HiBRİd elektriKLİ taşitlar ve taşitlardaki depolama sistemleri
Yüklə 109,18 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Key Words
- 2. HİBRİD ELEKTRİKLİ TAŞITLARIN YAPISI
- 3. HİBRİD TAŞITLARIN PERFORMANSLARI
- 4. HİBRİD TAŞITLARIN BİLEŞEN GEREKSİNİMLERİ
- 5. HİBRİD ELEKTRİKLİ TAŞITLAR İÇİN TAHRİK SİSTEMLERİ
- 6. HİBRİD TAŞITLARDA ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ 6.1. Bataryalar
- Volanlar Batar- yalar Kapasi-törler
| HİBRİD ELEKTRİKLİ TAŞITLAR ve TAŞITLARDAKİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ Şule Kuşdoğan Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Mühendisliği Bölümü 41100 İzmit-Kocaeli Tel: 0.262. 335 11 68 E-mail: kusdogan@kou.edu.tr ABSTRACT: Hybrid electric vehicles are for cities an important factor for improving the traffic in urban areas and creating a healtier environment. It is a dream for human being, city traffic without exhausting gas and low noise. Today’s technology includes modern motor design influenced by power electronics and automotive views, energy sources performing better and better to match acceptable vehicle performans and performant control and data acquisition. The electric drive system consists in the simplest case of battery, converter and motor, gear and differential gear. The implementing range of an electric vehicle can be extended by an additional energy source, i.e. an internal combustion motor/generator group or fuel cell.In colloquial language the vehicle is named hybrid vehicle, more precisely hybrid electric vehicle (HEV). In this paper, I focus on the hybrid electric vehicle, energy storage technologies in HEV, elements of the hybrid electric vehicle and their propulsion systems. Key Words: Hybrid electric vehicle, energy storage, propulsion systems, efficiency. 1. GİRİŞ Günümüzde otomotiv sanayi kalite ve teknolojiye gereken önemi vermek ve rekabetin gerektireceği sahalardaki aktiviteleri uygulamak zorundadır. En önemlisi kendi imkanlarını ve yan sanayi imkanlarını kullanarak gerekli teknolojiyi üretebilmektir. Araçlarda emniyet, konfor, can güvenliği ve benzeri konular çok önemlidir. Otomotiv sanayi kalite, yüksek verim, uygun maliyet için gerekli yatırımları her zaman en kısa dönemde yapmak zorundadır. Burada elektrikli hibrid otomobillerde kullanılan motorlar sınıflandırılmakta, depolama sistemleri ve verimleri incelenmektedir. Güç elektroniği uygulamalarının yaygın ve etkin bir şekilde kullanılması sonucu, verimlilik değeri yüksek, güvenilir motorların kullanımı ve tasarlanması güncelliğini sürdürmektedir. 2. HİBRİD ELEKTRİKLİ TAŞITLARIN YAPISI Yakıt pili veya içten yanmalı motor/generatör gurubu gibi ilave enerji kaynakları kullanılarak elektrikli taşıtların menzili arttırılabilir. Hibrid elektrikli taşıtların üç ana yapısı vardır: seri hibrid, paralel hibrid ve seri-paralel hibrid. Seri elektrikli hibridlerde içten yanmalı motor, elektrik generatörünü tahrik eder. Böylece bataryaya veya motora güç iletilir. Bu güç birimi sadece, ortalama güç için tasarlanır. Çalışma noktası, optimal menzil için seçilir. Bazı araçlarda, içten yanmalı motor-generatör setleri, ortalama güç için tasarlanmayıp sadece menzili arttırmak için kullanılabilir. Paralel elektrik hibridlerde, içten yanmalı motor ve elektrik motoru, dişli kutusu yardımıyla veya direkt olarak birleştirilir. Kavrama, her bir motorla bağlantılı değildir. Bu yolla, elektrik motorunu tahrik etmek mümkündür. Her iki motor da aynı şafta bağlanacaktır. Çözüm, tek mod hibrid diye adlandırılan her bir aks tahriğinde, motorların tamamıyla bağlantısız olmasıdır. Kavrama, ısı enerjisi dizisi ve elektrik motoru arasındaki ayırma işlemine ve paralel bağlantıdan seri bağlantıya geçişe neden olur. Bu bağlantı seri-paralel elektrik hibrid bağlantı olarak isimlendirilir. İlave kombinasyonlar, süperkapasitörler veya volanlar ile kombinasyonlar mümkündür. Seri hibrid sistemlerde kullanılabilen sadece gaz türbinidir. Düşük dinamik davranışı ve çok yüksek hızı buna sebeptir. Gaz türbini yüksek güç motorlarında ve özellikle nakil amaçlı, dondurucu olarak kullanılan taşıtlarda uygulanmaktadır. Yolcu araçları da, deneysel arabalar olarak günümüzde gaz türbinleri ile donatılır. Tablo 1. Gaz türbini temel avantaj ve dezavantajları
Yakıt pilli hibrid yapı, seri hibridlerde kullanılır. Motor ve generatörün yerine, yakıt pili yerleştirilir. Hibrid tahrik sistemleri, iyi güç kaynaklarına ihtiyaç duyarlar. Normal tahrik bataryaları, hibridler için uygun değildir. Çünkü batarya, sadece düşük enerji için hesaplanmışsa ve yaşam zamanı çok küçük ise, iç direnci çok yüksektir. Hibrid yapılarda, enerji yönetim sistemleri, emisyonlar ve global enerji veriminin etkisi yüzünden, temel bir rol oynayacaktır. Tablo 2. Hibrid taşıtlar için transmisyon karşılaştırmaları
(1) NOx/partikül ile olabilen problemler (2) Şehir içi kullanım (3) Şehir içi alanlar için elektrik menzili (4) Sıfır emisyonlu taşıt için nitelikler (5) Seri üretim ile fiyatı düşürülmüş
SET Sıfır emisyonlu taşıt ADET Aşırı düşük emisyonlu taşıt SADET Süper aşırı düşük emisyonlu taşıt ESET Eşdeğer sıfır emisyonlu taşıt Bundan dolayı iyi veri kazanmak için kullanılan sistemler, anahtar elemanlar olacaklardır. Hibrid taşıtlar için seri ve paralel yapılar ek şekil 1 ve ek şekil 2’de verilmektedir. 3. HİBRİD TAŞITLARIN PERFORMANSLARI Hibrid elektrikli taşıtların gelişiminin başındaki performanslar varolan bataryaların güç kapasitesi için, çoğunlukla kurşun asit bataryalar için uyarlanmıştı. Günümüzde ise şehir içi ve şehirlerarası yollarda hibrid elektrikli taşıtlara talepler artmaktadır. Bu talepler farklılıklar göstermektedir ve taşıtın cinsine ve boyutuna göre değişmektedir. Elektrikli taşıtlarda ve hibrid elektrikli taşıtlarda faydalı frenleme meydana gelebilir ve ortaya çıkan enerji bataryada depolanır. Bu taşıtların en önemli özelliklerinden biri faydalı frenlemedir. Tablo 2’de hibrid taşıtlar için yakıt, fiyat, yakıt tasarrufu ve emisyon değerleri verilmektedir. 4. HİBRİD TAŞITLARIN BİLEŞEN GEREKSİNİMLERİ Toplam güç ve generatör seti veya batarya ile üretilen elektrik gücü arasındaki oran, yüzde olarak açıklanır. Seri hibrid taşıt olduğu durumda,hibridizasyon oranı tüm güce ayarlanan elektrik generatöründe, elektrik güç oranına eşittir (içten yanmalı hibridizasyon oranı). Paralel hibrid taşıt için, tüm güce elektrik gücünün oranı eşittir (elektrik hibridizasyon oranı). Günümüzde, hibrid taşıtın yapısının seçimi, hızlı bir gelişme içindedir. Burada taşıt için gerekli en klasik konfigürasyonlar değerlendirilecektir. 4.1. Bataryalar: Elektrikli ve hibrid elektrikli araç uygulamalarında bataryaların yüksek özgül güç, yüksek özgül enerji ve uzun çevrim ömrüne sahip olması beklenmektedir. Özgül enerji yoğunluğu enerji kaynağının birim kütlesinde depolanan enerji miktarını göstermektedir. Özgül güç ise yine enerji kaynağının birim kütlesinin verdiği güç olarak ifade edilmektedir. 200 W/kg veya 300 W/kg’a kadar devamlı verim tasarımı için, en az 50 Wh/kg spesifik enerji ve 100 W/kg için spesifik güç menzili olmak zorundadır. Daha fazla batarya idare sistemi ve enerji yönetim birimleri; enerji verimliliği ve güvenilirliği için önemli noktalardır. İdeal olarak 1000 W/kg’a kadar150 Wh/kg ve/veya 500 W/kg süperkapasitör kullanıldığında daha iyi olacaktır. 4.2. Petrol, dizel-ve benzin motoru/elektrik generatörü Maksimum güç hibridizasyon oranına bağlıdır. 12 m seri hibrid otobüs için 2500 metreküp motor ile 40 kW motor gücü, tahrik için 30 kW generatör beslemesi ve 125-145 kW elektrik motoru yeterlidir. Hızlanma gücü veya ivme batarya ile verilir. Eğilimler açıkça daimi mıknatıslara doğrudur. Daimi mıknatıslı generatörlerde verim, sabit güç çalışma noktasında % 90-95’dir. 4.3. Elektrik motoru: Bu konuda iki seçenek ortaya çıkmaktadır. Asenkron motor, sağlamlığının yüksek olmasından dolayı avantajlıdır. Daimi mıknatıslı motor, daha yüksek verim ile daha pahalı çözümlere yol açar. Çözüm, tekerleklere motorların integrasyonu yapıldığı zaman mümkün olacaktır. Taşıtlarda her bir parçada yüksek performans gereklidir. İçten yanmalı elektrikli taşıt incelendiğinde, her bir eleman özel olarak düzenlenmelidir. Fiyat için temel kriter, donanıma ve teknik performansa göre ayarlanır. 5. HİBRİD ELEKTRİKLİ TAŞITLAR İÇİN TAHRİK SİSTEMLERİ Hibrid elektrikli taşıtlarda kullanılan tahrik sistemleri; elektrik motoru, güç elektroniği ve kontrol initelerinden oluşur. Paralel hibrid elektrikli taşıtlarda bunlara ek olarak, içten yanmalı motor da tahrik sisteminin bir parçasıdır. Hibrid elektrikli taşıtların motorlarında beklenen özellikler şöyledir[2]:
5.1. Tahrik Motorları: Burada, DC motor, asenkron motor (IM), anahtarlı relüktans motor ve daimi mıknatıslı senkron/fırçasız dc motorlar boyut, ağırlık, verim ve fiyat için karşılaştırılmıştır. Taban hızda güç çıkışı 40 kW ve 60 kW’tır. Tablo 3. Hibrid elektrikli taşıtlarda kullanılan motorlar için verim (%) değerlendirmesi
(a) Tek katlı helezon hız kesici dişli ve diferansiyel (b) Tek katlı platener azaltmalı dişli (c) İki katlı platener azaltmalı dişli Ağırlık:
Asenkron motorun ağırlığı = 41 kg + 10 kg (1) = 51 kg 2 direkt tahrik tekerlekli motorun ağırlığı = 49 kg 2 hızlı daimi mıknatıslı tekerlekli motor = 34 kg (2) (1)vites ve diferansiyelin ağırlığı = 10 kg (2) Dişli dahil azaltma 7 kg Tablo 3’de hibrid elektrikli taşıtlarda kullanılan motorlar için yüzde verim sonuçları gösterilmektedir. Tablo 4. Frenleme için araçtaki enerji tüketimi dahil ağırlık ve verimin birleştirilmiş etkisi
Motorların karşılaştırılmalı fiyatları DC =DC motorlar = 100 birim fiyat Notlar
(1) DC motorların günümüzde kullanımının artması beklenmektedir. (2) Asenkron motorlar için, stabil imalat yapılmaktadır. Elektrikli taşıt üreticileri için ana seçim asenkron motor kullanılmaktadır. (3) Anahtarlı relüktans motorları: Bu motorların uygulamalarda beş yıl sonra daha çok kullanılması ihtimali fazladır. (4) Elektrikli taşıtlar ve hibridler için önemli araştırmalar Japonya’da daimi mıknatıslı araçlar için yapılmaktadır. Örneğin Hitachi, Toyota ve Honda gibi. Günümüzdeki gelişmelere bağlı olarak, cinsine göre, 2008’de büyük hacimlerde fiyatın $30-50/kg düşmesi beklenmektedir. (5) Direkt tahrik tekerlek motorları, yüksek mıknatıslı içeriği nedeniyle önemli bir fiyata sahiptir. (6) Dişli daimi mıknatıslı tahrik motorları 2008’de yüksek hacimli uygulamalar için daha çok kullanılacaktır. Tekerleklere monte edilen motorlar, her bir tekerleğe ayrı ayrı monte edildiğinden, maddi yönden daha çok külfet gerektirmektedir. Çünkü, inverter fiyatı artmakta ve hız/pozisyon için ekstra sensörler gerekmektedir. Tablo 5. Motorların karşılaştırmalı fiyatları
Batarya maliyetine, ağırlık ve verimin etkisi dahil edildiğinde tahrik sistemlerinin maliyet karşılaştırması da önemlidir. Taşıtın enerji gereksinmesini, tahrik motorunun ağırlık ve verimi etkilemektedir. Ağırlık ve verimin etkisi, bataryalı taşıtlarda daha yüksektir. Çünkü elektrikli taşıtlar, hibrid taşıtların üç katı kadar daha büyük bataryalara sahiptir. Tablo 6. Tahrik sistemlerinin maliyet karşılaştırması
Enerji fiyatlarına göre de tahrik sistemlerinin fiyatları değişmektedir. Hibrid taşıtları benzinin maliyeti etkidiği kadar, elektrikli taşıtları yeniden şarj etmede elektriğin maliyeti etkiler. Aynı zamanda yakıt fiyatını ağırlık ve verim de etkiler. Farklı motor tekniklerini, toplam fiyatına göre elektrikli ve hibrid taşıt için karşılaştırabiliriz. Elektrikli taşıtlar için, daimi mıknatıslı motorun fiyatı %15-20 asenkron motorun fiyatından daha düşüktür. 2008 itibariyle hızı ayarlanabilir tekerlek motorlarının fiyatı % 5 daha fazla olabilir. Hibrid taşıtlar için,tek daimi mıknatıslı motor en iyi çözümdür, asenkron motorundan ve hızı ayarlanabilen tekerlek motor opsiyonlarından % 15 daha düşük maliyeti vardır. Direkt tahrikli tekerlek motorlarının maliyeti uygun değildir. Şu anda, yakıt pilli taşıtları değerlendirmek mümkün değildir. Maliyetleri çok net olarak saptanamamıştır. İlk maliyetleri elektrikli taşıtlarla aynıdır, fakat gelişmelerden sonraki maliyetleri hibrid taşıtlara yaklaşabilir. Tablo 7. Elektrikli ve hibrid taşıtlardaki motorların toplam fiyatına göre karşılaştırılması
Temelde, 2008’de seri üretimlerde elektrikli taşıtlarda 2 direkt tahrikli tekerleğe monte edilen motorlar için asenkron motorlar tercih edilebilir. Bununla birlikte özellikle elektrikli taşıtlar için iki hızlı tekerleğe monte edilen motorlara göre,tek daimi mıknatıslı motor en iyi seçenektir. 6. HİBRİD TAŞITLARDA ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ 6.1. Bataryalar Bataryalar, hibrid elektrikli taşıtların performansında başarılı olmaya çoğunlukla engel olur. Çünkü hibrid elektrikli taşıtların sekonder güç kaynaklarının gereksinmeleri çok önemli gereksinmeleri yerine getirecek şekilde tasarlanmamıştır. Günümüzde lityum iyon bataryalar, yüksek enerji uygulamaları için çok başarılıdırlar. Lityum iyon bataryalara alternatif olarak; NiMH ve kurşun asit bataryalar aynı zamanda, hibrid elektrikli taşıtlardaki kullanımı için incelenebilir. Gerçekte bu bataryalar, pik yükleri kullanırken yeterli güç sağlar. Fakat bu durumda da yaşam süreleri azalır. Bu yüzden orta ve uzun vadede lityum iyon bataryaların kullanımı öngörülmektedir.
Ultrakapasitör teknolojisi, çift tabaka temelli olarak 100 yılın üzerinde anlaşılmış olmasına rağmen, ticari uygulamalar için yaklaşık 10 yıl için olağanüstü bir başarı göstermektedir. Konvansiyonel kapasitörler gibi ultrakapasitörler de iki tane plaka olarak adlandırılan iletkenle, bunları ayıran ve dielektrik olarak isimlendirilen yalıtkandan oluşurlar. Çift tabaka sıvı elektrod solusyonu iç yüzeyinde meydana getirilir, temel olarak, şarj elektrolit ve sıvı arasında ayrılan iç yüzeyde meydana gelir. İki şarj tabakası diğer pozitif fazlalığı ve bir yüzdeki elektronların fazlalığı ile oluşturulur. Dielektrik form arasında kutupsal moleküller bulunurlar. Ultrakapasitörlerin pek çoğu, elektrod, elektrolit ile karbon birleştirilir. Tabakalar, kapasite plakaları sınırlarından oluşurlar. Onların arasındaki küçük boşluklar kadar çok yüksek kapasitansa neden olurlar. İlaveten, karbon elektrodun tipik delikçikli yapısı, etkili yüzey alanını 2,000 m2/g’a kadar arttırır. Ultrakapasitörler, konvansiyonel kapasitörlerden, son derece daha yüksek miktarda enerji depolayabilirler. Ultrakapasitörler, günümüzdeki pazarda mevcuttur, düşük veya yüksek enerjide serbest bırakılan enerji, kapasite sınırları 2,700 farad’a kadardır. Onlar aynı zamanda bataryalar gibi kullanılabilirler. Bununla birlikte, ultrakapasitörler, bataryadan daha fazla güç, 10-20 kez daha fazla verebilirler. Bunun gibi, ultrakapasitörlerin güç ve enerji yoğunluğu terimlerindeki, elektrolit kapasite teknolojisi ve batarya teknolojisi arasındaki yerleri belirlenmiştir. Üstüne üstlük, üretimden itibaren yaşamı boyunca hakikaten bakım gerektirmezler, milyonlarca kez devir kapasitesine sahiptirler. Sonuç olarak, enerji depolama formunda iyi bir yere sahiptirler. Ultrakapasitör kullanımı hibrid elektrikli taşıtlarda arttığında, içten yanmalı motor fonksiyonları , primer güç kaynağı olarak geleneksel hibrid elektrikli taşıtlarda ultrakapasitör kullanımıyla artacaktır. Sürekli güç gereksinmeleri ele alınır. Ultrakapasitörler kısa süreli yük düzenleme için değerlendirilir ve sekonder güç kaynağı olarak işletilir. Çünkü, bu kısa süreli olaylar taşıtların yaşamında binlerce kez tekrarlanır. Ultrakapasitör, uzun yaşam için oldukça uygundur; deşarj sırasında herhangi bir zorlama olmaksızın milyonlarca kez devir yapabilir. 6.3. Yakıt Pilleri Yakıt pilleri, her şeyden önce umut vaat eden teknoloji olmasına rağmen, en azından 10 yıl için hacim üretimi için uygun değildir. Buna rağmen yakıt pilleri gelecek vaat eden bir teknolojidir. Aynı zamanda birçok dezavantajı vardır ve bunlar uygulanabilir hale getirilmeden önce çözülmek zorundadır. 6.4. Volanlar Günümüzde güç elektroniği teknolojilerine ve modern alaşım malzemelerinin avantajlarına sahip yüksek güç/ enerji yoğunluklu volan oluşturma uğraşlarında, yüksek uç hızlarına sahip sıkıştırılmış volan bataryaları geliştirilme çabaları sürdürülmektedir. Son zamanlarda bu alaşım volan sistemleri için hedef uygulamalar elektrik ya da hibrid elektrikli taşıtlar ve uydu momentum kontrolüdür. Volanların hibrid elektrikli taşıtlar uygulamalarında kullanılmasıyla ilgili pek çok metot vardır, bunların hepsinde yüksek güç darbelerini iletebilme kabiliyeti vardır.Günümüzde kullanılan metotta, kimyasal bataryaların tamamının yerine geçen büyük bir volan kullanma uygulamasıdır. Tablo 7’de incelenen enerji depolama sistemleri için karşılaştırmalar verilmektedir. Tablo 7. Enerji depolama sistemlerinin fiyat karşılaştırmaları
7. SONUÇLAR Hibrid elektrikli taşıtlar sıfıra çok yakın emisyon üretirler. Üretimlerinde, iyi sürüş performansı, düşük sistem maliyeti ve azami yakıt ekonomisi sağlamak amaçlanmalıdır. Kullanılabilir enerji kapasitesi çok sınırlı olan hibrid elektrikli otomobillerdeki elektrik motorlarının kolay kontrol edilebilir olması, çeşitli tahrik sistemlerinin kullanılmasına neden olur. Hibrid elektrikli taşıt teknolojisinin hedefi olarak, tahrik sistemi verimi arttırılmalı ve enerji depolama sistemlerinin seçiminde, gelişmelerdeki durum ve teknik potansiyel göz önüne alınmalıdır. Enerji depolama sistemlerinin hızlı gelişimi, hibrid elektrikli taşıtların gelişimine en büyük desteği vermektedir. Dünya’da hibrid taşıtlar seri olarak üretilmektedir. Ülkemizde de ne şekilde olursa olsun hibrid taşıtların geliştirilme çabaları sürdürülmelidir. KAYNAKLAR [1] West John, ‘‘Propulsion Systems for Hybrid ElectricVehicles’’, 1999, Electrical Machine Design For All Electric and Hybrid Electric Vehicles IEE Colloquium [2] Elektrikli Araçlar, TÜBİTAK-MAM Yayını, Kocaeli 2003. [3] Kuşdoğan Ş., İnan E., ‘’Elektrikli Taşıtlara Enerji Depolama Sistemlerinin Uygulanması’’, IV. Ulaşım ve Trafik Kongresi, Ankara, Eylül 2003. [4] Maher B., ‘’Ultracapacitors and the Hybrid Electric Vehicle’’, Passive Component Industry, March/April 2001. [5] Schoenung M.S., Eyer J. And et al, ‘’Energy Storage for a Competitive Power Market’’, Annu. Rev. Energy Environ. 1996, 21:347-70. [6]Merkle M.A., ‘’Variable Bus Voltage Modelling for Series HEV Simulation’’, 1997, Virginia.
EK Şekil 1. Paralel hibrid elektrikli taşıt yapısı 
EK Şekil 2. Seri hibrid elektrikli taşıt yapısı Yüklə 109,18 Kb. Dostları ilə paylaş:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
