Uploaded by Brkyctn

1891

advertisement
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ  FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Müh. Hamdi UÇAROL
Anabilim Dalı : ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ
Programı
: ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ
MAYIS 2003
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ  FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Müh. Hamdi UÇAROL
(504991190)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 5 Mayıs 2003
Tezin Savunulduğu Tarih : 29 Mayıs 2003
Tez Danışmanı :
Diğer Jüri Üyeleri :
Prof. Dr. Adnan KAYPMAZ
Doç. Dr. Belgin TÜRKAY
Doç. Dr. Mehmet Sait TÜRKÖZ
MAYIS 2003
ÖNSÖZ
Yüksek lisans tezimin hazırlanmasında yardımlarını esirgemeyen, başta değerli
hocam, Sayın Prof. Dr. Adnan Kaypmaz’a; Sayın Prof. Dr. Nejat Tunçay’a,
TÜBİTAK-MAM’daki iş arkadaşlarıma, sevgi ve desteklerini her zaman yanında
hissettiğim aileme teşekkürlerimi sunarım.
Mayıs 2003
Müh. Hamdi UÇAROL
ii
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ
KISALTMALAR
TABLO LİSTESİ
ŞEKİL LİSTESİ
ÖZET
SUMMARY
ii
v
vi
vii
viii
ix
1.
GİRİŞ
1
2.
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
3
2.1
Seri Karma Elektrikli Araç
3
2.2
Paralel Karma Elektrikli Araç
5
2.3
Seri-Paralel Karma Elektrikli Araç
6
3.
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ALT SİSTEMLERİ
3.1
Enerji Yönetimi
7
3.1.1 Sınıflandırma
3.1.2 Enerji akışı kontrolu
3.1.2.1 Seri karma kontrol
3.1.2.2 Paralel karma kontrol
3.1.2.3 Seri-paralel karma kontrol
3.1.2.4 Kompleks karma kontrol
3.2
7
Elektrik Motorları
7
8
10
11
13
15
19
3.2.1 Asenkron motorlar
3.2.2 Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar
3.2.3 Anahtarlamalı relüktans motoru
24
26
28
3.3
Yakıt Pilleri
28
3.4
Enerji Depolama Sistemleri
36
3.4.1 Aküler
3.4.1.1 Kurşun-asit aküler
3.4.1.2 Nikel-kadmiyum aküler
36
38
40
iii
Nikel-metal hidrid aküler
41
3.4.1.4 Nikel-çinko aküler
3.4.1.5 Sodyum-sülfür aküler
3.4.1.6 Çinko-hava aküler
3.4.1.7 Zebra aküler
3.4.1.8 Lityum aküler
3.4.2 Süperkapasitör(Ultrakapasitör)
3.4.3 Volan
42
42
42
43
43
47
49
3.4.1.3
3.5
Simülasyon Programları
49
3.5.1 SIMPLEV
3.5.2 CarSim
49
50
3.5.3
3.5.4
3.5.5
3.5.6
3.5.7
3.5.8
50
50
50
51
51
52
HVEC
CSM HEV
V-Elph
ADVANCE
VTB
ADVISOR
4.
KARŞILAŞTIRMA
57
5.
UYGULAMA
70
6.
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
73
7.
KAYNAKLAR
75
EK A
77
ÖZGEÇMİŞ
80
iv
KISALTMALAR
AC
DC
PAFC
AFC
MCFC
PWM
SOFC
SPFC
DMFC
APU
VVVF
FOC
MARC
STC
VSC
NNC
DSP
GTO
BJT
MOSFET
IGBT
MCT
PWM
CAD
FEM
EM
DCM
IM
SRM
PMSM
PMBM
PMHM
: Alternatif Akım
: Doğru Akım
: Fosforik asit yakıt pili
: Alkalin yakıt pili
: Ergimiş karbonatlı yakıt pili
: Pulse With Modulation
: Katı oksit yakıt pili
: Katı polimer yakıt pili
: Direkt metanol yakıt pili
: Auxillary Power Unit
: Variable voltage variable frequency
: Field orinted control
: Model reference adaptive control
: Self-tuning control
: Variable structure control
: Neural network control
: Digital signal processor
: Gate turn-off thyristor
: Bipolar-junction transistor
: Metal-oxide field-effect transistor
: Insulated-gate bipolar transistor
: MOS-controlled thyristor
: Pulse width modulation
: Computer aided design
: Finite element method
: Electromagnetic
: Direct current motor
: Induction motor
: Switched reluctance motor
: Permanent magnet synchronous motor
: Permanent magnet brushless motor
: Permanent magnet hybrid motor
v
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 3.1 Elektrik tahrik sisteminden beklentiler ve sonuçları.................................. 20
Tablo 3.2 Karma elektrikli araçlardaki elektrik motorlarının değerlendirilmesi ....... 22
Tablo 3.3 Önemli yakıtların teorik enerji karakteristikleri ........................................ 29
Tablo 3.4 Yakıt pillerinin karakteristikleri................................................................. 30
Tablo 3.5 Yakıt pilli karma elektrikli araç demonstrasyonları .................................. 35
Tablo 3.6 DOE’nin karma elektrikli araçlardaki enerji depolama sistemi şartları .... 37
Tablo 3.7 Çeşitli akülere ait karakteristikler .............................................................. 45
Tablo 3.8 Çeşitli süperkapasitörlerin karakteristikleri ............................................... 47
Tablo 4.1 Tahrik sistemlerinin teknik detayları ......................................................... 60
Tablo 4.2 İçten yanmalı motorlu araç tahrik sistemi elemanları ................................ 61
Tablo 4.3 Seri karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları .................................. 61
Tablo 4.4 Paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları .............................. 61
Tablo 4.5. Sürüş çevrimlerinin teknik özellikleri ...................................................... 62
vi
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 2.1 Karma elektrikli araç çeşitleri ....................................................................... 4
Şekil 3.1 Karma elektrikli araçların sınıflandırılması .................................................. 8
Şekil 3.2 Seri karma elektrikli araç çalışma durumları .............................................. 10
Şekil 3.3 Paralel karma elektrikli araç çalışma durumları ......................................... 12
Şekil 3.4 Seri-paralel karma elektrikli araç ( İYM ağırlıklı) çalışma durumları ........ 13
Şekil 3.5 Seri-paralel karma elektrikli araç(elektrik ağırlıklı) çalışma durumları ..... 15
Şekil 3.6 Kompleks karma (ön karma, arka elektrikli) elektrikli araç ....................... 16
Şekil 3.7 Kompleks karma (ön elektrikli, arka karma) elektrikli araç ....................... 18
Şekil 3.8 Karma elektrikli araç elektrik tahrik sisteminin genel görünümü .............. 21
Şekil 3.9 Dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi ................................... 23
Şekil 3.10 Asenkron motorun çalışma karakteristik eğrisi ........................................ 24
Şekil 3.11 Asenkron motorlar için evirici devresi ..................................................... 25
Şekil 3.12 Sürekli mıknatıslı fırçasız motor moment-hız karakteristiği .................... 26
Şekil 3.13 Anahtarlamalı relüktans motoru için evirici devresi ................................. 28
Şekil 3.14 Yakıt pilli karma elektrik araç uygulamasının şematik görünümü ........... 31
Şekil 3.15 Yakıt pili sisteminin araç üzerindeki uygulaması ..................................... 32
Şekil 3.16 Akü gücü ve şarj durumuna bağlı kullanılabilir enerji eğrisi ................... 37
Şekil 3.17 VRLA akü hücresinin gerilim karakteristiği............................................. 39
Şekil 3.18 Çeşitli akü tipleri(kurşun-asit, nikel metal hidrid, lityum-iyon) ............... 41
Şekil 3.19 Çinko-hava akü şematik diyagramı ve araç uygulaması........................... 43
Şekil 3.20 Lityum iyon akü grubu araç uygulaması .................................................. 44
Şekil 3.21 Çeşitli enerji kaynaklarının güç ve enerji yoğunlukları ............................ 46
Şekil 3.22 Süperkapasitör bankası, hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi ......... 48
Şekil 3.23 VTB bilgisayar programından görünüş (modelleme ve sonuç sayfaları) . 52
Şekil 3.24 Araç parametreleri giriş ekranı ................................................................. 53
Şekil 3.25 Simülasyon parametreleri giriş ekranı ...................................................... 54
Şekil 3.26 ADVISOR sonuç ekranı ........................................................................... 55
Şekil 3.27 ADVISOR programının grafik arayüz, veri dosyaları ve modeller
arasındaki bağlantısı ............................................................................................ 56
Şekil 4.1 Karşılaştırma yapılan araç çeşitleri ............................................................. 58
Şekil 4.2 İçten yanmalı motor moment-hız ve güç-hız eğrileri ................................. 59
Şekil 4.3 Sürekli mıknatıslı elektrik motorunun moment-hız ve güç-hız eğrileri...... 59
Şekil 4.4 UDDS şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ......................................... 62
Şekil 4.5 HWFET otoban sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ....................................... 63
Şekil 4.6 NEDC şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği ......................................... 63
Şekil 4.7 Araç ağırlıkları ............................................................................................ 64
Şekil 4.8 Maksimum hızlar ........................................................................................ 65
Şekil 4.9 İvmelenme süreleri...................................................................................... 65
Şekil 4.10 Yokuş çıkma kabiliyetleri ......................................................................... 66
Şekil 4.11 Değişik sürüş çevrimlerindeki yakıt tüketimleri ....................................... 67
Şekil 4.12 Değişik sürüş çevrimlerindeki toplam sistem verimi ............................... 67
Şekil 5.1 Araç yerleşiminden bir görüntü .................................................................. 71
vii
KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
ÖZET
Enerji tasarrufunun ve çevre duyarlılığının giderek önem kazandığı günümüzde, hava
kirliliğinin azalmasına, yakıt tüketiminin azalmasına ve ithal edilen petrole
bağımlılığın azalmasına önemli derecede katkıda bulunan karma elektrikli araçlar,
konvansiyonel içten yanmalı motorlu araçlara bir alternatif olma yönünde olumlu
şekilde ilerlemektedirler.
Karma elektrikli araç, en az iki enerji depolama elemanından(örneğin; yakıt deposu,
akü, volan, süperkapasitör, basınç tankı) alınan enerjinin, en az iki enerji dönüştürücü
eleman(örneğin; içten yanmalı motor, gaz türbini, elektrik motoru, hidrolik motoru,
yakıt pili) vasıtasıyla tekerlere hareket enerjisi olarak verildiği araçtır. Enerji
depolama elemanlarından aracın tekerlerine doğru akan enerji yollarının en azından
bir tanesinde enerji akışı çift yönlüyken, en azından bir tanesinde de enerji akışı tek
yönlüdür. Karma elektrikli bir araçta, çift yönlü enerji akışı kabiliyetine sahip olan
enerji depolama elemanı elektrik enerjisini sağlar.
Bu tez çalışmasında, karma elektrikli araçlar, çalışma prensipleri ve karma elektrikli
araçların alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve geleceğinde
büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve elektriksel tahrik
sistemleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte, içten yanmalı motorlu
araç, karma elektrikli araç çeşitlerinden, seri karma elektrikli araç ve paralel karma
elektrikli aracın birbirlerine göre üstünlüklerini belirlemek üzere, değişik sürüş
çevrimlerinde ve test koşullarında bilgisayar simülasyonları yapılarak, karşılaştırmalı
değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, içten yanmalı motorlu panel-van tip
konvansiyonel bir aracın seri karma elektrikli araca dönüştürüldüğü prototip
çalışması ve sonuçları anlatılmıştır.
viii
HYBRID ELECTRIC VEHICLE
SUMMARY
Hybrid electric vehicles, that make contributions to the reduction of air pollution, to
the reduction of fuel consumption and to the reduction of the dependence on
imported oil, are well on the way to become an alternative for the conventional
internal combustion engine vehicle.
A hybrid vehicle has a powertrain in which propulsion energy can be transmitted to
the wheels by at least two different energy conversion devices (e.g. internal
combustion engine, gas turbine, electric motor, hydraulic motor, fuel cell) drawing
energy from at least two different energy storage devices (e.g. fuel tank, battery,
flywheel, supercapacitor, pressure tank etc.). At least one of the paths along which
energy can flow from an energy storage device to the wheels is reversible, while at
least one path is irreversible. In a hybrid-electric vehicle the reversible energy
storage device supplies electric energy.
In this thesis study, hybrid electric vehicles, operating principles and the subsystems
of the hybrid electric vehicles are presented. Fuel cells, energy storage systems and
electrical drive systems which have a great importance at today’s and the future’s
hybrid electric vehicles are examined in detail. In addition to this, to determine the
advantages and disadvantages between internal combustion engine vehicle, series
hybrid electric vehicle and parallel hybrid electric vehicle, comparative assesments
are done by computing simulations at different drive cycles and test conditions.
Moreover, the prototype study and the results are presented in which an internal
combustion engine vehicle is converted to a series hybrid electric vehicle.
ix
1. GİRİŞ
Günümüzde otomobillerde tekerlerlekleri tahrik etmek için genellikle mekanik
sistemler kullanılmaktadır. Bu tür sistemlerde, dizel veya benzinli içten yanmalı
motorlar, mekanik sistemlerle taşıt aracının şaftına doğrudan bağlanmıştır.
Motorlarda yakıtın yanması sonucu elde edilen mekanik enerji, tekerleklere
aktarılarak taşıt aracının hareketi sağlanmaktadır.
Teknolojik gelişmeler ile birlikte son yıllarda elektrikli tahrik sisteminin araçlarda
kullanılması yaygınlaşmıştır. Bu gelişmeler; elektrik motor sürücü sistemlerinde
kullanılan güç elektroniği elamanlarındaki gelişmeler, motor kontrol sistemlerindeki
gelişmeler, generatör ve motor teknolojisindeki gelişmeler, araçlardaki elektriksel
yük artışları şeklinde ifade edilebilir.
Araçlardaki elektrik tahrik sistemlerinde, elektrik motoru olarak genellikle asenkron
motor veya sürekli mıknatıslı motor kullanılmaktadır. Elektrikli tahrik sistemleri
mekanik sistemlere göre birçok avantajlara sahiptir. Elektrikli tahrik sistemlerinde,
bağlantının elektriksel olarak yapılması, mekanik sürücü sistemlerinde olmayan bir
esneklik, yüksek kontrol kabiliyeti sağlamakta, ayrıca gelişen teknoloji ile birlikte
daha yüksek güçlere daha düşük boyut ve daha düşük ağırlıklarda ulaşabilme imkanı
doğmaktadır. Bu tür sistemlerin veriminin yüksek olması, gürültü seviyesinin
düşüklüğü ve daha fazla çevre dostu olması, elektrikli tahrik sistemlerinin diğer
özellikleridir.
Elektrikli tahrik sistemleri, önümüzdeki yıllarda araç teknolojisi uygulamaları için
önemli bir kavramdır. Yakın gelecekte daha da yaygınlaşacak olan karma elektrikli
araçlarda, elektriksel enerji depolama, sürekli mıknatıslı tahrik motorları ve yakıt
pilleri gibi kritik teknolojiler giderek önem kazanmaktadır. Karma elektrikli araç
kavramı, araçların görev yeteneklerini arttıracak ve özellikle gelişmiş enerji
depolama sistemleri ve
yakıt pillerinin kullanılması ile elde edilecek sessiz ve
emisyonsuz araçlar, çevre sorumluluğunun ve enerji tasarrufunun önem kazandığı
günümüz ve gelecek dünyasında önemli yere sahip olacaklardır.
1
Bu tez çalışmasında, karma elektrikli araçlar, çalışma prensipleri ve karma elektrikli
araçların alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve geleceğinde
büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve elektriksel tahrik
sistemleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bununla birlikte, içten yanmalı motorlu
araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın birbirlerine göre
üstünlüklerini belirlemek üzere, değişik sürüş çevrimlerinde ve test koşullarında
bilgisayar
simülasyonları
yapılarak,
karşılaştırmalı
değerlendirmeler
gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, içten yanmalı motorlu panel-van tip konvansiyonel bir
aracın seri karma elektrikli araca dönüştürüldüğü prototip çalışması ve sonuçları
anlatılmıştır.
2
2. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ
Karma elektrikli araç, kabaca tanımlanacak olursa, en az iki enerji depolama
elemanından(örneğin; yakıt deposu, akü, volan, süperkapasitör, basınç tankı) alınan
enerjinin, en az iki enerji dönüştürücü eleman(örneğin; içten yanmalı motor, gaz
türbini, elektrik motoru, hidrolik motoru, yakıt pili) vasıtasıyla tekerlere hareket
enerjisi olarak verildiği araçtır. Enerji depolama elemanlarından aracın tekerlerine
doğru akan enerji yollarının en azından bir tanesinde enerji akışı çift yönlüyken, en
azından bir tanesinde de enerji akışı tek yönlüdür. Karma elektrikli bir araçta, çift
yönlü enerji akışı kabiliyetine sahip olan enerji depolama elemanı elektrik enerjisini
sağlar. Karma elektrikli araç uygulamalarında, ortaya çıkan ihtiyaçları karşılamak
için değişik tasarımlar görülse de belli başlı üç ana konfigürasyon bulunmaktadır.
Bunlar; Seri Karma, Paralel Karma ve Seri-Paralel Elektrikli Araç çeşitleridir.[1]
2.1
Seri Karma Elektrikli Araç
Seri karma elektrikli bir araçta, aracın tekerlerini tahrik eden elektrik motoru,
enerjisini ya bir aküden, veya içten yanmalı motora akuple edilmiş bir generatorden
ya da eş zamanlı olarak her ikisinden birlikte alır. Şekil 2.1’de seri karma bir
elektrikli araç konfigürasyonu görülmektedir. İçten yanmalı motor-generator seti
genellikle aracın ortalama ihtiyacı olan gücü karşılarken, enerji depolama
elemanı(çoğunlukla akü, ancak süperkapasitör ya da elektromekanik volan da
uygulanabilir)
tepe
güçleri
karşılar.
Düşük
yük
koşullarında
ya
da
frenleme(rejeneratif) sırasında akü şarj olur. Seri karma elektrikli araçlar genel olarak
şebekeden şarj edilmeye ihtiyaç duymazlar. Bu, akülü araçlara menzilini arttırmak
için takılan küçük içten yanmalı motorlu seri karma araçlar için geçerli değildir.
Seri karma bir elektrikli aracın içten yanmalı motoru yol yükünden oldukça bağımsız
olduğundan sabit bir çalışma noktasında ya da belirli çalışma noktaları arasında
sınırlandırılarak kullanılabilir. Motor, içten yanmalı motor ya da tekerlekleri direk
sürmeye pek uygun olmayan başka bir motor olabilir. İçten yanmalı motor generator
3
setinin yerini tamamen bir yakıt pili alabilir. Emisyonlar ve verim açısından
bakılacak olursa içten yanmalı motor sürüş için gerekli yük talepleri düşünülmeden
optimize edilebilir. Benzinli, doğal gazlı ve sıvılaştırılmış petrol gaz(LPG)’lı seri
karma elektrikli araçlar çok düşük emisyonlara sahip olabilirler. Diğer yandan, dizel
motorlu seri karma elektrikli araçların yakıt tasarrufu daha iyi olabilir.
Şekil 2.1 Karma elektrikli araç çeşitleri
Generator setinden gelen ortalama enerji ile akülerden gelen tepe enerjisinin olması
gereken oranı, uygulamanın karakteristiğine, özellikle sürüş modeline bağlıdır. Bu
aynı zamanda seri karma elektrikli araçların avantajı ve dezavantajıdır. Bir taraftan,
belirli bir uygulamada sistem minimum yakıt tüketimi ve emisyonlar için optimize
edilebilirken, diğer taraftan ortalama bir sürüş periyodunda yarı optimal bir verimle
çalışan bir seri karma elektrikli araç, maksimum yük durumlarındaki ihtiyacı
karşılayabilmek için aşırı boyutlandırılmış sistemlere ihtiyaç duyabilir. Genel olarak
söylenebilir ki, seri karma elektrikli araçlar görevi tam olarak bilinen araçlar(şehir içi
otobüsler, şehir içi dağıtım araçları) için en uygun araç tipidir. Böyle araçlar için seri
4
karma araçlar aynı zamanda tasarım esnekliği sağlar. Bütün ekipmanlar elektriksel
olarak birbirlerine bağlıdır. Böylelikle, tasarımcı, güç sistemi elemanlarını aracın
içerisinde uygun yerlere koymak için büyük özgürlüğe sahip olur. Örneğin, seri
karma elektrikli bir otobüste, içten yanmalı motoru aracın üstüne yerleştirmek ve
aracı tekerleklerin içine monte edilmiş elektrik motorları ile sürmek, otobüsün
zeminini oldukça rahatlatacaktır.[1]
2.2
Paralel Karma Elektrikli Araç
Şekil 2.1’de, üç farklı paralel karma elektrikli araç konfigürasyonu görülmektedir.
Birinci konfigürasyon, bir içten yanmalı motor ve akülü elektrik sürüş sistemini,
transmisyon ya da tekerlerde birleştiren klasik bir paralel karma sürüş sistemidir.
Böyle araçlar genellikle sadece içten yanmalı motorla tahrik edilerek, karma tahrik
sistemi ile
veya motor kapatılarak sadece saf elektrikli halde çalıştırılabilirler.
Gerekli elektrik enerjisi, tercihe bağlı olarak büyük miktarda şebekeden şarj edilerek
elde edilir. İçten yanmalı motor çalışma modunda, elektrik sürüş sistemi rejeneratif
frenleme imkanını sağlar. Paralel karma çalışma esnasında, içten yanmalı motor aynı
zamanda aküleri şarj edebilir. Elektrikli çalışma modu genellikle şehir içinde
kullanılır. Bu durum, araç şehir içindeyken içten yanmalı motorun başlangıçtaki
soğuk çalışma bölgesindeki kötü emisyonlarını ve motorun çalışma eğrisine uygun
olmayan bölgelerde çalışmasını önler. Şehir dışı ve otoban sürüşlerinde, içten
yanmalı motor optimal çalışma noktası yakınlarında çalışarak kabul edilebilir yakıt
tüketimi ve emisyonlar sunar.
İkinci konfigürasyon, paralel karma elektrikli aracın başka bir tipidir ve bazen hafif
karma(mild hybrid) ya da motor yardımlı(engine assist) olarak da adlandırılır. Bu
durumda, küçük bir elektrik makinası içten yanmalı motorun dönen kısmına bağlanır.
Bu elektrik motorunun görevi; aracı düşük hızlarda sıfır emisyon durumunda
götürmek, içten yanmalı motorun marş motoru olmak, düşük devirlerde içten
yanmalı motora ilave moment sağlamak ve ihtiyaç olduğunda ilave tepe güç
sağlamaktır. Frenleme sırasında ve sadece içten yanmalı motor ile sürüş sırasında
elektrik motoru generator olarak çalışır ve aküyü şarj eder. Bu paralel karma
konfigürasyonu, aküleri kendi kendine şarj edebilir, dolayısıyla dışarıdan şarj
sistemine ihtiyacı yoktur. Bu sistem, yakıt tüketimini, emisyonları azaltmakla birlikte
5
geliştirilmiş sürüş imkanı ve içten yanmalı motor cevabı imkanı sunmaktadır. Sürüş
sistemi elemanlarının sayısının azalmasıyla ve elektrik sisteminin(elektrik makinası
ve akü) boyutlarının sınırlanmasıyla, bu sistem, maliyet avantajları sunar. Ancak, bu
sistem, tamamı elektrikli halde çalışmaya imkan tanımaz. Bu sistemin örnekleri,
ISAD(Integrated Starter Alternator Damper) sistemi olarak Citroen Xsara Dynalto
aracında ve IMA(Integrated Motor Assist) sistemi olarak Honda Insight aracında
kullanılmıştır.
Üçüncü konfigürasyon, bazı yeni paralel karma araç prototiplerinde kullanılan bir
modeldir. Biri ön tekerlekleri, diğeri de arka tekerlekleri tahrik eden iki ayrı güç
sisteminden oluşur. Günümüz prototiplerinden GM Precept modelinde, bu sistem
ufak bir değişiklik ile arka tekerleklere hafif karma(mild hybrid) güç sistemi, ön
tekerlere
de
ayrı
bir
elektrik
motoru
konularak
gerçekleştirilmiştir.
Bu
konfigürasyon, tasarımcılara rejeneratif frenlemeyi optimize etmeyi olanaklı kılar.
2.3
Seri-Paralel Karma Elektrikli Araç
Adından da anlaşılacağı gibi, bu sistem kısmen seri karma, kısmen de paralel karma
olarak çalışır. Bu sistem, iki elektrik makinası, göreceli olarak karmaşık bir
transmisyon ve akıllı bir kontrol sistemi gerektirir. İlk çalışma anında sistemde
sadece elektrik motoru görev yapar. Daha sonra düz yolda normal koşullara geçince
elektrik motoru ve içten yanmalı motor birlikte çalışırlar. İvmelenme ve yokuş
tırmanma durumunda akülerden ilave enerji elektrik motoruna iletilir. Araç
yavaşlarken ve yokuş aşağı ilerlerken aküler şarj olur. Tekrar eğimsiz yol koşulları
ile karşılaşıldığında ve akülerin şarj seviyelerinin yeterli olduğu durumlarda içten
yanmalı motor devreden çıkar. Bütün bu kontroller, akıllı kontrol sistemi tarafından
yapılır. Böylelikle, içten yanmalı motorda yakıt tasarrufu sağlanır ve CO2, CO, HC
ve NOx emisyonları oldukça düşer. Şekil 2.1’de Seri-Paralel karma elektrikli araca
ait bağlantı modeli görülmektedir. [1]
6
3. KARMA ELEKTRİKLİ ARAÇ ALT SİSTEMLERİ
3.1
3.1.1
Enerji Yönetimi
Sınıflandırma
Karma elektrikli araç, tahrik enerjisinin iki ya da daha fazla tipteki enerji
kaynağından sağlandığı ve en azından bunlardan birisinin elektriksel enerji
iletebildiği bir araçtır. Bu tanıma bağlı kalarak, içten yanmalı motor ve akü, akü ve
yakıt pili, akü ve kapasitör gibi birçok çeşit karma elektrikli araç mevcuttur. Bu
karmaşık tanımın yanı sıra, karma elektrikli araç basit anlamda, bir içten yanmalı
motor ve de bir elektrik motoru bulunan bir araçtır. Bu bölümde, bu tanıma göre,
tahrik sisteminde hem içten yanmalı motor, hem de elektrik motoru bulunan, enerji
kaynağı olarak da içten yanmalı motor ve akü kullanan karma elektrikli bir aracın
enerji yönetim sistemi incelenecektir.
Bir önceki bölümde anlatılan sınıflandırma genel olarak kabul görse de, araçlardaki
enerji yönetim şekillerinde ortaya çıkan ihtiyaçlar ve farklılıklar günümüzde
aşağıdaki sınıflandırmayı doğurmuştur. Karma elektrikli araçlar, geleneksel olarak
seri ve paralel olarak iki temel çeşide ayrılırlar. Seri ve paralel karma araçların
özelliklerini gösteren araçların geliştirilmesi ile birlikte bu sınıflandırma seri, paralel
ve seri-paralel olarak genişlemiştir. 2000 yılında, bu üç sınıflandırmaya da dahil
edilemeyen yeni bir çeşidin geliştirilmesiyle karma elektrikli araçlar dört sınıf
halinde gruplandırılmıştır.

Seri karma

Paralel karma

Seri-paralel karma

Kompleks karma
Şekil 3.1’de bu sınıflandırmaya karşılık düşen blok diyagramlar görülmektedir.
Burada, elektriksel ve mekanik hatlar çift yönlü iken hidrolik hat ise tek yönlüdür.
7
Şekil 3.1 Karma elektrikli araçların sınıflandırılması
Buradan da görülebilir ki, seri karmanın anahtar özelliği generator ile içten yanmalı
motoru akuple edip sadece elektrikle tahrik için elektrik üretmek iken, paralel
karmanın anahtar özelliği içten yanmalı motor ile elektrik motorunu aynı şaft
üzerinde akuple ederek tekerleri tahrik etmektir. Seri-paralel karma, seri ve paralel
karma sistemlerin doğrudan kombinasyonudur. Kompleks karma sistem ise, seriparalel karma konfigürasyonun yeteneklerinin üzerinde ilave çalışma durumları
sunar.[2]
3.1.2
Enerji akışı kontrolu
Karma elektrikli araçlardaki konfigürasyonların değişikliklerinden dolayı, sistem
elemanları arasındaki enerji akışını düzenlemek için farklı güç kontrol stratejileri
gereklidir. Bu kontrol stratejileri, karma elektrikli araçlardaki bazı hedefleri yerine
getirmeyi amaçlar. Dört ana hedef vardır. Bunlar;

Maksimum yakıt ekonomisi

Minimum emisyonlar
8

Minimum sistem maliyeti

İyi sürüş performansı
Karma elektrikli araçlar için güç kontrol stratejilerinin tasarımı farklı faktörler içerir.
Bazı anahtar faktörler aşağıda özetlenmiştir:

İçten yanmalı motorun optimal çalışma noktası- Optimal çalışma noktası
olarak, içten yanmalı motorun moment-hız düzlemi üzerinde yakıt
ekonomisinin maksimizasyonu, emisyonların minimizasyonu ya da yakıt
ekonomisi ve emisyonlar arasındaki bir orta nokta esas alınabilir.

İçten yanmalı motorun optimal çalışma eğrisi- İçten yanmalı motor farklı güç
ihtiyaçlarını karşılamak durumunda olduğu için bunlara karşılık gelen
optimal çalışma noktaları optimal çalışma eğrisini oluştururlar.

İçten yanmalı motor optimal çalışma bölgesi- İçten yanmalı motor, momenthız düzlemi üzerinde yakıt verimliliğinin optimum olduğu, tercih edilen bir
çalışma bölgesine sahiptir.

Minimum içten yanmalı motor dinamikleri- İçten yanmalı motorun çalışma
hızının, ani dalgalanmalardan kaçınılacak şekilde düzenlenmesi gerekir.

Minimum içten yanmalı motor hızı- İçten yanmalı motor düşük hızlarda
çalıştığı zaman yakıt verimliliği çok düşüktür. İçten yanmalı motorun hızı
belirli bir eşik değerinin altında olduğu zaman kapatılmalıdır.

Minimum içten yanmalı motor çalıştırma zamanı- İçten yanmalı motor çok
sık çalıştırılıp kapatılmamalıdır. Aksi halde, bu durum yakıt tüketiminin ve
emisyonların artmasına neden olur. Bu dezavantajları engelleyecek bir
minimum çalıştırma zamanı belirlenmelidir.

Uygun akü kapasitesi- Akü kapasitesi, ivmelenme için yeterli enerjiyi
sağlayabilecek, frenleme esnasında ya da yokuş aşağı giderkenki rejeneratif
enerjiyi kabul edebilecek uygun bir seviyede korunmalıdır. Akü kapasitesi
çok yüksek olduğu zaman, içten yanmalı motor kapatılmalı ya da boşta
çalıştırılmalıdır. Bu kapasite çok düşük olduğu zaman ise, içten yanmalı
motor aküyü şarj etmek için çıkışını arttırmalıdır.

Nispi dağıtım- Güç talebinin, içten yanmalı motor ve akü arasındaki dağıtımı,
sürüş çevrimi boyunca orantılı olarak bölünmelidir.
9

Coğrafik politika- Belirli şehirlerde ya da bölgelerde karma elektrikli aracı,
saf elektrikli halde çalıştırma ihtiyacı doğacaktır. Bu geçiş, elle ya da
otomatik olarak kontrol edilmelidir.[2]
Yukarıda bahsedilen kritik faktörlere bağlı olarak ortaya çıkan çeşitli kontrol
sistemleri aşağıda anlatılmıştır.
3.1.2.1 Seri karma kontrol
Seri karma, karma elektrikli aracın en basit çeşididir. İçten yanmalı motorun mekanik
çıkışı, bir generator kullanılarak elektrik enerjisine çevrilir. Elektrik enerjisi, ya
aküleri şarj eder ya da elektrik motoru ve mekanik transmisyon üzerinden tekerleri
tahrik eder. Kavramsal olarak bakıldığında, bu araç, konvansiyonel araçla
kıyaslanabilsin diye sürüş menzili içten yanmalı motor ile arttırılmış elektrikli araçtır.
Şekil 3.2 Seri karma elektrikli araç çalışma durumları
İçten yanmalı motorun tahrik sistemi ile bağlantısı olmadığından, generator setini
yerleştirmekte esnekliğe sahiptir. Sürüş sistemindeki basitliğe rağmen, içten yanmalı
10
motor, generator ve elektrik motoru gibi üç tahrik elemanına ihtiyaç duyar. Bir başka
dezavantajı ise, eğer bu araç uzun bir meyili tırmanmak için tasarlanmışsa, bütün
tahrik elemanlarının bu meyili baştan sonuna kadar gidebilecek şekilde maksimum
güçte boyutlandırılması gereklidir. Diğer taraftan, sadece evden işe, işten eve ve
alışveriş gibi kısa yolculuklar için düşünülürse, buna karşılık generator seti daha
düşük güçte boyutlandırılabilir.
Seri karma sistemde enerji akışı kontrolü Şekil 3.2’de görüldüğü üzere dört çalışma
durumunda gösterilebilir. Seri karma elektrikli araçların kalkış, normal sürüş ve
ivmelenmesi sırasında, içten yanmalı motor(generator üzerinden) ve akü elektrik
enerjisini güç çeviricisine iletir. Oradan da elektrik motorunu sürerek transmisyon
aracılığıyla tekerlekleri tahrik eder. Düşük yükte, içten yanmalı motorun çıkışı,
tekerlekleri sürmek için ihtiyaç olan güçten yüksek olacağından, üretilen enerji aynı
zamanda aküleri uygun seviyeye ulaşıncaya kadar şarj etmede kullanılır. Frenleme ya
da yavaşlama sırasında elektrik motoru generator olarak çalışıp, tekerleklerdeki
kinetik enerjiyi elektriğe dönüştürerek çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Aynı
zamanda, araç tamamen dursa dahi aküler, içten yanmalı motor tarafından generator
ve çevirici üzerinden şarj edilebilirler. Toyota Coaster karma elektrikli aracında seri
karma kontrolü uygulamıştır.[2]
3.1.2.2 Paralel karma kontrol
Seri karma sistemden farklı olarak paralel karma sistem, içten yanmalı motor ve
elektrik motorunun tekerleklere mekanik güç aktarmasını olanaklı kılar. İçten
yanmalı motor ve elektrik motoru genellikle tekerleklerin şaftına iki dişli aracılığıyla
bağlanır. Böylelikle sadece içten yanmalı motor, sadece elektrik motoru ya da her
ikisi birlikte tahrik gücünü sağlayabilir. Kavramsal olarak paralel karma sistem, daha
düşük emisyonlar ve yakıt tüketimi elde edebilmek için elektrikle desteklenmiş içten
yanmalı bir araç modelidir. Elektrik motoru, rejeneratif frenleme esnasında ya da
içten yanmalı motorun verdiği gücün, tekerlekleri tahrik edecek güç ihtiyacından
fazla olduğu anlarda, aküleri şarj etmek için bir generator olarak kullanılabilir. Seri
karma elektrikli araçtan üstünlüğü, içten yanmalı motor ve elektrik motoru gibi
sadece iki tahrik elemanına ihtiyaç duymasıdır. Seri karma sisteme göre bir diğer
avantajı ise aynı performansı elde edebilmek için daha küçük bir içten yanmalı motor
ve elektrik motoru kullanılabilir. Uzun yol uygulamasında bile, sadece içten yanmalı
11
motor gerekli maksimum güç için boyutlandırılmaya ihtiyaç duyulurken, elektrik
motoru hala yarısı kadar boyutlandırılabilir.
Şekil 3.3 Paralel karma elektrikli araç çalışma durumları
Paralel karma elektrikli araçtaki dört çalışma durumu Şekil 3.3’te gösterilmiştir.
Kalkış ya da ivmelenme sırasında, içten yanmalı motor ve elektrik motorunun ikisi
de aracı tahrik etmek için gerekli gücü orantılı olarak paylaşırlar. Genel olarak, içten
yanmalı motor ve elektrik motoru arasındaki nispi dağılım %80-20’dir. Normal sürüş
sırasında, aracı tahrik etmek için gerekli gücü tek başına sağlarken elektrik motoru
kapalı durumdadır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, elektrik motoru generator
olarak çalışıp çevirici üzerinden aküleri şarj eder. Aynı zamanda, içten yanmalı
motor ve elektrik motoru aynı şafta bağlantılı olduğu için araç düşük yüklerdeyken
aküler, içten yanmalı motor tarafından elektrik motoru aracılığıyla şarj edilebilir.
Honda Insight karma elektrikli aracında bu enerji akış kontrolü kullanılmıştır.[2]
12
3.1.2.3 Seri-paralel karma kontrol
Seri-paralel karma sistem, seri ve paralel karma elektrikli araçların her ikisinin de
özelliklerini gösterirken, seri ile karşılaştırıldığında ilave bir mekanik bağlantı,
paralel ile karşılaştırıldığında ilave bir generator içerir. Her iki sistemin avantajlı
özelliklerine sahip olmasına rağmen, seri-paralel karma elektrikli araç göreceli olarak
daha karmaşık ve maliyetlidir. Bununla birlikte, kontrol ve üretim teknolojilerindeki
gelişmelerle birlikte bazı modern karma elektrikli araçlarda uygulanmaktadır.
Şekil 3.4 Seri-paralel karma elektrikli araç ( İYM ağırlıklı) çalışma durumları
13
Seri-paralel karma sistem, seri ve/veya paralel karma sistemin özelliklerini içerir.
Bundan ötürü, enerji akışı kontrolünü gerçekleştirmek için olası birçok çalışma
durumu mevcuttur. Basit olarak, bunları içten yanmalı motor ağırlıklı ve elektrik
ağırlıklı olarak iki gruba ayırabiliriz. İçten yanmalı motor ağırlıklı sistem, içten
yanmalı motorun elektrik motorundan daha aktif olduğunu gösterirken, elektrik
ağırlıklı sistem elektrik motorunun daha aktif olduğunu göstermektedir.
Şekil 3.4, altı çalışma durumunun bulunduğu içten yanmalı motor ağırlıklı seriparalel karma sistemi göstermektedir. Kalkış anında, aküler aracı tahrik etmek için
gerekli gücü tek başına sağlarken içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme
sırasında hem içten yanmalı motor, hem elektrik motoru aracı tahrik etmek için
gerekli gücü orantılı olarak bölüşürler. Normal sürüş sırasında, içten yanmalı motor
gerekli gücü tek başına sağlarken, elektrik motoru kapalı durumdadır. Frenleme ya
da yavaşlama sırasında elektrik motoru generator olarak çevirici üzerinden aküleri
şarj eder. Sürüş sırasında aküyü şarj etmek için, içten yanmalı motor, hem aracın
tekerleklerini tahrik eder, hem de generator aracılığıyla çevirici üzerinden aküleri şarj
eder. Aracın durduğu durumlarda, içten yanmalı motor aküleri şarj etmek için
generatoru tahrik edebilir. Nissan Tino karma elektrikli aracında bu enerji akış
kontrol sistemi uygulanmıştır.
Şekil 3.5, altı çalışma durumunun bulunduğu elektrik ağırlıklı seri-paralel karma
sistemi göstermektedir. Kalkış anında ve düşük yüklerde, aküler aracı tahrik etmek
için elektrik motorunu beslerken içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme
ve normal sürüş durumunda, içten yanmalı motor ve elektrik motoru ikisi birden
çalışarak aracı tahrik ederler. Anahtar farklılık, ivmelenme için kullanılan elektrik
enerjisi, hem generator hem de aküden gelirken, normal sürüş sırasında yalnızca
içten yanmalı motor tarafından tahrik edilen generator tarafından gelir. Bir planet
dişlisi (planetary gear) içten yanmalı motorun çıkışını ayırmak için kullanılarak, aracı
tahrik etmek ve generatoru tahrik etme işlevlerini gerçekleştirilir. Frenleme ya da
yavaşlama sırasında, elektrik motoru generator olarak çalışarak aküleri çevirici
üzerinden şarj eder. Aynı zamanda, sürüş sırasında aküleri şarj etmek için içten
yanmalı motor bir yandan generatoru tahrik ederken bir yandan da aracın tekerlerini
tahrik eder. Araç dururken, içten yanmalı motor aküleri şarj edebilsin diye generatoru
tahrik edebilir. Toyota Prius karma elektrikli aracı bu sistemi uygulamaktadır.[2]
14
Şekil 3.5 Seri-paralel karma elektrikli araç(elektrik ağırlıklı) çalışma durumları
3.1.2.4 Kompleks karma kontrol
Adıyla da belirtildiği gibi, bu sistem diğer üç sınıflandırmaya dahil edilemeyecek
kompleks bir konfigürasyon içerir. Kompleks karma, seri-paralel karma ile benzer
görülmekle birlikte generator ve elektrik motorunun ikisi de elektrik makinasıdır.
Bununla birlikte, esas farklılık kompleks karma sistemde elektrik motoru çift yönlü
enerji akışı yaparken, seri-paralel karmada generator tek yönlü enerji akışı
15
sağlamaktadır. Bu çift yönlü enerji akışı, çok çeşitli çalışma durumlarına imkan
tanırken, özellikle seri-paralel karma sistem tarafından gerçekleştirilemeyen üçlü
tahrik(içten yanmalı motor ve iki elektrik motoru) çalışma durumunu gerçekleştirir.
Seri-paralel karma elektrikli araca benzer şekilde, kompleks karma sistem yüksek
derecede karmaşıklık ve yüksek maliyete sahiptir. Bununla birlikte, bazı yeni karma
elektrikli araçlarda çift akslı tahrik sistemi bulunmaktadır.
Şekil 3.6 Kompleks karma (ön karma, arka elektrikli) elektrikli araç
16
Kompleks karma kontrolün geliştirilmesi, karma elektrikli araçlar için çift akslı
tahrik sistemi üzerine odaklanmıştır. Bu sistemde, ön tekerleklerin aksı ve arka
tekerleklerin aksı ayrı ayrı tahrik edilmektedir. Ön tekerlekler ve arka tekerlekler
arasında bir aktarım ya da tahrik şaftı olmadığından, bu durum daha hafif bir tahrik
sistemine ve araç içerisinde yerleştirme esnekliğine imkan tanır. Bununla birlikte,
dört tekerde yapılan rejeneratif frenleme, aracın yakıt verimliliğini ve dolayısıyla
yakıt ekonomisini önemli derecede arttırır.
Şekil 3.6’da, ön tekerleklerin karma bir sürüş sistemi ve arka tekerleklerin de bir
elektrik motoru tarafından tahrik edildiği çift akslı bir kompleks karma sistem
görülmektedir. Bu sistemde altı çalışma durumu vardır. Kalkış anında, akülerden
çekilen enerji ile ön ve arka elektrik motorları, aracın ön ve arka akslarını ayrı ayrı
tahrik ederken, içten yanmalı motor kapalı durumdadır. İvmelenme sırasında, içten
yanmalı motor ve ön elektrik motoru birlikte çalışarak ön aksı tahrik ederken, arka
elektrik motoru da aynı zamanda arka aksı tahrik etmektedir. Bu çalışma durumunun
üç tahrik elemanı(bir içten yanmalı motor ve iki elektrik motoru) kullanılarak eş
zamanlı bir şekilde aracı tahrik ettiğine dikkat edilmelidir. Normal sürüş ve/veya akü
şarjı sırasında, içten yanmalı motorun çıkış enerjisi bölünerek hem ön aksı tahrik
eder, hem de elektrik motorunu(generator olarak çalışan) tahrik ederek aküyü şarj
eder. İçten yanmalı motor, ön elektrik motoru ve ön aksı birbirine akuple etmek için
kullanılan mekanik bağlantı elemanı genellikle planet dişli esasına dayanır. Düşük
yüklerde sürüş sırasında, akülerden çekilen enerjiyle sadece ön elektrik motoru
çalıştırılarak ön aks tahrik edilirken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru
kapalı durumdadır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, ön ve arka elektrik motorları
ikisi birden aynı anda generator olarak çalışarak aküleri şarj ederler. Bu çift akslı
sistemin kendine has bir özelliği, akslar arasındaki enerji dengeleme kapasitesidir.
Ön tekerleklerin tahrik edilmeden döndüğü durumlarda, ön elektrik motoru generator
olarak çalışarak, içten yanmalı motorun çıkış gücündeki değişimleri kullanır ve
aküleri şarj eder. Bu güç farkı, daha sonra aküler üzerinden arka tekerlekleri tahrik
ederek aksları dengelemek için kullanılır. Toyota Prius karma elektrikli aracının
geliştirilmiş üst versiyonu, THS-C olarak adlandırdıkları bu enerji akış kontrol
modelini kullanmaktadır.
17
Şekil 3.7’de, ön tekerleklerin bir elektrik motoru ve arka tekerleklerin de karma bir
sürüş sistemi tarafından tahrik edildiği çift akslı başka bir kompleks karma sistem
görülmektedir. Araç tahrik sisteminde altı çalışma durumu mevcuttur.
Kalkış anında akülerden çekilen enerji ile sadece ön elektrik motoru çalışarak aracın
ön aksını tahrik ederken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru kapalı
durumdadır. Araç hareket ettikten sonra, akü aynı zamanda arka elektrik motoruna
Şekil 3.7 Kompleks karma (ön elektrikli, arka karma) elektrikli araç
18
enerji ileterek, içten yanmalı motorun hızının artmasını çabuklaştırır ve böylece içten
yanmalı motor çalışır. İvmelenme sırasında, ön elektrik motoru ön aksı tahrik
ederken, içten yanmalı motor ve arka elektrik motoru birlikte çalışarak arka aksı
tahrik eder. Böylece, bu çalışma durumunda üç tahrik elemanı(bir içten yanmalı
motor ve iki elektrik motoru) kullanılarak eş zamanlı bir şekilde araç tahrik edilir.
Normal sürüş sırasında, içten yanmalı motor aracın arka aksını tahrik etmek için tek
başına çalışır. Frenleme ya da yavaşlama sırasında, hem ön hem de arka elektrik
motoru generator olarak çalışarak aküleri şarj ederler. Sürüş sırasında akü şarjı için,
içten yanmalı motorun enerji çıkışı bölünerek, hem arka aksı tahrik eder hem de arka
elektrik motorunu tahrik ederek onu generator olarak çalıştırıp aküleri şarj eder. GM
Precept karma elektrikli aracı bu enerji akış kontrol sistemini kullanmaktadır.
Elektrik Motorları
3.2
Elektrikli tahrik sistemi, karma elektrikli aracın kalbi olarak nitelendirilebilir.
Elektrikli tahrik sistemi, motor sürüş sisteminden aldığı hareket enerjisini
transmisyon üzerinden tekerlere iletir. Bazı durumlarda, transmisyon olmadan
tekerler doğrudan elektrik motoru tarafından sürülebilir. Elektrik motoru, güç
elektroniği anahtarlama elemanları ve elektronik kontrol ekipmanlarından oluşan
motor sürücüsü, karma elektrikli araç tahrik sisteminin çekirdeğini oluştururlar.
Karma elektrikli araçtaki elektrik motor sürüş sisteminin ana gereksinimleri aşağıda
özetlenmiştir.

Yüksek anlık güç ve yüksek güç yoğunluğu

Kalkış ve yokuş tırmanma durumları için düşük hızlarda yüksek moment;
normal seyir sırasında yüksek hızlarda yüksek güç

Sabit moment ve sabit güç bölgelerini içeren çok geniş hız aralığı

Moment ihtiyacına hızlı cevap verebilme

Geniş hız ve moment aralıklarında yüksek verim

Rejeneratif frenleme için yüksek verim

Aracın değişik çalışma koşulları için yüksek güvenirlik ve sağlamlık

Kabul edilebilir seviyede maliyet
Karma elektrikli araçlardaki elektrik tahrik sistemlerinin seçimi, esas olarak üç
faktöre bağlıdır. Bunlar; sürücünün beklentileri, araç kısıtları ve enerji kaynaklarıdır.
19
Sürücünün beklentileri; ivmelenme, en yüksek hız, tırmanma kabiliyeti, frenleme ve
menzil özelliklerini içeren sürüş profili ile tanımlanır. Araç kısıtları; aracın çeşidine,
araç ağırlığına ve aracın taşıdığı yüke bağlıdır. Enerji kaynakları ise; aküler, yakıt
pilleri,
süperkapasitörler,
volanlar(flywheel)
ve
değişik
karma
kaynaklarla
ilgilidir.[3]
Aracı tahrik etme görevini yerine getiren elektrik motorları, araç üzerindeki enerji
kaynaklarından aldıkları elektrik enerjisini, araç yüklerine göre, uygun moment ve
hız gereksinimlerini karşılayacak şekilde mekanik enerjiye çevirir. Etkili bir
uygulama için, sürüş sisteminin genel gereksinimleri ve kullanıldığında araç üzerinde
ortaya çıkan etkileri Tablo 3.1’de verilmiştir. Araçtaki gereksinimlere göre, teknik ve
ekonomik faydalar değerlendirilip bir seçim yapılır. Seçilen teknolojinin olgunluğu
ve uygulama için ilave mühendislik ve dizayn değerlendirmesi gerekliliği de ek
olarak göz önüne alınır.[4]
Tablo 3.1 Elektrik tahrik sisteminden beklentiler ve sonuçları
Gerekli özellik
Sürekli ve yumuşak sürüş cevabı
Yüksek verim
Frenleme esnasında enerji kazanımı
Tekerleklere gelen yüksek özgül güç
Araca entegre etmeye uygunluk
Düşük bakım ihtiyacı
Güvenirlik
Düşük ilk maliyet
Düşük gürültü
Sonuçlar
Sürüş konforu
Menzil, Enerji tasarrufu
Enerji tasarrufu
Araç performansı, ağırlık
Araç yapısı
Düşük işletme maliyeti
Ömür çevrim maliyeti,Kullanıcı kabulü
Ömür çevrim maliyeti
Sürüş konforu
Elektrik tahrik sistemlerinin gelişimi, değişik teknolojilerdeki büyümeye; özellikle
elektrik motorları, güç elektroniği, mikro elektronik ve kontrol stratejisi
teknolojilerine bağlıdır. Şekil 3.8, elektrik tahrik sistemlerine genel bir bakış altında,
elektrik motor çeşitlerini, bilgisayar destekli tasarım metodolojilerini, güç elektroniği
elemanları ve topolojilerini, kontrol donanımları, yazılımları ve stratejilerini
göstermektedir. Günümüzde motor teknolojisi ile ilgili olarak; sonlu elemanlar
yöntemiyle bilgisayar destekli tasarım analizi yapılan asenkron motorlar ve sürekli
mıknatıslı fırçasız motorlar en elverişli pozisyonda olanlardır. Güç elektroniği
teknolojisinde, darbe genişlik modülasyonlu IGBT eviriciler en popüler olanlarıdır.
20
Kontrol teknolojisinde ise mikroişlemci veya dijital sinyal işlem tabanlı vektör
kontrolleri oldukça yaygındır.
Moment-hız
karakteristiklerinin,
aracın
tahrik
gereksinim
karakteristiğine
uymasından ve hız kontrollerinin basit olmasından dolayı doğru akım motorları
eskiden beri elektrik tahrik sistemlerinde önemli bir yere sahiptir. Bununla birlikte,
doğru akım motorlarında bulunan komütatör düzenli bakım gerektirmektedir.
Günümüzde, komütatörsüz motorlar teknolojik gelişmeler ile yeni bir çağ açmış ve
daha yüksek verim, daha yüksek güç yoğunluğu, daha düşük işletme maliyeti ve
doğru akım motorlarına göre daha az bakım ve daha çok güvenirlik sunmaktadır.
Şekil 3.8 Karma elektrikli araç elektrik tahrik sisteminin genel görünümü
Yüksek güvenirlik ve bakımsız işletme koşulları, karma elektrikli araçlardaki elektrik
tahrik sisteminde dikkat çeken konular haline gelince, komütatörsüz motorlar daha
etkileyici hale gelmiştir. Asenkron motorlar, olgunlaşmış teknolojileri, yüksek
güvenirliği ve bakım gereksinimi olmama özelliği ile karma elektrikli araç tahrik
sistemleri olarak geniş bir kabul görmüşlerdir. Bir değişik alternatif olarak, sürekli
mıknatıslı fırçasız motorlar, magnetik alanı üretmek için sürekli mıknatıs
kullandıklarından ötürü umut vadetmektedirler. Böylelikle, yüksek verim ve yüksek
güç yoğunluğu elde edilebilmektedir. Anahtarlamalı relüktans motorlar, basit ve
sağlam yapılarından dolayı bu alanda potansiyel göstermektedir. [2]
21
Elektrik motorları her zaman uygulamanın gerektirdiklerinin bir fonksiyonu olarak
değerlendirilmelidir. Örneğin, bir motor diğer çeşit motorlara göre belirli çalışma
bölgelerinde daha verimliyken, bazı çalışma bölgelerinde daha verimsiz olabilir. İyi
bir karşılaştırma yapabilmek için, sadece maksimum verimlerini karşılaştırmamak,
belirli bir hızdaki çalışma bölgesine göre verim haritasına da bakmak gereklidir.
Tablo 3.2’deki karşılaştırma, sürekli mıknatıslı motorların elektrikli araçlar için
avantajlı
olduğunu
göstermektedir.
Gerçekten,
sürekli
mıknatıslı
motorlar
performans göstergelerinde önemli birçok özelliğe sahiptirler. Fakat üretim maliyeti
göz önüne alındığında, mıknatısların yüksek maliyeti ve motorun göreceli olarak
yapımındaki karmaşıklık hesaba katılmalıdır. Fiyat esas alınırsa, genel sonuçlarda
asenkron motorlar avantajlı görülecektir. Bununla birlikte, anahtarlamalı relüktans
motoru da çeşitli uygulamalar için dikkat çeken bir motordur.[5]
Tablo 3.2 Karma elektrikli araçlardaki elektrik motorlarının değerlendirilmesi
Motor Tipi
Motor boyut
ağırlık
Yüksek hız
Dayanım,
bakım
Verim
Kontrolör
boyut ağırlık
Kontrol
kolaylığı
Güç
elemanları
sayısı
Güvenirlilik
Toplam
Asenkron
motor
Sürekli
mıknatıslı
motor
Anahtarlamalı
relüktans
motoru
Doğru
akım
motoru
Senkron
motor
0
+
0
-
0
+
+
+
-
-
+
0
+
-
-
0
+
0
-
0
0
0
0
+
0
+
+
-
+
0
0
0
+
+
0
0
+++
0
++++
0
++
0
--
0
--
İlk elektrikli araç prototiplerinin çoğunda seri uyarmalı ya da elektronik kıyıcılar
tarafından kontrol edilen dıştan uyarma devreli doğru akım motorları bulunmaktaydı.
Şekil 3.9’da, dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi görülmektedir.
Tasarım şekilleri ve ekonomik kısıtlar fırçalı teknolojinin seçimini desteklemiştir.
Seri motorlar sadece bir DC/DC çevirici ünitesine ihtiyaç duyarlar. Elektrikli
araçlarda
seri
bir
motor
kullanıldığında,
22
klasik
sabit
moment-sabit
güç
karakteristiğinden çok spesifik moment hız eğrisi esas alınır. Frenleme ve geri yönde
sürüş için, devrede ilave elemanlara ihtiyaç duyulur, çünkü alan ya da armatür
bağlantılarının değişmesi gereklidir. Bunu yapmak için en az dört anahtarlama
elemanına ihtiyaç vardır. Frenleme için, sürüş sistemi kararsızlık durumuna karşı
korunmalıdır.
Dıştan uyarmalı DC motorlar, seri uyarmalı motorlarla karşılaştırıldığında ilave bir
kontrole ihtiyaç duyarlar. Alan akımı, armatür akımından bağımsızdır. Bu düşük
akım çoğunlukla bir tranzistörlü alan akım kıyıcısıyla kontrol edilir. Bu durumda,
sabit moment-sabit güç çalışma alanı sistematik olarak 1/4’lük bir hız oranına
indirgenir. Geri sürüşlerde, iki bölgeli kıyıcı bir devre ile armatür akımı ters çevrilir.
Şekil 3.9 Dıştan uyarmalı doğru akım motoru sürücü devresi
Günümüz bakış açısıyla, IGBT’ler elektrikli araçlarda en yaygın kullanılan
elemanıdır.
anahtarlama
Sadece,
akü
gerilimlerinin
düşük
olduğu(100V)
çeviricilerde ve çok yüksek frekanslı çeviricilerde(DC/DC çevirici, şarj devresi)
MOSFET anahtarlar görülmektedir. Bununla birlikte, son yıllarda yarı iletken
anahtarlardaki erişilebilirliğin artması, tasarım tekniklerinin ve maliyetlerin azalması
dolayısıyla
güç
elektroniği
teknolojisindeki
gelişmeler
fırçasız
motorların
geliştirilmesi yolunu açmıştır. Bu durum motor tasarımcılarını, motorun dönüş hızı,
akımı ve bakım gereksinimi kısıtlarında rahatlatarak sürüş sisteminin verimliliği,
ağırlığı ve tasarım esnekliği konularında olumlu etkiler yaratmıştır.
Elektrik makinalarındaki ve sürüş sistemlerindeki gelişmeler, istenen moment-hız
karakteristiğine ulaşmak için, motor tipine ve uygulamanın gerekliliklerine göre,
gerilim, akım, uyarma akımı, vektör kontrolü gibi değişik kontrol çözümleri
getirmiştir.[4]
23
3.2.1
Asenkron motorlar
Asenkron motorlar, günümüzde değişik komütatörsüz motorlar arasında en
olgunlaşmış teknolojiye sahiptir. Şekil 3.10, asenkron motorun sabit moment, sabit
güç ve yüksek hız çalışma bölgelerinden oluşan çalışma karakteristiğini
göstermektedir.
Karma elektrikli araç tahrik sisteminde, asenkron motorun dinamik performansını
geliştirmek amacıyla genellikle vektör kontrolü tercih edilir. Vektör kontrolü,
nominal hızın üç-dört katına varan geniş bir hız aralığında çalışma imkanı sunsa da,
yüksek hızlardaki verim buna orantılı olarak azalmaktadır.[3]
Şekil 3.10 Asenkron motorun çalışma karakteristik eğrisi
Asenkron bir makinanın çalışma prensibi, değişken bir stator alanı ile rotor-stator
arasındaki hız farkından kaynaklanan, rotorda indüklenen akıma bağlı alan
arasındaki etkileşim esasına dayanır. Değişken hız sürücülerinde, evirici, darbe
genlik modülasyonu tekniğini kullanarak(PWM), DC besleme kaynağını üç fazlı
gerilime, değişken frekans ve genlikteki sinüzoidal kaynağa çevirir. Toplam mekanik
çıkış, farklı frekanslardaki makine karakteristiklerinin birbirini izlemesi sonucu
oluşur. Faz akımının moment ve alan bileşenleri üzerindeki değişiklik imkanı, bir
tahrik karakteristiği gerçekleştirme imkanı verir. Asenkron motorlar, günümüzdeki
elektrikle
tahrik
edilen
araçların
teknik
ve
ekonomik
gereksinimlerini
karşılayabilecek bir çözümdür. Bütün hız karakteristiği boyunca verimleri yeteri
24
derecede iyidir. Normal çalışma koşulları altında verimleri %80-86 arasındadır.
Maksimum çalışma hızları yüksektir. Örneğin binek araçları için 30-50 kW
arasındaki motorlarda 15000 d/d(devir/dakika)’ya kadar çıkmaktadır. Yüksek hız
kabiliyeti, bir dişli kutusu ihtiyacı doğurmaktadır. Fakat böylece, aşağıdaki
özelliklere sahip olan bir tasarım haline gelmektedir.

Düşük ağırlık ve hacim

Aynı boyutlardaki bir DC motora göre daha yüksek özgül güç

Akı zayıflatma bölgesi yeterince geniş(sabit moment bölgesi üç ya da dört
katına çıkmakta), böylelikle elektronik çeviriciyi boyutlandırırken gücün
önemli derecede azalması

Sensörsüz teknikler kullanılarak pozisyon algılayıcılarından kaçınma

Sağlamlık ve üretim kolaylığı

Düşük üretim maliyeti

Moment üretim tekniği ve sürekli mıknatısların olmayışı, sürüş sisteminin
arızalarını toleranslı hale getirmektedir.[5]
L
V dc
M
3~
C
Şekil 3.11 Asenkron motorlar için evirici devresi
AC motorlar, sinüzoidal bir gerilim tarafından ya da bazı uygulamalarda trapezoidal
bir gerilim ile sürülmeye ihtiyaç duyarlar. Bu durum, darbe genişlik modülasyonu
modunda çalışan bir üç fazlı eviricinin DC gerilim kaynağı ile beslenmesiyle
gerçekleşir. Şekil 3.11’de asenkron motorları sürmek için kullanılan bir evirici
devresi görülmektedir.
Elektrikli araçlar için tasarlanan günümüz eviricilerinde bipolar tranzistörler,
MOSFET’ler ve çoğunlukla IGBT’ler kullanılmaktadır. Üç fazlı tam köprü düşük
25
akım modülleri uygun fiyatlara mal edilebilmektedir. Evirici kontrol ünitesi üç fazlı
gerilim üretmektedir. Rejeneratif frenleme ya da ters yönde sürüş, ilave bir yarı
iletken anahtara ihtiyaç duymadan gerçekleştirilir. Alan kontrolü her zaman
uygulanmaz. Göreceli olarak daha düşük frekanslardaki DC kıyıcı devrelerle
karşılaştırıldığında eviriciler, akülerdeki akım darbelerini azaltmak için daha büyük
bir filtreye ihtiyaç duyarlar. Şekil 3.11’de gösterilen evirici devresi senkron motorlar
için de kullanılır.[6]
3.2.2
Sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar
Diğer modern motor sürüş sistemlerinin arasında, asenkron motor sürüş sistemi ile
yarışmaya en kabiliyetli olan sistem, sürekli mıknatıslı fırçasız motorlardır. Bu
sistemin avantajları aşağıda sıralanmıştır.
Şekil 3.12 Sürekli mıknatıslı fırçasız motor moment-hız karakteristiği

Magnetik alan, yüksek enerjili sürekli mıknatıslar tarafından uyarıldığından
dolayı, belirli bir çıkış gücü için toplam ağırlık ve hacim önemli derecede
düşürülerek daha yüksek güç yoğunluğu elde edilir.

Rotor bakır kayıpları olmadığından dolayı, verimleri doğal olarak asenkron
motorlardan daha yüksektir.

Sıcaklık esas olarak statorda meydana geldiği için, etrafa dağıtılması daha
yüksek verimle yapılabilir.

Sürekli mıknatısla uyarma, üretim hataları riskinden, aşırı ısınmadan veya
mekanik hasardan daha az etkilendiğinden güvenilirliği daha yüksektir.
26

Rotorun daha düşük elektromekanik zaman sabitinden dolayı, belirli bir
güçteki rotor ivmelenmesi arttırılabilir.
Sürekli mıknatıslı fırçasız motorun hız aralığını arttırmak ve verimliliğini geliştirmek
için güç elektroniği çeviricisinin iletim açısı, nominal hızın üzerinde kontrol
edilebilir. Şekil 3.12, sürekli mıknatıslı fırçasız motorun iletim açısı kontrolü
yapılarak elde edilen moment-hız karakteristiğini göstermektedir. Hız aralığı,
nominal hızın üç ila dört katına kadar ulaşılabilir. Bununla birlikte, çok yüksek
hızlarda verim düşebilir, sürekli mıknatıs demagnetizasyondan ve olası hatalardan
etkilenebilir. Değişik yapılarda sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar mevcuttur. Sürekli
mıknatısın düzenlenişine göre, temel olarak yüzeye monteli ya da gömülü mıknatıs
motor tipleri bulunmaktadır. Yüzey mıknatıs tasarımlı motorlarda daha az mıknatıs
kullanılırken, gömülü mıknatıs tasarımlar daha yüksek hava aralığı akı yoğunluğuna
ulaşabilirler. En çok kullanılan sürekli mıknatıs neodmiyum-demir borondur. Sürekli
mıknatıslı karma motor olarak adlandırılan bir başka motor çeşidi, hava aralığı
magnetik alanını, sürekli mıknatıs ve alan sargısının birleşiminden elde eder. Sürekli
mıknatıslı karma motorlar, daha geniş hız aralığı ve daha yüksek verim sunarken
yapısı daha karmaşıktır.[3]
Günümüzde kullanılan bazı sürekli mıknatıslı motorlar, trapezoidal dağıtılmış
magnetik alana sahiptir. Çok fazlı sargılar buna karşılık bir eviriciye bağlıdır. Bu
yüzden sürekli mıknatıslı motorlar, elektronik olarak komütatörlü ya da fırçasız DC
motor olarak adlandırılır. Sargılar, bir alan bölümü altında anahtarlanabilir ya da
magnetik alan dağıtımına adapte edilebilir. Ancak, fazların sayısının artması ile
birlikte yarı iletken anahtarların sayısı da artar. Bu yüzden, üreticiler üç fazlı
motorları tercih etmektedirler. Sürekli mıknatıslı motor eviricisinin güç kısmı,
asenkron motorlar için tasarlanan eviricilere benzerdir. Evirici kontrolünde sürekli
mıknatıslı motorlar için özel bir durum göz önünde bulundurulmalıdır. Kutupların
pozisyonları, bir algılayıcı sistemi ile ya da motor gerilimi ile kontrol edilmelidir.
Asenkron motorlar ya da dıştan uyarmalı doğru akım motorlarla karşılaştırıldığında,
anma hızının üzerindeki bir aralıkta çalışma durumu basit değildir. Bu durumda,
kontrol reaktif akım ile ya da daha büyük bir kutup açısı ile gerçekleştirilebilir.
Frenleme bölgesinde çalışma mümkündür. Sabit moment ve sabit güç çalışma
bölgesi arasındaki oran asenkron motorunkinden biraz farklı olacaktır.[6]
27
3.2.3
Anahtarlamalı relüktans motoru
Anahtarlamalı relüktans motorlarının karma elektrikli araç uygulamaları için
potansiyele sahip olduğu görülmektedir. Anahtarlamalı relüktans motorlar, basit
yapı, düşük üretim maliyeti avantajlarına sahiptirler ve elektrikli araç tahrik sistemi
için
moment-hız
karakteristiğini
karşılamaktadırlar.
Konstrüksiyonlarındaki
basitliğine karşın, tasarım ve kontrolünde basitlik içermez. Kutup uçlarındaki şiddetli
doyma ve kutupların saçak etkisinden dolayı, tasarım ve kontrolü zor ve inceliklidir.
Aynı zamanda, genellikle akustik gürültü problemi gösterirler. [3]
T13
T24
Vdc
L1
T1
L3
L2
T3
L4
T2
T4
Şekil 3.13 Anahtarlamalı relüktans motoru için evirici devresi
Anahtarlamalı relüktans motoru, düşük güçlerdeki yüksek verimliliğinden ve düşük
malzeme maliyetinden dolayı elektrikli araçlar için önerilmektedir. Çeşitli kontrol
tipleri mevcuttur. Basit anlamda, her bir bobin iki yarı iletken anahtar arasında
bağlıdır. Sadece bir akım yönü gerekliliği vardır. Birden çok fazlı anahtarlamalı
relüktans motorunda, bazı bobinler için çeviricinin içerisinde bir kombinasyon
gerçekleştirilebilir. Şekil 3.13’te dört fazlı anahtarlamalı relüktans motoru için altı
yarı iletken anahtarlı bir çevirici görülmektedir.[6]
3.3
Yakıt Pilleri
Araçlarda kullanılan içten yanmalı motorun daha verimli, daha düşük emisyonlu
alternatif
güç
kaynaklarıyla
değiştirilebilme
olasılığı
1960’lardan
beri
düşünülmektedir. O zamandan beri, yakıt pillerinin, içten yanmalı motorun
yapabileceklerinin benzerini veya daha iyisini yapabilme kabiliyetine sahip olduğu
geniş kabul görmüştür. Bu görüş, bugün çoğunlukla desteklenmektedir. Yakıt pili
1839 yılında William Grove tarafından keşfedilmiştir. İçten yanmalı motorlardaki
Carnot çevriminin verimiyle kıyaslandığında, yakıt pillerinin verimliliği daha yüksek
olduğundan dolayı yakıt pillerinin araç uygulamalarında yer edineceği ilk kez
Wilhelm Ostwald tarafından öne sürülmüştür. Yakıt pili teknolojisinin araç
28
uygulamaları ve sabit uygulamaları alanında 20.yüzyılda önemli rönesanslar
gerçekleşmiştir. 1950 ve 1960’lı yıllarda, sanayileşmiş ülkelerde, şehir hava
kalitelerinin kötüye gitmesinden dolayı yakıt pillerinin temiz emisyonları, etkileyici
bir özellik haline gelmiştir. 1970’lerdeki petrol krizi de, yüksek verimli yakıt pilinin,
araç uygulamalarında, içten yanmalı motorun yerini almasını desteklemiştir. Ne
yazık ki, o yıllarda yakıt pillerinin maliyetlerinden dolayı içten yanmalı motorla boy
ölçüşemediği görülmektedir. 1990’lardan bugüne gelene kadar, artan bir ilgi ile yakıt
pillerinin araç uygulamalarında ticarileştirme çalışmaları devam etmektedir.
Yakıt pilleri, elektroaktif kimyasalları tüketerek enerji üretir, bu kimyasallar hücreye
sağlandığı sürece yakıt pili sürekli olarak enerji üretebilir. Bir yakıt pilini anlatmanın
en kolay yolu, elektrolizin tersi olduğunu söylemektir. En basit anlamda, hidrojen ve
oksijenin elektrokimyasal dönüşüm ile suya dönmesidir. Hidrojen, anotta hidrojen
iyonlarına ve elektronlarına ayrılır. Elektronlar, dış devre üzerinden katoda akar,
hidrojen iyonları elektrolit üzerinden katoda akarlar ve oksijen ile elektronlarla
reaksiyona girerek suyu oluştururlar. Teorik elektromotor kuvveti veya hidrojenoksijen hücresinin potansiyeli 1 atm, 25C standart koşullarda 1.23 V’dur. Ancak
pratik akım yoğunluklarında ve çalışma koşullarında bir hücrenin tipik gerilimi 0.70.8 V arasındadır. Bu yüzden, yakıt pilleri seri hücrelerin bağlanmasından oluşur.
Hidrojen, yakıt pili için ideal bir çevre kirletmeyen yakıt olarak görülmektedir.
Çünkü bütün yakıtlar arasında, birim ağırlık başına en yüksek enerjiye sahiptir ve
yakıt pili reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan ürün sadece sudur.[3]
Tablo 3.3 Önemli yakıtların teorik enerji karakteristikleri
Özgül enerji(Wh/kg)
Sıkıştırılmış hidrojen gazıa
33600
b
Sıvı hidrojen
33600
Magnezyum hidrid
2400
Vanadyum hidrid
700
Metanol
5700
Benzin
12400
a
Ortam sıcaklığında ve 20 MPa basınçta
b
Krojenik sıcaklıkta ve 0.1 MPa basınçta
Enerji yoğunluğu(Wh/l)
600
2400
2100
4500
4500
9100
Hidrojen, birincil bir yakıt olmadığı için, genellikle bir yakıt dönüştürücüsü
tarafından hidrokarbonlar, metanol ve kömür gibi çeşitli birincil yakıtlardan elde
edilir. Hidrojeni depolamanın üç ana yolu vardır. Bunlardan birincisi, sıkıştırılmış
29
gaz(compressed hydrogen gas-CHG) olarak depolamaktır. Sıkıştırılmış doğal gaza
benzer şekilde, sıkıştırılmış hidrojen gazı, 20-34.5 MPa basınçta fiberglasla
kuvvetlendirilmiş alüminyum tanklarda depolanabilir. İkinci olarak, kaynama
noktasının altına düşürülerek(-253C) sıvı hale getirilir ve krojenik tanklarda
depolanır. Üçüncü olarak, magnezyum ve vanadyum gibi bazı metallerle reaksiyona
girdirilerek metal hidridleri oluşturması sağlanır. Reaksiyon, geri çözünürlüğün
sıcaklığına bağlı olarak tersinirdir. Tablo 3.3, değişik formlarda depolanan hidrojeni,
sıvı metanol ve sıvı benzini içeren bazı önemli yakıtların teorik enerji içeriklerini
göstermektedir.
Tablo 3.4 Yakıt pillerinin karakteristikleri
PAFC
AFC
MCFC
SOFC
Çalışma
150-210 60-100 600-700 900-1000
Sıcaklığı (C)
Güç
yoğunluğu
0.2-0.25 0.2-0.3 0.1-0.2 0.24-0.3
(W/cm2)
Ömür(binsaat)
40
10
40
40
Maliyet
1000
200
1000
1500
(US$/kW)
Devreye alma
1-4
<0.1
5-10
zamanı(saat)
Verim
36-45
>50
43-55
43-55
PEMFC
DMFC
50-100
50-100
0.35-0.6
0.040.23
40
10
200
200
<0.1
<0.1
32-45 dolaylı
>50 doğrudan H2
-
Sıkıştırılmış hidrojen gazı, depolama, düşük ağırlık, düşük maliyet, olgunlaşmış
teknoloji ve yeniden yakıt haline hızlı gelme kabiliyetinin avantajlarını sunmakla
birlikte büyük hacimli boyutlar ve güvenlik yönünden dezavantajlıdır. Sıvı hidrojen,
yüksek özgül enerji ve yakıta hızlı dönüşme kabiliyetini birlikte sunarken pahalı
üretim ve gaz haline geçmedeki istikrarsızlık dezavantajlarını birlikte getirir.
Metalhidridler, kompakt boyutlar ve esas güvenlik özelliklerini sağlarken, çok
yüksek sıcaklıkta ayrışma sıcaklığı(magnezyum hidrid 287C) veya göreceli olarak
düşük özgül enerjiye(vanadyum hidrid 700Wh/kg) sahip olmanın sıkıntısını
çekmektedirler.
Yakıt pili sistemleri arasında yakıtın çeşidi, elektrolidin çeşidi, yakıt ve çalışma
sıcaklığının çeşidi gibi çok fazla sayıda değişken olduğundan dolayı literatürde
30
birçok sınıflandırma görülmektedir. Yakıt pillerinin altı çeşidi bulunmaktadır. Sabit
uygulamalar ve araç uygulamaları için geliştirilen bu çeşitler şunlardır.

Fosforik asit yakıt pili(phosphoric acid fuel cell-PAFC)

Alkali yakıt pili(alkaline fuel cell-AFC)

Ergimiş karbonatlı yakıt pili(molten carbonate fuel cell-MCFC)

Katı oksit yakıt pili(solid oxide fuel cell-SOFC )

Polimer elektrolit zarlı yakıt pili(polymer electrolyte membrane - proton
exchange membrane fuel cell-PEMFC)

Doğrudan metanollü yakıt pili(Direct methanol fuel cell-DMFC)
Bu sistemlerin bazı çalışma karakteristiklerinin bir özeti Tablo 3.4’te verilmiştir.
MCFC ve SOFC yüksek çalışma sıcaklıklarından dolayı, sırasıyla 600C ve 900C,
araç uygulamaları pratik olarak zorlaşmaktadır. DMFC, otuz yıldır geliştirilmekte
olmasına karşın bu teknoloji halen olgunlaşmamıştır. Elde edilen güç seviyesi ve güç
yoğunluğu pratik araç uygulamaları için çok düşüktür. Diğerleri, PAFC, AFC, PEM
tipi yakıt pilleri araç uygulamaları için teknik olarak mümkündür.
Şekil 3.14 Yakıt pilli karma elektrik araç uygulamasının şematik görünümü
PEM tipi yakıt pili teknolojisindeki gelişmelerle birlikte bu yakıt pilleri, elektrikli
araç uygulamalarında AFC’ye göre avantajlı hale gelmiştir. Bunun ana sebepleri,
31
yüksek güç yoğunluğu ve daha uzun çalışma zamanı, bununla birlikte düşük çalışma
sıcaklıklarını sağlamak ve ekonomik olarak maliyetlerinin daha düşük olmasıdır.
Böylelikle, elektrikli araçlar için yakıt pilleri konusunda günümüz araştırma
geliştirme çalışmaları PEM yakıt pilleri
üzerine odaklanmıştır. Şu anki
çalışmalardaki kilit nokta, katı polimer çekirdeğin ve platinyum elektrokalist
elektrotların malzeme maliyetlerini düşürmektir. Sıvı yakıtın belirgin avantajını elde
tutarken, DMFC’nin noksanlıklarından uzaklaşarak, metanol yakıtlı PEM yakıt
pilleri, elektrikli araçlar için giderek daha etkileyici hale gelmektedir.[7] Şekil
3.14’te yakıt pilli karma elektrikli araç sisteminin şematik görünümü ve Şekil 3.15’te
de araç üzerindeki uygulaması gösterilmiştir.[8]
PAFC, MCFC ve SOFC teknolojileri, yük dengeleme, ev ve ticari enerji üretimi ve
yedek güç gibi sabit uygulamalar için geliştirilmiştir. Bununla birlikte, PAFC’nin
otobüsler için bir güç kaynağı olarak kullanıldığı bazı çalışmalar yürütülmektedir. Bu
arada, BMW şirketi, katı oksit yakıt pilinin(SOFC), arabalarda, otobüslerde ve
kamyonlarda, araç hareket halinde olmadığı durumlarda ısıtma, klima ve elektrikle
yapılan işlemler için kullanılmasını araştırmaktadır.
Şekil 3.15 Yakıt pili sisteminin araç üzerindeki uygulaması
PEM yakıt pili, diğerlerine göre daha küçük boyutları ve devreye alma süresinin kısa
olmasından dolayı araç uygulamalarında özellikle dikkat çekmektedir. Bir aracı
enerjilendirmek için en basit ve en pratik PEM yakıt pili sistemi, yakıtın doğrudan
elektriğe çevrildiği doğrudan hidrojen veya doğrudan metanol uygulamalarıdır.
Hidrojen besleme altyapısının, güvenli ve verimli hidrojen depolama sistemlerinin
olmamasından dolayı, yakıt pilini uygun yakıta göre tasarlamak yaklaşımıyla,
32
halihazırda bulunan sıvı yakıtlardan benzin ve metanolün kullanımına gidilmektedir.
Bu yaklaşımın getirdiği sorun, yakıt piline saf hidrojen beslemek için yakıtı
dönüştüren küçük bir rafinerinin araç içine yerleştirilme ihtiyacıdır. Bununla birlikte,
yakıt pilinin katalitik elektrotlarının zehirlenmemesi için hidrojen hiç sülfür
içermemeli ve sadece milyonda birkaç karbonmonoksit bulundurmalıdır. Bu
teknoloji, bazı emisyonların üretimi, toplam sistem veriminde azalma ve sistem
karmaşıklığında artış gibi problemleri de beraberinde getirmektedir. Aslında, bu
sistemin tek avantajı bilinen bir yakıtın kullanılmasıdır. Ancak, kullanılacak benzin,
sülfür içermemelidir, bu da içten yanmalı motorda kullanılan yakıttan farklı olması
gerektiği anlamına gelir.
Bu sistemin aracı sürme kabiliyeti konusunda olduğu kadar, bu metod ve böyle bir
dolaylı sistemin toplam devreye alma süresi konusunda da kaygılar vardır. Sürüş
kabiliyeti, aracın gaz pedalına basıldığında duruş pozisyonundan yumuşak şekilde
hareket haline geçme kabiliyetidir. Doğrudan yakıt beslemesi olmayan dolaylı bir
yakıt pili sisteminin, yakıt işlemcisinin geçici hal cevabı, araç sürüş kabiliyetinin iyi
olmasını sağlayacak derecede hızlı olmalıdır. Birçok yönden, dolaylı bir sistem, yakıt
pilinin bilinen bir yakıtla çalıştırılmasında övgüye değer özellikler içermektedir.
Araçları tahrik etmek için kullanılan en basit ve en iyi yakıt pili sistemleri, ön bir
işlem ihtiyacı duyulmadan yakıtın doğrudan yakıt pili içerisinde dönüştürüldüğü
sistemlerdir. Buna aday dört sistem, doğrudan hidrojen beslemeli PEM tipi yakıt pili,
doğrudan hidrojen beslemeli AFC yakıt pili, doğrudan metanol yakıt pili ve sıvı asit
elektrotlu doğrudan hidrojen ya da metanol yakıt pilleridir.
DMFC’yi ele alacak olursak, halen üstesinden gelmesi gerekilen teknik zorluklar
bulunmakta ve ticarileşmekten en uzak olan tiptir. Özet olarak, DMFC, çözülmemiş
metanol tortularından dolayı platinyum esaslı elektrokatalistlerin zehirlenmesinden
zarar görür ve bu da hücre performansının düşmesine neden olur. Bu problemi
çözmek üzere, platinyum ile birleşmesi için daha etkili bir yardımcı katalizör
bulunması gerekir. Otuz yıl önce, platinyum-rutenyum alaşımlarla desteklenmiş
karbon malzemeler, metanolün elektro-oksidasyonu için en iyi katalizörlerdir. Bu
katalizör sistem en etkin olma özelliğini korumakla birlikte, birtakım gelişmeler
göstermiştir. 1970’lerdeki performans ile bugünkünü karşılaştırmak zordur. Ancak,
önceki çalışmalar PEM elektrolitten çok, sülfirik asit üzerinde yoğunlaşmıştır. PEM
33
elektrolitte, aynı zamanda metanolün hava elektroduna geçiş problemi mevcuttur.
Metanol, yüksek oranda suyla birleşmiş hidronyum iyonları tarafından transfer
edilerek çözüm yoluna gidilmiştir. Bu şekildeki geçiş sistem verimini düşürerek,
yakıtın hava buharında kaybına ve hava elektrodunun zehirlenmesine neden
olmaktadır. Metanol geçişinin, devirdayımlı sıvı sülfirik asit elektrodu ve uygun bir
çok küçük delikler içeren zar ile, bir katı PEM elektrolitine göre daha kontrol
edilebilir olduğu görülmüştür. Özetle, hem sıvı asit, hem de PEM tipi DMFC yakıt
pilleri diğer bütün direkt hidrojen sistemlerine göre ticarileşmekten daha uzak
görünmektedirler.
Direkt hidrojen tipi PEMFC yakıt pilleri etkileyici özellikler göstermektedir. Yüksek
sıcaklıklarda çalışan Ballard tipi sistemlerle ve ortam basıncına yakın çalışan IFC
sistemleriyle mükemmel sonuçlara ulaşılmıştır. Bununla birlikte, maliyete ilişkin
kesin bir veri yayımlanmamış olmasına rağmen toplam sistem maliyeti içten yanmalı
motorla yarışabilmek için halen çok pahalıdır. Gösterilen ilerlemelerle birlikte,
PEMFC yakıt pili sistemlerinin daha az pahalı hale gelmesi için olumlu olasılıklar
mevcuttur. Doğrudan hidrojen AFC yakıt pilleri çok fazla dikkat çekmemektedir.
AFC yakıt pillerinin basitlik ve ucuzluk faydalarını sundukları hakkında bir şüphe
olmamasıyla birlikte, asit sistemlerle karşılaştırıldığında malzeme seçiminde daha
fazla esneklik vardır. PEMFC yakıt pillerindeki pahalı platinyum katalistlerin tersine,
hidrojen ve hava elektrotları için düşük maliyetli temel metal katalistler
kullanılabilir. ZeTech, AFC yakıt pili sistemlerinin geliştirilmesinde oldukça etkin
bir rol oynamakta ve üretim için küçük montaj hatları oluşturmaktadır.
PEM yakıt pili ya da AFC yakıt pili sistemlerle tahrik edilen araçların
yaygınlaşmasının önündeki önemli iki engel, hidrojenin yakıt olarak kabul edilmesi
ve araç üzerinde uygun bir hidrojen depolama yönteminin eksikliğidir. Buna bağlı
olarak, hidrojeni kullanma sırasındaki güvenlik esasları ve bu gazın
büyük
miktarlarda taşınması ve dağıtımı için altyapının olmayışı problem noktalarıdır.
Araçların üzerinde hidrojen depolama konusu ikinci büyük teknik zorluktur. Kabul
edilebilir bir sürüş menzili sağlayabilmek için, tanklardaki sıkıştırılmış hidrojenin
basıncının 34 MPa’dan fazla olması gerekir. Bu depolama tankı aynı zamanda ağırlık
ve hacim dezavantajlarını beraberinde getirmektedir. Hidrojenin krojenik sıvı olarak
depolanması, -253C gibi bir sıcaklık gerektirmekte ve bu da sıvılaştırma sürecinde
34
Tablo 3.5 Yakıt pilli karma elektrikli araç demonstrasyonları
1991
Üretici
H Power,
Georgetown
Ünv., A.B.D.
Hükümeti
Ballard
1993
Enerji Ortakları
1994
Daimler-Benz
1996
Daimler-Benz
1997
Daimler-Benz
1998
Daimler-Benz
1997
Ballard
1996
1997
Toyota
Toyota
1997
Daimler-Benz
1997
Renault
1997
Mazda
1998
1998
Georgetown
Ünv.,Nova Bus,
US DoT
Zevco
1998
Opel(GM)
Londra
5 kW, alkalin*
Milenyum taksi
Zafira
50 kW, PEM*
PSA
Berlingo
GM
EV1 Yakıt Pili
Ford
Ford
Ford
Honda
Honda
Nissan
P2000 FCEV
P2000 SUV
P2000 FC5
FCX-V1
FCX-V2
Altra
Tarih
1990
Araç
Teknoloji
3 adet 9.1 metre 50 kW Fuji Electric,
otobüs
fosforik asit*
Yakıt, Menzil
Metanolden
hidrojen
9.8 metre
otobüs
“Green
car”spor
otomobil
Necar
Sıkıştırılmış
hidrojen
Sıkıştırılmış
hidrojen, 100 km
120 kW, Ballard PEM
15 kW, PEM
Sıkıştırılmış
hidrojen
Necar 2
Sıkıştırılmış
hidrojen, 250 km
Necar 3
Metanolden
hidrojen, 400 km
Necar 4
Sıvı hidrojen,
400 km
6 adet 12.2
Sıkıştırılmış
metre otobüs
hidrojen
RAV4
Hidrojen , 250 km
RAV4
Metanolden
hidrojen, 500 km
Nebus 12 metre 190 kW Ballard, PEM
Sıkıştırılmış
otobüs
hidrojen, 250 km
Laguna
30 kW, De Nora, PEM Sıvı hidrojen,
500 km
Demio
25 kW, PEM*
Metanolden
hidrojen, 170 km
12 metre otobüs 100 kW, International
Metanolden
Fuel Cells, fosforik asit* hidrojen, 550 km
60 kW, Ballard Mk 5,
PEM
50 kW, Ballard Mk 7,
PEM
50 kW, Ballard Mk 7,
PEM
50 kW, Ballard Mk 7,
PEM
205 kW, Ballard Mk 6,
PEM
10 kW, PEM*
25 kW, PEM*
Sıkıştırılmış
hidrojen, 150 km
Metanolden
hidrojen
30 kW yakıt pili, 20 kW Hidrojen,
NiMH akü
300 km
102 kW, 3~AC
Metanol
asenkron motor
67 kW
Hidrojen
Metanol
PEM yakıt pili
60 kW Ballard yakıt pili Hidrojen
60 kW Honda yakıt pili Metanol
30 kW PEM
Metanol
* Akü ya da başka enerji depolama elemanı içeren karma sistem
35
enerji tüketimi içermektedir. Metal hidridlerin içerisinde depolama yöntemi de
önerilmekle birlikte, bu sistem de ekstra ağırlık getirmekte ve aracın sürüş menzilini
kısıtlamaktadır.
Yakıt pilli araçların karma elektrikli araç olarak geliştirilmesi çalışmalarındaki temel
strateji, aracın verimliliğini arttırmak için akü ya da ultrakapasitör gibi bir enerji
depolama elemanı kullanarak yük dengelemektir. Böylelikle, yakıt pilini maksimum
güç ihtiyacı için boyutlandırma gereği ortadan kalkar. Bunun yerine, yakıt pili esas
olarak sabit çıkış gücünde çalışır ve çıkış gücü tahrik gücünden fazla olması
durumunda enerji depolama elemanını besler. Enerji depolama elemanı da
ivmelenme ve yokuş tırmanma durumlarında yüksek enerjiyi sağlarken,
araç
rejeneratif frenleme yaparken enerjiyi depolar. Özetle, bir araçta hangi yakıt pilinin
enerji kaynağı olarak kullanılacağı kararı, yakıt pilinin konvansiyonel yakıtlarla mı
yoksa yakıt pilinin en iyi özelliklerini göstereceği yakıtla mı çalıştırılacağına
bağlıdır. Tablo 3.5’de dünyadaki yakıt pilli karma elektrikli araç uygulamalarının
belli başlıları görülmektedir.[9]
3.4
Enerji Depolama Sistemleri
DOE(US Department of Energy), karma elektrikli araçlarda kullanılacak olan enerji
depolama elemanlarının sağlaması gerektiği performans hedeflerini belirlemiştir.
Tablo 3.6’da bu değerler görülmektedir. Bu tabloda, minimum değerler günümüzde
olması gereken, istenen değerler de gelecekte ulaşılması hedeflenen seviyelerdir.
Enerji depolama elemanı olarak anılan bu sistemlerde her ne kadar adı verilmemişse
de bu değerleri sağlayabilecek en kuvvetli aday olarak aküler görülmektedir.[10]
3.4.1
Aküler
Karma elektrikli bir araçtaki aküler, araç kullanımı sırasında %50 civarındaki bir
nominal şarj seviyesinde çalıştırılmaktadır. Böylelikle, şarj ve deşarj darbe
akımlarıyla başa çıkarak, aşırı şarj(~%80’in üstü), aşırı deşarj(~%20’nin altı) veya
tam deşarj(~%0) durumuna gelmezler. Bu büyük akım darbelerinin, aküleri yüksek
ve düşük gerilimlere çıkarmaya eğilimleri olduğundan, şekilde de görüldüğü gibi
karma elektrikli araçlarda %30-70 şarj seviyeleri arası bir çalışma bölgesi seçilir. Bu
aralık, %25-75 seviyelerine biraz daha açılacak olursa, akünün anma kapasitesinin
36
Tablo 3.6 DOE’nin karma elektrikli araçlardaki enerji depolama sistemi şartları
Karakteristikler
Darbe deşarj gücü
Rejeneratif tepe
darbe gücü
Toplam enerji
(deşarj ve
rejeneratif)
Birim Hızlı cevap veren motor
Minimum
İstenen
Yavaş cevap veren motor
Minimum
İstenen
kW
25
40
65
80
kW
30
60-110
70
150
kW h
0.3
0.5-0.75
3
3.0-8.0
120,100 Wh
20,600 Wh
300,200 Wh
100,600 Wh
Şarj deşarj ömrü
bin 200,25 Wh 300,35 Wh
adet 50,100 Wh 100,100 Wh
Etiket ömrü
Maksimum ağırlık
Maksimum hacim
Maksimum
yükseklik
Üretim maliyeti
(100.000 adet/yıl)
yıl
kg
litre
10
40
32
10
35
25
10
65
40
10
50
40
mm
150
150
150
150
US $
300
200
500
500
yaklaşık olarak sadece yarısının kullanılabildiği görülür. Anma karma çalışma
seviyesi, araçta kullanılan akü tipinin ve elektrokimyasının, şarjını iletme ve şarjı
kabul etme karakteristiklerine bağlı olarak seçilir. Eğer bir akü, şarjı kabul etmekten
Şekil 3.16 Akü gücü ve şarj durumuna bağlı kullanılabilir enerji eğrisi
37
çok deşarj konusunda kuvvetliyse şarj seviyesi %50’nin altında, şarj edilebilme
özelliği daha kuvvetliyse şarj seviyesi %50’nin üstünde seçilmelidir. Araç kontrol
sistemi, akülerin şarj seviyesini sürekli ölçerek bu sınır seviyelere yaklaşmadan
çalışma bölgesinin ayarını yapmalıdır. Şekil 3.16’da, aküden elde edilebilecek enerji
miktarının şarj, deşarj durumuna göre eğrisi görülmektedir.[10]
Literatürde, elektrikli ve karma elektrikli araçlar için önerilen çeşitli aküler
bulunmaktadır. Aşağıdaki bölümlerde, araçlarda kullanmak için gelecekte umut
vadeden akülerden bahsedilmiştir.
3.4.1.1 Kurşun-asit aküler
Geliştirilmesi çok eski tarihlere de dayansa, günümüzde hala çok yaygın olarak
kullanılan akü tipidir. Yaygın olarak kullanılan üç çeşit kurşun-asit akü tipi vardır.
Bunlar, aşırı fazla elektrolitli, az bakımlı ve valf regüleli(VRLA-valve regulated
lead-acid) kurşun asit akülerdir.
Konvansiyonel(aşırı fazla elektrolitli) tip aküler, elektrolitin özgül ağırlığını kontrol
etmek, plakaların üzerindeki elektroliti korumak için periyodik olarak su ilave etmek
ve akü deşarj olduktan sonra, kapasitesinin düşmesine neden olan şiddetli
sülfatlaşmayı önlemek için tekrar şarj etmeyi gerektirir. Asit kabarcıklarının
emisyonları, akü çevresindeki metalik kısımların korozyona uğramasına neden olur.
Üst kapaktaki asit sızıntısı, kaçak akıma neden olarak kendi kendine deşarj olmayı ve
toprakla şönt olma tehlikesini arttırır. Bu problemlerin üstesinden gelebilmek için
oksijenin yeniden birleşmesi çevrimine dayanan VRLA aküleri ortaya çıkmıştır. Bu
aküler, akü yerleşiminde rahatlık, su eklemeden veya özgül ağırlığı kontrol etmeden
kullanım, arttırılmış güvenlik ve bazı durumlarda üstün performans sağlamaktadırlar.
Geçmişte kurşun-asit aküleri sınıfta bırakan kilit sorunlar; kısa ömür, yüksek bakım
gereksinimi ve yetersiz enerji yoğunluğudur. Bu sorunlara ek olarak, güvenlik,
çevresel etki faktörü ve malzemelerin geri kazanımı geçmişe göre daha önemli hale
gelmektedir. Şekil 3.17’de, 2 V, 1.2 Ah VRLA akü hücresinin 80A yükte ve yüksüz
haldeki şarj durumu karakteristiği görülmektedir.[11]
Düşük maliyeti, iyi performansı ve geri dönüşümü de olanaklı kılan mevcut üretim
tesisleri ve altyapı imkanlarıyla, kurşun-asit aküler karma elektrikli araç
38
uygulamalarında dikkate alınması gereken bir teknolojidir. Tipik bir VRLA akünün
özgül enerjisi yaklaşık olarak 30-40 Wh/kg arasında değişirken, özgül güç seviyeleri
150-200 W/kg civarındadır. Bu değerlerde, 3.6 kW/kg’lık ticari ulaşılabilir ürünler
mevcuttur. Bununla birlikte, şarj durumu %100’lerden, %50 gibi düşük seviyelere
inene kadar 200 W/kg veya daha fazla özgül güç seviyelerinde sabit güç çıkışı elde
edilebilir. VRLA aküleri, DOE minimum güç gereksinimlerini ve özel ürünler
istenilen seviyeleri sağlayabilir. Tam şarj edilmiş durumda, VRLA akülerin yüksek
güç, düşük sıcaklık şarj-deşarj kapasiteleri oldukça iyidir. Buna karşılık, %50 şarj
seviyesinde, indirgenmiş elektrolitin kuvveti aküyü donmaya karşı hassaslaştırır ve
bu da performansta büyük bir düşüşe sebep olur. Bu güçlükler, aküyü kullanma
stratejileri ve ısıl yönetim sistemleri ile aşılabilir, ancak bu hem maliyete, hem de akü
ömrüne etki edecektir. VRLA aküler, DOE’nin sınırı olan 52C’lere kadar etkin bir
şekilde çalışma özelliği göstermekle birlikte, kendi-kendine deşarj olma performansı,
limitlerin bir hayli üstündedir.
Şekil 3.17 VRLA akü hücresinin gerilim karakteristiği
VRLA akü sistemleri, karma elektrikli araçlar için istenilen gücü ve enerji
seviyelerini
sağlamakla
birlikte
ağırlık,
hacim
ve
boyut
amaçlarını
karşılayamamaktadır. Şarj kabulü, halen diğer teknolojiler kadar verimli olmasa da,
karma elektrikli araçlar için kullanımı kabul edilebilir seviyelerdedir. Maliyet
hedefleri, bu teknolojinin mevcut haliyle bile karşılanabilmektedir. Kullanım
39
ömrünün on yıl şartını sağlaması, bu teknoloji için karşılanması zor olsa da
maliyetinin ucuzluğu ile bu sorun aşılabilir. Geri dönüşüm oranı yüksek
olduğundan(>%95) önemli bir çevre ve güvenlik etkisi yoktur. Özetle, düşük
maliyeti, destek faaliyetlerinin ulaşılabilirliği, periyodik bakım ve modüllerin
yerleştirilip çıkartılması, diğerlerine göre daha az problemli olduğundan karma
elektrikli araçlar için uygun bir teknolojidir.[10]
3.4.1.2 Nikel-kadmiyum aküler
Nikel-Kadmiyum(NiCd) aküler, performans seviyeleri birçok yönden kurşun-asit
akülere benzer olduğundan birbirleriyle yarışırlar. NiCd aküler, 40-50 Wh/kg özgül
enerji ve 150-500 W/kg güç seviyelerine sahiptir. İnce plakalara sahiptirler. 1.2 V
gibi düşük hücre gerilimlerinden dolayı yüksek gerilimlere çıkmak için birçok seri
bağlantı gerektirir. Bir aracı sürmeye yeterli güç seviyelerini sağlarlar, ancak DOE
gereksinimlerini sağlayacak kadar mükemmel değildirler. NiCd akülerin, düşük
sıcaklıklarda, yüksek oranda deşarj performansları çok iyidir. Aküler arasında, düşük
sıcaklıktaki en iyi performansa sahiptir. Bununla birlikte, performansları sıcaklığa
karşı oldukça duyarlıdır. Örneğin, ortam sıcaklığı 30C’den 40C’ye artış
gösterdiğinde ömürleri kabaca yarı zaman iner. Bu yüzden ısıl yönetim sistemiyle
birlikte kullanılması gerekir. Yüksek güç gerektiren durumlarda deşarj performansı
diğer aday teknolojilere göre çok iyi olmamakla birlikte, şarj seviyesi %30-70
çalışma
aralığındaki
karma
elektrikli
araçlar
için
şarj
kabul
yeteneği
mükemmeldir.[10]
Ni-Cd aküler, günümüzde özgül enerji, özgül güç, şarj ömrü ve güvenilirlik arasında
dengeyi en iyi temsil eden aküdür. Ni-Cd aküler, bununla birlikte hafıza etkisinden
dolayı kullanıcıya sıkıntı yaratmaktadır. Anma kapasitesini sağlamak için şarj
rejimleri uzun zaman almaktadır. Hafıza etkisi, kadmiyum elektrodu üzerinde
normalin dışında büyük kristaller oluşmasından kaynaklanmaktadır. Bu kristaller,
kadmiyum elektrodunun yüzey alanını düşürerek akünün efektif iç direncini
arttırmaktadır. Ayrıca, Ni-Cd akülerin birim ağırlık başına düşen enerji miktarı
kurşun asit akülerden sadece biraz fazla iken, yüksek sıcaklıklarda kendi kendine
deşarj olma oranı oldukça yüksektir.[11] Hepsinin en kötüsü, kadmiyum çevreyi
kirletebilecek çok kötü bir zehir ve kansorejen bir maddedir. NiCd teknolojisi,
kurşun-asit gibi imalatı yapılan olgun bir teknolojidir. Dünyadaki birçok karma
40
elektrikli araç geliştirme programlarında, daha yaygın olarak otobüslerde, yani düşük
özgül enerjinin caydırıcı bir faktör olmadığı durumlarda kullanılmaktadır.[10]
3.4.1.3 Nikel-metal hidrid aküler
Nikel-Metal Hidrid(NiMH) aküler, NiCd aküler gibi 1.2 V’luk hücre gerilimine
sahip olmakla birlikte benzer boyutlardakilere göre daha yüksek özgül enerji ve
enerji yoğunluğu seviyeleri ile karma elektrikli araçlarda kullanılmak üzere etkileyici
özellik gösterirler. Varta, SAFT ve Ovonics gibi firmalar tarafından geliştirilmiş
değişik ürünler bulabilmek mümkündür. Toyota Prius karma elektrikli aracında ticari
olarak piyasada bulunan 6.25 Ah silindirik, D-boyutlu hücrelerden oluşan NiMH
aküleri kullanmaktadır. Düşük deşarj oranlarında belirlenmiş özgül enerji seviyeleri,
Şekil 3.18 Çeşitli akü tipleri(kurşun-asit, nikel metal hidrid, lityum-iyon)
yüksek güç seviyelerinde keskin bir düşüşe maruz kalır. Buna rağmen, halen
etkileyici özelliğe sahip olsalar da artan güç seviyelerinde gerilim düşüşüne karşı
direncini önemli derecede yitirdiğinden ötürü, çalışma sırasındaki şarj durumunun
300-400 V arasında tutabilmeyi DOE gereksinimlerine göre sağlayamaz. Aşırı
sıcaklıklardaki performansı, NiCd akülerde olduğu gibi zayıftır. Yüksek sıcaklık,
çevrim ömrünü kısaltır ve yeniden şarj edilebilirliğe imkan tanımaz. İnce plakalı,
yüksek yüzey alanlı hücrelerin kendi kedine deşarj olma performansı oldukça zayıftır
ve <50 Wh/gün gereksinimini karşılayamaz. Optimal performanslarına ulaşabilmek
için ısıl yönetim sistemleriyle birlikte kullanılması gereklidir. Çevresel etki
açısından, NiCd akülere göre daha az tehlikelidirler. Önemli dezavantajlarından biri
maliyetleridir. Bununla birlikte, yüksek miktarlarda üretim ve üretim tecrübesinin
artmasıyla maliyetleri azalacaktır ve mevcut halde Toyota Prius’ta kullanılması da
41
NiMH akülerin ticari ulaşılabilir olduğunu göstermektedir.[10] Şekil 3.18’de karma
elektrikli araçlarda kullanılan çeşitli akü tipleri görülmektedir.
3.4.1.4 Nikel-çinko aküler
NiCd ve NiMH akülere benzer şekilde bir alkalin sisteme sahip olan
Nikel-Çinko(Ni-Zn) aküler, aynı nikel katodu fakat farklı bir çinko metal anod ile
birleştirilmiş şekilde kullanırlar. NiZn aküler, 60-80 Wh/kg özgül enerji ve 200-300
W/kg özgül güç seviyelerinde iyi bir çevrim ömrüne sahiptir. Esas teknik problem,
çinko anoduyla ilgili olan şekil değişiklikleridir. Bu problem, çinko anodun güçlü bir
şekilde sağlamlaştırılmasıyla, alkalin elektrolitleri, yüksek miktarlarda kalsiyum ve
kadmiyum kullanılarak giderilebilir. Ancak, bu hususlardan dolayı karma elektrikli
araçlar için ince plakalı Ni-Zn aküler üretmek zor olmakta ve enerji depolama
elemanı olarak kullanılmak için umut vadetmemektedirler.[10]
3.4.1.5 Sodyum-sülfür aküler
Sodyum sülfür aküler, diğer sıvı elektrolitli akülerden önemli ölçüde farklılıklar
içerirler. Bir sodyum iyonu, reaksiyona giren sıvı sodyum ve sülfürü ayırır. Çalışma
sıcaklığı 300C’den yüksek olduğundan dolayı araç uygulamalarında sıkıntı
yaratmaktadır.[11]
3.4.1.6 Çinko-hava aküler
Çinko-hava aküler, Ni-MH ile karşılaştırıldığında çok daha yüksek enerji
depolayabilmektedir. Ancak, çinko-hava üniteleri istenen gücü üretebilmek için akü
içerisine uygun hava akışını sağlayacak bir hava yönetim sistemine ihtiyaç
duymaktadır. Aynı zamanda KOH elektrodunun karbonlaşmasını önlemek için bu
havadan karbondioksiti uzaklaştırmak gereklidir. Bir başka zayıf yönü; hızlı şarj
edilememeleri ve hücre başına 0.9 V ’un (hücre çalışma gerilimi 1-1.2 V) altına
deşarj olduğunda kalıcı şekilde zarar görmeleridir. Bunlara ek olarak, zayıf güç
yoğunluklarından dolayı yüksek güçlü bir akü ile ya da ultrakapasitörle tamamlamak
gerekmektedir.[11] Şekil 3.19’da bir çinko-hava
akünün şematik diyagramı ve
araçlarda uygulanan çinko-hava akü grubu görülmektedir.[12]
42
Şekil 3.19 Çinko-hava akü şematik diyagramı ve araç uygulaması
3.4.1.7 Zebra aküler
Zebra aküler, yaklaşık olarak 300C’de çalışmalarından dolayı, aşırı soğuk ya da
aşırı sıcak ortamlarda kullanılmasının akü üzerinde zararlı bir etkisi yoktur.
Konvansiyonel akü sistemlerinde, aşırı sıcaklık, ısıl yönetiminin ayrıntılarına girmeyi
gerektirir ya da akü performansında azalmaya neden olur. Bunun yanı sıra, yüksek
çalışma sıcaklığından dolayı, zebra akülerin potansiyel sıcaklığı kabini hızlı şekilde
ısıtmaya veya camların buzlarının çözülmesine imkan vermektedir. Ancak, ısıl
yönetim ihtiyaçları yüzünden elektrikli araç sürüş sistemleri için ideal değildir. Zebra
aküler, araç kapatılıp tekrar kullanılmak istenildiği zaman akü grubunu istenilen
sıcaklığa getirmek ve tam olarak şarj etmek için bir-iki güne ihtiyaç duymaktadır. Bu
yeniden ısınma zamanı, akülerin kapandığındaki şarj durumuna, akü grubu
sıcaklığına ve yeniden ısıtmak için kullanılan güce bağlıdır. Bu yüzden, bu teknoloji
yukarıdaki nedenler ve güvenlik nedenleri ile otomotiv endüstrisi tarafından terk
edilmiştir.[11]
3.4.1.8 Lityum aküler
Lityum aküler arasında en çok umut vadeden lityum-iyon(Li-Ion) akülerdir.
Konvansiyonel asidik ve alkalin akülerin aksine, lityum iyon hücreler organik bir
çözücüde çözülmüş bir lityum tuzu içeren sıvı olmayan elektrolitlerle çalışır. Lityum
akülerde hücredeki lityuma bağlı olarak 3.5-4 V arası gerilim üretilir. Bu elektrolitin
faydası, uyumluluğu ve 80C’lere kadar çıkan ısıl kararlılığıdır. Hücre çalışması
sırasında, lityum iyonları iki plaka arasındaki elektrolitleri ileri ve geri yönde geçerek
şarj ve deşarj olmasını sağlar.[11] Şekil 3.20’de aracın tabanına yerleştirilmek üzere
özel olarak paketlenmiş lityum-iyon akü grubu görülmektedir.[13]
43
Bu akülerin anma özgül enerjileri 125 Wh/kg, uygulamadaki en yüksek sınırları da
150-180 Wh/kg arasında değişmektedir. Bu aküler, iyi bir yüksek sıcaklık aküsü
değildir. Genellikle 45C sıcaklık ve yukarısında çevrim ömürleri önemli derecede
azalır. Düşük sıcaklıklarda, şarj-deşarj performansları, yüksek hücre empedansı ve
organik çözücü-elektrolit sistemin düşük iletkenliğine bağlı olarak zayıflar. Yüksek
empedans, aynı zamanda yüksek deşarj akımlarında büyük gerilim düşmelerine
neden olarak DOE’nin 300-400 V performans aralığını sağlamasını zorlaştırır. Şarj
kabulü iyi olduğundan, zayıf olan yüksek güçte deşarj performansı etkisini minimize
edebilmek için aküyü %55-60 şarj seviyelerinde çalıştırmak mümkündür. Kendi
kendine deşarj olma oranı NiCd ve NiMH akülerden daha iyidir.
Şekil 3.20 Lityum iyon akü grubu araç uygulaması
Akü ömrünü uzatmak ve sıcaklık artışından kaynaklanan zararlardan korunmak için
gelişmiş ısıl yönetim sistemleriyle birlikte kullanmayı gerektirirler. Önemli
dezavantajlarından birisi şarjın kompleks olması ve güvenliktir. Aşırı şarj ya da
deşarj olmaması için hücrelerin bireysel olarak şarj ve deşarjlarının kontrol edilmesi
gerekir. Özellikle, aşırı şarj hücrelerin kimyasal yapısına zarar vererek akünün
kapasitesinin ve çevrim ömrünün azalmasına neden olur. Akü içerisindeki her
hücrenin şarj gerilimi 4.2 V ile sınırlandırılmalıdır. Diğer taraftan şarj gerilimi 4.2
V’un altında da olursa, bu durum da deşarj kapasitesinin azalmasına neden
olur.Karma elektrikli araçta, aküler belirli bir şarj seviyesinde çalıştırıldığı için bu
durumlarla
pek
karşılaşılmaz.
Ancak,
araçtaki
aküler
birçok
hücrelerden
oluşmaktadır. Böylece, özellikle sıcaklık, akü yaşı ve aracın talep ettiği güçlerin
aşımı durumlarında, aşırı şarj ve deşarjı önlemek için hücreler arası dengenin iyi bir
şekilde korunması gerekir. Bu da akü şarj sistemi tarafından özel bir kontrol ile
gerçekleştirilir.[10]
44
Lityum-iyon hücreler, kapasite göz önünde bulundurulduğunda lityum akü
teknolojisinde en yüksek olanı değildir. Katı polimer elektrolitli lityum aküler
üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bu akünün hücrelerinin kalınlığı 0.5 mm’den
daha düşük olacaktır. Bu hücrelerden istenilen şekil ve boyutta akü yapılabilir. Akü
içerisinde sıvı bulunmaması, bu aküleri oldukça emniyetli hale getirebileceği gibi şu
ana kadar bilinen aküler arasında en yüksek özgül enerjiye sahip olacaktır.[11]
Çeşitli akü tiplerine ait, özgül enerji, enerji yoğunluğu, özgül güç, sarj-deşarj gibi
önemli parametreler Tablo 3.7’de bulunmaktadır. Bu parametreler, değişik akü
üreticilerine göre geniş farklılıklar göstermekte, aynı üreticinin aynı aküsünün
değişik modellerinde bile bu parametrelerin birini elde ederken diğerinden
vazgeçilmektedir. Bu yüzden, bu parametreler fikir vermek amaçlı olup, akü
teknolojisindeki gelişmelerle birlikte bu veriler sürekli değişmektedir.
Tablo 3.7 Çeşitli akülere ait karakteristikler
Özgül Enerji
(Wh/kg)
VRLA
Ni-Cd
Ni-Zn
Ni-MH
Zn/Hava
Al/Hava
Na/S
Na/NiCl2
Li-Polimer
Li-İyon
30-45
40-60
60-65
60-70
230
190-250
100
86
155
90-130
Enerji
Yoğunluğu
(Wh/l)
60-90
80-110
120-130
130-170
269
190-200
150
149
220
140-200
Özgül güç
(W/kg)
Şarj ömrü
(adet)
Maliyet
(US$/kWh)
200-300
150-350
150-300
150-300
105
7-16
200
150
315
250-450
400-600
600-1200
300
600-1200
150
300
100-300
200-350
90-120
800
1000
600
800-1200
250-450
230-350
>200
Tablo 3.7, aküler hakkındaki avantajları, dezavantajları anahtar özellikleriyle
özetlemektedir. Kısa vadede yüksek potansiyel gösteren aküler, VRLA, Ni-Cd ve NiMH akülerdir. Ni-MH akünün özellikleri, Ni-Cd’a göre daha üstün nitelikli
olduğundan bu teknolojinin olgunlaşmasıyla birlikte, Ni-MH aküler Ni-Cd’ların
yerini almaktadırlar. Elektrikli araç uygulamaları için Ni-Cd aküler üretmekte olan
bazı akü üreticileri eğilimlerini Ni-MH’e kaydırmaktadırlar. Ni-MH’ün iyi
performansından dolayı etkileyici olmasına rağmen, VRLA aküler olgunlaşmış
teknolojisi ve maliyet avantajı ile kısa dönemde popülerliğini sürdürmektedir. Diğer
taraftan, Ni-Zn, Zn-Air, Na/NiCl2, Lityum-polimer ve Lityum-iyon aküler orta
45
vadede yüksek performans içermektedir. Lityum-iyon aküler, birçok akü üreticisi
tarafından elektrikli araçlar için orta vadede en çok umut vadeden akü olarak
görülmektedir. Şu andaki engel yüksek maliyetli olmasıdır ki, seri üretimde bu
maliyet oldukça düşürülebilir.
Şekil 3.21 Çeşitli enerji kaynaklarının güç ve enerji yoğunlukları
Çinko-hava aküler, yüksek özgül enerjisinden dolayı umut vadetmekle birlikte, bu
aküler rejeneratif frenleme sonucu ortaya çıkan enerjiyi depolayamamaktadırlar.
Ni-Zn akülerin en büyük dezavantajı düşük şarj-deşarj sayısı olmakla beraber,
yapılan son geliştirmelerle orta vadede Ni-MH akülerle yarışabilme potansiyeli
olabilir. Na/NiCl2 aküler, elektrikli araç uygulamaları için kabul edilebilir yüksek
sıcaklıklı akülerdir. Orta vadede, akünün performans değerleri yükselecek yönde
umut vermektedir. Lityum polimer aküler için yapılan demonstrasyon çalışmaları
elektrikli araç uygulamaları için iyi performanslar göstermekte olduğunu
sergilemektedir. Orta vadede, daha fazla akü üreticisinin bu aküler hakkında
araştırma ve geliştirme yapacağı umut edilmektedir. Şu konuda gözden
kaçırılmamalıdır ki, akülerin araç için istenilen performansı göstermeleri ile birlikte,
akülerin uygun koşullarda şarj ve deşarj edilmesini sağlayacak akü yönetim sistemi
de önemli noktalardan biridir.[3]
Şekil 3.21’de çeşitli aküler, yakıt pili sistemleri ve içten yanmalı motorlara ait güç
yoğunluğu ve enerji yoğunluklarının karşılaştırmalarını göstermektedir.[11]
46
3.4.2
Süperkapasitör(Ultrakapasitör)
Ultrakapasitörler (elektro-kimyasal süperkapasitörler), bir gaz ya da vakum ile
ayrılmış iki plakadan oluşan ve konvansiyonel kapasitörden 20 ila 200 kat daha
büyük kapasitans özelliği gösteren aygıtlardır. Süperkapasitörlerin akülere göre
birçok avantajları bulunmaktadır. Hızlı şarj ve deşarj edilebilmektedirler.
Süperkapasitörler, tek kutuplu ve çift kutuplu konfigürasyonlarda düzenlenebilir, az
bakım gerektirirler, zehirsiz ve göreceli olarak ucuz malzemeden yapılırlar. Bu
özellikleriyle elektrikli aracın ani ivmelenmedeki güç gereksinimi ihtiyacını göreceli
olarak daha hafif ağırlıkla karşılamak için uygun görünmektedirler. [11]
Tablo 3.8 Çeşitli süperkapasitörlerin karakteristikleri
Ürün
Vanma
C
R
RC Wh/kg W/kg W/kg Ağırlık Hacim
(V)
(F) (mOhm) (sec)
(1)
(2)
.
(kg)
(litre)
Skeltech* 2.5
2110
.3
.63
3.55 1495 13290 .392
.269
Skeltech* 2.5
815
.4
.32
3.1
2441 21700 .180
.127
Skeltech*
(propilen 2.5
776
1.0
.78
2.6
901 8015
.195
.127
karbonat)
Saft*
2.7
3500
1.0
3.5
4.1
336 2800
.65
.50
Maxwell 2.5
2700
.32
.86
2.55
784 6975
.70
.62
Ness
2.5
2550
.33
.84
2.31
819 7284
.65
.534
Ness
2.7
3870
.22
.85
3.43 1114 9909
.836
.731
Ness
2.7
4615
.28
1.3
3.70
846 7524
.865
.731
Panasonic
(propilen 2.5
1200
1.0
1.2
2.3
514 4596
.34
.245
karbonat)
Panasonic 2.5
1791
.30
.54
3.44 1890 16800 .310
.245
Panasonic 2.5
2500
.43
1.1
3.70 1035 9200
.395
328
Montena 2.5
1800
.50
.90
2.49
879 7812
.40
.30
Montena 2.5
2800
.39
1.1
3.33
858 7632
.525
.393
Okamura 2.7
1350
1.5
2.0
4.9
650 5785
.21
.151
ESMA
1.3 10000
.275
2.75
1.1
156 1400
1.1
.547
(1) 400 W/kg sabit güçteki enerji yoğunluğu, Vanma – ½ Vanma
(2) Baz alınan güç P=9/16*(1-EF)*V2/R, EF= deşarj verimi
* gelişmiş prototipler
Tablo 3.8’de, ticarileşmiş ve geliştirilmekte olan prototip süperkapasitörlere ait
karakteristikler görülmektedir. Elektrikli araçlardaki sistem yüksek gerilimini elde
etmek için hücreleri seri bağlayarak yapılan testler göstermektedir ki, süperkapasitör
hücreleri modüller ve paketler halinde kolaylıkla bağlanabilir ve bir hücrenin
karakteristiğine bağlı kalarak bu grubun performansı güvenilir şekilde hesaplanabilir.
47
Buna ek olarak, süperkapasitör grubunun içerisindeki her bir hücrenin anma
geriliminin değerinin tek başına hücrelerin anma gerilimine çok yakın olduğu
gösterilmiştir. Karbon bazlı süperkapasitörlerin şarj-deşarj ömürlerinin 500.000 ila 1
milyon çevrim arası olacağına inanılmaktadır. Bu henüz büyük kapasitör
bankalarıyla gerçekleştirilmemekle birlikte, tek hücrelerin üstünde yapılan deneyler
bunu göstermektedir. Birçok araç uygulamaları için enerji yoğunluğu (Wh/kg) kilit
performans karakteristiğidir. Bunun nedeni, kapasitör bankası enerji depolama
ihtiyacına göre boyutlandırılır. Burada kapasitör bankasının ağırlığı ve hacmi,
hücrelerin enerji yoğunluğu ile doğrudan orantılıdır. Enerji yoğunluğu ise özellikle
elektrotlarda
kullanılan
karbonun
özgül
kapasitansına
ve
yoğunluğuna
bağımlıdır.[14]
Şekil 3.22 Süperkapasitör bankası, hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi
Yüksek nitelikli karbonlar hücrenin performansını
arttıracaktır.
Metaloksit
süperkapasitörler geliştirilme aşamasında olup yukarıda bahsedilen karbon-karbon
süperkapasitörlerden daha yüksek performans göstermekte ve gelecek için umut
vadetmektedirler.
Karma
elektrikli
araç
uygulamalarında, süperkapasitörleri akülerle birlikte
kullanmak, enerji depolama ünitesi olarak sadece aküyü kullanmaktan daha anlamlı
olmaktadır. Elektrik tahrik sisteminde, hem ivmelenme hem de frenleme nedeniyle
oluşan yüksek güç ihtiyacı, yüksek güçlü akülerin kullanma gereksinimini
doğurmaktadır. Bu ise akü sisteminin maliyetini arttırarak, akülerin daha sınırlı şarjdeşarj aralığında çalışmasına neden olmaktadır. Akü sistemi süperkapasitörlerle
desteklendiğinde, akülerin şarj-deşarj aralığının arttırılması imkanı doğmakta ve bu
48
durum daha küçük ve daha ucuz bir akü grubunun kullanılmasına imkan
tanımaktadır.[14] Şekil 3.22’de karma elektrikli araçlarda kullanılan süperkapasitör
grubu ve bu süperkapasitörlerde her bir hücre hakkında bilgi algılamaya yarayan
hücre dengeleme ve hata algılama ünitesi görülmektedir. [15]
3.4.3
Volan
Karma elektrikli araç tasarımlarında, ivmelenme anındaki tepe gücü sağlamak ve
frenleme enerjisini geri kazanmak problemine getirilen çözüm önerilerinden bir
tanesi de elektromekanik bir akü olan volandır(flywheel). Bu sistemler, özellikle çok
fazla dur-kalk yapan şehir içi otobüsüne ve benzer karakteristik gösteren araçlara
oldukça uymaktadır. Bu sistemlerde, bir volan motor/generator ünitesi bir güç
elektroniği çeviricisi tarafından kontrol edilmektedir. Volan, gelişmiş kompozit
yapıda olmakla birlikte, motor/generator genellikle sürekli mıknatıslı tipte ve
sistemde yüksek frekanslı güç anahtarları kullanılmaktadır. Motor/generator ünitesi
ile birlikte bir yük dengeleyicisi olarak yüksek devirli çalışan volan, aracın düşük güç
ihtiyacı olduğu zamanlarda gücü kendisine alarak, yokuş tırmanmada ya da hızlı
ivmelenme durumlarında güç katkısında bulunarak görev yapar.[16]
3.5
Simülasyon Programları
Literatürde adı geçen çeşitli karma elektrikli araç simülasyon programları
bulunmaktadır. En önemlilerin gözden geçirildiği kısa bir özet aşağıda sunulmuştur.
3.5.1
SIMPLEV
SIMPLEV , karma elektrikli araçlar ve elektrikli araçları modellemek amacıyla Idaho
National Engineering Laboratuvarı tarafından geliştirilmiştir. Bu program, değişik
motorları, alternatörleri, içten yanmalı motorları, aküleri, transmisyonları seçmeyi
sağlayan menü tabanlı bir arayüze sahiptir. Araç performansını simüle eden bir
program olan SIMPLEV, konvansiyonel, tümü elektrikli, seri karma ve paralel karma
tahrik
sistemlerini
simüle
etme
kabiliyetine
sahiptir.
SIMPLEV,
küçük
araçlardan(golf arabaları) büyük tren lokomotiflerine kadar geniş bir aralıktaki
araçların simülasyonlarını yapar. Bu program, sürüş sistemi elemanlarının
performans parametrelerini saniye-saniye tahmin etmeyi sağlar.[17]
49
3.5.2
CarSim
CarSim, AeroVironment Inc. tarafından geliştirilmiş bir program olup Simplev’e
çok benzerdir. CarSim sadece seri karma elektrikli araçlar ve elektrikli araçları
simüle etmekte ve emisyonlar hakkında bilgi vermemektedir.[18]
3.5.3
HVEC
HVEC(Hybrid Vehicle Evaluation Code), Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
tarafından tamamı elektrikli araçları ve seri karma elektrikli araçları simüle etmek
üzere geliştirilmiştir. Bu program, daha önce bahsedilen iki programın temel
özelliklerini içermekle birlikte, onlarda olmayan birtakım ekipman modellerine
sahiptir. Örneğin, yakıt pilleri içten yanmalı motor yerine bir APU(Auxillary Power
Unit) olarak, enerji depolama ünitesi olarak aküler yerine volan ve alternatif
yakıtlar(hidrojen,
sıkıştırılmış
doğal
gaz)
benzin
yerine
kullanılarak
modellenebilmektedir. Toplam yakıt tüketimini, emisyonları ve performans
karakteristiklerini sunabilme kabiliyetine sahiptir. Program çeşitli sürüş çevrimleri
için
ivmelenme,
yokuş
tırmanma
performanslarını,
emisyonları
ve
araç
performansını sunar. Program, rejeneratif frenlemeyi içermektedir ve eleman
performanslarındaki duyarlılık analizi için kullanışlıdır. Bu program, elektrikli araç
prototiplerinde, bir hidrojen konsept aracında, karma trenlerde ve bir doğal gaz
aracında uygulanmıştır. Ayrıca, yüksek yakıt ekonomisi ve düşük emisyonlar için
araçları optimize etmekte kullanılmaktadır.[18]
3.5.4
CSM HEV
CSM HEV, karma elektrikli aracın karakteristiklerini simüle eden, Colorado School
of Mines tarafından geliştirilen bir programdır. Bu program, MATLAB/SIMULINK
tabanlı, kolay kullanılabilen bir program olup daha önceki bahsedilen simulasyon
programlarından daha kolay konfigürasyon değişikliğine izin vermektedir. [18]
3.5.5
V-Elph
V-Elph(Electrically-Peaking Hybrid) simulasyon programı, Texas A&M Üniversitesi
tarafından geliştirilmiştir. MATLAB/SIMULINK tabanlı bir program olan V-Elph,
her türlü karma elektrikli araca ait sistem dizayn parametrelerine ait simülasyonları
yapabilmektedir. Görsel bir program tekniği kullanılarak, kullanıcıya araç yapısını
50
kolay ve hızlıca değiştirebilme imkanı sunulmuş ve simülasyon sonuçları da grafik
olarak verilmektedir. Elektrik motorlarının, içten yanmalı motorların , akülerin, araç
dinamiklerinin, yakıtların ve kontrol stratejilerinin, menü tabanlı detaylı modelleri
bulunmaktadır.[19]
3.5.6
ADVANCE
Bu program, TNO Otomotiv bölümü tarafından geliştirilmiştir. Matlab/Simulink
ortamında hazırlanan program, kullanıcılara araç modeli geliştirmekte kolaylık ve
esneklik sağlar. Bu program ile konvansiyonel, elektrikli ve karma elektrikli
araçların tasarımı, analizi ve değerlendirmesi yapılabilir. İçten yanmalı motor,
diferansiyel, vites kutusu, araç gövdesi, değişik elektrik motorları, aküler gibi çeşitli
araç parçalarını simülasyon araçları olarak model veritabanı şeklinde içerir.
Matlab/Simulink gerçek zamanlı simülasyon olanağını sunmaktadır. Bu özellik, bir
araç
modelini
Hardware-In-the-Loop
testleri
için
kullanmayı
olanaklı
kılmaktadır.[20]
3.5.7
VTB
VTB(Virtual Test Bed) programı South Carolina Üniversitesi merkezli olup,
geliştirilmesi uluslararası katılımla gerçekleştirilmektedir. Bu program sadece araçlar
konusunda değil, yakıt pili tesisi, elektrikli gemi, elektrik motorları, uydu sistemleri,
yarıiletken anahtarlar gibi çeşitli konularda, özetle termal, elektrik ve mekanik
disiplinleri içeren disiplinler arası bir programdır.
VTB, iki önemli özelliğe sahiptir.(i) Değişik dillerde yaratılmış modelleri tek bir
simülasyon ortamında toplama kabiliyetine sahiptir. (ii) Simulasyon sonuçlarını, ileri
derecede
görsellikle
sunabilmektedir(mekanik
ekipmanların
tam
hareketli
animasyonları, hesaplanmış sonuçların sistem sonuçları üzerinde yaratıcı şekilde
haritalandırılması). VTB’nin ilk özelliği, çok sayıda teknik sisteme ait her bir
elemanın en uygun dilde tanımlanmasını sağlar(örneğin, elektronik elemanlar için
SPICE, dinamik sistemler için ACSL, Advanced Continous Simulation Language,
güç elektroniği devreleri için SABER, kontrol için MATLAB). Öte yandan, ikinci
özellik kullanıcının simülasyon sonuçlarını anlayışını önemli derecede arttırır. Şekil
3.23’de
VTB
programının
modelleme
gösterilmektedir.[21,22]
51
ve
sonuç
sayfalarından
örnekler
VTB programı halen gelişme aşamasında olan bir programdır. Bu tez çalışması
sırasında VTB programı ile karma elektrikli araçların simülasyonları üzerine
denemeler yapılmıştır. Ancak programın veritabanında yeterli sayıda ve özellikte
modeller henüz bulunmamaktadır. Bu durum, değişik konfigürasyonlardaki araçlara
ait modellemeyi olanaksız hale getirmiştir. Ancak, programın altyapısındaki
gelişmeler bu programın önümüzdeki senelerde sıklıkla kullanılacak bir program
olacağının sinyallerini vermektedir.
Şekil 3.23 VTB bilgisayar programından görünüş (modelleme ve sonuç sayfaları)
3.5.8
ADVISOR
ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator), 1994 yılında NREL(National Renewable
Energy Laboratory) tarafından geliştirilmeye başlanmıştır. Bu program, A.B.D.
Enerji Bölümünün(DOE) karma elektrikli araçlar için teknoloji geliştirmek üzere
Ford, General Motors ve Daimler Chrysler ile olan Karma Elektrikli Araç Tahrik
Sistemleri anlaşması çerçevesine destek olmak üzere bir analiz programı olarak
tasarlanmıştır. Birincil görevi, karma elektrikli ve elektrikli araç elemanlarının sistem
düzeyinde etkileşimlerini ve onların araç performansı ile yakıt tüketimine olan
etkilerini aydınlatmaktır. ADVISOR, ilk olarak 1998 yılında internet üzerinden halka
sunulmuş ve birçok yenilenme geçirmiştir. Programın en son hali, ADVISOR 2002
versiyonudur.[23]
52
ADVISOR’da
kullanılan
modeller,
sürüş
sistemi
elemanlarının
giriş/çıkış
ilişkilerinin, laboratuarda yapılan ölçümler sonucu ampirik olarak ortaya konmasına
dayanır. Bununla birlikte, sürekli hal testlerinde(örneğin sabit moment, hız) toplanan
datalar kullanılarak, bunların geçici hal etkileri düzeltilmiştir. Çok sayıda özel ve
standart sürüş çevrimlerini(drive cycle) kullanmaktadır.[24]
Şekil 3.24 Araç parametreleri giriş ekranı
ADVISOR, MATLAB/Simulink ortamında yaratılmıştır. MATLAB, hesapları
gerçekleştirmek için matris tabanlı programlamada kolaylık sağlarken, Simulink
karmaşık sistemleri, grafiksel blok diyagramlar kullanarak ifade etmek için
kullanılabilir. ADVISOR, kullanıcıya simulasyon işlemleri boyunca yol göstermek
için üç adet ana grafiksel arayüz(GUI-graphical user interface) ekranı kullanır. Bu
arayüzlerle, kullanıcı, araç parametrelerinin ve sürüş çevrimi gereksinimlerinin, araç
performansı, yakıt ekonomisi ve emisyonlar üzerindeki etkilerini iteratifsel olarak
değerlendirebilir. Bu arayüzler, MATLAB çalışma alanında bulunan işlenmemiş
giriş ve çıkış verileri ile etkileşimi kolaylaştırırlar. Araç modeli, alt sistemler
arasındaki bağlantıyı ifade etmek için, Simulink blok diyagramları kullanılarak
grafiksel olarak resmedilir. Böylece, model simülasyon sırasında, MATLAB çalışma
53
ortamından giriş verilerini okuyarak, çıkışları sonuç çalışma bölgesine gönderip
sonuç ekranında görüntülendirir.
Şekil 3.25 Simülasyon parametreleri giriş ekranı
Araç giriş ekranında, Şekil 3.24’de görüldüğü üzere, kullanıcı aracı oluşturur. Bu
sayfadaki menülerden aracın düzeni(örneğin; seri, paralel, konvansiyonel) ve sürüş
sistemini oluşturacak elemanlar seçilir. Değişik elemanların karakteristik performans
haritaları ekranın sol altında görülebilir ve ilgili menüden ulaşılabilir. Bir elemanın
boyutu(örneğin; tepe gücü ve sayısı) kutular içerisinde gösterilen karakteristik
değerlerle oynanarak değiştirilebilir. Bir elemanın herhangi bir skalar büyüklüğü,
değişkenleri düzenleme menüsünden istenildiği gibi değiştirilip, daha sonra
kullanılmak üzere kaydedilebilir. Kullanıcı, araç parametrelerinin giriş ayarlarını
tamamladıktan sonra devam tuşuyla simulasyon penceresine gelir.[24]
Şekil 3.25’de görülen Simulasyon ekranında, kullanıcı aracın hangi olaylar içerisinde
simule edileceğini tanımlar. Bu, tek bir sürüş çevrimi olabileceği gibi, birden çok
çevrim veya özel test prosedürlerini(ivmelenme testi, eğim testi) içerebilir.
54
Şekil 3.26’da görülen sonuç ekranında, araç performansını sürüş çevrimi boyunca ve
de çevrimin herhangi bir noktasında anlık olarak görme olanağı mevcuttur. Sonuç
ekranının sağ tarafında, yakıt tüketimi ve emisyonlar gibi özet sonuçlar
bulunmaktadır. Sol tarafta ise, zamana bağlı olarak detaylı sonuçlar(örneğin; motor
hızı, motor momenti, akü gerilimi, vs.) çizilmiştir.[24]
Şekil 3.26 ADVISOR sonuç ekranı
Şekil 3.27’de MATLAB çalışma alanındaki verilerle bağlantı halinde bulunan grafik
arayüz ekranı görülmektedir. Alt sistemlerdeki cihazların verileri metin dosyaları
halinde kaydedilmiştir. Kullanıcının seçimlerine göre uygun veri kümeleri çalışma
ortamına yüklenir. Grafik arayüz aynı zamanda kullanılacak modelin seçimini
kontrol etmek için de kullanılır. Grafiksel blok diyagram olarak gösterilen model,
MATLAB çalışma ortamına yüklenen verileri giriş parametre kümesi olarak
algılar.[24]
Şubat 2002’de, ADVISOR, Ansoft’un SIMPLORER programıyla birleşmiştir. Bu
yeni araç sistem tasarım çözüm programı, SIMPLORER’ın elektriksel sistem
55
karakteristiklerini doğru tahmin etmedeki kuvveti ile ADVISOR’ın bütün aracın
sistem analizini gerçekleştirmedeki gücünü biraraya getirmiştir. Bu birleşmiş çözüm
programı, mühendislere ileri tahrik sistemleri ve elektrik sistemleri teknolojilerinin
analiz ve değerlendirme olanağını sağlamaktadır. [17.23]
Blok Diyagram
Grafik Arayüz
Veri Dosyaları
Şekil 3.27 ADVISOR programının grafik arayüz, veri dosyaları ve modeller
arasındaki bağlantısı
56
4. KARŞILAŞTIRMA
Bu bölümde, günümüz içten yanmalı motorlu araçları ile bu konvansiyonel araçlara
göre farklı sürüş sistemleri içeren karma elektrikli araçların, enerji tüketimlerinin ve
performans kriterlerinin karşılaştırılması yapılacaktır.
Burada karşılaştırılması yapılacak araç çeşidi, binek tip sedan bir araç olup tahrik
sistemleri konvansiyonel, seri karma ve paralel karma olarak farklılık gösterecektir.
Bu çalışmada bütünüyle yeni bir araç tasarımı hedeflenmemiştir. Yeni bir araç
tasarımı yaparken; bu aracın sağlaması istenilen performans hedeflerini ortaya
koymak ve bu hedefleri gerçekleştirmek için gerekli tahrik sistemlerinin hesaplarını
yapmak gerekir. Bu hesaplar sonucu ortaya çıkan sistem elemanlarına ait güç
değerleri, konvansiyonel araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli
araçtaki tahrik sistemine ait farklılıkları ortaya koyacaktır. Bu durumda ise, aynı
performans hedeflerini gerçekleyen farklı güçlerdeki araç tasarımları ortaya
çıkacaktır. Burada karşılaştırması yapılabilecek tek unsur ise yakıt tüketimleri
olacaktır.[1]
Bu tez çalışmasında, içten yanmalı motorlu bir araç üzerindeki tahrik sistemi, seri
karma ve paralel karma tahrik sistemleri ile değiştirilerek, sadece bu sistemlerin
değişiminden kaynaklanan araç performansındaki değişimler ve bu sistemlerin
beraberinde getirdiği avantajlar ve dezavantajlar irdelenecektir. Eşit koşullarda bir
karşılaştırma yapabilmek için; aynı tipteki araç üzerinde, sadece sürüş sistemindeki
tahrik elemanları değiştirilerek, tahrik sistemlerinin güçleri birbirlerine eşitlenmiştir.
Bu karşılaştırmaları yapabilmek için gerekli simülasyonlar, daha önceki bölümde
anlatılan ADVISOR bilgisayar simülasyon programında gerçekleştirilmiştir.
Bu karşılaştırmada tahrik sistemlerinin değiştirildiği ortak bir binek tip sedan araç
esas alınmıştır. Bu araca ait özellikler aşağıda verilmiştir.
Araç boş ağırlığı
: 592 kg ( motorsuz, sürücüsüz, vs.)
Hava sürtünme katsayısı
: 0.335
57
Ön yüzey alanı
: 2 m2
Tekerlek yarıçapı
: 0.65 m
Tekerlek yuvarlanma katsayısı
: 0.01
Yukarıda
özellikleri
verilen
araç
üzerinde
tahrik
sistemleri
değiştirilerek
karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. Bu değişik tahrik sistemlerine sahip araçlar
şunlardır.

İçten yanmalı motorlu araç

Seri karma elektrikli araç

Paralel karma elektrikli araç
Bu araçlara ait sistemlerin düzenlenişleri Şekil 4.1’de görülmektedir.
Şekil 4.1 Karşılaştırma yapılan araç çeşitleri
Bu tahrik sistemleri, birçok değişik elemanlarla oluşturulabilir. Bu çalışmada sistem
elemanları arasındaki farklılıklardan gelebilecek değişimleri sınırlandırabilmek için,
içten yanmalı motor olarak benzinli içten yanmalı motor, elektrik motoru olarak
sürekli mıknatıslı elektrik motoru, aküler de nikel metal hidrür tip seçilmiştir.
58
Bütün araçlarda kullanılan içten yanmalı motor, 41 kW gücünde (1991 Geo Metro
1.0L) benzinli içten yanmalı motor modelinden geliştirilmiştir. Motorun maksimum
gücü, 5700 devirde 41 kW ve maksimum momenti de 3477 devirde 81 Nm’dur. İçten
yanmalı motora ait
moment-hız ve güç-hız karakteristikleri Şekil 4.2’de verilmiştir.
Şekil 4.2 İçten yanmalı motor moment-hız ve güç-hız eğrileri
Seri karma elektrikli ve paralel karma elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motoru,
32 kW’lık Unique Mobility’e ait sürekli mıknatıslı motor modeli esas alınarak
oluşturulmuştur. Elektrik motoruna ait moment-hız ve güç-hız karakteristikleri
Şekil 4.3’de verilmiştir.
Şekil 4.3 Sürekli mıknatıslı elektrik motorunun moment-hız ve güç-hız eğrileri
Seri karma elektrikli araçta ve paralel karma elektrikli araçta aynı tip nikel metal
hidrür aküler kullanılmıştır. Bu akülerin maksimum kapasitesi 28 Ah olup, anma
gerilimleri 6 V’tur. Ağırlıkları 3.6 kg olan bu akülerin boyutları 195x102x81 mm’dir.
59
Nominal enerji kapasiteleri 175 Wh olan nikel metal hidrür akülerin tepe gücü olarak
1.6 kW verebilmektedir.
İçten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli
araçlarda kullanılacak alt sistemlere ait karakteristik özellikler Tablo 4.1’de
görülmektedir. Bu tabloda, her bir araçtaki farklı tahrik sistemlerine ait elemanların
güçleri ve ağırlıkları bulunmaktadır. Buradan da görülmektedir ki, araçlardaki tahrik
sisteminin toplam tahrik güçleri birbirlerine eşittir. Araç toplam ağırlıklarındaki
farklılık, tahrik sistemi elemanlarının farklılıklarından kaynaklanmaktadır..
Tablo 4.1 Tahrik sistemlerinin teknik detayları
P motor (kW)
P generator(kW)
P elek.motor(kW)
Akü sayısı (adet)
Akü kapasite (Ah)
Araç boş ağırlık(kg)
İç.yan.motor (kg)
Elek. Motor (kg)
Generator (kg)
Akü (kg)
Diğer (kg)
Yük (kg)
Toplam ağırlık (kg)
İçten Yanmalı
Motorlu Araç
75
592
220
134
136
1082
Seri Karma
Elektrikli Araç
41
75
75
50
28
592
131
127
87
180
61
136
1314
Paralel Karma
Elektrikli Araç
41
34
25
28
592
131
58
90
125
136
1132
Yukarıda görülen tablodaki tahrik sistemi elemanları ADVISOR simulasyon
programında belirli isimlerle ve adreslerle tanımlanmaktadır. İçten yanmalı motorlu
araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi
elemanları ve bunlara karşılık gelen ADVISOR programındaki isimleri sırasıyla
Tablo 4.2, Tablo 4.3 ve Tablo 4.4’de verilmiştir.
60
Tablo 4.2 İçten yanmalı motorlu araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı
Tahrik sistemi
Araç
İçten yanmalı motor
Transmisyon
Tekerler ve aks
Egzoz
Ek yükler
Kontrol sistemi
ADVISOR adı
conventional
VEH_SMCAR
FC_SI41_emis
TX_5SPD
WH_SMCAR
EX_SI
ACC_CONV
PTC_CONV
Tablo 4.3 Seri karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı
Tahrik sistemi
Araç
İçten yanmalı motor
Generator
Elektrik motoru
Enerji depolama
Transmisyon
Tekerler ve aks
Egzoz
Ek yükler
Kontrol sistemi
ADVISOR adı
Series
VEH_SMCAR
FC_SI41_emis
GC_ETA95
MC_PM32ev
ESS_NIMH28_Ovonic
TX_1SPD
WH_SMCAR
EX_SI
ACC_HYBRID
PTC_SER
Tablo 4.4 Paralel karma elektrikli araç tahrik sistemi elemanları
Tahrik Sistemi Elemanı
Tahrik sistemi
Araç
İçten yanmalı motor
Elektrik motoru
Moment bağlantı
Enerji depolama
Transmisyon
Tekerler ve aks
Egzoz
Ek yükler
Kontrol sistemi
ADVISOR adı
Parallel
VEH_SMCAR
FC_SI41_emis
MC_PM32ev
TC_DUMMY
ESS_NIMH28_Ovonic
TX_5SPD
WH_SMCAR
EX_SI
ACC_HYBRID
PTC_PAR
61
Farklı tahrik sistemlerine sahip araçlara ilişkin veriler simülasyon programına
girildikten sonra, karşılaştırmalı değerlendirme için bu araçların ivmelenme ve yokuş
testi simülasyonları yapılmıştır.
Bir başka karşılaştırma unsuru da araçların değişik sürüş çevrimlerinde test edilerek
yakıt tüketimi ve toplam sistem verimlerinin karşılaştırılmasıdır. Araçların, şehir içi
sürüş çevrimi(UDDS- Urban Dynamometer Driving Schedule), otoban sürüş
çevrimi(HWFET- Highway Fuel Economy Test) ve bunların karışımından oluşan
sürüş çevrimlerinde(NEDC- New European Driving Cycle) simülasyonları
yapılmıştır. Bu sürüş çevrimlerine ait teknik özellikler Tablo 4.5’de verilmektedir.
Tablo 4.5. Sürüş çevrimlerinin teknik özellikleri
Sürüş çevrimleri
Sürüş çevrimi tipi
Süre(sn)
Uzunluk(km)
Maksimum hız(km/h)
Ortalama hız(km/h)
Durma sayısı
UDDS
şehiriçi
1369
11.99
91.25
31.51
17
HWFET
otoban
765
16.51
96.4
77.58
1
NEDC
yüksek hızlı şehiriçi
1184
10.93
120
33.21
13
Araç test simulasyonlarının gerçekleştirildiği UDDS, HWFET ve NEDC sürüş
çevrimlerine ait hız-zaman grafikleri sırasıyla Şekil 4.4, Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’de
verilmiştir.
Şekil 4.4 UDDS şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
62
Şekil 4.5 HWFET otoban sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
Şekil 4.6 NEDC şehiriçi sürüş çevrimi hız-zaman grafiği
Tahrik sistemlerinin karşılaştırılmasında esas alınan aracın aynı olması, dolayısıyla
aracın boş ağırlığının aynı olmasına karşın, tahrik sistemlerinin farklılığı aracın
toplam ağırlığında farklılık getirmiştir. Bu araçlar arasında en hafif olanı içten
yanmalı motorlu(konvansiyonel) araç olmakla birlikte, en ağır olanı, elektrik motoru,
akü grubu, içten yanmalı motor-generator setinin kullanıldığı seri karma elektrikli
araçtır. Bununla birlikte, elektrik motoru ve içten yanmalı motora sahip, seri karma
63
elektrikli araca göre daha küçük akü grubu olan ve generator bulunmayan paralel
karma elektrikli aracın toplam ağırlığı, seri karma elektrikli araca göre düşük
olmakla birlikte, konvansiyonel aracın ağırlğına daha yakındır. Bu farklı sistemlere
sahip araçların ağırlık karşılaştırılması Şekil 4.7’de verilmiştir.
Konvansiyonel
Seri
Paralel
1400
Ağırlık (Kg)
1200
1000
800
600
400
200
0
Araç boş ağırlık
Toplam ağırlık
Şekil 4.7 Araç ağırlıkları
Farklı tahrik sistemlerine sahip içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç
ve paralel karma elektrikli aracın ivmelenme testi ve yokuş çıkma testlerinin
simülasyonları yapılmış ve elde edilen sonuçlar aşağıda değerlendirilmiştir. Bu
sonuçlardan görülmüştür ki, tahrik sistemlerinin değişmesinden kaynaklanan ağırlık
farklılıkları araç performansı üzerine önemli derecede etki etmiştir. Bunun en
belirgin örneği, seri karma elektrikli araçta ortaya çıkmaktadır. Maksimum hız
ölçütünde, seri karma elektrikli araç, diğerlerine göre daha yavaş iken, ağırlığı
konvansiyonel araca yakın olan paralel karma elektrikli aracın maksimum hızı,
konvansiyonel araç ile aynı değerlerdedir. Araçların maksimum hızlarının
karşılaştırıldığı grafik Şekil 4.8’de görülmektedir.
64
200
Hız (km/saat)
160
120
80
40
0
Konvansiyonel
Seri
Paralel
Şekil 4.8 Maksimum hızlar
İvmelenme sürelerine baktığımızda ise seri karma elektrikli aracın maksimum hız
ölçütünde ağırlıktan kaynaklanan dezavantajı burada görülmemektedir. Bundaki en
önemli faktör ise, elektrik motorunun tahrik sisteminde itici güç olmasından dolayı,
elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment özelliğiyle içten yanmalı motora
göre üstünlük sağlamasıdır. Paralel karma elektrikli araçta bu avantajın üstüne, bir de
ağırlık olarak konvansiyonel araca daha yakın ağırlıkta olma avantajı eklendiğinden,
ivmelenme sürelerinde diğerlerine göre daha iyi performansa sahiptir. İvmelenme
sürelerine ait grafikler, Şekil 4.9’da verilmiştir.
Konvansiyonel
Seri
Paralel
12
Süre (sn)
10
8
6
4
2
0
0-100 km/saat
0-60 km/saat
Şekil 4.9 İvmelenme süreleri
65
80-120 km/saat
Yokuş çıkma kabiliyetlerine bakılacak olursa, benzer şeyler burada da söylenebilir.
Seri karma elektrikli aracın çıkabildiği yokuş eğimi yine ağırlık nedeniyle en düşük
değerlerdeyken, paralel karma elektrikli araç, diğer ikisine göre üstünlük
göstermiştir. Yokuş çıkma kabiliyetlerine ait grafikler Şekil 4.10’da verilmiştir.
25
Yokuş eğimi (%)
20
15
10
5
0
Konvansiyonel
Seri
Paralel
Şekil 4.10 Yokuş çıkma kabiliyetleri
Yukarıda bahsedilen ivmelenme testlerine ve yokuş çıkma testlerine ek olarak, farklı
tahrik sistemlerine sahip bu üç araç değişik üç sürüş çevriminde karşılaştırmalı
olarak test edilerek, yakıt tüketimlerine ve toplam sistem verimlerine ait
simülasyonlar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.11 ve Şekil 4.12’de
görülmektedir. UDDS sürüş çevrimi ve NEDC sürüş çevrimi, şehiriçi sürüş
çevrimleri yaklaşık olarak benzer özellikler göstermektedir. Bu iki sürüş çevriminde
araçların yakıt tüketimlerine bakılacak olursa; konvansiyonel aracın yakıt tüketimi en
yüksek değerde iken, konvansiyonele göre yakıt tüketimi oldukça iyi olan seri karma
elektrikli araç, seri karmadan daha da iyi olan paralel karma elektrikli araç onu takp
etmektedir. Bu durumun en önemli sebeplerinden biri, UDDS ve NEDC sürüş
çevrimlerinin karakteristiklerinin gösterildiği Şekil 4.4 ve Şekil 4.6’e bakılınca
anlaşılacaktır. Şehiriçi karakteristiğini modelleyen bu sürüş çevrimleri, aracın duruş
kalkış sayısının fazla olduğu ve duruş pozisyonunda belirli süreler beklediği(trafik
sıkışıklıkları, trafik lambaları gibi) tipik şehir içi özelliklerine sahip çevrimlerdir.
Konvansiyonel aracın özelliklerine bakacak olursak, içten yanmalı motorun aracı
66
Konvansiyonel
Seri
Paralel
9
Yakıt tüketimi (l/100km)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
UDDS
NEDC
HWFET
Şekil 4.11 Değişik sürüş çevrimlerindeki yakıt tüketimleri
Konvansiyonel
Seri
Paralel
Toplam sistem verimi (%)
0,2
0,16
0,12
0,08
0,04
0
UDDS
NEDC
HWFET
Şekil 4.12 Değişik sürüş çevrimlerindeki toplam sistem verimi
hareket ettirmek için gerekli olan kalkış anındaki yüksek momenti verebilmesi için
belirli bir devire çıkması gerekmektedir. Çok sayıda duruş kalkış sırasında, bu kalkış
anı karakteristiği yakıt tüketiminin artmasına neden olmaktadır. Ayrıca, aracın
bekleme durumlarında, içten yanmalı motorun düşük devirlerde(rölantide) çalışması
da yakıt tüketiminin artmasına neden olan etkenlerden biridir. Seri karma ve paralel
karma elektrikli araca bakacak olursak; her ikisi de konvansiyonel araca göre bu iki
avantaja sahip olduğu için yakıt tüketimleri daha düşüktür. Şehir içindeki duruş
67
kalkış sırasında, elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment özelliğinin
getirdiği faydalar ve bekleme anlarında elektrik motorunun çalışması, dolayısıyla
enerji harcamama özelliği, yakıt tüketimlerinin azalmasına destek vermektedir. Buna
ek olarak, elektrik motorunun rejeneratif frenleme özelliğinden dolayı şehirçi sürüş
çevrimlerinde bulunan çok sayıdaki duruş kalkış sırasında, duruşlarda yapılan
frenleme ve yokuş aşağı giderken yapılan frenlemeler, elektrik motorunu generator
olarak çalıştırmaktadır. Konvansiyonel araçlarda ziyan olan bu frenleme enerjisini,
seri karma elektrikli ve paralel karma elektrikli araçlar aküleri şarj etmekte
kullanmaktadır. Bu geri kazanılan enerji yakıt tüketimine, dolayısıyla toplam sistem
verimine katkıda bulunmaktadır. Toplam sistem verimi, tahrik sistemindeki bütün
elemanların verimleri göz önünde bulundurularak, araca verilen enerjinin tekerlerden
alınan hareket enerjisiyle oranlanması sonucu ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte,
otoban sürüş çevrimi olan HWFET sürüş çevriminde yapılan simülasyonların
sonuçlarına bakılacak olursa; konvansiyonel aracın, şehir içinde, içten yanmalı
motordan kaynaklanan dezavantajının burada bir ölçüde azaldığı görülmektedir.
Bunun sebebi ise, otoban sürüş çevriminde, araç yüksek hızlarda gittiği için, içten
yanmalı motor belirli bir devirde, yaklaşık olarak sabit güçte ve aracın, ilk hareket
anında ihtiyaç duyduğu güçlere göre daha düşük güçlerde gitmekte olduğundan,
yakıt tüketimi, şehiriçi yakıt tüketimine göre düşmüştür. Seri karma elektrikli araç ve
paralel karma elektrikli araç ise şehir içindeki duruş kalkışlardan gelen avantajı
olmamakla birlikte, yine de konvansiyonel araca göre, yakıt tüketiminde ve toplam
sistem veriminde daha iyi performans göstermektedir.
Sonuç olarak; içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç ve paralel karma
elektrikli aracın, aynı test koşullarında ve aynı sürüş çevrimlerinde yapılan
simülasyonları sonucunda şu bulgular elde edilmiştir. Aynı araç üzerine farklı tahrik
sistemleri yerleştirildiğinde, seri karma elektrikli araç en ağır olan olarak göze
çarpmaktadır. Bunu, paralel karma elektrikli araç ve içten yanmalı motorlu araç
izlemektedir. Ağırlık faktörünün, araç performansı üzerine doğrudan etkisi
olduğundan, maksimum hızlarda ve yokuş çıkma kabiliyeti ölçütlerinde seri karma
elektrikli araç bu dezavantajın sonuçlarını diğerlerine göre daha düşük performans
göstererek ödemektedir. Paralel karma elektrikli araç, bu ölçütlerde içten yanmalı
motorlu araç ile yarışır durumdadır. Yakıt tüketiminde ise, özellikle şehiriçi sürüş
çevrimlerinde, sırasıyla paralel karma elektrikli araç ve seri karma elektrikli araç,
68
içten yanmalı motorlu araca göre üstünlük sağlamaktadır. Bu durum, paralel karma
elektrikli araç ve seri karma elektrikli aracın, bütün özellikleri göz önüne alındığında,
içten yanmalı motorlu araçlara alternatif olacak seçenekler olduğunun göstergesidir.
69
5. UYGULAMA
TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma
Enstitüsü’nde, içinde bulunduğum araştırma grubu ile birlikte seri karma bir
elektrikli araç geliştirilmiştir. Bu projede, içten yanmalı motor ile tahrik edilen
mevcut konvansiyonel tip bir panelvan aracın tahrik sistemi elektrikli hale çevrilerek,
seri karma elektrikli araca dönüştürülmüştür.
Seri karma elektrikli hale dönüştürülen bu aracın tekerleklerini, üç fazlı, sincap
kafesli asenkron bir motor tahrik etmektedir. Nominal gücü olan 30 kW’ı sürekli
olarak verebilen bu motor, 2 dakika süreyle maksimum 60 kW tepe gücü
verebilmektedir. Maksimum çalışma hızı 9000 devir/dakika iken, maksimum
momenti 0-2300 devir/dakika aralığında 260 Nm ve ağırlığı ise 80 kg.’dır. Elektrik
motorunun önünde bulunan evirici DC gerilim barasından aldığı doğru gerilimi,
alternatif gerilime çevirerek, motorun dolayısıyla aracın hız kontrolünü, sürücünün
isteğine göre gerçekleştirir. Evirici, darbe genişlik modülasyonlu IGBT yarı iletken
anahtarlardan oluşmaktadır. Enerji akışı çift yönlüdür. Sürücü gaza bastığında,
eviricinin çıkış gerilimi artarak motoru hızlandırır. Sürücü frene bastığında, mekanik
frenden önce elektriksel fren devreye girerek, elektrik motoru generator olarak çalışır
ve aküleri şarj eder.
Aracın tahrik gücünü sağlamak için, akü grubu ve içten yanmalı motor-generator seti
kullanılmıştır. Akü grubunun çıkışı ve generatorun çıkışı birleştirilerek DC gerilim
barası oluşturulmuştur. Akü grubu, 12V 60 Ah’lik 25 adet kurşun-asit aküden
oluşmaktadır. Böylece, toplam 300 V DC gerilim elde edilmiş olup, toplam ağırlık
375 kg gelmektedir. Diğer taraftan, 17 kW maksimum güçte iki silindirli bir içten
yanmalı motor, 15 kW gücünde bir generator ile akuple edilerek çıkışı DC baraya
bağlanmıştır. Generator çıkışı, alternatif gerilim olup kontrollü bir doğrultucu
tarafından doğru gerilime çevrilmektedir. Aracı tahrik etmek için kullanılan enerji
aküler tarafından sağlanmaktadır. Akülerin enerjisi, tahrik gücüne yetmediği zaman
70
generator seti devreye girmektedir. Bununla birlikte, akülerin şarj seviyesi 275 V’un
altına düştüğü zaman generator seti akü grubunu şarj etmek için kullanılmaktadır.
Aracın konvansiyonel halinde bulunan içten yanmalı motor sökülmüş ve seri karma
elektrikli tahrik sistemine ait elektrik motoru, akü grubu, generator seti, evirici ve
doğrultucu gibi elemanların araç üzerine montajı yapılmıştır. Böylece, seri karma
elektrikli aracın toplam ağırlığı 1714 kg.’ı bulmuştur. Bu aracın maksimum hızı 92
km/h olup, 60 km hıza 14 saniyede ulaşmaktadır. Sadece akülerden çekilen enerji ile
sıfır emisyon araç (ZEV-zero emission vehicle) halindeki sürüş menzili 120 km.’nin
üstüne çıkmaktadır.[25]
Şekil 5.1 Araç yerleşiminden bir görüntü
Aracın, seri karma elektrikli hale dönüştürülmesi sonucunda, konvansiyonel haline
göre performansında birtakım düşmeler görülmüştür. Bu durum, aracın ağırlığının
artmasından dolayı maksimum hız ve ivmelenme sürelerinde görülen düşüşlerdir.
Ağırlık artışının esas nedenlerinden biri, maliyetinin düşüklüğü nedeniyle kurşun-asit
aküler kullanılmasıdır. Bu akülerin yerine, Nikel metal hidrür ya da Lityum iyon
akülerin kullanılması ağırlığı azaltmakla birlikte performansı iyileştirecektir. Aynı
71
zamanda asenkron elektrik motorları yerine, sürekli mıknatıslı elektrik motorlarının
kullanılması maliyeti arttıracak olmasına karşın performansta iyileşmelere neden
olacaktır. Bununla birlikte, geliştirilen bu seri karma elektrikli aracın önemli
özellikleri bulunmaktadır. Elektrik motorunun kalkış anındaki yüksek moment
özelliği, içten yanmalı motorun giderek artan moment grafiğine göre avantaj
sağlamaktadır. Böylece, vites kutusu ile arttırılan içten yanmalı motor performansına
göre elektrik motoru için vites kutusunda bazı viteslerin kullanılmasına gerek
kalmamaktadır. Aynı zamanda, elektrik motorunun hem ileri hem de geri yöne
dönme kabiliyeti, vites kutusundaki geri vitesin gerekliliğini de ortadan kaldırmıştır.
Sadece akülerden tahrik imkanı bulunması nedeniyle elektrik motorunun sessiz
çalışma özelliği, şehir içinde gürültü kirliliği yaratmayacak, aynı zamanda emisyon
olmadığı için hava kirliliğine neden olmayacaktır. Frenleme sırasında ve yokuş aşağı
sürüş durumlarında, elektrik motoru generator olarak çalışıp aküleri şarj edecektir.
Şehiriçi trafik sıkışıklıklarında ve trafik ışıklarındaki beklemeler sırasında elektrik
motoru enerji harcamadığından dolayı bu durum yakıt tasarrufu sağlayacaktır.
72
6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Günümüzde kullanılan otomobillerdeki tahrik sistemleri mekanik sistemlerden
oluşmaktadır. Bu tür sistemlerin çevreye zararlı gazlar yayması, enerji tasarrufu ve
geri
kazanımı
imkanı
olmaması,
araçlarda
alternatif
tahrik
sistemlerinin
araştırılmasına neden olmuştur.
Son yıllarda güç elektroniği elemanlarında, motor kontrol sistemlerindeki ve
elektriksel enerji depolama sistemlerindeki teknolojik gelişmeler elektrikli tahrik
sistemlerini avantajlı hale getirmiştir. Elektrikli tahrik sistemlerinin verimliliklerinin
artması, ağırlık yönünden giderek hafifleşmesi, elektriksel bağlantı yapıldığından
dolayı hacim bakımından esneklik sağlaması ve kontrol kabiliyetinin fazla olması bu
tip tahrik sistemlerinin araçlarda kullanılmasına neden olmuştur.
Bu tez çalışmasında, konvansiyonel içten yanmalı motorlu araçlara bir alternatif
olarak düşünülen karma elektrikli araçlar incelenmiştir. Karma elektrikli araçların
çalışma prensipleri, alt sistemleri anlatılmış, karma elektrikli araçların bugünü ve
geleceğinde büyük öneme sahip olan yakıt pilleri, enerji depolama elemanları ve
elektriksel tahrik sistemleri detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Özet olarak; yakıt
pillerinin araç uygulamalarında kullanılması günümüzde ticari olarak ulaşılabilir
görülmemekle birlikte, geleceğin umut vadeden teknolojisidir. Enerji depolama
elemanlarının performanslarındaki artış, karma elektrikli araçların sürüş menzilini
uzatacak en önemli faktördür. Çeşitli akü tipleri üzerine araştırmalar devam etmekle
birlikte, günümüz bakış açısıyla yakın gelecekte, araçlardaki bu performans artışını
gerçekleştirmeye aday olarak lityum aküler görülmektedir. Elektriksel tahrik
sistemlerinde, asenkron motorlar olgunlaşmış teknolojisiyle göze çarparken, sürekli
mıknatıslı motorlar, yüksek güç yoğunlukları ve yüksek devirleri ile karma elektrikli
araçların giderek artan güç ihtiyacını karşılamak için etkileyici çözümler
sunmaktadır. Ayrıca, elektrik motorlarının,
araçların tekerleklerinin içine
yerleştirilmesi(hub-drive), geleceğin karma elektrikli araçlarında düşünülen tahrik
sistemi şeklidir.
73
Bununla birlikte, bu çalışmada, içten yanmalı motorlu araç, seri karma elektrikli araç
ve paralel karma elektrikli aracın birbirlerine göre üstünlüklerini belirlemek üzere,
değişik sürüş çevrimlerinde ve test koşullarında bilgisayar simülasyonları yapılarak,
karşılaştırmalı değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. İçten yanmalı motorlu araç, seri
karma elektrikli araç ve paralel karma elektrikli aracın, aynı test koşullarında ve aynı
sürüş çevrimlerinde yapılan simülasyonları sonucunda şu bulgular elde edilmiştir.
Aynı araç üzerine farklı tahrik sistemleri yerleştirildiğinde, seri karma elektrikli araç
en ağır olan olarak göze çarpmaktadır. Bunu, paralel karma elektrikli araç ve içten
yanmalı motorlu araç izlemektedir. Ağırlık faktörünün, araç performansı üzerine
doğrudan etkisi olduğundan, maksimum hızlarda ve yokuş çıkma kabiliyeti
ölçütlerinde seri karma elektrikli araç bu dezavantajın sonuçlarını diğerlerine göre
daha düşük performans göstererek ödemektedir. Paralel karma elektrikli araç, bu
ölçütlerde içten yanmalı motorlu araç ile yarışır durumdadır. Yakıt tüketiminde ise,
özellikle şehiriçi sürüş çevrimlerinde, sırasıyla paralel karma elektrikli araç ve seri
karma elektrikli araç, içten yanmalı motorlu araca göre üstünlük sağlamaktadır.
Ayrıca, uygulama çalışması olarak içten yanmalı motorlu panel-van tip
konvansiyonel bir araç, seri karma elektrikli araca dönüştürülmüştür. Sessiz
sürüş(sadece
akülerden)
imkanı
da
tanıyan
bu
aracın
özellikle
şehiriçi
uygulamalarında enerji geri kazanımından dolayı, enerji tasarrufu imkanı yarattığı ve
emisyon ve gürültü açısından içten yanmalı motorlu araçlara göre daha çevre dostu
olduğu görülmüştür.
Sonuç olarak, bu çalışmalar çerçevesinde, karma elektrikli araçların özellikleri göz
önüne alındığında, içten yanmalı motorlu araçlara alternatif olacak seçenekler olduğu
görülmektedir.
74
7. KAYNAKLAR
[1] Smokers, R., Dijkhuizen, A.J., Winkel, R.G., 2002. Hybrid Drivetrain
Configurations, Annex VII: Hybrid Vehicles Overview Report 2000,
International Energy Agency
[2] Chau, K.T., Wong, Y.S., 2002. Overview of Power Management in Hybrid
Electric Vehicles, Energy Conversion and Management, 43, 19531968
[3] Chan, C.C., 2002. The State of the Art of Electric and Hybrid Vehicles,
Proceedings of the IEEE, 90, 247-275
[4] Brusaglino, G., Ravello, V., Schofield, N., Howe, D., 1999. Advanced Drives
for Electrically Propelled Vehicles, Proceedings of the IEE
[5] Maggetto, G., Van Mierlo, J., 2001. Electric Vehicles, Hybrid Electric Vehicles
and Fuel Cell Electric Vehicles: The State of the Art and Perspectives,
Ann.Chim.Sci.Mat., 26(4), 9-26
[6] Maggetto, G., Van Mierlo, J., 2000. Electric and Electric Hybrid Vehicle
Technology: A Survey, Proceedings of the IEE
[7] Chan, C.C., Wong, Y.S., Chau, K.T., 2002. Optimal design of Hybrid Fuel
Cell Electric Vehicles, Proceedings of the 19th International Battery,
Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea,
October 19-23, 2033-2043
[8] Oh, H.S., Kim, S., Kim, N., Lee, J., Hwang, I., 2002. Design and Evaluation of
Polymer Electrolyte Fuel Cell Power Plant for Fuel Cell Hybrid
Vehicle, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and
Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23,
1944-1950
[9] Mc Nicol, B.D., Rand, D.A.J., Williams, K.R., 2001. Fuel Cells for Road
Transportation Purposes- yes or no?, Journal of Power Sources, 100,
47-59
[10] Nelson, R.F., 2000. Power Requirements for Batteries in Hybrid Electric
Vehicles, Journal of Power Sources, 91, 2-26
[11] Shukla, A.K., Arico A.S., Antonucci, V., 2001, An appraisal of electric
automobile power sources, Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 5, 137–155
[12] King, R.D., Song, D., Gikakis, C., Gilon, Y., 2002, Zero Emissions Zinc Air
Electric Transit Bus – Performance Test Results, Proceedings of the
19th International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle
Symposium, Busan, Korea, October 19-23, 790-801
[13] Bitsche, O., Schmolz, A., Ehmer, M., Keilhofer, K., Klemens, T., 2002, Fleet
Test of Four DaimlerChrysler EPIC Minivans Powered by Lithium
Ion Batteries, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid
and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 1923, 360-371
75
[14] Burke, A., Miller, M., 2002, Comparison of Ultracapacitors and Advanced
Batteries for Pulse Power in Vehicle Applications: Performance, Life
and Cost, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid and
Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 19-23,
855-866
[15] Jeong, J., Lee, H., Kim, C., Choi, H., Cho, B., 2002, A Development of an
Energy Storage System for Hybrid Electric Vehicles Using
Supercapacitor, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid
and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 1923, 1379-1389
[16] Hodkinson, R., Fenton, J., 2001, Lightweight Electric/Hybrid Vehicle Design,
Butterworth-Heinemann Press, Oxford
[17] Sun, L., Bai, W., Sun, F., 2002. State-of-the-art Electric Vehicle Simulation
Technology, Proceedings of the 19th International Battery, Hybrid
and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Busan, Korea, October 1923, 2064-2073
[18] Kellermeyer, W., 1998. Development and validation of a modular hybrid
electric vehicle simulation model, MSc Thesis, West Virginia
University, Virginia
[19] Rahman, Z., Butler, K.L., Ehsani, M., 1999. Designing Parallel Hybrid
Electric Vehicles Using V-Elph 2.01, Proceedings of the American
Control Conference, USA, June
[20] Tillaart, E.V.D., Mourad, S., Lupker, H., 2002. TNO Advance- A Modular
Simulation Tool for Combined Chassis and Powertrain Analysis,
Proceedings of the 4th International All Electric Combat Vehicle
Conference, Hollanda.
[21] Gökdere, L., Benlyzaid, K., Dougal, R., Santi, E., Brice, C., Parker, D.S.,
Hodge C.G., 2002. A virtual prototype for a hybrid electric vehicle,
Mechatronics, 12, 575-593.
[22] http://vtb.engr.sc.edu
[23] http://www.ctts.nrel.gov/analysis/advisor.html
[24] Markel, T., Brooker, A., Hendricks, T., Johnson, V., Kelly, K., 2002.
ADVISOR: A System Analysis Tool for Advanced Vehicle
Modelling, Journal of Power Sources, 110, 255-266.
[25] Yazar, A., Tunçay, R.N., Uçarol, H., Tür, O., Kiraz, H., 2002. ELİT-1
Elektrikli Araç Projesi Sonuç Raporu, TÜBİTAK Marmara Araştırma
Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Gebze,
Kocaeli, Türkiye
76
EK A
Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları
Araç
Adı
Audi Duo III
BMW 318 ISAD
Chevrolet Triax
Chrysler Citadel
Chrysler Durango
Citroen Saxo
Citroen Xsara
Citroen Dynactive
CSIRO
Daihatsu Charade
Daihatsu Move
Daihatsu Move II
Daimler Chrysler S
Dodge ESX
Dodge ESX2
Dodge ESX3
Dodge Powerbox
ETH-Z
Fiat Multipla
Ford Aachen
Ford Escape
Ford Explorer
Elektrik Motoru
Durum
Tip
test
ticarileşme
prototip
prototip
prototip
test
ticarileşme
ticarileşme
prototip
prototip
test
prototip
prototip
prototip
prototip
prototip
prototip
test
ticarileşme
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
seri
paralel
paralel
seri
paralel
ticarileşme
prototip
paralel
paralel
seri
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
Ağırlık
(kg)
Güç
(kW)
Tip
1710 3 faz asenkron
Tip
35
1330 Gen III
Siemens
Siemens asenk.
1050 Leroy-Somer DC
1100
1450 Sürekli mıkna.
Anahtarl. relük.
1660 AC asenkron
1070 DC fırçasız
780
1440 Zytec Sür. mıkn.
1125
1020
Siemens
Asenkron
1850 3 faz asenkron
1650
1643 Sür. mıkn.asenk.
starter
35 starter
52
66
20 AC
asenkron
25
37
19
18
80
186
starter-asenk.
Delphi-starter
52
16
30
65
starter
77
Akü
Generator
Güç
(kW)
Tip
Kurşun-asit
6
15 Ni-MH
Kurşun-asit
Li-iyon
6,5 Ni-Cd
7 Ni-MH
Ni-MH
Kurşun-asit
Kurşun-asit
Kurşun-asit
Ni-MH
Gerilim
(V)
230
350
120
220
168
200
240
288
Kurşun-asit
15 Kurşun-asit
15 Li-iyon
300
165
15 Ni-MH
120
216
28 Sanyo NiMH
10
300
42
İçten Yanmalı
Motor
Güç
Tip
(kW)
TDI-dizel
Otto-benzin
turbo-benzin
V6- benzin
V6-benzin
boxer-benzin
Otto-benzin
Otto-benzin
CMC
benzin
Miller-benzin
V6-benzin
TD-dizel
DI-dizel
DI-dizel
V6-CNG
Otto-benzin
Otto-benzin
Zetec-benzin
66
48
189
10
65
55
132
55
55
187
50
68
Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları(devam)
Araç
Adı
Ford P2000 LSR
Ford Prodigy
Ford Synergy
Ford VCC110
GM EV1 Parallel
GM EV1 Seri
GM Precept
Holden ECO
Honda
Hyundai FGV II
Kia KEV 4
Mitsubishi Chariot
Mitsubishi ESR
Mitsubishi Pistachio
Mitsubishi SUW
Mitsubishi Compact
Nissan AI-X
Nissan Stylish
Nissan Tino Neo
Peugeot 406 VERT
Pininfarina Ethos
Pininfarina Metrocubo
Renault Koleos
Renault Next
Durum
Elektrik Motoru
Tip
prototip paralel
prototip paralel
prototip
seri
seri
prototip paralel
prototip
seri
prototip paralel
prototip paralel
prototip
seri
prototip paralel
prototip paralel
prototip
seri
prototip
seri
ticari
paralel
prototip paralel
prototip paralel
paralel
prototip paralel
ticari
paralel
seri
prototip paralel
seri
prototip paralel
paralel
Ağırlık
(kg)
908
1082
910
1715
1450
1339
1176
Güç
(kW)
Tip
Akü
Generator
Tip
starter
3 faz asenk.
Güç
(kW)
8
8
Tip
Varta NiMH
Ni-MH
Sürekli mıknatıslı
GM- AC asenk.
GM- AC asenk.
Unique- AC PM
Anahtarl. relük.
Sürekli mıkn.
1280 DC
1478
1290 AC asenkron
AC asenkron
700
980 Sürekli mıkn.
100 starter-DC
100 AC
25 Unique- PM
50
50
10
50
60
70
starter-altern.
12 starter-altern.
starter-altern.
4,8 Ovonic-NiMH
40 Ovonic-NiMH
10 Ni-MH
Kurşun-asit
NiMH
Ni-MH
7 Kurşun-asit
Li-iyon
Alkalin
Li-iyon
Sony Li-iyon
3 faz senkron
1800 DC
20 3 faz senkron
45
starter
1300
2000 Elegie
875 Sürekli mıknatıslı
78
30
14
13 Li-iyon
Saft- NİCd
10,5
Li-iyon
Ni-Cd
Gerilim
(V)
İçten Yanmalı
Motor
Güç
Tip
(kW)
280 Diata
288 Diata
DI-dizel
55
55
290 Isuzu DI-dizel 55
290
350 Isuzu DI-dizel 40
GM
95
Otto
60
benzin
336 benzin
336 CNG
25
336 benzin
benzin
54
GDI-benzin
77
GDI-benzin
63
DI-benzin
GDI-benzin
345 benzin
73
dizel
37
DI
40
benzin
benzin
127
benzin
35
Tablo A.1 Dünyadaki içten yanmalı motorlu karma elektrikli araç uygulamalarının belli başlıları(devam)
Araç
Adı
Renault Scenic
Renault Vert
Sachsenring
Saturn
Subaru Elten
Suzuki EV-sport
Suzuki Pu3
Toyota Corona
Toyota HV-M4
Toyota Prius
Volvo ECC
Citroen Berlingo
Renault Kangoo
Elektrik Motoru
Durum
Tip
prototip
test
prototip
prototip
paralel
seri
paralel
seri
paralel
paralel
paralel
paralel
paralel
seri-paralel
seri
seri
seri
prototip
prototip
prototip
prototip
ticari
test
prototip
Ağırlık
(kg)
Tip
Akü
Generator
Güç
(kW)
Tip
1650 Sürekli mıknatıslı
30
2000 Sürekli mıknatıslı 2x45
1425 Sürekli mıknatıslı
30
UQM- Sürek.mıkn. 53
920
starter- PM
625 GM Generation III
600
Güç
(kW)
Tip
Ni-Cd
Ni-Cd
NaNiCl2
PbSO4
8,5 Ni-MH
Ni-MH
Ni-MH
1240 Sürek.mık.senk.
1500 Leroy-Somer DC
1775
79
33
70
28 AC
62
Ni-MH
Ni-Cd
6,5 Saft- NİCd
Saft- NİCd
Gerilim
(V)
172
288
284
İçten Yanmalı
Motor
Güç
Tip
(kW)
benzin
gaz türbin
Audi TDI
Kawasaki
300 A benzin
Otto-benzin
Otto-benzin
DI-benzin
benzin
288 DOHC
120 gaz türbin
138 Lombardini
Lombardini
80
38
66
14
31
15
53
10
ÖZGEÇMİŞ
Hamdi Uçarol 1977 yılında Adana’da doğdu. Lise öğrenimini Adana Anadolu
Lisesi’nde tamamladıktan sonra 1995 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi ElektrikElektronik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü’ne girdi. 1999 yılında Elektrik
Mühendisi ünvanı ile mezun oldu ve aynı yıl İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik
Mühendisliği bölümünde yüksek lisans programına başladı. 2001-2002 yıllarında
İstanbul Üniversitesi İşletme İktisadı Enstitüsü İşletmecilik İhtisas Programı’nı
tamamladı. 1999 yılından beri TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji
Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü’nde Araştırmacı olarak görev yapmaktadır.
80
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

En Mimar Architecture LTD ŞTİ XD

2 Cards asilyasar069

Create flashcards