T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YAKIT PİLLİ-BATARYALI HİBRİD BİR ELEKTRİKLİ ARAÇTA ENERJİ YÖNETİMİNİN SAĞLANMASI FATMA KESKİN

Transkript

1 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YAKIT PİLLİ-BATARYALI HİBRİD BİR ELEKTRİKLİ ARAÇTA ENERJİ YÖNETİMİNİN SAĞLANMASI FATMA KESKİN YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ELEKTRİK MAKİNALARI VE GÜÇ ELEKTRONİĞİ PROGRAMI DANIŞMAN PROF. DR. İBRAHİM ŞENOL İSTANBUL, 2014

2

3 ÖNSÖZ Yüksk lisans ğitimim sürsinc ilmindn faydalandığım; dğrli bilgi birikimi v yardımları il bni yönlndirn danışman hocam Prof. Dr. Sayın İbrahim ŞENOL a, Çalışmalarım boyunca bndn hiçbir zaman dstğini v mğini sirgmyn, birlikt çalışmaktan onur duyduğum hocam Arş. Gör. Sayın Ahmt Yiğit ARABUL a, Tz çalışmalarım sürsinc dğrli yardımlarını ksik tmyn hocam Arş. Gör. Sayın Ali Rıfat BOYNUEĞRİ y, Y.T.Ü. Elktrik Mühndisliği Bölümü Elktrik Makinaları Anabilim Dalı ndaki tüm hocalarıma, Bu günlr glmmd büyük pay sahibi olan v hr zaman bir kal gibi dimdik arkamda duran başta biricik babam v annm olmak üzr tüm ailm saygı, şükran v tşkkürlrimi sunmayı bir borç bilirim. Haziran, 2014 Fatma KESKİN

4 İÇİNDEKİLER iv Sayfa SİMGE LİSTESİ...vii KISALTMA LİSTESİ... viii ŞEKİL LİSTESİ...ix ÇİZELGE LİSTESİ...xi ÖZET... xii ABSTRACT... xiv BÖLÜM 1 GİRİŞ... 1 BÖLÜM Litratür Özti Tzin Amacı Hipotz... 4 ELEKTRİKLİ ARAÇLARIN TARİHÇESİ... 5 BÖLÜM Elktrikli Araçların Tarihsl Glişimi Elktrikli Araçların İçtn Yanmalı Motorlu Araçlara Gör Avantaj v Dzavantajları... 9 ELEKTRİKLİ ARAÇ ÇEŞİTLERİ Tümü Elktrikli Araçlar Hibrid Elktrikli Araçlar Sri Hibrid Elktrikli Araçlar Parall Hibrid Elktrikli Araçlar Yakıt Pilli Elktrikli Araçlar Elktrik Hatlarını Kullanan Elktrikli Araçlar... 20

5 BÖLÜM Günş Enrjisi il Çalışan Elktrikli Araçlar Volanlı v Süprkapasitörlü Elktrikli Araçlar ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN KAYNAK VE ENERJİ DEPOLAMA ÜNİTELERİ BÖLÜM Bataryalar Batarya Paramtrlri Hücr v Batarya Grilimlri Dolum Kapasitsi Dpolanan Enrji Spsifik Enrji Enrji Yoğunluğu Spsifik Güç Enrji Vrimliliği Diğr Önmli Paramtrlr Kurşun Asit Bataryalar Nikl Bazlı Bataryalar Nikl Kadmiyum Bataryalar Nikl Mtal Hidrür Bataryalar Sodyum Bazlı Bataryalar Sodyum Sülfür Bataryalar Sodyum Nikl Klorür Bataryalar Lityum Bataryalar Lityum Polimr Bataryalar Lityum İyon Bataryalar Mtal-Hava Bataryaları Alüminyum Hava Bataryaları Çinko Hava Bataryaları Bataryanın Şarj Edilmsi v Dolum Eşitlm İşlmi Altrnatif Enrji Kaynakları v Dpoları Volanlar Süprkapasitörlr Günş Fotovoltaiklri YAKIT PİLLERİ Yakıt Pilinin Tarihsl Glişimi Yakıt Hücrlrinin Çalışma Prnsibi Yakıt Pili Çşitlri Alkali Yakıt Pili (AYP) Erimiş Karbonat Yakıt Pili (EKYP) Fosforik Asit Yakıt Pili (FAYP) Katı Oksit Yakıt Pili (KOYP) Proton Gçirgn Zarlı Yakıt Pili (PEMYP) Doğrudan Mtanol Kullanılan Yakıt Pili (DMYP) v

6 BÖLÜM Yakıt Pillrinin Karşılaştırılması Yakıt Pillrinin Trcih Edilm Sbplri Yakıt Pillrinin Ulaşım Araçlarında Kullanılması BENZETİM ÇALIŞMALARI BÖLÜM Bnztim Çalışmalarında Kullanılan Güç Koşullandırma Ünitlri v Kontrol Yöntmlri Yüksltici DC-DC Dönüştürücü Çift Yönlü DC-DC Dönüştürücü Bnztim Çalışmaları Sonuçları SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vi

7 SİMGE LİSTESİ V Volt P HEV HEA nın maksimum itiş gücü P EM Elktrik motorunun gücü P İYM İYM nin gücü A-saat Ampr-saat R Dirnç I Akım C Batarya dolum kapasitsi J Atalt momnti ω rad/s cinsindn dönm hızı E Joul cinsindn dpolanan nrji C Farad cinsindn kapasitans dğri ε Kondansatör plakaları arasındaki malzmnin lktriksl gçirgnliği A Kondansatör plakalarının alanı d Kondansatör plakaları arası uzaklık L Endüktans λ Doluluk oranı T d Güç anahtarının iltimd olduğu sür T p Çalışma priyodu µ Mikro vii

8 KISALTMA LİSTESİ AC Altrnatif Akım Ah Ampr-saat AYP Alkali Yakıt Pili BAT Batarya BG Bygir Gücü DC Doğru Akım DMYP Dirk Mtanol Kullanılan Yakıt Pili DoD Dşarj Drinliği (Dpth of Discharg) EA Elktrikli Araç EKYP Erimiş Karbonatlı Yakıt Pili FAYP Fosforik Asit Yakıt Pili HD Hibridlştirm Drcsi HEA Hibrid Elktrikli Araç İYM İçtn Yanmalı Motor KDV Katma Dğr Vrgisi KOYP Katı Oksitli Yakıt Pili MTV Motorlu Taşıtlar Vrgisi PEMYP Proton Gçirgn Zarlı (Proton Exchang Mmbran) Yakıt Pili PWM Darb Gnişlik Modülasyonu SoC Batarya Doluluk Oranı (Stat of Charg) UDDS Standart Şhir İçi Sürüş Çvrimi (Urban Dynamomtr Driving Schdul) Wh Watt-saat YP Yakıt Pili viii

9 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şkil 2. 1 Thomas Parkr tarafından 1880 li yıllarda gliştiriln lktrikli araç [2]... 6 Şkil 2. 2 Çin d kullanılan bir trolybüs örnği [13]... 7 Şkil 2. 3 Dünyada n çok trcih diln hibrid lktrikli araç Toyota Prius [14]... 8 Şkil 3. 1 Tümü lktrikli araç sistmi Şkil 3. 2 Hibrid lktrikli araç [17] Şkil 3. 3 Sri hibrid lktrikli araç sistmi Şkil 3. 4 TÜBİTAK-MAM tarafından TOFAŞ için yapılan sri hibrid otomobil Fiat Doblo [5] Şkil 3. 5 Honda Insight Hybrid [20] Şkil 3. 6 Parall hibrid lktrikli araç sistmi Şkil 3. 7 Mrcds A Srisi Ballard yakıt pilli lktrikli araç [21] Şkil 3. 8 Taksim-Tünl nostaljik tramvay hattındaki iki tramvay [23] Şkil Yılında Avustralya da düznlnn Dünya Günş Yarışması kazananı Honda Dram Solar [24] Şkil 4. 1 Altı adt hücrdn oluşan bataryanın şdğr dvrsi Şkil 4. 2 Lityum iyon batarya kullanılarak gliştiriln Ford Ka [30] Şkil 5. 1 William Robrt Grov tarafından gliştiriln yakıt pili [37] Şkil 5. 2 Mond v Langr in tasarladığı yakıt pili [37] Şkil 5. 3 Alkali yakıt pili Şkil 5. 4 Erimiş karbonat yakıt pili Şkil 5. 5 Fosforik asit yakıt pili Şkil 5. 6 Katı oksit yakıt pili Şkil 5. 7 PEM yakıt pili Şkil 5. 8 Doğrudan mtanol kullanılan yakıt pili Şkil 5. 9 Bütün yakıt pili çşitlrinin çalışma şkillri Şkil 6. 1 PEM YP v batarya kullanılarak yapılan sistmin blok şması Şkil 6. 2 UDDS sürüş çvrimin gör hafif bir lktrikli aracın güç talbi Şkil 6. 3 Yüksltici DC-DC dönüştürücü dvr şması Şkil 6. 4 Güç anahtarı iltimd ikn yüksltici dönüştürücünün şdğr dvrsi Şkil 6. 5 Güç anahtarı ksimd ikn yüksltici dönüştürücünün şdğr dvr şması Şkil 6. 6 DC PWM kontrol tkniğin ait dalga şkillri Şkil 6. 7 Yüksltici DC-DC dönüştürücüd kullanılan kontrol yöntmi Şkil 6. 8 Çift yönlü DC-DC dönüştürücü dvr şması ix

10 Şkil 6. 9 Çift yönlü DC-DC dönüştücünün ilri yönd yüksltici dönüştürücü olarak çalışması Şkil İlri yönd T 2 güç anahtarı iltimd ikn çift yönlü dönüştürücünün şdğr dvr şması Şkil İlri yönd T 2 güç anahtarı ksimd ikn çift yönlü dönüştürücünün şdğr dvr şması Şkil Çift yönlü DC-DC dönüştücünün gri yönd düşürücü dönüştürücü olarak çalışması Şkil Gri yönd T 1 güç anahtarı iltimd ikn çift yönlü dönüştürücünün şdğr dvr şması Şkil Gri yönd T 1 güç anahtarı ksimd ikn çift yönlü dönüştürücünün şdğr dvr şması Şkil Çift yönlü DC-DC dönüştürücüd kullanılan kontrol yöntmi Şkil Toplam güç v YP nin güç dğişimi grafiği Şkil Toplam güç v bataryanın güç dğişimi grafiği Şkil Batarya şarj durumunun zamana gör yüzdsl dğişimi Şkil YP nin akım v grilimi Şkil Bataryanın akım v grilimi Şkil DC baranın grilim-zaman grafiği Şkil Çift yönlü v yüksltici dönüştürücülr ait akım-zaman grafiği x

11 ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizlg 4. 1 Kurşun asit batarya paramtrlri.. 27 Çizlg 4. 2 Nikl kadmiyum batarya paramtrlri 28 Çizlg 4. 3 Nikl mtal hidrür batarya paramtrlri.. 29 Çizlg 4. 4 Sodyum sülfür batarya paramtrlri 30 Çizlg 4. 5 Sodyum nikl klorür batarya paramtrlri.. 31 Çizlg 4. 6 Lityum polimr batarya paramtrlri. 32 Çizlg 4. 7 Lityum iyon batarya paramtrlri..32 Çizlg 4. 8 Alüminyum hava batarya paramtrlri..34 Çizlg 4. 9 Çinko hava batarya paramtrlri 34 Çizlg 5. 1 Yakıt pili çşitlri v özlliklri [6] Çizlg 5. 2 Yakıt pillrinin kimyasal raksiyonları Çizlg 5. 3 Yakıt pili çşitlrinin karşılaştırılması [42] Çizlg 6. 1 YP paramtrlri Çizlg 6. 2 Lityum-iyon batarya paramtrlri Çizlg 6. 3 Bnztim çalışmasında kullanılan yüksltici DC-DC dönüştürücü paramtrlri Çizlg 6. 4 Bnztim çalışmasında kullanılan çift yönlü DC-DC dönüştürücü paramtrlri xi

12 ÖZET YAKIT PİLLİ-BATARYALI HİBRİD BİR ELEKTRİKLİ ARAÇTA ENERJİ YÖNETİMİNİN SAĞLANMASI Fatma KESKİN Elktrik Mühndisliği Anabilim Dalı Yüksk Lisans Tzi Tz Danışmanı: Prof. Dr. İbrahim ŞENOL Fosil köknli yakıtların tükncği ndişsi v bu yakıtların çvry karşı olumsuz tkilrindn dolayı altrnatif nrji kaynaklarına olan ilgi gün gçtikç artmaktadır. Bununla birlikt ulaşımın insan hayatındaki önmi d dikkat alınarak, ptrol v türvi yakıtlarla çalışan içtn yanmalı motorlara sahip olan araçlar yrin, lktrik nrjisi il çalışan v çvry duyarlı olan lktrikli araçlar gliştirilmy başlanmıştır. Günümüzd birçok alanda nrji ürtimi için n önmli adaylardan biri, yakıt olarak hidrojn kullanan yakıt pillridir. Yakıt pillri, diğr nrji dönüşüm sistmlrin gör daha sssiz v daha tmiz çalışmaktadırlar. Ayrıca yakıt pillrinin vrimlri, içtn yanmalı motorlar il karşılaştırıldığında daha yüksk olmakla birlikt çalışmaları snasında misyon ürtmmlri v harktli parçalara sahip olmama gibi avantajlara da sahiptir. Elktrikli araçların içtn yanmalı motorlu araçlara gör dzavantajı mnzillrinin sınırlı, prformans v vrimlrinin düşük olmasıdır. Bu problmi ortadan kaldırmak amacıyla sürgln çalışmalarda, lktrikli araçlarda faydalı frnlm nrjisinin gri kazanılmasına v nrji yöntim stratjisinin gliştirilmsin önm vrilmktdir. Bu tz çalışmasında yakıt pilli v bataryalı hibrid bir lktrikli araçta faydalı frnlm nrjisinin gri kazanılması v nrji yöntiminin sağlanmasına yönlik bir bnztim çalışması yapılmıştır. Yük paylaşımı, aracın güç talbinin büyük kısmı YP tarafından, ani xii

13 v ngatif güçlr is batarya tarafından karşılanacak şkild sağlanmıştır v ld diln sonuçlar irdlnrk sunulmuştur. Anahtar Klimlr: Elktrikli araçlar, yakıt pili, batarya, faydalı frnlm, nrji yöntimi YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ xiii

14 ABSTRACT PROVIDING ENERGY MANAGEMENT OF A FUEL CELL-BATTERY HYBRID ELECTRICAL VEHICLE Fatma KESKİN Dpartmnt of Elctrical Enginring MSc. Thsis Advisr: Prof. Dr. İbrahim ŞENOL On account of th concrn of th fossil ful is dplting and its ngativ ffcts on th nvironmnt, intrst in altrnativ nrgy sourcs is incrasing day by day. Howvr, considring th importanc of transport in human lif, instad of oil and its drivativs fuld vhicls with intrnal combustion ngins, lctrical vhicls which is snsitiv to th nvironmnt and working with lctrical nrgy has bgun to dvlopmnt. Nowadays,, on of th most important candidat in many aras for nrgy production is ful clls which using hydrogn as a ful. Ful clls work quitr and clanr than th othr nrgy convrsion systms. Additionally fficincy of ful clls as compard with th intrnal combustion ngins ar high and ful clls has advantags such as not producing mmissions during opration and not having moving parts. Elctrical vhicls has disadvantags as limitd rang, poor prformanc and low fficincy compard with th intrnal combustion ngin vhicls. In ordr to liminat ths problms, rcovring rgnrativ braking and to dvlop th nrgy managmnt stratgy in lctrical vhicls ar attachd importanc to ongoing studis. In this study, simulation study was carrid out for providing nrgy managmnt and rcovring rgnrativ braking in ful cll-battry hybrid lctrical vhicl. Load sharing is providd in that much of th powr dmand of th vhicl by th ful cll xiv

15 and instantanous and ngativ powr dmand of th vhicl by th battry. Obtaind rsults of th study ar givn. Kywords: Elctrical vhicls, ful cll, battry, rgnrativ braking, nrgy managmnt YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES xv

16 BÖLÜM 1 GİRİŞ 1.1 Litratür Özti Elktrikli araç kavramı ilk kz 1930 lu yıllarda ortaya çıkmış v 19. yüzyılda lktrikli araçlar ticarilştirilmy başlamıştır. Bugünlrd lktrikli araçlar iki asırlık ticari bir ürün olarak yr almaktadır [1]. Elktrikli araçlar, bir vya daha fazla lktrik motoru kullanarak, bataryalardan v diğr nrji dpolama ünitlrindn ld ttiği lktrik nrjisi il tahrik diln araçlardır. 19. Yüzyılın sonlarında v 20. Yüzyılın başlarında lktrikli araçlar oldukça ilgi görmktydi fakat içtn yanmalı motorlar (İYM) konusundaki ilrlmlr v ptrol v türvi yakıtları kullanan araçların düşük maliytli sri ürtimi, lktrikli araçlara olan ilgiyi düşürmüştür [2]. Elktrikli araçlara olan ilgiyi azaltan bir diğr faktör d o yıllarda bataryalarının fiyatlarının çok pahalı olması v bataryaların hnüz glişim sürcini tamamlayamamasından kaynaklanan nrji v güç yoğunluklarının, ptrol v türvi yakıtlarınkin gör düşük olmasıdır. Bu da; lktrikli taşıtların bnzr boyut v nitliktki İYM li araçlar il karşılaştırıldığında, hm mnzilinin düşük olması hm d daha pahalı olması dmktir [3] v 1980 li yıllarda mydana gln nrji krizlri ndniyl lktrikli araçlar, kısa sürliğin tkrar ilgi görmy başlamıştır li yılların ortalarından bri batarya v güç lktroniğindki sürgln glişmlr, ptrol rzrvlrinin tükncği ndişsi v lktrikli araçların çvr dostu olması, lktrikli araçları ynidn gündm gtirmiş v farklı çşitlrd lktrikli araçlar ürtilmy başlanmıştır [2]. 1

17 Elktrikli araçların, İYM li araçlara gör; n tml avantajı lktrikli araçların çalışmaları sırasında gürültü yapmaması v misyon ürtmmsidir, n tml dzavantajı is batarya maliytlrinin pahalı olması v lktrikli araçların mnzillrinin daha düşük olmasıdır [4]. Elktrikli araçların, ilk ürtildiği zamanlardan bugünlr kadar gçn sürd kayddiln ilrlmlr il birlikt, çşitlri altı başlıkta toplanmaktadır. Bunlar; tümü lktrikli araçlar, hibrid lktrikli araçlar, yakıt pilli lktrikli araçlar, lktrik hatlarından bslnn lktrikli araçlar, günş nrjisi il çalışan lktrikli araçlar v volanlı v süprkapasitörlü lktrikli araçlardır. Tümü lktrikli araçlar; gnl olarak bir batarya, bir lktrik motoru v bir güç koşullandırma ünitsindn mydana glmktdir. Bu araçlarda grktiğind birdn fazla lktrik motoru v ana bataryaya k olarak ikinci bir batarya vya yardımcı başka bir nrji dpolama sistmi d kullanılmaktadır [5]. Hibrid lktrikli araçlar; tümü lktrikli araçlardaki mnzil problmini aşmak için düşünülmüş İYM il lktrikli motorunun bir arada kullanıldığı araçlardır [6]. Hibrid lktrikli araçlar glnksl olarak sri v parall hibrid olarak ikiy ayrılmaktadır [7]. Yakıt pilli lktrikli araçlar yapı itibariyl, tümü lktrikli araçlara bnzmktdirlr fakat bu araçlarda batarya yrin yakıt pillri bulunmaktadır. Elktrik hatlarını kullanan lktrikli araçlar, lktrik nrjisini lktrik hatlarından sağlayan araçlardır. Tramvay v trolybüslr bu tip lktrikli araçlara n iyi örnktir [1]. Günş nrjisi il çalışan lktrikli araçlar, fotovoltaik hücrlrin pahalı olmasından dolayı maliyti çok yüksk olan v günş ışığının yoğun olduğu bölglrd vrimli olarak çalışan araçlardır [1]. Volanlı v süprkapasitörlü lktrikli araçlar is nrji dpolama için volan vya süprkapasitör kullanılan araçlardır. Bu araçların sahip oldukları güç yoğunluğu yüksk olmasına rağmn dpolayabildiklri nrji miktarları düşüktür [5]. Elktrikli araçlarda kullanılan başlıca nrji dpolama ünitlri; bataryalar, volanlar, süprkapasitörlr, günş fotovoltaiklri v yakıt pillridir. 2

18 Bataryalar, kimyasal nrjiyi lktrik nrjisin dönüştürn cihazlardır. Elktrikli araçlarda kullanılan bataryaların; uzun ömürlü, yüksk spsifik güç, yüksk spsifik nrji v uzun çvrim ömrün sahip olması bklnmktdir. Bataryalardan bklnn bu özlliklrdn dolayı, lityum-iyon bataryalar, hafif olmaları, nrji yoğunluklarının yüksk olması v CO 2 salınımını azalttığından dolayı günümüz lktrikli araçlarında trcih dilmktdir. [8]. 21. yüzyılda pk çok alanda nrji ürtimi için n önmli adaylardan biri yakıt pillridir. Yakıt pillri (YP) diğr nrji dönüşüm sistmlrin gör daha sssiz v sorunsuz çalışmaktadırlar. Yakıt pilli araçlar, İYM li araçlara gör yüksk olan vrimlrinin yanında, düşük misyon, oynar parçaların olmaması v kullanıma gör tasarım olanaklarıyla birçok avantaja sahiptir [9]. Yakıt pillri, kullandıkları yakıta, çalışma sıcaklıklarına v kullandıkları lktrolit tipin gör çşitli sınıflara ayrılırlar. Yakıt pillri arasında, vrimlrinin yüksk olması, düşük hacim v ağırlıkları ndniyl PEM tipi yakıt pillri araç uygulamaları için n uygun yakıt pilidir [10]. Ayrıca PEM yakıt pillri, diğr yakıt pillrin kıyasla daha düşük sıcaklıklarda çalışmakta v buna bağlı olarak ilk çalışma anında daha hızlı dvry girbilmktdirlr [11]. Toyota, Daimlr, Honda, Nissan, GM, BMW, Opl gibi otomobil ürticilri yakıt pilini yıllardır araçlarında dnmktdirlr. Tknolojidki bu ilrlmlr il birlikt, bu araçlarda, harktli parçaların olmaması, aracın sssiz çalışması, düşük misyon v yüksk vrimliliğin sağlanması gibi avantajlarla, yakıt pili kullanımını cazip hal gtirmktdir [12]. 1.2 Tzin Amacı Günümüzd, fosil köknli yakıtların rzrvlrinin tükncği ndişsi v bu yakıtların olumsuz çvrsl tkilri, birçok alanda altrnatif nrji kaynaklarının kullanımına önm kazandırmaya başlamıştır. Ulaşım alanında da; ptrol v türvi yakıtlarla çalışan İYM li araçlar yrin, lktrik nrjisi il çalışan lktrikli araçlara olan ilgi, gün gçtikç artmaktadır. Yakıt pillrinin glişimiyl lktrikli araçlarda ana nrji kaynağı olarak kullanılması, bu araçların İYM li araçlara gör daha sssiz, sorunsuz çalışmalarının yanı 3

19 sıra daha yüksk vrimlr d sahip olmasını sağlamaktadır. Elktrikli araçlarda, dzavantaj olarak görüln mnzil problmini ortadan kaldırmak v yakıttan tasarruf sağlamak, dolayısıyla; kullanım maliytini azaltmak amacıyla, faydalı frnlm nrjisinin gri kazanılmasına v nrji dpolama sistmlri arasında güç paylaşımı yapılmasına yönlik çalışmalar yapılmalıdır. Bu amaçla; bu tz çalışmasında, yakıt pilli v bataryalı bir lktrikli araçta faydalı frnlm nrjisinin gri kazanılması sağlanmış v anlık güç dğişimlrind iki nrji dpolama ünitsi arasında nrji yöntim stratjisi gliştirilmiştir. 1.3 Hipotz Elktrikli araçlarda; mnzil problmini azaltmak, prformans v vrimi artırmak amacıyla, frnlm nrjisinin gri kazanılması v nrji yöntiminin sağlanması grkir. Yakıt pilli v bataryalı bir lktrikli araçta, YP, sistmin tml yükünü, batarya is, anlık güç dğişimlrini karşılamak v frnlm nrjisini gri kazanmak amacıyla kullanılmalıdır. 4

20 BÖLÜM 2 ELEKTRİKLİ ARAÇLARIN TARİHÇESİ Elktrikli araçların tanıtımı ilk dfa 1830 lu yıllarda yapılmıştır v ancak 19. Yüzyılın sonlarına doğru ticari bir ürün olarak yr almaya başlamıştır. Fakat yin d lktrikli araçlar, çok daha uzun mnzilli v tmin dilmsi daha kolay olan içtn yanmalı motorlu araçların başarısına ulaşamamıştır [1]. Günümüzd, çvr kirliliğind büyük payı olan gzoz misyonu v gürültü il ilgili problmlrin çözülmsi amacıyla, batarya v yakıt pillri lktrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmış v bunlardaki glişmlr bağlı olarak lktrikli araçlar da İYM li araçların başarısına ulaşmaya başlamıştır. 2.1 Elktrikli Araçların Tarihsl Glişimi 1830 lu yıllardaki ilk lktrikli araçlarda, tkrar şarj dilmyn pillr kullanılmıştır. Ancak; tkrar şarj dilbiln pillrd yaşanan glişmlr bağlı olarak, 19. Yüzyılın sonlarına doğru lktrikli araçların kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Elktrikli araçlar 20. Yüzyılın ilk zamanlarında is karayolu ulaşımında glcğin araçları olarak görülmüştür. İYM li araçlar bu yıllarda lktrikli araçlar kadar güvnilir olmamakla birlikt, çalışmaları snasında koku yapmaları ndniyl pk trcih dilmmişlrdir. Elktrikli araçlar is İYM li araçlarla karşılaştırıldığında hm daha güvnilir hm d hmn harkt tm bcrisin sahiptir. 5

21 Şkil 2. 1 Thomas Parkr tarafından 1880 li yıllarda gliştiriln lktrikli araç [2] 1920 li yıllarda lktrikli otomobil, lktrikli kamyont v lktrikli otobüslr ürtilmiştir. Fakat lktrikli araçların bu avantajlarına rağmn, ucuz ptrolün yaygınlaşması il İYM li araçlar daha cazip hal glmiştir [1]. Bilindiği gibi İYM li araçlarda yakıt olarak ptrol kullanılmaktadır v ptrolün bir kilogramda dpoladığı nrji miktarı bataryalara nazaran oldukça fazladır. Bu ndnl İYM li araçlar lktrikli araçlar il kıyaslandığında daha avantajlı durumdadır. İçtn yanmalı motorlarda kullanılan yakıtlarda kilogram başına dpolanan nrji miktarı yaklaşık olarak 9000 Wh/kg ikn, bir kurşun asit bataryada kilogram başına dpolanan nrji miktarı 30 Wh/kg dir. Bu nrji miktarları araçların vrimlri il birlikt içtn yanmalı motorlar için yaklaşık 1800 Wh/kg dğrin, kurşun asit batarya kullanılan lktrikli araç için is yaklaşık 27 Wh/kg dğrin düşmktdir. Bu dğrlr göz önün alındığında içtn yanmalı motor il bir kurşun asit bataryanın nrji yoğunlukları arasındaki fark yaklaşık 70 kattır. Diğr bir ifadyl, kurşun asit bataryanın, içtn yanmalı motorun sağladığı nrjiyi sağlaması için lktrikli araçta 70 adt batarya kullanılması grkmktdir. Bu da hm aracın taşıması grkn ağırlığını v hacmini hm d maliytini artırmaktadır. Bataryalardan kaynaklanan bir diğr sorun is bataryaların şarjı snasında gçn sürdir. Bir bataryayı tamamn şarj tmk için gçn sür birkaç saati bulabilmktdir. Bazı bataryaların dolum sürsi bir saat indirilmiş olsa da İYM li araç için grkli olan 6

22 yakıtın birkaç dakika içrisind doldurulabildiği göz önün alındığında bu konuda da, İYM li araç daha avantajlı durumdadır. Elktrikli araçların kullanımının iniş gçmsin ndn olan bir diğr dzavantajı da batarya maliytlrinin fazla olmasıdır. Bu da, lktrikli taşıtların bnzr boyut v nitliktki İYM li araçlar il karşılaştırıldığında, hm mnzilinin düşük olması hm d daha pahalı olması dmktir [3]. 19. yüzyıldan itibarn bataryaların dpolayabildiklri nrji miktarının sınırlı olmasından dolayı çşitli yöntmlr başvurulmuştur. Bunların n iyi örnği trolybüs uygulamalarıdır [1]. Trolybüslr lktrik nrjisini üstlrindn gçn nrji bslm kablolarından sağlamışlardır ancak bu bslm kablolarının oldukça pahalı olması da bunların başlıca dzavantajı olmuştur. Şkil 2. 2 Çin d kullanılan bir trolybüs örnği [13] 1960 lı yıllarda; İYM li araçların sayısının artmasından kaynaklanan çvr kirliliğinin yaygınlaşması v ptrol fiyatlarının yükslmsindn dolayı, lktrikli araçlara olan ilgi v lktrikli araçlara yönlik çalışmalar ynidn artmaya başlamıştır [3] li yıllarda, bütün dünyayı olumsuz olarak tkilyn ptrol krizinin mydana glmsiyl otomotiv ürticilrinin lktrikli araçlara yatırım yapmasına v bunların farklı tip v modllrd prototiplrinin gliştirilmsi ndn olmuştur [3]. 7

23 Elktrikli araçların glişiminin ilk zamanlarında, tümü lktrikli araçların, mnzil problmini aşmak üzr, bir jnratörü çalıştıran içtn yanmalı motorun, bir vya birdn fazla lktrik motoruyla birlikt kullanıldığı hibrid lktrikli araç kavramı üzrind yoğunlaşılmıştır. Bu araçlar 20. Yüzyılın ilk zamanlarında uygulanmış v son zamanlarda is tkrar ön plana çıkmıştır [3]. Hibrid lktrikli araçlarda; içtn yanmalı motor il lktrik motorunun üstün yönlrinin birlştirilmsi amaç dinilmiştir. Böylc, içtn yanmalı motorun çvry karşı olumsuz tkilri azaltılırkn hm araç vrimi artırılmış v hm d lktrik motoru frnlm snasında gnratör olarak çalıştırılarak yakıttan tasarruf sağlanmaya çalışılmıştır. Şimdiy kadar n çok trcih diln modrn hibrid araç Toyota Prius olmuştur. Şkil 2. 3 Dünyada n çok trcih diln hibrid lktrikli araç Toyota Prius [14] Hibrid lktrikli araçların birçok üstünlüğü olmasına rağmn araç sistmlri için uzun vadd, tümü lktrikli donanımdan oluşturulmuş araçlara gçilmsi v ana nrji kaynağı olarak da lityum-iyon bataryaların kullanılması hdflnmktdir [6]. Fakat yakıt pillri konusundaki glişmlr son zamanlarda yakıt pilli lktrikli araçların ön plana çıkmasına ndn olmuştur. 8

24 2.2 Elktrikli Araçların İçtn Yanmalı Motorlu Araçlara Gör Avantaj v Dzavantajları Elktrikli araçlar, İYM li araçlar il karşılaştırıldığında birtakım avantaj v dzavantajlara sahiptir. Elktrikli araçların tml avantajlarından bazıları, bulundukları çvrd gzoz misyonu ürtmmlri v sssiz olmalarıdır. Bu özlliklr lktrikli araçların İYM li araçlara gör çvr dostu olduğunu göstrmktdir. Elktrikli araçlar (EA) il ilgili glişmlr, bataryalar, yakıt hücrlri, motor v güç lktroniği sistmlrind ilrlm kayddilmsi il sağlanmaktadır. Bataryaların v Grov tarafından icat diln yakıt hücrlrinin lktrikli araçlarda kullanılması lktrikli araçlar açısından büyük bir glişmdir. Bu glişmlr d lktrikli araçların İYM li araçlara gör daha avantajlı duruma gçmsini sağlamaktadır. Elktrikli araçların İYM li araçlara gör avantajları: EA lar daha sssiz çalışmaktadırlar. Elktrik motoru yüksk torka sahip olduğundan dolayı aracın hızlanması daha kısa sürd olmaktadır. EA lar çalışmaları snasında misyon ürtmzlr. Yüksk vrim il çalışmaktadırlar. EA lar vits kutusu, gzoz sistmi, soğutma v yağlama gibi kısımlara ihtiyaç duymamaktadır. EA ların priyodik bakım gidrlri daha düşüktür. EA ların motorları daha ucuz, daha uzun ömürlü, kolay dğiştirilbilmktdir. EA lar içtn yanmalı motorlara adapt dilbilirlr. Ptrol türvi yakıtların rzrvlri sınırlı ikn, lktrik ürtimi varlığını sürdürbilcktir. Pk çok ülk KDV, MTV gibi vrgi oranlarını düşürrk EA ların satışını dstklmktdir [4]. 9

25 Elktrikli araçlar İYM li araçlar il karşılaştırıldığında pk çok avantaja sahip olmasına rağmn birtakım dzavantajlara da sahiptir. Bunlar: Bataryaların ağırlıkları çok fazladır. EA lar, bataryalarının şarj problmlrindn dolayı, uzun yol kullanımına uygun dğillrdir. EA ların mnzillri İYM li araçlara gör daha düşüktür. Batarya fiyatları pahalıdır. Bataryaların ömürlri kısadır. Bataryaların prformansı sıcaklığa bağlı olarak dğişmktdir, şklind söylnbilir [4]. 10

26 BÖLÜM 3 ELEKTRİKLİ ARAÇ ÇEŞİTLERİ Son yıllarda kayddiln ilrlmlr il birlikt lktrikli araçların yni çşitlri ortaya çıkmıştır. Elktrikli araç çşitlri altı ayrı başlıkta inclnmktdir. Bunlar: Tümü lktrikli araçlar, Hibrid lktrikli araçlar, Yakıt pilli lktrikli araçlar, Elktrik hatlarından bslnn lktrikli araçlar, Günş nrjisi il çalışan lktrikli araçlar, Volanlı v süprkapasitörlü lktrikli araçlardır. 3.1 Tümü Elktrikli Araçlar Tümü lktrikli araçlarda, taşıtın nrji dpolayabilmsi için bir bataryaya, bir lktrik motoruna v güç koşullandırma ünitsin ihtiyaç vardır. Bu araçlarda bataryalardan ld diln lktrik nrjisi, güç koşullandırma ünitsin göndrilmktdir. Güç koşullandırma ünitsind d lktrik motoruna aktarılacak güç miktarı kontrol dilmktdir. Bu sayd aracın harkti sağlanmaktadır. 11

27 Batarya Grubu = ~ Güç Koşullandırma Ünitsi M Elktrik Motoru Mkanik Bağlantı Şkil 3. 1 Tümü lktrikli araç sistmi Batarya, şbk üzrindn vya batarya dolum mrkzi üzrindn şarj dilbilmktdir. Güç koşullandırma ünitsi is motoru bslyn gücü v aracın ilri v gri hızlanmasını kontrol tmktdir. Tümü lktrikli araçlarda itm kuvvtinin yüksk miktarda sağlanabilmsi için grktiğind birdn fazla lktrik motoru da kullanılabilmktdir. Ayrıca ana bataryaya k olarak ikinci bir batarya vya yardımcı başka bir nrji dpolama sistmi d kullanılmaktadır [5]. Tümü lktrikli araçlarda nrji dpolama sistmi olarak batarya kullanıldığından dolayı misyon açığa çıkmamaktadır. Ayrıca tümü lktrikli araçlar, çalışmaları snasında İYM gibi gürültü oluşturmamaktadır. Ayrıca, bu araçlarda frnlm nrjisi gri kazanılarak bataryalara aktarılabilmkt v böylc bataryaların şarj olması sağlanabilmktdir. Tümü lktrikli araçların dzavantajlarından bazıları is: Maliytlrinin yüksk olması, Aracın bakım v onarımının yapılacağı srvis sayısının ytrli olmaması, 12

28 Bataryaların ağırlığının fazla olması, Batarya şarj sürlrinin, yakıtın doldurulma sürsi göz önün alındığında, uzun olması olarak söylnbilir. Tümü lktrikli araçlara örnk, lktrikli bisikltlr, üç tkrlkli taşıtlar, küçük banliyö taşıtları, golf arabaları, tkrlkli iskmllr, lktrikli arabalar v otobüslr vrilbilir [1]. 3.2 Hibrid Elktrikli Araçlar Uluslarası Elktrotknik Komisyonu nun tanımına gör hibrid araçlar n az iki adt güç kaynağına sahip olan araçlardır. Hibrid lktrikli araçların nrjisi iki vya daha fazla nrji dposundan sağlanmakta v bu nrji dpolarından n az bir tansi lktrik nrjisi sağlamaktadır [15]. Daha fazla kabul görn diğr tanımlama is hibrid lktrikli araç, içtn yanmalı motor v lktrik motorunun birlikt kullanıldığı araç türüdür. Hibrid lktrikli araç, tümü lktrikli araca içtn yanmalı bir motorun klnmsiyl oluşturulmaktadır v amacı aracın mnzilini v gücünü artırmaktır [5]. Hibrid lktrik aracın yapısı gnl olarak, içtn yanmalı bir motor, bir batarya v bir lktrik motorundan oluşmaktadır. Hibrid lktrikli araçlar glnksl olarak sri v parall hibrid olarak ikiy ayrılmaktadır [7]. Hibrid lktrikli araçlar, taşıtın harkti için lktrik motoru v İYM dn sağlanan güçlrin oranına gör d sınıflandırılmaktadır. Buna gör hibrid araçlar tam hibrid, orta hibrid v hafif hibrid olmak üzr üç sınıfta inclnmktdir. Tam hibrid lktrikli araçlarda kullanılan lktrik gücünün toplam araç gücün oranı n az %30 dur. Orta hibrid lktrikli araçlarda bu oran %10 il %30 arasındadır. Yardımcı hibrid olarak da isimlndiriln orta hibrid araçlarda ilk önc İYM çalışmakta lktrik motoru il k güç sağlanmaktadır. İYM araç boşta ikn durmakta v frnlm nrjisi gri kazanılmaktadır. Hafif hibrid lktrikli araçlarda lktrik gücünün toplam araç gücün oranı diğrlrin kıyasla çok düşüktür. Hafif hibrid araçlarda da araç boşta olduğu zaman İYM durmakta v frnlm nrjisi gri kazanılmaktadır [16]. 13

29 Şkil 3. 2 Hibrid lktrikli araç [17] Hibrid lktrikli araçlar, güç koşullandırma ünitlri, nrji dpolama ünitsi v taşıt itici sistmindn oluşmaktadır. Enrji dpolama ünitsi olarak bataryalar, süprkapasitörlr v volanlar kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan nrji dpolama ünitsi is bataryalardır [18]. Hibrid araçların gliştirilmsinin n önmli katkılarından biri, ptrol v türvi olan yakıtların tüktimini azaltmaktır. Bu ndnl aracın fazla hızlanma yapmadığı durumlarda İYM yrin lktrik motoru kullanılmakta v böylc nrdys sıfır misyon salınmakta v gürültü ortaya çıkmamaktadır. Elktrik motorunun çalışması için grkli olan nrji ya İYM çalıştığı zaman ya da bataryalardan ld diln nrji il sağlanmaktadır. Hibrid lktrikli araçların avantajları arasında: Çalışmaları snasında misyon oluşumunu n aza indirmlri, Frnlm nrjisinin gri kazanılarak bataryaları şarj dbilmsi, Bu araçlarda kullanılan motorların daha hafif olması, Ptrol v türvi yakıtlara bağımlı olmaması, 14

30 Sssiz çalışmaları göstrilbilir [5] Sri Hibrid Elktrikli Araçlar Sri hibrid lktrikli araç, İYM, gnratör v lktrik motoru olmak üzr üç adt tahrik sistmin sahip olan araçlardır. Bu araçlarda İYM v gnratör bataryaları şarj tmkl görvlidir. İYM dn ld diln güç gnratör aktarılarak bataryaların şarjı sağlanmaktadır. Elktrik motoru is bataryalardan aldığı lktrik nrjisi il aracın çalışmasını sağlamaktadır. Sri hibrid lktrikli araçlar, tümü lktrikli araçlar gibi lktrik motorundan ld diln güç il çalışan araçlardır. İYM, yakıt dposundan aldığı nrjiyi mkanik nrjiy çvirrk gnratör aktarmakta v bu nrji gnratörd lktrik nrjisin dönüştürülmktdir. Bu nrji bataryaları şarj tmkl kullanıldığı gibi, bataryalardan gln güç il birlikt lktrik motorunun çalışmasını da sağlamaktadır. Sri hibrid lktrikli araçlarda frnlm nrjisi gri kazanılarak bataryaların şarjı sağlanmaktadır. Bataryaların şarjı, hm araç çalışma halindykn İYM v gnratör grubu tarafından hm d frnlm nrjisinin gri kazanılması il sağlanmaktadır. Yakıt İYM G ~ Dposu Güç Koşullandırma Ünitsi = DC Bara Batarya Grubu Güç Koşullandırma Ünitsi = ~ M Mkanik Bağlantı Şkil 3. 3 Sri hibrid lktrikli araç sistmi 15

31 Gnratör bağlı olan güç koşullandırma ünitsi, İYM v gnratör grubu il bataryaları blirli sürlrd, blirli sınırlara kadar şarj tmktdir. Bataryanın doluluğu bu blirli sınırın altına düştüğünd İYM çalışmaya başlamaktadır. Eğr batarya üst sınıra kadar dolu is bu takdird İYM durmaktadır. Bazı sri hibrid lktrikli araçlarda motorun ihtiyacı olan lktriksl güç hm bataryalardan hm d içtn yanmalı motor v gnratör grubundan sağlanmaktadır [5]. Sri tahrik sistminin parall tahrik sistmin gör dzavantajı lktrik nrjisi ürtmk için gnratör sahip olmasıdır. Araçta parall tahrik sistmin gör fazladan gnratör bulunduğundan aracın hm ağırlığı hm d maliyti artmaktadır. Sri tahrik sistminin bir diğr dzavantajı da; İYM, gnratör v lktrik motoru olmak üzr üç adt tahrik sistmin sahip olduğundan dolayı nrji üç kr şkil dğiştirmkt v böylc sistmin toplam vrimi azalmaktadır. Sri hibrid lktrikli araçlara Türkiy dn Şkil 3.4 t göstriln Tübitak-Mam tarafından Tofaş için yapılan Fiat Doblo örnk olarak vrilbilir. Şkil 3. 4 Tübitak-Mam tarafından Tofaş için yapılan sri hibrid otomobil Fiat Doblo [5] 16

32 3.2.2 Parall Hibrid Elktrikli Araçlar Parall hibrid araçlar, İYM v lktrik motoru il birlikt tahrik diln lktrikli araçlardır. Bu araçlarda İYM nin sağladığı nrjinin bir bölümü tkrlklri harkt tmk için kullanılırkn, bir bölümü d lktrik motoru üzrindn bataryayı şarj tmk amacıyla kullanılmaktadır. Tahrik snasında is yük durumunda gör, İYM v lktrik motoru birlikt vya lktrik motoru tk olarak da çalıştırılabilmktdir [19]. Parall hibrid lktrikli araçlara otomotiv sktöründn Toyota Prius, Honda Insight v Honda Civic örnk olarak vrilbilir. Şkil 3. 5 Honda Insight [20] Parall hibrid lktrikli araçlarda istnildiği zaman sadc lktrik motoru vya sadc İYM çalıştırılabilmktdir. Şhir içind vya trafik sıkışıklığında yapılan dur-kalk sürüşlri snasında sadc lktrik motoru kullanılarak sssiz çalışma sağlanıp, gzoz salınımı sorunu ortadan kaldırılabilmktdir. Hızlı sürüş durumuna gçildiğind, yokuş yukarı vya ivmlnm grktirn yrlrd is İYM v lktrik motoru aracı birlikt tahrik tmktdir [16]. Parall hibrid lktrikli araçların tahrik sistmlri, sri hibrid lktrikli araçların tahrik sistmlrin gör daha karmaşıktır. Parall tahrik sistmlrind içtn yanmalı motorun tkrlklr kuvvt vrilbilmsi için transmisyon mkanizmasına ihtiyaç vardır. Parall hibrid lktrikli araçlarda daha küçük İYM kullanılmaktadır [5]. 17

33 Batarya Grubu Yakıt Dposu = ~ MG Mkanik Bağlantı İYM Güç Koşullandırma Ünitsi Motor Gnratör Mkanik Bağlantı Şkil 3. 6 Parall hibrid lktrikli araç sistmi Parall hibrid lktrikli araçlarda, sri hibrid lktrikli araçlarda olduğu gibi bataryalar frnlm nrjisi gri kazanılarak şarj olmaktadır. Buna k olarak sürüş snasında lktrik motoru, gnratör olarak çalışarak bataryaları şarj tmktdir. Parall hibrid lktrikli araçlarda bataryalar v lktrik motoru daha küçüktür. Parall hibrid lktrikli araçların dzavantajları arasında: Sssiz çalışmanın tam olarak sağlanamaması, İYM v lktrik motorundan gln gücün, düzgün bir şkild tkrlklr iltilbilmsi için karmaşık bir mkanizmaya ihtiyaç duymaları sayılabilir [16]. Parall hibrid lktrikli araçlarda, lktrik motorunun gücünün v lktrik motoru il İYM güçlrinin toplamına oranı, hibridlştirm drcsi (HD) olarak tanımlanmaktadır [1]. 18

34 P HEV, hibrid lktrikli aracın maksimum itiş gücü olarak tanımlanır. Hibridlşm drcsi arttıkça İYM kullanımı artmaktadır. 3.3 Yakıt Pilli Elktrikli Araçlar Yakıt pillri, yakıtın kimyasal nrjisini lktrik nrjisin dönüştürn cihazlardır. Yakıt pilli lktrikli araçlar yapı itibariyl tümü lktrikli araçlara bnzmktdirlr, fakat bu araçlarda batarya yrin yakıt pillri bulunmaktadır. Şkil 3. 7 Mrcds A Srisi Ballard, yakıt pilli lktrikli araç [21] Yakıt pilli lktrikli araçlar diğr araçlara nazaran daha yüksk vrim sahiptir, daha düşük misyon ürtirlr v çalışmaları daha sssizdir. Yakıt pili il çalışan araçların mnzili, yakıt pilind dpolanan nrji miktarı il doğru orantılıdır. Yakıt pilli araçlarda nrji ürtimi snasında harktli parçalar kullanılmadığından dolayı vrim %60 il %70 arasında dğişmktdir [5]. Yakıt pili il çalışan lktrikli araçlar; sssiz çalışmaları, vrimlrinin yüksk olması v misyon dğrlrinin düşük olması gibi önmli avantajlara sahip olsa da, sri ürtim gçm snasında bazı tknik v konomik problmlr il karşılaşmaktadırlar. Tknik sorunların n önmlisi, hidrojn dpolama problmi v yakıt sistmlridir. Yakıt pilli lktrikli araçlar, yakıt dpolama sistmi, yakıt hücrsi, güç koşullandırma ünitsi v kontrol sistmi il tahrik sistmindn mydana glmktdirlr. Yakıt 19

35 dpolama sistmind dpo diln hidrojn, doğrudan vya fosil köknli yakıtların işlnmsi il ld dilir. Bir yakıt hücrsinin grilimi 0,7 V civarındadır v bu grilim yakıt hücrlrinin sri olarak birbirin bağlanmaları il arttırılabilmktdir [1]. Son yıllarda, ülklr arasında yakıt pillrinin lktrikli araçlara uygulanması konusunda bir rkabt başlamıştır. Yakıt pilli lktrikli araçların ticarilştirilmsi il İYM li araçların yol açtığı çvr kirliliği büyük oranda azalacak v aynı zamanda konominin glişmsi sağlanacaktır. Son zamanlarda ürtiln yakıt pilli lktrikli araçlara; Gnral Motors tarafından gliştiriln Prcpt, Ford tarafından gliştiriln Ford Focus FCV v P2000, Nissan tarafından gliştiriln Xtrra FCV örnk olarak vrilbilir [22]. Ayrıca Honda nın FCX Clarity modli, ilk sri ürtim yakıt pilli lktrikli araçtır. 3.4 Elktrik Hatlarını Kullanan Elktrikli Araçlar Elktrik hatlarını kullanan lktrikli araçlara örnk, günümüzd çok yaygın olarak kullanılmayan, tramvay v trolybüslrdir [1]. Bu araçlar şhir içi ulaşımında maliytlrinin düşük olması v çvr dostu olmalarından dolayı çok fazla trcih dilmişlrdir. Bu tip araçlarda lktrik nrjisi, lktrik hatlarından sağlanmaktadır. Ayrıca trolybüslrd, sınırlı bir msaf için lktrik hattından ayrılma gibi bir durumun yaşanması söz konusu olabilcğindn, batarya da bulunmaktadır. Şkil 3. 8 Taksim-Tünl nostaljik tramvay hattındaki iki tramvay [23] 20

36 3.5 Günş Enrjisi il Çalışan Elktrikli Araçlar Günş nrjisi il çalışan lktrikli araçların maliyti yüksktir v bu tip araçlar, günş ışığının yüksk olduğu bölglrd vrimli olarak çalışmaktadırlar. Fotovoltaik hücrlrin maliytlri azalırkn vrimlrinin arttığı göz önün alındığında, günş nrjili lktrikli araçların uygulamalarında artış bklnmktdir. Günş nrjisi il çalışan lktrikli araçlara otomotiv sktöründn, 1996 yılında Dünya günş yarışmasını kazanan Honda Dram örnk olarak vrilbilir [1]. Şkil Yılında Avustralya da düznlnn Dünya Günş Yarışması kazanan Honda Dram Solar [24] 3.6 Volanlı v Süprkapasitörlü Elktrikli Araçlar Volanlar v süprkapasitörlr birçok hibrid lktrikli araçta kullanılmaktadır. Volanlı v süprkapasitörlü nrji dpolama sistmin sahip lktrikli araçlar, yüksk güç yoğunluğuna sahip olan araçlardır. Fakat bu tip araçların dpolayabildiklri nrji miktarları sınırlıdır. Kısacası, bu araçların sahip oldukları güç yoğunluğu yüksk olmasına rağmn dpolayabildiklri nrji miktarları düşüktür. Enrji dpolama aracı olarak volan kullanılan lktrikli araçlardan bir tansi, John Parry tarafından tasarlanan bir tramvaydır. Volanın nrji dpolayabilmsi için grkli olan güç tramvay yolcu duraklarında durduğu zaman sağlanmıştır [1]. Volan sistmlrinin n önmli avantajları; yüksk çvrim ömrü, yüksk güç yoğunluğu, iyi dpolama vrimi v 21

37 tkrar şarj zamanının kısa olmasıdır [5]. Volanlı lktrikli araçların bataryalardan üstün yanı nrjiyi alıp vrmsinin kolay v hızlı bir şkild grçklştirilmsidir. Volanların uygulamasındaki n büyük dzavantaj çalışmaları için k donanıma ihtiyaç duymasıdır. Ek donanımlar da araca hm maliyt hm d kstra ağırlık kazandırmaktadır. Gücü dpolamak için kullanılan süprkapasitörlr, normald hibrid lktrikli aracın bir parçası olarak kullanılmaktadır. Süprkapasitörlr, ivmlnm v yokuş çıkma gibi ani güç grksinmlrind bataryalara vya yakıt pilin ilav nrji kaynağı olarak kullanılmaktadır [5]. 22

38 BÖLÜM 4 ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN KAYNAK VE ENERJİ DEPOLAMA Elktrikli araçlarda kullanılan başlıca nrji dpolama ünitlri: ÜNİTELERİ Bataryalar, Volanlar, Süprkapasitörlr, Günş fotovoltaiklri, Yakıt pillridir. Bu bölümd yukarıda sayılan nrji dpolama ünitlrindn bataryalar, volanlar, süprkapasitörlr v günş fotovoltaiklri inclnmktdir. Bnztim çalışmasında da kullanılan yakıt pillri ayrı bir başlık altında bir sonraki bölümd inclncktir. 4.1 Bataryalar Bataryalar, kimyasal nrjiyi lktrik nrjisin dönüştürn cihazlardır. Bataryalar hücrlrdn, hücrlr d bir lktrolit il pozitif v ngatif anotlardan oluşmaktadır. Elktrolit v lktrotlar arasındaki kimyasal raksiyon sonucu DC lktrik ürtilmktdir [1]. Elktrikli araçlarda kullanılan bataryaların uzun ömürlü, yüksk spsifik güç, yüksk spsifik nrji v uzun çvrim ömrün sahip olması bklnmktdir. Günümüz tknolojisind lktrikli araçlarda nrji dpolama ünitsi olarak kullanılan bataryaların başında lityum-iyon bataryalar glmktdir. Lityum-iyon bataryalar diğr 23

39 bataryalara nazaran daha hafif olup, nrji yoğunlukları oldukça yüksktir. Mnzillri 150 km civarında da olsa lityum-iyon bataryalar, CO 2 salınımını ciddi oranda azalttığından, şhir içi kullanım için idal görülmktdir [8] Batarya Paramtrlri Bir bataryanın prformansını blirlyn n önmli paramtrlr aşağıda sıralanmıştır Hücr v Batarya Grilimlri Elktrikli araçlarda kullanılan bataryaların grilimlri 6 V vya 12 V olmaktadır. Bu grilim pratikt dğişmktdir. Akım vrildiğind grilim düşmkt, batarya doldurulurkn grilim yükslmktdir. Hücr v batarya grilimlrinin ifadsi iç dirnç trimi il göstrilmktdir. Bu trim il batarya sabit bir E grilimin sahip olarak göstrilmkt fakat trminallrdki grilim iç dirnç R nin grilimini ndniyl farklı bir V grilimidir. Şkil 4.1 dki bataryanın şdğr dvrsindn I akımının gçtiği göz önün alınarak aşağıdaki bağıntı yazılabilmktdir [1]. I R V E YÜK Şkil 4. 1 Altı adt hücrdn oluşan bataryanın şdğr dvrsi Eğr dvr akımı sıfır is trminal grilimi E y şit olacaktır. Eğr batarya dolum işlmind is grilim IR kadar yükslcktir. Elktrikli araç bataryalarında iç dirncin mümkün olduğunca küçük olması tavsiy dilmktdir. 24

40 Dolum Kapasitsi Dolum kapasitsi, A-saat (Ah) vya ma-saat (mah) olarak ifad dilir v batarya ömrü il şarjları arasındaki drclndirm faktörü olarak isimlndirilir. Batarya akımı C- Oranı birimi il tanımlanmaktadır. C, Ah vya mah cinsindn dolum kapasitsini, C- Oranı is C/1 saat olarak ifad dilmktdir ma lik bir batarya için 1 C y karşılık gln akım 1000 ma, 0.1 C y karşılık gln akımı 100 ma, 2 C y karşılık gln akım is 2000 ma dir [25] Dpolanan Enrji Bataryanın görvi nrjiyi dpolamaktır. Bir bataryada dpolanan nrji bataryanın grilimi v dolum kapasitsi il orantılıdır. Dpolanan nrji watt-saat (Wh) olarak ifad dilmktdir Spsifik Enrji Spsifik nrji, batarya bir kilogramında dpolanan lktrik nrjisi miktarı olarak ifad dilir. Birimi Wh/kg dir Enrji Yoğunluğu Enrji yoğunluğu, bataryanın bir mtrküpünd dpolanan lktrik nrjisi olarak ifad dilmktdir. Birimi Wh/m 3 tür Spsifik Güç Spsifik güç, bataryanın bir kilogramından ld diln güç miktarını ifad tmktdir. Spsifik güç bataryaya bağlı olan yükl ilişkilidir. Birimlri W/kg dir. Bazı bataryalar yüksk spsifik nrjiy sahip olmalarına rağmn, düşük spsifik güc sahiplrdir. Bu da bu tip bataryaların fazla nrji dpolamaları fakat bu nrjiyi yavaşça vrmlri anlamına glmktdir [1]. 25

41 Enrji Vrimliliği Enrji vrimliliği, bataryanın sağladığı lktrik nrjisi miktarının, dşarjdan öncki duruma dönmsi için grkli olan nrjiy oranı olarak ifad dilmktdir [26]. Elktrikli araçlarda, nrji vrimliliği v düşük misyon n önmli faktörlr olduğundan dolayı nrji vrimliliğinin mümkün olduğunca yüksk olması istnmktdir. Bataryaların hızlı şarj v dşarj olması nrji vrimliliğini düşürmktdir Diğr Önmli Paramtrlr Bataryaların doluluk oranı (SoC), bataryanın bir çşit yakıt göstrgsidir. SoC yüzdsl olarak ifad dilir. %0, bataryanın boş; %100 bataryanın dolu olduğu anlamına glmktdir. Aynı ölçüm dğrinin bir başka biçimi olan dşarj drinliği (DoD) is SoC un trsidir. SoC; kullanımda olan bataryanın mvcut durumu, DoD; tkrar kullanımdan sonra bataryanın ömrü hakkında yorum yapılırkn kullanılır [27]. Bataryaların bir kısmı kullanılmadığı zaman kndi kndin boşalmaktadır. Buna kndi kndin boşalım dnilmktdir. Bu paramtr, bazı bataryaların doldurulmadan uzun sür bırakılmaması grktiğini göstrdiğindn dolayı önmlidir. Bataryaların çoğu ortam sıcaklığında çalışmasına rağmn bazıları farklı sıcaklıklarda çalışmaktadır. Bataryayı çalıştırmak için ısıtmaya, kullanım snasında soğutmaya ihtiyaç duyulabilmktdir. Batarya sıcaklığı prformans açısından önmli bir faktördür. Bir diğr önmli paramtr is bataryaların ömrüdür. Bataryanın ömrü lktrikli aracın maliytin yansıyan bir faktördür Kurşun Asit Bataryalar Bataryalarda, özlikl kurşun asitli bataryalar, yaygın kullanım v maliytinin düşük olması sbbiyl trcih dilmktdir [28]. Kurşun asit bataryalar; bakım grktirmyn, ucuz, fakat ağır v nrji yoğunluğu düşük olan bataryalardır. Kurşun asit bataryalar İYM li araçlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat lktrikli araçlarda kullanılan kurşun asit bataryalar, İYM li 26

42 araçlarda kullanılan bataryalara gör daha uzun ömürlüdür, tasarımları da daha faklı v pahalıdır [5]. Kurşun asit bataryaların pozitif plakaları kurşun dioksit malzmy, ngatif plakaları kurşuna sahiptir. Plakalar, sülfürik asit lktrolit içrisin daldırılarak, lktrik nrjisi ürtilmktdir. Çizlg 4. 1 Kurşun asit batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç İşltm Sıcaklığı Wh/kg W/kg 2 V Çok düşük Ortam sıcaklığı Enrji Yoğunluğu Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 8 saat Kurşun asit bataryaların yaygın kullanılmasının sbplri; kurşun v sülfürik asit olan ana bilşnlrinin ucuz olması, güvnli bir şkild çalışması v hr hücr için yaklaşık 2 V luk bir grilim sahip olmalarıdır. Gnllikl altı adt hücr sri bağlanarak 12 V luk grilim ld dilmktdir. Ayrıca kurşun asit bataryaların iç dirnci oldukça düşüktür. Kurşun asit bataryalar, Wh/kg spsifik nrji v W/kg spsifik güc sahiptirlr. Bu özlliklrin çoğu, gnl uygulamalarda taşıt çalıştırılması, ivmlnmsi, ksintisiz güç kaynakları v diğr tüktici uygulamalarında kullanılabilir. Fakat bilindiği gibi tknoloji ilrldikç talp artmaktadır. Artan talplri karşılamak amacıyla da daha yüksk spsifik güc vya nrjiy grksinim vardır. Bu ndnl son yıllarda kurşun asit bataryanın gliştirilmsi amacıyla pk çok çalışma yapılmıştır [28]. Kurşun asit bataryalar, kw-saat dolum açısından n ucuz olan ynidn şarj dilbiln bataryalardır. Fakat spsifik nrjilri düşük olduğundan dolayı uzun mnzilli araçlarda kullanımı zordur [1]. 27

43 4.1.3 Nikl Bazlı Bataryalar Nikl bazlı bataryalar; nikl dmir, nikl çinko, nikl kadmiyum v nikl mtal hidrürdür Nikl Kadmiyum Bataryalar Nikl kadmiyum bataryalar, kurşun asit bataryaların sahip olduğu spsifik nrjidn daha fazla spsifik nrjiy sahiptirlr. Nikl kadmiyum bataryaların; pozitif lktrotunda nikl, ngatif lktrotunda kadmiyum, lktrolit olarak potasyum hidroksit kullanılmaktadır [26]. Nikl kadmiyum bataryalar lktrikli araçlarla birlikt diğr birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu bataryalar yüksk spsifik güç, uzun ömür v iyi dnilbilck uzun mnzilli dpolama avantajlarına sahiptirlr. Ayrıca sarsıntılara karşı oldukça dayanıklıdırlar. Yüksk sayıda şarj v dşarj oranları, yüksk akım dğri gibi özlliklr istndiğind aranan bir batarya çşididir. Bu özlliklr sahip olduğundan lktrikli araçlarda da kullanılabilir. Ni-Cd batarya, Avrupa'da lktrikli taşıt pazarındaki n donanımlı bataryadır. Ni-Cd pillrin n büyük avantajı; nrji yoğunluklarının düşük v başlangıç maliytlrinin yüksk olmasına rağmn, yüzlrc kz şarj dilbildiklrindn, uzun vadd çok konomik olmalarıdır [29]. Çizlg 4. 2 Nikl kadmiyum batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç Wh/kg W/kg 1.2 V Çok düşük İşltm Sıcaklığı -40 C C Enrji Yoğunluğu Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 1 saat 28

44 Bu bataryaların dzavantajları is; hr hücrnin grilimi yaklaşık 1,2 V olduğundan 12 V luk grilim ld dbilmk için on adt hücry ihtiyaç duymalarından dolayı lktrikli araçlarda maliyti artırmaları v kadmiyumun çvry zararlı olmasından dolayı gri dönüşümd yaşanan problmlrdir [1] Nikl Mtal Hidrür Bataryalar Nikl mtal hidrür bataryalar, çvry karşı daha duyarlı olduklarından dolayı son yıllarda nikl kadmiyum bataryalara nazaran, daha fazla kullanım alanına v daha iyi prformansa sahiptirlr. Ayrıca nikl kadmiyum bataryalara gör daha fazla nrji dpolama kapasitsin sahip olup, daha hızlı doldurulabilirlr. Nikl mtal hidrür bataryalar kurşun asit bataryalara gör çok daha pahalıdırlar [5]. Nikl mtal hidrür bataryalar; aktif malzmsi nikl hidroksit olan pozitif lktrot, mtal hidrür karışımı olan ngatif lktrot v potasyum hidroksit lktrolittn oluşmaktadır [26]. Çizlg 4. 3 Nikl mtal hidrür batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç İşltm Sıcaklığı Wh/kg W/kg 1.2 V Çok düşük Ortam sıcaklığı Enrji Yoğunluğu 150 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 1 saat Nikl mtal hidrür bataryaların dolum işlmi hızlı olduğundan soğutmaya ihtiyaç duyabilirlr. Bu amaçla kutularının üzrlrind fanlar bulunabilmktdir. Bu bataryalar ticari olarak küçük boyutlarda bulunmaktadır, fakat lktrikli araçlar için daha uygun olan büyük boyutlu çşitlri d ürtilmktdir [1]. 29

45 4.1.4 Sodyum Bazlı Bataryalar Sodyum bazlı bataryaların çalışma sıcaklıkları yüksk olduğundan dolayı lktrikli araçlar için uygundurlar Sodyum Sülfür Bataryalar Bu bataryalar, kurşun asit bataryalar il karşılaştırıldıklarında, spsifik nrjilrinin daha fazla olduğu görülmktdir. Batarya, ngatif sıvı sodyum lktrotu v pozitif sıvı sülfür lktrotundan mydana glmktdir. Elktrolit is sodyum iyonlarını yönlndirn v iki lktrotu ayıran bir çşit katı sramiktir. Elktrolitin sramik olması güvnlikl ilgili birtakım ndişlrin oluşmasına ndn olmuştur v bu ndişlr dnmlr sırasında oluşan yangınlar il birlikt dstklndiğindn, bu batarya ticari olarak fazla glişmmiştir [1]. Sodyum sülfür bataryalar C gibi yüksk sıcaklıklarda çalışmaktadırlar. Batarya sıcaklığı 200 C nin altına düştüğü zaman sodyumun donması ndniyl çalışması durmaktadır [5]. Çizlg 4. 4 Sodyum sülfür batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç Wh/kg W/kg 2 V Çok düşük İşltm Sıcaklığı C Enrji Yoğunluğu 150 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 8 saat Bataryanın ısıtma v soğutma ihtiyaçlarının tasarımcı açısından iyi bir şkild yöntilmsi grkmktdir. 30

46 Sodyum Nikl Klorür Bataryalar Sodyum nikl klorür bataryalar, pozitif lktrot olarak nikl klorür, ngatif lktrot olarak sodyuma sahiptirlr. Sodyum nikl klorür bataryalar, kurşun asit bataryalar il karşılaştırıldıklarında daha yüksk spsifik nrji v nrji yoğunluğuna sahip oldukları görülmktdir. Sodyum nikl klorür bataryalar il birlikt, sodyum sülfür bataryalarda yaşanan güvnlik problmlrinin aşıldığı düşünülmktdir [1]. Çizlg 4. 5 Sodyum nikl klorür batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç Wh/kg W/kg ~ 2 V Çok düşük İşltm Sıcaklığı C Enrji Yoğunluğu 150 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 8 saat Lityum Bataryalar Lityum bataryalar diğr tkrar şarj dilbiln bataryalara nazaran daha yüksk maliyt sahiptirlr. Fakat nrji yoğunlukları oldukça iyilştirilmiştir Lityum Polimr Bataryalar Lityum polimr bataryalarda, ngatif lktrot katı lityumdan v pozitif lktrot mtal oksittn oluşmaktadır. Kimyasal raksiyon sonucu lityum, lityum mtal oksit oluşturacak şkild mtal oksitl birlşmkt v böylc nrji açığa çıkmaktadır [26]. 31

47 Çizlg 4. 6 Lityum polimr batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç 155 Wh/kg W/kg İşltm Sıcaklığı 120 C Lityum İyon Bataryalar Lityum iyon bataryalar, pozitif lktrot olarak lityumlu bir mtal oksit v ngatif lktrot olarak lityumlu karbondan oluşmaktadır. Lityum iyon bataryaların n önmli özlliği, hücrlr doldurulurkn grilimin blli bir dğrd olması grktiğidir. Bu ndnl batarya il birlikt şarj altlri d gliştirilmktdir [1]. Lityum iyon bataryalar diğr bataryalara nazaran daha hafiftirlr v yüksk nrji yoğunluğuna sahiptirlr. Bu ndnl glişimini tamamladıklarında, lktrikli araç uygulamalarında n çok trcih diln bataryalar olacağı öngörülmktdir. Çizlg 4. 7 Lityum iyon batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç İşltm Sıcaklığı 90 Wh/kg 300 W/kg 3.5 V Çok düşük Ortam sıcaklığı Enrji Yoğunluğu 150 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 2-3 saat Lityum iyon bataryaları, lktrikli araç uygulamalarında kullanmak üzr daha uygun şartlara gtirbilmk amacıyla, Japonya da Sony v Panasonic, Avrupa da SAFT v Varta, Amrika da da Duracll çşitli çalışmalar sürdürmktdir. Sony, 35 kwh kapasitli v nrji yoğunluğu 120 Wh/kg bir lityum iyon batarya yaptığını bildirmiştir [5]. 32

48 Lityum iyon batarya kullanılarak gliştiriln lktrikli araç uygulamalarından n dikkat çkici olanı, 2001 yılında ürtiln Ford Ka nın lktrikli otomobilidir. Şkil 4. 2 Lityum iyon batarya kullanılarak gliştiriln Ford Ka [30] Mtal-Hava Bataryaları Elktrikli araçlarda kullanılan diğr bir batarya türü mtal-hava bataryalarıdır. Çinko v alüminyum bu bataryalarda n fazla kullanılan mtal lktrotlardır. Mtal hava bataryalarında, inc gaz gçirgn katot v potasyum hidroksit gibi alkali su bazlı lktrolit kullanılmaktadır [5]. Mtal hava bataryalarında bulunan mtal lktrotlar tükndiklri zaman ynilriyl dğiştirilmktdir. Bu ndnl mtal lktrotlar bir çşit yakıt gibi düşünülmktdir [1] Alüminyum Hava Bataryaları Alüminyum hava bataryalarında bulunan alüminyum, havadaki oksijn v suyla birlşrk alüminyum hidroksit oluşturmakta v bu kimyasal raksiyon sonucu lktrik nrjisi açığa çıkmaktadır [26]. Bu tip bataryaların ngatif lktrotu alüminyumdan oluşur. Kullanılmış olan ngatif lktrotların dğiştirilmsi il batarya ynidn doldurulmuş olmaktadır. 33

49 Alüminyum hava bataryalarının n büyük dzavantajı düşük spsifik güc sahip olmalarıdır. Elktrikli araç için grkli olan güc rişbilmk için çok ağır bataryalar kullanılması grktiğindn kullanışlı dğillrdir. Çizlg 4. 8 Alüminyum hava batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç İşltm Sıcaklığı 225 Wh/kg 10 W/kg 1.4 V Yüksk Ortam sıcaklığı Enrji Yoğunluğu 195 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 10 dakika Çinko Hava Bataryaları Çinko hava bataryalarında bulunan çinko, havadaki oksijnl birlşrk çinko oksidi oluşturmakta v böylc nrji ürtilmktdir. Çinko hava bataryaları, alüminyum hava bataryalarına nazaran daha yüksk spsifik güc sahiptirlr. Bu ndnl alüminyum hava bataryalarına gör daha kullanışlıdırlar. Çizlg 4. 9 Çinko hava batarya paramtrlri Spsifik Enrji Spsifik Güç Hücr Grilimi İç Dirnç İşltm Sıcaklığı 230 Wh/kg 105 W/kg 2 V Çok düşük Ortam sıcaklığı Enrji Yoğunluğu 270 Wh/m 3 Ynidn Dolum Sürsi 10 dakika 34

50 4.1.7 Bataryanın Şarj Edilmsi v Dolum Eşitlm İşlmi Elktrikli araçlarda ana nrji kaynağı vya birinci drcdn yardımcı nrji kaynağı olarak kullanılan bataryaların prformansları, yalnızca batarya hücrlrinin tasarımına bağlı dğil, bununla birlikt bataryaların nasıl şarj dildiğin d bağlıdır [31]. Bataryaların şarjı, sorunsuz çalışmanın sağlanması v arızaların önlnmsind önmli faktörlrdn biridir. Bir batarya şarj cihazı, lktrik nrjisi kaynağından nrjiyi alıp bataryaya uygun formda lktrik nrjisi sağlar [32]. Şarj olayı, dşarj olayının trsi olduğundan akım vrrk dşarj olan batarya, dışarıdan akım uygulanarak kimyasal raksiyonun trs çvrilmsiyl tkrar şarj olur. Bir bataryanın şarj v dşarj olma işlmi bataryanın tasarımı, şarj durumu, sıcaklığı v kullanımı gibi pk çok unsura bağlıdır. En çok kullanılan batarya şarj yöntmlri; sabit akımda şarj, sabit grilimd şarj v sabit akım-grilimd şarjdır [31]. Bataryaların şarj cihazları il ilgili önmli olan konulardan biri d araçların doldurulması için şarj istasyonlarının sağlanmasıdır. Fakat asıl sağlanması grkn, tüm lktrikli araçların bu istasyonlara güvnli bir şkild bağlanabilmsi için grkli olan şartların sağlanmasıdır [33]. Bataryalarda ciddi bir hasara ndn olmamak için bütün bataryalara düznli olarak dolum şitlm işlmi yapılması grkir. Bataryalardaki problmlrdn biri akım çkildiği zaman bütün hücrlrin şit miktarda dolum kaybtmmsidir. Bu olay, kndi kndin boşalım tkilrinin farklı hücrlrd farklı oranlarda olması sbbiyl mydana glmktdir. Bunu önlmnin yolu hr batarya hücrsi tamamn dolana kadar bataryayı düznli aralıklarla tamamn doldurmaktır [33]. 4.2 Altrnatif Enrji Kaynakları v Dpoları Elktrikli araçlar için grkli olan güç kaynakları, sadc bataryalar v yakıt hücrlri il sınırlı dğildir. Batarya v yakıt hücrlrin k olarak volanlar, süprkapasitörlr v günş fotovoltaiklri gibi altrnatif nrji kaynakları da mvcuttur. 35

51 4.2.1 Volanlar Volanlar, dönn bir ağırlık saysind kintik nrji dpolayan ünitlrdir. Volanlar, içtn yanmalı motorlara sahip araçlarda nrji dpo tmk amacıyla, hibrid lktrikli araçlarda içtn yanmalı motor il birlikt yardımcı güç ünitsi olarak, lktrikli araçlarda da bataryaların yrin vya bataryalar il birlikt kullanılmaktadır. Volanların avantajları, spsifik güçlrinin yüksk olması v volanların şarj sürlrinin kısa olmasıdır. Volanların, büyük v ağır olmalarından dolayı nrji yoğunlukları düşüktür. Volanların nrji yoğunlukları dönm hızı il doğru orantılıdır. Bir volanda dpolanan nrji miktarı: Bu şitlikt; J atalt momntini, ω rad/s cinsindn dönm hızını ifad dr [1]. Volanların spsifik nrjilrinin düşük olması v çarpışma snasında patlama riskin sahip olmaları n büyük dzavantajlarıdır. Ayrıca sistmin çalışması için k donanıma ihtiyaç duymaları maliyti artırmakta v araca kstra ağırlık kazandırmaktadır Süprkapasitörlr Kapasitörlr, iki iltkn plakanın yalıtkanla ayrıldığı lmanlardır. Plakalardan birin pozitif, diğrin ngatif olmak üzr DC grilim bağlanır. Plakalardaki zıt dolumlar birbirini çkrk nrji dpolama işlmi grçklştirilir [1]. Normal olarak kapasitörlr güç lktroniği lmanları olarak küçük boyutlu nrji dpolama işlmlrind kullanılmasına rağmn volanlar gibi büyük miktarda nrji dpolama işlmlrind d kullanılırlar. Böyl büyük miktarda nrji dpolama kapasitsin sahip olan gniş plakalı kapasitörlr, süprkapasitörlr olarak adlandırılır. Bir kapasitörd dpolanan nrji miktarı: 36

52 Bu şitlikt; E, Joul cinsindn dpolanan nrji; C kapasitörün Farad cinsindn kapasitansı; V grilimin Volt cinsindn dğrini ifad dr. Kapasitörlrd dpolanan nrji miktarı plakaların alanına v aralarındaki uzaklığa bağlıdır: Bu şitlikt ε, plakalar arasındaki malzmnin lktriksl gçirgnliğidir. A, plaka alanı v d, plakalar arasındaki uzaklıktır. Süprkapasitörlrd plakalar arasındaki uzaklık çok kısadır [1]. Süprkapasitörlrin karaktristiklri volanlara bnzr, yüksk spsifik güc v düşük spsifik nrjiy sahiptirlr. Süprkapasitörlr, araçlarda tk başlarına kullanılabilmlrin rağmn hibrid araçlarda frnlm v hızlanma durumlarında da batarya vya yakıt hücrlrin yardımcı nrji kaynağı olarak da kullanılabilirlr. Ayrıca süprkapasitörlr, volanlara nazaran mkanik bozulma problmlrini nglldiklrindn dolayı daha güvnilirlrdir [5] Günş Fotovoltaiklri Günş fotovoltaiklri günş ışığını doğrudan lktrik akımına çvirn cihazlardır. Günş fotovoltaiklri gnllikl düz panllr şklind binalarda, yol kipmanlarında, lktronik kipmanlarda kullanılırlar. Ayrıca, inc filmlr şklind ürtilrk arabalarda da nrji kaynağı olarak bulunabilirlr [1]. Günş radyasyonu, atmosfrin üst kısımlarında n yüksk 1300 W/m 2 dğrind bulunmaktadır, fakat bunun bir kısmı atmosfrd kaybolur v dünya yüzyin ulaştığı zaman bu dğr azalır. Sürkli günş bakan düz bir plaka yüzyind tropik bölglrd bu dğr yaklaşık olarak 750 W/m 2 civarındadır. Araba tavanına yrlştirilmiş olan günş panli d düz bir yüzy sahip olduğundan dolayı günş gökyüzünd harkt ttikç plakaya farklı açılardan düşcktir v böylc nrji miktarı tropik bölglrd yarı yarıya inrk yaklaşık 375 W/m 2 dğrind olacaktır [34]. Günş panllri bütünlşik v harici olmak üzr iki ayrı şkild kullanılır. Araba yüzyinin tamamı günş hücrlri il kaplandığı zaman dahi çok sınırlı miktarda güç ld dilcği açıkça görülmktdir. Harici günş panllri is grktiği kadar güç 37

53 sağlayabilmktdirlr. Ayrıca kullanılmayan fazla güç lktrik şbksin gri vrilbilmktdir [1]. Günş panllrinin mtrkar başına düşük güç sağlaması v pahalı olmaları n büyük dzavantajlarıdır. Günş panllrinin vrimlrinin artırılıp, maliytinin düşürülmsi için çalışmalar yapılmaktadır. Günş panllri, sadc aracı sürmk için grkli olan gücü sağlamayıp, bataryaların kndi kndin boşalımlarının gidrilmsi v araç bklmdykn aracı soğutmak vya ısıtmak gibi amaçlarla da kullanılabilirlr [35]. 38

54 BÖLÜM 5 YAKIT PİLLERİ Yirmi birinci yüzyılda birçok alanda nrji ürtimi için n önmli adaylardan biri, yakıt olarak hidrojn kullanan yakıt pillridir. Yakıt pillri diğr nrji dönüşüm sistmlrin gör daha sssiz v daha tmiz çalışmaktadırlar. YP lr İYM lr gör iki ya da üç kat vrimlrinin yanında, düşük misyon, oynar parçaların olmaması v kullanıma gör tasarım olanaklarıyla birçok avantaja sahiptir [9]. Tml olarak yakıt hücrlri, yakıtın kimyasal nrjisini, doğru akım lktrik nrjisin çvirn bir lktrokimyasal nrji dönüştürücüsüdür. YP lr, prformans, çvr duyarlılığı v yakıt konomisi gibi ndnlrdn dolayı otomotiv şirktlrinin ilgisini çkmktdir [10]. YP, basit bir batarya gibi düşünülbilir. Batarya il YP arasındaki fark, bataryanın sürkli şarja ihtiyaç duymasıdır, fakat YP lrd şarj tm durumu bulunmamaktadır. 5.1 Yakıt Pilinin Tarihsl Glişimi Yakıt pillrinin icadı 1840 lı yıllara kadar uzanmaktadır. William Robrt Grov, 1938 yılında trs lktroliz işlmi düşüncsini ortaya atarak, YP kavramı il ilk bağlantıyı kuran bilim adamıdır. Grov, kndi adını taşıyan ıslak-hücr bataryasını gliştirmiştir. Bu hücr, çinko sülfat içrisin çinko lktrot v nitrik asit içrisin platin lktrot daldırılarak oluşturulmuştur. Hücrnin grilimi yaklaşık 1,8 V olup, 12 A civarında da akım ürtmiştir. Grov, platin lktrotlardan birini sülfürik asit kabına, diğrini oksijn v hidrojn kabına daldırdığı takdird, lktrotlar arasında sabit bir akım aktığını 39

55 gözlmlmiştir. Sızdırmaz kaplar kullanarak hm suyu hm d gazları tutmuş v böylc akım aktığı sürc hr iki tüpt d su sviysinin arttığını kanıtlamıştır [36] lü yıllarda Willam Nicolas v Anthony Carlisl, lktrik vasıtasıyla, suyun bilşnlri olan hidrojn v oksijn ayrılabilcğini ispatlamışlar, fakat lktrik v su ürtmk için iki gazın birlştirilmsini çözmmişlrdir. Grov, birkaç lktrotu sri dvr il bağlayarak bilşimini ayarladığı takdird suyun ayrıştırılmasını tkilybilcğini kşftmiştir. Bunu gaz bataryası adını vrdiği v ilk YP olarak tanımlayabilcğimiz Şkil 5.1 d göstriln aygıt il başarmıştır [37]. Şkil 5. 1 William Robrt Grov tarafından gliştiriln yakıt pili [37] Grov dn sonra pk çok bilim adamı yakıt pilinin glişimi için çaba sarf tmiştir yılında Lord Rayligh platin lktrotların vrimini artırmak için birtakım çalışmalar yapmıştır. Bunun için katı lktrot, gaz v sıvı arasındaki işlm ksitini arttırmış hidrojnin yanı sıra kömür gazı da kullanmıştır da kimyagr Ludwing Mond v Carl Langr tarafından Grov un çalışmaları tkrarlanmıştır. Bu çalışmalar sonucunda, oksijn kaynağı olarak havayı, hidrojn kaynağı olarak da ndüstriyl kömür gazını kullanarak 1,5 Watt güç ürtn v %50 vriml çalışan bir YP gliştirmişlrdir. Bu YP dn 1,47 V grilim ld tmyi bklrkn bu dğr 0,97 V olarak ölçülmüştür [38]. Şkil 5.2 d Mond v Langr in tasarladığı YP görülmktdir. 40

56 Şkil 5. 2 Mond v Langr in tasarladığı yakıt pili [37] 1894 yılında Fridrich Wilhlm Oswalt kömür türvli yakıtlar il çalışan bir lktrokimyasal pil yapmıştır d Francis T. Bacon, ilk başarılı yakıt pilini gliştirmiştir. Bu YP d, hidrojn-oksijn hücr v alkalin lktrolit kullanılmıştır. Bu proj daha sonra NASA programlarında kullanılmaya başlanmıştır yılında Bacon v birkaç bilim adamı 5 kw lık güç ürtn bir yakıt pili yapmıştır. Aynı yıl, Harry Karl Ihring yaklaşık 15 kw gücünd yakıt piliyl çalışan traktör tasarlamıştır. Bu icat, günümüzdki modrn yakıt piliyl çalışan makinlrin başlangıcı olmuştur [36]. Son lli yılda YP lr; büyük otomotiv ürticilri v fdral ajanslar tarafından, yakıt pilli otomobillr v diğr uygulamalarda kullanılmak üzr glişim göstrmy dvam tmiştir. Glckt yakıt pillrinin glnksl güç kaynaklarının yrini alması bklnmktdir [39]. 5.2 Yakıt Hücrlrinin Çalışma Prnsibi Yakıt pillri, kimyasal nrjiyi doğrudan lktrik nrjisin çvirn, yüksk vrimli v çvr dostu sistmlrdir. YP d mydana gln kimyasal raksiyon lktroliz olayının trsidir. Elktroliz olayında, saf suya iki adt lktrot bırakılıp, bu lktrotlara 12 V grilimd lktrik akımı uygulandığı zaman su kndisini oluşturan hidrojn v oksijn iyonlarına ayrışmaktadır. Yakıt pillri is biri ngatif (anot) v diğri pozitif (katot) olmak üzr iki lktrottan oluşmaktadır. Elktrotlar gnllikl katı mtallrdn imal dilirlr. Elktrotların görvi hidrojn v oksijn arasında oluşan raksiyonu aşınma v 41