Eğiticilerin Çevreci Araç Teknolojileri Alanında Eğitimi ve Öğretim Programlarının Hazırlanması ELEKTRİK MOTORLARI VE KONTROL DEVRELERİ Bu yayın Avrupa Birliği ve Türkiye Cumhuriyeti nin mali katkısıyla hazırlanmıştır. Bu yayının içeriğinden yalnızca İzzet Baysal Mesleki Eğitim Merkezi sorumludur. ve bu içerik hiçbir şekilde Avrupa Birliği veya Türkiye Cumhuriyeti nin görüş ve tutumunu yansıtmamaktadır.
Bu modül, Türkiye de Mesleki ve Teknik Eğitimin Kalitesinin Arttırılması Hibe Programı kapsamında yürütülen TRH 2.2.IQVETII/P-03/451 numaralı Eğiticilerin Çevreci Araç Teknolojileri Alanında Eğitimi ve Öğretim Programlarının Hazırlanması isimli proje kapsamında çevreci araçlarla ilgili yeterlikleri kazandırmaya yönelik olarak öğrencilere rehberlik etmek amacıyla hazırlanmış bireysel öğrenme materyalidir. Bu yayın Avrupa Birliği ve Türkiye Cumhuriyeti nin mali katkısıyla hazırlanmıştır. Bu yayının içeriğinden yalnızca İzzet Baysal Mesleki Eğitim Merkezi sorumludur ve bu içerik hiçbir şekilde Avrupa Birliği veya Türkiye Cumhuriyeti nin görüş ve tutumunu yansıtmamaktadır. PARA İLE SATILMAZ.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR... iii GİRİŞ... 1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1... 2 1. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA (ea) KULLANILAN BATARYALAR... 2 1.1. Tanım... 2 1.2. Batarya Parametreleri... 4 1.2.1. Hücre ve Batarya Voltajı... 4 1.2.2. Şarj veya Amper/Saat Kapasitesi... 5 1.2.3. Depolanan Enerji... 7 1.2.4. Özgül Enerji... 7 1.2.5. Enerji Yoğunluğu... 7 1.2.6. Özgül Güç... 7 1.2.7. Amper/Saat veya Şarj Verimi... 8 1.2.8. Enerji Verimi... 9 1.2.9. Kendi Kendine Deşarj Oranı... 9 1.2.10. Batarya Geometrisi... 9 1.2.11. Batarya Sıcaklığı, Isıtma ve Soğutma Gereksinimleri... 10 1.2.12. Batarya Ömrü ve Derin Deşarj Sayısı... 10 1.3. Batarya Çeşitleri... 10 1.3.1. Kurşun-Asit Batarya... 11 1.3.2. Nikel Tabanlı Bataryalar... 11 1.3.3. Sodyum Tabanlı Bataryalar... 13 1.3.4. Lityum Bataryalar... 14 1.3.5. Metal Hava Bataryalar... 16 1.4. EV Bataryaların Bakımı... 17 1.4.1. Batarya Bloğu... 17 1.4.2. Elektrikli Araçta Güvenlik Riskleri... 19 1.5. Bataryaların Doldurulması (Şarj)... 22 1.5.1. Batarya Şarj Kontrol Yöntemleri... 23 1.5.2. Şarj Cihazlarının Donanımsal Yapısı... 24 1.5.3. Batarya Şarj Cihazlarının Yerleşimi... 26 1.5.4. Şarj Gücü Aktarım Şekilleri... 26 1.5.5. Batarya Şarj Cihazından İstenen Özellikler... 27 1.5.6. Batarya Şarj Cihazları... 28 UYGULAMA FAALİYETİ... 32 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME... 33 ÖĞRENME FAALİYETİ 2... 34 2. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA (ea) KULLANILAN MOTORLAR... 34 2.1. Tanım... 34 2.2. Fırçalı DC Motor... 36 2.2.1. Endüvi... 36 2.2.2. Endüktör(Stator)... 37 2.2.3. Kollektör ve Fırçalar... 38 2.3. Fırçasız DC Motor... 38 i
2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motor... 39 2.4.1. Yapısı ve Çalışma Prensibi... 40 2.5. Asenkron Motor... 41 UYGULAMA FAALİYETİ... 45 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME... 46 MODÜL DEĞERLENDİRME... 48 KAYNAKÇA... 50 ii
AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR ALAN Motorlu Araç Teknolojisi/Teknolojileri DAL MODÜLÜN ADI Elektrikli Araçlarda Kullanılan Batarya Ve Motorlar MODÜLÜN SÜRESİ 40/24 MODÜLÜN AMACI MODÜLÜN ÖĞRENME KAZANIMLARI EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI Elektrikli araçlarda kullanılan batarya ve motorlar ile ilgili bilgi ve becerileri kazandırmaktır. 1. Elektrikli araçlarda kullanılan batarya çeşitlerini öğrenmiş olacak ve basit batarya bağlantılarını yapabileceksiniz. 2. EA ların şarj istasyonlarının yapısını öğreneceksiniz. 3. EA larda kullanılan motor çeşitlerini öğrenerek basit motor yön verme deneyleri yapabileceksiniz. Ortam: Elektrikli araçlar atölyesi Donanım: Fırçasız DA motoru, Sürücü devresi, ampermetre, voltmetre, bilgisayar, batarya, kablo, el aletleri ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Modül içinde yer alan her öğrenme faaliyetinden sonra verilen ölçme araçları ile kendinizi değerlendireceksiniz. iii
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Dünyada ki petrol rezervlerinin tükenme noktasına geldiği günümüzde, alternatif enerji kaynaklarına hızla dönüş olmaktadır. Burada da ilk akla kaynak gelen elektrik enerjisidir. Elektrikle çalışan araçlar tek alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bunun yanında elektriği elde etme ve depolama en büyük sorundur. Hızla ilerleyen teknoloji beraberinde çevre kirliliğini de getirmiştir. Elektrik enerjisi nasıl üretildiğine bakılmak kaydıyla petrol türevlerine göre oldukça temiz bir yakıt türüdür. Elektrik motorları petrol yakıtlı araçlardaki gibi bakım gerektirmemekle birlikte, en önemli problemi enerji depolanmasının getirdiği ağırlık ve oldukça maliyetli olmasıdır. Bu problemlerin çözümü için çalışılmaktadır. Sizler bu modülde, elektrikli araçlarda kullanılan motorları, batarya çeşitlerini ve şarj ünitelerinin temelde neleri kapsadığını öğrenmiş olacaksınız. 1
ÖĞRENME FAALİYETİ-1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1 ÖĞRENME KAZANIMI Elektrikli araçlarda kullanılan batarya çeşitlerini öğrenmiş ve batarya bağlantılarını yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA İnternet sitelerinden ve farklı kaynaklardan alternatif taşıt motorları hakkında araştırma yapınız. Yaptığınız araştırmayı rapor hâlinde sınıfta arkadaşlarınız ile paylaşınız. 1. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA (EA) KULLANILAN BATARYALAR 1.1. Tanım Pil, kimyasal enerjinin depolanabilmesi ve elektriksel bir forma dönüştürülebilmesi için kullanılan bir aygıttır. Piller, bir veya daha fazla elektrokimyasal hücre, yakıt hücreleri veya akış hücreleri gibi, elektrokimyasal aygıtlardan oluşur. 2
Bilinen en eski insan yapısı piller, Bağdat Pilleridir. Mö 250 ve m.s. 640 yılları arasında yapıldığı tahmin edilmektedir. Pillerin gelişimi, 1800 yılında İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından geliştirilen voltaik (voltaic) pil ile başlamıştır. Günümüzde kullanılan en önemli araçlardan biri olan pil, 1800 yılında tesadüf sonucu bulunmuştur. Elektriğe ilişkin bilgiler, MÖ 6. yüzyıl yıllarına kadar gitmekle birlikte bilimsel olarak ilk defa 17. yüzyılda ele alınmıştır. Ancak 19. yüzyıla kadar bilinen elektrik türü, bir kumaşa sürterek elde edilen ya da yıldırım elektriği olarak bilinen statik elektriktir. 19. yüzyılda buna elektrik akımı eklenmiş ve sürekli elektrik akımını mümkün kılan pil icat edilmiştir. Elektriğin bu dalındaki çalışmaları başlatan kişi, ünlü kurbağa deneyi ile tanınan Luigi Galvani (1737 1798) dir. 1780 yılında yaptığı deneylerin sonuçlarını 1791 de açıklayan Galvani, "hayvansal elektrik" teorisini ortaya attı. Bu teorisini, rastlantı sonucu ölü bir kurbağanın bacağındaki sinirlerin neşter ile kesildiğinde kasıldığını gözleyerek oluşturmuştu. Buna göre, canlıları oluşturan hücreler elektrik içermekteydi. 1793'de Galvani'nin deneylerine devam eden Alessandro Volta (1745 1827) kurbağa bacağı kasılmalarının farklı iki metalden kaynaklandığını bulur. Bacağın uyarılması, birbirine benzemeyen iki farklı metalden ve hücrelerin sıvı içermesinden kaynaklanıyordu. O hâlde elektrik elde edebilmek için iki farklı metale ve sıvıya ihtiyaç olmalıydı. Bundan yararlanarak bakır ve çinko madenleri alarak aralarına tuzlu suya batırılmış süngerler yerleştiren Volta, elektrik akımını elde etmeyi başardı. Böylece Volta Pili adı verilen pili buldu (1800). Böylece volta, galvani'nin biyolojik deneylerinin sonucu olan hayvansal elektrik teorisi ni ortadan kaldırdı. Galvani nin deneyleri bilim tarihinin en ilginç olaylarından birisidir. Galvani ve volta arkadaştılar ve galvani asla volta ya kuramını ortadan kaldırdığı için kin duymadı. Volta da Galvani nin deneylerinin güzel ve şaşırtıcı deneyler olduğunu yazmaktaydı. Çalışmalarından ötürü Napolyon onu ödüllendirdi ve Avusturya imparatoru, onu Padua üniversitesinde felsefe fakültesi başkanlığına getirdi. Ölümünden 54 yıl sonra 1881 de volt adı, elektrik gücü birimi olarak onun anısına ithafen kullanılmaya başlandı. Çoğunlukla aynı kimyasal yapıya, ölçülere ve elektrik kapasitelerine sahip piller, tek tek bir araya getirilerek pil grupları oluşturulabilir ve bunlara batarya bloğu veya kısaca adlandırıldığı gibi batarya denilebilir. Radyo, el feneri, oyuncak, cep telefonu, vb gibi cihazlarda piller tek tek kullanılırken, matkap, tornavida, gibi kablosuz güç aletleri kameralar, telsiz telefonlar, acil aydınlatma sistemleri vb sırasında batarya kullanmaktadır. 3
1.2. Batarya Parametreleri Elektrikli kara taşıtlarının geleceği büyük ölçüde pil teknolojisine bağlıdır. Pillerin enerji yoğunlukları kg ağırlık başına watt-saat veya litre başına watt-saat enerji miktarlarıyla ölçülür. Aşağıdaki tablodan görüldüğü gibi, pillerin (akü) enerji yoğunlukları benzin ve dizelden çok daha düşüktür. Örneğin 1300-1600 cc dizel arac 60 lt depo ile ve 60 x 0,86 = 52 kg yakıt ile yaklaşık 1000 km yol gider. Benzer bir benzinli araç ise 1000 km lik menzili 75 lt ve 54 kg benzin ile tamamlar. Oysa bugünün teknolojisiyle lityum-ıon akü ile yaklaşık 1000 km için, 180 kwh = 1200 kg lityum-ıyon batarya gerekiyor. Benzin ile karşılaştırdığımızda lityum pilin enerji yoğunluğu yaklaşık 50/1000 = 1/20 veya % 5 düzeyindedir. Kurşun Asit Akü Nikel-Metal Hidrür Ni-MeH Lityum-İon (Günümüz) Lityum-İon (Gelecek) Süper Pil 30 Wh/Kg 80 Wh/Kg 150 Wh/Kg >200 Wh/Kg 1500 Wh/Kg 6000 Kg 2250 Kg 1200 Kg <900 Kg 120 Kg Tablo 1.1: Çeşitli pil teknolojilerinin enerji yoğunlukları ve 1000 km menzil için ağırlıkları 1.2.1. Hücre ve Batarya Voltajı Hücre, bataryayı oluşturan en küçük birim olarak ifade edilir. Tahrik bataryalarında genellikle 6 V veya 12 V luk modüller birbirlerine seri bağlanarak istenen voltaj değeri elde edilir. Modül, hücrelerin birbirine bağlanmasıyla elde edilen yapılardır. Her batarya türünün hücre voltajı farklı olmaktadır. Örnek olarak kurşun asit bataryaların hücre voltajı 2 V, lityum iyon bataryaların 3.7 V tur. Hücre voltajının mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Hücreler birbirine seri bağlanarak elde edilmek istenen voltaj değeri elde edilir. Burada ifade edilen hücre voltajı bataryadan güç çekilmediğinde elde edilen değerdir. Buna açık devre voltajı adı verilmektedir. Ancak güç çekilmeye başlandığında açık devre voltajı değişir. Bu değişimi ifade etmenin en iyi yolu iç direnç tir. Elektronik devre hesaplarında bataryalar ideal yani iç direnci sıfır kabul edilmektedir. Halbuki gerçekte her bataryanın çok küçük de olsa iç direnci vardır. 4
Şekil 1.1: Batarya ve yük devresi Örneğin tipik bir 12 V, 25 Amper/Saatlik kurşun asit bataryasının iç direnci 0.005 ohm dur. Şekilde batarya ve yük devresi şematik olarak görülmektedir. E açık devre voltajını, I bataryadan çekilen akımı, R bataryanın iç direncini, V bataryadan elde edilebilen gerilim değerini göstermektedir. Kirchoff gerilim kanunu şekildeki devre için yazıldığında V=E-I*R olarak elde edilir. Kirchoff kanununa baktığımızda bataryadan elde edilen voltaj değerinin değişimi daha net görülmektedir. İç direncin elektronik devrelerde ihmal edilmesinin sebebi, devrelerin miliamperlerle çalışılıyor olmasıdır. Ancak araçlarda kullanılan tahrik bataryalarından çok yüksek akımlar ve güçler çekileceğinden iç direncin sahip olduğu değerin dikkate alınması gerekmektedir. Hücre voltajı bataryaların çeşidine göre değişmektedir. Aslında meydana gelişen değişim kullanılan elektrolit ve elektrotların değişmesidir. Sonuçta elde edilen hücre voltajı elektrolit ve elektrota bağlıdır. Açık devre voltajını etkileyen en önemli faktörden biri de sıcaklıktır. Kimyasal tepkimelerin sıcaklığa duyarlı olması sebebiyle sıcaklığa bağlı olarak bataryanın (ve hücrenin) sahip olduğu voltaj değeri değişmektedir. Sıcaklık düştükçe meydana gelen reaksiyondan elde edilen enerjinin azalmasının yanı sıra, iç direnç de artar. Batarya seçilirken en düşük ve en yüksek sıcaklıktaki hava koşullarında bataryanın istenen gücü ve enerjiyi sağlaması gerekmektedir. 1.2.2. Şarj veya Amper/Saat Kapasitesi Batarya şarj kapasitesi bataryanın can alıcı parametrelerindendir. SI birim sisteminde elektrik yükleri için Coulomb kullanılmaktadır. Amper biriminin Coulomb/saniye olduğu düşünülürse, Coulomb, amper*saniye olarak ifade edilebilir. Batarya kapasitesi için coulomb çok küçük kaldığından amper*saat birimi kapasiteyi ifade etmek için kullanılmaktadır. AmperSaat Ah şeklinde ifade edilir (AmpHour). Örneğin 10 Ah lik batarya 10 amperlik akımı 1 saat verebilecek kapasitede olduğu anlamına gelir. Aynı şekilde 5 amperlik akımı 2 saat, 1 amperlik akımı 10 saat verebilecek anlamındadır. Tabii ki de bu teorik olarak 5
böyledir, gerçek kullanımda çoğu bataryalarda bu değerlerden sapmalar olduğu görülmektedir. Bataryalarda meydana gelen kapasite değişimini anlamak önemlidir. 10 Ah lik bataryadan çekilen akımın büyüklüğüne göre kapasitesi artabilir veya azalabilir. Yüksek akımların çekildiği durumlarda kapasite azalmaktadır. 42 Ah lik kapasiteli bir bataryada çekilen akımla kapasitenin değişimine bir örnek aşağıdaki grafikte görülmektedir. Grafik 1.1 : 42 Ah lik kapasiteli bir bataryada çekilen akımla kapasitenin değişimi Bataryada meydana gelen kapasite değişiminin temel sebebi istenmeyen tepkimelerin meydana gelmesidir. Grafikte deşarj süresinin (bataryanın kullanım süresinin) artmasıyla kapasitenin arttığı görülmektedir. Denilebilir ki yüksek akım çekilmesi, istenmeyen reaksiyonların artmasına ve kapasitenin azalmasına sebep olmaktadır. Bu tepkimeler kurşun asit bataryalarda fark edilebilir derecede olmaktadır ve tüm batarya çeşitlerinde meydana gelen bir olaydır. Kapasite değişiminin doğru tahmin edilmesi oldukça önemlidir. Batarya kapasiteleri genellikle 5 saatlik deşarj süresince elde edilen değer olarak verilmektedir. Yüksek akım çekildiğinde kapasitenin düşmesi elektrikli araçları, içten yanmalı motorlara sahip klasik araçlara göre dezavantajlı konuma düşürmektedir. Yokuşların fazla olduğu coğrafyalarda kullanımda elektrikli araçların menzilinde bariz şekilde düşüş göstereceği aşikârdır. Bu yüzden coğrafi yapı olarak meyilleri az olan yerler elektrikli araçlar için daha uygundur. Şarj kapasitesinin Ah olarak ifade edildiğini belirmiştir. Kapasitenin diğer gösterim şekli ise C şeklindedir. C= 42 Ah olarak düşünülebilir. Örnek olarak 2C lik bir batarya 84 Ah lik kapasiteye sahiptir, 0.4C lik bir batarya ise 16.8 Ah lik kapasiteye sahiptir. 6
1.2.3. Depolanan Enerji Bataryaların amacı enerji depolanmasıdır. Enerji SI birim sisteminde Joule olarak ifade edilir. 1 Watt= 1 Joule/s olarak ifade edilmiştir. Görüldüğü gibi Watt güç birimidir ve enerji birimine dönüşmesi için saniye, saat gibi zaman birimiyle çarpılması gerekir. Tahrik bataryalarında enerji WattSaat(Watthours) olarak ifade edilmektedir. Çünkü Joule birimi küçük kalmaktadır. Gerekli dönüşümler yapıldığında 1 WattSaat=3600 Joule ifadesi elde edilerek, WattSaat ile Joule arasındaki bağıntı bulunmuş olur. Depolanan enerjinin hesabı temel olarak Enerji [WattSaat]=Voltaj [V]*AmperSaat [Ah] şeklinde veya Enerji [WattSaat]= V*C şeklinde ifade edilir. Enerjinin hesabı yapılırken dikkat edilmesi gerekmektedir. Zira hem batarya voltajı hem de batarya kapasitesi dış etkenlere bağlı olarak değişmektedir. Enerji hesabında 5 saatlik deşarj süresinde elde edilen kapasite değerinin kullanılması mantıklıdır. 1.2.4. Özgül Enerji Herhangi bir büyüklüğün kütleye bölünmesi özgül büyüklüğü ifade eder. Batarya enerjisi olarak baktığımızda ise batarya enerjisinin batarya kütlesine bölünmesiyle elde edilen değerdir. Bataryaların enerji kapasitelerinin kıyaslanması için özgül enerjilerine bakılır. Özgül enerji Wh/kg olarak ifade edilir. Kütle kullanım şartlarına göre değişmez fakat enerji sıcaklık ve depolanan enerjiye bağlı olarak değişir. Sonuçta özgül enerjinin değişimi enerji değişimine bağlıdır. Araç kütlesinin az olması bakımından özgül enerjisi yüksek bataryalar seçilmelidir. 1.2.5. Enerji Yoğunluğu Araç tasarımındaki en önemli iki parametre kütle ve hacimdir. Bir kg kütlede depolanan enerjiye özgül enerji ismi verilirken, 1 metreküp [m^3] hacimde depolanan enerjiye enerji yoğunluğu adı verilmektedir. Elektrikli araçlarda en büyük kütle ve hacim bataryalara ayrılmaktadır. Bu yüzden enerji yoğunluğu ve özgül enerji batarya seçiminde önemlidir. Tahmin edileceği üzere enerji yoğunluğu yüksek bataryalar seçilmesi istenir. 1.2.6. Özgül Güç 1 kg bataryadan elde edilebilecek gücü ifade etmektedir. Birimi W/kg dır. Bataryanın yüküne göre oldukça değişkenlik gösteren bir parametredir. Bataryaların en büyük sorunlarından biri özgül güçlerinde meydana gelen değişikliklerdir. Maksimum güçte çalışmada sadece birkaç saniye çalışabilmektedirler. Meydana gelen istenmeyen reaksiyonlar gücün düşmesine sebep olmaktadır. Günümüzde maksimum güçte çalışma süresi en fazla 7
olan batarya lityum iyon bataryadır ve yaklaşık olarak 10 saniyedir. Bu yüzden araçlarda meydana gelen uzun süreli yüksek güç gereksinimi elektrikli araçlarda hala sorun olmaktadır. Bazı bataryaların özgül enerjileri çok iyidir ancak özgül güçleri düşüktür. Bu şu demektir: çok fazla enerji depolayabilir ve enerjisini yavaşça verebilir. Yani düşük güç gerektiren bir araçta kullanıldığında uzun mesafeler gidilmesine imkan sağlar. Özgül güç ve özgül enerji değerleri bataryalarda ters özelliktedir. Özgül güç arttıkça özgül enerji azalmakta, özgül enerji arttıkça özgül güç azalmaktadır. Özgül güç ve özgül enerjideki değişim farklı tipteki bataryaları kıyaslamanın en iyi yoludur. Kıyaslama da genellikle grafikler kullanılır. Aşağıda özgül enerji ve özgül gücü bir arada gösteren grafik görülmektedir. Bu grafik Ragone Eğrisi olarak da bilinir. Grafikteki değişim logaritmiktir. Aynı özgül enerji değerinde en yüksek özgül güce sahip bataryayı seçmek gerekir. Eğer değerler yakınsa veya grafikteki karşılaştırmada bataryalar aynı değerde çıkarsa, bakılacak olan diğer parametre maliyet olacaktır. 1.2.7. Amper/Saat veya Şarj Verimi Grafik 1.2: Ragon Eğrisi Verim alınan enerji/verilen enerji şeklinde tanımlanmaktadır. İdeal durumda bir bataryaya verilen tüm enerjiyi geri alabiliriz. Ama gerçekte bu mümkün değildir. Bataryalar için kullanılan tanımlamalardan biri SOC(State Of Charge) dır. Yani bataryanın şarj durumu. SOC değeri belli bir aralıkta tutulmaya çalışılır. Çünkü SOC belli aralıkların dışına çıktığında bataryanın verimi, dolayısıyla kullanılabilecek enerji miktarı 8
azalmaktadır. SOC %20 ile %80 olduğunda batarya verimi %100 e yakın olmaktadır. %20 nin altına düştüğünde ise bariz şekilde verim düşmektedir. Alt değer ve üst değer batarya çeşidine göre değişiklik gösterebilmektedir. Ah Verimi=(Deşarj Akımı*Deşarj Voltajı)/(Şarj Akımı*Şarj Voltajı) şeklinde hesaplanmaktadır. Elektrikli araçların dezavantajlarından birisi de SOC değeridir. Klasik araçlarda depoda bulunan yakıt miktarı menzili etkilemezken, bataryanın sahip olduğu enerji elektrikli aracın menzilini etkilemektedir. Elektrikli araçlarda SOC u belli aralıklarda tutmak zordur. Hibrid araçlarda ise bazı durumlarda SOC istenen aralıklarda tutulabilmektedir. 1.2.8. Enerji Verimi Önemli batarya parametrelerinden birisi de enerji verimidir. Bataryanın deşarjı esnasında elde edilen enerji ile şarjı esnasında verilen enerjiyi ifade etmektedir. Depolanan enerjinin kullanım şartlarına ve dış etkenlere göre değiştiği düşünüldüğünde enerji verimi de değişkenlik gösteren bir değerdir denilebilir. Enerji veriminin mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Nasıl ki klasik araçlarda yakıt tüketimine bakılıyorsa, bataryaların da verimine bakılır. Verimin 1 yani %100 olmayacağı aşikârdır. Her sistemde verimin 1 olmasını engelleyen olaylar vardır. Batarya için düşünüldüğünde kimyasal reaksiyonların %100 verimle gerçekleşmiyor olması ve kullanım esnasında ısı enerjisinin ortaya çıkması buna sebep gösterilebilir. Ayrıca bataryaların kendi kendine deşarj olması, verimin düşmesine neden olan diğer etmenlerden biridir. 1.2.9. Kendi Kendine Deşarj Oranı Bataryaların kullanılmadığı zamanlarda enerjinin azalmasına kendi kendine deşarj adı verilmektedir. Bazı durumlarda batarya uzun süre şarj edilmeyebilir. Geçen süre zarfında bataryanın bitmesi kendi kendine deşarj ile açıklanmaktadır. Kendi kendine deşarj batarya kullanılmadığında bile hücreler içinde gerçekleşen istenmeyen reaksiyonlar sonucu oluşur. Elektriksel enerji depolama elemanlarında bu duruma sızıntı akımları sebep olmaktadır. Batarya tipine ve sıcaklığa göre deşarj durumu değişkenlik gösterir; sıcaklık arttıkça kendi kendine deşarj artar. Deşarj yüzdesi/gün olarak ifade edilir. 1.2.10. Batarya Geometrisi Hücreler yuvarlak, dikdörtgensel, prizmatik veya hekzagonal şekillerde olabilmektedirler. Genellikle dikdörtgensel bloklar şeklindedirler. Bazı bataryalar ise sadece tek bir geometriye müsaade eder. 9
Hücreler seçildikleri geometriye bağlı olarak farklı yükseklik, genişlik ve uzunluğa sahip olabilirler. Tasarımda kullanılabilecek hacim göz önüne alınarak ağırlık merkezini düşük ve montajı kolay olacak batarya geometrileri seçilmelidir. 1.2.11. Batarya Sıcaklığı, Isıtma ve Soğutma Gereksinimleri Çoğu batarya oda sıcaklığında çalışırken bazıları yüksek sıcaklıklarda çalışmaktadır. Bataryanın durumuna göre ilk çalıştırma da ısıtma veya çalışma esnasında soğutma yapılabilmektedir. Genellikle düşük sıcaklıklarda performans düşmektedir. Ancak bu problem ısıtma işlemi ile telafi edilebilmektedir. Batarya seçilirken ısıtma ve soğutma yükleri dikkate alınmalıdır. 1.2.12. Batarya Ömrü ve Derin Deşarj Sayısı Ticari kullanımda parçaların ömrü önemlidir. Bataryaların yüksek maliyetli parçalar olduğu düşünülürse ömür faktörü daha da önem kazanmaktadır. Ömür, bataryanın kaç defa şarj/deşarj edilebileceğini gösterir. Şarj/deşarj sayısı şarj ve deşarjın yüzdesine bağlı olarak değişmektedir. Her bataryanın ömrü farklıdır. Derin deşarj, bataryanın tüm enerjisinin çekilmesi anlamına gelmektedir. Tahrik bataryalarında genellikle %20 şarj durumunun altına inilmez, inilmesi de derin deşarj olarak isimlendirilir. Derin deşarj, batarya ömrünü ve kapasitesini azaltmaktadır. Batarya seçimi yapılırken derin deşarja duyarlılığı en az olan yani derin deşarjla ömrü değişmeyen bataryalar seçilmelidir. Günümüzde Nikel metal hibrid bataryalar derin deşarjdan en az etkilenen bataryalardır. 1.3. Batarya Çeşitleri Genel olarak EA larda kullanılacak bataryaların spesifik güç (w/kg), spesifik enerji (wh/kg) seviyelerinin yüksek, uzun ömürlü ve düģük maliyetli olması gereklidir. Ancak bu özelliklerin tümünü bir arada barındıran mükemmel batarya bulunmamaktadır. Elektrikli araçta kullanılacak bataryalar, araçta kullanılan enerji yönetim sistemi ve araç konfigürasyonuna göre seçilmelidir. Resim 1.1 de elektrikli araçlarda kullanılan batarya grubu görülmektedir. Bu bataryalar, 3.7 Volt luk küçük hücrelerin birleştirilerek bir araya getirilmesiyle oluşturulur. 10
1.3.1. Kurşun-Asit Batarya Resim 1.1: Elektrikli Araç batarya grubu Tüm içten yanmalı motorlarda ilk hareket bataryası olarak kullanılan düşük maliyet versiyonları negatif kurşun elektrotu, pozitif kurşun dioksit elektrotu ve de sülfürik asit elektrolit çözeltisinden oluşmaktadır. Genelde 6 tane hücre yaklaşık 12 voltu sağlamak için seri bir şekilde bağlanır. Bu batarya 100 yıllık bir gelişme süreci geçirmesine rağmen 25-35 Wh/kg gibi düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Buna karşın güç yoğunluğu ise 150 W/kg gibi yüksek bir değerdir. Kurşun asit bataryaları düşük çevre sıcaklıklarından şiddetli bir şekilde etkilenmektedir. Özellikle 10 C nin altındaki çalışma koşullarında hem enerji hem de güç yoğunluğunda belirgin ölçüde düşüş görülür. Bu batarya tipini kullanan elektrikli araçların daha düşük ortam sıcaklıklarına maruz kalması durumunda yardımcı bir batarya ısıtmasına ve izolasyonuna ihtiyaç duyulur. Kurşun asit bataryalarının ömrü yaklaşık %80 derin deşarj koşulunda 1000 çevrimdir. Bu yaklaşık 3 yıla tekabül etmektedir. 1.3.2. Nikel Tabanlı Bataryalar 1.3.2.1. Nikel-Demir Batarya Nikel demir bataryaları 1901 yılında Thomas Edison tarafından elektrik araçlarının daha uzun yol kat edebilmesi amacıyla geliştirilmiştir. Nikel demir bataryaları güvenilir, uzun ömürlü, fakat pahalı bir sekonder bataryadır. 11
Bataryada nikel pozitif elektrot, demir negatif elektrot ve potasyum hidroksit ise sıvı elektrolittir. Süre gelen geliştirme çalışmaları sayesinde enerji yoğunluğu 50 Wh/kg a mertebesine ulaşmıştır. Bu gelişme aktif malzeme oranının arttırılması ve pasif batarya komponentlerinin ağırlıklarının azaltılması ile sağlanmıştır. Resim 1.2: Nikel Demir akü Nikel demir bataryalar 20 C de dahi nispeten performanslarını korumaktadır. Azami güç yoğunluğu 100 W/kg dır ve bu değer ivmelenme için iyi bir değerdir. Bununla beraber güç yoğunluğu deşarjın derinliği ile önemli bir biçimde etkilenir. Bu bataryaların yaklaşık 6 yıla karşılık gelen, 2000 derin deşarj çevrimine kadar kullanım ömrü vardır. 1.3.2.2. Nikel-Çinko Batarya Şarj edilebilen nikel çinko bataryalar ilk olarak 1899 yılında icat edilmiştir. Şarj esnasında çinko plakanın üzerinde dendritler kullanım ömrünü kısalttığından, bu bataryalar kullanımı yaygınlaşmamıştır. Son dönemde yüksek güç ve enerji yoğunluğu sayesinde elektrikli araçlarda kullanım imkanı doğmuştur. Enerji yoğunluğu 70 Wh/kg ve güç yoğunluğu 150 W/kg olmasına rağmen bu bataryalarda temel problem dendrit oluşumu nedeniyle kullanım ömrünün 300 çevrim kadar kısa olmasıdır. Bataryanın geniş bir çalışma sıcaklığı toleransı vardır (-39 ile +81 C arası). 30 günlük kullanım sonrası % 60 şarj azalması görülmektedir. Son zamanlarda bataryaların ömürlerinin uzatılabilmesi için bazı çalışmalar yapılmasına karşın nikel-çinko bataryaların gelişimi konusundaki araştırmaların yoğunluğu gittikçe azalmaktadır. 12
1.3.2.3. Nikel Kadmiyum Batarya Son yıllarda nikel-kadmiyum (NiCd) bataryalar özgül enerji, özgül güç, çevrim ömrü ve güvenilirlik bakımından en iyi dengeyi sağlayan bataryalar olarak kabul edilmektedir. Nikel kadmiyum batarya sinterlenmiş pozitif nikel elektrot, negatif kadmiyum elektrot ve sulu elektrolit olarak potasyum hidroksitden oluşmuştur. Nikel kadmiyum bataryaları kurşun asit bataryalarına göre birim ağırlık başına bir miktar daha fazla enerji depolamaktadır. Bataryanın enerji yoğunluğu 50 Wh/kg ve güç yoğunluğu 200 W/kg dır. Bu bataryalar yüksek şarj ve deşarj oranlarına sahip olduklarından EA larda kullanılabilmektedir. Derin deşarj çevrim sayısı 2000 civarındadır. Kadmiyumun toksik ve çevreye zararlı olmasından dolayı, nikel-kadmiyum bataryaların geri kazanımı oldukça önemli ve bir o kadarda karmaşıktır. Çevreye verdikleri zarardan dolayı kullanımları durdurulmuştur. 1.3.2.4. Nikel-Metal Hidrür Batarya Nikel-metal hidrür (NiMH) bataryalar, toksik özelliği olmayıp daha iyi performansa sahip olduklarından son zamanlarda birçok elektrikli araç uygulamalarında nikel kadmiyum bataryanın yerini almıştır. NiMH, nikel kadmiyum bataryalara göre daha fazla enerji depolamaktadır. Batarya, metal hidrür karışımı olan negatif elektrot, potasyum hidroksit elektroliti ve de aktif malzemesi nikel hidroksit olan pozitif elektrottan oluşmaktadır. Negatif elektrot olarak hidrojen içeren metal alaşım kullanılır. Hidrojen içeren metal alaşımları iki kategoriye ayrılmaktadır: AB5 alaşımları; nikel bileşikleri AB2 alaşımları; titanyum vanadyum ve zirkonyum alaşımlı nikel bileşikleri. NiMH bataryası 70 Wh/kg dan fazla enerji yoğunluğuna ve 200 W/kg dan daha fazla güç yoğunluğuna sahiptir. Batarya %80 derin deşarj durumunda 600 ün üzerinde tam şarj/deşarj çevrimine sahiptir ve hızlı bir şekilde % 80 tekrar şarj olması yaklaşık 35 dakikadır. NiMH bataryalar, kurşun asit bataryalardan yaklaşık 5 katı kadar daha pahalıdır. 1.3.3. Sodyum Tabanlı Bataryalar 1.3.3.1. Sodyum-Sülfür Batarya Sodyum sülfür batarya, ilk olarak 1960 li yıllarda Ford Araştırma laboratuarında elektrikli taşıtlar için gerekli enerji ve güç yoğunluğunu sağlamak için geliştirilmiştir. Birçok Avrupa, Amerika ve Japon şirketinde ticari prototiplerde kullanılmaktadır. Batarya negatif 13
sodyum elektrotundan ve pozitif sülfür elektrotundan oluşmaktadır. Batarya yüksek sıcaklıklarda (350 C ) çalışmaktadır ve her iki elektrot bileşenleri de sıvı durumdadır. Sodyum sülfür bataryalar, 110 Wh/kg gibi yüksek enerji yoğunluğu ile 150 W/kg gibi yüksek güç yoğunluğu ve 1000 derin deşarj çevrimi sağlamaktadır. Bataryanın optimum çalışma sıcaklığı 350 C dir ve 200 C nin altında çalışılması durmaktadır. Bu sıcaklığın altında sodyum elektrolit donmaktadır. Sodyumun donması reaksiyonu yavaşlatarak, mekanik gerilmelere yol açması nedeniyle bataryaya zarar vermektedir. 1.3.3.2. Sodyum-Nikel Klorür Batarya Sodyum-nikel klorür bataryasında, nikel klorür pozitif elektrot sodyum ise negatif elektrottur. Sodyum tuzu elektroliti yerine sodyum klorür elektrotu yer almaktadır. Bu elektrodun donma noktası daha düşük olup 160 C civarındadır. Bu batarya türü, sodyum sülfür bataryasına göre bir miktar düşük sıcaklıklarda çalışmakta (300 C) olup, benzer enerji (100 Wh/kg) ve azami güç yoğunluğuna (150 W/kg) sahiptir. 1.3.4. Lityum Bataryalar 1.3.4.1. Lityum-Demir Sülfat Batarya Elektrikli taşıtlarda potansiyel kullanım alanı bulunan üçüncü yüksek sıcaklık bataryasıdır. Lityum, özellikle üstün enerji depolama yeteneği sağlayan yüksek elektrot potansiyeline sahip olmasından dolayı bataryalarda kullanılması uygundur. Bataryanın demir sülfat pozitif elektrotu ve alüminyum lityum negatif elektrotu vardır. Çalışma sıcaklıkları 450 C civarındadır. Azami enerji yoğunluğu 150 Wh/kg, güç yoğunluğu 300 W/kg ve derin deşarj çevrimi 1000 mertebesindedir. 1.3.4.2. Lityum-Katı Polimer Batarya Lityum-katı polimer bataryada diğer yüksek sıcaklık bataryalarından farklı olarak, ergimiş tuz elektroliti yerine iletken polimerler kullanılmaktadır. 150 Wh/kg enerji ve 300 W/kg güç yoğunluğuna sahiptir. Bataryanın düşük güçte dış ortam sıcaklıklarında çalışması mümkün olmakla birlikte, optimum çalışma sıcaklığı 80 C ve 120 C aralığındadır. 1.3.4.3. Lityum-İyon Batarya Lityum iyon batarya, her hücresi 3.7V nominal voltaja sahip şarj edilebilir batarya türüdür. Enerji kapasiteleri yüksek, şarj tutma süreleri uzundur. Şarj edildikten sonra enerjiyi 14
daha uzun süre saklayabilirler, küçük ve taşınabilirdirler ve ağırlıkları da daha azdır. Bu sebeple elektrikli araçlarda kullanımı çok uygundur. Ortalama 200 watt saat / kg enerji yoğunluğuna sahiptir. Yaklaşık 1000 kere tekrar dolum yapılabilir. Kendinden boşalma oranı düşük, verimliliği yüksektir. Hafıza etkisi yoktur. Doğal dengeye etkisi düşük düzeydedir. Isıya dayanıksızdırlar, kontrolsüz kullanıldığında patlama risk vardır. Lityum-iyon hücrelerin yapısı lityum-katı polimer batarya hücrelerine benzemektedir. Ancak negatif lityum metal plaka yerine grafit veya kalay oksit gibi negatif host kullanılmasıdır. Deşarj esnasında lityum iyonları negatif host tan organik elektrot yardımıyla manganez, kobalt ya da nikel oksit pozitif host a geçer. şarj esnasında da tam tersi proses gerçekleşir. Lityum iyonları katot ve anot arasında sarkaç gibi hareket eder. Lityum-iyon bataryalar yaklaşık 120 Wh/kg enerji yoğunluğuna ve 1000 çevrimlik derin deşarj çevrimine sahiptirler. Bu bataryalar, %80 şarj durumuna 1 saatten daha kısa sürede tekrar şarj edilebilmektedir. Bu bataryayı, elektrikli araç uygulamalarında kullanılabilecek maliyet ve özelliklere getirebilmek için Japonya (Sony ve Panasonic), Avrupa (SAFT ve Varta) ve ABD de (Duracell) çeşitli çalışmalar sürdürülmektedir. Sony, 3500 derin deşarj çevrimli 35 kwh kapasite ve 120 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip bir lityum-iyon batarya yaptığını bildirmiştir. Lityum-katı polimer bataryalar ve lityum-iyon bataryalar yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle, elektrikli araç uygulamaları için en uygun potansiyele sahip bataryalar olarak değerlendirilmektedir. Gelecek 15-20 yıl içinde lityum-iyon bataryanın henüz yüksek olan maliyetlerinin düşerek EA larda kullanılabilecek ekonomik seviyeye inebileceği öngörülmektedir. Şekil 1.2 de lityum-iyon bataryanın şematik şekli görülmektedir. 15
1.3.5. Metal Hava Bataryalar Şekil 1.2 : Lityum-iyon hücrenin yapısı Son yıllarda batarya teknolojisinde önemli adımlar atılmaya başlandı. Özellikle metal-hava pillerinde yaşanan gelişmeler elektrikli arabaların şarj problemini ortadan kaldırmak üzere. Phinergy ve Alcoa nın geliştirdiği alüminyum-hava pilleri sayesinde elektrikli arabaların 1609 km menzile sahip olacağı belirtiliyor. Araba ilk kez Montreal Gilles-Villeneuve pistinde denendi. Tesla Model dışında (500 km menzil) çoğu lityum-iyon pilli elektrik araba ancak 100-150 km menzile sahip. Ayrıca pek çok firma lityum-hava pili çözümlerine odaklanmış durumda. Pek çok geliştirmeye karşın metal-hava pillerinde CO2 den kaynaklı bir başlangıç problemi var. Phinergy ve Alcoa nın kullandığı alüminyum-hava pili ise alüminyum ve suyun oksijenle reaksiyonundan ortaya çıkan enerji gümüş-bazlı katalizör ve özel enerji hücresi sayesinde CO2 molekülü problemini ortadan kaldırıyor. Üreticilerin iddiasına göre yeni bataryalar uzun menzilleri ve uygun fiyatları sayesinde yakıtlı araçlarla kıyaslanabilecek. Fakat batarya plakaları tekrardan şarj edilemiyor ve değiştirilmesi gerekebiliyor bu destekleyici bir teknoloji kullanıldı. Normal şehir içi sürüşte lityum-iyon piller güç ihtiyaçlarını karşılayabilse de uzun yolculuklarda alüminyum-hava pilleri inanılmaz bir menzil yaratarak eski pillere fark atıyor. Ayrıca piller bitince alüminyum geri dönüştürülebiliyor. Phinergy ye göre sadece 50 alüminyum plakalık bir alüminyum-hava pili aracı 32 km götürebiliyor. Bu bataryaya lityum hava konfigürasyonu da eklenince, 16
elektrik arabaların menzili 1600 km ye kadar çıkabiliyor. Her şeye rağmen, alüminyum plaka anotlarında enerji yoğunluğu 8 kwh/kg, olduğundan çok da yüksek performans alınamayabilir. 1.4. EV Bataryaların Bakımı Batarya Elektrikli taşıtlarda ileri teknoloji ürünü bataryalar kullanılmaktadır fakat bu bataryaların çevrim sayıları sınırlıdır. Bu yüzden taşıt alırken kullanılan batarya hakkında bilgi sahibi olmak gerekmektedir. Üreticinin batarya garanti şartları, geri dönüşüm politikası ve uygulamaları dikkate alınmalıdır. Aksi takdirde ömrü biten, arızalanan bataryalar, kullanıcı ve ülke açısından önemli riskler doğuracaktır. Bataryaların kiralanması yöntemi bu açıdan önemli bir güven ortamı sağlamaktadır. Günümüzdeki taşıtlarda batarya ömrü ile aracın teknolojik ömrü arasında önemli bir uyum bulunmaktadır ve üreticilerin büyük çoğunluğu bataryalar için 8 yıl veya 100.000 km garantisi vermektedir. 2010 yılından beri satılan batarya elektrikli taşıtlarda bataryalarla ilgili önemli bir sorun yaşanmamıştır. Bataryaların şarj esnasında genellikle soğutulması gerekmektedir. Bu soğutma işlemi hava veya sıvı kullanılarak yapılmaktadır. Dolayısı ile bu soğutma sisteminin periyodik olarak bakımının yapılması ve bu bilgilerin taşıt bakım ve kullanım kılavuzlarında bulunması zorunludur. Ayrıca batarya, elektrikli taşıtların bir kazaya karışması durumunda ortaya çıkabilecek riskler batarya türüne göre farklılıklar göstermektedir. 1.4.1. Batarya Bloğu Elektrikli araçlarda kullanılan bataryalarda, ihtiyaç duyulan yüzlerce voltluk gerilimi elde etmek için piller bir birlerine seri şekilde bağlanırlar. Bu şekilde batarya blokları elde edilir. Bu bloklar elektronik devrelerle sürekli kontrol altındadır. Hücrelerde meydana gelen arızalar özel aletlerle bulunurlar, değiştirilmek suretiyle de tamiratı yapılır. Dikkat edilmesi gereken husus özel eğitim almadan bu batarya gruplarına müdahale edilmemesi gerektiğidir. Aşağıdaki şekilde Renault Fluence elektrikli aracına ait batarya bloğunun yerleşimi gösterilmiştir. Bataryaya ait teknik veriler; Ağırlık : 290 kgs Gerilim : 240V - 400V 3 Stakta toplam 48 modül Bakım esnasında bataryayı pasifize etmek için Servis Fişi Staklar arası radyatörlerle aktif soğutma 17
Şekil 1.3: Renault Fluence L38 Batarya Bloğu 3 stakten oluşmaktadır. Stak 210 parça Şekil 1.4: Her bir stak 210 (Cell) parçadan oluşur. 18
1.4.2. Elektrikli Araçta Güvenlik Riskleri Risk Hatırlatmaları: Mekanik Risk Elektriksel Risk Düşme Riski Termik Risk Genel Hatırlatma Yüzük, zincir gibi metal takılar kullanmayın. Gözlük kullanmanız durumunda, düşmesini engellemek için özen gösterin. Emniyet kemeri tokasının herhangi bir potansiyelle temas etmemesine dikkat edin. Saat takmayın. 19
Yalıtım Hatası Rezidüel Kapasiteler 20
İş Güvenliği Ekipmanları 1000 V Eldivenleri MABEC X953152458 : 8 Numara X953153452 : 9 Numara X953154458 : 10 Numara X953155452 : 11 Numara Bluz MABEC : R100014921 Koruma Gözlükleri MABEC : R100389041 : R100456529 (kask) Yangın Söndürücü CO2 veya Pulverize Güvenlik Ayakkabıları MABEC : R100364711 : 38 Numara R100364714 : 40 Numara R100364717 : 43 Numara Emme Kiti MABEC : R100205511 Servis Fişi Kilidi Ref. X912167186 İkaz Bandı MABEC : I986M28 Araçta Yangın veya Suya Batma Durumunda Yapılması Gerekenler Malzeme, Ekipman : Önerilen Yangın Söndürme Ekipmanı : Köpük veya Pülverize Su Duman rahatsız edici, hatta zehirli olabileceğinden gaz maskesi takılmalıdır. Elektrik güvenlik ekipmanları veya en azından güvenlik eldivenleri kullanılmalıdır. Prosedür : Güvenlik birimlerine hemen haber verin, Bataryayı tutabildiğiniz kadar soğuk tutun. Güvenli bir mesafede durmaya çalışın. Araca güvenlik eldivenleriniz olmadan dokunmayın. Batarya veya yüksek gerilim kablolarına dokunmayın. Zemine kum veya talaş serpin. 21
Suya batmış bir araç herhangi bir tehlike içermez : V= I x R formülünde V=400V ve suyun direncini de 1MΩ alırsak (ki saf suyun 18.2MΩ dur) I = 0.0004 A olur. Bu seviyede bir akım ölümcül tehlike oluşturmaz. Araç sudan çıkartılmalı, 400V ve 14V bağlantıları kesilmelidir. Elektrikli Aracı Enerjileme Etapları Elektrikli aracı enerjileyen ve enerjisini kesen kişi bu konuda eğitim almış biri olmalıdır! Kimsenin araçla ilgili bir işlem yapmadığından emin olmalıdır. Aracın etrafındaki kişileri uzaklaştırmalıdır. 400V bağlantılarını görsel olarak kontrol etmelidir. 14V bağlatısını yapmalıdır. 400V bağlantısını yapmalıdır. Aracın üzerine 400V hattında enerji olduğunu bildiren uyarı asmalıdır. 1.5. Bataryaların Doldurulması (Şarj) Resim 1.3: Şarj istasyonları Elektrikli araçların birçoğunda akü bataryalarını dışarıdan şarj etmek üzere güç elektroniği devreleri bulunur. Bu devreler, tek fazlı 220 volt şebeke gerilimini (ABD de 110 volt) alternatiften doğru gerilime çevirip aküyü beslerler. Başlıca iki tür şarj sistemi bulunmaktadır. Bunlardan ilki normal şarj olup, bu uygulamada lityum piller 6-7 saat sureyle doldurulur. Bu tur şarj sistemleri 3 kw altındadır. Diğer yöntem ise hızlı şarj olarak bilinir ve ancak özel şarj istasyonlarında ve büyük güç kaynaklarıyla 20-30 dakikada piller doldurulabilmektedir. 22
Akü bataryalarının doldurulması (şarj), önemli ve hassas bir süreçtir. Akü içerisindeki hücreler (cell) sürekli izlenir ve aşırı şarj sonucu oluşabilecek yanmalara karşı özel elektronik devrelerle korunur. Koruma elektroniği ile birlikte ele alındığında akü şarj sistemleri akü yönetim sistemi ismini alır. Bu sistemler, donanım ve yazılım olarak, aracın güç elektroniği ve kontrol uygulamaları içerisinde ayrı bir yer alır. Şekil 1.5: Batarya şarj cihazlarının donanımsal yapısı, yerleşimi ve şarj gücü aktarım şekilleri 1.5.1. Batarya Şarj Kontrol Yöntemleri Bir bataryanın şarj ve deşarj olma kabiliyeti bataryanın tasarımı, şarj durumu, sıcaklığı, daha önceki çevrim geçmişi ve kullanımı gibi birçok unsura bağlıdır. Bu çoğul bağımlılık, bataryanın şarj durumu tespitini ve şarj yöntemlerini karmaşık hale getirmektedir. En çok kullanılan batarya şarj yöntemleri; sabit akımda şarj, sabit gerilimde şarj ve sabit akım-sabit gerilim (İki basamaklı) şarj olarak sıralanabilir. Batarya şarj ederken genel eğilim, bataryaya zarar vermeden kısa sürede şarj olabilmesi için şarj cihazının ve bataryanın limitleri çerçevesinde, bataryaya maksimum şarj akımı sağlamaktır. Bu bağlamda, şarj yöntemi büyük şarj ve sızıntı şarjı olmak üzere iki bölüme ayrılabilir. Enerji transferinin büyük kısmı, büyük şarj kısmında ve büyük şarj akımıyla gerçekleşir. Sonra sızıntı şarjı ile ve küçük akımlarla tamamlanır. Şarj süresinin olabildiğince kısa olması, büyük şarj kısmında mümkün olduğunca büyük şarj akımı sağlanmasıyla gerçekleşir. Bataryanın aşırı şarja maruz kalmaması için şarjın sonlarına doğru akım azaltılır. Böylece bataryanın aşırı şarj olup gaz çıkışı ve elektrolit kaybına uğraması nedeniyle ömrünün kısalması ve performansının azalması engellenmiş olur. 23
1.5.1.1. Sabit Akımda Şarj Etme Yöntemi Bu yöntem bataryayı şarj edebilmek için kullanılan basit bir yöntemdir. Şarj akımı seri bağlı olan tüm batarya hücrelerinde eşittir. Bataryalarda şarj durumu arttıkça beraberinde iç direncinde artış göstermesinden dolayı, sabit akımda şarja devam edebilmek için gerilim sürekli arttırılmalıdır. Ancak bu yöntemde seçilen şarj akımı çok önemlidir. Çünkü çok yüksek seçilen şarj akımı bataryanın kısa sürede şarj olmasına imkân sağlarken diğer yandan bataryanın aşırı şarja maruz kalması ve fazla ısınması nedeniyle zarar görmesine sebep olabilir. Düşük akımda şarj ise şarj süresinin uzamasına neden olur. 1.5.1.2. Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Sabit gerilimde batarya şarjı, gerçekleştirmesi ve kontrolü basit bir yöntemdir. Şarjın başlangıcında, düşük batarya iç direncine bağlı olarak kaynaktan yüksek bir akım çekilebilir, çekilebilecek bu yüksek akımın elemanlara zarar vermemesi için sınırlandırılması gerekir. Batarya elemanlarına, zarar görmeyecekleri gerilimler uygulanarak şarj başlatılır. Daha sonra batarya gerilimi istenen bir seviyeye geldiğinde, gerilim sabit tutularak şarja devam edilir. Şarj artışına bağlı olarak artan batarya iç direnci nedeniyle şarj akımı zamanla azalır. Bu da şarjın, sızıntı akımıyla tamamlanmasını ve böylece bataryanın aşırı şarj olma ihtimalinin, bir önceki yönteme göre azalmasını sağlar. Ancak şarj akımında oluşan azalma nedeniyle bataryanın şarj olma süresi, bir önceki yönteme göre daha uzundur. 1.5.1.3. Sabit Akım-Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Bu yöntemde, bataryaya sabit akım ve sabit gerilim periyotları olmak üzere iki periyotta şarj uygulanır. Bataryaların aşırı şarja karşı çok hassas olmaları, şarjın başlangıcında sabit gerilim uygulandığında kaynaktan aşırı akımlar çekilmesi ve şarjın olabildiğince kısa olması istendiğinden dolayı şarj önceden ayarlanmış bir gerilim seviyesine ulaşana kadar sabit akımla başlar, sonrasında sabit gerilimle devam eder ve biter. 1.5.2. Şarj Cihazlarının Donanımsal Yapısı Bir EA ve HEA batarya şarj cihazı iki ana bölümden oluşur. Güç İşleme Ünitesi (Power Processing Unit) Batarya Enerji Yönetim Sistemi (Battery Energy Management System) Bu iki ünite bataryaya optimum güç akışı sağlamakla görevlidir. 24
1.5.2.1. Güç İşleme Ünitesi (GİÜ) GİÜ, bataryanın bir elektrik enerji kaynağından şarj olabilmesi için gerekli olan DC akımın elde edildiği ve ayarlandığı ünitedir. Bataryalar şarj olabilmek için genellikle 200-500Vdc gerilime ihtiyaç duyarlar. Bu ünite mevcut elektrik enerjisi kaynaklarının AC olması sebebiyle genel olarak bir AC-DC dönüştürücüden oluşmaktadır. Ancak günümüzde bazı gelişmiş batarya şarj cihazları DC kaynaktan da şarj gücü sağlayabilecek şekilde tasarlanmaktadır. Literatürde, güç elektroniği ve yarı iletken teknolojisinin gelişimine bağlı olarak farklı istekler doğrultusunda farklı GİÜ leri görmek mümkündür. Bu ünite kaliteli ve verimli bir elektrik enerjisi sağlamasının yanı sıra bataryanın şarj ihtiyaçlarına da en iyi cevap verecek şekilde tasarlanmalıdır. Maksimum verim için, GİÜ de kullanılacak olan ara dönüştürücüler, elemanlar ve kontrol teknikleri dikkatle seçilmelidir. Bu ünite duruma göre araç üzerinde veya araç dışında olabilir. 1.5.2.2. Batarya Enerji Yönetim Sistemi (BEYS) (Battery Energy Management System) Bir batarya şarj cihazı, bataryayı en iyi bir şekilde şarj edebilmek için bataryanın şarj durumu, sıcaklığı, gerilimi, akımı gibi bilgilere ihtiyaç duyar. Bir mikroişlemci ve sensörlerden oluşan BEYS, araç üzerinde ve bataryanın yanında bulunur. Mikroişlemci bataryanın şarj algoritmasını içerir. Sensörler ise bataryanın gerilimi, akımı ve sıcaklığı gibi büyüklükleri ölçerler. Mikroişlemci, sensörlerden aldığı bilgiler doğrultusunda istenen şarj akımını bataryaya sağlar. BEYS, şarj sırasında oluşabilecek batarya içi veya batarya dışı hatalara karşı da koruma sağlar. Bir hata oluştuğunda hatanın tipini belirler ve gerekirse şarjı durdurur. BEYS, aynı zamanda batarya şarj durumunu en iyi şekilde belirleyerek bataryanın aşırı şarj ve deşarj olmasını engeller. Şekil 1.6: Elektrikli aracı evde şarj etme Yukarıdaki şekilde; müşteri, şarj kablosunu evindeki prize ve araca takar. Kablo üzerindeki elektronik devre, aracın varlığını algılar; ve BCB ye sinyal göndererek şarjı başlatır. Buna ek olarak: 25
USM, soğutma suyu devresini soğutmak için en düşük hızlı GMV yi çalıştırır. Gösterge tablosu, şarj seviyesi ve şarjla ilgili diğer interaktif bilgileri göstermek için uyanır. EVC, elektroteknik ağdaki işlemcileri yönetmek için uyanır. LBC aktif hale geçerek hem araca enerji sağlar hem de Peltier Modülünü çalıştırma isteği gönderir. PEB, 14V şebekesini beslemek için DCDC yi aktif hale getirir. (Peltier 14V ile çalışır ve yaklaşık 300W güç tüketir.) Herhangi bir kısa devre durumunda, kart devreyi açarak şarjı keser. Kablo EVSE kablosu olarak geçer ve maksimum 3.3 Kw güçte bir şarja imkan sağlar. 1.5.3. Batarya Şarj Cihazlarının Yerleşimi Batarya şarj cihazları, GİÜ nin araç üzerinde olup olmamalarına göre, araç üzerinde (on-board) ve araç dışında (off-board) olmak üzere ikiye ayrılırlar. BEYS ise görevi gereği daima araç üzerinde bulunur. Şekil 1 de batarya şarj cihazlarının yerleşimi gösterilmiştir. Araç üzerindeki şarj cihazlarının GİÜ leri tamamen araç üzerine yerleştirilmiştir. Bataryanın, her ihtiyaç duyulduğunda ve istenildiğinde şebekeden şarj edilebilmesi, araç üzerinde şarj cihazları ile mümkündür. Araç üzerinde bulunmalarından, minimum ağırlıkta ve hacimde olmaları gerekmektedir. Aynı zamanda, araç üzerinde bulunan bu şarj cihazlarının meydana getireceği ısıyı uzaklaştırmak için soğutucu, fan gibi ek donanımlara ihtiyaç duyulur ve bunlar da araç ağırlığını artırır. Hızlı şarj cihazlarının büyük ve ağır oluşu nedeniyle araç üzerinde olmaları uygun değildir. Araç dışındaki şarj cihazlarının GİÜ leri tamamıyla aracın dışında yer almaktadır. Parçaların araç dışında olması nedeniyle, ağırlık ve yer sorununun olmaması onları büyük, güçlü ve hızlı şarj cihazları için uygun hale getirmektedir. Aynı zamanda araç üzerinden ısıyı atabilmek için, araç üzerinde bulunan şarj cihazlarındaki gibi ek donanımlara ihtiyaç duymazlar. Araç üzerindeki şarj cihazları, EA ve HEA ın kullanılmasının başlangıcında şarj ihtiyacını karşılamak açısından oldukça önemlidir. Bugünkü akaryakıt istasyonları sıklığında batarya şarj istasyonlarının bulunması uzun zaman alacaktır. Bu zaman geçene kadar araçların ev, işyeri, otopark gibi yerlerde bulunan prizlerden şarjı, araç üzerinde şarj cihazlarıyla sağlanacaktır. 1.5.4. Şarj Gücü Aktarım Şekilleri Bir EA ve HEA bataryasına şarj gücü iletimi, iletken bağlantı (conductive coupling) ve endüktif bağlantı (inductive coupling), olmak üzere iki şekilde sağlanır. 26
1.5.4.1. İletken Bağlantı (Conductive Coupling) Şarj kaynağının bir iletken vasıtasıyla elektriksel olarak direk araca bağlandığı, şarj gücü aktarım şeklidir. Güvenli bir şarj için iletkenler ve bağlantı noktaları kullanıcının erişemeyeceği şekilde ve komple kaplı olmalıdır. Bu şarj gücü aktarım şeklinin kullanıldığı şarj cihazları, araç üzerinde veya araç dışında olabilir. 1.5.4.2. Endüktif Bağlantı (Inductive Coupling) Araca şarj gücü transferi, primeri ve sekonderi parçalarına ayrılabilen özel bir transformatör yardımıyla gerçekleşir. Transformatör kullanımıyla, güç iletimi manyetik yolla gerçekleşirken aynı zamanda elektriksel izolasyon da sağlanmış olur. Bu da endüktif bağlantılı şarjın, iletken bağlantılı şarja göre daha güvenli olmasını sağlar. Bağlantının kolaylıkla yapılabilmesi, düşük maliyet, araç üzerinde minimum ağırlık ve hacim için transformatörün büyüklüğünün ve ağırlığının az olması gerekir. Bu nedenle yüksek frekanslı bir transformatör kullanılır. Şarjın başlayabilmesi için araç dışında ve güç tarafında bulunan primer sargı ile araç üzerinde bulunan sekonder sargı birleştirilir. Primer taraftaki düşük şebeke frekansı, dönüştürücüler yoluyla 80-300kHz lik yüksek frekansa çevrilir. Sekonder tarafta manyetik yolla endüklenen yüksek frekanslı emk, araç üzerinde bulunan doğrultucu ile doğrultulur ve batarya kablosu yardımıyla batarya şarj edilir. Bu yöntem, güç iletiminin manyetik yolla yapıldığından dolayı yüksek güçlü şarj cihazları için daha güvenli ve uygundur. 1.5.5. Batarya Şarj Cihazından İstenen Özellikler EA, HEA ve batarya teknolojilerinin gelişimine paralel olarak, bir batarya şarj cihazından istenenler her geçen gün artmaktadır. Bir batarya şarj cihazından; Yüksek enerji verimliliği Aşırı akım ve aşırı gerilim koruması Düşük Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) Kurulacağı bölgenin şebekesine uygunluk Uygun maliyet Bataryanın şarj durumuna göre uygun şarj, geniş şarj akımı ve gerilimi aralığı Bataryaya kaliteli elektrik enerjisi sağlama (Şarjın kalitesi, bataryanın uzun ömürlü ve sağlıklı olması açısından kritik önem taşır. Şarj akımında bulunan dalgalanmalar, bataryanın gereksiz ısınmasına ve ömrünün azalmasına sebep olur.) 27
Elektriksel izolasyon Tüm elektromanyetik uyum (EMC) kurallarını karşılama Bataryanın şarj-deşarj durumu, sıcaklığı, şarj akımını gibi verileri kullanıcıya görüntüleyebilme Düşük hacim Hafiflik Kolay kullanım Acil durumlarda diğer kaynaklarla bağlantı kurabilme (Örneğin araçlarda bulunan 12V SLI Kurşun-Asit bataryalardan şarj sağlayabilmesi, acil durumlar için önemlidir.) Az gürültü Düşük bakım-onarım Uygun olmayan şarj durumunda otomatik kapanma AC ve DC giriş geriliminde şarj yapabilme Üretici ve güç oranı ayrımı yapmaksızın, tüm batarya tiplerine uygunluk Hızla gelişen EA ve HEA teknolojisine ve standartlarına uygun olma Tüm hava koşullarında şarj edebilme gibi özellikler istenir. 1.5.6. Batarya Şarj Cihazları Batarya şarj cihazları günümüzde yaygın olan ferrorezonanslı şarj cihazları, SCR şarj cihazları ve yeni anahtarlama teknolojileriyle geliştirilen anahtarlamalı şarj cihazlarıdır. 1.5.6.1. Ferrorezonanslı Şarj Cihazları (Ferroresonant Chargers) Şekil 1.7 de gösterilen ferrorezonanslı şarj cihazları, ferroresonanslı bir transformatörün şarj cihazı çıkışını regüle etmesi prensibine göre çalışır. Ferrorezonanslı transformatörler, sabit gerilim veren transformatör ya da otomatik kademeli transformatör olarak da bilinirler. Endüktansı kontrol ederek gerilim ayarlaması yapma mantığına göre çalışırlar. Bir ferrorezonanslı transformatörün primer tarafında, sadece primer sargı bulunur. Sekonder tarafında ise çıkış sargısı ve rezonans sargısı bulunur. Sekonder tarafta kullanılan 28
kondansatör, rezonans karakteristiğini belirler. Transformatörün çalışması esnasında rezonansa giren 3. sargı, nüvenin doyuma girmesini sağlar. Doyuma giren nüve nedeniyle çıkış gerilimi kare dalgadır. Çıkışın kare dalga olması, doğrultularak elde edilen gerilimin daha az dalgalı olmasını sağlar. Ayrıca giriş gerilimi dalgalanmalarında çıkış gerilimi olabildiğince sabittir. Ancak hat frekansındaki küçük değişimlerden oldukça etkilenirler. Elektronik kontrole sahip olmamaları nedeniyle sağlam ve güvenilirlerdir. Fakat gelişmiş kontrol devrelerinin olmaması, batarya şarj ihtiyacını karşılamakta birçok sınırlamayla karşılaşmalarına neden olur. Sonuç olarak bataryayı şarj ederler. Ancak bataryanın kolayca aşırı şarja maruz kalmasına neden olabilirler. Geleneksel transformatörlere göre daha fazla ısı yaymaları sebebiyle verimleri düşüktür. Düşük frekansla çalışmaları nedeniyle sesli çalışırlar aynı zamanda büyük ve ağırdırlar. Yüksek güçlerde yüksek verimle çalışırken (%89-%93) düşük güçlerde verimleri düşüktür (%60). Şekil 1.7: Ferrorezonanslı şarj cihazı 1.5.6.2. SCR Şarj Cihazları (SCR Chargers) Şekil 1.8 te gösterilen, SCR şarj cihazları, AC hatta bağlı bir transformatör çıkışının, kontrol sinyalleri yardımıyla doğrultulup regüle edilmesi prensibine göre çalışırlar. Tristör kullanımı, bu şarj cihazlarının çıkış geriliminin daha hassas olarak ayarlanmasını sağlar. Ferrorezonans tipin aksine, hat frekansı değişikliklerine daha az duyarlıdırlar. Çıkış gerilimindeki dalgalılık, çıkış akımında da dalgalılığa yol açar ve bu akımlar özellikle yüksek şarj oranında, bataryanın fazla ısınmasına neden olur. Ferrorezonans şarj cihazlarına benzer şekilde, hat frekansında çalışırlar bu nedenle büyük ve ağırdırlar. Giriş ile çıkış arası elektriksel izolasyon için, düşük frekanslı (50-60Hz) bir transformatör kullanılır. Yüksek güçlerde verimleri daha düşüktür. Ses düzeyleri ferrorezonans tipe göre daha azdır. 29
Şekil 1.8: SCR şarj cihazı 1.5.6.3. Anahtarlamalı Şarj Cihazları (Switchmode Chargers) Bir anahtarlamalı batarya şarj cihazı, tam kontrol edilebilir güç anahtarları (Mosfet, IGBT gibi) içeren bir dönüştürücüdür. Hat frekansına göre yüksek frekansta çalışırlar (Birkaç khz den yüzlerce khz e kadar). Mosfet ve IGBT lerin hem kapanması hem de açılması kontrol edilebildiğinden, bu şarj cihazlarının cevap süreleri çok kısadır. Tipik bir anahtarlamalı şarj cihazı, girişindeki bir AC-DC doğrultucu ile giriş gerilimini doğrultur ve regülesiz bir DC gerilim elde eder. Elde edilen DC gerilim ayarlanıp filtre edilerek, batarya şarj edilir. Çıkış gerilimi dalgalanması çok azdır. Anahtarlar PWM kontrol yöntemiyle kontrol edilir. Şekil 1.9 da tipik bir anahtarlamalı şarj cihazı gösterilmiştir. Şekil 1.9: Tipik anahtarlamalı şarj cihazı Anahtarlamalı şarj cihazları, izolasyonlu ve izolasyonsuz olmak üzere iki türdür. İzolasyonsuz bir anahtarlamalı şarj cihazının girişinde, Şekil 1.10 da olduğu gibi düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyon sağlanabilir ve gerilim ayarı yapılabilir. İzolasyonlu tip şarj cihazı için izolasyon transformatörünün boyut, ağırlık ve maliyetinin azaltılması, aynı zamanda uygun tasarımla veriminin geliştirilmesi önemlidir. Çalışma frekansı ile transformatör büyüklüğü ve ağırlığının ters orantılı olması nedeniyle yüksek frekansta çalışmak avantajlıdır. Bu nedenle, anahtarlamalı şarj cihazının izolasyonu genellikle Şekil 1.11 deki gibi yüksek frekanslı bir transformatör yardımıyla sağlanır. Bunun 30
için girişten doğrultularak elde edilen DC gerilim ayarlanır ardından bir inverter yardımıyla yüksek frekanslı AC gerilim elde edilir, sonra yüksek frekanslı bir transformatör ile birleştirilir. Yüksek frekanslı transformatör, hem izolasyonu sağlar hem de gerilim ayarı yapılmasına olanak sağlar. Şekil 1.10: Anahtarlamalı şarj cihazının girişinde düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyonun sağlanması Şekil 1.11: Yüksek frekanslı transformatör ile izolasyonu sağlanan anahtarlamalı şarj cihazı Uygun şarj cihazı teknolojisi seçimi, batarya gereksinimlerine ve uygulama ihtiyaçlarına bağlıdır. Ferrorezonans ve SCR tip şarj cihazları sağlam ve güvenilir olup yıllardır varlıklarını sürdürmektedirler. Ancak anahtarlamalı tip şarj cihazları yüksek verimli, hafif, düşük hacimli, sessiz, değişimlere hızlı tepki verebilme gibi özelliklerinden dolayı ferrorezonanslı ve SCR tip şarj cihazlarına göre daha iyidir. 31
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Birbirine seri bağlı pillerden meydana gelen bataryanın gerilimini, akımını ve gücünü hesaplayınız. İşlem Basamakları Öneriler Elinizdeki 3 adet kalem pili şekildeki gibi birbirine seri şekilde bağlayınız. Elde edilen bu bataryaya yük olarak bir lamba bağlayınız. Ölçü aletini Volt kademesine alarak sırasıyla bütün pillerin ve lambanın gerilimini ölçünüz. Ölçü aletinizi Akım kademesine alarak devre akımını çeşitli noktalardan ölçünüz. Değerleri bir tabloya yazarak değerlendiriniz. Deneyinizi, bozuk yada bitmiş bir pilide ekleyerek ölçümlerinizi çeşitlendiriniz. Arızalı pilin yerini saklayarak arkadaşınızdan arızalı olan pili bulmasını isteyiniz. Arızalı olan pilin devreye olan etkilerini yorumlayınız. Öğretmeninizle ortaya çıkan durumu tartışınız. Mümkün olduğunca çok pil kullanarak deneyinizi gerçekleştiriniz. Li-po tarzı bataryaların kısa devre durumunda patlama ihtimali vardır, pilleri kısa devre yapmamaya özen gösteriniz. Öğretmeninize göstermeden çalışmaya başlamayınız. Yandaki tabloyu ölçümlerinize göre doldurunuz. Vp1 Vp2 Vp3 Vlam I Sağlam Arızalı Bütün piller sağlamken Arızalı pili bulmak için 32
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki cümlelerin başında boş bırakılan parantezlere, cümlelerde verilen bilgiler doğru ise D, yanlış ise Y yazınız. 1. ( ) LiFePo4 bataryalar en düşük tam şarj hayat döngüsüne sahiptir. 2. ( ) Aynı güçteki kurşun asit batarya, lityum ion bataryaya göre daha hafiftir. 3. ( ) Lityum polimer piller güvenlik açısından risk taşıdığından kullanılamamaktadır. 4. ( ) Li-Ion bataryada şarj-deşarj işleminde kontrol devresi zorunludur. 5. ( ) BEV servis-bakım işlemlerinde herhangi özel bir tedbir alınmasına gerek yoktur. 6. ( ) BEV araçlar çalışmaları esnasında çevreye herhangi bir zararlı atık salımı yapmazlar. DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı cevap anahtarıyla karşılaştırınız. Yanlış cevap verdiğiniz ya da cevap verirken tereddüt ettiğiniz sorularla ilgili konuları faaliyete geri dönerek tekrarlayınız. Cevaplarınızın tümü doğru ise bir sonraki öğrenme faaliyetine geçiniz. 33
ÖĞRENME FAALİYETİ 2 ÖĞRENME FAALİYETİ 2 ÖĞRENME KAZANIMI Elektrikli araçlarda kullanılan motor çeşitlerini öğrenmiş ve motor sürmeyi yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA İnternet sitelerinden ve farklı kaynaklardan elektrik motorları hakkında araştırma yapınız. Yaptığınız araştırmayı rapor hâlinde sınıfta arkadaşlarınız ile paylaşınız. 2. ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA (EA) KULLANILAN MOTORLAR 2.1. Tanım Şekil 2.1: Elektrikli Otomobil (EV) in bileşenleri EA tahrik sistemlerinde DC motor, AC motor, daimi mıknatıslı motor, anahtarlamalı relüktans motor ve senkron motor olmak üzere başlıca beş motor yaygın olarak kullanılmaktadır. EA teknolojilerinde asenkron motor ve anahtarlamalı relüktans motor en 34
güvenilir motor tipleri olup az bakım gerektirirler Asenkron motorlar tek ve üç fazlı olarak üretilebilirken, yüksek güç talep edilen EA modellerinde üç fazlı tipleri tercih edilmektedir. Tümü EA ve hibrit EA larda kullanılan elektrik motorlarında aranan özellikler aşağıda listelenmiştir Yüksek verim Yüksek anlık güç ve güç yoğunluğu İlk kalkınma durumu ve tırmanışlarda düşük hızlarda yüksek moment Normal seyirde yüksek hızlarda yüksek güç Düşük gürültü seviyesi, elektromanyetik parazitlenme, maliyet Geniş hız aralığında sabit güç ve sabit moment bölgelerinin var olması Hızlı moment tepkisi Hız ve momentin geniş aralıklı olduğu durumlarda yüksek verim Geri kazanımlı frenlemelerde yüksek verim Farklı ortamlarda çalışmalar için yüksek sağlamlık ve güvenirlik, Tümü-elektrikli ve HEA larda kullanılmak üzere birçok elektrik motor tipi günümüze kadar denenmiştir. İlk zamanlarda kontrolünün kolaylığından dolayı DC motorlar tercih edilirken, günümüz teknolojisi ile güç elektroniğinde yaşanan gelişmeler doğrultusunda AC motorlar ilgi odağı olmuştur. DC motorlara olan ilginin azalmasında fırça-kolektör bakımının rolü çok büyüktür. Güç elektroniği ve kontrol yöntemlerindeki gelişmeler doğrultusunda AC motorun hız kontrolü sorun olmaktan çıkmıştır Öyle ki, son zamanlarda yüksek sürüş performansları için yeni çok seviyeli bir evirici modeli düşük maliyetli olarak tasarlanarak, AC motor üzerinde sürüş performansı incelenmiş ve literatüre kazandırılmıştır Mevcut motorlar incelendiğinde daimi mıknatıslı motorların diğerlerine kıyasla önde olduğu anlaşılmaktadır. Oysaki karmaşık yapısı ve mıknatıs maliyetleri de hesaba katıldığında yüksek bir maliyet tutmakla birlikte, bu motor yerini asenkron motora bırakmaktadır Elektrik motorlarının stator (sabit) ve rotor(hareketli) olmak üzere iki esas parçası vardır. Bakır sargılar (statorda olan) akım geçirilmesiyle elektromanyetik indüklenme oluşturularak rotoru harekete geçirir. Elektrik motorunda sürtünme az olduğu için çalışması sessizdir ve aşınma yoktur. Bu sistemlerde verim kaybı sadece dişli çark sistemlerinde meydana gelir. Araçlarda kullanılan elektrik motorları; DC Motor Asenkron Motor Sürekli Mıknatıslı Motor Anahtarlamalı Relüktans Motor olarak sıralayabiliriz. 35
2.2. Fırçalı DC Motor Şekil 2.2: DC Motor DC motorlar genel olarak 3 ana kısımdan meydana gelmişlerdir, bunlar; 2.2.1. Endüvi Endüvi, motorun dönen kısmıdır. Yani rotor dediğimiz, üzerinde iletken sargıların bulunduğu kısımdır. Bu iletken kısım bobinlerden meydana gelmiştir ve manyetik alan yardımıyla oluşan indüklenme, yine bu kısımda oluşur. Şekil 2.3: Fırçalı DC Motoru oluşturan parçalar 36
Endüktörün meydana getirdiği manyetik alan, rotorda bir tork meydana getirir. İstenen mekanik enerji yani dönme hareketi bu şekilde sağlanmış olur. 2.2.2. Endüktör(Stator) DC motorlarda, bahsettiğimiz manyetik alanı endüktör meydana getirir. Endüktör kutupları mıknatıs ya da elektromıknatıslardan oluşmuştur. Her iki yapı da motorun gövdesinde sabit olarak bulunur. Örnek verecek olursak küçük oyuncak motorlarının içinde bulunan mıknatıslar endüktör işlevi görmektedir. Yüksek kapasiteli motorların ihtiyaç duyacağı fazla gücü elde etmek amacıyla kutup sayısı da artırılır. Manyetik alanın oluşma prensibi ise şöyledir: Şekil 2.4:Fırçalı DC Motor Manyetik alan içinde akım geçen telde meydana gelen kuvvet, mekanik hareketin temel kaynağıdır. Bu hareket, sağ el kuralı dediğimiz; akım (I), manyetik alan (B) ve kuvvet (F) elemanlarının birbirine dik olduğu sistem ile açıklanır. Şekilde manyetik alan çizgileri N kutbundan S kutbuna sabit ve süreklidir. Fakat 1 ve 2 numaralı kollarda, akımların birbirine 37
göre ters yönde olması, meydana getirecekleri kuvvetlerin de ters yönde olmalarına neden olur ( F1 ve F2 ). Bu ters yönlü kuvvetler devridaim sağlayarak sürekli bir dönme meydana getirirler. 2.2.3. Kollektör ve Fırçalar Rotora bağlı ve uç kısmında yer alan parça kollektör adını alır. Endüvide yer alan bobinlere kollektör yardımıyla gerilim iletilir. Bakır dilimlerin rotor mili etrafında bir araya getirilmesiyle oluşan kollektöre, rotordaki sargıların uçları bağlıdır. Bu dizayn da yine tork un devamlılığı için gereken önemli faktörlerden biridir. Fırçalar ise motora uygulanan gerilimin alındığı ilk yerdir. Bu gerilimi kollektöre iletir ve yukarıda anlattığımız elektromekanik olayların başlamasını sağlar. Kömür veya sürtünmeye dayanıklı başka bir iletken malzemeden yapılmışlardır. Bu noktada önemli olan, fırçanın arkasında yer alan yay basıncının iyi ayarlanmasıdır. Normalden fazla bir basınç, fırçanın kollektöre fazla sürtünmesine, bunun sonucunda kollektör dilimlerinin bozulmasına veya rotorda aşırı ısınmalara sebep olabilir. Bu tür motorlarda kaynaktaki gerilim, fırçalar yardımıyla motora iletilmektedir. Fırçalardan gerilimi alan bakır dilimli kollektör de, bobinlere (endüvi) ileterek dönme olayı gerçekleşir. 2.3. Fırçasız DC Motor Rotor; motorun dönen kısmıdır. Bu eleman, 0,3-0,7 mm kalınlığında çelik saclardan yapılmış silindirik gövde üzerine açılmış ve oluklara yerleştirilmiş sargılardan oluşmuştur. Rotor sargılarının uçları, bakır dilimlerinden yapılmış olan ve üzerine fırçaların temas ettiği kısma (kolektöre) bağlanmıştır. Gövde(Stator); DC ya da AC ile çalışan makinelerde N-S kutuplarının oluşturulması için yapılmış olan sargıların yerleştirildiği kısma indüktör denir. Küçük makinelerin indüktörleri doğalcmıknatıstan yapılırken yüksek güçlü makine indüktörleri bobinlerle oluşturulur. İndüktörler gövdeye yani statorun içine oturtulmaktadır. Stator içerisinde doğal mıknatıs olabileceği gibi elektromıknatıs da olabilir. 38
Şekil 2.5 : Fırçasız DC Motorun parçaları Şekil 2.6: Fırçasız DC motorun iç görüntüsü 2.4. Anahtarlamalı Relüktans Motor Anahtarlamalı relüktans motorları (ARM), statoru ve rotoru çıkık kutuptan oluşan ve sadece statorunda sargı bulunduran, rotorunda herhangi bir sargı ya da sürekli mıknatıs bulundurmayan basit yapılı elektrik makinalarıdır. ARM lerin her fazı birbirinden fiziksel, manyetik ve elektriksel bakımdan bağımsız oldukları için asenkron ve doğru akım makinelerine göre güvenilir makinalardır. Ayrıca rotorlarında herhangi bir sargı ya da sürekli mıknatıs bulundurmadıkları için ARM lar oldukça yüksek hızlara çıkabilmektedirler. Anahtarlamalı relüktans motorlarının düzgün çalışabilmesi için sürekli bir moment üretilmesi gerekmektedir. Bu da stator kutbuna göre rotor kutbunun konumunun konum algılayıcılar ile izlenip uygun faz sargılarının sırasıyla beslenmesine bağlıdır. Bunu 39
gerçekleştirebilmek için de uygun güç elektroniği devrelerine yani sürücü devrelerine ihtiyaç duyulur. Bu motorların dezavantajı ise moment dalgalanmasının fazla olmasıdır. 2.4.1. Yapısı ve Çalışma Prensibi Relüktans motorları ferromagnetik rotorunda sabit olmayan manyetik kutuplar içeren senkron motorlardır. Resim 2.1: Anahtarlamalı Relüktans motorun parçaları Relüktans motorlarının bilinen tipleri şunlardır, Senkron relüktans motorları Degişken relüktanslı motor Anahtarlamalı Relüktans Motoru Günümüzde relüktans motorları imalatının basit ve ucuz olması ve küçük hacimde çok yüksek moment üretebilmeleri, güç elektroniği devresinde diğer kollektörsüz motorlara oranla daha az anahtarlama elemanına ihtiyaç duyulması gibi üstünlükleri nedeniyle sanayide sıkça kullanılmaktadırlar. Bu motorların en büyük dezavantajları düşük hızlarda oluşan moment stabizasyonu (moment darbeleri) ve bu bozukluk sebebiyle meydana gelen akustik gürültüdür. Bu dezavantajı en aza indirgemek için çok gelişmiş bilgisayar destekli relüktans motor tasarımları ve düşük maliyetli pratik güç elektroniği devreleri kullanılmaktadır. Güç elektroniği sistemi temel olarak rotor pozisyonu, motor akımı ve gerilim değerlerine göre yapılan hesaba dayalı en uygun çıkış dalga şeklini oluşturmayı hedefler. Relüktans motorların yapısı gölge kutuplu motorlara çok yakındır tek fark olarak gölge kutuplu motordaki bakır halkaların yerine kutup yüzeylerinin bir kısmı hava aralığı biraz daha fazla olacak şekilde yerleştirilmiştir. Hava aralığı ortadaki rotor ile kutuplar arasında kutbun bir kısmında çok küçük diğer kısmında ise büyüktür. Manyetik direnç değeri hava aralığı büyük olan kısımda büyük küçük olan kısımda da küçüktür..kullanılan rotor üç fazlı asenkron motorun kısa devreli rotoru gibidir. 40
Alternatif akım stator sargısına uygulandığında bobinden sinüsoydal bir akım akar ve değişen bir manyetik akı meydana gelir. Statördeki N kutbundan S kutbuna doğru giden kuvvet çizgileri hava aralığının büyük olduğu yerde geçerken büyük bir manyetik dirençle küçük olduğu yerde daha küçük bir manyetik dirençle karşılaşırlar. Bunun sonucu olarak kutupların manyetik akıları kutup yüzeylerinde daha küçük direnç gösteren kısma doğru kayarlar. Böylece kutupların manyetik akıları her yarım periyotta yön değiştirirler. Rotor bu manyetik akının kutup yüzeyindeki hareketinin sağladığı etki ile döner. Manyetik akının kayması büyük hava aralığı olan kısımdan küçük hava aralığı olan kısma doğru olduğu için rotorda bu yönde döner. Şekil 2.7: Anahtarlamalı Relüktans motor parçaları Bu motorlar adım motorların özel bir halidir. Üç fazlı olarak yapılırlar ve her fazda karşılıklı stator kutuplarına sarılmış, akıları birbirini destekleyecek yönde bağlanmış iki bobin bulunmaktadır. Bu bağlantı seri veya paralel olarak yapılabilir. ARM de rotor konumlarına bağlı olarak motor moment/akım değerleri değişim göstermektedir. 2.5. Asenkron Motor Statorun oluşturduğu endüksiyonla rotorun dönmesi sebebiyle asenkron motorlara endüksiyon motorları da denir. Asenkron motorlar dönüş esnasında elektrik arkları oluşturmazlar. Ayrıca diğer motor çeşitlerine göre maliyetleri daha düşüktür ve daha az bakıma ihtiyaç duyarlar. Bu özellikleri, asenkron motorların sanayide en çok tercih edilen motor modeli olmalarına sebep olmuştur. Asenkron motorlar endüstride çoğunlukla motor olarak tercih edilir; fakat jeneratör modunda da çalıştırılabilirler. Asenkron motorları senkron motorlardan ayırt eden en büyük farklılık, sabit frekansta dönme hızlarının sabit olmamasıdır. Bu hız motor modunda senkron hızdan küçük olup yük arttıkça azalır. Bu motorlara asenkron denilmesi, döner manyetik alan vektörüyle eş zamanlı olmayan bu dönüşünde dolayıdır. 41