Electric Vehicles- 3 EVs V s - 3

Transkript

1 Electric Vehicles-3 EVs -3

2 Elektrikli Otomobillerde Kullanılan Bataryalar

3 Elektrikli Otomobil Bileşenleri elektrikmotoru, elektronikkontrol modulü(ecm-ems), batarya, batarya yönetim sistemi,smartbattarya şarj sistemi, kablo ağacı, regeneratif frenlemesistemi, araç gövdesi (body), şasi, EV soğutma sıvıları, frenleme vb., ve yağlama sistemi.

4 Elektrikli Araç Bataryalarına Giriş EV gelişimi: 1900s, 1970s, 1990s, 2007 U.S. Advanced Battery Consortium (USABC)-EV ler için gelişmiş batarya tasarımlarını hızlandırmak için kurulmuştur. USABC bataryalar için performans kriterleri ve hedefleri belirlemiştir (EV lerin geleneksel IC motorlu araçlar ile performans, fiyat ve menzil gibi alanlarda rekabet etmesini sağlamak amacıyla). Çalışmalar sonucunda kurşun-asit(pb-acid), Nikel-metal-hidrit (NiMH), Lityum-İyon (Li-ion) ve Lityum-polimer aküler konusunda gelişmeler sağlanmıştır.

5 Elektrikli Araç Bataryalarına Giriş Bataryanın belirgin özellikleri: -tek şarj ile uzun menzil kat edebilme -kararlı güç ve dip deşarj karakteristiği (EV nin hızlanma ve artan güç talebini karşılayabilmek için) - bakım gerektirmeme -uzun ömür - yüksek güvenlik - geri dönüşebilir olma (çevresel etkiler açısından)

6 Batarya Batarya elektrikli araçların en zayıf yönüdür. Günümüzde elektrikli otomobil teknolojisinin mutlak başarıya ulaşmasının önündeki tek engel olduğu söylenebilir. İlk kurşun-asit bataryanın patenti 1881 de alınmıştır. Hibridveya elektrikli otomobilde pek çok hücreden oluşan bir batarya grubu bulunmaktadır: Leaf 192, Volt 288, Fisker Karma 315 Hücrelerden modüller oluşturulur. Modüller, şarj izleyicileri, gerilim regülatörleri ve termokupllar ile birleştirilerek pack ler elde edilir.

7 Terminoloji State of charge (SOC) Batarya kapasitesi, maksimum kapasitenin yüzdesi cinsinden ifade edilir Depth of Discharge (DOD) Deşarj olan batarya kapasitesi yüzdesi Capacity Bataryanın %100 SOC seviyesinden sabit bir akım değeri (specified as a C-rate) ile deşarj edilmesi durumundaki toplam Amper-saat (Amp-hr, Ah) değeri Energy Bataryanın %100 SOC seviyesinden sabit bir akım değeri (specified as a C-rate) ile deşarj edilmesi durumundaki toplam Watt-saat (Wh) değeri Specific Energy (Wh/kg) Birim kütle başına toplam Watt-saat(Wh) değeri Specific Power Birim kütle başına bataryanın sağlayabileceği maksimum güç (Watts) değeri, batarya iç direncinin bir fonksiyonudur. EVs -2

8 Batarya Şarj edilebilir bataryaların üç önemli karakteristiği : - enerji performansı - güç performansı -ve ömür (hem gerçek kullanım zamanı hem de şarj-deşarj sayısı-çevrim saykılı). Bu karakteristik özellikler ayrıştırılamaz biçimde birbirine bağlıdır (Birinin artması diğerlerinden birisini veya her ikisinin de düşmesine neden olmaktadır). Güç yoğunluğunun arttırılması için akım kollektörüboyutunun arttırılması aktif elektrotlara daha az yer kalmasına ve dolayısıyla enerji yoğunluğunun düşmesine neden olur

9 Yakıt Olarak Petrol Source: EVs -2

10 Enerji Eşdeğerliliği Gas Batteries 21 Li-ion batteries 1 Gallon (Car battery size) 135 MJ of energy 340 kg 2.7 kg EVs gal

11 Sınırlılıklar Sınırlı menzil Büyük batarya boyutu/ağırlığı Uzun şarj süresi Yüksek ilk yatırım maliyeti Batarya ömrü Müşteri kabulü-onayı Şebeke bağlantısı EVs -2

12 Menzil Kaygısı Batarya Değişimi vs. Hızlı şarj Source: EVs -2

13 Better Place Modeli Cep telefonlarındakine benzer bir iş planıdır (ABD). Better Place bataryanın sahibidir, müşteri enerjinin (menzilin) bedelini öder Plan şarj istasyonlarını ve batarya değişimini içerir Uygulamalar: Israel, Denmark, Australia, California, Hawaii ve Canada 2012 ye kadar Hawaii de 100,000 şarj istasyonu kurulması planlanmıştır EVs -2

14 Hızlı Şarj Batteries Altairnano A123 Balance of system Rapid Charge Stations Don t need many Refueling a car is ~10MW going through your hand EVs -2

15 İlk Yatırım Maliyeti Firmalar araçları satmakta ancak bataryaları kiralamaktadır. Güç satın alma anlaşması benzeri kiralamalar Finansör sayesinde maliyetlerde iki defa iyileştirme sağlanabilir. Şarj altyapısı Şarj istasyonları planlanmalı EVs -2

16 Bataryanın Temelleri Batarya 5 temel parçadan oluşur: (1) elektrot anot ve katot; (2) separatörler; (3) terminaller; (4) elektrolit (5) kasa veya kutu.

17 Elektrolit Sıvı, jelveya katı malzemeler olabilir, lead-acid (Pb-acid), nickel-cadmium (NiCd)ve diğerleri sıvı elektrolitoalrak kullanılmaktadır. Batarya tipine göre asidic veya alkaline olabilir. Gelişmiş bataryalar: jel, macun veya reçine. Pb-acid, NiMH ve Lithium (Li)-ion bataryalar. Lithium-polymer bataryalar katı elektrolitlidir.

18 Kurşun-Asit (Pb-Acid)Batarya Sulu kuşun-asit batarya: periyodik olarak sıvı seviyesi azalmakta ve bakım gerektirmektedir, 20 yıla kadar servis ömrü sağlayabilir, requires maintenance by periodic replenishment of distilled water, service lives of up to 20 years, özgül ağılığı:1,215 valve regulated lead-acid(vrla) batarya: rekombinasyon (yeniden birleşim)factor verimi %95-%99, özgül ağılığı :1.3, en düşük iç direnç, İki tip VRLA batarya bulunmaktadır: AGM (Absorbed Glass Mat) tipivrlaakülerde 1/3 oranında asit ve 2/3 oranında su içeren elektrolit fiber liflerden yapılmış beze emdirilerek elektrotlar arasına sıkıştırılır. Bu sayede akü vibrasyonlara karşı da dayanıklı hale gelir ve ortamda sıvı halde elektrolit kalmaz. Jel tip akülerde elektrolit silisyum dioksit tabanlı bir jel malzeme içine emdirilmiş şekilde akünün elektrot plakalarının arasını doldurur.

19 Kurşun-Asit (Pb-Acid)Batarya Negatif vepositifkatmanlar aktif materyaller (lead oxide (PbO 2 ) ve bazen de lead sulphate (PbSO 4 )) ile yapıştırılır. Aktif materyal elektrokimyasal enerjiyi depolamak için geniş yüzey alanını oluşturur. Elektrolit solüsyonsülfirik asit (H2SO 4 ) ile saf sunun bileşimidir. Şarj anında, elektrolit deki su elektroliz yolu ile ayrılır. Oksijen pozitif tabakaya doğru hareket ederken hydrogen negatif tabakaya hareket eder. Hidrojen ve oksijenin değişimi %30 a kadar rekombinasyon sağlar VRLA batarya da, verim %95-%99 dur.

20 Kurşun-Asit (Pb-Acid)Batarya Table 1-1 Costs associated with battery maintenance. Feature Flooded ($) AGM ($) Gel ($) Modular AGM ($) Battery Price 20,000 24,000 20,000 19,000 Rack Price 2,200 2,200 2,200 Spill Containment 1,700 Installation 5,000 5,000 5,000 3,600 Ventilation 2, Year Maintenance 14,400-7,200-7,200-7,200-45,000 38,500 35,000 30,000 Initial Installation Cost 30,000 31,000 27,000 22,000 Annual Cost 2,500 2,000 2,000 1,500

21 NiMH Batarya Şarj edilebilir batarya pazarında önemli bir yere sahiptir, laptop computers, mobile phones, and camcorders 1950s -Ni-Cd battery mid-1980s -NiMH battery Daha küçük boyutlu olan NiMH bataryanın enerji yoğunluğu yüksektir:8-8.5 g/cm 3 (AB5 alloys ) ~ 5-7 g/cm 3 (AB2 alloys )

22 NiMH Batarya Deşarj Reaksiyonu

23 NiMH Batarya Hücresinde Hysteresis Etki Steven Vance, Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University Senior Thesis, 12/08

24 Li-ion Batarya Lithium(Lityum)en yüksek negatif potansiyele ve en düşük atom ağırlığına sahip metaldir. Günümüzde EV leriçin hızlanma ve menzil açısından en yüksek performans değerlerini sağlar. Şarj ve deşarjı Pb-acid venimh bataryalardan hızlıdır. NiMH den %40 daha küçük ve yarısı ağırlığındadır. Tam şarjlı olduklarında açık devre gerilimleri (OCV) 4.1V dur. 33. en yaygın element dir. doğal olarak element formunda bulunmaz yoğun olarak granitlerin içinde bulunur Şili dünyanın lider lityum metal üreticisidir, Arjantin onu takip etmektedir. Çin in bu on yılın sonunda önemli bir tuz-bazlı lityum karbonat üreticisi olarak ortaya çıkması beklenmektedir Lityum bataryalar geri dönüşümlüdür.

25 Li-ion Batarya Lityum (Lithium) kaynakları Lityum a kısıtlı değiliz Verimli Geri dönüşebilir Geri dönüşüm %90 geri dönüşebilir Daha uzun batarya ömrü Batarya yönetim sistemi Düşük Ağırlık/Hacim Alternative chemistries EVs -2

26 Batarya Maliyeti: Learning Curves Source: McKinsey Quarterly: Electrifying Cars: How three industries will evolve EVs -2

27 Li-Ion Bataryada Şarj

28 Li-ion Batarya Aşırı şarj,li-ion bataryaların elektrot veya elektrlitinde form bozulmalarına neden olabilir. Gelişmiş batarya yönetim sistemleri Li-ion bataryaların normal çalışma koşullarında ve hatta kaza anlarında güvenli biçimde kullanılabilmeleri için gereklidir.. Li-ion bataryaşarjsistemleri, aşırı şarjın önüne geçilebilmesi için batarya yönetim sistemi ile beraber çalışabilir olmalıdır. Li-ion Nikel tabanlı bataryalara göre çevre dostu bataryalardır.

29 Li-ion Batarya Li-ion bataryaların ticarileşmesi: 1960s-1970s solid-state Li-ion batarya: 1995 EV uygulaması için geliştirilen ilk Li-ion hücre LiCoO 2 (lithium-cobalt-oxide) katod lu ve 30Ahr kapasitedeydi. Günümüzde 60Ahr batarya hücreleri bulunmaktadır. Bu hücrelerin spesifikenerji değerleri115 Whr/kg dır. Table : Li-ion batarya sistemlerinin gelişimi Year Cathode Anode Electrolyte Battery System LiWO 2 LiCo0 2, LiNi0 2 Polymer Li/Mo0 2, LiVO x LiC 6 LiMn C/LiMn 2 0 4

30 Li-Polymer Batarya Batarya elektrotlarının kinetikleri (anot ve katotun lityum elektronu yayma ve emme yetenekleri) ile ilgili kısıtlamalar daha düşük spesifik güç değerli ve daha sınırlı çevrim saykıllı lityum-polimer bataryaların tasarlanmasına neden olmuştur. Solid-state batarya olarak kabul görürler Polimer 60 C (140 F) nin üstünde iyon iletebilir Herhangi bir boyut ve şekilde üretilebilirler.

31 NiMH vs. Li-Ion Nickel Metal Hydride(NiMH) 20 th yüzyılın sonuna yakın tanıtılmıştır. NiCad bataryalar ile benzer performans gösterir ancak enerji ve güç yoğunluğu fazla ve daha hızlı şarj olabilirler Hidrojenin emildiği metal kişiye değiştirilebilir. Batarya hücresi havanın Hidritile reaksiyona girmesini engellemek için sızdırmaz olmalıdır. Hızlı şarj edildiğinde soğutulmalıdır. Lithium Ion 1990 ların başında tanıtılmıştır. Bataryanın aşırı veya düşük miktarda şarj olmasının engellenmesi için hassas gerilim kontrolü gerektirir. Diğer tip bataryalara göre önemli ağırlık avantajından dolayı elektrikli ve hibrit araçlar için gelecek vaat etmektedir. Büyük boyutlu bataryalar pahalıdır (üretimi engel olacak kadar)

32 NiMH vs. Li-Ion Li-ion bataryalar, NiMH bataryalara göre 11 kat güç yoğunluğu (hibrid uygulamalarda), 2 kat enerji yoğunluğu (tamamı elektrikli araçlarda) sağlayabilir. Nikel-Kadmiyum bataryaların aksine Li-ion hücrelerde hafıza etkisi (arda arda gelen tekrarlamalı kullanım sonucu depolama kapasitesinin azalması) yoktur. Kullanılmadığı anlarda kendi kendine deşarjı çok yavaştır.ayrıca silindirik olanlara göre prizmatik hücreler ölçü esnekliği ve daha büyük ölçüde yapılabilme imkanı tanır. Günümüzde otomotiv endüstrisinde kullanılan hücrelerapple ipad de kullanılanlardan daha küçüktür (günümüzde en yaygın kullanılan hücre 6.3x8.9x0.3inchölçülerindedir). Li-ionhücrelerinin içerisinde aralarında seperatörile sandwichşeklinde yerleştirilmiş çok sayıda kathod(pozitif katman) ve anod(negatif katman) ile bir organik çözücü içerisinde lityum tuzu bulunmaktadır.

33 HEV da Kullanılan Batarya Tiplerinin Karşılaştırılması Andrew F. Burke, Batteries and Ultracapacitors for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, Proceedings of the IEEE, April, 2007.

34 Sıçaklıkla Batarya Gücünün Değişimi Steven Vance, Parallel-Cell Connection in Lithium-Ion Battery, Kettering University Senior Thesis, 12/08

35 Sıçaklığın NiMH Batarya Performansına Etkisi L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July, 2005.

36 NiMH Batarya Çevrim Ömrü ile Deşarj Derinliği İlişkisi L. Serraro, Z. Chehab, Y. Guezennec and G. Rizzoni, An Aging Model fo NI-MH Batteries for Hybrid Electric Vehicles, IEEE VTS Vehicle Power and Propulsion Conference, July, 2005.

37 Batarya Özellikleri-özet B a tte ry T y p e Lead-A c id A dv a n c ed L e a d A cid E n e rg y P o w e r D e n sity D e n sity [W h /k g ] [W /kg] 2 5 to to to to C y cle L ife 2 00 to to S e lf D ischarg e R ate [% p e r m o n th] 2 to 3 C u rre nt C o st [$ /kw h] 1 00 to F utu re C o st {$ /kw h ] N ickel-m e tal 5 0 to to to 5 25 to to H y d rid e N ickel- 3 5 to 50 to to 3 00 to 1 0 to 2 0 C a dm ium to to L ithium -Io n Z in c to B ro m id e 7 0 L ithium to to 4 00 to 100 P o lym e r N an ic l to 2 40 to Z in c -A ir V anadium R e d o x 7 5 V e h icle s U se d_in O th e r N o te s C A R T A bus, S o le c tria E 1 0 (se ale d ) A udi D u o, G M E V 1 (V L R A ), S o le c tria F o rce T o yota R A V 4 -E V, T oyota P riu s, C h ry sle r E p ic m iniv a n, H o n d a E V, C hev y S W W U V ikin g 2 3 N issan A ltra E V P o te n tial: 5 5 W h/kg, W /k g, a n d 2000 c ycle life P o te ntial: W h/kg, a n d c ycle life P o tential: c ycle life P o tential: W h/k g

38 Batarya-Geleceğe Yönelik Beklentiler