HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR

Transkript

1 HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ ELEKTRİK MOTORLARI Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR «Her tercih bir vazgeçiştir»

2 Batteries for more electric, cleaner vehicles Batteries are designed for four levels of applications and specifications: 1. Stop-and-start: lead-acid batteries, improved from starter batteries + possibly supercapacitors, Li-ion. Usable energy <500 Wh 2. Hybrids with the emblematic Toyota Prius (NiMH batteries). More recent hybrid cars use Li-ion technology. Available energy < 1.5 kwh : small battery, high power 3. Plug-in : 5-10 kwh 4. Pure electric: 20 kwh minimum, 30 or more preferred. Lithium technology Anne de Guibert Aarhus, Innovation in Industrial Technologies: the case of batteries, 20 June 2012

3 Batteries for stationary applications Up to now, 90 % of batteries for storage application utilized lead-acid technology. The 10 % remaining are NiCd used for severe conditions applications New applications (smart grids, association with renewable energies) are lithium-ion oriented: long life, absence of maintenance, high power for frequency control are determining qualities High specific energy is not as important as for mobility. Life and cost are key issues, power can be. Anne de Guibert Aarhus, Innovation in Industrial Technologies: the case of batteries, 20 June 2012

4 BATARYALAR Enerji depolama kapasitesi bakımından kurşun-asit bataryalara nazaran iki kat yüksek NiMH veya üç kat yüksek lityum-iyon bataryaları hızla geliştirilmektedir. Yüksek sıcaklık bataryalarının (sodyum-sülfür, sodyum-nikel klorür, lityum-demir sülfit), enerji depolama kabiliyetleri yüksek olmasına rağmen, karmaşık yapısı ve yüksek çalışma sıcaklığı ( o C) nedeni ile kullanılmasının zordur. NiMH bataryaları nispeten daha az performansa sahip nikel kadmiyum bataryalarının yerini almaktadır. Bu bataryalar kısa ve orta vadede elektrikli araç uygulamalarında büyük oranda kullanılacaktır. Bu süre sonunda endüstrinin lityum-iyon bataryaları kullanıma alması beklenmektedir. Lityum iyon bataryalar, maliyet ve stabilite açısından istenilen seviyeye ulaştıklarında rakipsiz kalacaklardır. Kullanım kolaylığı ve ömürleri ile yüksek hücre voltajı (3.6 V), enerji yoğunluğu ( Wh/kg) ve hacimsel yoğunluğu birlikte değerlendirildiğinde çeşitli tasarım problemlerine anahtar olacaktır. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003

5 Fluence Z.E. ELEKTRİK MOTORU Fluence Z.E. nin elektrik motoru 70 kw güç ve 226 Nm tork üretmektedir

6 Fluence Z.E. Fluence Z.E. de 70 kw gücünde bir elektrikli motor görev yapıyor. Fluence Z.E. de lityum-iyon teknolojisine sahip aküler kullanılmaktadır. Bu aküler/piller toplamda 398 volt elektrik depolayabiliyor. Akülerin ağırlığı ise 250 kg. Fluence Z.E. nin toplam ağırlığı ise 1605 kg. Akülerin beslediği elektrikli motoru ise senkron tipinde bir ünite. Motor Gücü: 70 kw (95 HP) Tork: 226 Nm Maksimum Hız: 135 km/h Menzil: km Şanzıman: Otomatik Akü Tipi: Lityum-İyon Akü Fiyatı: Aylık kira bedeli 83 euro (48 ay ve km/yıl - KDV dahil) Şarj Süresi: Duvara monte edilen özel Wallbox ile 6-8 saat. 220 V duvar tipi prizle saat. Hızlı şarj ile 30 dk da yüzde 80 şarj Tüketim: Dizel Fluence modelinin deposu yaklaşık 244 TL ye dolarken Fluence Z.E. aküsünü ortalama 4 TL ye doldurabiliyor. Fluence Z.E. nin 100 km maliyeti 3 lira civarında. Fluence 1.5 dci ise 100 km de yaklaşık 25 TL harcıyor.

7 Pure EV Nissan Leaf Battery technical characteristics: Laminated Li-ion battery 24 kwh made of 48 modules of 4 cells (2x2) Power > 90 kw Energy density 140 Wh/kg Autonomy 160 km Life: 5 years ; e.o.l. at 80% initial capacity Under the floor and seats of the vehicle Charge: duration < 8 hours on 220 V home plug fast charge: 80% capacity in 30 min Batteries built by AESC (jv Nissan-Nec) Sales began in April 2010 Anne de Guibert Aarhus, Innovation in Industrial Technologies: the case of batteries, 20 June 2012

8 Bolloré Blue car Innovation in utilization (Autolib) Use metallic lithium as negative electrode active material (alone against all other manufacturers) Technical characteristics given by the manufacturer: 30 kwh battery Power 60 kw Specific energy 140 Wh/kg Autonomy 250 km Life: 10 years/ 1200 cycles Operation at C ( Li-polymer technology) Anne de Guibert Aarhus, Innovation in Industrial Technologies: the case of batteries, 20 June 2012

9 Tablo 1. Çeşitli Tipte Piller Enerji ve Güç Yoğunlukları [3,4] Dr. Muhsin Mazman, Dr. Davut Uzun, Dr. Cem Kaypmaz, Emre Biçer, "Elektrikli Araçlar İçin Enerji Depolama Çözümleri", 2011

10 Table: Properties of different types of rechargeable battery Sources: LCE (2006)1, Batteries in a portable world2, Battery FAQ3 SEI, Hybrid Electric and Battery Electric Vehicles, November 2007

11 Table: The main technical characteristics of the four vehicles studied Note: EGR = exhaust gas re-circulation technology Table: The main technical characteristics of the four vehicles studied SEI, Hybrid Electric and Battery Electric Vehicles, November 2007

12 Table: Typical battery performance for the near term (medium car) (1) Obtained by multiplying the nominal capacity (in C or Ah) by the nominal voltage (V). For the Toyota Prius III, we find 6.5Ah*201.6V=1.31 kwh. (2) 28 modules weighting 1040 g each

13 pubs.rsc.org TEMEL BİLGİLER Enerji Sistemleri

14 VOLANLAR Volanlar, yüksek ivmelenme gibi ani güç gerektiren araç özelliklerinin geliştirilmesine oldukça uygundur. Yüksek güç yoğunluğuna nazaran enerji yoğunlukları oldukça düşüktür. Volanlar, dönme hızlarının d/d gibi yüksek değerlere ulaşması ile yüksek enerji depolama kabiliyetine ulaşırlar. Konvansiyonel malzemeler, bu hızlarda ortaya çıkan gerilmelere dayanım gösterememektedir. Bu nedenle karbonfiber malzemelerin volanlarda uygulanmasına yönelik bir çok çalışma yürütülmektedir. Otobüs ve kamyon gibi araçlarda yüksek rejenaratif güçlerin depolanmasında ve bataryaların zayıf güç yoğunluğunu geliştirmek amacı ile kullanımı öngörülmektedir. Ref.: "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003.

15 TEMEL BİLGİLER Enerji Sistemleri The Ricardo flywheel concept is hermetically sealed in a container, with a sealed-for-life vacuum, transmitting power through a magnetic gear drive.

16 Flywheel = high voltage mechanical battery The flywheel energy storage device incorporates the following core elements: a high inertia energy storage rotor ( rotor ) a variable speed permanent magnet synchronous AC motor/generator ( motor ) a bi-directional PWM IGBT based inverter ( inverter ) the rotor provides the energy storage rating the motor provides the power rating the inverter provides the DC link voltage rating Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011

17 Mechanical plant (note the presence of r 2 and ω 2 in the equations for energy and stress) Solid disk Pierced disk Kinetic energy (J) Polar inertia (kg m 2 ) Peak stress (Pa) Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011

18 Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011 Charge sustaining hybrid vehicle sweet spot of seconds 5x10 6 cycles Important note for flywheels: no erosion of performance characteristics (energy, power, efficiency) with age or cyclic use Addressable end-use typically falls within a 10 sec 10 min timeframe

19 "More power, less energy" We advocate high power energy storage systems (ESS) for charge sustaining hybrids with a high degree of hybridization (DOH), where DOH=ESSpower/((ESSpower+Primepower)) Higher DOH gives rise to better fuel economy More power, not more energy, is the critical variable in terms of improved transportation energy efficiency Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011

20 High DOH hybrids provide improved efficiency without performance erosion J. Gonder et al., "Lower-Energy Requirements for Power-Assist HEV Energy Storage Systems Analysis and Rationale," NREL, PR , Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011

21 Transit bus ESS power and SOC P RMS 28 kw dp/dt > 500 kw/s di/dt > 800 A/s -60 kw facility charge power limit ΔSOC max 350 Wh A 10 minute slice from a 90 minute measured data set. Input power profile developed by CrossChasm Technologies for a charge sustaining series hybrid transit bus operating on a TTC route. Dean Flanagan, Flywheels for transportation applications, EV2011VÉ Conference & Trade Show, Special Session: Emerging Energy Storage Technologies, 26 September 2011

22 SÜPER KAPASİTÖRLER Süper kapasitörler yüksek güç yoğunlukları ile volanlara benzer uygulamalara adaydır. Ancak uygulama kolaylığı ve yüksek güvenirliliklerinin yanında maliyetleri nedeni ile seri üretim araçlarda henüz kullanılmamaktadır. Bunun yanında önümüzdeki yıllarda süper kapasitörlerin uygun maliyette geliştirileceği ve volanlara karşı büyük üstünlük sağlayacağı düşünülmektedir. en.wikipedia.org

23 en.wikipedia.org

24 Styles of supercapacitors with activated carbon electrodes Schematic construction of a supercapacitor with stacked electrodes 1.Positive electrode, 2.Negative electrode, 3.Separator Schematic construction of a wound supercapacitor 1.Terminals, 2.Safety vent, 3.Sealing disc, 4.Aluminum can, 5.Positive pole, 6.Separator, 7.Carbon electrode, 8.Collector, 9.Carbon electrode, 10.Negative pole en.wikipedia.org

25 EC: Electrochemical Capacitor Volvo

26 For Example: Simplified system for a city bus, 220kW NiMH-battery + EC NiMH-battery Battery EC DC/DC 310 kg 280 kg 90 kg Battery DC/DC 1150 kg 45 kg Total weight 680 kg Total weight 1195 kg Weight reduction: 43 % Volvo

27 YAKIT PİLLERİ Gelecekte yakıt pillerinin EA larda ana enerji kaynağı olarak yaygın olarak kullanılacaktır. Son dönemlerde araç üreticileri tarafından, özellikle yakıt pili ve yakıt dönüştürücünün boyutlarının küçültülmesi için çalışmalar yürütülmektedir. Bunun yanında yakıt pillerinin seri üretim araçlarda uygulanmasına kadar geçen sürede güvenilirlik, stabilite, çeşitli iklim ve yol şartlarına uyum, güvenlik, bakım gibi konularda ayrıntılı çalışmalara henüz başlanmıştır. Yakıt pilli seri üretim araçlarının önümüzdeki on yıl içerisinde piyasada görüleceği düşünülmektedir. Yakıt hücreleri/pilleri (Fuel cell) nedir? Yakıt hücreleri/pilleri (Fuel cell), kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elemanlardır. Yakıt hücresi, fosil yakıtlarının yakılması yerine, yakıt ile oksijenin elektrokimyasal reaksiyonu sonucunda enerji üreten bir tür bataryadır. Yakıt olarak genellikle hidrojen kullanılmaktadır. Oksijenle hidrojenin reaksiyonu su ürettiğinden, bu reaksiyondan kirletici ürün çıkışı söz konusu değildir. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003

28 en.wikipedia.org TEMEL BİLGİLER Enerji Sistemleri

29 TEMEL BİLGİLER Enerji Sistemleri

30 USABC: The United States Advanced Battery Consortium

31 Vehicle Kinetic Energy A B 1 E 2 2 m( V A V B V B > V A accelerating, fuel is consumed, kinetic energy is increased 2 ) A V A > V B B braking, vey little fuel is consumed, kinetic energy is reduced energy is dissipated in the brakes as heat in conventional cars In hybrids braking energy is recovered by an electric generator and stored in a battery it is called regenerative energy, or Regen Energy Heydar Ali Palizban PhD, Hybrid and Electric Vehicles - An overview, Feb 28, 2009

32 Vehicle Potential Energy E mgh Need engine power, fuel is consumed, potential energy is increased no need for engine power Braking, vey little fuel is consumed, potential energy is reduced energy is dissipated in the brakes as heat in conventional cars In hybrids braking energy is recovered, Engine can be turned off automatically going downhill Heydar Ali Palizban PhD, Hybrid and Electric Vehicles - An overview, Feb 28, 2009

33

34 TEMEL BİLGİLER Doğru Akım Doğru Akım: Zamanla yönü ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce Direct Current kelimelerinin kısaltılması DC ile gösterilir. DC üreten kaynaklar şu şekilde sıralanabilir: Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren araçlara pil adı verilir. Akü: Kimyasal yolla elektrik enerjisi üreten araçtır. Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren ünitelerdir. Doğrultmaç devresi: Alternatif akım elektrik enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren araçlardır. Güneş pili: Güneş enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren elemanlara güneş pili denir. Doğru akımın yaygın olarak kullanıldığı alanlar: Haberleşme cihazlarında (telekomünikasyonda) Radyo, teyp, televizyon, gibi elektronik cihazlarda Redresörlü kaynak makinelerinde Maden arıtma (elektroliz) ve maden kaplamacılığında (galvonoteknik ) Elektrikli taşıtlarda (tren, tramvay, metro) Elektro-mıknatıslarda DC elektrik motorlarında

35 TEMEL BİLGİLER Alternatif Akım Alternatif Akımın Tanımı Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir düzen içerisinde değişen akıma alternatif akım denir. Alternatif Akımın Elde Edilmesi Alternatif akım ya da gerilimin elde edilmesinde alternatör denilen aygıtlar kullanılır. Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değeri sabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DC gerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. Fakat AC de akım/ve gerilim değerleri sürekli değişmektedir. Bu yüzden AC yi ifade etmek için çeşitli değerler kullanılmaktadır. Bunlar ani değer, maksimum (tepe) değer, tepeden tepeye değer, ortalama değer ve etkin değerdir. Frekans: Frekans, sinüs sinyalinin bir saniyede tekrarlanan saykıl sayısıdır. Periyot: Bir saykılın gerçekleşmesi için geçen süreye periyot denir. Periyot birimi saniye (s) dir ve T ile gösterilir.

36 TEMEL BİLGİLER Alternatif Akım Sinüs dalgasında periyot Sinüs dalgasında alternans

37 TO SUM UP: Options for storing the Energy Recharging vehicle battery packs State of charge influences how much of the generated current can be safely stored Ubiquitous method for hybrid cars Charging an array of capacitors/supercapacitors Pro: Very high charge/discharge rate (high power density) Con: Much lower than batteries energy density Allows for regen braking if batteries are at a high state of charge Implemented on some buses Non-electrical methods Fluid compression Flywheels

38 ELEKTRİK MOTORLARI Elektrikli araç tahrik sistemlerinde başlıca 4 elektrik motoru kullanılmaktadır. DC motor Asenkron motor Sürekli mıknatıslı motor Anahtarlamalı relüktans motoru

39 ELEKTRİK MOTORLARI Alternatif 1 Alternatif 2 Alternatif 3 Alternatif 4 Alternatif 5 Alternatif 6 Alternatif 7 Üretici Firma UQM UQM Ansaldo Ansaldo Solectria Enova MES Model Numarası SR 218N SR 286 A1H207C A1H256B AC55 EDM90 MES Tip Fırçasız PM Fırçasız PM Asenkron Asenkron Asenkron Asenkron asenkron Sürekli Güç [kw] Maksimum Güç [kw] ,8 Sürekli Tork [Nm] Maksimum Tork [Nm] Maksimum Hız [rpm] Maksimum Verim [%] Çap [mm] Uzunluk [mm] Ağırlık [kg] Kontrolcü Ağırlığı [kg] 15,9 15, , Kontrolcü Boyutları 380x365x11 380x365x11 326x212x11 430x330x x320x x235x x518x201 [mm] Voltaj [VDC] Tırmanma Kabiliyeti % 15lik Egim [E/H] H E H E H E %15 lik Eğimde 10km/h Hıza Çıkma Süresi [s] s s s Maksimum Tırmanma Kabiliyeti 11% 29% 12% 23% 11% 15% Maksimum Eğimde İvmelenme Zamanı [s] s 5 32 s s 5 27 s s Düz Yolda 40km/h Hıza Çıkana Kadar Geçen Zaman [s] 10 s 4 s 9 s 5 s 10 s 7.2 s s

40 ELEKTRİK MOTORLARI Doğru Akım Motorlar DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bir iletkenden akım geçirilmesi sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibiyle çalışırlar. DC motorlarda manyetik alanın oluşturulması için statorda bir alan sargısı ve rotorda da dönme hareketinin sağlanması içinde bir endüvi sargısı bulunur. DC gerilim dönen kısma da uygulandığından fırça kolektör düzeneği kullanılmaktadır. Bu düzenek DC motorun bakım gereksinimini arttırmakta ve sanayide olduğu gibi EA larda da kullanımının azalmasına neden olmaktadır. DC motorlar alan sargısının türüne göre serbest uyarmalı, seri uyarmalı, paralel uyarmalı ve kompund uyarmalı olmak üzere 4 e ayrılırlar. Şekilde DC motor türlerinin şematik resimleri görülmektedir. Serbest uyarmalı DC motorlarda, uyarma sargısı ve besleme sargısı elektriksel olarak birbirinden bağımsız olan iki kaynaktan beslenir. Seri uyarmalı DC motor da uyarma sargısı ve endüvi sargısı birbirine seri, paralelde ise paralel olarak bağlanmıştır. Kompund motor bu iki türün birleştirilmesiyle elde edilir. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003

41 ELEKTRİK MOTORLARI "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003

42 ELEKTRİK MOTORLARI Senkron ve Asenkron Kavramı Alternatif akım makinelerinin isimlendirilmesi ürettikleri döner manyetik alanın (stator manyetik alanı), döner mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu yada olmayışına göredir. Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayan Senkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrine eşit olan makine. Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrinden her zaman büyük olan makine. Asenkron Makine

43 Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi ELEKTRİK MOTORLARI

44 ELEKTRİK MOTORLARI

45 ELEKTRİK MOTORLARI

46 ELEKTRİK MOTORLARI Table: Typical Electric Motors kw Parameters

47 ELEKTRİK MOTORLARI Table: Electric Motors Properties Comparison

48 ELEKTRİK MOTORLARI Table 1. BEV and PHEV parameters comparison

49