HASAN CAN
Active member
Elektrikli Araç Akü Sistemleri
Trafikte elektrikli araçları kullanacağımız geleceğe her geçen gün biraz daha yaklaşıyoruz. Elektrikli araçlarla ilgili genel bilgilerin ve özellikle de elektrikli araçların en önemli parçası olan akü sistemlerinin incelendiği bu yazımızda pek çok detayı bir arada bulacaksınız. Keyifle okumanız dileği ile.
Dünyamızın artan nüfusuna bağlı olarak ulaştırmada kullanılan araç sayısı da artmaktadır. Bu artış beraberinde kullanılan yakıt miktarının da artması anlamına gelmektedir. Kullanılan fosil yakıtlar ise atmosferde kirletici emisyonların ve karbondioksit (CO2) gazı miktarının hızla artışına bu bağlamda sera etkisi oluşumuna ve iklim değişikliğine kadar uzanan geniş çerçevede sorunlara neden olmaktadır.
Şekil-1: Enerji Tüketiminin Sektörlere Göre Dağılımı
Ulaşımın bu kirleticiler arasında en büyük rolü oynadığını düşündüğümüzde ulaşımda enerji verimliliği konusu devamlı gündemde olmaktadır. Şekil-1'de petrol tüketiminin yıllara göre dağılışı verilmiştir. Bu dağılıma göre 1973'te %45.4'lük paya sahip olan ulaşım 2004 yılına gelindiğinde %57.7'e, 2010'da ise %61.5 seviyesine ulaşmıştır.
Şekil-2'de de dünyada ulaşım tipine göre enerji tüketimi dağılımı verilmiştir. Bu dağılımda bize açıkça göstermektedir ki dünyada karayolu önemli bir paya sahiptir.
Şekil-2: Ulaşım Tipine Göre Enerji Tüketimi
Bu ciddi sorunlar ve günümüz teknolojisinin getirdiği yenilikler sonucunda karbon emisyonunun azaltılmasına yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmalardan belki de en önemlisi elektrikli araçlar oluştur. Bizde bu yazımızda elektrikli araçların en önemli noktasını teşkil eden akü sistemleri üzerinde yoğunlaşacağız.
Öncelikle elektrikli araçların genel yapılarına bakacak olursak; elektrikli araçlar dört ana bileşenden meydana gelir.
1. Elektrik Motoru
2. Elektronik Kontrol Modülü
3. Pil, Pil Yönetim Sistemi, Akıllı Akü Şarj Cihazı, Kablolama Sistemi, Jeneratif Fren Sistemi
4. Araç Gövdesi, Soğutma, Fren
Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorlarının güç/tork eğrileri içten yanmalı motorlara göre daha yüksek olduğu için ivmelenmeleri çok daha hızlı bir şekilde olabilmektedir. Bunun yanı sıra içten yanmalı motorlarda ki gibi bir hareket sistemi olmadığından ötürü çok sessiz çalışma özellikleri vardır. Elektronik kontrol modülleri ile kullanıcının isteklerine daha rahat cevap verebilen, her açında konfor ve güvenliğe olanak sağlayabilen sistemler sayesinde yolculuk daha keyifli hale gelebilmektedir.
Şekil-3: Elektrikli Araç Bileşenleri
Bir elektrikli araçın çalışması için bir elektrik motoru tarafından tahrike ihtiyaç duymaktadır. Bu motor da elektronik kontrol modülü sayesinde kontrol edilebilmektedir. Kontrolörün yaptığı iş aracın gaz pedalına veya daha gelişkin modellerde gaz tuşuna basıldığında uygulanan sinyali alır. Bu sinyale uygun olarak da tekerleklere iletilmesi gereken torku hesaplar bunun sonucunda gerekli olan enerjiyi aküden çekerek motora oradan da tekerleklere iletir. Tahrik sisteminde alternatif akım (AC) ve doğru akım (DC) olarak iki tür mevcuttur. Geçmişte değişken devirli uygulamalarda DC motorlar kullanılmasına karşılık günümüzde teknolojinin gelişmesi ile beraber AC motorlar artık daha yaygın kullanılmaktadır. DC motorları kontrol etmek daha kolay ve ucuzdur. Ancak gerek ağırlıkları gerekse büyüklüklerine bakılacak olursa AC motorlara göre dezavantajlıdır. Verimlilik açısından da DC motorlar bir adım geridedir. AC motorlar ve denetleyicileri daha yaygın ve geniş ürün yelpazesine sahiptir. Buna karşılık getirdiği karmaşık elektronik sistemler nedeni ile DC motorlara göre daha pahalıdır.
Eletkrikli araçların genel özelliklerini ve çalışma şekline de kısaca değindikten sonra artık bu araçların en önemli noktası olan akü sistemlerini detaylandırmamızda fayda var.
Akü temel olarak elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depo eden ihtiyaç halinde bunu elektrik enerjisi olarak geri veren cihazlardır. Beş ana bileşenden meydana gelmektedir.
1. Anot ve Katot Kutupları
2. Ayırıcılar
3. Terminaller
4. Elektrolitik
5. Muhafaza Kabı
Şekil-4: Li-Ion Bir Elektrikli Araç Aküsü
Her bateri pozitif ve negatif olmak üzere iki terminalden oluşur. Bateri içinde bulunan elektrolit ise sıvı, jel veya katı maddelerden oluşabilir. Geçmişte kurşun-asit, nikel-kadminyum gibi sıvı maddelerden yapılan elektrolit günümüzde lityum-iyon, lityum polimer gibi katı veya jelimsi maddelere yerini bırakmıştır. Basit olarak akünün açılmasını özetleyecek olursak; akü içerisinde bulunan elektrokimyasal hücreler elektriki açıdan belirli bir potansiyel fark oluşturur. Bu potansiyel fark sayesinde pozitif (anot) ve negatif (katot) kutuplar meydana gelir. Bu kutuplara bir motor bağlandığını düşündüğümüzde devre tamamlanmış olur. Bunun sonucunda pilden motoro doğru bir akım akmaya başlar. Bu akım motoru tahrik ederek tork oluşturmasını sağlar.
Peki biz bu akülerden hangisini aracımızda kullanmamız gerekir? Hangi akü daha avantajlıdır? Dilerseniz bu soruların yanıtını net bir şekilde alabilmek için akü yapılarını detaylandıralım.
► Pb-Asit Akü
Kurşun-Asit akülerin negatif tabakaları kurşundan yapılır ve kurşuna ek olarak kalsiyum ve antimon kullanılarak imal edilmiş pozitif tabakaların arasına sıkıştırılmıştır. Kurşun oksit, PbO2 veya PbSO4 kullanılarak da pozitif ve negatif tabakaları birbirine yapıştırılır. Kullanılan bu aktif maddeler enerji depolanması için geniş bir yüzey alanı oluşturur. Mikrogözenekli ayırıcılar kimyasal reaksiyonun burada gerçekleşmesini sağlayarak elektrotların kısa devre olmasını önler. Bu bloklu yapıda her pozitif kutup tek bir pozitif kutuba her negatif kutup tek bir negatif kutuba ulaşacak şekilde dizayn edilerek iki kutup başı elde edilmiş olur. Bu yapı da polipropilenden yapılmış gövde içine yerleştirilir. Havalandırma kapağı takılır. Sızdırmasız bir şekilde monte edilir.
Yaklaşık olarak 20 yıla kadar ömürleri vardır. Periyodik bakımları yaptırıldığında bu süre daha da uzun olabilmektedir. Verimlilikleri de %95~%99 arasında değişkenlik gösterir.
► NiMH Akü
Pazara nikel-kadminyum (Ni-Cd) pillerin yerini alarak girmiştir. Tüketici elektroniğinde 1980'lerden sonra oldukça yaygın olarak kullanılmıştır.Ni-Cd akülerden %35 daha fazla depolama yapabilen NiMH aküler yüksek kapasiteleri nedeni ile tercih nedeni haline gelmiştir. NiMH aküler AB5 (LaNi5)ve AB2 (TiN2) bileşiklerinden meydana gelir. Yaklaşık olarak birbirine eş değer hidrojen depolama kapasiteleri vardır ve bu miktar ağırlıkları başına %1.5 civarıdır. Bu düşük depolama özelliği nedeni ile yüksek güçlerde çok çok büyük pillerin kullanılması gerekmektedir. Bu da kompakt elektrikli araç tasarımı için dezavantaj oluşturmaktadır.
► Li-ion Aküler
Akü tipleri arasında üçüncü nesil olarak görülen Li-ion bateriler eletkrikli araçlar için sıkça tercih edilen akü modelidir. Yüksek negatif potansiyele ve minimum atomik ağırlığa sahip olan littyum yüksek performans karakteristiği ile elektrikli araçlarda kullanılan aküler için çok ideal bir madde olmuştur. Ancak lityum metali tek başına hava ve diğer sıvı elektrolitlerle tepkime vermemektedir. Bu da başlangıçta akülerin dizaynını zorlaştırmıştır. Ortaya çıkan bu problem lityum metaline karbon eklenmesi ile ortaya çıkan Lityum Grafit(LixC) maddesinin ortaya çıkarılması ile çözülmüş oldu.
Li-ion pillerin deşarjı sırasında lityum iyonları (Li+) serbest bırakılır ve Li+ anottan katoda doğru hareket eder. Organik elektrolitler lityum tarafından indirgenmeye karşı direçlidir. Lityum su ile reaksiyona girerek katod oksidasyonunu meydana getirir. Bu olay kolayca terse çevrilebilir. Bunun sonucunda kutup başlarında potansiyel fark oluşturularak gerilim elde edilir. Li-ion pillerde şarj ve deşarj süreleri Pb-Asit, NiMH pillere göre çok çok kısadır. Bunun yanında aynı miktarda enerji elde etmek için NiMH akülere göre %40 daha az yere ihtiyaç duyar. Gerek hızlı şarj gerekse en az yer gerektirmesi nedeni ile kompakt elektrikli araçlarda kullanımı gittikçe yayılmaktadır.
Toparlayacak olursak Li-ion piller geleneksel Pb-asit, NiMH pillere göre birim hacim ve ağırlık başına üç kat daha fazla enerji depolama yeteneğine sahiptir. Yüksek enerji özellikleri ile Li-ion aküler havacılık elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar gibi yüksek tork gerektiren uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kendi kendine deşarj oranı Li-ion akülerde %5 iken geleksel akülerde %20 civarındadır. Güç yoğunluğu, gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunluklarının yüksekliği nedeni ile sıkça kullanılmaktadırlar.
Trafikte elektrikli araçları kullanacağımız geleceğe her geçen gün biraz daha yaklaşıyoruz. Elektrikli araçlarla ilgili genel bilgilerin ve özellikle de elektrikli araçların en önemli parçası olan akü sistemlerinin incelendiği bu yazımızda pek çok detayı bir arada bulacaksınız. Keyifle okumanız dileği ile.
elektrikli araç
| 
Elektrikli araç
|
Dünyada Enerji Tüketimi
Dünyamızın artan nüfusuna bağlı olarak ulaştırmada kullanılan araç sayısı da artmaktadır. Bu artış beraberinde kullanılan yakıt miktarının da artması anlamına gelmektedir. Kullanılan fosil yakıtlar ise atmosferde kirletici emisyonların ve karbondioksit (CO2) gazı miktarının hızla artışına bu bağlamda sera etkisi oluşumuna ve iklim değişikliğine kadar uzanan geniş çerçevede sorunlara neden olmaktadır.
Şekil-1: Enerji Tüketiminin Sektörlere Göre Dağılımı
Ulaşımın bu kirleticiler arasında en büyük rolü oynadığını düşündüğümüzde ulaşımda enerji verimliliği konusu devamlı gündemde olmaktadır. Şekil-1'de petrol tüketiminin yıllara göre dağılışı verilmiştir. Bu dağılıma göre 1973'te %45.4'lük paya sahip olan ulaşım 2004 yılına gelindiğinde %57.7'e, 2010'da ise %61.5 seviyesine ulaşmıştır.
Şekil-2'de de dünyada ulaşım tipine göre enerji tüketimi dağılımı verilmiştir. Bu dağılımda bize açıkça göstermektedir ki dünyada karayolu önemli bir paya sahiptir.
Şekil-2: Ulaşım Tipine Göre Enerji Tüketimi
Bu ciddi sorunlar ve günümüz teknolojisinin getirdiği yenilikler sonucunda karbon emisyonunun azaltılmasına yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmalardan belki de en önemlisi elektrikli araçlar oluştur. Bizde bu yazımızda elektrikli araçların en önemli noktasını teşkil eden akü sistemleri üzerinde yoğunlaşacağız.
Elektrikli Araçların Genel Özellikleri
Öncelikle elektrikli araçların genel yapılarına bakacak olursak; elektrikli araçlar dört ana bileşenden meydana gelir.
1. Elektrik Motoru
2. Elektronik Kontrol Modülü
3. Pil, Pil Yönetim Sistemi, Akıllı Akü Şarj Cihazı, Kablolama Sistemi, Jeneratif Fren Sistemi
4. Araç Gövdesi, Soğutma, Fren
Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorlarının güç/tork eğrileri içten yanmalı motorlara göre daha yüksek olduğu için ivmelenmeleri çok daha hızlı bir şekilde olabilmektedir. Bunun yanı sıra içten yanmalı motorlarda ki gibi bir hareket sistemi olmadığından ötürü çok sessiz çalışma özellikleri vardır. Elektronik kontrol modülleri ile kullanıcının isteklerine daha rahat cevap verebilen, her açında konfor ve güvenliğe olanak sağlayabilen sistemler sayesinde yolculuk daha keyifli hale gelebilmektedir.
Şekil-3: Elektrikli Araç Bileşenleri
Bir elektrikli araçın çalışması için bir elektrik motoru tarafından tahrike ihtiyaç duymaktadır. Bu motor da elektronik kontrol modülü sayesinde kontrol edilebilmektedir. Kontrolörün yaptığı iş aracın gaz pedalına veya daha gelişkin modellerde gaz tuşuna basıldığında uygulanan sinyali alır. Bu sinyale uygun olarak da tekerleklere iletilmesi gereken torku hesaplar bunun sonucunda gerekli olan enerjiyi aküden çekerek motora oradan da tekerleklere iletir. Tahrik sisteminde alternatif akım (AC) ve doğru akım (DC) olarak iki tür mevcuttur. Geçmişte değişken devirli uygulamalarda DC motorlar kullanılmasına karşılık günümüzde teknolojinin gelişmesi ile beraber AC motorlar artık daha yaygın kullanılmaktadır. DC motorları kontrol etmek daha kolay ve ucuzdur. Ancak gerek ağırlıkları gerekse büyüklüklerine bakılacak olursa AC motorlara göre dezavantajlıdır. Verimlilik açısından da DC motorlar bir adım geridedir. AC motorlar ve denetleyicileri daha yaygın ve geniş ürün yelpazesine sahiptir. Buna karşılık getirdiği karmaşık elektronik sistemler nedeni ile DC motorlara göre daha pahalıdır.
Eletkrikli araçların genel özelliklerini ve çalışma şekline de kısaca değindikten sonra artık bu araçların en önemli noktası olan akü sistemlerini detaylandırmamızda fayda var.
Akü Sistemleri
Akü temel olarak elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depo eden ihtiyaç halinde bunu elektrik enerjisi olarak geri veren cihazlardır. Beş ana bileşenden meydana gelmektedir.
1. Anot ve Katot Kutupları
2. Ayırıcılar
3. Terminaller
4. Elektrolitik
5. Muhafaza Kabı
Şekil-4: Li-Ion Bir Elektrikli Araç Aküsü
Her bateri pozitif ve negatif olmak üzere iki terminalden oluşur. Bateri içinde bulunan elektrolit ise sıvı, jel veya katı maddelerden oluşabilir. Geçmişte kurşun-asit, nikel-kadminyum gibi sıvı maddelerden yapılan elektrolit günümüzde lityum-iyon, lityum polimer gibi katı veya jelimsi maddelere yerini bırakmıştır. Basit olarak akünün açılmasını özetleyecek olursak; akü içerisinde bulunan elektrokimyasal hücreler elektriki açıdan belirli bir potansiyel fark oluşturur. Bu potansiyel fark sayesinde pozitif (anot) ve negatif (katot) kutuplar meydana gelir. Bu kutuplara bir motor bağlandığını düşündüğümüzde devre tamamlanmış olur. Bunun sonucunda pilden motoro doğru bir akım akmaya başlar. Bu akım motoru tahrik ederek tork oluşturmasını sağlar.
Peki biz bu akülerden hangisini aracımızda kullanmamız gerekir? Hangi akü daha avantajlıdır? Dilerseniz bu soruların yanıtını net bir şekilde alabilmek için akü yapılarını detaylandıralım.
Akü Çeşitleri
► Pb-Asit Akü
Kurşun-Asit akülerin negatif tabakaları kurşundan yapılır ve kurşuna ek olarak kalsiyum ve antimon kullanılarak imal edilmiş pozitif tabakaların arasına sıkıştırılmıştır. Kurşun oksit, PbO2 veya PbSO4 kullanılarak da pozitif ve negatif tabakaları birbirine yapıştırılır. Kullanılan bu aktif maddeler enerji depolanması için geniş bir yüzey alanı oluşturur. Mikrogözenekli ayırıcılar kimyasal reaksiyonun burada gerçekleşmesini sağlayarak elektrotların kısa devre olmasını önler. Bu bloklu yapıda her pozitif kutup tek bir pozitif kutuba her negatif kutup tek bir negatif kutuba ulaşacak şekilde dizayn edilerek iki kutup başı elde edilmiş olur. Bu yapı da polipropilenden yapılmış gövde içine yerleştirilir. Havalandırma kapağı takılır. Sızdırmasız bir şekilde monte edilir.
Yaklaşık olarak 20 yıla kadar ömürleri vardır. Periyodik bakımları yaptırıldığında bu süre daha da uzun olabilmektedir. Verimlilikleri de %95~%99 arasında değişkenlik gösterir.
► NiMH Akü
Pazara nikel-kadminyum (Ni-Cd) pillerin yerini alarak girmiştir. Tüketici elektroniğinde 1980'lerden sonra oldukça yaygın olarak kullanılmıştır.Ni-Cd akülerden %35 daha fazla depolama yapabilen NiMH aküler yüksek kapasiteleri nedeni ile tercih nedeni haline gelmiştir. NiMH aküler AB5 (LaNi5)ve AB2 (TiN2) bileşiklerinden meydana gelir. Yaklaşık olarak birbirine eş değer hidrojen depolama kapasiteleri vardır ve bu miktar ağırlıkları başına %1.5 civarıdır. Bu düşük depolama özelliği nedeni ile yüksek güçlerde çok çok büyük pillerin kullanılması gerekmektedir. Bu da kompakt elektrikli araç tasarımı için dezavantaj oluşturmaktadır.
► Li-ion Aküler
Akü tipleri arasında üçüncü nesil olarak görülen Li-ion bateriler eletkrikli araçlar için sıkça tercih edilen akü modelidir. Yüksek negatif potansiyele ve minimum atomik ağırlığa sahip olan littyum yüksek performans karakteristiği ile elektrikli araçlarda kullanılan aküler için çok ideal bir madde olmuştur. Ancak lityum metali tek başına hava ve diğer sıvı elektrolitlerle tepkime vermemektedir. Bu da başlangıçta akülerin dizaynını zorlaştırmıştır. Ortaya çıkan bu problem lityum metaline karbon eklenmesi ile ortaya çıkan Lityum Grafit(LixC) maddesinin ortaya çıkarılması ile çözülmüş oldu.
Li-ion pillerin deşarjı sırasında lityum iyonları (Li+) serbest bırakılır ve Li+ anottan katoda doğru hareket eder. Organik elektrolitler lityum tarafından indirgenmeye karşı direçlidir. Lityum su ile reaksiyona girerek katod oksidasyonunu meydana getirir. Bu olay kolayca terse çevrilebilir. Bunun sonucunda kutup başlarında potansiyel fark oluşturularak gerilim elde edilir. Li-ion pillerde şarj ve deşarj süreleri Pb-Asit, NiMH pillere göre çok çok kısadır. Bunun yanında aynı miktarda enerji elde etmek için NiMH akülere göre %40 daha az yere ihtiyaç duyar. Gerek hızlı şarj gerekse en az yer gerektirmesi nedeni ile kompakt elektrikli araçlarda kullanımı gittikçe yayılmaktadır.
Toparlayacak olursak Li-ion piller geleneksel Pb-asit, NiMH pillere göre birim hacim ve ağırlık başına üç kat daha fazla enerji depolama yeteneğine sahiptir. Yüksek enerji özellikleri ile Li-ion aküler havacılık elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar gibi yüksek tork gerektiren uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kendi kendine deşarj oranı Li-ion akülerde %5 iken geleksel akülerde %20 civarındadır. Güç yoğunluğu, gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunluklarının yüksekliği nedeni ile sıkça kullanılmaktadırlar.
