Merhaba.
İçten yanmalı motorlu araçlardan bu yana farklı teknolojilere sahip araçlar üretilmiştir.Teknolojik sıralamaya göre içten yanmalı motorlu araçlardan sonra mikro hibrit,yarı hibrit,tam hibrit,son olarak da plug-in hibrit elektrikli araçlar(PHEA) ve 0 elektrkli araçlar gelmektedir.Elektrikli araç teknolojilerinin 1800'lü yıllardaki gelişimini göz ardı edecek olursak aşağıdaki sınıflamada, içten yanmalı motorlu araçlardan,bugünün yüzde yüz elektrikli araçlarına kadar gösterilen gelişim gözlenebilir.
ARAÇLAR
-İçten Yanmalı Motorlu araçlar
-Hibrit Araçlar
-Elektrikli Araçlar
HİBRİT ARAÇLAR
-Mikro Hibrit
-Yarı Hibrit
-Tam Hibrit
-Plug-in Hibrit
İçten Yanmalı Motorlu Araçlar
Geleneksel içten yanmalı motorlara sahip araçlardır.
Mikro Hibrit Araçlar
Bu araçlar hibrit araçlara ilk geçiş ayağıdır ve Akıllı Enerji yönetimi(Energy Smart Management-ESM) destekli ve Start&Stop sistemli araçlar bu sınıfa dahildir.Aracın enerji dengesini iyi yöneterek enerji kayıplarını en aza indirmek ve aracın durma esnasında motoru durduran ve harekete geçmesi gerektiğinde tekrar çalıştıran yazılıma ve elektronik donanıma sahip olan araçlardır.Aracın durduğu anlarda yakıt tasarrufu ve CO2 emisyonunun azaltılması sağlanır;fakat aracın motoruna sürüş anında hiçbir güç desteği sağlanamamaktadır.
Yarı Hibrit Araçlar
Yarı hibrit Araçlar içten yanmalı motorlarlarını desteklemek için bir elektrik motoru ve akü kullanırlar.Elektrik motoru artık burada durgun andan hareketli ana geçişte motoru desteklemenin ötesine geçerek,sürüş anında motorla ortak çalışabilir ve güçlü akü ile birlikte motorun yükünü hafifletir hale gelmiştir.Bu sebeple daha küçük silindirli motor seçimine gidilerek bu yolla yakıt tasarrufu ve tabiki CO2 salınım oranı azaltılmaya başlanmıştır.
Motor boyutunu küçültmek yerine motor verimliliği de arttırılabilir,yani dört silindirli motorun emme,basma zamanı sıkıştırma ve patlama zamanından daha kısadır.Bu şekilde motorun vereceği güç azalırken toplam motor verimliliği artar.Bu sistemde azalan güç elektrik motoru ile desteklenerek araca ihtiyacı olan güç sağlanırken,motor veriminin artması veya boyutunun küçülmesiyle yakıt tasarrufu ve CO2 emisyonunda da ciddi azalma sağlanır.
Tam Hibrit Araçlar
Tam Hibrit Araçlarda artık elektrik motoru ve akü ikili sistemin avantajını en uç noktalarda zorlayarak,içten yanmalı motoru desteklemenin ötesine geçmiş,aracı çalıştırmak esnasında ve düşük hızlarda hareket ettirebilme yetkinliği kazanmıştır.
Araç müşterileri ,bu sistemde aracın çalışma sesini klasik içten yanmalı motorlar gibi duymazlar.Çünkü araç güçlü aküsüyle çalışır ve elektrik motoru ile kalkar.Benzinli motor,yüksek performans gerektiren hızlarda ve koşullarda otomatik devreye girer ve
düşük hızlarda devreden çıkar.
Plug-in Hibrit Elektrikli Araçlar
Bu araç hibrit elektrikli ve elektrikli araçlar olmak üzere her ikisinin de avantajlarına sahiptir;fakat elektrikli araçlar tamamen elektrik ile çalışmak için tasarlanmışken PHEA'lar ayni zamanda içten yanmalı bir motora sahiptir.Tüm elektrikli araçlar gibi şehir şebekesinden aldığı enerjiyi aküsünde depolayarak hareket için gerekli gücü elektrik motoruna sağlar.Elektrikli araçların menzil konusunda yarattığı soru işaretleri ve yolda kalma korkusu,bu araçlarda destek olarak kullanılmak üzere yerleştirilmiş içten yanmalı motor ile minimize edilmiştir.Fakat çevreye olan zararlı etkisi,elektrikli araçlar ile hedeflenen "sıfır emisyon" düzeyinde değildir.
Elektrikli Araçlar
Herhangi bir içten yanmalı motora sahip değildir,tamamen elektrik motoru ve motorun ihtiyacı olan enerjiyi verebilecek bir batarya ile donatılmıştır.Emisyon oranı sıfırdır.
BATARYA VE BATARYA YÖNETİMİ
Batarya Teknolojisi
Özellikle yüksek güç yoğunluğu karekteristiği,lityum-iyon bataryaları elektrikli araç uygulamalarında çekici hale getirmiştir.Li-iyon bataryalar enerji yoğunluğu açısından,diğer batarya türleri olan Li-metal,NiMH,NaNiCl2(Zebra),NiCad,Plomb'lara göre "Wh/kg" olarak da oldukça büyük avantaj sağlamaktadır.Batarya teknolojilerinin en önemli göz önüne alınan kriterleri aşağıda yazıldığı gibidir.
-Boyut
-Ağırlık
-Maliyet
-Güvenirlilik
-Performans
HEA,PHEA ve EA uygulamalarında batarya maliyet,ağırlık,performans ve güvenirliliği optimize edecek şekilde seçilmelidir.Performansa dayalı olmayan otomotiv uygulamalarında kurşun-asit bataryalar yeterli kalırken,araç tahrik gücünün sağlanması konusu olduğunda daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryalar gerekir.Bu durumda NiMH(Nikel Metal Hidrat) ya da Li-iyon bataryalar tercih edilir.
Taşıt araçlarının elektrikli hale dönüştürülmesi çok yeni bir konsept değildir.1990'larda GM,EV1 isimli,tamamen elektrikle tahrik edilen modelini piyasaya sürmüştür.Ekonomik açıdan ve altyapı yetersizliği nedenleriyle önemli bir başarı yakalayamadığı söylenmektedir.EV1'de 18 kWh kapasiteli kurşun-asit batarya kullanılmış ve ağırlık açısından da araca önemli bir yük getirmiştir.GM'nin 1999'da piyasaya sürmüş olduğu EV1'in yeni sürümünde 26 kWh'lik Panasonic NiMH batarya sistemi kullanılmıştır.GM'in beklentilerin altında kalması diğer otomobil üreticilerinin çekincelerini artırmış olmakla beraber,Honda içten yanmalı motor ile birlikte elektrik motoruyla çalışan bir hibrit aracını piyasaya sürmüştür.
Bugün ürün gamlarında farklı hibrit araçlar olan üretici firmalar mevcuttur.En popüler ve bilinen hibrit,Toyota Prius 200 voltluk NiMH batarya sistemi içermektedir.Birçok otomobil üreticisinin yaptığı gibi Toyota da batarya konusunda üretici ile ortaklığa gitmiştir ve araçlarında Panasonic bataryaları kullanmaktadir.Batarya sisiteminde 28 modülden oluşan iki dizi mevcuttur.Her bir modülde 6.5 Ah'lik altı hücreden oluşmaktadır.
HEA ve PHEA uygulamalarında bataryalar özellikle ihtiyaç duyulan enerji miktarına göre boyutlandırılmıştır.Tipik bir HEA batarya sisteminde yüksek yükler altında çalışma durumu söz konusu olup,batarya sistemi araç ivmelendiğinde devreye girerek ilave bir güç sağlar.Böyle bir durumda daha iyi yakıt ekonomisi sağlayan daha düşük güçte içten yanmalı motor kullanılabilir.Elektrikli motor yanında içten yanmalı motor kullanan hibrit elektrikli araçlarda,elektrikli araçlarda olduğu kadar yüksek kapasiteli batarya kullanılması gerekmez.Bunun sonucu olarak batarya daha dar bir doluluk oranı(State of Charge-SOC) aralığında çalışabilir.Gerek hibrit elektrikli araçlarda,gerekse elektrikli araçlarda frenleme sırasında;elektrik motorunun jenaratör biçiminde çalışarak bataryayı şarj ettiğini de belrtmek gerekir.Çoğu hibrit elektrikli araçlarda batarya sisteminde NiMH bataryalar kullanılmıştır.Bunun başlıca nedeni,NiMh bataryaların kurşun-asit batarya sisteminden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması yanında daha düşük çalışma sıcaklıklarında çok az kapasite düşüşü göstermesidir.Ayrıca NiMH batarya teknolojisi Li-iyon batarya teknolojisinden önce geliştirilmiş olduğundan erken dönem hibrit elektrikli araçlarında NiMH batarya sistemi tercih edilmiştir.
Son yıllarda yüksek enerji yoğunluğuna sahip Li-iyon batarya teknolojisinin gelişmesine paralel olarak,gerek hibrit ve gerekse elektrikli araç uygulamalarında Li-iyon bataryalar tercih edilmeye başlamıştır.Geçmişte,güvenlik zaaflarının yanı sıra düşük ve yüksek sıcaklıklardaki önemli kapasite düşümü nedenleriyle Li-iyon bataryalar daha çok küçük elektronik cihaz uygulamalarında kullanılmıştır.Maliyet ve teknolojik zorluklar nedeniyle daha ileri otomotiv uygulamalarında fazla kullanılamamışlardır.Batarya gücü ve ömrü toplam sistemin maliyeini belirlediğinden,elektrikli araç uygulamalarında batarya sistemi en önemli birimdir.Elektrikli araçlar geliştirilirken istenen performansı ve menzili elde edebilmek için elektriksel kapasiteyi artıracak büyük batarya sistemine ihtiyaç duyulur.Geliştirilen batarya yönetim sistemiyle birlikte yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum-iyon bataryalar şu an için ticari ve endüstriyel açıdan en uygun seçenek görünmektedir.Li-iyon bataryalar NiMH'e göre yüksek hücre gerilimi,enerji yoğunluğu ve düşük kendi kendine deşarj oranıyla önemli avantajlara sahiptir.Bu avantajlardan yola çıkarak elektrikli araçlarda kullanılabilecek batarya sisteminde yüksek gerilim elde edebilmek için hücreler seri şekilde bağlanır.Diğer taraftan gerilim artışı yanında kapasite artışı sağlamak içinse seri hücrelerin diğer bir seri hücre dizisiyle paralel bağlanması gerekir.Bu durumda batarya sistemin tasarım ve operasyon karmaşıklığı artar.Karmaşıklığı artan batarya sisteminde,iyi bir batarya güvenliği,batarya enerji yönetimi ve batarya ısıl yönetimi için,iyi bir batarya yönetim sistemi gerekir.
Batarya Yönetim Sistemi
Bataryanın imalatı kadar şarj-deşarj ile araç içindeki işletimi sırasındaki enerji yönetimi de önemlidir.Bataryanın çalışma durumu ve özellikle de doluluk durumunun izlenmesi ve denetimi batarya yönetim sistemiyle yürütülür.Donanım ve yazılımdan oluşan batarya yönetim sistemi taşıtta yer alan diğer elektronik denetim sistemleriyle etkileşimli çalışmak durumundadır.Batarya yönetim sisteminin en önemli işlevlerinden birisi ise şarj ve deşarj durumuna göre bataryanın doluluk durumunun izlenmesi ve denetimidir.Batarya doluluk durumu,temelde batarya akım-gerilim karekteristiklerinin bir fonksiyonu olmakla beraber diğer batarya fonksiyonlarıyla da ilişkilidir.Batarya doluluk durumunun ise doğrudan ölçümü bulunmayıp batarya ile ilgili fiziksel,kimyasal ve elektriksel pek çok parametreye bağlı olarak yaklaşık kestirim hesabi mümkündür.
Batarya karekteristikleri ve bunlara bağlı olarak batarya doluluk durumunun hesaplanması ile ilgili pek çok batarya modeli geliştirilmiştir.Bataryayı oluşturan hücre bazında yapılan çalışmalarda elektrokimyasal,stokastik ve elektriksel olmak üzere üç farklı model ileri sürülmüştür.Elektrokimyasal modellerin hesaplama doğruluk dereceleri yüksek olmakla beraber modeli oluşturan denklemler doğrusal olmayan,karmaşık kısmi diferansiyel denklem takımlarından oluşur.Uzun hesaplama süreleri gerektiren bu modelde üretici firma tarafından sağlanması gereken ve sağlanması çok zor olan çok sayıda parametrenin bilinmesi gerekir.Bu modeller batarya tasarımında daha kullanışlı olmaktadır.Birtakım olasılık hesabı formüllerine dayanan stokastik modellerin hesaplama doğruluk dereceleri düşük olup,hücre karakteristiği konusunda açık bilgiler taşımaz.Ayrıca bu modellerin hesaplama zamanları da uzundur.
Genelde elektriksel sistemin bir parçası olarak kullanılan bataryanın elektrik devre denkliği biçiminde modellenmesi daha pratik bulunmaktadır.Elektriksel modellerde enerji kaynağı olarak bataryayı oluşturan hücre ve ona seri-paralel bağlı direnç ve kondansatör elemanlarından ibaret bir elektrik devresi ele alınır.Literatürde farklı türden elektriksel modeller tanımlanmış olup bazı mollerde direnç ve kondansatör elemanı yanında indüktör elemanı da yer alabilmektedir.Bu modellerin hesaplama doğruluk dereceleri elektrokimyasal modellerden biraz düşük kalmakla beraber stokastik modellerden daha iyidir.Hesaplama süreleri diğer modellere göre daha kısa olan bu modeller,batarya yönetim sistemi içinde doluluk durumunun çevrim içi hesaplamasında daha kullanışlıdır.Bir batarya grubu modelini ortaya koyabilmek için ilk etapta bir batarya hücresinin modellenmesi gerekmektedir.Aşağıda şematik olarak empedansiyometri testleri sonucu geliştirilen bir Randle eşdeğer devresi örneği görülmektedir.
Hücre Dengeleme Sistemi
Elektrikli araç bataryalarında gerekli enerjiyi elde edebilmek amacıyla çok sayıda hücre kullanılır.Hücrelerin seri bağlanmasıyla bataryanın gerilim seviyesi artırılırken,bu seri dizilerin paralel bağlanmasıyla yoluyla da bataryanın torplam kapasitesi artırılmış olunur.Üretim teknoloüsündeki kısıtlar nedeniyle hücreler arasında farklar oluşur.Bu fark temelde iç direnç ve toplam kapasitedeki farklar şeklindedir.Bataryanın kullanımıyla beraber hücreler arası farklar da giderek artar.Bunun sonucu olarak farklı iç direnç ve kapasiteye sahip zayıf hücreler,her şarj ve deşarj çevrimi sonucunda aşırı şarj edilmesi veya aşırı deşarj edilmesi nedeniyle fiziken erken yaşlanır.Bu aşırı yaşlanmanın sonucu hücrenin kalıcı olarak hasar görmesi dahi söz konusu olabilir.Lityum-iyon bataryalardaki hücreler arası farkların kaynağı,hücrelerin iç dirençlerindeki ya da doluluk oranlarındaki sapmalardır.
Hücreler arasındaki dengesizliği gidermek ve hücre ömrünü dolayısıyla da batarya ömrünü artırmak için hücre dengeleme sistemi kullanılır.Genelde batarya yönetim sistemine bağlı olarak çalışan hücre dengeleme sistemi ayni zamanda hücre koruma görevini de görür.En basit şekliyle,hücre dengeleme sistemi yoluyla yüksek doluluk durumuna erken ulaşan zayıf hücrelerin daha fazla şarj olması engellenir ve diğer hücreler dolana kadar bekletilir.Tersi durumda,düşük doluluk durumu değerine sahip bir hücre diğer hücrelerden,deşarj alt eşik değerine daha önce gelerek yüksek seviyede doluluk değerine sahip hücrelerin boşaltılmasına engel olacaktır.
Özellikle Li-iyon bataryalarda hücre dengeleme yoluyla hücreler arası doluluk durumu farklarının belirli bir seviyenin üzerinde veya altında tutulması gerekir.Bunun sağlanması amacıyla gerilim dengelenmesine bağlı bir starateji uygulanabilir.Uygulamada pasif dengeleme ve aktif dengeleme olmak üzere iki tür dengeleme yöntemi kullanılır.
1-Pasif Dengeleme Yöntemi
Genelde bu yöntem,batarya içinde yer alan hücrelerde şarj sırasında oluşan fazla enerjinin,seri bağlı dengeleme dirençleri üzerinden boşaltılması şeklinde uygulanır.Bu yöntemde,dengeleme dirençleri sürekli devreye alınıp,çıkartılarak dengeleme işlemi yürütülür.Bu yöntemin verimliliği doğrudan dengeleme direnci ve denetim algoritmasına bağlıdır.Fazla enerjinin ısı enerjisi şeklinde boşa akıtılmasından dolayı bu yöntem yüksek enerji kaybı gibi önemli bir dezavantaja sahiptir.Bununla berabar basitliği ve ucuzluğu nedeniyle elektrikli araç uygulamalarında tercih edilen bir yöntemdir.
2-Aktif Dengeleme Yöntemi
Çeşitli aktif dengeleme yöntemleri mevcut olmakla beraber bu yöntemin temeli fazla enerjiye sahip bir hücreden enerji eksiği olan bir hücreye enerjinin transfer edilmesi esasına dayanır.Genelde "gerilim taşıma" ve "enerji dönüşümü" olmak üzere iki farklı dengeleme yöntemi kullanılır.
Gerilim taşıma yönteminde,seçilen hücreden enerji alınır,depolanır ve başka bir hücreye iletilir.En çok tercih edilen gerilim taşıma yöntemi "hareketli kapasitör" yöntemidir.Bu yöntemde kapasitör yüksek gerilim seviyesindeki hücre ile doldurulur ve en düşük gerilim seviyesindeki hücreye boşaltılır.Bu yöntemde zaman kaybı büyüktür.Çünkü yüksek gerlimdeki hücre bataryanın bir ucunda,düşük gerilim seviyesindeki hücre diğer bir uçta olabilir.
Aktif dengeleme yöntemi enerji dönüşümü yöntemi idi.Bu yöntemda bir grup hücreden alınan enerji diğer bir grup hücreye indüktör veya transformatörler sayesinde iletilir.Hareketli kapasitör yöntemine benzeyen bu yöntemde dengeleme işlemi hızlı bir şekilde yapılabilir.Bu yöntemin yapısının karmaşıklığı ve maliyetinin yüksekliğinden kaynaklanan dezavantajları mevcuttur.
Li-iyon bataryaya sahip elektrikli araçlarda batarya enerji verimliliği ve batarya ömrü azalması için,pasif ve aktif dengeleme yöntemlerinden herhangi birisinin mutlaka kullanılması gerekir.Elektrikli Fluence aracında ilk uygulamalarda batarya yönetim işlemcisinin kapasitesine uygun olarak pasif dengeleme yöntemi seçilmiştir.Bununla beraber farklı hücre dengeleme yöntemleri ve algoritmaları üzerinde çalışmalara devam edilmektedir.
SONUÇ
Son zamanlarda elektrikli araçalara duyulan ilginin artmasıyla farklı alanlarda birçok çalışma yapılmaktadır.Batarya,batarya bileşenleri,batarya yönetim sistemlerine özellikle önem verilmektedir.Bunun nedeni ise teknoloji anlamında bataryanın gelişme çok açık olmasıdır.Öte yandan gelişen batarya ile birlikte batarya yönetim sistemleri de ilgili araç projelerine bağlı olarak stratejik beklentileri karşılamak durumundadır.Bu doğrultuda araştırma-geliştirme faaliyetleri sürdürülmektedir.
Yapılan çalışmada Oyak-Renault'un Elektrikli Fluence aracıyla ilgili stratejileri göz önünde bulundurularak,bataryanın yönetimi ve araçta kullanılan bataryanın performansını artırmaya yönelik modelleme,benzetim çalışmaları yapılmıştır.Bataryanın modellenmesi aşamasında elektrokimyasal,stokastik yöntemlere oranla daha avantajlı olan elektriksel modelleme yaklaşımı tercih edilmiştir.
Batarya yönetim sistemi işlemcisinin kapasitesini daha az kullanmak amacıyla da pasif dengeleme yöntemi seçilmiş ve bu seçime bağlı olarak modelleme,benzetim çalışmaları yapılmıştır.Elde edilen sonuçlar çerçevesinde yeni çalışmalar sürdürülmektedir.
Alıntıdır.Asıl Kaynak:
Mühendis ve Makina Dergisi,Nİsan 2011,Sayı:615 ISSN 1300-3402,Sayfa:76-80
İçten yanmalı motorlu araçlardan bu yana farklı teknolojilere sahip araçlar üretilmiştir.Teknolojik sıralamaya göre içten yanmalı motorlu araçlardan sonra mikro hibrit,yarı hibrit,tam hibrit,son olarak da plug-in hibrit elektrikli araçlar(PHEA) ve 0 elektrkli araçlar gelmektedir.Elektrikli araç teknolojilerinin 1800'lü yıllardaki gelişimini göz ardı edecek olursak aşağıdaki sınıflamada, içten yanmalı motorlu araçlardan,bugünün yüzde yüz elektrikli araçlarına kadar gösterilen gelişim gözlenebilir.
ARAÇLAR
-İçten Yanmalı Motorlu araçlar
-Hibrit Araçlar
-Elektrikli Araçlar
HİBRİT ARAÇLAR
-Mikro Hibrit
-Yarı Hibrit
-Tam Hibrit
-Plug-in Hibrit
İçten Yanmalı Motorlu Araçlar
Geleneksel içten yanmalı motorlara sahip araçlardır.
Mikro Hibrit Araçlar
Bu araçlar hibrit araçlara ilk geçiş ayağıdır ve Akıllı Enerji yönetimi(Energy Smart Management-ESM) destekli ve Start&Stop sistemli araçlar bu sınıfa dahildir.Aracın enerji dengesini iyi yöneterek enerji kayıplarını en aza indirmek ve aracın durma esnasında motoru durduran ve harekete geçmesi gerektiğinde tekrar çalıştıran yazılıma ve elektronik donanıma sahip olan araçlardır.Aracın durduğu anlarda yakıt tasarrufu ve CO2 emisyonunun azaltılması sağlanır;fakat aracın motoruna sürüş anında hiçbir güç desteği sağlanamamaktadır.
Yarı Hibrit Araçlar
Yarı hibrit Araçlar içten yanmalı motorlarlarını desteklemek için bir elektrik motoru ve akü kullanırlar.Elektrik motoru artık burada durgun andan hareketli ana geçişte motoru desteklemenin ötesine geçerek,sürüş anında motorla ortak çalışabilir ve güçlü akü ile birlikte motorun yükünü hafifletir hale gelmiştir.Bu sebeple daha küçük silindirli motor seçimine gidilerek bu yolla yakıt tasarrufu ve tabiki CO2 salınım oranı azaltılmaya başlanmıştır.
Motor boyutunu küçültmek yerine motor verimliliği de arttırılabilir,yani dört silindirli motorun emme,basma zamanı sıkıştırma ve patlama zamanından daha kısadır.Bu şekilde motorun vereceği güç azalırken toplam motor verimliliği artar.Bu sistemde azalan güç elektrik motoru ile desteklenerek araca ihtiyacı olan güç sağlanırken,motor veriminin artması veya boyutunun küçülmesiyle yakıt tasarrufu ve CO2 emisyonunda da ciddi azalma sağlanır.
Tam Hibrit Araçlar
Tam Hibrit Araçlarda artık elektrik motoru ve akü ikili sistemin avantajını en uç noktalarda zorlayarak,içten yanmalı motoru desteklemenin ötesine geçmiş,aracı çalıştırmak esnasında ve düşük hızlarda hareket ettirebilme yetkinliği kazanmıştır.
Araç müşterileri ,bu sistemde aracın çalışma sesini klasik içten yanmalı motorlar gibi duymazlar.Çünkü araç güçlü aküsüyle çalışır ve elektrik motoru ile kalkar.Benzinli motor,yüksek performans gerektiren hızlarda ve koşullarda otomatik devreye girer ve
düşük hızlarda devreden çıkar.
Plug-in Hibrit Elektrikli Araçlar
Bu araç hibrit elektrikli ve elektrikli araçlar olmak üzere her ikisinin de avantajlarına sahiptir;fakat elektrikli araçlar tamamen elektrik ile çalışmak için tasarlanmışken PHEA'lar ayni zamanda içten yanmalı bir motora sahiptir.Tüm elektrikli araçlar gibi şehir şebekesinden aldığı enerjiyi aküsünde depolayarak hareket için gerekli gücü elektrik motoruna sağlar.Elektrikli araçların menzil konusunda yarattığı soru işaretleri ve yolda kalma korkusu,bu araçlarda destek olarak kullanılmak üzere yerleştirilmiş içten yanmalı motor ile minimize edilmiştir.Fakat çevreye olan zararlı etkisi,elektrikli araçlar ile hedeflenen "sıfır emisyon" düzeyinde değildir.
Elektrikli Araçlar
Herhangi bir içten yanmalı motora sahip değildir,tamamen elektrik motoru ve motorun ihtiyacı olan enerjiyi verebilecek bir batarya ile donatılmıştır.Emisyon oranı sıfırdır.
BATARYA VE BATARYA YÖNETİMİ
Batarya Teknolojisi
Özellikle yüksek güç yoğunluğu karekteristiği,lityum-iyon bataryaları elektrikli araç uygulamalarında çekici hale getirmiştir.Li-iyon bataryalar enerji yoğunluğu açısından,diğer batarya türleri olan Li-metal,NiMH,NaNiCl2(Zebra),NiCad,Plomb'lara göre "Wh/kg" olarak da oldukça büyük avantaj sağlamaktadır.Batarya teknolojilerinin en önemli göz önüne alınan kriterleri aşağıda yazıldığı gibidir.
-Boyut
-Ağırlık
-Maliyet
-Güvenirlilik
-Performans
HEA,PHEA ve EA uygulamalarında batarya maliyet,ağırlık,performans ve güvenirliliği optimize edecek şekilde seçilmelidir.Performansa dayalı olmayan otomotiv uygulamalarında kurşun-asit bataryalar yeterli kalırken,araç tahrik gücünün sağlanması konusu olduğunda daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryalar gerekir.Bu durumda NiMH(Nikel Metal Hidrat) ya da Li-iyon bataryalar tercih edilir.
Taşıt araçlarının elektrikli hale dönüştürülmesi çok yeni bir konsept değildir.1990'larda GM,EV1 isimli,tamamen elektrikle tahrik edilen modelini piyasaya sürmüştür.Ekonomik açıdan ve altyapı yetersizliği nedenleriyle önemli bir başarı yakalayamadığı söylenmektedir.EV1'de 18 kWh kapasiteli kurşun-asit batarya kullanılmış ve ağırlık açısından da araca önemli bir yük getirmiştir.GM'nin 1999'da piyasaya sürmüş olduğu EV1'in yeni sürümünde 26 kWh'lik Panasonic NiMH batarya sistemi kullanılmıştır.GM'in beklentilerin altında kalması diğer otomobil üreticilerinin çekincelerini artırmış olmakla beraber,Honda içten yanmalı motor ile birlikte elektrik motoruyla çalışan bir hibrit aracını piyasaya sürmüştür.
Bugün ürün gamlarında farklı hibrit araçlar olan üretici firmalar mevcuttur.En popüler ve bilinen hibrit,Toyota Prius 200 voltluk NiMH batarya sistemi içermektedir.Birçok otomobil üreticisinin yaptığı gibi Toyota da batarya konusunda üretici ile ortaklığa gitmiştir ve araçlarında Panasonic bataryaları kullanmaktadir.Batarya sisiteminde 28 modülden oluşan iki dizi mevcuttur.Her bir modülde 6.5 Ah'lik altı hücreden oluşmaktadır.
HEA ve PHEA uygulamalarında bataryalar özellikle ihtiyaç duyulan enerji miktarına göre boyutlandırılmıştır.Tipik bir HEA batarya sisteminde yüksek yükler altında çalışma durumu söz konusu olup,batarya sistemi araç ivmelendiğinde devreye girerek ilave bir güç sağlar.Böyle bir durumda daha iyi yakıt ekonomisi sağlayan daha düşük güçte içten yanmalı motor kullanılabilir.Elektrikli motor yanında içten yanmalı motor kullanan hibrit elektrikli araçlarda,elektrikli araçlarda olduğu kadar yüksek kapasiteli batarya kullanılması gerekmez.Bunun sonucu olarak batarya daha dar bir doluluk oranı(State of Charge-SOC) aralığında çalışabilir.Gerek hibrit elektrikli araçlarda,gerekse elektrikli araçlarda frenleme sırasında;elektrik motorunun jenaratör biçiminde çalışarak bataryayı şarj ettiğini de belrtmek gerekir.Çoğu hibrit elektrikli araçlarda batarya sisteminde NiMH bataryalar kullanılmıştır.Bunun başlıca nedeni,NiMh bataryaların kurşun-asit batarya sisteminden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması yanında daha düşük çalışma sıcaklıklarında çok az kapasite düşüşü göstermesidir.Ayrıca NiMH batarya teknolojisi Li-iyon batarya teknolojisinden önce geliştirilmiş olduğundan erken dönem hibrit elektrikli araçlarında NiMH batarya sistemi tercih edilmiştir.
Son yıllarda yüksek enerji yoğunluğuna sahip Li-iyon batarya teknolojisinin gelişmesine paralel olarak,gerek hibrit ve gerekse elektrikli araç uygulamalarında Li-iyon bataryalar tercih edilmeye başlamıştır.Geçmişte,güvenlik zaaflarının yanı sıra düşük ve yüksek sıcaklıklardaki önemli kapasite düşümü nedenleriyle Li-iyon bataryalar daha çok küçük elektronik cihaz uygulamalarında kullanılmıştır.Maliyet ve teknolojik zorluklar nedeniyle daha ileri otomotiv uygulamalarında fazla kullanılamamışlardır.Batarya gücü ve ömrü toplam sistemin maliyeini belirlediğinden,elektrikli araç uygulamalarında batarya sistemi en önemli birimdir.Elektrikli araçlar geliştirilirken istenen performansı ve menzili elde edebilmek için elektriksel kapasiteyi artıracak büyük batarya sistemine ihtiyaç duyulur.Geliştirilen batarya yönetim sistemiyle birlikte yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum-iyon bataryalar şu an için ticari ve endüstriyel açıdan en uygun seçenek görünmektedir.Li-iyon bataryalar NiMH'e göre yüksek hücre gerilimi,enerji yoğunluğu ve düşük kendi kendine deşarj oranıyla önemli avantajlara sahiptir.Bu avantajlardan yola çıkarak elektrikli araçlarda kullanılabilecek batarya sisteminde yüksek gerilim elde edebilmek için hücreler seri şekilde bağlanır.Diğer taraftan gerilim artışı yanında kapasite artışı sağlamak içinse seri hücrelerin diğer bir seri hücre dizisiyle paralel bağlanması gerekir.Bu durumda batarya sistemin tasarım ve operasyon karmaşıklığı artar.Karmaşıklığı artan batarya sisteminde,iyi bir batarya güvenliği,batarya enerji yönetimi ve batarya ısıl yönetimi için,iyi bir batarya yönetim sistemi gerekir.
Batarya Yönetim Sistemi
Bataryanın imalatı kadar şarj-deşarj ile araç içindeki işletimi sırasındaki enerji yönetimi de önemlidir.Bataryanın çalışma durumu ve özellikle de doluluk durumunun izlenmesi ve denetimi batarya yönetim sistemiyle yürütülür.Donanım ve yazılımdan oluşan batarya yönetim sistemi taşıtta yer alan diğer elektronik denetim sistemleriyle etkileşimli çalışmak durumundadır.Batarya yönetim sisteminin en önemli işlevlerinden birisi ise şarj ve deşarj durumuna göre bataryanın doluluk durumunun izlenmesi ve denetimidir.Batarya doluluk durumu,temelde batarya akım-gerilim karekteristiklerinin bir fonksiyonu olmakla beraber diğer batarya fonksiyonlarıyla da ilişkilidir.Batarya doluluk durumunun ise doğrudan ölçümü bulunmayıp batarya ile ilgili fiziksel,kimyasal ve elektriksel pek çok parametreye bağlı olarak yaklaşık kestirim hesabi mümkündür.
Batarya karekteristikleri ve bunlara bağlı olarak batarya doluluk durumunun hesaplanması ile ilgili pek çok batarya modeli geliştirilmiştir.Bataryayı oluşturan hücre bazında yapılan çalışmalarda elektrokimyasal,stokastik ve elektriksel olmak üzere üç farklı model ileri sürülmüştür.Elektrokimyasal modellerin hesaplama doğruluk dereceleri yüksek olmakla beraber modeli oluşturan denklemler doğrusal olmayan,karmaşık kısmi diferansiyel denklem takımlarından oluşur.Uzun hesaplama süreleri gerektiren bu modelde üretici firma tarafından sağlanması gereken ve sağlanması çok zor olan çok sayıda parametrenin bilinmesi gerekir.Bu modeller batarya tasarımında daha kullanışlı olmaktadır.Birtakım olasılık hesabı formüllerine dayanan stokastik modellerin hesaplama doğruluk dereceleri düşük olup,hücre karakteristiği konusunda açık bilgiler taşımaz.Ayrıca bu modellerin hesaplama zamanları da uzundur.
Genelde elektriksel sistemin bir parçası olarak kullanılan bataryanın elektrik devre denkliği biçiminde modellenmesi daha pratik bulunmaktadır.Elektriksel modellerde enerji kaynağı olarak bataryayı oluşturan hücre ve ona seri-paralel bağlı direnç ve kondansatör elemanlarından ibaret bir elektrik devresi ele alınır.Literatürde farklı türden elektriksel modeller tanımlanmış olup bazı mollerde direnç ve kondansatör elemanı yanında indüktör elemanı da yer alabilmektedir.Bu modellerin hesaplama doğruluk dereceleri elektrokimyasal modellerden biraz düşük kalmakla beraber stokastik modellerden daha iyidir.Hesaplama süreleri diğer modellere göre daha kısa olan bu modeller,batarya yönetim sistemi içinde doluluk durumunun çevrim içi hesaplamasında daha kullanışlıdır.Bir batarya grubu modelini ortaya koyabilmek için ilk etapta bir batarya hücresinin modellenmesi gerekmektedir.Aşağıda şematik olarak empedansiyometri testleri sonucu geliştirilen bir Randle eşdeğer devresi örneği görülmektedir.
Hücre Dengeleme Sistemi
Elektrikli araç bataryalarında gerekli enerjiyi elde edebilmek amacıyla çok sayıda hücre kullanılır.Hücrelerin seri bağlanmasıyla bataryanın gerilim seviyesi artırılırken,bu seri dizilerin paralel bağlanmasıyla yoluyla da bataryanın torplam kapasitesi artırılmış olunur.Üretim teknoloüsündeki kısıtlar nedeniyle hücreler arasında farklar oluşur.Bu fark temelde iç direnç ve toplam kapasitedeki farklar şeklindedir.Bataryanın kullanımıyla beraber hücreler arası farklar da giderek artar.Bunun sonucu olarak farklı iç direnç ve kapasiteye sahip zayıf hücreler,her şarj ve deşarj çevrimi sonucunda aşırı şarj edilmesi veya aşırı deşarj edilmesi nedeniyle fiziken erken yaşlanır.Bu aşırı yaşlanmanın sonucu hücrenin kalıcı olarak hasar görmesi dahi söz konusu olabilir.Lityum-iyon bataryalardaki hücreler arası farkların kaynağı,hücrelerin iç dirençlerindeki ya da doluluk oranlarındaki sapmalardır.
Hücreler arasındaki dengesizliği gidermek ve hücre ömrünü dolayısıyla da batarya ömrünü artırmak için hücre dengeleme sistemi kullanılır.Genelde batarya yönetim sistemine bağlı olarak çalışan hücre dengeleme sistemi ayni zamanda hücre koruma görevini de görür.En basit şekliyle,hücre dengeleme sistemi yoluyla yüksek doluluk durumuna erken ulaşan zayıf hücrelerin daha fazla şarj olması engellenir ve diğer hücreler dolana kadar bekletilir.Tersi durumda,düşük doluluk durumu değerine sahip bir hücre diğer hücrelerden,deşarj alt eşik değerine daha önce gelerek yüksek seviyede doluluk değerine sahip hücrelerin boşaltılmasına engel olacaktır.
Özellikle Li-iyon bataryalarda hücre dengeleme yoluyla hücreler arası doluluk durumu farklarının belirli bir seviyenin üzerinde veya altında tutulması gerekir.Bunun sağlanması amacıyla gerilim dengelenmesine bağlı bir starateji uygulanabilir.Uygulamada pasif dengeleme ve aktif dengeleme olmak üzere iki tür dengeleme yöntemi kullanılır.
1-Pasif Dengeleme Yöntemi
Genelde bu yöntem,batarya içinde yer alan hücrelerde şarj sırasında oluşan fazla enerjinin,seri bağlı dengeleme dirençleri üzerinden boşaltılması şeklinde uygulanır.Bu yöntemde,dengeleme dirençleri sürekli devreye alınıp,çıkartılarak dengeleme işlemi yürütülür.Bu yöntemin verimliliği doğrudan dengeleme direnci ve denetim algoritmasına bağlıdır.Fazla enerjinin ısı enerjisi şeklinde boşa akıtılmasından dolayı bu yöntem yüksek enerji kaybı gibi önemli bir dezavantaja sahiptir.Bununla berabar basitliği ve ucuzluğu nedeniyle elektrikli araç uygulamalarında tercih edilen bir yöntemdir.
2-Aktif Dengeleme Yöntemi
Çeşitli aktif dengeleme yöntemleri mevcut olmakla beraber bu yöntemin temeli fazla enerjiye sahip bir hücreden enerji eksiği olan bir hücreye enerjinin transfer edilmesi esasına dayanır.Genelde "gerilim taşıma" ve "enerji dönüşümü" olmak üzere iki farklı dengeleme yöntemi kullanılır.
Gerilim taşıma yönteminde,seçilen hücreden enerji alınır,depolanır ve başka bir hücreye iletilir.En çok tercih edilen gerilim taşıma yöntemi "hareketli kapasitör" yöntemidir.Bu yöntemde kapasitör yüksek gerilim seviyesindeki hücre ile doldurulur ve en düşük gerilim seviyesindeki hücreye boşaltılır.Bu yöntemde zaman kaybı büyüktür.Çünkü yüksek gerlimdeki hücre bataryanın bir ucunda,düşük gerilim seviyesindeki hücre diğer bir uçta olabilir.
Aktif dengeleme yöntemi enerji dönüşümü yöntemi idi.Bu yöntemda bir grup hücreden alınan enerji diğer bir grup hücreye indüktör veya transformatörler sayesinde iletilir.Hareketli kapasitör yöntemine benzeyen bu yöntemde dengeleme işlemi hızlı bir şekilde yapılabilir.Bu yöntemin yapısının karmaşıklığı ve maliyetinin yüksekliğinden kaynaklanan dezavantajları mevcuttur.
Li-iyon bataryaya sahip elektrikli araçlarda batarya enerji verimliliği ve batarya ömrü azalması için,pasif ve aktif dengeleme yöntemlerinden herhangi birisinin mutlaka kullanılması gerekir.Elektrikli Fluence aracında ilk uygulamalarda batarya yönetim işlemcisinin kapasitesine uygun olarak pasif dengeleme yöntemi seçilmiştir.Bununla beraber farklı hücre dengeleme yöntemleri ve algoritmaları üzerinde çalışmalara devam edilmektedir.
SONUÇ
Son zamanlarda elektrikli araçalara duyulan ilginin artmasıyla farklı alanlarda birçok çalışma yapılmaktadır.Batarya,batarya bileşenleri,batarya yönetim sistemlerine özellikle önem verilmektedir.Bunun nedeni ise teknoloji anlamında bataryanın gelişme çok açık olmasıdır.Öte yandan gelişen batarya ile birlikte batarya yönetim sistemleri de ilgili araç projelerine bağlı olarak stratejik beklentileri karşılamak durumundadır.Bu doğrultuda araştırma-geliştirme faaliyetleri sürdürülmektedir.
Yapılan çalışmada Oyak-Renault'un Elektrikli Fluence aracıyla ilgili stratejileri göz önünde bulundurularak,bataryanın yönetimi ve araçta kullanılan bataryanın performansını artırmaya yönelik modelleme,benzetim çalışmaları yapılmıştır.Bataryanın modellenmesi aşamasında elektrokimyasal,stokastik yöntemlere oranla daha avantajlı olan elektriksel modelleme yaklaşımı tercih edilmiştir.
Batarya yönetim sistemi işlemcisinin kapasitesini daha az kullanmak amacıyla da pasif dengeleme yöntemi seçilmiş ve bu seçime bağlı olarak modelleme,benzetim çalışmaları yapılmıştır.Elde edilen sonuçlar çerçevesinde yeni çalışmalar sürdürülmektedir.
Alıntıdır.Asıl Kaynak:
Mühendis ve Makina Dergisi,Nİsan 2011,Sayı:615 ISSN 1300-3402,Sayfa:76-80
Son düzenleme:
