Elektrikli Araçların Gidişatı: Elektrikli araçlar için elektrik makineleri ve sürücü teknolojisindeki en son gelişmeleri irdeleme Prof. Dr. R. Nejat TUNCAY 1
NEDEN? 19.cu Yüz Yıl Sonu ve 20.ci Yüz Yıl Başlarında satılan otomobillerin çoğu Elektrikli idi? NEDEN? 1920 den itibaren elektrikli araçlar piyasadan çekildi? Bu Günlerde NELER OLUYOR? 2
ELEKTRİKLİ ARAÇ ÇAĞI GELDİ Mİ? Performans? (Verim, Hız, Moment,..) Maliyet? ( ilk yapım + İşletme) Menzil? Güvenilirlik?, Bakım? Çevre Dostu? CO2, NOx, Bilişim Çağına Uygunluk? 3
Targeted Opportunities: Customer Needs Elektrikli ve Hibrit Elektrikli Araç Satış Öngörü Değerleri (IEA) 4
İTİCİ GÜÇLER Küresel Isınma, CO 2 ve diğer NO x gazların atmosfere salınma sorunu Sınırlı Petrol Rezervleri ve petrolün türevlerinin önemi Enerji Verimi Bilişim Çağı nın otomotive yansıması 5
Mtoe Dünya birincil enerji tüketiminde petrolün payı yüksek ve hemen hemen tamamı ulaşım için kullanılıyor. 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 Other renewables Biomass Hydro Nuclear 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Gas Oil Coal WEO-2008 total 6
İçtenYanmalı Motorlu ve Elektrikli ve Hibrid Elektrikli Araçların CO 2 Salımı VW Report, 2013, US Branch Diesel, 111 g/km ( Dünya vazgeçiyor NEDEN?) Gasoline, 132 g Production of Hydrogen, 210 g/km Wind Energy, 1 g/km Nuclear Power, 6 g/km Natural Gas, 98 g/km Heating Oil, 145 g/km Hard Coal, 171 g/km Lignite, 188 g/km Electricity Mixture in Germany in 2010, 115g/km Electricity Mixture in China in 2010, 179 g/km Neden Fransa bu listede yok? 7
Gt IEA International Energy Agency 450 Senaryosu uygulanabilirse 2030 yılında Referans Senaryoya göre atık CO2 14 Giga-ton azalacak 42 40 38 Reference Scenario Share of abatement % 2020 2030 36 End-use 59 52 34 13.8 Gt Power plants 6 5 3.8 Gt Renewables 32 18 20 Biofuels 1 3 30 Nuclear 13 10 28 CCS 3 10 450 Scenario 26 2007 2010 2015 2020 2025 2030 Special Thanks to Dr.Fatih Birol,IEA / OECD 8
Elektrikli Araçlar Yeni Alanlar Açıyor Elektrikli Tahrik ve Frenleme Sistemi Elektrik Makinası,Generatör, Debriyaj, Dişli Kutusu, Fren Sistemi, İnsan-Araç Arayüzü: Yeni Kontrol kavramları,hmi, Sürücü Davranışı, Uyku vs Haberleşme Mimarisi: Telematik, CAN Bus, Lin Bus, Flex Ray, Anten, Elektromanyetik Uyumluluk Araç Gövdesi: Yeni Tasarımlar, Hafif Araç, Aerodinamik yapı, yeni malzeme vs Enerji Sistemleri: Li-Ion Batarya, Yakıt Pili, Süper Kapasitör, Volan vs Isı Kontrolu: Isıtma, Soğutma, Havalandırma, Batarya Soğutması, Vs Güç Elektroniği: Evirici, Doğrultucu, dc/dc çevirici, Kontrol Elektroniği, Batarya Şarj Devreleri ve Kontrolu Araç Dinamiği ve Yol Performansı Bilgisayar Modelleme ve Hesapl, Sensör ve Ölçme, Menzil Hesaplamaları ve Optimum yol Otomotiv Mekatroniğii: Elektrikli Direksiyon, Yedek Güç Sistemleri, Güç Elektroniği Kompresörleri electric Compressors 9
OTOMOTİVDE BİLİŞİM ÇAĞI ELEKTRİKLİ ARAÇLAR BİLGİ TEKNOLOJİSİNE DAHA İYİ UYUM SAĞLIYOR AKILLI ARAÇLAR Yol kalitesini izliyor, Hızını, fren mesafesini ayarlıyor, Diğer araçları görüyor, Yayaları görüyor, Park edebiliyor, Trafik işaretlerini tanıyor, Trafik kurallarını öğreniyor, Enerji verimliliğini sağlıyor, Menzil hesabı yapıyor, Sürücüsünü izliyor, Kazayı haber veriyor vs 10
ELEKTRİKLİ ve HİBRİT ARAÇLARDAKİ ANA BİLEŞENLER TAHRİK SİSTEMLERİ (İtki) Elektrik Makinası İçten Yanmalı Motor (HEV) Güç Elektroniği Devresi Kontrol Donanım ve Yazılımı 11
ELEKTRİKLİ ve HİBRİT ARAÇLARDA ANA BİLEŞENLER (Devam) ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ Batarya Hidrojen (Yakıt Pili) Süper Kapasitör Volan Petrol ( Hibrit veya Menzil Artırıcı) 12
ELEKTRİKLİ ve HİBRİT ARAÇLARDA ANA BİLEŞENLER (Devam) ARAÇ KONTROL, HABERLEŞME VE SÜRÜŞ DESTEK SİSTEMLERİ Sürüş Kontrol Sistemi (Donanım-Yazılım) Gövde Fonksiyonları Kontrol Sistemi (Donanım Yazılım) Araç İçi Haberleşme Sistemi Araç Dışı Haberleşme Sistemi (V2X, araçlar arası ve yol kontrol sistemi ile haberleşme) Sürücü Destek Sistemleri ve Sürücüsüz Araçlar 13
14
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMİ * 2013 Volkswagen Group of America, Inc. 1. Electrik Motor/Generator 2. Aktarım Organı ve Diferansiyel 3. Güç Elektroniği 4. Yüksek Gerilim Hattı 5. High-voltage Bataryası 6. Batarya Yönetim ve Kontrol Elektroniği 7. Soğutma Sistemi 8. Fren Sistemi 9. Yüksek Gerilim Soğutma Sistemi 10. Yüksek Gerilim Isıtma Sistemi 11. Batarya Şarj Birimi 12. Dış Şarj için İletim Kutusu 13. Dış Şarj Gerilim Kaynağı 15
Motor Momenti (Tork) Nm 400 Roadster Elektrik Motoru (Asenkron) 200 Yüksek Performans İYM Ortaboy bir araç İYM 0 Bulent Şarlıoğlu IEEE Industry Applications january/february 2017 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 x 10 3 Motor hızı d/d 16
Prof. Dr. Orhan Alankuş, Autoworld 2015 17
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMLERİ HEV (Hibrit Elektrikli Araçlar: Seri, Paralel, Seri-Paralel ) PHEV (Plug-in-Hybrids : Şebekeden Şarj Edilebilen HEV) EV (BEV Bataryalı Elektrikli Araç) FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle Yakıt Pilli Elektrikli Araç) 18
ELEKTRİKLİ VE HİBRİT ARAÇ SİSTEMLERİ 19
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMLERİ Seri Hibrit ve Menzil Artırmalı Elektrikli Araçlar Yakıt Deposu Akü İYM Generatör Konvertör Motor T R A N S M İ S Y O N 20
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMLERİ Paralel Hibrit EA Yakıt Deposu Akü İYM Konvertör Motor T R A N S M İ S Y O N 21
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMLERİ Kompleks Paralel Hibrit EA Yakıt Deposu Konvertör Akü İYM Motor/Generatör Konvertör Motor T R A N S M İ S Y O N 22
ELEKTRİKLİ ARAÇ TAHRİK SİSTEMLERİ Yol Paralellemeli Hibrit EA (Through the Road) Rear Wheel Front Wheel MG ~ = I.C.E. Battery Pack Fuel Tank Rear Wheel Front Wheel 23
TESLA S Şasi Düzenlemesi VW Şasi Düzenlemesi 24
Elektrik Motoru, Güç Elektroniği, Kontrol Elektroniği Soğutma ve Aktarma Organları Yüksek Gerilimli Batarya Hidrojen Tankı Yakıt Pili *2013 VW Report 25
Fuel Cell Vehicle (Mirai Toyota) 26
KULLANILAN ELEKTRİK MAKİNALARININ KESİT GÖRÜNÜMÜ 27
2003 Prius 2004 Prius 2010 Prius Ford Chevy Volt Honda Accord 2007 Camry 2008 Lexus Leaf 28
29
EMO 30
GÜÇ ELEKTRONİĞİ a) Hibrit Araç Blok Gösterim b) Devre şeması 31
GÜÇ ELEKTRONİĞİ CEVİRİCİLERİNDE Güç Yoğunluğu (kw/litre) ve Spesifik Güç (kw/kg 32
GÜÇ ELEKTRONİĞİNDE DEVRİM OLUŞUYOR SiC (Silicon Carbide) ve GaN (Gallium Nidride) temelli Geniş Band Yarıiletken (WBG) anahtarlar geliştiriliyor İletim dirençleri düşük Anahtarlama kayıpları düşük Anahtarlama frekansları yüksek (hızlı iletim ve kesim özelliği) Yüksek sıcaklığa dayanımlı 33
Geniş-Band anahtarların özellikleri 34
35
36
37
38
39
Geniş Band anahtarların kullanılmasıyla anahtarlama kayıplarını artırmadan yüksek frekans anahtarlama yapılabilmektedir 40
TASARIM? Araç Modellenmeli (MATLAB-SIMULINK, dspace, CarMaker vb ) Talep Edilen Performans Değerleri Belirlenmeli Menzil ve Uygun Batarya Tasarımı Yapılmalı Batarya Yönetim Sistemi Tasarlanmalı Elektrikli Tahrik Sistemi Tasarlanmalı (EM+ PE + Kontrol Donanım ve Yazılım) Sürüş Senaryolarına Cevap Veren Yazılım Geliştirilmeli 41
F ω c t. m. g. cos F s m g sin F a =0.5. c r.. A f. v 2 F ac m. dv dt F tot F ω + F s + F a + F ac P mot F tot v T m P mot /ω m F ω : tekerlek sürtünme kuvveti c t : lastik sürtünme katsayısı m : kütle c r : hava sürtünme katsayısı g : yer çekim ivmesi F s : eğim kuvveti (pozitif veya negatif) F a : hava karşı koyma kuvveti r r : hava sürtünme katsayısı δ : havanın yoğunluğu A f : harekete dik ön yüzey alanı v : aracın hızı F ac : ivme (hızlandıran) kuvveti F tot : hareket ettiren toplam kuvvet P mot : tahrik gücü T m : tahrik momenti 42
43
ELiT 1 SERİ HİBRİD ELEKTRİKLİ ARAÇ 2001-2002 Fuel I.C.E. G Battery Pack Generator Power Management System ~ = DC Voltage Bus Motor Driver = ~ M Traction Motor Wheel Mechanical Coupling Türkiye nin ilk hibrit elektrikli aracıdır. Wheel Proje kapsamında seri hibrid elektrikli bir araç tasarlanmış ve prototipi geliştirilmiştir. Proje TOFAŞ A.Ş. TÜBİTAK MAM işbirliği ile gerçekleştirilmiştir. 44
Parallel Hybrid EV (Through the Road) 2006 Rear Wheel Front Wheel MG ~ = I.C.E. Battery Pack Fuel Tank Rear Wheel Front Wheel 45
Parallel Hybrid EV (Both front and rear axes are propelled seperately) 2008 46
OTOKAR Hybrid 160LE ( heavy-duty segment) Bus 2007 47
ASELSAN-TEMSA Elektrikli Otobüs YERLİ TEKNOLOJİ elektrik motoru,(250 kw) motor sürücü birimi, araç kontrol birimi, sürücü gösterge paneli, güç kontrol birimleri, batarya yönetim sistemi Hızlı Şarj (8 dak) Menzil 70-80 km 48
HEXAGON-KARSAN (NewYork) Taxi Project 49
Hybrid Electric Vehicle (Hub) 10kW BLDC Machine 50
E-Bike Power Train 250W BLDC Machine 51
Hafif Hibrit Araç Projesi 2008-2010 Bu çalışmada içten yanmalı motor miline entegre marş motoru ve alternatör olarak kullanılabilen sistem yerleştirilmiştir. Çalışmada tasarlanan sistem, ağır şehir içi trafiğinde maksimum fayda sağlarken, üreticiye ve kullanıcıya minimum maliyet getirmektedir. Seçilen sistem, aracı maksimum 20km/h hızla yaklaşık 2km tam elektrikli modda götürebilecek, dur çalıştır ve entegre marş motoru ve alternatör özellikli bir hafif hibrit elektrikli araçtır. Geliştirme maliyetlerini düşük tutmak ve uygulama olanağını arttırmak üzere, mevcutta içten yanmalı motor uygulaması bulunan bir araç (FIAT Doblo) seçilmiştir. 52
Hafif Hibrit Araç Projesi 2008-2010 53
Özgün EPT (Electric Power Train) Geliştirme Projesi Proje Amacı : Yakın gelecekte otomobil pazarını ele geçirmeye başlayacak olan elektrikli araçlar konusundaki bilgi ve birikimini arttırılması ve seri üretime uygun bir prototip araç sistemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. 54
(%) Motor Tasarımı 100.00 Curve Info Efficiency 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 1000.00 2000.00 3000.00 4000.00 n (rpm) 55
Tasarım sırasında MAXWELL FEM ve RMxprt Yazılımlarından Yararlanılmıştır Number of Poles 10 Rotor Yoke Flux Den. (T) 1.54 Number of Stator Slots 12 Avg. Input Current (A) 213.8 Outer Dia. of Stator (mm) 200 Current Density (A/mm2) 2.27 Airgap (mm) 1.5 Cogging Torque (Nm) 5.7 Magnet Type SmCo Total Loss (W) 5917 Voltage (V) 355 Output Power (W) 69989.6 Net Calc. Weight (kg) 42.0421 Rated Speed (min-1) 7744 Stator Teeth Flux Den. (T) 1.41 Rated Torque (Nm) 86.3(4:1) Stator Yoke Flux Den. (T) 1.42 Efficiency (%) 92.2 56
Motor Soğutma Analizleri Motor Yüzey Sıcaklığı Hesaplamaları Motor Isıl Analizleri (Helisel Model) 57
Motor İmalatı 58
Kontrol Devresi Tasarımı Kontrol Devre Şeması 59
Yazılım ve Kontrol Çalışmaları 60
PEC Çalışmaları Devre Modeli Devre Şematiği 61
Güç Elektroniği Isıl Analiz ve Soğutucu Tasarımı IGBT Modüllere özel Su ile soğutma modülü IGBT Yerleşimi Soğutucu üzerine IGBT Modül yerleşimi 62
Verim [%] Mil Momenti [Nm] Motor Deneyleri 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 Mil Momenti - Hız Grafiği 0,00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Mil Hızı [1/min] Verim- Hız Grafiği 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Mil Hızı [1/min] 63
IPM Motor 64
HUB Motor Tahrikli Elektrikli Araç Geliştirme Projesi Proje Amacı: Bu projede üretimi yapılmakta olan bir otomobilin tekerleklerine özel olarak tasarlanmış tekerlek içi (HUB motor) elektrik motorları yerleştirilmesi, aracın çekiş ve stabilite kontrolü bu elektrik motorlarının özel bir strateji ile sürülmesi ile gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. 65
Y1 [NewtonMeter] Motor Tasarımı 300.00 250.00 Torque Maxwell2DDesign1 Curve Info Moving1.LoadTorque Setup2 : Transient Moving1.Torque Setup2 : Transient ANSOFT 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00-50.00 0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00 Time [ms] 66
Motor Üretimi 67
Elektronik Diferansiyel Çalışmaları Motorların SIMULINK Modelleri Cen ter of tur nin g Elektronik Diferansiyel Modeli 68
Güç Elektroniği ve Kontrol Devresi 69
Tekerlek içine takılan fırçasız elektrik motorları, güç elektroniği ve kontrol sistemleri özel olarak tasarlanmış ve imal edilmiştir. Motorların laboratuvar deneyleri yapılarak ve araca entegre edilmiştir. 70
ELEKTRİKLİ ARAÇ ÇAĞI GELDİ Mİ? Performans? (Verim, Hız, Moment,..) Maliyet? ( ilk yapım + İşletme) Menzil? Güvenilirlik?, Bakım? Çevre Dostu? CO2, NOx, Bilişim Çağına Uygunluk? 71
72
73
R. Nejat Tuncay 74
75