Elektrikli ve hibrit elektrikli araç uygulamalarında bataryaların yüksek özgül enerji, yüksek özgül güç ve uzun çevrim ömre sahip olması istenmektedir. Özgül güç enerji kaynağının birim kütlesinin verdiği güç olarak ifade edilir. Özgül enerji yoğunluğu ise enerji kaynağının birim kütlesinde depolanan enerji miktarını göstermektedir. Çizelge 3.1’de EA’larda kullanılan ve gelişimini sürdüren bataryalar listelenmiştir [17].
3.1. Bataryalar
Burada azami enerji yoğunluğu; batarya ağırlığının her kilogramında, 3 saatlik deşarj döngüsü boyunca elde edilen enerji miktarını göstermektedir. Batarya tamamen deşarj olmadan ne kadar kullanılabileceğini bu gösterge sayesinde anlarız. Depolanan enerjinin bataryadan ne kadar hızla çekilebileceğini azami güç yoğunluğu göstermektedir. Çalışma sıcaklığı hangi bataryanın kullanılacağına karar verilmesinde çok önemli bir faktördür.
Çizelge 3.1‘de bataryaların çalışma sıcaklıkları verilmiştir. Sodyum-nikel klorür, sodyum-sülfür, lityum-demir sülfür çok yüksek sıcaklıklarda çalışan bataryalar için özel sistemlerin kurulmasına ihtiyaç vardır. Bataryaların kullanım ömrü de bir diğer önemli faktördür. Bir batarya için hedeflenen çevrim ömrü, yaklaşık olarak 3-4 yıllık bir kullanım ömrüne karşılık gelen 1000’dir. Bataryalarda derin deşarj çevrimi bataryanın hem enerji hem de güç yoğunluğunu bir miktar azaltmaktadır. Bu nedenle bataryaların ömrü azalmaya yakın performansları da önemli ölçüde azalmaktadır. EA’lara maliyet açısından bir değerlendirme yaptığımızda, enerji depolama konusunda en uygun batarya teknolojisi kurşun-asit olduğu görülmektedir. Kurşun-asit bataryaların dezavantajı ise aracın menzilini doğrudan etkileyen enerji yoğunluğunun düşük olmasıdır. Gelişmekte olan batarya çeşitlerinden nikel metal hidrür, nikel kadmiyum, lityum iyon gibi bataryaların yüksek enerji yoğunluğu öne çıkmaktadır. Diğer yandan sodyum sülfür gibi yüksek sıcaklık bataryaları da elektrikli araç uygulamalarında kullanılmaktadırlar. Bataryalarda yüksek hücre voltajı ile istenilen gerilimdeki bataryayı sağlamak için daha az sayıda hücre kullanılır, böylelikle bataryanın karmaşıklığı azalır ve güvenilirliği artar [17,18].
Çizelge 3.1. Elektrikli araç bataryaları özellikleri
Batarya Tipi Azami Enerji Yoğunluğu (Wh/kg) Azami güç yoğunluğu (W/kg) En hızlı %80 tekrar şarj zamanı(dakika) Çalışma Sıcaklığı Çevrim Sayısı (%80 Deşarj durumunda) Maliyet (USD/kWh)
Kurşun-asit 35 150 Veri yok Ortam 1000 60
3.2. Hibrit Elektrikli Araçlar İçin Bataryalar
Genel olarak EA’ larda kullanılacak bataryaların güç ( W / kg) ve enerji ( Wh / kg ) seviyelerinin yüksek, uzun ömürlü, düşük maliyetli olması istenir. Ancak bu özelliklerin tümünü bir arada bulunduran mükemmel batarya bulunmamaktadır.
Hibrit elektrikli araçlarda kullanılacak bataryalar, aracın konfigürasyonuna ve araçta kullanılacak enerji yönetim sistemine göre seçilmelidir.
Araçlarda batarya şarj seviyesi % 50’lilerin altına düşmemesi prensibine göre tasarlamış HEA’lar için derin deşarja dayanabilecek bataryalar seçilir. Hibrit elektrikli araçların sessiz sürüş modu için de derin deşarj kabiliyetine sahip bataryalar kullanılmalıdır. Ancak hibrit sistemlerde kullanılacak bataryaların şarj seviyesi belli aralıklarda değişeceğinden bataryanın özgül gücünün yüksek olması gereklidir. Seri HEA’larda, ortalama yükleri, güç üretim sistemi karşılayacağından bataryalar tepe yüklerde anlık enerji talebini karşılayacak büyüklükte seçilmelidir.
Yükün tamamının bataryalar tarafından karşılanacağı durumlarda ise özgül enerjisi yüksek bataryaların kullanılması gerekmektedir. Burada güç üretim sistemi ise aküleri şarj etmek için kullanılmaktadır. PHEA’larda, elektrik tahrik sistemi çoğunlukla düşük güçlerde seçilir, dolayısıyla bu araçlarda sessiz sürüş modu da çok kısadır. Geri kazanımlı frenleme sırasında ve düşük hızlarda özgül gücü yüksek bataryalar kullanılarak enerji tasarrufu hedeflenmiş olur [18,19].
3.2.1. Kurşun-asit batarya
Bütün İYM’larda ilk hareketi sağlayan Kurşun-Asit bataryanın düşük maliyetlileri pozitif kurşun dioksit elektrotu, negatif kurşun elektrotu ve de sülfürik asit elektrolit çözeltisinden oluşmaktadır. Yaklaşık 12 voltu sağlamak için 6 tane hücre seri şekilde bağlanır. Bu bataryaların gelişme süreci 100 yılı geçirmesine rağmen 25-35 Wh/kg gibi düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Fakat güç yoğunluğu 150 W/kg gibi yüksek bir değerdir.
Kurşun asit bataryaların diğer bir dezavantajı ise düşük çevre sıcaklıklarından şiddetli bir şekilde etkilenmeleridir. Özelliklede 10 °C’ nin altındaki çalışma koşullarında hem güç hem de enerji yoğunluğunda önemli ölçüde düşüş görülür. Bu tip batarya kullanan elektrikli araçların düşük ortam sıcaklıklarına maruz kalması halinde yardımcı bir bataryanın ısıtmasına ve bu bataryanın izolasyonuna ihtiyaç duyulur. Kurşun asit bataryalarının ömrü yaklaşık 3 yıldır, buda % 80 derin deşarj koşulunda 1000 çevrime tekabül eder [17,20,21].
3.2.2. Lityum-Demir sülfat batarya
Elektrikli araçlarda potansiyel kullanım alanı bulunan yüksek sıcaklık bataryalarından biridir. Lityum bataryaların kullanılmasının en önemli özelliklerin birisi üstün enerji
depolama yeteneği sağlayan yüksek elektrot potansiyeline sahip olmasıdır. Bu bataryaların demir sülfat pozitif ve alüminyum lityum negatif elektrotları vardır. 450 °C sıcaklıklarında çalışan bu bataryaların azami enerji yoğunluğu 150 Wh/kg, güç yoğunluğu 300 W/kg ve derin deşarj çevrimi 1000 civarındadır [17,20,21].
3.2.3. Lityum-katı polimer batarya
Lityum-katı polimer bataryada diğer yüksek sıcaklık bataryalarından farklı olarak, ergimiş tuz elektroliti yerine iletken polimerler kullanılmaktadır. Bu bataryalar 150 Wh/kg enerji, 300 W/kg güç yoğunluğuna sahiptirler. Bataryaların en elverişli çalışma sıcaklığı 80 °C ve 120 °C aralığında olmasına rağmen düşük güçte dış ortam sıcaklıklarında çalışması mümkündür [ 17,20,22].
3.2.4. Lityum-İyon batarya
Lityum-iyon hücrelerin yapısı lityum-katı polimer batarya hücrelerine benzer, fakat bu bataryalarda negatif lityum metal plaka yerine kalay oksit veya grafit gibi negatif “host”
kullanılır. Deşarj sırasında lityum iyonları negatif “host” tan organik elektrot yardımıyla kobalt, manganez ya da nikel oksit pozitif “host” a geçer. Lityum-iyon bataryalar yaklaşık 120 Wh/kg enerji yoğunluğuna ve 1000 çevrimlik derin deşarj çevrimine sahiptirler.
Bu bataryalar, 1 saatten daha kısa sürede %80 şarj durumuna tekrar şarj edilebilirler.
Elektrikli araç uygulamalarında kullanılabilecek maliyet ve özelliklere getirebilmek için Lityum-İyon bataryalar üzerinde Japonya (Sony ve Panasonic), Avrupa (SAFT ve Varta) ve ABD’de (Duracell) çeşitli çalışmalar sürdürmektedirler. Sony, 120 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip, 3500 derin deşarj çevrimli, 35kWh kapasite ve bir lityum-iyon batarya yaptığını bildirmiştir. Lityum-iyon ve lityum-katı polimer bataryalar yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle, elektrikli araç uygulamaları için en uygun potansiyele sahip bataryalardır. Gelecekte lityum-iyon bataryanın yüksek olan maliyetlerini düşürerek EA’larda kullanılabilecek ekonomik seviyeye inebileceği öngörülmektedir. Şekil 3.1’de lityum-iyon bataryanın kesiti görülmektedir [17,20,23].
Şekil 3.1. Tipik lityum- iyon pil kesiti
3.3. Ultra-Kapasitörler
Kapasitörler pozitif ve negatif elektrostatik yüklerin ayrışmasıyla enerjiyi depo eden cihazlardır. Kapasitör iki iletken levha ile bunları ayıran dielektrik olarak adlandırılan yalıtkan maddeden oluşmaktadır. Kapasitörlerin güç yoğunlukları çok yüksek (~1012 W/m3) olmasına rağmen enerji yoğunlukları çok düşüktür (~50 Wh/m3). Depolanan yük miktarı plakaların yüzeyi ile doğru orantılıdır, aralarındaki mesafeyle ise ters orantılıdır. Ultra-kapasitörler elektrolitik Ultra-kapasitörlerin geliştirilmiş halidir. Ultra-Ultra-kapasitörlerin enerji ve güç yoğunlukları sırayla yaklaşık olarak 104 Wh/m3, 106 W/m3 mertebesindedir.
Ultra-kapasitörlerin deşarj süreleri hızlı ve çevrim ömrü daha fazladır ancak enerji yoğunlukları bataryalara göre daha azdır. Bir ultra-kapasitörde plakalar bataryada olduğu gibi elektrottur ve arasındaki boşluk katı polimerden oluşan elektrolitle doludur. Burada kimyasal reaksiyonlar gerçekleşmez, yüksek yüzey alanına sahip delikli malzemeden yapılmış elektrotlarda iyonlaşma olur ( >2000 m2/g). Böylece elektrostatik yükler iyonlar şeklinde elektrolitte depolanmış olur. Ultra-kapasitörlerin birincil enerji kaynağı olarak HEA’larda kullanılması için enerji yoğunlukları artırılmalıdır, dolayısıyla devam eden araştırmalarda 4000 W/kg ve 15 Wh/kg civarında kapasiteye sahip kapasitörlerin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Ultra-kapasitörler ivmelenme ve yokuş çıkma gibi ani güç gereksinmelerinde bataryalara ya da yakıt piline yardımcı enerji kaynağı olarak
kullanılmaktadır. Çizelge 3.2’de kurşun asit batarya, Flywheel ve ultra-kapasitörün mukayesesi gösterilmiştir [17,23].
Çizelge 3.2. Kurşun-asit, Flywheel ve Ultra-kapasitörlerin değerlendirilmesi
Kurşun-asit Flywheel Ultra-kapasitör Özgül enerji
(Wh/kg) 50 5-15 3-5
(kJ/kg) 180 18-55 11-18
Özgül güç(W/kg) 150 500 300-500
Depolama verimi (%) 77 93 80-90
Normal şarj zamanı (saat) 8 Çok kısa Çok kısa Çevrim ömrü 600-1200 >1 000 000 >100 000