuş çıkış-iniş şartlarında cazip yakıt tasarruf
oranları elde edilmiştir[14].
2010 yılında kimya mühendisi Burcu Aydın yakıt pilli elektrikli araçların tahriki
için farklı bataryaları yüksek lisans tezinde incelemiş ve en uygun batarya
tipini bulmaya çalışmıştır.Yaptığı deneyler sonucunda aşağıdaki ki grafiği
elde etmiştir.
Şekil 2.3 Batarya enerji yoğunlukları[15]
Elde edilen grafik sonucun da nikel metal hidrür, lityum iyon, sodyum nikel
klorür gibi yeterli enerji yoğunluğuna sahip bataryalar orta mesafeli araçlarda
kullanılabilir. Özellikle çok hızlı şarj olabilen nikel metal hidrür bataryalar uzun
mesafe süreleri için dizayn edilmiş hibrit araçlar için ya da sık duraklar
boyunca şarj edilebilen otobüsler için idealdir. Özellikle lityum iyon batarya
olmak üzere bu batarya tiplerinin fiyatları oldukça yüksektir. Doğal olarak
30
elektrikli ulaşım araçlarında bu batarya tiplerinin kullanımı yaygınlaştıkça
fiyatları da bu doğrultuda düşüş gösterecektir[15].
2010 yılında Mehmet Ali Çimen İstanbul Teknik Üniversitesinde yaptığı
yüksek lisans tezinde elektrikli ve hibrit elektrikli araçlarda senkron tahrik
motoru kontrolü üzerinde çalışmıştır. Tahrik motorunun istenen özelliklerde
bir performans gösterebilmesi için kalıcı mıknatıslı senkron bir motorun
kontrol algoritması tasarlamıştır. Tasarlanan algoritmanın performansı
öncelikle bilgisayar benzetimleri ile gözlemlemiş daha sonra tahrik motoru
çeşitli yükler ile yüklenerek simülatör düzeneğinde test edilmiş[16].
2010 yılında Bülent Vural elektrikli taşıtlarda enerji yönetim stratejilerinin ,
güç dönüştürücülerinin ve bağlantı yöntemlerinin performans ve verimlilik
üzerindeki etkisini araştırmıştır. Doktora tezi olarak yapılan bu çalışmada
farklı sistemler deneyerek optimum performansı ve verimliliği veren
kombinasyonu araştırmıştır. Yaptığı çalışmalar;
- faydalı frenleme enerjisinin daha iyi geri kazanılmasında güç
dönüştürücülerin etkisi,
-yük paylaşımlı enerji yönetiminin verimlilik ve performans üzerine olumlu
katkısı,
-enerji kaynakları ve enerji depolama sistemlerine ait farklı bağlantı
topolojilerinin verimlilik ve performans açısından karşılaştırılması,
incelenmiştir.
Yaptığı çalışmalar sonucunda öneri ve elde ettiği sonuçları şu şekildedir.
-faydalı frenleme enerjisini daha iyi kazanabilmek için güç yoğunluğu yüksek
bir enerji depolama ünitesi ile birlikte, çift yönlü düşürücü-yükseltici
çalışabilen kaskad topoloji benzeri bir dönüştürücü de gerekmektedir.
-elektrikli taşıtlarda enerji yönetimi veya yük paylaşımının tek başına
kullanılması yerine birlikte kullanılması ile daha başarılı sonuçlar
alınabilecektir.
31
-bataryalı elektrikli taşıtlarda, batarya ömrünü arttırmak ve şarj-deşarj
kayıplarını azaltmak için akımın değerini ve değişim hızını sınırlayabilen çift
yönlü bir dönüştürücü kullanılmalıdır[17].
Ali BOYALI ve Levent GÜVENÇ 2010 yılında İTÜ dergisinde çıkan makalede
içten yanmalı araçları hibrit araçlara dönüştürülmesini incelemişlerdir. Bu
çalışmada yakıt tüketimi ve egzoz gazı emisyonlarının en iyi şekilde
azaltılabilmesi için optimizasyon ve araç dinamiğinin incelenmesini
sağlayacak iki farklı yöntemle araç modelleri geliştirilmiştir. Tüm modelleme
çalışmaları, FOHEV – I (Ford Otosan Hibrit Elektrikli Araç) projesi
kapsamında Ford Transit Van hafif ticari araç üzerine kurulmuştur. Mevcut
aracın hem önden hem de arkadan tahrikli sürümlerinin olması nedeniyle
geliştirme aracı olarak Ford Transit Van modeli seçilmiştir. Önden çekişli
aracın arka aksına, batarya ile beslenen bir elektrik motoru bağlayarak
mevcut araç paralel hibrit elektrikli araca dönüştürülmüş ve kontrol
algoritmaları ve araç seyir dinamiği için kullanılmak üzere iki farklı yöntem ile
hibrit elektrikli araç modelleri oluşturulmuştur.
Şekil 2.4.Hibrit araç modeli
Araç modeli ve kural tabanlı kontrol ile yapılan simülasyon sonuçlarında yakıt
tüketimi ve egzoz emisyonları miktarları ve konvansiyonel araca göre
gerçekleşen iyileştirme oranları Çizelgede verilmiştir.
32
Çizelge 2.1. Simülasyon sonuçları
İçten yanmalı
l/100 km
Hibrid
l/100 km
İyileşme
Yakıt Tüketimi 11,33 8,92 %21,3
İçten yanmalı
gr/km
Hibrid
gr/km
İyileşme
NOx 0,91 0,84 %18,7
CO2 2,85 2,17 %23,9
Araç üzerinde kullanılan kural tabanlı kontrol hız değerlerine göre
düzenlenirken, simülasyonlarda güç değerleri esas alınmıştır. Bu durumda 6
kW güç gereksinimlerinin altında yalnızca EM durumu, bu güç sınırının
üzerinde ise yalnızca İYM etkin durumdadır. Güç kriteri ile yapılan
simülasyonlarda, ECE R15 çevrimi süresince araç kütlesi 3300 kg olarak
kabul edildiğinde batarya şarj seviyesi aynı kalmakta, yakıt tüketiminde
%21.3 civarında iyileşme gerçekleşmektedir[18].
2011 yılında Mehmet Fatih Kıvrak yüksek lisans tezinde hidrojen yakıt hücreli
elektrikli araçlar ve metal hibrit hidrojen saklama ortamlarının salıverme
veriminin iyileştirilmesi konusunda çalışmıştır. Bu çalışmada sabit mıknatıslı,
fırçalı doğru akım bir elektrik motoruyla tahrik edilen, 3 tekerli, arkadan itişli,
yakıt hücreli, elektrikli bir aracın, hidrojen saklama ortamının salıverme
verimini arttırmak amaçlanmıştır. Araçta kullanılan metal hidrid saklama
ortamlarının salıverme verimini arttırmak amacıyla kapalı devre ısı transfer
sistemi kurulmuştur. Normal çalışma sırasında bir grup fan, yakıt hücresinin
soğutulması için, dış ortamdan emdiği havayı yakıt hücresine basmaktadır.
Fanlar tarafından basılan soğuk hava, yakıt hücresinin ısısını almakta ve
sıcak hava, yakıt hücresinden dış ortama aktarılmaktadır. Yapılan deneysel
çalışmada, yakıt hücresine adapte edilen bir otomobil radyatörü ısı değiştirici
olarak kullanılmıştır. Elektrikli araçta kullanılan metal hidrid tüplerden biri
hidrojen ve sıvı giriş-çıkışına imkan veren kapalı bir kaba yerleştirilmiş,
33
kurulan sistem sayesinde, yakıt hücresinden salınan ısının, radyatör
vasıtasıyla alınarak metal hidrid tüpe kazandırılması amaçlanmıştır. Yapılan
deneyler sonucunda kurulan sistemin, salınan hidrojen miktarını kayda değer
oranda arttırdığı görülmüştür. Yakıt hücresi, çıkışında 800W güç üretecek
şekilde yüklenmiş; ilk olarak ısı transfer sistemiyle, daha sonra ısı transfer
sistemi olmadan, aynı şartlarda doldurulmuş metal hidrid tüpe bağlanmıştır.
Isı transfer sistemi ile çalışan metal hidrid tüp 61 dakika boyunca; ısı transfer
sistemi olmadan çalışan tüp ise sadece 18 dakika yakıt hücresini ortalama
800 W güç üretecek şekilde besleyebilmiştir. Normal çalışmada 18 dakika
sonra biten tüp, ısı transfer sistemi ile teste devam edildiğine 50 dakika
boyunca yakıt hücresini aynı yükte (800W) besleyebilmiştir[19].
2011 yılında Ayça Göçmen Atılım üniversitesinde yaptığı yüksek lisans
tezinde iki tekerlekli elektrikli araç tasarımı yapmıştır. Var olan araçları
inceleyerek yeni bir tasarım yaparken hem sürücülü hem de kendi kendine
giden bir taşıt tasarlamış. Sistem taşıyıcı modundayken dengeyi
sağlayabilmek için sürücü öne(veya arkaya) eğildiğinde öne(veya arkaya)
doğru hareket etmektedir. Ek olarak, bu çalışmada fiziksel sistemin
iyileştirilmesi, parametre hesabı ve matematiksel modelin iyileştirilmesini
yapmıştır [20].
2011 yılında Serdar DÜŞMEZ tarafından yapılan tez çalışmasında faydalı
frenleme enerjisinin daha iyi geri kazanımı için daha başarılı bir güç
dönüştürme topolojisinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilecek bu
topolojiyle, bir elektrikli taşıtın düşük hızlarda da faydalı frenleme enerjisini
geri kazanılabilmesi hedeflenmektedir. Önerilen topolojinin frenleme enerjisi
kazanımındaki üstünlüğünü doğrulamak amacıyla her iki dönüştürücü içinde
1kw’lık prototipler tasarlanmış olup, bu dönüştürücülere normalize edilmiş
ECE-15’i de içeren üç farklı sürüş çevrimi uygulanarak, dönüştürücülerin
frenleme enerjisi kazanım performansları irdelenmiştir. Deneysel sonuçlar
incelendiğinde yumuşak ve sert frenleme çevriminde %135, kademeli
34
frenleme çevriminde %21, normalize edilmiş ECE-15 çevriminde ise %23’lük
artış sağlanmıştır [21].
Naabel ALTANNEH 2012 yılında yüksek lisans tezi yapmıştır.Bataryalı
elektrikli araçların yaygın kullanım alanlarından biri de golf arabalarıdır. Bu
tez çalışmasında, bataryalı bir golf arabasının güneş ve hidrojen yakıt
pillerinden beslenebilmesi için gerekli düzenlemeler yapılmıştır. Daha önce
bir başka tez çalışmasında geliştirilen maksimum güç noktası izlemeli güneş
enerjisi sistemine destek olacak bir hidrojen yakıt pili sistemi tasarlanmıştır.
Bu sistem yalnızca güneş enerjisinin yeterli olmadığı veya yükün ihtiyacının
yüksek olması durumlarında devreye girmektedir. Böylece enerji kaybının
düşürülmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, 1.2 kW gücünde bir yakıt pilinin
gerilimini aracın bataryalarını doldurabilecek gerilime dönüştüren bir DC/DC
dönüştürücü geliştirilmiştir. Yalnızca belli dönemlerde devreye alınan yakıt pili
sabit akımda çalıştırılmıştır. Belirlenen akım değerlerinde yakıt pili gerilimi 36
V olan batarya geriliminden düşük olduğundan dönüştürücü yükselten türden
seçilmiştir. Geliştirilen güç devresi ve denetleyici sistem laboratuar ortamında
denenmiştir [22].
Üzerinde çalışılan araç bünyesinde 6 adet 6 V’luk batarya bulundurmaktadır.
Araçta kullanılan 3 kW gücünde doğru akım motoru seri uyarma sargılarına
sahiptir. Bu çalışmada aracın yapısı değiştirilmemiş, yalnızca bataryalarını
güneş panellerinden ve yakıt pilinden dolduracak bir sistem tasarlanmıştır.
Daha anlamlı bir sistem kurulabilmesi için optimum batarya kapasitesi
hesaplanarak batarya hacmi ve ağırlığı düşürülmelidir. Ayrıca, aracın seri
uyarmalı doğru akım motoru ve sürücü devresi, fırçasız doğru akım motoru
ile değiştirilerek daha verimli ve tepki hızı yüksek bir sürücü sistemi elde
edilebilir. Son olarak, aracın frenleme anında ısı enerjisi olarak açığa çıkan
enerjisi bataryaya veya ultrakapasitörlere aktarılabilir[22].
2012 yılında Bora Kabatepe Koç Üniversitesi yüksek lisans tezinde elektrikli
bir araçta enerji tüketimi emisyon ve araç maliyeti analizi yapmak için araç
modelleme konusunda çalışmalar yapmıştır. Çalışmasında literatürde tespit
35
ettiği eksiklikleri gidermek amacıyla elektrikli arabaların performansını
hesaplayan ve içten yanmalı araçlarla karşılaştıran bir metot önermektedir.
Emisyon hesaplarında kullanılacak elektriğin üretildiği jeneratörlerin emisyon
değerleri de hesaba katılmıştır. Ayrıca şarj süresinin uzun olması ve bu
konuda çalışmalar yapılması ve maliyet hesaplarının optimize edilmesi için
gereklilikleri incelemiştir [24].
2013 yılında Karabük Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Turgut Öztürk
asenkron motor ile sürülen elektrikli aracın modellenmesi konusunda
çalışmalar yapmıştır. Bu çalışmada bir elektrikli araç, Matlab programı ile
modellenmiş sistemde batarya olarak Li-iyon batarya ve bir asenkron makine
kullanılmıştır. Burada aynı elektrik makinesi hem motor hem de jeneratör
olarak görev yapmaktadır. Elektrik makinesi jeneratör modunda çalıştığı
zaman frenleme esnasında kaybedilen enerji kısmen geri kazanılmaktadır.
Elektrik makinesinin kontrolünde iyi ve başarılı sonuçlar veren alan
yönlendirmeli kontrol metodu uygulanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda
rejeneratif frenlemenin enerji performansına ve menzil şartlarına katkısı
saptanmıştır [25].
2013 yılında 68. İtalya ısı makineleri konferansı için Roberto Cipollone,
Davide Di Battista, Matteo Marchionni , Carlo Villante elektrikli araç, hibrit
araç ve yakıt pilli araçlar üzerine çalışma yapmış ve en az emisyonlu aracın
yakıt pilli araç olduğuna karar vermişlerdir. Fakat yakıt pilli aracın sanal
platform kullanımı pahalı ve deneyleri zaman alıcıdır.Yazarlarda hibrit bir
aracın matematiksel bir modelini yapmış ve frenlerde kaybedilen enerjiyi geri
kazanım sağlamışlardır [26].
Kullandıkları aracın toplam uzunluğu 2.7 m ve genişliği 1.4 m’dir.Park
sorunlarına çözüm olması için planlanan bu araç 2 kişiliktir.250 cclik içten
yanmalı motor kullanılmıştır.Önde ki tekerlerde bulunan elektrik tahrik sistemi
de 16kW güç ve 30 Nm tork üretmiştir.Sonuç olarak aracın kullanım
yelpazesi oldukça geniştir ve daha ileri seviyelere ulaşılabilir [26].
36
2013 4. uluslar arası elektrik mühendisliği ve bilişimi Agus Purwadi, Jimmy
Dozeno, Nana Heryana 10kW BLDC motor ve LiPO bataryalara sahip
prototip bir elektrikli araçta performans testi yapmışlardır. 10 kW fırçasız
doğru akım motor kullanılmış ve li-po bataryaları kontrol etmişlerdir.
Bataryanın deşarj süresini uzatmaya ve daha fazla menzil alınmasını
amaçlamışlar [27].
Çizelge 2.2. Kullanılan araç özellikleri
Araç ağırlığı 900 kg
Yük kapasitesi 280 kg
Tekerlek çapı 56 cm
Tekerlek sayısı 4
Jant çapı 48 cm
Yükseklik 174 cm
Uzunluk 342 cm
Genişlik 152 cm
Yapılan deneyler de li-po piller 425 dk boyunca 15A sürekli akım çekilmiştir.
106,3Ah kapasitesine sahip 8205 Wh enerji miktarına sahiptir.Laboratuar
sonuçları 106,3 Ah olarak gösterse de üretici firma tarafından 100Ah olarak
gösterilmiştir. Motorun maksimum devri 4595 rpm ve max hızı da 62,61
km/h’dır. Motor gücü 11044 W’dır. Motor verimi de %83,41’dir. 46,14-62,1 km
seyahat menzili bulunmaktadır[27].
2013 yılında Cenk Güner’in yapmış olduğu yüksek lisans tezinde Toyota
Prius plug-in hibrid ve Chevrolet Volt binek otomobillerinin analizini
yapmıştır.Alınan bilgiler doğrultusunda araçların bilgisayar modellemesi
yapılmıştır.Bilgisayar taşıt simülasyon programı AVL Cruise programının
yardımıyla, eldeki veriler ve tezin kapsamı doğrultusunda araçların birer
modeli oluşturulmuştur.Elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak, her iki
konseptin de, geleneksel tahrike sahip, günümüzdeki binek araçlardan
37
önemli ölçüde daha yüksek kullanım ekonomisi sunduğu söylenebilir. NEDC
ECE-R101 normlarına göre yaptığı ölçümlerde, Prius Plug-in Hybrid 100
kilometrede 2,16 litre, Volt ise aynı mesafe içinde 3,07 litre benzin tüketmiştir.
Prius’un tüketim değeri, üretici tarafından açıklanan değerle hemen hemen
aynı çıkmıştır. Volt’un tüketim değeri ise, üretici tarafından açıklanandan bir
miktar yüksek olarak bulunmuştur[28].
2013 A.Talha ÇAMCI'nın yüksek lisans tez konusu elektrikli taşıtlarda
değişken transmisyon olmuştur. Tez çalışmasında elektrik motorlarının
çalışma yapısı üzerinde durulmuş ve şanzıman kullanılarak elektrikli araçların
menzil ve performansının nasıl artırılabileceği araştırılmıştır.Elektrik
motorlarının genellikle nominal çalışma bölgelerinde hıza karşı sabit tork
karakteristiğine sahip olmalarına rağmen, çalışma devri ve yükleme miktarına
göre farklı verimlerde çalışıyor olmaları nedeniyle şanzıman sayesinde
motorun sürekli olarak en verimli çalışma bölgelerinde çalıştırılması, araçta
talep edilecek olan hız değişimlerinin ise yine şanzıman ile sağlanması
düşüncesi üretilmiştir.Deneyler sonucunda ölçülen menzil ve performans
sonuçlarından yola çıkılarak otomatik vites değiştirme programları
hazırlanmış ve şanzıman kontrolörüne yüklenmiştir. Biri kademeli, diğeri
sürekli değişken oranlı olan şanzıman programlarının her ikisinde de birinci
bölümdeki sabit aktarma oranı ile yapılan testlere kıyasla önemli miktarda
menzil ve performans artışları kaydedilmiştir. Sürekli değişken oranlı program
ile yapılan testte en yüksek menzil elde edilmiştir. Testlerde ölçülmediği
halde, şanzıman kullanımı araca ayrıca tırmanma açısının artması avantajını
sağlamıştır. Sürücüsü ile birlikte kütlesi 220 kg olan araçta, yalnızca 8 kg’lık
kütle artışına neden olan sürekli değişken oranlı şanzımanın, buna karşın
sağladığı faydalar deneysel olarak kanıtlanmıştır [29].
2014 yılında Mert Safa Mökükcü elektrikli araç sürüş sistemi tasarımı ve
imalatı konusunda yüksek lisans tezi yapmıştır. Bir elektrikli motor tasarlamış
ve imal ettirmiştir. Üretilen motor yük testlerine sokularak optimum değerleri
38
ve karakteristik eğrileri çıkarılmış daha sonra üretilen araç üzerine bağlanıp
yol testleri yapılmıştır. Araca birde sürücü devresi tasarlanıp imal edilmiştir.
Gelecekte kullanılabilecek bir prototip üretilmiştir [30].
39
3. ELEKTRİKLİ TAŞITLAR
Elektrikli taşıtlar, elektrik enerjisi ile çalışan taşıtlara verilen isimdir. Elektrikli
otomobil bir veya daha fazla elektrik motoru kullanarak, bataryalardan ve
diğer enerji depolama cihazlarında depoladığı elektriği kullanarak hareket
eden araçlardır. Elektrikli araçlarda, akülerde depolanan elektrik enerjisinin
motor vasıtasıyla mekanik enerjiye dönüştürülmesiyle hareket sağlanır. Vites
kutusu gibi mekanik parçaların aradan çıkarıldığı bu yeni nesil araçlarda
genellikle lityum-iyon aküler kullanılmakta ayrıca son derece sessiz
çalışmaktadır.
Verimlilikleri her geçen zaman artan elektrikli araçlar artık minivandan spora,
normal binek arabadan elektrikli bisikletlere kadar değişik boyut ve stillerde
üretilmektedir. Elektrik motorları ani tork verir, güçlü, dengeli hızlanma
sağlar.Günümüzde 100 km/h hıza 4 saniyede ulaşabilen ve tam dolu şarjla
350 km'ye kadar yol alabilen elektrikli araçlar üretilmeye başlanmıştır.
Elektrikli otomobiller içten yanmalı motorlu araçlarla karşılaştırıldığında bazı
avantajlara sahiptir; bunlar yerel hava kirliliğini azaltır, petrol ve petrol ithali
yapılan ülkelere bağımlılığı azaltır. Ayrıca birçok gelişmekte olan ülkeler için
yüksek petrol fiyatları, ülkelerin ödeme dengeleri üzerine ters bir etkiye
sahiptir ve onların ekonomik gelişmelerini engellemektedir.
3.1 Elektrikli Taşıtların Çeşitleri ve Yapıları
Elektrikli araçlar;
Tümü elektrikli araçlar,
Hibrit elektrikli araçlar,
Yakıt pilli araçlar olmak üzere üç gruba ayrılır.
3.1.1 Tümü Elektrikli Araçlar
Tümü elektrikli araçlarda tekerlek elektrik motoru tarafından tahrik
edilmektedir. Elektrikli araçta yüksek miktarda itme kuvvetinin sağlanabilmesi
için, gerektiğinde birden fazla elektrik motorunun kullanıldığı farklı
40
uygulamalarda görülür. Elektrik motorunun çalışması için gerekli olan elektrik
enerjisi bataryalardan elde edilmektedir. Tümü elektrikli araçlarda ana
bataryaya ilave yardımcı güç kaynağı olarak ikinci bir batarya da
kullanılmaktadır.
Tümü elektrikli araçlarda sadece elektrik motoru kullanılması sebebiyle bu
araçlar tamamen sessiz çalışmaktadır. Rejenaratif frenleme sayesinde daha
uzun fren ömrü vardır ayrıca kinetik enerji geri kazanılarak elektrik motoru
jeneratör gibi kullanılarak kinetik enerji elektrik enerjisine dönüştürülmekte ve
bataryaları besleyerek şarj etmektedir. Yakıt maliyeti de dahil olmak üzere
bakım maliyeti klasik araçlara kıyasla çok daha düşüktür. Taşıtın hareketi için
transmisyon sistemi klasik araçlardan daha az olduğu için bunların bakımı az
ve yağ değişikliğine gerek yoktur.
Tahrik Sistemlerine göre Tümü Elektrikli Taşıtlar
Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem:
Bu sistem içten yanmalı motorlarda kullanılan klasik sisteme benzemektedir.
İçten yanmalı motor ve yakıt deposu yerine, elektrik motoru ve bataryalar
gelmiştir. Elektrik motoru hız kontrol sitemi ile kontrol edildiğinden vites
kutusu kaldırılmıştır. Motor dönme hareketini çekiş yapan tekerleklere iletmek
amacı ile mekanik bir diferansiyel kullanılır.
41
Şekil 3.1. Akümülatör, Elektrik Motoru ve Diferansiyelden Oluşan Sistem[30]
Akümülatör ve İki veya Dört Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem
Bu sistemde çekiş yapan iki tekerlek (önde veya arkada çift) veya dört
tekerlek bağımsız birer motor ile doğrudan tahrik edilmektedir. Motorlar için
uygun kontrol noktaları belirlenerek aracın farklı yol şartlarında optimum
çekiş sağlamasının yanında mekanik aktarma organlarının kullanılmamış
olması verimi ve güvenilirliği arttırırken bakım ihtiyacını da azaltmaktadır.
Şekil 3.2. Akümülatör ve İki Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem[30]
42
Tümü-elektrikli ve seri-hibrit sistemlerde araç tahriki için tekerlek içi
motorların kullanımı son yıllarda giderek yaygınlaşmaktadır. Bu yapıda, iki
veya dört adet tekerlek içi motoru kullanılarak aracın hareketi için gereken
tahrik gücü sağlanır. Bu durumda her motor için ayrı çevirici devre
kullanılması gerekir. Tekerlek içi motor kullanılan taşıt yapısında mekanik güç
aktarım elemanlarına gerek duyulmaz. Dolayısıyla güç aktarım organlarında
oluşan mekanik kayıplar engellenmiş olur. Ayrıca yüksek güçlü ve büyük
boyutlu tahrik motoru ortadan kalktığından dolayı, araç içinde kullanılabilir
alan artar. Alışılagelmiş iç rotorlu yapının haricinde, dış rotorlu tekerlek içi
motor yapıları da taşıt hareket sistemlerinde kullanılmaktadır. AC motorları,
jant içerisine konulacak kadar küçük, hafif ve güçlü tasarlanabilir olduğundan
araç diferansiyel kullanılmadan doğrudan tahrik edilmektedir.
Şekil 3.3 Tekerlek İçi Motor[30]
Malzeme ve üretim alanında ki gelişmelerle birlikte güç ve enerji yoğunlukları
artan sürekli mıknatıs malzemeler, elektrik motorlarının yapısında uyartım
sargısının yerini almaktadır. Uyartım sargısı ortadan kalktığından dolayı bunu
beslemekte kullanılacak fırça ve kollektör düzenekleri de yoktur. Dolayısıyla
çok uzun süre bakım ihtiyacı olmadan kullanılabilirler. Bu motorlar diğer
alternatiflerine göre daha hafif ve küçük boyutludur aynı zamanda güç/ağırlık
oranları yüksektir. Günümüzde özellikle tekerlek-içi tahrikli uygulamalarda
kullanılmak üzere sürekli mıknatıslı motorlar üzerine çalışmalar artmaktadır.
43
Akümülatör, Elektrik Motoru, Zincir Dişli veya Kayış Kasnaktan Oluşan Sistem
Genellikle daha küçük taşıtlarda ve engelli arabalarında yaygın olarak
kullanılan bu sistem de, diferansiyel yerine iki teker arasında bir dişli veya
kasnak bulunur ve elektrik motorundan hareket tekerleklere zincir ve dişli ile
veya kasnak kayış ile iletilir. Bunların dezavantajı virajlarda rahat dönüş
olmayıp virajın geniş dönülmesidir.
Şekil 3.4. Zincir Dişli Mekanizması[30]
Kullanılan Elektrik Motoruna Göre Tümü Elektrikli Taşıtlar
Üretim hattındaki tümü elektrikli taşıtların tahrik sisteminde çeşitli elektrik motorları kullanılmaktadır. Bazı elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri çizelge 3.1 de görülmektedir.
Çizelge 3. 1. Elektrikli taşıt modellerinde kullanılan elektrik motoru çeşitleri[6]
Elektrik motoru tipi Kullanıldığı elektrikli taşıtlara örnekDC motor Citroen AXSaxo, Peugeot 106 Electic, Lada
RapanFırçasız DC motor Daimler Chrysler Zytek Smart EVSM senkron motor Dahatsu Hijet EV, Honda Ev Plus, Nissan
HyperminiÜç fazlı indüksiyonmotor
Ford Think City, Fiat Seicento, GM EV1,Daimler Chrysler, Ford e-Ka
AC indüksiyon motor Renault Clio ElectricAC motor Mazda Road Ster EV
44
3.1.2. Hibrit Elektrikli Araçlar
HEA’lar birden fazla güç kaynağına sahip araçlar olarak da tanımlanır. Temel
olarak hibrit taşıtlar yakıt ile güç üreten bir güç kaynağı ve elektrik enerjisi
depolayan bir depolama elemanı ile elektrik motorundan oluşmaktadır. Tümü
elektrikli araçlara İYM eklenerek aracın menzili ve gücünün arttırılması
sağlanmıştır.HEA’lar, direk İYM araca nazaran kirletici emisyonları
azaltmakta ve yakıt ekonomisini arttırmaktadır.
Seri sistemde, elektrik motoru taşıt tahrik mekanizması olup, içten yanmalı
motor jeneratörü çalıştırarak elektrik enerjisi üretmekle görevlidir. Paralel
sistemde ise motorlar, taşıtın mekanik güç hattına aynı anda ve devamlı
olarak bağlıdırlar. Trafik durumu, bataryaların tamamen boşalması, veya
yakıt tüketimi gibi durumlara göre biri veya diğeri taşıtın hareketini
sağlamaktadır.
Hibrit araçlar araç durduğunda İYM çalışmaz ve titreşim veya motor
gürültüsü oluşmaz. HEA’ların boşta çalışma kayıpları yok denecek kadar
azdır.
Enerji depolama için kullanılan başlıca seçenekler bataryalar,
süperkapasitörler ve volanlardır. Bataryalar kullanılan en yaygın enerji
depolama sistem olmasına rağmen, diğer enerji depolama alanlarında da
gelişmeler devam etmektedir. Hibrit güç ünitesi olarak da otto motorlar, dizel
motorlar, gaz türbinleri kullanılmaktadır. İtici kuvvet ise seri hibrid sisteminde
olduğu gibi elektrik motorundan, ya da paralel hibrid de olduğu gibi elektrik
motoruna ek olarak İYM’undan sağlanabilmektedir. Çünkü
paralel hibrit sistemde İYM, itici gücü mekaniksel olarak tekerlere
iletmektedir.
Hibrit elektrikli aracın alt elemanları şunlardır:
İçten yanmalı motor, transmisyon, elektrik motoru, güç elektroniği, yakıt
tankı,bataryalar.
45
Şekil 3.5 Hibrit Aracın Elemanları[30]
Tahrik Sistemlerine Göre Hibrit Elektrikli Araçlar
Seri Tahrik Sistemi (Seri Hibrit)
Bir seri HEA’da tekerleklere aktarılan tahrik gücü elektrik motorundan
sağlanmaktadır. Burada elektrik motoru, tahrik amacıyla elektriksel gücü
mekanik güce çevirmektedir. Motor için gerekli elektriksel güç, elektrik
enerjisini depolama sistemlerinden ya da hibrit güç ünitesinden
sağlanmaktadır. Hibrit güç ünitesi İYM ve jeneratörden oluşmaktadır.
İçten yanmalı motor yakıtın kimyasal enerjisini mekanik enerjiye çevirmekte
ve mekanik enerji jeneratörde elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.
Mekaniksel üretilen elektrik gücü bataryadan gelen güçle birlikte elektronik
kontrolörde birleşir. Bu kontrolör daha sonra sürücü isteğini tekerlek hızı ve
ana tahrik motorundan elde edilen moment ile her enerji kaynağından ne
kadar güç kullanacağını sürücünün isteğine göre belirler. Kontrolör aynı
46
zamanda güç elektroniğini içten yanmalı motor ve jeneratörü sürücü fren
yapmak istediğinde rejeneratif mod için açar ve gücü bataryaları şarj edecek
şekilde yönlendirir. Böylelikle jeneratörde üretilmiş olan elektrik enerjisi aynı
zamanda bataryaları şarj etmek için de kullanılmış olur. Yani araç çalışırken
bataryalar hem içten yanmalı motor -jeneratör grubu tarafından hem de
rejeneratif frenleme ile şarj edilir.
Şekil 3.6 Seri Hibrit Sistem[30]
Paralel Tahrik Sistemi(Paralel Hibrit)
Paralel hibrit elektrikli taşıtta, İYM ve elektrik motorunun aynı mil üzerinde
tekerleklere doğrudan mekanik bağlantı ile tahrik vermektedir. Paralel tahrik
sistemleri mekanik olarak seri hibrit sistemlere göre daha karmaşıktır. Paralel
hibrit araçlara örnek olarak, Honda Insight ve Honda Civic verilebilir. Paralel
tahrikli taşıtlarda klasik taşıtlara göre daha küçük İYM kullanılır. Toplam güç
ihtiyacı, çalışma verimine bağlı olarak kontrolör hangi kaynaktan ne kadar
güç çekeceğini belirler.
47
Şekil 3.7 Paralel Hibrit Araç[30]
Seri / Paralel Tahrik Sistemi (Seri/Paralel Hibrit)
Bu seri/paralel tasarım, paralel sisteme benzemektedir. Burada İYM
doğrudan tekerleklere bağlıdır. Tasarımın özelliği İYM’nin transmisyon ile
bağlı olmayıp seri tahrik sisteminde olduğu gibi jeneratör ile bağlı olmasıdır.
Düşük hızlarda araç seri hibrit sistemde olduğu gibi çalışmaktadır. Yüksek
hızlarda ise İYM devreye girerek tekerleklere güç verir ve seri tahrikteki
gereksiz enerji dönüşümleri ile kaybedilen enerji en düşük seviyeye indirilir.
Toyota Prius’da bu sistem kullanılmıştır. Burada amaç hem paralel hem de
seri sistemin avantajlarını kullanarak İYM’nin en verimli noktada çalışmasını
sağlamaktır.
48
Kullanılan Elektrik Motoruna Göre Hibrit Elektrikli Motorlar
Çizelge 3.2. Elektrik Motorlarına Göre Hibrit Araçlar[6]
Çizelge 3.2 de üretim hattındaki hibrit elektrikli araçlarla prototip amaçlı[30]
geliştirilmiş hibrit elektrikli araçlar incelendiğinde Honda Insight araçta
senkron fırçasız DC motor, Toyota Prius ve Nissan Tino araçlarında senkron
AC motor, BMW 518 hybrid, Daimler Chrysler ESX3, Fiat Multipla araçlarında
3 fazlı indüksiyon elektrik motorları, Ford Escape HEV, Nissan neo hybrid
araçlarda SM elektrikli motor kullanıldığı görülmektedir.
3.1.3. Yakıt Pilli Elektrikli Araçlar
Yakıt pili dışarıdan yakıt ve oksijenin beslenmesi ile direkt olarak kimyasal
enerjiyi elektrik enerjisine devamlı olarak dönüştürebilen elektrokimyasal bir
aygıttır. Farklı tipte yakıt pilleri üretilmektedir. Üretilen polimer elektron
membran (pem), alkalin, fosforik asit, erimiş karbonat ve katı oksit yakıt pilleri
içinde pem yakıt pilli taşıtlar için en uygun yakıt pili olarak önerilmektedir.
Pem yakıt pili taşıtlar için yüksek güç yoğunluğu, düşük çalışma sıcaklığı (60-
49
110 oC) ve polimer elektrolit kullanılması dolayısı ile titreşim ve darbelere
karşı dayanıklı olması sebebiyle tercih edilmektedir.
Otomotiv çalışmaları polimer elektrolitli yakıt pili üzerine odaklanmıştır. Bu
yakıt pilinde her iki tarafına bağlı elektronlar olan polimer elektrolit ince bir zar
tabakası bulunmaktadır. Bu ince zar tabakası elektrot düzeneği H2 ve O2 için
geçitler oluşturan seperatörler arasında sıkıştırılır. Bunun gibi tek bir hücrenin
üretimi bir voltu geçmediğinden (0,7 volt), voltajın yükseltilmesi için yüzlerce
hücre birbirine seri olarak bağlanır.
Şekil 3.8. Yakıt Pili[30]
Bir yakıt pilli EA; yakıt depolama sistemi, yakıt pili-kontrol ünitesi, güç işlemci
ünitesi- kontrolü ve tahrik sisteminden meydana gelmektedir. Yakıt depolama
sisteminde depolanan hidrojen direkt olarak veya fosil kökenli yakıtların, yakıt
işleme sürecine tabi tutulması ile elde edilen hidrojen yakıt piline beslenir.
Yakıt pili ve elektrik motoru arasındaki güç elektroniği devresi, gerilim
değerinin yükseltilmesi amacı ile için DC motorlarda DC/DC çeviricisine, AC
motoru için DC/AC eviricisine, kontrol için mikroişlemci/dijital sinyal
işlemcisine, aşırı yükleme şartları ve rejeneratif frenleme için batarya
depolama sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Yakıt pilli elektrikli bir araçta
batarya yerine süperkapasitörler kullanılmaktadır. Fakat mevcut teknoloji
daha iyi süperkapasitörlerin bataryaların yerini alabilmesi için maliyet ve
güvenilirlik açısından geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır.
Yakıt pili kullanan ve araştırma amacıyla üretilen edilen ilk taşıt, yakıt pili ve
batarya kullanan bir taşıttır. Yakıt pili ve batarya birbirine paralel bağlanmıştır.
50
Yakıt pili, kararlı sürüş güç kaynağı ve batarya şarjı için kullanılırken; batarya,
ilk hareket ve hızlanma için geçici olarak ek güç sağlamaktadır.Bataryadan
olabilecek ters akım, bir diyotla önlenmektedir.15 kW gücündeki böyle bir
pilin akım voltaj grafiği Şekil 2.9 'de verilmiştir. Pilin ağırlığının 237 kg,
hacminin 0,25 m3 olduğu, atmosferik basınçta ve 177 °C çalışma
sıcaklığında, 87 voltta 181 amper verdiği, pilin güç düzeyinin, eleman sayısı
veya aktif yüzey alanı ile değiştirilebildiği ifade edilmiştir.
Şekil 3. 9. 15 kW'lık yakıt pilinin metanol ve voltaj değişimi grafikleri[30]
Ulaşım sektöründe, yakıt pili ile çalışan araçların geliştirilmesi, petrol
tüketimini azaltacağı gibi, araçlardan kaynaklanan hava kirliliğini de
azaltacaktır. Yakıt pilli otobüs üretimini gerçekleştiren Kanada'nın Ballard
Şirketinin yanı sıra, General Motors, Ford, Chrysler, Toyota, Honda, BMW,
Renault yakıt pilleri ile çalışan otomobilleri ticari anlamda üretmek
çabasındadırlar. 1993'ten bu yana çok sayıda prototip araç üretilmiştir. Alman
Daimler Chrysler'in ürettiği, yakıt pilini Ballard'dan sağladığı, NECAR4 (sıvı
hidrojenle çalışır) ve metanol dönüştürücülü NECAR5, General Motors'un
Opel, "Zafira" adı verilen ve 75 kW' lık Ballard "tescilli" yakıt pili taşıyan aracı,
Ford tarafından üretilen "Think FC5"ler, Toyota'nın RAV-4 ve Fine-N'i, Nissan
Renessa ve Mitsubishi, Daihatsu, Honda ve Mazda ortaklığı Demio FCEV,
Renault'un 30 kW Nora cell kullanan Lagunası prototiplere birer örnektir.
51
Günümüz şartlarında fosil yakıtı kaynaklarının yetersizliği ve alternatif yakıt
olarak hidrojenin bu yakıtların yerini alacağı araştırmacılar tarafından sürekli
olarak söylenmektedir. Hidrojenin enerji üretiminde kullanımında İYM ve yakıt
pilinden yüksek verimi nedeni ve çevre duyarlılığı sebebiyle yakıt pilinin
tercihi kesin olarak görülmektedir. Bununla beraber yakıt pilinde üretilen
elektrik enerjisi taşıtın hareket edebilmesi için tahrik gücüne çevrilmek
zorundadır. Bu sebeple araçlarda elektrikli bir tahrik sisteminin
tasarlanmasına ve uygulanmasına gerek vardır. Yakıt pilli bir aracın üretimi,
daha önce geliştirilmiş bir İYM’a sahip hibrit taşıtın dönüşümü ile sağlanabilir.
Yakıt pilli taşıtta hibrit taşıtta olduğu gibi ilk anda taşıta ivme kazandırmak için
bir elektrik deposuna ihtiyaç duyar. Çünkü yakıt pilli araç çalışır çalışmaz
taşıtın yeterli ivmeye ulaşması için gerekli enerjiyi sağlaması mümkün
değildir. Bunun yanında yeniden şarj edilebilir olmadığı içinde yakıt pili
tarafından üretilen fazla enerjinin veya rejeneratif frenleme sisteminin ürettiği
enerjinin depolanması için enerji depolama sistemine ihtiyaç duyulur.
Yakıt pilli taşıtlar doğrudan enerji dönüşümlüdür. Enerji dönüşümü için
hareketli parçaları yoktur. Dolayısıyla kayıplar ve gürültü azdır. Enerji
kullanımı ve emisyon salınımı çok düşüktür. Bu gün için pazara giriş
maliyetleri yüksek ve teknik problemleri tamamen sonlanmış değildir. Yakıt
pili teknolojisinde, günümüzdeki çalışmalar; maliyetin ve ağırlığın/hacmin
düşürülmesi ve güvenliğin arttırılması yönünde devam etmektedir. Firmaların
önemli bir kısmı da, yakıt pilli sistemlerin, içten yanmalı motorlu araçlar ile
aynı birim fiyata gelmesine çalışmaktadırlar. Otomotiv için PEM yakıt
pillerinin en iyi çözümün olduğuna varılmıştır. Gerek binek gerekse ticari
araçlar için yakıt pili sistemleri geliştirilmekte ve imal edilmektedir.
Günümüzde; ABD, Japonya ve Avrupa’da 5. jenerasyon prototip yakıt pilli
araçlar test edilmektedir.
52
3.2. Elektrikli Taşıtlarda Kullanılan Motor Çeşitleri
Elektrik motorları biri sabit (Stator) ve diğeri dönen (Rotor ya da Endüvi) iki
ana parçadan oluşur.
Şekil 3. 10. Elektrik motorları iç devresi[30]
Elektrikli otomobillerde kullanılan motorlar dört temel grupta toplanabilir.
Bunlar doğru akım motorları, asenkron motorlar, sabit mıknatıslı senkron
motorlar (veya fırçasız doğru akım motorları) ve anahtarlamalı relüktans
motorlarıdır.
3.2.1. Doğru Akım Motorları
DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkenden akım
geçirilmesi sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibi ile çalışır.DC
motorların ana parçaları: uyartım (alan) kutbu, endüvi, kolektör ve fırçalardır.
Alan kutbu, motor içinde ana manyetik akıyı oluşturur. Kutup, sabit olarak
motor dış gövdesinin iç kısmına yerleştirilmiş çıkıntılı kutuplu
elektromıknatıstır. Alan sargıları kutuplar üzerine sarılır ve DC uyartım
akımını taşırlar. Bazı motorlarda manyetik akı sürekli mıknatıslarla sağlanır.
Endüvi ise manyetik kuvvet çizgileri içerisinde dönerek hareket eden, elektrik
enerjisinin veya mekanik enerjinin elde edildiği silindirik kısımdır. Endüvide
elde edilen gerilimi dış devreye veya elektrik enerjisini endüviye ileten
birbirinden ve gövdeden yalıtılmış, bakır dilimler topluluğuna “kollektör” denir.
53
Üretim esnasında gereksinim duyulan düşük hızlarda (ilk kalkış, ayar gibi)
dahi sabit moment ve yüksek verim DC motorlar tarafından
sağlanabilmektedir. Yük değişimlerinde tako jeneratör geri beslemesi
sayesinde devirlerde daha da yüksek hassasiyet sağlanabilir. Bu sayede
sabit hat hızları elde edilmiş olur.
Doğru akım motorları, hızı kolay değiştirme özelliklerine sahip olduğundan
hızın kontrol edilmesi istenen yerlerde kullanılırlar. Yüksek yol alma momenti
sağladığından, hız kontrolü geniş aralıklarda yapılır. Diğerlerine göre daha
pahalı olmasına karşın, hız kontrolü alternatif akım motorlarına göre daha
kolay ve ucuzdur. Bu nedenle ilk elektrikli araç hız kontrolü uygulamalarında
doğru akım motorları basit gerilim bölücü sistemlerle birlikte kullanılmışlardır.
Buna karşılık fırça kollektör düzeninin periyodik olarak bakım gerektirmesi
ayrıca yüksek hızlarda süratle aşınması temel dezavantajını teşkil eder.
Şekil 3.11. DC motor iç devre şeması[30]
54
Şekil 3. 12. Doğru akım motoru çalışma prensibi şeması[30]
Bir taşıtın sürüş performansı genellikle onun hızlanma zamanı, maksimum
hızı ve tırmanma kabiliyeti ile değerlendirilir. Elektrikli taşıtlarda hareket için
gerekli tasarım uygun motor gücü ilk düşünülmesi gereken parametredir. Bu
parametrelerin tasarımı en fazla hız- güç ve tork karakteristiklerine bağlıdır.
Elektrik motorlarında endüvi çevresinde meydana gelen kuvvet F (N), endüvi
yarıçapı r (m) ise endüvide meydana gelen tork :
T = F.r (Nm) (2.1)
Endüvinin bir devrinde F kuvvetinin yapacağı iş:
W = 2π .r.F = 2π .T (N m) (2.2)
n (d/d) ile dönen bir elektrik motorunun gücü:
? = 2? .? .?60 (? ? ??) = ? .?
9549 (? ? ) olarak bulunur. (2.3)
55
Açısal hız :
? = 2? .?60 olduğundan (2.4)
P = T.ω (watt) (2.5)
olmaktadır.
Değişken hızlı elektrik motorları çoğunlukla şekil 2.13 de görülen
karakteristiklere sahiptir. Düşük hız bölgesinde (kritik hızdan daha düşük
hızlarda), motor sabit bir torka sahiptir. Hız yükseldikçe motor torkunun
azaldığı görülmektedir. Motor gücü ise kritik hıza kadar düzgün orantılı olarak
artmaktadır. Yüksek hız bölgesinde (kritik hızdan daha yüksek hızlarda),
motor sabit bir güce ulaşır. Diyagramda da görüldüğü gibi motor momentinin
düşmeye başladığı, motor gücünde artışın sona erdiği hıza kritik hız
denmektedir.
Elektrik motorunda iletken uzunluğu L (metre), iletkenden geçen akım
I(Amper), manyetik yoğunluk miktarı B (Wb/m2), ise rotoru döndüren kuvvet
etkisi :
F = B.L.I (2.6)
Endüvi (rotor) yarıçapı re , endüvi dönüş sayısı n alındığında motor torku
T =2π. re. B. I. L (2.7)
Manyetik akı:
∅ = 2. ? . ? . ??
56
Eşitlik 2.2 de yerine konduğunda motor torku
? = ? .∅. ? (2.8)
Şekil 3.13. Elektrik motoru hız karakteristikleri [30]
Motorun mekanik parametrelerini (kutup sayısı gibi) bir tek Km motor sabiti
parametresi içinde ifade edilirse motor torku (2.4) deki şekilde ifade edilebilir.
? = ? ? .∅. ? (2.9)
Eb Elektrik motorunun çalışma gerilimi, Ra endüvi sargılarının direnci,
Es (ZEMK) Üretecin uçlarında alıcı yokken ölçülen gerilim değeri,
? ? = ? . ? . ? (2.10)
ω açısal hız ve hız νm=re.ω olarak tanımlanırsa, endüvinin iki tarafı için
Eb=2B.L.re.ω bulunur.
57
Eşitlik 2.9 daki ifadeye benzer üretilen ZEMK terimi yeniden düzenlenirse,
Eb= Km.∅.w ifadesi elde edilir. (2.11)
Açısal hız
? = ?? ? .∅ = 2? .?
60 rad-1 (2.12)
? = 60.?2? .? ? .∅ bulunur. (2.13)
Burada motor devri sayısı (d/d)'dır.
Sargılardan geçen akım,
? = ?? ? = ? ? −? ?? ? = ? ?? ?
? ? .∅? ? . ? (2.14)
Eşitlik 2.14 de elde edilen I akım ifadesi eşitlik 2.9 da yerine konulursa, belirli
devirde bu motorun torku,
? = ? ? .∅.? ?? ? (? ? .∅)2? ? ? (2.15)
elde edilir.
58
Şekil 3.14. Fırçalı DC motorun Tork Hız grafiği[30]
3.2.2. Asenkron Motorlar
ASM motorlar, endüstride en fazla kullanılan elektrik motorlarıdır. Çalışma
ilkesi bakımından asenkron motorlara endüksiyon motorları da denir.
ASM’ların çalışmaları sırasında elektrik arkı meydana gelmez. Ayrıca diğer
elektrik motorlarına göre daha ucuzlardır ve bakıma daha az ihtiyaç
gösterirler. Bu özellikler, asenkron motorların endüstride en çok kullanılan
motorlar olmalarına sebep olmuştur. Asenkron makineler endüstride
genellikle motor olarak çalıştırılırlar, fakat belirli koşulların sağlanması
durumunda jeneratör olarak da kullanılabilirler. Asenkron motorları senkron
motorlardan ayıran en büyük özellik, dönme hızının sabit olmayışıdır. Bu hız
motor olarak çalışmada senkron hızdan küçüktür. Makinenin asenkron oluşu
bu özelliğinden ileri gelmektedir.
Aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker. Dışta AC gerilimin
uygulandığı stator sargıları, içte ise akım taşıyan iletkenlerin bulunduğu
rotordan meydana gelir. Stator sargısına uygulanan 3 fazlı AC gerilim döner
manyetik alan oluşturur. Manyetik alan içerisindeki dönen rotor sargılarından
59
akım geçirilir. Bu manyetik alan etkisi ve rotordaki manyetik alan etkisi
rotorda dönme hareketi meydana getirir.
ASM basit ve sağlam yapısı nedeniyle endüstride olduğu gibi EA’larda da
kullanılan motor türüdür. Tek ve üçlü fazlı olarak üretilebilmekle beraber,
yüksek güç gerektiren elektrikli araç uygulamalarında üç fazlı asenkron motor
kullanılmaktadır.
Asenkron motorun iki türü bulunmaktadır:
Kısa devre kafesli asenkron motor
Bilezikli asenkron (rotoru sargılı) motor
Kafesli asenkron motorlar daha ucuz ve sağlamdır. Ancak değişken hızlı
uygulamalarda kullanılabilmeleri için gereken kontrol sistemlerinin oldukça
karmaşık ve pahalı olması nedeniyle uzun bir süre özellikle sabit hızlı
uygulamalarda kullanılmışlardır. Güç elektroniği ve mikro işlemcilerdeki
gelişmeler paralelinde alternatif akım sürücü sistemlerinin kullanımı artmıştır.
Bir doğru akım motorunun aksine alternatif akım motorları karmaşık bir
elektromanyetik yapıya sahiptir. Bu nedenle karmaşık kontrol algoritmaları,
hızlı gerçek zaman işaret işleme sistemlerine gerek duyulmaktadır. Son 35
yılda güç elektroniği, mikro elektronik ve mikrobilgisayar alanlarında yapılan
araştırma ve yatırımlar sonucu fiyat ve kontrol performansları tatmin edici bir
düzeye ulaşmış ve farklı uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaya
başlamıştır. Bütün gelişmelere rağmen bazı uygulamalarda kafesli asenkron
motorlarının kalkınma ve düşük devir sayılarındaki moment yetersizliği hala
sorun olmaktadır. Kafesli asenkron makinelerin elektrikli taşıt
uygulamalarında kullanılmaları ise 1980’lerin ortalarına doğru başlamıştır.
60
Resim 3.1. Asenkron motoru kesit resmi[30]
Elektrikli araç uygulamalarında sağlam yapısı nedeniyle kısa devre kafesli
asenkron motorlar tercih edilmektedir. EA’larda ağırlık ve boyut olarak
avantajları nedeniyle DC/AC çeviricisi ile birlikte AC senkron motor kullanımı
artmaktadır.
3.2.3. Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar
Manyetik alan yaratmak için uyarma sargılarının yerine mıknatıs kullanılan
motorlardır. Bu yöntem, rotor bakır kayıplarını ve uyarma devresi bakım
ihtiyaçlarını ortadan kaldırır.
Sürekli mıknatıslı motorlar (SM) genellikle 2 gruba ayrılırlar:
SM Senkron makineler: Bu makineler, asenkron motorlarda ki gibi düzenli
olarak dönen stator alanına sahiptir.
Kare Dalga SM motorlar: Fırçasız DC motor olarak da adlandırılırlar. Stator
sargıları ayrık zamanlarda kare dalga ile beslenirler. Son yıllarda sabit
mıknatıslı senkron motorlarda (SMSM) dikkat çekici bir gelişim görülmektedir.
Bu motorun özel bir türü aynı zamanda fırçasız doğru akım makinesi (FDAM)
61
veya elektronik kollektörlü doğru akım motorları olarak da anılmaktadır.
Sıradan bir senkron motora göre avantajı, alan sargısının, uyarma
kasnağının ve fırça-bilezik düzeninin bulunmamasıdır. Bunun sonucu olarak
daha basit bir yapıya, daha düşük kayıplara sahiptir ve her devir sayısı ve
yüklenme durumunda yüksek bir verimle çalışmaktadır. Tüm kontrol işlemleri
stator büyüklükleri değiştirilerek yapılabilmektedir. Güç/ağırlık oranı büyük
olan bu motorları seçilen kontrol kural ve yöntemine göre bir doğru akım
motoru veya bir senkron motoru gibi davranabilmektedir. SMSM (veya
FDAM) rotor tarafından uyarma alanı kontrolü yapmaya olanak
sağlamamaktadır. Ayrıca sabit mıknatıs malzemelerin fiyatlarının yüksek,
mekanik dayanımının düşük olması, aşırı ters mıknatıslanma ve ısınma ile
manyetik özelliklerinin bozulması bu motorların zayıf yönlerini
oluşturmaktadır.
Son yıllarda özellikle daha düşük maliyetli, daha hafif, az yer kaplayan ve
verimli elektrik motorlarının geliştirilmesi amacıyla çalışmalar yürütülmektedir.
Önümüzdeki 15 yıl içersinde EA’lar için tüm kriterleri sağlayan elektrik
motorlarının tasarlanması beklenmektedir. Sürekli mıknatıslı motorları,
maliyetindeki beklenen düşüşler, yüksek manyetik performans, sıcaklık
dayanımı, ve korozyona karşı dirençleri dolayısı ile gelecekte tercih edileceği
düşünülmektedir.
3.2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motorları (ARM)
ARM son 15 yıldır düşük ve orta güçlü tahrik sistemlerinde ilgi çekmeye ve
kullanılmaya başlamıştır. Hem statorunda hem de rotorunda çıkıntılar
(kutuplar) bulunan anahtarlamalı relüktans motorları, ucuz, basit ve imalatı
kolay bir motordur. Rotoru yalıtılmış saç paketi kullanılarak yapılmıştır ve
herhangi bir sargı veya mıknatıs içermemektedir. Stator kutupları üzerinde
ise basit bir şekilde sarılmış olan stator sargılan yer almaktadır. Stator
sargılarından akan akımlar rotor pozisyonuna bağlı olarak uygun zamanlarda
anahtarlanarak sürekli bir dönme hareketi ve döndürme momenti elde
edilmektedir. Bu momentin ani değeri rotor pozisyonuna ve stator akımına
62
bağlı olarak doğrusal olmayan bir biçimde değişmektedir. Anahtarlamalı
relüktans motorunun kontrol teknolojisi, gürültü ve titreşim sorunları halen
birçok araştırmacı tarafından araştırılmaktadır.
Resim 3.2. Anahtarlamalı relüktans motorları[30]
ARM basit ve dayanaklı yapısı, ucuz imalatı, ataleti düşük, yüksek hızı ve
verimi ile değişken hız uygulamalarında, diğer motorlar arasında güçlü bir
aday haline gelmiştir. Uygulama alanları arasında, ofis araçları, uzay araçları,
elektrikli otomobiller, radarlar, madencilik teknolojileri, otomatik kapı
sistemleri, su pompaları ve elektrikli ev cihazları sayılabilir. ARM’ lerin en
önemli karakteristik özelliği, rotor pozisyonu ve akım genliğine bağlı olarak
manyetik devresinin doğrusal olmayan yapıda olmasıdır.
3.3 Bataryalar
Elektrikli araçlarda motorun dönmesi için gerekli olan enerji bataryalarda
depo edilir.Bu nedenle elektrikli araçlarda hayati önem taşır ve çok çeşitli
bataryalar kullanılır.
3.3.1 Kurşun- Asit Bataryalar
Elektrikli araçlarda en yaygın olarak kullanılan bataryalardan biridir. Özellikle
içten yanmalı motorlarda yaygın olarak kullanılırlar. Fakat elektrikli araçlarda,
derin çevrimlere dayanıklı daha sağlam ve sıvı elektrolitten ziyade jel
elektrolitli kurşun asit bataryalar kullanılır. Bu bataryaların maliyetleri çok
yüksektir. Kurşun asit pillerde negatif plaka, aktif materyal olarak kurşun;
pozitif plaka ise aktif materyal olarak kurşun dioksitten oluşur. Plakalar,
seyreltik sülfürik asit elektroliti içerisine daldırılmıştır. Sülfürik asit, kurşun ve
63
kurşun dioksit tepkimeye girerek kurşun sülfat ve su oluşturur. Bu proses
boyunca oluşan elektrik enerjisi açığa çıkar. Toplam reaksiyon:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O (4.1)
Bataryanın her elektrotundaki reaksiyonlar, Şekil 2.1 ve 2.2’de gösterilmiştir.
Diyagramın üst kısmında bataryanın deşarj hali görülmektedir. Her iki elektrot
reaksiyonu da kurşun sülfat oluşumu ile sonuçlanır. Elektrolit giderek sülfürik
asit kaybına uğrar ve bunun sonucunda daha da seyreltik olur. Şarj olurken
(Şekil 2.2), elektrotlarda, kurşun ve kurşun dioksit oluşumu başlar ve
elektrolitin sülfürik asit yoğunluğu artar.
Kurşun asit bataryalar, en yaygın olarak kullanılan yeniden şarj edilebilir
bataryalardır. Bunun asıl nedeni, bataryayı oluşturan temel unsurların
(kurşun, sülfürik asit, plastik mahfaza) maliyetlerinin düşük olması, emniyetli
bir şekilde işlev görmesi ve pil başına 2V civarında oldukça yüksek bir voltaja
sahip olmasıdır. Kurşun asit bataryanın en önemli özelliklerinden birisi de
aşırı derecede düşük iç direncidir. Bu da bataryadan akım çekildiğinde
voltajdaki düşüş çok küçük hatta herhangi bir elektrikli araç bataryasından
daha küçük olacaktır. Bir pilin kapasitesi, plakaların alanlarıyla doğru
orantılıdır ve iç direnç plaka alanıyla ters orantılıdır. Bunun sonucu olarak da
iç direnç, kapasite ile ters orantılıdır. Çizelge 4.1’de performansı iyi bir
bataryanın iç direnci 0.022Ω verilmiştir. Bir kurşun asit bataryanın iç direnci
aşağıdaki gibi hesaplanır:
? = ? ?? ?? ? ı?ı × 0.022? 10 ? ℎ? ?
64
Şekil 3.15. Kurşun asit bataryanın deşarjı boyunca gerçekleşen
reaksiyonlar[15]
Şekil 3.16. Kurşun asit bataryanın şarjı boyunca gerçekleşen reaksiyonlar[15]
Kurşun asit bataryaların karakteristikleri;
Şekil 3.15 ve 3.16’de gösterilen kurşun asit batarya reaksiyonlarının dışında
reaksiyonlarda gerçekleşir. Sülfürik asit içerisindeki kurşun ve kurşun dioksit
stabil değildir ve çok yavaş da olsa değişirler:
Pozitif elektrotta 2PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + O2 (4.3)
65
Negatif elektrotta Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2 (4.4)
Bu durumda bataryanın self-deşarj olmasına sebep olur. Bu reaksiyonların
hız sabiti pilin sıcaklığına göre farklılık gösterir, sıcaklık arttıkça daha hızlı
gerçekleşir. Aynı zamanda komponentlerin saflığına, elektrotları tutan
alaşımların içeriği gibi diğer faktörlere de bağlıdır.
Bataryanın deşarj operasyonu boyunca da meydana gelen bu istenmeyen
tepkimelerde hidrojen ve oksijen gazı açığa çıkar. Eğer batarya ani bir
şekilde deşarj edilirse, düşük voltaj, yüksek sıcaklık, yüksek elektrot aktivitesi
gibi sebeplerden dolayı bu reaksiyonlar ve gaz oluşumu daha hızlı
gerçekleşir ki, bu deşarj reaksiyonları tüm pillerde aynı oranda gerçekleşmez
ve böylece bazı piller, diğerlerinden daha fazla deşarj olur. Bu durum
bataryanın şarj edilmesi açısından önem arz etmektedir. Yani tüm pillerin
tam olarak şarj olduğunu garantilemek için bazı piller aşırı şarj durumuna
tolerans göstermek zorunda olacaktır.
Kurşun asit batarya aşırı şarj durumundayken gerçekleşen reaksiyonlar Şekil
3.17’de gösterilmiştir. Bu gaz tepkimeleri, elektron alan ya da veren
elektrotlarda daha fazla kurşun sülfat kalmadığında gerçekleşir. Yani batarya
tam dolu şarj halindeyken gerçekleşir.
Şarj ve deşarj tepkimeleri, pil elektrolitlerinin konsantrasyonlarını
değiştirmektedir. Reaktanların konsantrasyonundaki değişim, deşarj olurken
pilin üretmiş olduğu voltajda ufak bir değişime yol açmaktadır. Voltajdaki
düşüş Şekil 3.18’de gösterilmiştir. Modern sızdırmaz bataryalarda bu değişim
doğrusaldır. Batarya voltajının, batarya şarj durumuna dair bir gösterge
olarak kullanılamayacağı dikkate alınmalıdır.
Aşırı şarj reaksiyonun dikkat edilmesi gereken bir diğer noktası, suyun
hidrojen ve oksijene dönüşerek kaybolmasıdır. Eski bataryaların
tasarımlarında bu gazlar menfezden dışarı verildiği ve zaman zaman
elektrolit sıvısı takviyesi yapıldığı kaydedilmiştir. Modern sızdırmaz
bataryalarda böyle bir sisteme gerek duyulmamıştır; gazlar batarya içerisinde
66
tutulur ve tekrar su oluşturmaları için rekombinasyonlarına izin verilir. Tabi ki
bu oluşum için bir sınır vardır ve gaz oluşumunun hızlı bir şekilde
gerçekleşmemesi için aşamalı olmalıdır.
Şekil 3.17 Kurşun asit batarya tam dolu şarj halindeyken gerçekleşen gaz
reaksiyonları[15]
Şekil 3.18 Grafik sızdırmaz bir kurşun asit bataryanın açık devre voltajının
şarj durumuna göre değişimi[15]
67
Kurşun asit batarya üreticileri, bataryaları uzunluk genişlik ve ağılık açısından
çok geniş bir yelpazede üretebilmektedirler. Kurşun asit bataryaların farklı
uygulamalarda farklı tasarımlarda olmak üzere çok yaygın bir kullanımı
olması doğru batarya tipini seçme açısından problem yaratabilir. Klasik
arabalarda kullanılan batarya tipi, başlatıcı-aydınlatıcı-ateşleyici (SLI) olarak
ifade edilen ve elektrikli araç uygulamaları için uygun olmayan bir batarya
tipidir. Bu uygulamalar için uygun olan traksiyoner ve derin çevrim tipi
bataryalardır. Bu tip bataryalar, kurşun asit bataryaların maliyeti açısından en
pahalı olanlarıdır.
Yüzyılı aşkın süredir sulu kurşun asit bataryalar; traksiyon, yedekleme ya da
stand by güç sistemleri dahil olmak üzere güç uygulamaları için standart
enerji kaynağı olmuştur. Son yirmi beş yılda araştırmalardaki kayda değer
ilerlemeler sonucu valf ayarlamalı kurşun asit (VRLA) nın geliştirilmesi ile
sulu kurşun asit tasarımına bir alternatif olarak ön plana çıkmıştır. Birim
hacim başına daha fazla enerji yoğunluğu ile VRLA bataryalara olan talep,
traksiyoner batarya uygulamalarında artmaya devam etmektedir.
Traksiyoner uygulamalar için VRLA batarya teknolojisi, özellikle de EA
uygulamalarında, batarya bloklarındaki pillerin kurumasını önleyen distile
edilmiş su seviyesinin ayarlanması, emniyet işlemleri için minimum kontrol ve
bakım gerektirmeyen bataryalara olan talepten doğmuştur. Günümüzde hiç
bakım gerektirmeyen batarya henüz icat edilmediği için buradaki bakım
gerektirmeyen bataryadan kasıt çok daha az bakım gerektiren bataryadır.
Ticari olarak mevcut bataryalar absorbe fiberglas mat (AGM) ve jel teknolojisi
olmak üzere iki çeşittir. Bu iki bataryanın tasarımı sulu kurşun asit batarya ile
benzerlik gösterir.
Sulu bataryalar düzenli olarak distile su ikmaline ihtiyaç duyarlar.Su
bataryanın her pilinin içine bir menfez başlığından eklenmektedir. Şarj işlemi
gerçekleşirken eriyikli kurşun asit bataryalarda gerçekleşen elektrokimyasal
reaksiyon sonucu pil potansiyeli ve ya başka bir deyişle pil voltajı oluşur ve
her iki elektrot arasında potansiyel fark oluşturur. Şarj işlemi boyunca
68
elektrolit çözeltisindeki su, elektroliz sonucu O2 ve H2 iyonlarına
ayrışmaktadır. Oluşan oksijen ve hidrojenin %30’u tekrar reaksiyona
girmektedir. Oysaki yüksek batarya verimi için devamlı olarak su ikmaline
gereksinim duyulmamalıdır. Bunun sonucu olarak bakım maliyetleri önemli
ölçüde azaltılmış olmalıdır. Rekombinasyon faktörü arttırılmış VRLA
bataryalarda verim %95 -99 civarındadır. Özel havalandırma ve asit içeriği
gereksinimleri VRLA bataryalarda en alt seviyededir. Bu durum bataryaların
elektronik devrelerin yanı sıra yerleştirilmesine imkan tanır. VRLA
bataryalarının iki çeşidi, absorbe mat fiberglas (AGM) bazlı batarya ve jel
bazlı bataryadır
3.3.2 Nikel Bazlı Bataryalar
Nikel demir, nikel çinko, nikel kadmiyum, nikel metal hidrür bataryalar nikel
bazı bataryalar olarak sınıflandırılır. Bunların arasında nikel metal hidrür
bataryaların performansı oldukça yüksektir. Nikel çinko batarya da makul bir
performans sergilemesine rağmen, 300 derin çevrimlik sınırlı bir ömre
sahiptir. Nikel demir bataryaların uygulamaları da oldukça azdır.
Nikel kadmiyum batarya, elektrikli araç uygulamaları için kurşun asit
bataryaların en büyük rakibi olarak görülmektedir. Sahip oldukları spesifik
enerji neredeyse kurşun asit bataryaların spesifik enerjilerinin iki katıdır.
NiCd bataryalarda, pozitif elektrot nikel oksihidroksitten ve negatif elektrot ise
metalik kadmiyumdan oluşur. Aşağıda gösterilen reaksiyon sonucunda
elektrik enerjisi elde edilir.
? ? + 2? ?? ? ? + 2? 2? ↔ ? ? (? ? )2 + 2? ?(? ? )2
Elektrotlarda gerçekleşen reaksiyonlar ve bataryanın nasıl çalıştığı Şekil
2.5’de gösterilmiştir. Piller deşarj olurken elektrolitin konsantrasyonu artar.
Nikel kadmiyum bataryalar, elektrikli araçlarda dahil olmak üzere birçok
alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. 2500 Civarında uzun bir çevrim ömrü,
yüksek spesifik güç, - 400C’ den +800C’ ye kadar geniş bir sıcaklık aralığı,
düşük self- deşarj, uzun süreli depolama gibi özellikleri NiCd bataryayı cazip
69
hale getirmektedir. Bu da kurşun asit bataryalardakilere göre daha yavaş
gerçekleşen self-deşarj reaksiyonları ile çok daha stabil bir batarya olmasına
neden olmaktadır. NiCd bataryaları farlı şekil ve boyutlarda satın almak
mümkündür ancak elektrikli araçlar için gerekli boyutlarda bulmak kolay
olmayabilir. NiCd bataryaların temel kullanım alanları portatif cihazlar,
elektronik ekipmanlardır. Aynı zamanda mekanik ve elektriksel olarak
oldukça dayanıklıdır. Bir saat içinde şarj edilebilmeleri mümkün olmakla
birlikte 20 dakika içerisinde %60 kapasiteye kadar şarj edilebilmektedir.
Diğer taraftan her pilin operasyon voltajının sadece 1.2V civarında olması ve
her 12V’luk batarya için 10 adet pil gerekmesi, 6 pillik kurşun asit bataryalarla
kıyaslandığında olumsuz bir özellik olarak görülür. Bu durumda NiCd
bataryaların niçin daha yüksek maliyete sahip olduklarına dair az da olsa bir
fikir verebilir. Bir diğer problem ise maliyet açısından kadmiyum kurşundan
çok daha pahalı ve çevreye zararlı aynı zamanda kanserojen olmasıdır.
Şekil 3.19 NiCd bataryanın deşarjı esnasında gerçekleşen reaksiyonlar [15]
Şarj operasyonu esnasında reaksiyonların tersi gerçekleşir.
70
NiCd bataryalar, kurşun asit bataryaların maliyet olarak 3 katıdır. Daha uzun
çevrim ömrüne sahip olmaları bu yüksek maliyetin sebebi olarak gösterilebilir.
350 oC’nin altında şarj veriminin ani bir şekilde azalıyor olması elektrikli
araçlarda kullanılmasına engel teşkil etmez. Peugeot 106, Citroen AX ve
Reno Clio ve Ford Think’in elektrikli versiyonlarında kullanılmaktadır.
NiCd bataryaların da kurşun-asit bataryalar gibi doğru bir şekilde şarj
edilmesi gerekmektedir. NiCd bataryalar, kurşun asit bataryalara göre self
deşarja daha az eğilimlidirler. Normalde voltaj önceden belirlenen bir
seviyeye ulaşana kadar sabit bir akımda şarj edilir, istenilen seviyeye
ulaşıcında akım kesilir. Bu noktada pil voltajı önceden belirlenen daha düşük
bir voltaja iner ve akım tekrar verilir. Bu proses batarya şarj oluncaya kadar
devam eder. Daha çok bataryaların daha düşük, sabit bir akımda şarj
edilmesi tercih edilir. Bu işlem daha kolay olmasına rağmen daha uzun
sürede gerçekleşir.
NiCd bataryayı ön plana çıkaran bir diğer özelliği ise aşırı şarj olma
durumunun üstesinden gelebilmesidir. Bu da pil yapısındaki negatif
elektrottaki kadmiyum hidroksit fazlalığından kaynaklanmaktadır. Böylece
pozitif elektrot sürekli olarak tam dolu şarj durumunda olacaktır. Şarj akımının
devam etmesi, pozitif elektrotta aşağıdaki reaksiyonun vasıtasıyla oksijen
oluşumu ile sonuçlanacaktır:
4? ? − → 2? 2? + ? 2 + 4?− (4.6)
Serbest kalan oksijen negatif elektrota difüze olur burada kadmiyumla
reaksiyona girerek ve (4.6) reaksiyonunda oluşan suyu kullanarak kadmiyum
hidroksit oluştururlar.
O2 + 2Cd + 2H2O → 2Cd(OH) (4.7)
Bu reaksiyonun yanı sıra normal şarj reaksiyonu da (4.6) reaksiyonunda
ortaya çıkan elektronları kullanarak bu elektrotta gerçekleşecektir.
2? ? (? ? )2 + 4?− → 2? ? + 4? ? − (4.8)
71
(4.7) ve (4.8) denklemlerini karşılaştırdığımızda kadmiyum hidroksit oluşum
oranının, kadmiyuma dönüşüm oranına tam eşit olduğu görülmektedir. Bu da
batarya herhangi bir materyal net kullanımı olmaksızın sürdürülebilir bir
sistem olduğunun göstergesidir. Bu aşırı şarj durumu süresiz olarak devam
edebilir. Çoğu NiCd bataryaların boyutları ve dizaynları, 100Ampsaat’lik bir
batarya 10A’de olmak suretiyle C/10 oranında sürekli bir şekilde şarj olmaya
devam edebilir. Bu aşırı şarj akımı boşa harcanan enerjiyi temsil etmekte
fakat bataryada herhangi bir soruna yol açmamaktadır ve tam dolu şarj için
pillerin eşitlendiği son safhada batarya şarj edilirken bazı pillerin için
yapılması zorunluluk gerektirmektedir.
Nikel kadmiyum bataryanın iç direnci, kurşun asit bataryalardaki kadar
olmasa da düşüktür. Bu durum da maksimum ekonomik spesifik güçte biraz
da olsa azalmaya neden olmaktadır. Bir NiCd bataryanın iç direncinin
deneysel olarak elde edilmiş formülü aşağıda gösterilmiştir:
? = ? ???? ? ı?ı × 0.06∗? 3 ? ℎ? ? (4.9)
* Bu formüldeki 0.06 faktörü, kalite değeri iyi olan NiCd traksiyoner bir
bataryanın küçük bir örneğinin ölçüm değerleri baz alınarak tespit edilmiştir.
(4.9) denklemini, kurşun asit piller için olan (4.2) denklemiyle
karşılaştırdığımızda 0.06 sayısının 0.022’ye göre daha büyük olduğunu
görmekteyiz ayrıca bu denklemdeki pil sayısı, kurşun asit bataryalar için
gerekli olan pil sayısından daha fazla olacaktır.
3.3.4 Lityum Bataryalar
1980’lerin sonlarından itibaren şarj edilebilir lityum iyon bataryalar ticari
olarak piyasaya sürülmüştür. Diğer batarya çeşitleriyle kıyaslandığında
oldukça yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları fiyatlarının da bu oranda
yüksek oluşuna açıklık getirebilir. Maliyeti yüksek laptop bilgisayarlar ve
mobil telefon uygulamalarında Li-iyon bataryalar NiCd ve NiMH bataryalara
göre daha çok tercih edilmektedir.
72
Lityum İyon Batarya
EA uygulamalarında günümüzde ticari anlamda en çok kullanılan batarya tipi
Li-iyondur. Lityum metalinin atomik kütlesinin çok düşük olması ve çok
yüksek negatif potansiyele sahip olması gibi nedenlerden dolayı batarya
teknolojisinde bir çığır açarak hız ve sürüş mesafesi bakımından yüksek
performans karakteristiği sergileyen EA'larda uygulamaları
yaygınlaşmaktadır. Lityum metalinin hava ya da birçok sıvı elektrolitle
reaksiyona girme eğiliminin yüksek olması bir dezavantajdır. Bu problemin
üstesinden gelebilmek için lityum ilave edilmiş grafit karbonları (LixC)
kullanılmış ve yüksek performans için uygun potansiyele sahip olduğu
görülmüştür.
Li- iyon bataryanın deşarjı esnasında anotta serbest hale geçen (Li+)
iyonları, organik elektrolit boyunca ilerleyerek katoda doğru hareket eder.
Organik elektrolit sıvı değildir. Lityum iyonları katoda ulaştığında hızlı bir
şekilde katot materyalinin içerisine katılır. Bu işlem tersinirdir. Lityum
iyonlarının hızlı bir şekilde eski haline dönebilme yeteneğinden dolayı Li-iyon
bataryalar, Pb-asit ve NiMH bataryalardan daha hızlı bir şekilde şarj ve deşarj
olurlar. Aynı zamanda Li –iyon bataryalar NiMH bataryalarla kıyaslandığında
eşit miktarda enerji depolamasına karşılık %40 daha küçük ve NİMH
bataryaların ağırlığının yarısı kadar bir ağırlığı vardır.
Li-iyon bataryalarda kullanılmak üzere çok farklı materyaller geliştirilmektedir.
Genellikle anot materyalleri, karbonun çeşitli formları özellikle de grafit ve
hidrojen içeren karbon materyallerinden oluşur. Katot için üç çeşit oksitleyici
geliştirilmiştir; bunlar kobalt, nikel, manganezdir. Teknik olarak hem nikel hem
de manganez oksitlere tercih edilen kobalt oksit kullanılmıştır.
Kobalt oksitli lityum-iyon bataryalarda katot; kobalt oksit kaplamalı alüminyum
folyodan üretilmektedir. Anotlar ise karbon materyalleri ile kaplanmış ince bir
bakır levhadan üretilmiştir. Levhalar plastik bir ayıraç ile ayrıldıktan sonra
sarmal bir şekilde sarılır ve lityumhekzaflora-fosfat içerikli sıvı bir elektrolitle
doldurulmuş çelik bir haznenin içine konulur. Tam dolu şarj durumundayken
bu bataryaların açık devre gerilimi 4.1 Volt’tur. Aynı zamanda sahip oldukları
yüksek spesifik enerjinin yanı sıra Li-iyon bataryalar uzun bir kullanım ömrü
73
potansiyeline sahiptir. Yüksek voltaj, klasik tasarımı ve özellikle kobalt yerine
manganezin kullanılmasıyla düşük batarya maliyeti vaat etmektedir.
Li-ion bataryaların aşırı şarj durumunda, kurşun asit ve NiMH bataryalarda da
olduğu gibi elektrot ya da elektrolit formlarının dekompozizasyonları,
bataryanın hasar görmesini engellemek için dikkatli bir şekilde kontrol
edilmelidir. Li-iyon bataryalardaki elektrolit su içermediği için suyun
çözünmesine bağlı gazlaşma olayı gerçekleşmez.
Pb-asit ve NiMH bataryalarda olduğu gibi Li-iyon bataryalar aşırı şarj
durumuna maruz kalmamak için batarya denetim sistemi ile birlikte
çalışabilmelidir.
Katı haldeki yeniden şarj edilebilir Li-ion bataryalar birim kütle ve hacim
başına daha yüksek enerji içeriğine sahiptir. Aynı zamanda Li-iyon, NİMH gibi
nikel bazlı bataryalara oranla çevre dostu bir batarya olarak tanımlanabilir.
Li–iyon bataryaların gelişimi, NiMH ve Pb-asit bataryalara göre daha yavaş
olmuştur. Neden ise lityum dendrit oluşumundan kaynaklanan batarya pilinin
yeterli bir şekilde işlev görmeyişin ve çevrimden dolayı geniş bir alanda lityum
partiküllerinin oluşumunun artmasıdır. Bataryada oluşan bu kusurların
üstesinden gelmek için metalik lityum yerine alternatif solüsyonlar
düşünülmüştür. Bunlardan biri karbon bazlı alternatif bir materyal diğeri ise
shuttlecock (badminton topu) olarak da adlandırılan durumda lityum
iyonlarının katot ve anot arasında mekik dokumasıdır. Deşarj işlemi boyunca
lityum iyonları anottan katota taşınır. Şarj işlemleri boyunca lityum iyonları
katottan anoda doğru hareket eder. Lityumla işlem görmüş anodun voltajı
lityum metalininkine (yaklaşık olarak 10 mV) yakındır ve bu nedenle pil voltajı
aşırı derecede azalmaz.
Katı haldeki Li-iyon bataryalar, likit elektrolitli benzerlerine göre çeşitli
avantajlar sahiptir. Enerji yoğunlukları 200Wh/L’nin üzerindedir. Operasyon
sıcaklığı ise -200C ile 600C arasında oldukça geniş bir aralığa sahiptir.
Li- iyon metal oksit/ karbon sisteminde elektrotların her ikisi de yapısı
değişmeksizin tersinir bir şekilde lityum açığa çıkarır ya da bünyesine katar.
Li-iyon bataryalar oda sıcaklığında çalışmaktadır. Yüksek pil voltajları
sayesinde batarya organik bir elektrolite ihtiyaç duyar. LiCoO2, LiNiO2 ve
74
LiMnO4 bazlı katotlar ve anot birlikteliğinin sonuçları detaylı bir biçimde analiz
edildiğinde batarya üreticileri lityum-manganez spinelinin geliştirilmesine
odaklanmıştır.
Lityum Polimer Bataryalar
Lityum polimer batarya, negatif elektrot olarak lityum metali, pozitif elektrot
olarak ise okside olmuş bir geçiş metali kullanır. Lityum ve metal oksidin
kimyasal reaksiyonu sonucunda lityum metal oksit oluşur ve enerji açığa
çıkar. Batarya şarj edilirken bu reaksiyonun tam tersi gerçekleşir. Lityum
burada reaktan olmakla birlikte aynı zamanda elektrolit boyunca hareket
eden taşınabilir iyondur. Toplam kimyasal reaksiyon:
xLi + MyOz ↔ LixMyOz (4.11)
Lityum polimer teknolojisinde; elektrolit, bir katı iletken polimer olmasından
dolayı bataryalar tamamıyla kurudur ve likit elektrolit içermezler.
3.4 BATARYA ÖMRÜ VE BATARYALARIN ŞARJ EDİLMESİ
Bataryalar, yapısındaki aktif materyallerin kaybına neden olan istenmeyen
kimyasal tepkimeler ve fiziksel değişimler sonucu sınırlı bir kullanım süresine
sahiptir. Bu değişimler genellikle tersinmezdir ve pilin elektriksel
performansını etkiler. Batarya ömrü ancak istenmeyen kimyasal reaksiyonlar
azaltılarak ya da önlenerek arttırılabilir.
Bataryada kalan enerji miktarını bilmek ve tam dolu durumdaki enerji miktarı
ile kıyaslamasını yapmak, yeniden şarj olmadan önce bataryanın ne kadar
süre çalışacağının tahmin edilmesinde yardımcı olmaktadır.
3.4.1 Batarya Ömrü
Batarya çevrim ömrü, nominal kapasitesi; başlangıçtaki nominal kapasitesinin
%80’nin altına düşmeden önce bir bataryanın performans sergileyebileceği
şarj-deşarj döngülerinin sayısı olarak tanımlanır. Çevrim sayısı arttıkça
zamanla kapasitede azalma gözlenir.
75
Çevrim ömrünün bir diğer alternatif ölçümü de pil iç direncinin dikkate
alınmasıdır. Bataryanın iç direncindeki artış önceden belirlenen bir değere
genellikle ilk durumdakinin 1.3 katı olmak üzere yeni bir değere ulaşmadan
önceki bataryanın sergilemiş olduğu çevrim sayısı, batarya ömrü olarak
tanımlanır.
Batarya çevrim ömrü; deşarj yoğunluğuna bağlıdır (Her çevrim, bataryanın
tam olarak şarj ve deşarj olduğu varsayılırsa). Eğer batarya her çevrimde
kısmi olarak deşarj edilirse çevrim ömrü artacaktır. Bu nedenle deşarj
yoğunluğunun çevrim ömrüne özgü belirtilmesi önemlidir.
Kimyasal Değişimler:
Bataryalarda gerçekleşmesi istenen kimyasal reaksiyonlar maalesef
genellikle bazı aktif kimyasalları tüketen ya da reaksiyonlarına engel olan
istenmeyen kimyasal reaksiyonları beraberinde getirmektedir. Bu durum
batarya ömrünü azaltmaktadır.
Sıcaklık Etkileri:
Bataryanın içindeki kimyasal reaksiyonlar, hem voltaj hem de sıcaklıkla
yürütülür. Bataryanın sıcaklığı arttıkça kimyasal reaksiyonlar hızlanacaktır.
Yüksek sıcaklıklar performansı arttırırken bir yandan da batarya ömrünün
azalmasına yol açan istenmeyen kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesine
sebep olacaktır.
Raf ömrü ve şarj tutma, self deşarj oranına bağlıdır ve self deşarj da pildeki
olması istenmeyen kimyasal reaksiyonların bir sonucudur. Benzer şekilde
korozyon, gaz oluşumu, elektrot pasivasyonu çevrim ömrünü azaltan
istenmeyen kimyasal tepkimelerdir. Bu nedenle sıcaklık hem raf ömrünü hem
de çevrim ömrünü etkiler.
Basınç Etkileri:
Bu problem sızdırmaz bataryalarda ortaya çıkmaktadır.
Pil içindeki basınç artışı, artan sıcaklığın bir sonucudur. Çeşitli etkenler
sıcaklık artışına neden olabilir. Akım fazlası ya da yüksek ortam sıcaklığı, pil
76
sıcaklığının artışına neden olur ve aktif kimyasalların genişlemesine yol
açarak pildeki iç basıncın artışına sebebiyet verecektir. Aşırı şarj, sıcaklık
artışı nedenlerinden biridir ve daha da önemlisi aşırı şarj gaz oluşumuna
sebep olarak iç dirençte daha da büyük bir artışa sebebiyet verecektir.
Basınç fazlası; pil koruyucu tabakasında şişme, akım yolunda aksaklık, kısa
devre gibi pil içinde mekanik hasarlara neden olacaktır.
Deşarj Yoğunluğu:
Bataryanın çevrim sayısı, deşarj yoğunluğu artış gösterdikçe doğrusal
olmayan düşüş gösterir. Uygulamada deşarj yoğunluğu sınırlanırsa,
tasarımcı bataryanın çevrim ömrünü önemli ölçüde arttırabilir.
Şekil 3.20 Deşarj yoğunluğuna bağlı bataryanın çevrim sayısı[15]
Elektrikli araç uygulamaları gibi uygulamalarda bataryadan maksimum güç
çekilir. Bu da bataryanın çok yüksek DoD durumunda deşarj olduğu anlamına
gelmektedir. Derin deşarj yoğunluklarında batarya pilleri kalıcı olarak hasar
görebilir. Derin çevrim bataryalarının DoD potansiyellerini maksimum yapmak
için özel pil yapıları ve kimyasal karışımlar gerekebilir.
Traksiyoner bataryalar %80 ile %10 DoD durumunda çalışabilirler.
77
Voltaj Etkileri:
Şarj olabilen her bataryanın operasyon voltaj karakteristiği, kendine has pil
kimyasıyla ilişkilendirilir. Aktif kimyasalların tümü, tam dolu şarj durumundaki
kompozisyonuna dönüştüğünde pil içine giren elektriksel enerji, ısının
artmasına neden olur ve kimyasal komponentleri rekombine olamayacakları
formlara dönüştüren istenmeyen reaksiyonları başlatır. Pil, üst voltaj limitinin
üzerinde şarj etmek pile hasar verecek tersinmez kimyasal reaksiyonların
oluşmasına neden olur. Bu duruma eşlik eden sıcaklık ve basınç artışı
kontrol edilemez ise pilin patlamasın ve tehlikeli kimyasalları açığa çıkararak
yangına neden olabilir. Yine benzer şekilde pili önerilen düşük voltaj limitinin
altında deşarj etmek, aktif kimyasallar arasında istenmeyen reaksiyonlara yol
açarak kalıcı hasara neden olabilir.
Formasyon:
Pil formasyonu, yeni bir pilin aktif materyallerinin kullanılabilir formlarına
dönüşüm prosessidir. Elektrolit ya da elektrotların başlangıçtaki kristal yapısı,
elektrot kaplama işlemi ve elektrotların yapıldığı komponentler üretim
işlemleri ile belirlenir. Bu, pilin iç direncini minimum seviyeye getiren optimum
yapı olmayabilir ve elektrolit ile elektrotlar arasında optimum teması
oluşturmayabilir. Pil boyunca akım geçişleri, pilin ısınması ve soğumasıyla
aktif kimyasalların mikro yapılarında küçük değişimlere neden olacaktır.
Formasyon, pil üreticisi tarafından komponentlerin mikro yapılarını optimize
etmek ve birbirleriyle teması sağlamak için kontrollü koşullar altında üretim
yerinde gerçekleştirilen ilk şarjdır.
Bazı kimyasal formüllerde tam güç ya da kapasiteye ulaşmadan önce
batarya on ya da daha fazla şarj- deşarj çevrimi gerektirebilir.
Pil Yaşlanması:
Pil yaşlandıkça materyallerin kristal yapısı ve kimyasal kompozisyonu değişir.
Elektrotlar üzerinde metalik dendritler, daha geniş kristaller oluşabilir.
78
Bu değişimlerin sonuçları:
- Pilin formasyonu boyunca oluşan daha küçük kristaller daha büyük
boyutlara ulaşarak iç direnci arttırır ve pil kapasitesi azalır.
- Kristal ve dendrit oluşumu, elektrolit ve seperatöre basınç uygulayacak olan
elektrot şişmesine neden olur. Elektrotlar böylece birbirine yaklaşarak baskı
uygular ve pillerin self deşarjı artış eğilimi gösterir.
- Olağan dışı durumlarda dendrit ya da kristal büyümesi seperatörü delerek
yüksek self deşarj ya da kısa devre ile sonuçlanabilir.
Batarya ömrünü uzatmanın en kolay yolu, bataryayı tasarımda belirtildiği
operasyon limitleri içinde çalıştırmaktır. Batarya için tasarlanmış şarj
ekipmanları ve emniyet sistemleri kullanılmalıdır. Batarya denetim sistemi,
şarj ve deşarj operasyonu boyunca bataryanın bağlı olduğu yükü kontrol
ederek pilleri arzu edilen operasyon limitleri içerisinde tutar. Bataryayı
oluşturan pillerin şarj eşitlemesi yapılmalıdır. Kapasite kaybı olan piller,
formasyon prosesinin tekrarlanmasıyla restore edilebilir ve böylece kullanım
ömürleri uzar.
3.4.2 Çevrim Ömrü
Çevrim ömrü, pil kapasitesinin başlangıçtaki spesifik kapasitesinin %80’nin
altına düşmeden önceki performans sergileyeceği çevrimlerin sayısıdır.
Çevrim ömrü sonunda batarya pili fonksiyonuna devam edecektir fakat
kapasitesi, ilk durumdaki kapasitesine göre önemli ölçüde azalmış olacaktır.
Çevrim ömrü, gerçek operasyon koşullarında batarya ömrüne dair en iyi
yaklaşımı vermese de kontrollü koşullar altında bataryaları mukayese etmek
için iyi bir yöntemdir. Piller nadiren de olsa ardı ardına şarj- deşarj
çevrimlerine maruz kalırlar ve tam olarak yeniden şarj olmadan önce değişik
yoğunluklarda kısmi deşarja uğrarlar. Kısmi deşarjlarda daha az miktarda
enerji alındığı için batarya daha fazla sayıda derin olmayan çevrimler
sürdürecektir. Bu tarz çevrimler daha çok rejeneratif frenleme enerjisini
kullanan hibrid elektrikli araçlara özgüdür.
79
3.4.3 Bataryanın Şarj Durumu (BŞD)
SoC, bataryanın şarj durumu göstergesi olarak tanımlanır. SoC
göstergesinde, pilin akım kapasitesinden ziyade yeni bir pilin nominal
kapasitesi referans alınır. Bunun nedeni ise pil yaşlandıkça pil kapasitesinin
kademeli olarak azalmasıdır. Sıcaklık ve deşarj oranı, efektif kapasiteyi
etkilemektedir.
Maalesef çoğu zaman pilin nominal kapasitesi yerine mevcut kapasitesi
referans olarak alınmaktadır. Bu durumda ise ömrünü tamamlamaya yakın
tam dolu bir pil, nominal kapasitesinin %80’ini kadar efektif bir kapasiteye
sahip olmasına rağmen batarya şarj durumunu %100 olarak gösterecektir ve
hesaplanan kapasiteyi pilin yeni nominal kapasitesi ile karşılaştırılması
yapılarak gerekli düzeltme faktörleri uygulanmalıdır. Bataryada kalan şarj
miktarının doğru bir hesaplamasının yapılabilmesi için bataryanın yaşı ve
çevresel faktörlerde göz önünde bulundurulmalıdır.
Pil eşitlemesi uygulamalarında da herhangi bir pilin şarj durumunu, batarya
dizinindeki diğer pillerle orantılı olarak bilmek gerekmektedir.
SoC kontrolü batarya denetim sisteminin (BDS)’nin temel bir fonksiyonunu
oluşturmaktadır. Lityum bataryaların başlıca kullanım alanı olan otomotiv
uygulamalarında enerji akışının etkin ve güvenli denetimi için şarj durunun
kesin olarak belirlenmesi gerekmektedir. EA uygulamalarında SoC menzili
belirlemek için kullanılır. Bataryanın hiç kullanılmamış ilk aşamadaki
kapasitesi baz alınır, mevcut kapasitesi kullanılmaz. HEA uygulamalarında
SoC, elektrik motorunu ne zaman devreye gireceği durumları belirler. %5’in
üzerinde SoC hataları, sistem yakıt verimini ciddi şekilde etkilemektedir.
Şarj Durumunu Belirleme Metotları:
Bataryanın şarj durumunu tespit etmek için çeşitli metotlar kullanılmaktadır.
Bunlardan bazıları pil kimyasallarına göre spesifikleşmiştir. Çoğu, şarj
durumu ile değişen uygun parametrelerin ölçümüne dayanmaktadır.
- Direkt Ölçüm:
80
Eğer batarya sabit bir oranda deşarj oluyorsa bu yöntem uygulanabilir.
Bataryadaki şarj, akımın akış zamanı ile çarpımına eşittir. Yalnız burada iki
problem ortaya çıkmaktadır. Hemen hemen tüm bataryalarda deşarj akımı
sabit değildir., batarya deşarj oldukça lineer olmayan bir şekilde azalma
gösterir. Bu yüzden ölçüm cihazı akımın zamana göre integralini almalıdır.
İkinci problem ise; metodun bataryanın şarj içeriğini öğrenmek için deşarj
edilmesine dayanmasıdır. Halbuki kullanıcı pili deşarj etmeden şarj içeriğini
öğrenmek istemektedir.
Bataryanın coulombic veriminden dolayı şarj esnasında alınan gerçek şarj,
izleme tertibatı ile kaydedilerek bataryadaki efektif şarjı direkt olarak ölçmek
mümkün değildir. Bataryanın şarj deşarj döngüsü boyunca bataryadaki
kayıplar, şarj esnasında bataryaya alınan şarjdan daha az deşarj esnasında
şarj verilecek anlamına gelmektedir.
- Özgül Ağırlığa Bağlı BŞD Ölçümü:
Bu metot kurşun asit bataryalarda şarj durumunu tespit etmek için kullanılan
geleneksel bir metottur. Aktif kimyasallardaki kütle değişiminin ölçülmesine
dayanmaktadır. Batarya deşarj olurken aktif elektrolit; sülfürik asit harcanır ve
sülfürik asit konsantrasyonu azalır. Bu dönüşüm solüsyonun direkt olarak
SoC ile orantılı özgül ağırlığını azaltır. Elektrolitin gerçek özgül ağırlığı bu
nedenle bataryanın şarj durumunun bir göstergesi olarak kullanılır. Özgül
ağırlık ölçümleri genellikle vakum tipi hidrometre ile yavaş ve uygun olmayan
bir yöntemle yapılmaktaydı. Son zamanlarda dijital ölçüm yapan elektronik
sensörler pil yapısına yerleştirilmektedir.
- Voltaj bazlı BŞD Tahmini:
Bu metotta batarya pili voltajı, BŞD ya da kalan kapasitenin
hesaplanmasında temel alınır. Sonuçlar gerçek voltaj seviyelerine, sıcaklığa,
deşarj oranına ve pil yaşına bağlı olarak çeşitlilik gösterir. Bu yöntemde
bataryanın sabit sıcaklık ve deşarj oranında, kalan kapasitesine karşılık açık
devre voltajının grafiği oluşturulur. Fakat bazı pil kimyalarında özellikle lityum
81
olmak voltaj, çok sayıda şarj-deşarj döngüsü boyunca çok küçük bir değişim
gösterir. Aşağıdaki grafikte yüksek kapasiteli bir lityum iyon pilin deşarj eğrisi
gösterilmiştir.
Şekil 3.21 100 Ah lityum iyon pilin deşarj karakteristikleri[15]
Batarya pil voltajı, pil deşarj olurken fark edilir şekilde düşüş göstermediği için
batarya uygulamaları için idealdir. Yine aynı nedenle gerçek bir pil voltajı, pil
BŞD durumunun iyi bir göstergesi olmadığı anlamına gelmektedir. Çevrim
sonundaki ani pil voltajı düşüşü, bataryanın deşarjının tamamlandığını ya da
tamamlanmak üzere olduğunun bir göstergesi olarak kullanılabilir. Lityum
pilleri tamamıyla deşarj etmek çevrim ömürlerini önemli ölçüde kısaltır ve
birçok uygulamada pil çevrim ömrünü uzatan deşarj yoğunluğu limitlerine
maruz kalmaktadır.
-Akım Bazlı BŞD Belirlenmesi:
Bir elektrik yükündeki enerji içeriği Coulomb olarak ölçülür ve akımın zamana
göre integraline eşittir. Pil içindeki kalan kapasite şarj esnasında pile giren
akımın ya da deşarj esnasında pilden çıkan akımın ölçülmesiyle ve zamana
göre integralinin alınmasıyla hesaplanabilir. Metot, tam dolu bir pile uygulanır.
Coulomb sayımı olarak da bilinen bu metot direkt olarak şarj akışını ölçtüğü
82
için diğer BŞD ölçümlerine göre daha yüksek bir doğrulukta çalışır.
Coulombic sayımı self deşarj akımı dikkate alınmaksızın bataryadan dış
devreye olan akım akışına dayanır.
-İç Dirence Bağlı BŞD Ölçümü:
Şarj-deşarj döngüleri boyunca pildeki aktif kimyasalların kompozisyonu
değişir ve bu durum pil direncinin de değişmesine neden olur. Bu nedenle pil
iç direnç ölçümü BŞD belirlemede kullanılabilir fakat iç direncin aynı
zamanda sıcaklıkla da değişiklik göstermesi ve pil aktif haldeyken iç direnç
ölçümündeki zorluklardan dolayı bu yöntem pek tercih edilmez.
Bulanık mantık ve diğer benzer modeller bu problemin üstesinden gelmek
için kullanılabilir.
3.4.4 Batarya Denetim Sistemi (BDS)
Bataryanın denetlenmesi, şarj ve deşarj işlemi esnasında voltaj, akım,
batarya içi ve ortam sıcaklığı gibi kilit rol oynayan operasyon parametrelerinin
kontrol altında tutulmasıdır. Bataryanın yük ya da şarj cihazıyla bağlantısının
kesilmesi durumunda ve herhangi bir arıza durumunda alarm veren aygıtları
korumak amacıyla çevrim boyunca veri girişleri bir monitörde
görüntülenmektedir.
Elektrikli araçlarda aktif batarya denetimi, efektif ve sürekli bir ölçüm, şarj
durumu, voltaj, sıcaklık, bataryanın şarj ve deşarj oranlarının kontrolünün
yanı sıra düşük voltaj, aşırı ısınma, yüksek iç direnç ya da açık ve kısa devre
gibi durumlarda her bir batarya pilinin sıcaklık ve voltajını da görüntüler. Bunu
efektif olarak yerine getirmek için her pilin ek kablolarla bağlantısı
gerçekleştirilmelidir. Bu nedenle batarya pillerinin izlenmesi ve uyuşmazlıkları
saptamak üzere batarya bloklara bölünür. Blokların sıcaklık ve voltaj
değerleri karşılaştırılır.
Bu metotla tüm batarya hata durumlarını saptamak mümkündür fakat toplam
batarya performansını etkileyen her bir pilin şarj durumundaki uyuşmazlıkları
saptamak kolay olmamaktadır. Her pile voltaj ve sıcaklık sensörü
yerleştirerek verilerin tek bir kablo üzerinden dijital veri olarak batarya
denetiminin izlendiği bilgisayara iletilmesi mümkün olmakla birlikte şarj
83
algoritmasını da ayarlamak mümkündür. Ayrıca BDS, tam güç için bataryayı
hazır durumda tutacak ve bataryanın ömrünü uzatacak metotları, şarj
rejiminin kontrol edilmesinden planlanan batarya bakımı gibi sistemleri
kapsar. Batarya denetim sistemi, enerji denetim sisteminin bir parçasıdır ve
araçtaki motor denetimi, iletişim ve emniyet sistemleri gibi diğer sistemlerle
ara yüz oluşturmuştur.
Batarya performansını ve emniyetini kontrol etmek için öncelikle hangi
parametrelerin kontrol edilmesi gerektiğini ve neden kontrole ihtiyaç
duyduğunu anlamak gerekmektedir. Bu nedenle pil kimyasını, performans
karakteristiklerini ve batarya hata durumlarının esaslarını iyi bir şekilde
kavramak gerekmektedir. Tüm batarya denetim sistemlerinin üç temel amacı
vardır:
-Pillerin ya da bataryanın hasar görmesini engellemek.
-Bataryanın ömrünü uzatmak.
-Uygulama amacına göre fonksiyonel gereksinimleri karşılayabileceği şekilde
bataryanın bakımı yapmak.
Bu amaçlar doğrultusunda BDS aşağıdaki fonksiyonları içermelidir.
Pil Koruması:
Bataryanın kendine has dizayn limitlerinin dışında çalıştırması durumunda
bataryanın hasar görmesi kaçınılmazdır. Büyük miktarda enerji içeren yüksek
güç pilleri bir kısa devre ya da fiziksel hasar sonucunda bu enerjisini
kontrolsüz bir şekilde açığa çıkarırsa yıkıcı sonuçlara neden olabilir.
Operasyon koşulları toleransının dışına çıkmış bir bataryayı korumak tüm
BDS uygulamalarının temel amacıdır.
Farklı uygulamalar ve farklı pil kimyasalları farklı şekilde koruma
gerektirebilir. Önceden belirlenen voltaj, akım ve sıcaklığı operasyon
limitlerinde tutabilmek için devre kontrol edilmelidir. Özellikle lityum pillerde
hata durumunda patlama risklerine karşı pil koruması önem arz etmektedir.
Aşağıdaki istenmeyen olay ya da koşullar için pil koruması tavsiye
edilmektedir:
- Şarj ve deşarj boyunca aşırı akı
84
- Kısa devre
- Voltaj fazlası- aşırı şarj
- Önceden belirlenmiş deşarj derinliği limitlerinin aşılması
- Yüksek ortam sıcaklığı
- Aşırı ısınma- pil sıcaklık limitinin aşılması
- Pil içinde basın oluşması
- Bir kaza durumunda sistemin izolasyonu için
- Hatalı kullanım
Şarj Kontrol:
Bataryaların şarj durumunu tespit etmek, batarya denetim sisteminin ikinci
temel görevidir. BDS, pillerin aşırı gerilim altında kalmaması için şarjın her
pile eşit şekilde dağılmasını kontrol ederken bataryadaki her bir pilin SoC
durumunu hesaplar ve görüntüler. Bataryalar uygun olmayan şarj işleminden
hasar görmektedir. BŞD göstergesi şarj ve deşarj çevrimlerinin
sonlandırılmasında devreye girer. Aşırı şarj ve deşarj işlemi bataryanın hasar
görmesinin iki başlıca nedenidir ve BDS, pillerin arzu edilen operasyon deşarj
yoğunlukları arasında kalmasını sağlar.
Hibrid elektrikli araçlarda batarya rejeneratif frenlenme enerjisini
depolayabilmesi için yüksek güçte şarj kabiliyeti ve ivmelenme ya da
harekete geçme durumunda yüksek güçte deşarj olabilme kabiliyetine sahip
olmalıdır. Bu nedenle bataryalar gereksinim duyulan güçte deşarj olabilecek
ve pillerin aşırı şarj riskine imkan vermeksizin rejeneratif enerjiyi kabul
edecek şekilde şarj olabilecek BŞD seviyesinde tutulmalıdır. HEA
bataryalarını pil-şarj eşitlemesi için tam olarak şarj etmek, rejeneratif
frenleme enerjisini depolama kabiliyetini azaltır. Bu yüzden HEA’larda
bataryayı uygun operasyon limitleri içerinse tutmak için doğru BŞD bilgisine
gereksinim duyulur.
85
Şekil 3.22 HEA batarya çalışma aralığı[15]
Batarya denetim sistemi, batarya görüntüleme birimi, batarya kontrol birimi ve
araç enerji denetim sistemi ile bağlantılı araç iletişim ağından oluşmaktadır.
3.4.5 Bataryaların Şarj Edilmesi
Bataryaların işlevlini zamanından önce yitirmemesi için doğru bir şekilde şarj
edilmesi gerekmektedir. Kurşun asit bataryaları çok düşük bir şarj durumunda
bırakmak, sülfasyon prosesinden kaynaklanan kalıcı hasara neden olduğu
gibi bataryaların yanlış bir şekilde şarj edilmesi de bataryalar çok çabuk
hasara uğratacaktır.
Batarya sabit bir akım ya da voltaj girişi sağlamamın yanı sıra akım ve
voltajın çok dikkatli kontrolünü gerektiren şarj işlemi basit bir operasyon
değildir. Bataryaya ait şarj ekipmanı batarya üreticisinden temin edilmelidir.
Aracın şarj edilmesi gereken ve uygun şarj ekipmanı bulunmayan farklı yerler
için hafif, taşınabilir bir batarya şarj cihazı alternatifi değerlendirilmelidir.
86
Fotoelektrik panellerin haricindeki durumlarda, bataryayı şarj etmek için
gerekli elektrik enerjisi alternatif akımlı (AC) enerji kaynağından gelecektir.
Bataryanın şarj olabilmesi için bu akımın doğrusal akıma (DC) çevrilmesi
gerekmektedir. Düzeltişmiş DC akımında çok az miktarda dalgalanmalar
olmak üzere düzgün bir akım olmalıdır. Çünkü DC akımındaki değişiklikler
akım voltajını, batarya voltajının altına düşürmekte, şarj işlemi
gerçekleşmemektedir ve “yüksek nokta” dalgalanmaları voltajda bataryaya
hasar verecek kadar artışa neden olabilmektedir. Yüksek DC akımlarında
düzgün doğrusal DC akımı sağlamak adaptörleri zorlamaktadır bu da yüksek
akım şarj cihazları için özel olarak dizayn edilmiş adaptör fiyatlarının oldukça
pahalı olmasına sebebiyet vermektedir.
Şarj işlemi ile ilgili bir diğer husus ise halka açık yerlerde ve araba park
yerlerinde şarj işlemi için olanaklar sağlanmasıdır. Avrupa’da bazı şehirlerde
ve ABD’de California’da çeşitli yerlerde şarj istasyonları kurulmuştur. Fakat
buradaki ortaya çıkan sorun elektrikli araç bataryaları herhangi bir elektrik
kaynağından şarj edilebilir olmasına rağmen şehir şebekesindeki elektrik
akımı için elektrikli araçlara yönelik herhangi bir standardizasyon çalışması
olmamasıdır.
Her elektrikli ve hibrit elektrikli araca yönelik özel olarak dizayn edilmiş bir
şarj cihazı kullanılmalıdır ve şarj işlemi araç enerji denetim sistemi ile kontrol
edilmelidir. Hangi batarya tipi ya da hangi şarj metodu kullanılırsa kullanılsın
bataryalarda şarj eşitlenmesi mutlaka yapılmalıdır.
3.4.6 Şarj Eşitlenmesi
Şarj eşitlenmesi ciddi bir hasarın önüne geçmek için tüm batarya tiplerinde
düzenli aralıklarla yapılan bir işlemdir.
Bataryadan akım çekildiğinde bataryadaki içindeki piller aynı miktarda şarj
kaybına uğramaması problem yaratmaktadır. Bu durum bataryadaki farklı
pillerin farklı self deşarj oranlarından kaynaklanmaktadır. Bunun nedeni ise
üretim varyasyonları ve bataryadaki pillerin tümü tan olarak aynı sıcaklıkta
olmadığı sıcaklık değişimleridir.
87
Eğer bataryadan nominal olarak %50 şarj çekildiğinde bazı piller %52 gibi
biraz daha fazla, bazı piller ise %60 gibi çok daha fazla şarj kaybediyorsa,
tekrar şarj işlemi gerçekleştiğinde şarj kayıpları fazla normal pillere göre fazla
olan piller tam olarak şarj olamayacakları için self deşarj eğilimi
göstereceklerdir. Çizelge 5.1’de bu durum şarj-deşarj döngüleri ile
gösterilmiştir.
Çizelge 3.3 Bataryadaki iki farklı pilin şarj durumları [15]
A pilinin sarj durumu B pilinin şarj durumu Sonuç
%100 %100 Tam dolu
%48 %40 %50 desarj
%98 %90 %50 sarj
%35 %19 %60 desarj
%85 %69 %50 kısmi tekrar sarj
%33 %9 %50 desarj
%83 %59 %50 kısmi desarj
%18 Şarj olmuyor Bararya boş %60 desarj
Pil A, düşük self deşarj oranlı; pil B ise daha yüksek self deşarj oranına
sahiptir. Pillerdeki bu farklılık üretim hataları ve sıcaklıkla ilişkilendirilebilir.
Piller ardı ardına şarj ve deşarj edilmiştir.
A pili, %20 ile %80 şarj durumu arasında döngüde şarj olmaktadır ki
mükemmel bir aralıktır. Buna rağmen pil B nin, her şarj işlemi boyunca şarj
seviyesi daha da düşmektedir ve sonuç olarak birkaç çevrimden sonra
hasara uğrayacaktır. Bu örnekte olduğu gibi batarya tamamen boşalırsa
voltaj hızlı bir şekilde düşecektir. Eğer bataryadan akım çekilmeye devam
edildiğinde önemli ölçüde tahrip görmüş bir pil, seri devreden ibaret
bataryanın tümünde hasara neden olacaktır. Bu durum bataryanın
zamanından önce işlevini yitirmesinin temel sebeplerindendir.
Bataryada böyle bir durumun oluşmasını engellemek için batarya, her pili tam
olarak şarj oluncaya kadar ( bu proses şarj eşitlenmesi olarak bilinir) düzenli
aralıklarla şarj edilmelidir. Pillerin çoğu şarj olduktan sonra self deşarja yatkın
88
pillerin tam olarak şarj olması için bataryaya akım beslenmeye devam
edilmelidir. Bu proses gerçekleşirken bazı pillerin aşırı şarj olması
kaçınılmazdır. Bu da piller için neden aşırı şarj durumunun üstesinden
gelebilmenin önemli olduğuna açıklık getirmektedir. Aşırı şarj durumunda
belirli bir akım mümkündür. Bu nedenle bütün pilleri tam dolu şarj durumuna
getirirken şarj işleminin son aşaması çok çabuk gerçekleşmemesi, tam dolu
hale yaklaşmışken şarj işleminin tamamlanmasının neden daha uzun zaman
sürdüğünün açıklamasıdır. Şekil 5.5’de bu proses gösterilmiştir. Çizelge
5.1’dan farklı olarak Şekil 5.5’de herhangi bir pil tam olarak deşarj olmadan
şarj eşitlemesi yapılarak batarya kurtarılmıştır.
Şekil 3.23 Bir bataryadaki periyodik şarj eşitlenmesi [15]
Üst çizgi(A), normal pillerin şarj durumlarını göstermektedir. Alt çizgi (B) ise
self deşarja yatkın pilleri göstermektedir. Şarj eşitlemesinde bir kısım pilleri
89
tam dolu şarj durumuna getirmek için diğer piller aşırı şarj olmaktadırlar ve
prosesin son bulması bu aşamada 12 birim zaman sürmektedir.
Hibrid elektrikli arabalarda, batarya aynı zamanda rejeneratif frenlemeden
gelen enerjiyi de absorbe edebilmesi için bataryanın tam olarak şarj edilmesi
arzulanan bir durum değildir. Fakat periyodik olarak batarya denetim sistemi
pillerin tümü %100 şarj durumunun eşitlemesi için bataryayı tam olarak şarj
etmelidir.
3.5 Elektrikli Araçlar İle İçten Yanmalı Motorlu Araçların Karşılaştırılması
Elektrikli araçlar için en önemli amaç; içten yanmalı motorlu araçlardaki
muadilleri ile kıyaslandığında geliştirme, üretim ve kullanım masrafları
arasındaki eşitsizliği gidermektir.
3.5.1 Fiyat
Elektrikli otomobillerin satın alma fiyatları sıradan içten yanmalı motorlu
otomobillerin fiyatlarından oldukça pahalıdır, hatta çeşitli ülkelerdeki elektrikli
otomobil için devlet teşviklerine rağmen durum değişmemektedir. Yüksek
fiyatın temel sebebi bataryalardır. Yüksek satın alma fiyatı petrollü
otomobillerden elektrikli otomobillere geçişi engellemektedir. 2010’da
Financial Times için Nielsen tarafından alınan bir ankete göre, Amerikan ve
İngiliz otomobil müşterilerinin dörtte üçü bir elektrikli otomobil almaya
istekliler fakat elektrikli otomobil için daha fazla para vermeyi reddediyorlar.
Anket sonuçları gösterdi ki Amerikalıların %65’i, İngilizlerin %76’sı sıradan bir
arabaya verilen bir ücretin üzerinde bir ücretle elektrikli otomobil almayı
istemediği ortaya çıktı. Ayrıca 2010 tarihli J.D. Power and Associates
tarafından hazırlanan raporda elektrikli otomobilin tüm kullanım süresi
boyunca bataryalara ait toplam sahip olma maliyeti konusunun tamamıyla
anlaşılır olmadığı belirtilmiştir, sıradan içten yanmalı motorlarla çalıştırılan
araçlarla kıyaslandığında yakıttaki masraf azalmalarını fark edebilmek için
sürücünün ne kadar bir müddet bir elektrikli otomobil kullanması gerektiği
hakkında hala çok karmaşa vardır. Hibrit elektrikli araçları, bataryalı elektrikli
90
araçların ikinci el satış fiyatları, hem de tükenmiş bataryaların değiştirilme
fiyatı, tüketicilerin zihninde bulunan diğer finansal sorunlardır.
Elektrikli otomobil şirketi Tesla Motors dizüstü batarya teknolojisini kendi
otomobil bataryaları için kullanmaktadır. Bu teknoloji diğer otomobil
üreticilerinin kullandığı özel bataryalardan 3 ile 4 kat daha ucuzdur. Özel
bataryalar kilovat saat başına 700-800 dolar fiyatı varken dizüstü bilgisayar
hücreleri 200 dolar civarındadır. Bu sayede Tesla’nın batarya teknolojisini
kullanan örneğin Toyota RAV4 EV ve Smart ED ve gelecek 2014 modelleri
Model X gibi elektrikli otomobil fiyatını düşünecektir. Haziran 2012 itibariyle,
Tesla Model S için önerilen üç tip batarya boyutu seçeneğine dayanarak,
New York Times otomobil bataryalarının kilovat saat başına 400 dolar ile 500
dolar arasında olacağını tahmin etti.
Harvard Üniversitesi Belfor Center tarafından 2011 yılında yayınlanan bir
çalışmada elde edilen bir bulgu elektrikli otomobil kullanımı ile petrol
masraflarından kurtulmanın, elektrikli otomobillerin yaşamı boyunca
süregelen yüksek masraflarından dolayı benzinli otomobiller ile
dengelenemediğini belirtti. Sonuçlar; devlet desteği olmadığı varsayımı ile,
ABD pazarı için 2010 satın alma ve kullanma masrafları ile bütün kullanım
ömürleri boyunca elde edilen değerlerin karşılaştırılması ile oluşmuştur.
Çalışma öngörülerine göre, bir PHEV-40 sıradan içten yanmalı motorlu
araçlara göre 5,377 dolar daha pahalı iken, bataryalı elektrikli otomobil ise
sıradan içten yanmalı motorlu araçlardan 4,819 dolar daha pahalıdır.
Çalışma ayrıca önümüzdeki 10 ve 20 yıllar için bu karşılaştırmalı fiyat
durumlarının, bataryaların ucuzlayacağı, petrolün pahalılaşacağı varsayımı
ile incelenmesini de içermektedir. Gelecek senaryoları değerlendirilerek
inceleme yapıldığında, çalışma bataryalı elektrikli otomobillerin sıradan
arabalardan az bir miktar pahalı olduğunu (1,155-7,187 dolara kadar),
bataryalı hibrit otomobillerin(PHEV) bütün karşılaştırma senaryolarında
bataryalı elektrikli otomobillerden(BEV) daha pahalı olacağını ve sadece
bataryaların çok ucuz, petrol fiyatlarının çok yüksek olduğu bir senaryoda
sıradan arabalardan daha ucuz olabileceğini ortaya çıkarmıştır. Tasarruflar
91
değişmektedir çünkü bataryalı elektrikli araçların yapılması basittir ve sıvı
yakıt kullanmazlar, bataryalı hibrit otomobiller ise çok fazla karışık güç
aktarma organına sahiptir ve hala petrolle çalışan bir motoru bulunmaktadır.
3.5.2 Kullanım Masrafları ve Bakım-Onarım
Elektrikli bir otomobilin çalışma masraflarının çoğu batarya bakımı ve olası
yerleşimiyle ilgilidir çünkü elektrikli bir aracın motorunda sadece beş hareketli
parça varken, benzinli bir aracın içten yanmalı motorunda yüzlerce parça
bulunur. Elektrikli otomobiller değiştirilmesi gereken pahalı bataryalara
sahiptirler fakat bunun dışında özellikle yaygın lityum tabanlı tasarımlarda
çok düşük bakım masrafları bulunmaktadır.
Elektrikli aracın kilometre başına masrafını hesaplamak için bataryada
meydana gelen yıpranmaya da parasal bir değer atanması bu yüzden
gereklidir. Bu oldukça zordur çünkü batarya her şarj edilişinde kapasitesi
yavaş yavaş azalacaktır; kullanıcısı bataryanın performansını yeterli
bulmadığı zaman ömrünün sonuna gelmiş olacaktır. Batarya ömrünün
sonuna gelmiş olsa bile tamamıyla değersiz değildir farklı bir kullanım için
yeniden değerlendirilebilir, geri dönüştürülebilir veya yedek olarak
kullanılabilir.
Bataryaların birçok tekil hücreden oluşmasından dolayı illa ki bütün
hücrelerde eşit düzeyde bir yıpranma meydana gelmeyebilir, periyodik olarak
en fazla yıpranan hücre değiştirilerek aracın menzili korunabilir.
Tesla Roadster’ın çok büyük bataryalarının sıradan bir sürüş ile yedi yıl
dayanması tahmin edilmektedir ve bugün satın alındığında 12000 dolara mal
olmaktadır. 40 mil(64 km)’lik günlük kullanım yedi yılda 102200 mil(164500
km) ile 1 mil(1.6 km)’de US$0.1174 batarya kullanım masrafına veya 40
mil(64 km)’de US$4.70’a denk gelmektedir. Bettter Place şirketi başka bir
masraf kıyaslaması sağlamaktadır, şirket tarafından sunulması için
sözleşmeden doğan mesuliyetlerin sağlanması beklenmektedir, hem de
bataryaların tekrar şarj edilmesi için temiz elektrik 1 mil(1.6 km)’de 2010
92
yılında 0.08 dolar, 2015 yılında mil başına 0.04 dolar ve 2020 yılında 0.02
dolar olacağını belirtmektedir. 40 millik bir sürüş başlangıçta 3.20 dolarken
zaman içerisinde 0.80 dolara düşecektir. 2010’da ABD hükümeti 100 mil(160
km) menzile sahip bir bataryanın yaklaşık 33000 dolara mal olacağını tahmin
etti. Bataryanın ömrü ve dayanıklılığı hakkındaki endişeler devam etmektedir.
Belgesel film “Who killed the electric car?” , benzinli bir araba ile EV1’ler
arasında kullanımları sonucu oluşan parça değişim ihtiyaçları hakkında
ustalar elektrikli arabaların her 5.000 mil(8.000 km)’de geldiğinde herhangi bir
problemle karşılaşamadıklarını, ön cam yıkama sıvısını doldurduklarını ve
geri gönderdiklerini belirtiyorlar.
EV1’in enerji kullanımı 11kWh/100 km (0.40 MJ/km; 0.18kWh/mil) dir. US
Environmental Protection Agency (ABD Çevre Koruma Ajansı)’ye göre
Nissan Leaf 100 km’de 21.25 kWh 0,765 MJ/km ; 0,3420 kWh/mil) enerji
kullanmaktadır. Bu farklılık değişik tasarım ve kullanım hedeflerinden ve
değişken test standartlarından kaynaklanmaktadır. Araçların gerçek enerji
kullanımı sürme şartları ve sürme sitili ile büyük ölçüde ilgilidir. Nissan, Leaf
modelinin beş yıllık kullanım masrafının 1,800 dolar benzinli bir aracın ise
6,000 dolar olacağını tahmin etmektedir. Nissan’a göre Leaf modelinin
İngiltere’deki kullanım masrafı, tepe değerinde olmayan elektrik
tarifesinde(gece tarifesi) şarj edildiğinde mil başına 1,75 pens’dir. Fakat
sıradan bir benzinli bir aracın mil başına masrafı 10 pens’dir. Bu tahminler
ocak 2012 itibariyle İngiliz Petrol Ekonomisi 7’nin ulusal ortalama değerleri ve
gece boyunca yedi saatlik bir şarj ve gündüz vakti Tier-2 tarifesinin bir saatlik
şarjı kullanıldığı varsayımlarına dayanmaktadır.
Aşağıdaki tablo US Environmental Protection Agency (ABD Çevre Koruma
Ajansı) tarafından belirlenen yakıt ödemelerini karşılaştırmaktadır. Ajansın
yakıt ekonomisi için(galon petrol mil başına(miles per gallon(mpg)) ve
elektrikli otomobillerdeki eşdeğeri) resmi değerleri, ABD’de seri üretimle
satılan elektrikli arabaları, Energy Protection Agency(ABD Çevresel Koruma
Ajansı) tarafından seçilmiş yakıt verimli elektrikli hibrit(Chevrolet Volt),
93
benzinli elektrikli hibrit arabalar(Toyota Prius üçüncü jenerasyon) ve EPA’nın
2013 model 23 mpg_us’lik(10L/100km; 28 mpg_imp) yakıt ekonomisine sahip
araçlar için değerlendirilmiştir.
Çizelge 3.4. Yakıt Verimliliği ve Masraf Kıyaslanması[31]
Aralık 2012 itibariyle ABD piyasasında bulunan bütün elektrikli otomobiller ile EPA değerlendirmeli en verimli prizli hibritler, hibrit elektrikli araçlar ve 2013
model benzinli otomobiller içinyakıt verimliliği ve masraf kıyaslaması
(Yakıt ekonomisi ve kullanım masrafları Monroney label de görüntülenmektedir.)
AraçModel
yılıKullanım
modu
EPA değerlendirmeli
Birleşikyakıt
ekonomisi
EPA değerlendirmeli
Şehir içiyakıt
ekonomisi
EPA değerlendirmeli
Otobanyakıt
ekonomisi
Sürüş masrafı40 km
Yıllıkyakıt
masrafıNotlar
Scion iQ EV
2013Tamamen
elektrik
121 mpg-e(28 kW-hrs/100
miles)
138 mpg-e(24 kW-hrs/100
miles)
105 mpg-e(32 kW-hrs/100
miles)$0.84 $500
Bakınız (1)Bütün yıllardaki yakıt tiplerideğerlendirildiğinde 2013 iQ EVEPA sertifikalı en verimli araçtır [57]
Honda Fit EV 2013
tamamen elektrik
118 mpg-e(29 kW-hrs/100
miles)
132 mpg-e(26 kW-hrs/100
miles)
105 mpg-e(32 kW-hrs/100
miles)$0.87 $500 Bakınız (1)
Mitsubishi i
2012-13
Tamamen elektrik
112 mpg-e(30 kW-hrs/100
miles)
126 mpg-e(27 kW-hrs/100
miles)
99 mpg-e(34 kW-hrs/100
miles)$0.90 $550 Bakınız (1)
Smart electric drive
2013Tamamen
elektrik
107 mpg-e(32 kW-hrs/100
miles)
122 mpg-e(28 kW-hrs/100
miles)
93 mpg-e(36 kW-hrs/100
miles)$0.96 $600
Bakınız (1)Değerlendirmeler hem dönüştürülmüş hem de coupe modelleriçin masraflardır.
Ford Focus Electric
2012-13
Tamamen elektrik
105 mpg-e(32 kW-hrs/100
miles)
110 mpg-e(31 kW-hrs/100
miles)
99 mpg-e(34 kW-hrs/100
miles)$0.96 $600 Bakınız (1)
BMW 2011
Tamamen 102 mpg-e
(33 kW-hrs/100 107 mpg-e 96 mpg-e $0.99 $600 Bakınız (1)
94
ActiveE elektrik miles)
Nissan Leaf
2010-12
Tamamen elektrik
99 mpg-e(34 kW-hrs/100
miles)
106 mpg-e(32 kW-hrs/100
miles)
92 mpg-e(37 kW-hrs/100
miles)$1.02 $600 Bakınız (1)
Tesla Model S 2013
Tamamen elektrik
95 mpg-e(35 kW-hrs/100
miles)94 mpg-e 97 mpg-e $1.05 $650
Bakınız (1)60kWh batarya paketli model
Tesla Model S
2012Tamamen
elektrik
89 mpg-e(38 kW-hrs/100
miles)
88 mpg-e(38 kW-hrs/100
miles)
90 mpg-e(37 kW-hrs/100
miles)$1.14 $700
Bakınız (1)85kWh batarya paketli model
Toyota RAV4 EV
2012 Tamamen elektrik
76 mpg-e(44 kW-hrs/100
miles)78 mpg-e 74 mpg-e $1.32 $850 Bakınız (1)
Coda2012-
13Tamamen
elektrik
73 mpg-e(46 kW-hrs/100
miles)
77 mpg-e(44 kW-hrs/100
miles)
68 mpg-e(50 kW-hrs/100
miles)$1.38 $850 Bakınız (1)
Chevrolet Volt(PHEV)
2013
Sadece elektrik
98 mpg-e(35 kW-hrs/100
miles)- - $1.05
$900
Bakınız (1) and (2)En yakıt verimli prizli hibrit araba.2013 Volt 62 mpg-e'lik birleşik birbenzin/elektrik değerlendirmesine sahiptir(City 63 mpg-e, Hwy 61 mpg-e).[57]
Sadece benzin 37 mpg 35 mpg 40 mpg $2.57
Toyota Prius(HEV)
2010-13
Benzin-elektrikhibrit
50 mpg 51 mpg 48 mpg $1.74 $1,050
Bakınız (2)En yakıt verimli hibrit elektrik araba,Prius c ile birlikte.[72]
Ford Taurus FWD(Ortalama yeni araba)
2013Sadece benzin
23 mpg 19 mpg 29 mpg $3.79 $2,300
Bakınız (2)Diğer 2013 modeller(Chrysler 200'ü veToyota Venza'yı da içerir) 23 mpg'yi sağlarlar.[73]
Notlar:Bütün yakıt masrafları 15,000 mil yıllık sürüşe(%45 otoban, %55 şehir içi) dayanarak çıkarılmıştır.$50 civarındaki değerler yuvarlanmıştır. Elektrik masrafı $0.12/kw-hr (kasım, 30 2012 itibariyle). 1 galon benzinin
95
dönüştürülmüşü=33.7 kW-hr.(2) Kaliteli benzin fiyatıABD$3,81 galon başına (Volt tarafından kullanılan), ve düzenli benzin fiyatı ABD$3,49 galon başına (Kasım 30, 2012 itibariyle).
3.5.3 Menzil Ve Tekrar Depolama Süresi
İçten yanmalı motorlu araçların çoğu sınırsız menzile sahip olduğu
değerlendirmesi yapılır ve çok kısa bir sürede neredeyse çok yaygın bir
şekilde bulunan benzin istasyonlarından depolarını doldururlar. Elektrikli
araçlar tek şarj ile daha az bir menzile sahiptir ve şarj süresi uzun bir zaman
alabilmektedir. ABD’de şoförler günlük ortalama 40 mil(64 km)’den az bir
mesafe kat etmektedir böylece GM EV1 modeli ABD vatandaşlarının
%90’ının sürüş ihtiyaçlarına uygundur. Bununla birlikte, insanlar hedeflerine
varamadan bataryalarının biteceği endişesini yaşayabilirler.
Tesla Roadster şarj başına 245 mil(394 km) gidebilmektedir. Roadster 3,5
saat gibi bir sürede 220V, 70A ‘lik bir prizde şarj olabilmektedir. Bununla
birlikte, Avrupa standartlarında 220 volt 16 amper bir prizden şarj olması 15
saatten fazla sürmektedir.
Otomobil üreticilerinin elektrikli araçların kısa menzilini uzatmak için tek bir
çözümü vardır o da araçların bataryalarını değiştirilebilir şekilde yapmalarıdır.
Batarya değiştirme teknolojisine sahip bir elektrikli araç 100 mil(160 km)’lik
bir sürüş menzili ile batarya değiştirme istasyonuna gidebilecektir ve
tükenmiş batarya tam dolu batarya ile 1 dakikada değiştirilerek elektrikli
araca 100 mil(160 km)’lik bir sürüş menzili sağlayacaktır. Bu işlem benzinli
araçlardaki depo doldurma işleminden daha temiz ve daha hızlıdır. Fakat
yüksek yatırım maliyeti yüzünden ekonomik olarak uygulanabilir değildir.
2010 sonu itibariyle batarya değiştirme teknolojisini elektrikli araçları ile
entegre etmeyi planlayan iki şirket vardır: Better Place, Tesla Motors. Better
Place Japonya’da 2010 Kasım’a kadar batarya değiştirme istasyonu işletti ve
ABD, Kaliforniya’da dört adet batarya değiştirme istasyonu kurmayı
planlamaktadır.
96
Bir diğer depolama yöntemi doğru akım hızlı şarj istasyonları, üç fazlı
endüstriyel prizlerden yüksek hızlı şarj yeteneği ile tüketiciler 100 millik
bataryanın %80’ini 30 dakika gibi bir sürede şarj edebilmektedir. ABD’de
bütün ülkeyi kapsayan hızlı şarj altyapısı 2013’de tamamlanacaktır. 45 adet
doğru akım hızlı şarj istasyonu BP ve ARCO tesislerinde kurulacak, 2011
Marta kadar hizmete açılacak. Elektrikli araç projesi on altı şehirde şarj
altyapısı yerleştirecek ve altı eyaletteki büyük metropol şehirlere
yerleştirilecek. Nissan Japonya’daki bayilerinden iki yüz tanesinin hızlı şarj
istasyonu kuracağını duyurdu, bu hazırlık Aralık 2010’da piyasaya çıkacak
olan Leaf modeli içindi ve Japonya’da her 25 milde bir hızlı şarj istasyonu
kurmayı amaçlamışlardı.
3.5.4 Hava Kirliliği ve Karbon Emisyonu
Elektrikli otomobiller şehirlerde temiz havaya katkıda bulunur çünkü zararlı bir
atık üretmezler; is(partiküller), uçucu organik bileşikler, hidrokarbonlar,
karbon monoksit, ozon, kurşun ve çeşitli nitrojen oksitleri gibi. Temiz hava
genelde yereldir çünkü bataryayı tekrar şarj etmek için kullanılan elektrik
kaynağına bağlıdır, hava kirliliği emisyonları üretim santrallerinin olduğu yere
kaymaktadır. Salınan karbon dioksit miktarı, aracı şarj etmek için kullanılan
güç kaynağının emisyon yoğunluğuna bağlıdır, araç bazında
düşünüldüğünde söz konusu aracın verimliliği ve şarj işlemi sırasında kayıp
olan enerjiye bağlıdır.
Şebeke elektriği için emisyon yoğunluğu ülkeden ülkeye değişmektedir, ve bir
ülke değerlendirildiğinde talebe göre, yenilenebilir enerji kaynaklarının
uygunluğuna göre ve fosil yakıtların üretimde verimliliğine göre
değişmektedir. Şebekeden bağımsız yenilenebilir enerji ile aracın şarj
edilmesi çok düşük bir karbon yoğunluğuna sebep olmaktadır. (sadece
üretim ve şebeke bağımsız üretim sistemlerinin kurulumu örneğin konutlara
ait rüzgâr türbinleri)
ABD elektriğinden 2008’de şarj olan bir elektrikli araç sürüldüğü kilometre
başına 115 gram CO2 yaymaktadır. Oysa ABD piyasasında satılan sıradan
97
bir petrol arabası kilometre başına 250 gram CO2 üretmektedir, bunun bir
kısmı yakıtın üretilmesi bir kısmı da bu yakıtın alınan yere olan sevkiyatından
kaynaklanmaktadır.
Şekil 3.24 Elektrik Enerjisi Üretim Dağılımı
UCS(Union of Concerned Scientists) 2012’de prize takılan otomobil
bataryalarının bütün yaşam döngüleri enerji üretiminden yola (well to wheel)
değerlendirilerek şarj edilmesinden meydana gelen sera gazı emisyonunu ve
ABD’de bölgesel olarak elektrik üretiminde kullanılan yakıt ve teknolojiye
göre farklılık gösteren ortalama sera gazı emisyonunu değerlendiren bir rapor
yayınlamıştır. Bu çalışma Nissan Leaf tamamen elektrik otomobillerin
analizinin başlangıç noktasını oluşturmuştur. UCS çalışması sıradan yıllık
karbondioksit gram biriminden emisyonu yerine galon başına mil cinsinden
yapılmıştır. Çalışma elektriğin üretildiği doğalgaz, nükleer, hidroelektrik veya
diğer yenilenebilir kaynakların bulunduğu bölgelerde prize takılan elektrikli
otomobillerin sera gazı emisyonunu önemli ölçüde düşürme potansiyeli
98
olduğunu ortaya koydu. Diğer taraftan, kömürden üretilen güç oranının
yüksek olduğu bölgelerde, hibrit elektrikli otomobiller, prize takılan elektrikli
otomobillerden daha az CO2 emisyonu üretir, ve en iyi yakıt verimli benzinli
küçük otomobiller prize takılan otomobillerden biraz az bir emisyon üretir. En
kötü durum senaryosunda, bütün enerjinin kömürden üretildiği bir bölge için,
yapılan çalışma prize takılan elektrikli bir arabanın, benzinli bir arabanın
şehir/otobandaki birleşik yakıt ekonomisi olan 30 mpg_us’ye denk bir sera
gazı emisyonu yaydığını ortaya koydu. (7.8 L/100 km; 36 mpg_imp). Aksine,
tamamen doğalgaza dayanan bir bölgede, elektrikli otomobiller 50 mpg_us’lik
değerli benzinli otomobillere eşdeğerdir.(4.7L/100 km; 60 mpg_imp)[96][97]
ABD nüfusunun %45’ini kapsayan bir çalışma, elektrikli bir araba için, 50
mpg_us birleştirilmiş yakıt ekonomisi kapasiteli benzinli bir arabanın örneğin
Toyota Prius’tan daha az CO2 emisyonu üretmekte olduğunu gösterdi. Bu
gruptaki şehirler Portland, Oregon, San Francisco, Los Angeles, New York
City ve Salt Lake City ve en temiz şehirlerde well to wheel emisyonu eşdeğeri
79 mpg_us’lik yakıt ekonomisini başarmışlar.(3.0L/100 km; 95 mpg_imp).
Çalışma ayrıca şunu ortaya koydu, nüfusun %37’si için, elektrikli otomobil
emisyonu örneğin Honda Civic Hibrit ve Lexus CT200h’da olduğu gibi 41 ile
50 mpg_us aralığında bulunan birleşik yakıt ekonomili benzinli otomobillerin
olduğu aralığa düşecektir. Bu gruptaki şehirler Phoenix, Arizona, Houston,
Miami, Columbus, Ohio, Atlanta ve Georgia’dır. Nüfusun %18’i karbon
yakmaya dayalı güç kaynaklarının olduğu bölgelerde yaşamaktadır ve
birleşik yakıt ekonomisi 31 ile 40 mpg_us örneğin Chevrolet Cruze ve Ford
Focus gibi emisyonlar bu seviyede olacaktır. Bu gruptaki şehirler Denver,
Minneapolis, Saint Louis, Missouri, Detroit ve Oklohama City’dir.[97][98][99]
Çalışma bulgularına göre ABD’deki bütün bölgelerde elektrikli otomobiller
yeni kompakt benzin motorlu otomobillerden daha az sera gazı emisyonu
yaymaktadırlar, en kötü CO2 emisyonunun olduğu bölgede 33 mpg_us
değerli benzinli otomobillere eşdeğer(7.1L/100 km; 40 mpg_imp) bir
emisyona sahiptirler.
99
Türkiye'de 1990-2009 Ulusal Sera gazı Envanter raporunda, ulaştırma
sektörü toplam karbon emisyonunun %17'sinin kaynağıdır, ulaştırma sektörü
içerisinde karayolu tipi %84.74'e denk gelmektedir. Ülkemizde satışı yapılan
Renault Fluence Z.E. modelinin ortalama yakıt tüketimi 13,9kWh/100 km'dir.
Türkiye'nin kaynaklara göre ortalama birim enerji emisyonu 0,53426
kgCO2/kWh ile Avrupa ortalamasının (0,8 kgCO2/kWh) altındadır.
3.5.5 Hızlanma ve Aktarım Organı
Elektrik motorları yüksek güç/ağırlık oranı sağlayabilirler ve bu motorları
destekleyen yüksek akımlar sağlayan bataryalar tasarlayabilirler.
Gerçi bazı elektrikli otomobiller çok küçük motorlara sahiptirler, 15 kW(20
beygir) veya daha az ve bu yüzden mütevazı bir ivmelenmeye sahiptir, çoğu
elektrikli otomobil büyük motorlara ve çevik ivmelenmeye sahiptirler. Ek
olarak, diğerlerine nazaran elektrik motorunun sabit torku hatta çok düşük
hızlarda bile aynı değerlendirilmiş(nominal) motor güçlü içten yanmalı motora
nazaran elektrikli otomobilin ivmelenme performansı artış eğilimindedir. Diğer
erken çözümlerden biri American Motors’un deneysel Amitron
pickaback(piggyback) batarya sistemleri, bu batarya sistemlerinde bir kısım
sürdüren(devam ettiren) hızlar için, diğer kısım ise gerektiğinde ivmelenmeyi
artırmak için kullanılır.
Elektrikli otomobiller kullanılabilir güç miktarını artıran doğrudan motor
tekerlek konfigürasyonu kullanılabilir. Tekerleklere doğrudan bağlı çok sayıda
motor olması tekerleklerin her biri için hem tahrik hem de fren sistemlerinde
kullanılmasına izin verir, dolayısıyla çekiş gücü artar. Bazı durumlarda,
örneğin whispering wheel tasarımında, motor doğrudan tekerin içine
yerleştirilebilir, bu sayede otomobilin ağırlık merkezi düşer ve hareketli parça
sayısı azalır. Şaft, diferansiyel veya transmisyon olmadığı için elektrikli
otomobiller daha az aktarım organına ve dönel eylemsizliğe sahiptir.
Tekerleğin içerisinde motorun yerleştirilmesi tekerleğin yaysız ağırlığını
artırabilir, bu durum aracın kontrolü üzerinde ters bir etki yaratabilir.
100
Otomatik veya tek vitesli tasarımlar vites değiştirme gereksinimini ortadan
kaldırdı, bu sayede daha pürüzsüz ivmelenme ve fren sağlanır. Bir elektrik
motorunun torkunun akımın fonksiyonu olması, dönel hızın olmaması
sebebiyle içten yanmalı motorlu araçlarla karşılaştırıldığında elektrikli araçlar
ivmelenme esnasında daha büyük bir hız aralığında yüksek torka sahiptir.
Elektrikli bir araçta tork oluşurken herhangi bir gecikme olmaması elektrikli
araç sürücülerinde yüksek bir memnuniyeti oluşturdu. Otomatik vites tasarımı
en az karmaşık olandır, fakat yüksek ivmelenme motordan yüksek tork getirir,
yüksek torkta yüksek akım gerektirir ve sonuç olarak joule ısınma oluşur.
Bunun sebebi; motorun dâhili elektrik tesisatı dirence sahiptir, ohm yasasına
göre akım geçtiği zaman ısı olarak güç harcanır. Elektrik motorlarının torku
dönel hızına bağlı olmadığından, motorun çıkış gücü tork ile dönel hızın
çarpılmasıdır, bu da demektir ki motor yavaş döndüğü zaman çıkış gücüyle
orantılı olarak daha fazla güç harcanır. Aslında, aktarma organları araç yavaş
hareket ederken daha az verimli hale gelirler.
Tek vites tasarımında, bu problem motorun tekerden daha hızlı dönmesine
izin veren bir vites oranı kullanarak hafifletilir, bu işlem motorun düşük tork ve
yüksek dönel hızını tekerin yüksek torku ve düşük dönel hızına çevirir, bu
sayede eşit veya daha iyi ivmelenme verimlilik azaltılmadan sağlanmış olur.
Bununla birlikte, motorun çalışabileceği bir tepe hızı olduğu için vites
değiştirme (takas:tradeoff) aracın tepe hızını düşürür. Eğer yüksek bir tepe
hızı isteniyorsa, vites değiştirme ivmelenmeyi düşürür ve düşük hızlarda
verimliliği azaltır.
Çoklu hız aktarım kullanımı aracın hem yüksek hem de düşük hızlarda
verimli kullanılmasına izin verir, fakat daha karmaşık ve masraflıdır.
Örneğin, Venturi Fetish Süper Araba ivmelenmesi sunarak 220 kW(295
hp)’lık göreceli tutarlılığa rağmen ve 160 km/sa (100 mph)’lik bir tepe hızına
sahiptir. Bazı DC motorlu kısa mesafe yarışı için kullanılan elektrikli araçlar,
basit iki hızlı manuel aktarmaya sahiptir. Tesla Roadster 2.5 Sport 0 dan 60
101
mil/sa(97 km/sa) hıza 215 kW(288 hp’lik) bir motor ile 3.7 saniyede
ivmelenebilmektedir.
Ayrıca Wrightspeed X1 prototipi Wrightspeed Inc. Tarafından geliştirilmiştir
ve dünyanın en hızlı yasal elektrikli arabasıdır. 0 dan 60 mil/saniye hıza 2.9
saniyede çıkabilmektedir, dünyanın en hızlı bazı spor arabalarını geride
bırakmıştır.
3.5.6 Enerji Verimliliği
İçten yanmalı motorlar nispeten yerleşik yakıt enerjisini itme gücüne
dönüştürürken verimsizdirler, enerjinin çoğu ısı olarak harcanmaktadır. Diğer
taraftan, elektrikli motorlar depolanmış enerjiyi aracı sürme gücüne
dönüştürürken çok daha verimlidir ve elektrik tahrikli araçlar hareketsizken
veya kendi kendine giderken enerji harcamazlar ve kaybedilen enerjinin bir
kısmı, frenin tutması sırasında bir miktar enerji kaybedilir ve yeniden üretimli
frenleme sayesinde yeniden kullanılır, yeniden üretimli frenleme, frenleme
esnasında kaybedilen enerjinin beşte biri kadarını tutar. Tipik olarak, sıradan
benzinli motorlar aracı hareket ettirmek için veya güç aksesuarları için yakıt
enerjisinin sadece %15’ini etkin bir şekilde kullanır. Dizel motorlar %20’lik bir
verimliliğe sahipken, elektrik motorlu araçlar %80 civarı bir verimliliğe sahiptir.
Elektrikli arabaların üretimi ve dönüşümü tipik olarak 10 ila 23 kwh/100 km
dir. Güç tüketiminin yaklaşık %20’si bataryaların şarj edilmesindeki
verimsizliklerden kaynaklanmaktadır. Tesla Motors aracın verimliliği(şarj
durumundaki kayıpları da içerir) onların lityum iyonlu bataryalar 12.7 kwh/100
km(0.21 kwh/mi) ve kuyudan tekere verimlilik(elektriğin doğalgazdan üretildiği
varsayımıyla) 24.4 kwh/100 km(0.39 kwh/mi).
102
3.5.7 Güvenlik
Bataryalı elektrikli araçların güvenlik meselelerine uluslararası standart olan
ISO 6469 ile değinilmektedir. Bu doküman özel meselelerle ilgilenen üç
kısımdan oluşur:
• Yerleşik elektrik enerjisi depolama, örneğin batarya
• Fonksiyonel güvenlik araçları ve hatalara karşı koruma
• Elektrik kazalarına karşı insanların korunması
ABD’de General Motors itfaiyeciler ve ilk yardımcılar için çeşitli şehirlerde
eğitim programları düzenledi ve Chevrolet Volt’un aktarma organlarının ve
yüksek voltaj komponentleri kontrol eden 12 volt elektrik sisteminin güvenli
bir şekilde ayrılması için görev dizilerini gösterdi sonra kazazedelerin
tahliyesine geçildi. Volt’un yüksek gerilim sistemi, hava yastığının açılması
sonucu otomatik olarak kapatılacak şekilde tasarlanmıştır ve kontrol
modülünden herhangi bir iletişim kaybı tespit edildiğinde de kapanır. GM
ayrıca 2011 Volt’ta acil durum müdahalecileri için acil durum müdahale
rehberi hazırlamıştır. Rehber ayrıca yüksek gerilim sisteminin ayırma
yöntemlerini belirtir ve “cut zone” bilgisini belirler. Nissan’da ilk yardımcılar
için bir rehber yayınladı, Nissan Leaf modelinin bir kazası esnasında hasarlı
bu araca müdahale prosedürlerini açıklamaktadır. Bu rehber arabanın
güvenlik sisteminin yerleşik otomatik işlemlerinden ziyade manüel olarak
yüksek gerilim sisteminin kapatılmasını içermektedir. Ağustos 2012 itibariyle,
ABD’de Volt, Leaf veya Tesla Roadster markalarıyla ilgili bir kaza sonrası
yangına rapor edilmiş değildir.
Elektrikli aracın menzili ve dayanıklılığını artırmak için ağırlığının olabildiğince
düşük tutulması yönünde büyük çabalar vardır. Bununla birlikte, ağırlık ve
batarya kümeleri elektrikli araçları, benzinli araçlardan daha ağır
yapmaktadır, menzili düşürmekte, fren mesafesini uzatmakta; ayrıca daha az
iç hacme neden olmaktadır. Bununla birlikte, bir çarpışmada, ağır araçtaki
yolcuların kaza durumu ortalama olarak daha az hasar ve daha önemsiz
103
yaralar, hafif araçtaki yolcular ise daha ciddi hasarlar görmektedir. Bu yüzden
ek ağırlık aracın performansına negatif bir etki olsa bile güvenlik açısından
fayda sağlamaktadır. 900 kg’lık bir aracın yaptığı kazada 1400 kg’lık aracın
yaptığı kazaya oranla yolcularda ortalama %50 daha fazla sakatlık
olmaktadır. Tek araçlı kazada ve iki araçlı kazalarda diğer araç için arttırılmış
ağırlık hızlanmada artışa sebep olmakta ve bundan dolayı kazanın şiddetinde
artış olmaktadır. Bazı elektrikli arabalar düşük sürtme kuvvetli yuvarlanma
dirençli tekerlek lastiği kullanır, tipik olarak normal lastiklere göre daha az
hakim olma (sıkı tutma) sağlar. Çoğu elektrikli araba küçük, hafif ve kırılgan
bir gövdeye sahiptir, gerçi, bu yüzden yetersiz güvenlik koruması sunar.
ABD’de Insurance Institute for Highway Safety(IIHS) kamuya açık yollarda
elektrik motoru ile sürülen, yakın çevre elektrikli araçlara atıfta bulunarak,
düşük hızlı araçların ve mini kamyonların kullanımını ayıplamıştır.
3.5.8 Kontrollerdeki Farklılıklar
Şimdilik bütün elektrikli araç üreticileri sürüş deneyimini sıradan otomatik
transmisyonlu şoförlerin daha alışık olduğu şekilde benzetmek için en iyisini
yapmaktadırlar. Modellerin çoğu bu yüzden bir PRNDL seçici, otomatik
transmisyonlu arabalarda genellikle bulunur, temelindeki mekanik
farklılıklarda bulunmaktadır. Basmalı butonlar, kullanım açısından en
kolaydır, bütün modlar yazılım vasıtasıyla aracın kontrollerinde
işletilmektedir.
Motor tekerleklere kalıcı bir şekilde bağlanmış olsa bile sabit oranlı bir vites
vasıtasıyla ve park etmeme mandalı tarafından sunulan hala seçici üzerinde
sağlanan P ve N modları vardır. Bu durumda, N’de motor geçersiz olur ve
elektriksel olarak işletilen el freni P modunu sağlar.
Bazı arabalarda motor D’de küçük bir hareket için yavaş bir dönüş yapar,
sıradan otomatiğe benzer.
Ayak ICE’nin hızlandırıcısından kaldırıldığı zaman, motor freni arabanın
yavaşlamasına neden olur. Elektrikli bir araç şu koşullar altında enerjisiz
104
ilerleyebilir, ve hafif yenileyici freni uygulamak daha alışılmış bir karşılık
sağlamak yerine L modu seçilerek aralıksız yokuş aşağı sürüş için bu etki
artırılabilir, düşük bir vites seçmeye benzer bir süreçtir.
Kabin Isıtma ve Soğutma;
Elektrikli araçlar aracın içini ısıtmak için çok az atık olarak ısı ve direnç
elektrik ısısı üretirler, kullanılabilecek eğer ısı batarya
şarjından/boşalmasından üretilecekse içeriyi ısıtmak için kullanılamaz. Isıtma
basitçe elektrik direnç ısıtıcısı ile sağlanabilirken, yüksek verimlilik ve
tamamlayıcı soğutma tersine çalışan bir ısı pompasından elde edilebilir(hibrit
Toyota Prius ‘larda şu anda işletilen sistemlerdir). Pozitif Sıcaklık
Katsayısı(PTC) kavşak soğutma basitliği sebebiyle ilgi çekicidir. Bu tür bir
sistem örneğin Tesla Roadster’lerde kullanılmaktadır.
Bazı elektrikli arabalar, örneğin Citroen Berlingo Electrique, yardımcı bir
ısıtma sistemi kullanır(örneğin benzinli üniteler Webasto veya Eberspacter
tarafından üretilirler) fakat yeşil ve sıfır emisyon güven belgesi bu yüzden
feda edilmiştir. Kabin soğutması güneş enerjisi ile artırılabilir, en basit şekilde
ve etkin olarak dış havayı araç kapalı ve güneş halinde artacak aşırı ısınmayı
engeller(bu tür soğutma mekanizmaları sıradan araçlar için satış sonrası
kitleri olarak bulunmaktadır). 2010 Toyota Prius’un iki modeli bu özelliği bir
opsiyon olarak bulundururlar.
105
4. MATERYAL METOD
Tasarımı yapılan elektrikli taşıtın imalatı, tasarımı ve testleri Gazi
Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği bölümü atölye ve
laboratuarlarında yapılmıştır. Tasarım aşamasında çizimler solidworks,
mukavemet hesapları ve analiz için ansys programı kullanılmıştır. Motor,
sürücü, lastik tekerlekler ve fren donanımının dışındaki bütün parçalar ham
maddelerin işlenmesi ile tarafımızdan imal edilmiştir.
4.1 Elektrikli Aracın Tasarımı
Tasarım işlemi solidworks programında yapılmıştır. Tasarlanan araç 3
tekerlekli arkadan tahrikli bir araçtır. Tek sürücü ve iki yolcu kapasiteli
düşünülmektedir. Direksiyon sistemi tamamen mekaniktir.
Şase kısmı alüminyum dikdörtgen profilden tasarlanmıştır. Bağlantı
kısımları demir u profiller ile güçlendirilmiştir. (2500x800x600) ebatlarında
profiller alüminyum kaynak tasarlanmıştır. Direksiyon sistemi mekanik olarak
direk dönüş açısı verecek şekilde oluşturulmuştur. Ön düzen sistemi bütün
ön düzen açıları ayarlanabilecek şekilde serbest süspansiyon sistem
özellikleri taşımaktadır.
İstenilen özellikler solidworks programında 3 boyutlu olarak
tasarlanmış parçaların mekanik çalışmaları ve ebatları tayin edilmiştir.
Seçilen parçaların ansys programında dayanım analizleri yapıldıktan sonra
çap ve ebadında optimum değeri tespit edilmiştir.
Araç 3 tekerlekli arka teker hub motor ve tahrik tekeridir. Arka kısma
bataryalar yerleştirilmiştir. Bataryaların üzerine 2 kişilik yolcu koltuğu
konulmuştur. Ön düzen sisteminde yapılan sistem kamber kaster tüm ön
düzen açıları ayarlanabilir bir sistem tasarlanmıştır. Aracın kaporta kısmı
polikarbon ile tasarlanmıştır.
106
Resim 4.1 Bilgisayar Destekli Şasi Tasarımı
Resim 4.2 Bilgisayar Destekli Gövde Tasarımı
107
4.2 Dayanım Analizleri
Tasarlanan aracın ön düzen parçalarının dayanım analizleri ANYSY
10.0 ile yapılmıştır. Yapılan analizlerde farklı malzemeler kullanılmış çıkan
sonuçlara göre malzeme seçimi yapılmıştır.
İlk olarak SolidWorks programında tasarlanan parça .sat uzantılı
olarak kaydedilir ve Ansys programına import edilir.
Resim 4.3 .sat uzantılı dosya import
Sonrasında yapılacak olan analiz türü seçilir. Dayanım analizi
yapılacağı için structural ikonu seçilir.
108
Resim 4.4 Dayanım Analizi
Daha sonra alanları böleceğimiz sonlu elemanın tipini seçeriz.
Resim 4.5 Sonlu Elemanlar Tipi
109
Dökme demir için elastikiyet modülü değerleri girilmiştir.
Resim 4.6 Dökme Demir Elastikiyet Modül
Daha sonra mesh işlemi için uygun değerler girilir ve parça mesh edilir.
Resim 4.7 Mesh İşlemi
110
Resim 4.8 Mesh
Sonra ki adım da parçanın dayanma( sabit ) yüzeyleri seçilir.
Resim 4.9 Dayanma Yüzeyi
111
Bu adımda parçaya gelecek olan kuvvetin etkilediği alan seçilmiştir. Bu
kuvvet hesaplanırken bu parçaya gelebilecek maksimum yük tahmin edilmiş
ve yüzey alanına bölünerek basınç değeri olarak girilmiştir.
Resim 4.10 Kuvvetin Uygulama Yüzeyi
Resim 4.11 Yük Miktarı
112
Daha sonra programın çözüm yapması beklenmiştir.
Resim 4.12. Çözüm İşlemi
Resim 4.13. Çözüm İşlemi
113
Çözümleme bittikten sonra parçanın analizini görmek için aşağıda ki işlemler
yapılır.
Resim 4.14 Sonuç Gösterim Biçimi
114
Resim 4.15. 1. Parça Analiz Sonucu
Yapılan analiz sonucu yukarıda ki resimde gösterilmiştir.Resimde de
görüldüğü üzere gerilme sonucu kritik bölgeye ulaşmamış ve parça sağlam
kalmıştır.
115
Aynı parça 7000 serisi alüminyum kullanılarak bir daha analiz yapılmıştır.
Aynı kuvvet değerleri girilmiş elastikiyet modülü olarak 7000 serisi alüminyum
değerleri girilmiştir. 7000 serisi alüminyumda uygulanan kuvvette
mukavvemet sağlamıştır. Fakat daha az maliyetli olduğu için tasarlanan
araçta dökme demir kullanılmıştır.
Resim 4.16 2. Parça Analiz Sonucu
116
Ön düzende kullanılan başka bir parçanın daha analizi yapılmıştır. Bu
malzeme de dökme demir seçilmiştir ve uygun yük değerleri girilmiştir. Analiz
sonucun da bu parçanın da bu yüklere dayandığı görülmüştür.
Resim 4.17 3. Parça Analiz Sonucu
4.3. İmalat
İlk olarak şasi imalatı ile başlanmıştır. Tam boy alınan profiller uygun
ölçülerde kesilip kaynatılmıştır. Daha sonra uygun bağlantı yerlerine u demir
profiller yerleştirilmiştir. Bağlantı yapılacak yerlere uygun çapta delikler
delinmiştir. Daha sonra ön düzen sistemi için tasarlanan parçalar imalat
tezgehları kullanılarak üretilip şase üzerine montajı yapılmıştır. Direksiyon
sistemi imalatı için tasarlanan hilal parça el işçiliği ile gerekli ekipmanlar
kullanılarak yapılmış ve mil bağlantıları ve yatakların kaynatılması ve imalatı
117
yapılmıştır. Arka teker bağlantısı için yapılan kollar tasarlanan süspansiyon
ile birleştirilmiştir.
Mekanik olarak üretimi biten aracın fren bağlantıları yapılmıştır. Çıkma
bir fren merkezi kullanılmıştır. 4 çıkışlı merkezin biri kapalı biri arka tekere
diğer iki çıkış ise ön tekerlere gitmektedir. Fren testleri yapılmıştır ve uygun
olduğu görülmüştür.
Elektrik aksamın kurulumu motor data sheetindeki bağlantıları dikkat
alınarak yapılmıştır. Aracın motor sürücüsü artı kutuptan sigorta yolu ile
aküye bağlıdır. Elektrik motoru 60V ile sürüldüğünden 5 adet 12V 90Ah
kurşun asit bataryanın seri bağlanması ile 60V 90Ah batarya grubu
oluşturulmuştur. Pedal ve motor soketleri motor sürücüsüne bağlanmıştır.
Sürücü iki açma kapama düğmesine bağlıdır. Birincisi sürücüye güç veren
düğme ikincisi ise ileri geri yönlendirmeyi sağlayan düğmedir. Araç ileri geri
hareketi elektrik akımının yönünü değiştirerek yapıldığı için ileri gittiği hızla
geri de gidebilmektedir. Ayrıca yan elektrik sistemlerde bir aküden gerilim
alınarak yapılmıştır. Bu sistemler korna ve fren lambasıdır.
Aracın kaporta kısmı polikarbon ile yapılmıştır. Bu malzemenin
seçilme amacı hem hafif hem de ucuz olmasıdır.bilgisayar ortamında
tasarlanan gövde parçaları kalıp polikarbon üzerine çizilerek kesilmiştir. Daha
sonra montaj işlemi şase üzerine perçin ile tutturularak yapılmıştır. Daha
sonra dış kaplama tasarlanıp araç üzerine giydirme tekniği uygulanarak araç
üretimi tamamlanmıştır.
118
Resim 4.18. Araç blok diyagramı
Resim 4.19. Araç son hali
119
4.4 Baratya Deşarj Testi
Tez kapsamında imal edilen aracın yol testleri yapılmıştır. 5 adet
12V'luk kurşun asit batarya bulunan aracın sabit hızda batarya deşarj testi
yapılmıştır. Test için araca bir ampermetre ve voltmetre bağlanmıştır. Testler
Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliğinde bulunan taşıt
test laboratuarındaki şasi dinamometre kullanılarak yapılmıştır. Dinamometre
tamburlarına araç çıkartılmıştır. Dinamometrenin yükü belirlenirken aracın
normal sürüş sırasında çektiği akım değeri dikkate alınmıştır.
Araç normal sürüş sırasında 30-35 A civarında akım çekmektedir.
Dinamometreye ilk önce 10N kuvvet verilmiştir fakat ampermetrede okunan
değer 50A olmuştur. Normal sürüş şartlarına göre amper değeri çok yüksek
olduğu için dinamometreye girilen kuvvet düşürülmüştür. Sırayla 8N, 5N ve
3N değerler verilmiş ve ampermetreden sırasıyla 46A, 40A ve 33A olmuştur.
Okunan değerlerden normal sürüş karakteristiklerine en uygun 3N kuvveti
seçilmiştir.
İmal edilmiş olan aracın maksimum hızı 65 km/h olduğu tespit
edilmiştir. Bu nedenle 50 km/h sabit hız testler için uygun görülmüştür. Bu
hızda araç sabit tutulmaya çalışılmıştır. Araç toplam 80 dk kullanılmıştır ve 3
dk aralıklarla voltmetreden değerler okunmuştur. Okunan değerler aşağıdaki
tabloda verilmiştir.
Çizelge 4.1. Deşarj Gerilim-Zaman Değerleri
Zaman(dk) Gerilim(V)
3 59,2
6 59,1
9 59,1
12 59
15 58,9
18 58,8
21 58,7
120
24 58,6
27 58,4
30 58,3
33 58,2
36 58,2
39 58
42 57,8
45 57,6
48 57,4
51 57,2
54 57,1
57 56,9
60 56,6
63 56,4
66 56
69 55,7
72 55,2
75 53,4
77 50,4
121
Şekil 4.1. Batarya Zamana Bağlı Deşarj Grafiği
Resim 4.20. Araç testi
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
GER
İLİM
(V)
ZAMAN(DK)
50 km/h Sabit Hızda Batarya Deşarj Grafiği
122
Resim 4.21. Test ekranı
Deney için 77 dk araç kullanılmıştır. 77 dk sonra batarya dip deşarja
uğramaması için deneye son verilmiştir. Daha sonra bataryanın yoğunluğu
ölçülmüştür.
Yaklaşık Yoğunluk Şarj Durumu
1.110- 1.140 Tamamen boş
1.140- 1.170 Hemen hemen boş
1.170- 1.200 Yaklaşık ¼ şarjlı
1.200- 1.230 Yaklaşık ½ şarjlı
1.230- 1.260 Yaklaşık ¾ şarjlı
1.260- 1.290 Tam şarjlı
123
Ölçülen değerler sonucunda batarya yoğunluğu 1.150 olarak
ölçülmüştür. Bunun sonucunda bataryanın hemen hemen boş olduğu
görülmüştür.Daha sonra boş bataryaların şarj edilme işlemi yapılmıştır.
Bataryaların kapasitesi 90 Ah'tir.Hemen hemen boş olan bataryalara
eklenecek kapasite 90 Ah olacağından;
Ş? ?? ?ü???? = ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ????Ş? ?? ? ? ? (3.1)
Ş? ?? ? ? ı? ı = ? ?? ?? ? ? ? ? ? ???? ??20 (3.2)
Kayıp süre %25 kabul edilerek hesap edilince 5 A ile 18 saat şarj edilmesi
hesap edilmiştir.Yüzeysel şarjda düşünüldüğü zaman 20 saat şarjda kalması
yeterlidir.Bataryaların şarjı için harcanan para hesap edildiğin de;
P=V . I . h (3.1)
P=12(V) . 5(A) . 20(h)
P=1,2( kWh)
TEDAŞ'dan alınan genel elektrik tarifesinden alınan birim fiyat 37
kr/kWh 'dır. Buna göre 1 akü için;
Fiyat=1,2 (kWh) . 37 (kr/kWh)
Fiyat=44,4 kr
5 akü için;
Toplam fiyat=44,4(kr) . 5
Toplam fiyat=222 (kr)
Toplam fiyat=2,22 (TL)
77 dk boyunca 50 km/h sabit hızda kullandığımız araç yaklaşık olarak
65 km menzil yapmıştır. Buradan 100 km için fiyatı
124
100km için fiyat=Toplam fiyat . 100(km) / 65(km)
100 km için fiyat= 3,41 TL olarak bulunur.
Benzin pompa çıkış fiyatı 5 tl olduğu kabul edilerek benzine eşdeğer
sarfiyat 100km de 7 litre hesabı ile 100 km için içten yanmalı sıradan bir
sedan araba yaklaşık olarak 35 TL yakmaktadır. Elektrikli araçta ki tasarruf
oranı 100:7/100:0,7= 10 katıdır. Litre yakıt dönüşümü yapılacak olursa 100
km de 7 litre yakan bir içten yanmalı motorlu taşıta göre elektrikli taşıtımız 0,7
litre benzine eşdeğer enerji harcamaktadır. Tasarlayıp imal ettiğimiz elektrikli
araç içten yanmalı bir araca göre enerji maliyeti çok düşüktür.
125
5. SONUÇ ve ÖNERİLER
Günümüz çevre koşulları ve gittikçe kötüleşen atmosfer insanlığı
kirliliğe karşı daha hassas davranmaya yöneltmiştir. Petrol rezervleri tahmini
50 yıl daha tüketim ihtiyacını karşılayacak fakat doğanın petrolün vermiş
olduğu zararlara o kadar uzun süre dayanması pek mümkün
gözükmemektedir. Her geçen gün sıkılaştırılan emisyon değerleri araç üretim
maliyetlerini ciddi manada artırmaktadır.
Çevreye hiç zararı olmayan doğa dostu elektrikli taşıtlara yönelim
artarak çoğalmaktadır. Gelecekte de elektrikli araç teknolojisi yeterince
geliştiğinde içten yanmalı araçların yerini alan bir alternatif olacaktır.
Elektrikli araçların en önemli kullanım amacı emisyon ve çevredir.
Fakat elektrik üretimi için petrol ve türevleri kullanılırsa yapılan işin hiç bir
anlamı kalmaz. Bu yüzden alternatif enerji kaynakları teknolojilerinin de
geliştirilmesi lazım.
En temiz ve kolay üretim olan güneş enerjisinden elektrik üretmek
elektrikli taşıtlar için en uygun sistemlerden biridir. Araç gövdesine yada
aracın park edildiği yerlere konulan güneş panelleri elektrik enerjisini
üretebilir ve araç şarjı için kullanılabilir. Bu yöntem hem doğaya hiçbir kirlilik
katmamakta hem de çok ucuz maliyetli kullanım sunmaktadır.
Devletin ve dünya sosyal kuruluşlarının bu konuda desteğinin de
yüksek olması sektördeki girişimcileri bu alana yöneltmektedir. Her geçen
gün yeni bir araç tasarlanmakta prototip olarak üretilip denenmektedir.
Şuan ki teknoloji elektrikli taşıtların üretim maliyetini yüksek
tutmaktadır. Fakat çok düşük kullanım maliyeti bu aradaki farkı kapatabilecek
potansiyeldedir. Şarj istasyonlarının artması ve şarj süresinin kısalması bu
tarz araçlara ilgiyi artıracaktır. Aynı zmanda devletin bu tip araçlara vergi
indirimi şeklinde teşviki olmaktadır.
126
Elektrikli araçların eksik yönleri de vardır onlardan bahsedersek.
Elektrik enerjisini depo etmek için uygun batarya bulunamamaktadır.
Kullanılan bataryalar uygun kapasitede tasarlandığında çok fazla yer
kaplamaktadır. Buda araçta hem fazla ağırlık hem de fazla yer
kaplamaktadır. Aynı zamanda bataryanın şarj süresi çok uzundur. Bu
dezavantaj aracı sürekli aktif olarak kullanmak pek mümkün olmamaktadır.
Bu sorunun çözümü olarak aracın park edildiği yerde ve ya istasyonlarda
şarj ünitesi tercihen güneş panelleri ile şarj edilebilen kurularak sürekli
yedekte batarya tutup onu şarj etmeli. Kullanıcı bataryası bittikçe buradan
değiştirerek şarj süresi için beklemeyebilir.
Bu tez kapsamında yapmış olduğumuz araç 3 tekerlekli olup yaklaşık
150 kg gelmektedir. Arka tek teker hub motor olup tahrik tekeridir. Araçta
kurşun asit bataryalardan 5 seri ünite kurulmuştur. Bu aküler 12 V 90 Ah
olmaktadır. 5 seri halde 60 volt elde edilmiştir. Motor 60 V 3 kW tır. Batarya
gerilimi sürücü vasıtası ile motora gönderilmektedir. Şoför kontrolündeki gaz
pedalı aldığı konuma göre 5 A e kadar akımı sürücüye gönderir. İleri geri
anahtarına göre sürücü araca gerekli olan akımı bataryadan çekerek motora
verir. Herhangi bir güç aktarma organı olmadığı için verim % 97 gibi yüksek
bir değerde kalır.
Araç üretimi ve tasarımı tarafımızca okul atölyelerinde ve
bilgisayarlarında yapılmıştır. Yapılmak istenilen araç ilk olarak solidworks
programında bilgisayar ortamında tasarlanmıştır. Burada mekanik hareketi
incelenmiş ve eksik ve problemler düzeltilmiştir. Daha sonra araç için
düşünülen parçalar Ansys programında dayanım analizine tabi tutularak en
uygun malzeme ve ebadı seçilmiştir. Bu işlemin yapılma sebebi hem güvenli
dayanım sağlamak hem de gereksiz ağırlık oluşturmamaktır. Yapılan çalışma
ile optimum değerler tespit edilmiştir. Aynı zamanda araç yapımı için
malzeme temini, fiyat ve kolay işlenebilirlik göz önünde tutulmuştur.
Tasarımı biten aracın üretimine başlanmıştır. Üretim esnasında fark
edilen ve tasarımda göremediğimiz eksiklikler geri dönüm olarak
127
düzeltilmiştir.ve tasarıma eklenmiştir. Otomotiv Mühendisliği bölümü
bünyesinde ve öğrenci işçiliğiyle hocalarımızın yardımı ile üretmiş olduğumuz
araç prototip halini almıştır. Daha sonra aracın yol testi yapılarak enerji
sarfiyatı hesaplanmıştır.
Bölümümüzde bulunan taşıt test laboratuarındaki dinamometrede aracın yol
testi yapılmıştır. Bu testte sabit hızda batarya deşarj işlemi yapılarak aracın
menzil ve yakıt sarfiyatı hesabına gidilmiştir. Aracın normal yol şartlarındaki
akım değeri bilinmektedir. Araç tambura alınmıştır. Yol şartı kuvvet değeri
için sırası ile 10 N, 8 N, 5 N, 3 N değerleri denenmiş. En uygun kuvvet 3 N
çıkmıştır. 50 km/h sabit hızda araç 77 dk teste tabi tutularak deşarj işlemi
yapılmıştır. Batarya değeri 50 V a düştüğünde deney sonlandırılmıştır. Deney
sonucunda aracın batarya yoğunluğu ölçülerek batarya doluluk oranı
ölçülmüştür. Hemen hemen boş çıkan bataryanı şarjı için gerekli elektrik
sarfiyatı hesaplanarak aracın 100 km deki maliyeti hesaplanmıştır. Aracımız
100 km de 3.41 tl yakmaktadır. Test edilen elektrikli araç içten yanmalı
motorla kıyaslandığında enerji maliyeti 10 kat daha düşük çıkmıştır.
128
KAYNAKLAR
[1] İnternet: Vikipedia.org ''Emisyon standartları''
http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards
[2] Høyer, K. G., ''The history of alternative fuels in transportation: The case
of electric and hybrid cars'', Utilities Policy, 16(2008) 63-71 (2008).
[3] J.D., ''Drive Green 2020: More Hope than Realit '', Power and
Associates, New York (2010)
[4] Hurst, D. ve Wheelock, C., ''Battery Electric and Plug‐in Hybrid Electric
Vehicles: OEM Strategies, Demand Drivers'', Technology Issues, Key
Industry Players, and Global Market Forecasts, Pike Research, New
York (2010).
[5] Chan-Chiao, L., Huei, P., ve Grizzle J,. W,. '' A Stochastic Control
Strategy for Hybrid Electric Vehicles'', Yüksek lisans, University of
Michigan, Michigan(2003).
[6] Ünlü, N. Karahan, Ş. Tür, O. Uçarol, H. Özsu, E. Yazar, A., “Elektrikli
Araçlar”, TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve
Çevre Araştırma Enstitüsü, Gebze-Kocaeli, (2003)
[7] Larminie, J. ve Lowry, J., ''Electric Vehicle Tecnology Explained'', John
Wiley&Sons, West Sussex, England (2003).
[8] Yılmaz, M., Tuncay, N. ve Üstün Ö., '' Fırçasız DA motorunun (FDAM)
algılayıcısız kontrolünde dalgacık tekniğinin uygulanması'', İTÜ Mühendislik
Dergisi, 5, 73-84, (2006).
[9] Boyalı, A., '' Hibrid Elektrikli Yol Taşıtlarının Modellenmesi ve Kontrolü'',
Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2008)
[10] Biliroğlu, A., Ö., '' Seri Hibrit Elektrikli Araçların Modellenmesi ve
Kontrolü'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, (2009)
129
[11] Erginer, V., ''ELEKTRİKLİ HİBRİT ARAÇLAR VE SÜRME DEVRELERİ'',
Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
(2009)
[12] Lieven, T., Mühlmeier, S., Henkel, S., Waller, J.F., '' Who will buy electric
cars? An empirical study in Germany'', Transportation Research, 16(D),
236–243, (2010)
[13] Otlu, S., ''İçten Yanmalı Motorlu Bir Taşıtın Basit Bir Hibrit Elektrikli
Taşıta Dönüşümü İçin Bir Model'', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010)
[14] Demirci, Y., ''Hibrit Araçlarda Elektrik Motoru Denetimi'', Yüksek Lisans
Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010)
[15] Aydın, B., ''Yakıt Pilli Elektrikli Araçların Tahriki İçin Farklı Tipte Batarya
Gruplarının Belirlenmesi'', Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010)
[16] Çimen, M., A., ''Elektrikli Ve Seri Hibrit Elektrikli Araçlarda Simülatör
Kullanarak Kalıcı Mıknatıslı Senkron Tahrik Motoru Kontrolü'', Yüksek Lisans
Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010)
[17] Vural B., ''Elektrikli Tasıtlarda Enerji Yönetim Stratejilerinin, Güç
Dönüstürücülerinin ve Bağlantı Topolojilerinin Performans Ve Verimlilik
Üzerine Etkisi'', Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, (2010)
[18] Boyalı, A., Güvenç, L., ''Hibrit Elektrikli Araçların Modellenmesi Ve Kural
Tabanlı Kontrolü'', İTÜ Mühendislik Dergisi, 9(2), 83-94, (2010).
[19] Kıvrak, M., F., ''Hidrojen Yakıt Hücreli Elektrikli Araçlar Ve Metal Hidrid
Hidrojen Saklama Ortamlarının Salıverme Veriminin İyileştirilmesi'', Yüksek
Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2010)
130
[20] Göçmen, A., ''İki Tekerlekli Elektrikli Araç Tasarımı'', Yüksek Lisans Tezi,
Atılım Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2011)
[21] Düşmez, S., '' Elektrikli Taşıtlarda Faydalı Frenleme Enerjisinin Daha İyi
Kazanımı İçin Bir Güç Dönüştürücü Asarımı Ve Uygulaması'', Yüksek
Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2011)
[22] Alttanneh, N., ''Güneş Pili ve Hidrojen Yakıt Pilinden Beslenen Küçük Bir
Elektrikli Araç İçin Batarya Şarj Sistemi Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi'',
Yüksek Lisans, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2012)
[23] Kabatepe, B., '' A Methodology to Analyze Short Term Impacts of
Electric Vehicles on Costs, Emissions and Energy Consumption: Case of
Turkey'', Yüksek Lisans Tezi, Koç Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
(2012)
[24] Öztürk, T., '' Asenkron Motor İle Sürülen Elektrikli Aracın Modellenmesi'',
Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013)
[25] Cipollone, R., Battista, D., D., Marchionni, M., Villante, C., ''Model Based
Design And Optimization Of A Fuel Cell Electric Vehicle'', 68th Conference
of the Italian Thermal Machines Engineering Association, İtalya, (2013)
[26] Purwadi, A., Dozeno, J., Heryana, N., ''Testing Performance of 10 kW
BLDC Motor and LiFePO4 Battery on ITB-1 Electric Car Prototype'', The 4th
International Conference on Electrical Engineering and Informatics,
Malezya (2013)
[27] Güner, C., '' Dışarıdan Şarj Edilebilen Hibrit Elektrikli Araç İle Menzil
Artırıcılı Elektrikli Araç Konseptlerinin Karşılaştırmalı Analizi '', Yüksek Lisans
Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2013)
131
[28] Çamcı, A., T., '' Hafif Elektrikli Araçlarda Sürekli Değişken Oranlı
Şanzıman Kullanılarak Menzil Ve Performansın Artırılması'', Yüksek Lisans
Tezi, Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
(2013)
[29] Mökükcü, M., S., ''Electrıc Vehıcle Powertraın Desıgn And
Implementatıon '', Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, (2014)
[30] Yaşar, E., ‘’Elektrikli Taşıt Tasarımı ve Simülasyonu’’, Yüksek Lisans
Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2008)
[31] İnternet: wikipedia.org ‘’elektrikli otomobil’’
http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrikli_otomobil
132
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, adı : KARAKAŞ, İsmet
Uyruğu : T.C.
Doğum tarihi ve yeri : 10.06.1990 Ankara
Medeni hali : Bekar
Telefon : 0 (535) 559 87 79
e-mail : [email protected]
Eğitim
Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi
Lise Milli Piyango Anadolu Lisesi 2008
Yabancı Dil
İngilizce
Çalıştığı Projeler
2012 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla
katıldık. Kurul özel ödülünü ekip olarak kazandık.
2012 Okulumuz bünyesin de Alternatif enerjili taşıtlar topluluğunu kurduk ve 1
dönem başkanlığını yaptım.
2013 Gazi Üniversitesi Bilim Şenlikleri proje yarışması için elektrikli taşıt
tasarlayıp imal ettik ve mansiyon ödülü kazandık.
2013 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla
katıldık.
133
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler
Soyadı, adı : PEKCAN, Mustafa
Uyruğu : T.C.
Doğum tarihi ve yeri : 02.06.1992 Mersin
Medeni hali : Bekar
Telefon : 0 (538) 336 36 13
e-mail : [email protected]
Eğitim
Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi
Lise Sami Evkuran Anadolu Lisesi 2010
Yabancı Dil
İngilizce
Çalıştığı Projeler
2012 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla
katıldık. Kurul özel ödülünü ekip olarak kazandık.
2012 Okulumuz bünyesin de Alternatif enerjili taşıtlar topluluğunu kurduk ve 1
dönem yönetim kurulu üyeliği yaptım.
2013 Gazi Üniversitesi Bilim Şenlikleri proje yarışması için elektrikli taşıt
tasarlayıp imal ettik ve mansiyon ödülü kazandık.
2013 TÜBİTAK Alternatif Enerjili Taşıtlar Yarışlarına güneş enerjili araçla
katıldık.