ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA FLYWHEEL DESTEKLİ BİR HİBRİT SİSTEM MODELİNİN TASARIMI
Tayfun İSKENDER
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK EĞİTİMİ ANA BİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MAYIS 2019
Tayfun İSKENDER tarafından hazırlanan “ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA FLYWHEEL DESTEKLİ BİR HİBRİT SİSTEM MODELİNİN TASARIMI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi ELEKTRİK EĞİTİMİ Ana Bilim Dalında Yüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Doç. Dr. Ercan Nurcan YILMAZ
Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ……….……..
Başkan: Doç. Dr. İlhan KOŞALAY
Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Ankara Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………
Üye: Doç. Dr. Cemal YILMAZ
Elektrik Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Gazi Üniversitesi Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.
...………
Tez Savunma Tarihi: 02/05/2019
Jüri tarafından kabul edilen bu çalışmanın Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum
……….…….
Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,
Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,
bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
………..
Tayfun İSKENDER 02/05/2019
ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA FLYWHEEL DESTEKLİ BİR HİBRİT SİSTEM MODELİNİN TASARIMI
(Yüksek Lisans Tezi) Tayfun İSKENDER GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Mayıs 2019 ÖZET
Fosil yakıtlar ile çalışan araçların çevreye verdiği zararların yanı sıra zamanla azalmasından dolayı bu yakıtlara alternatif yenilenebilir enerji kaynakları üzerine çalışmalar yapılmaktadır. İçten yanmalı motorun bir elektrik motoru ile kombinasyonu sonucu hibrit elektrikli araçlar ortaya çıkmıştır. Hibrit elektrikli araç teknolojisi ile yakıt tüketimi ve emisyon değerleri önemli ölçüde düşmektedir. Elektrikli araçlarda ise yüksek maliyet ve kısa ömürlü olmasından dolayı bataryalara alternatif olması ya da birlikte kullanılabilmesi için farklı enerji kaynakları üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Flywheel’ler bu enerji çalışmalarından biridir. Yüksek enerji yoğunluklu Flywheel'ler kinetik enerjiyi depo ederek çalışan uzun ömürlü, enerji depolama birimleridir. Bu çalışmada Li-on batarya ve Flywheel’den oluşan hibrit enerji kaynağı ile çalışan bir elektrikli aracın ADVISOR ortamında benzetim modeli gerçekleştirilmiştir. Benzetimde, ilk olarak sadece batarya ile çalışan bir elektrikli araç için sonuçlar alınmış, sonra sistem hibrit enerji kaynağı ile çalışır hale getirilerek veriler alınmış ve her iki durumdaki enerji durumları incelenmiştir.
Bilim Kodu : 90513
Anahtar Kelimeler : Flywheel, Lion-Batarya, Alternatif Enerji, Elektrikli Araçlar, ADVISOR
Sayfa Adedi : 112
Danışman : Doç. Dr. Ercan Nurcan YILMAZ
DESIGN OF A FLYWHEEL SUPPORTED HYBRID SYSTEM MODEL IN ELECTRIC VEHICLES
(M. Sc. Thesis) Tayfun İSKENDER GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES May 2019
ABSTRACT
In addition to the damage caused to the environment by the vehicles operating with fossil fuels, studies on alternative renewable energy sources are made for these fuels. Combination of the internal combustion engine with an electric motor resulted in hybrid electric vehicles.
Hybrid electric vehicle technology significantly reduces fuel consumption and emissions.
Because of the high cost and short life of electric vehicles, different energy sources are being worked on in order to be alternative to or use with batteries. Flywheels are one of these energy studies. Flywheels with high energy density are long life, energy storage units that store kinetic energy. In this study, a simulation model was performed in the ADVISOR environment of an electric vehicle powered by a hybrid energy source consisting of Li-on battery and Flywheel. In the simulation, the results were first taken for an electric vehicle operated only with the battery, then the system was operated with the hybrid energy source and the data were taken and the energy conditions in both cases were examined.
Science Code : 90513
Key Words : Flywheel, Lion-Battery, Alternative Energy, Electric Vehicles, ADVISOR
Page Number : 112
Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Ercan Nurcan YILMAZ
TEŞEKKÜR
Yüksek lisans çalışması sürecinde bilgi, birikim ve tecrübeleri ile yol gösteren danışmanım sayın Doc. Dr. Ercan Nurcan YILMAZ’ a, Matlab / Simulink benzetim modeli oluşturulmasında yardımda bulunan kıymetli arkadaşım Bayram KÜÇÜK’ e, mesai arkadaşım Selami BULUT’ a ve desteklerini esirgemeyen aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... iv
ABSTRACT ... v
TEŞEKKÜR ... vi
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi
SİMGELER VE KISALTMALAR... xiii
1. GİRİŞ ... 1
2. HİBRİT TAŞIT TEKNOLOJİLERİ VE UYGULAMALARI ... 7
2.1. Elektrikli Araç Teknolojilerindeki Gelişim ... 8
2.2. Hibrit Araçların Hibritleşme Derecesine Göre Sınıflandırılması ... 10
2.2.1. Mikro hibrit araçlar ... 10
2.2.2. Yarı hibrit araçlar ... 11
2.2.3. Tam hibrit araçlar ... 11
2.2.4. Plug-in hibrit elektrikli araçlar ... 11
2.2.5. Elektrikli araç ... 11
2.2.6. Flywheel kullanılan hibrit araçlar ... 12
2.3. Hibrit Araçların Avantajları ... 12
2.4. Seri Hibrit Elektrikli Araç ... 12
2.4.1. Seri sistemin dezavantajları: ... 13
2.5. Paralel Hibrit Elektrikli Araç ... 14
2.5.1. Paralel hibrit sistemin dezavantajları: ... 15
2.6. Seri-Paralel Hibrit Elektrikli Araç ... 15
2.7. Kompleks (Karışık) Hibrit Elektrikli Araç ... 16
2.8. Araç Dinamikleri ... 16
2.8.1. Boylamsal araç dinamiği ... 17
3. ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ ... 25
3.1. Bataryalar ... 25
Sayfa
3.2. Hibrit Elektrikli Araçlar İçin Bataryalar ... 26
3.2.1. Kurşun-asit batarya ... 27
3.2.2. Lityum-Demir sülfat batarya ... 27
3.2.3. Lityum-katı polimer batarya ... 28
3.2.4. Lityum-İyon batarya... 28
3.3. Ultra-Kapasitörler ... 29
3.4. Flywheel ... 30
4. FLYWHEEL ... 33
4.1. Flywheel’in Yapısı ... 36
4.1.1. Rotor: Hız ve kütle ... 39
4.1.2. Yataklar: Mekanik ve manyetik ... 40
4.2. Güç Transferi ... 41
4.2.1. Elektrik gücü transferi ... 41
4.3. Materyaller, Çevreleme ve Güvenlik ... 43
4.4. Gelecek Potansiyeli ... 43
4.5. Flywheel’lerin Avantajları Ve Enerji Depolamadaki Yeri ... 44
4.5.1. Deşarj derinliği ... 46
4.6. Flywheel Maliyetleri ... 49
4.7. Flywheel’ler Ultra-Kondansatörlere Karşı ... 50
4.8.Flywheel’ler ve Pil’ler ... 51
4.8.1. Özgül Güç ... 51
4.8.2. Kullanılabilir ömür ... 51
4.8.3. Çevresel zararları ... 52
4.8.4. Sıcaklık duyarlılığı ... 52
4.8.5. Şarj durumu tahmini ... 52
4.9. Flywheel’in Kullanıldığı Uygulamalar ... 53
4.9.1. Otobüsler ... 53
4.9.2. Arabalar ... 54
4.9.3. Konteyner vinçleri/liman istif taşıyıcıları ... 58
Sayfa
4.9.4. İş makinaları ... 58
4.9.5. Çöp kamyonları ... 59
4.9.6. Şarj istasyonu ... 59
4.9.7. Feribotlar ... 59
4.9.8. Tren istasyonları ... 60
4.9.9. Tramvaylar ... 61
4.9.10. Frekans düzenlemesi ... 61
4.9.11. Mikro-Şebeke stabilizasyonu ... 62
4.9.12. Güç kalitesi... 62
5. FLYWHEEL’İN MODELLENMESİ ... 63
6. ADVISOR ... 67
6.1. ADVISOR Uygulaması ... 67
6.1.1. SAEJ1711 hibrit araç test prosedürü değerlendirmesi ... 67
6.1.2. Yeni bir nesil taşıt ortaklığının sürdürülmesi için teknolojilerin seçilmesi 68
6.2. ADVISOR 2.0 ... 69
6.3. ADVISOR’ın Grafik Kullanıcı Arayüzü ... 69
6.4. Enerji Depolama Sistemi ... 74
6.4.1. Açık devre gerilimi ... 76
6.4.2. Batarya gücü... 77
6.4.3. Batarya akımı ... 78
7. FLYWHEEL ‘Lİ ARACIN BENZETİM MODELİ VE SONUÇLARI . 81
8. SONUÇ ... 101
KAYNAKLAR ... 103
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 2.1. Hibrit dereceleri ... 10
Çizelge 3.1. Elektrikli araç bataryaları özellikleri ... 26
Çizelge 3.2. Kurşun-asit, Flywheel ve Ultra-kapasitörlerin değerlendirilmesi ... 30
Çizelge 3.3. Flywheel’in kurşun-asit bataryaya göre karşılaştırılması ... 31
Çizelge 4.1. Mekanik ve manyetik yatakların karşılaştırılması ... 41
Çizelge 4.2. Flywheel’lerin mevcut ve gelecekteki materyallerle teorik potansiyelleri ... 44
Çizelge 4.3. Şehir içi otobüsün güç aktarımı için güç tamponu uygulamasının farklı teknolojilerle karşılaştırması ... 48
Çizelge 4.4. Flybrid Systems tarafından sunulan bir teknoloji karşılaştırması... 50
Çizelge 4.5. Son teknoloji süper-kondansatörlerle, üç son teknoloji Flywheel’in karşılaştırması ... 51
Çizelge 4.6. Flybrid systems Formula 1 Flywheel’inin özellikleri ... 55
Çizelge 7.1. Modellenen elektrikli araç için ADVISOR’da kullanılan m-file dosyaları .. 83
Çizelge 7.2. CYC_5_Peak sürüş güzergâhına ait özellikler ... 86
Çizelge 7.3. CYC_HL07 sürüş güzergâhına ait özellikler ... 89
Çizelge 7.4. CYC_UDDS sürüş güzergâhına ait özellikler ... 93
Çizelge 7.5. CYC_US06 sürüş güzergâhına ait özellikler ... 96
Çizelge 7.6. Li-ion batarya ve li-ion batarya + Flywheel ile çalışan elektrikli araçta kalan enerji miktarları ... 100
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa
Şekil 2.1. Seri hibrit elektrikli aracın blok şeması ... 13
Şekil 2.2. Paralel hibrit elektrikli aracın blok şeması ... 14
Şekil 2.3. Seri - Paralel hibrit elektrikli aracın blok şeması... 15
Şekil 2.4. Kompleks (karışık) hibrit elektrikli aracın blok şeması ... 16
Şekil 2.5. Araca boylamsal yönde etki eden kuvvetler ... 17
Şekil 2.6. Normal lastik yükleri bileşenleri ... 19
Şekil 2.7. Normal lastik yüklerinin hareket sırasındaki dağılımı... 22
Şekil 3.1. Tipik lityum- iyon pil kesiti ... 29
Şekil 4.1. Flywheel enerji depolama sistemi ... 36
Şekil 4.2. Flywheel/generatör bağlantısı ... 37
Şekil 4.3. Parry People Mover ana gövdesi ... 38
Şekil 4.4. Basit bir uygulamada deşarj-derinliğinin bir pilin devir ömrüne etkisi ... 47
Şekil 4.5. 2009 sezonu için Flybrid systems Formula 1 Flywheel’i ... 55
Şekil 4.6. Jaguar hibrit araba Flywheel’i. Telif hakkı sahibinin izni ile basılmıştır ... 56
Şekil 4.7. GKN Hybrid Power Flywheel’i ... 57
Şekil 6.1. ADVISOR programında örnek bir aracın giriş ekranı ... 70
Şekil 6.2. Benzetişim parametreleri ekranı ... 71
Şekil 6.3. Benzetim sonuç penceresi... 72
Şekil 6.4. ADVISOR çalışma bileşenleri ... 73
Şekil 6.5. Seri melez aracın blok diyagramı ... 73
Şekil 6.6. Blok diyagramı oluşturan bileşenlere ait farklı modeller ... 74
Şekil 6.7. Enerji depolama sistemi ADVISOR modeli ... 75
Şekil 6.8. Batarya açık devre gerilimini belirleme alt modeli ... 76
Şekil 6.9. Batarya gücü matlab/simulink modeli ... 77
Şekil 6. 10. Basit eşdeğer devre ... 78
Şekil 6.11. Batarya akımı matlab/simulink modeli ... 79
Şekil 7.1. ADVISOR ara yüzüne ait görüntü ... 81
Şekil 7.2. Li-ion batarya ile çalışan aracın simulink modeli... 82
Şekil 7.3. Li-ion batarya ve Flywheel ile çalışan aracın simulink modeli ... 82
Şekil 7.4. Power bus bloğunun içyapısı ... 84
Şekil 7.5. Flywheel bloğunun içyapısı ... 85
Şekil 7.6. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için hız-zaman eğrisi... 86
Şekil Sayfa
Şekil 7.7. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi ... 87
Şekil 7.8. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi ... 87
Şekil 7.9. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi ... 87
Şekil 7.10. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için EDS gücü – zaman eğrisi ... 88
Şekil 7.11. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi ... 88
Şekil 7.12. CYC_5_Peak sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim ... 89
Şekil 7.13. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için hız -zaman eğrisi ... 90
Şekil 7.14. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi ... 90
Şekil 7.15. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi ... 91
Şekil 7.16. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için EDS akımı– zaman eğrisi ... 91
Şekil 7.17. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için EDS gücü – zaman eğrisi ... 91
Şekil 7.18. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi ... 92
Şekil 7.19. CYC_HL07 sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim ... 92
Şekil 7.20. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için hız – zaman eğrisi ... 93
Şekil 7.21. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi ... 94
Şekil 7.22. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi ... 94
Şekil 7.23. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi ... 94
Şekil 7.24. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için EDS gücü– zaman eğrisi ... 95
Şekil 7.25. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi ... 95
Şekil 7.26. CYC_UDDS sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim ... 96
Şekil 7.27. CYC_US06 sürüş güzergâhı için hız – zaman eğrisi... 97
Şekil 7.28. CYC_US06 sürüş güzergâhı için motor gücü – zaman eğrisi ... 97
Şekil 7.29. CYC_US06 sürüş güzergâhı için motor torku – zaman eğrisi ... 97
Şekil 7.30. CYC_US06 sürüş güzergâhı için EDS akımı – zaman eğrisi ... 98
Şekil 7.31. CYC_US06 sürüş güzergâhı için EDS gücü– zaman eğrisi ... 98
Şekil 7.32. CYC_US06 sürüş güzergâhı için li-ion batarya SOC değerinin zamanla değişimi ... 99
Şekil 7.33. CYC_US06 sürüş güzergâhı için Flywheel EDS’de kalan enerji miktarındaki değişim ... 99
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklamalar
Preq Dönüştürücü Gücü
amax Maksimum Hızlanma
J Flywheel Ataleti
Etfw Anlık Flywheel Enerjisi
Preq_bat Bataryadan Talep Edilen Güç
Preq_total Enerji Kaynaklarından Talep Edilen Güç
Pav_flyw Flywheel’den Talep Edilen Güç
Kısaltmalar Açıklamalar
EA Elektrikli Araç
FESS Flywheel Energy Storage System
HEV Hibrit Elektrikli Araç
İYM İçten Yanmalı Motor
NREL National Renewable Energy Laboratory
PHEA Plug-in Hibrit Elektrikli Araç
SOC State Of Cahrge
1. GİRİŞ
Çevre kirliliğinin başlıca sebeplerinden biri, motorlu taşıtların fosil yakıtları kullanmalarıdır [1]. Günümüzdeki araçların %95'i petrol kökenli yakıtları kullanmaktadır. Bu neden ile gelecekte petrol rezervleri bitmeye başlayacaktır. Her geçen gün artış gösteren taşıt sayısına bağlı olarak atmosfere salınan zehirli egzoz gazında artış gözlenmektedir [2]. Bu problemlerin giderilmesinde yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan araçlar veya elektrikli araçlar çözüm olacaktır [3]. 1990'lı yıllarda bütün ülkeler enerjinin tasarrufuna ve çevrenin korunmasına artan ilgiye bağlı olarak elektrikli araçlara olan rağbeti daha da artırmıştır. Elektrikli araçlar yüksek enerji verimli, oldukça sessiz ve sıfır egzoz emisyonu sağlamaktadırlar. Elektrikli araçların ticari olarak kullanımında iki büyük engel vardır.
Bunlar yüksek üretim maliyetleri ve kısa sürüş mesafesidir. Mevcut engeller gelecekte elektrikli araçların enerji kaynağı teknolojisinin gelişmesiyle çözüme ulaşacaktır [4]. Bu sebeplerden dolayı araştırmacılar ve firmalar hibrit araçlar üzerinde çalışmalara yoğunlaşmışlardır. 1990'lardan sonra hibrit araçlarla ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır [5].
Sonuç olarak mevcut imkânlar kullanılarak çoğunlukla bir içten yanmalı motorun bir elektrik motoru ile kombinasyonu sonucu Hibrit elektrikli araçlar ortaya çıkmıştır [6]. Hibrit elektrikli araç teknolojisi ile yakıt tüketimi önemli ölçüde düşmektedir. Buna bağlı olarak emisyonlar da düşmüş olur. Hibrit tasarım elektrikli araçların enerji depolama avantajı kullanıldığında, yakıt tüketen klasik bir aracın gideceği menzil artırılmış olur. Genellikle ultra-kapasitör veya gelişmiş bataryalardan oluşan enerji depolama üniteleri kullanılır [7].
Ancak batarya teknolojisindeki gelişmeler hâlâ istenen seviyede olmaması, Elektrikli Araçların ticarileştirilmesi konusunda karşılaşılan büyük bir problemdir. Bataryaların çalışma sıcaklığı ve enerjinin bataryadan ne kadar hızlı çekildiği batarya seçiminde önemli faktördür. Bir diğer faktör ise kullanım ömrüdür. Bataryalarda 1000 çevrim ömrü yaklaşık 3-4 yıla tekabül etmektedir. Şarj/deşarj olayı bataryaların hem güç hem de enerji yoğunluğunun bir miktar azalmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla bataryaların ömürleri azalmaya yakın performansları da önemli ölçüde azalır. Bu nedenle Elektrikli Araçlarla ilgili birçok çalışmada da bataryaya teknolojisi ve buna ek alternatif enerji kaynakları üzerinde durulmaktadır [8].
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 [17]. Hibrit elektrikli araçlarda kullanılacak bataryalar, aracın konfigürasyonuna ve araçta kullanılacak enerji yönetim sistemine göre seçilmelidir. Yükün tamamının bataryalar tarafından karşılanacağı durumlarda ise özgül enerjisi yüksek bataryaların kullanılması gerekmektedir. Burada güç üretim sistemi ise aküleri şarj etmek için kullanılmaktadır. Ayrıca geri kazanımlı frenleme sırasında ve düşük hızlarda özgül gücü yüksek bataryalar kullanılarak enerji tasarrufu hedeflenmiş olur [18-20].
Maliyet açısından en uygun kurşun-asit bataryalardır. Ancak bu bataryaların enerji yoğunluğu çok düşük olduğundan, araç menzilini doğrudan etkiler. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum piller ve ultra-kapasitörler gibi enerji depolama kaynakları ise yüksek maliyete sahiptirler. Şarj/deşarj derinlikleri hemen hemen aynıdır [21].
Bu çalışmada, bataryalara ek olarak Flywheel enerji depolama sistemi kullanılmaktadır.
Flywheel sayesinde bataryaların şarj/deşarj derinlikleri azaltılacağından daha fazla ömre sahip olacaklardır. Şehir içi kullanılan araçlarda dur kalk döngüsü oldukça fazladır. Buda yakıt tüketimini oldukça artırmaktadır. Çünkü en fazla yakıt tüketimi araç hızlandığında meydana gelmektedir. Eğer normalde harcanan enerji, frenleme sürecinde enerji depo edilebilirse ve seyir sırasında bu enerji kullanılabilirse önemli ölçüde yakıt tasarrufu yapılmış olur.
Fosil enerji kaynaklarının kullanıldığı sistemlerde enerji verimliliğini artırmak yenilenebilir enerji kaynakları ile birlikte hibrit sistemler kullanmak cazip hale gelmiştir. Bu yöntemlerden biriside kinetik enerjiyi depo eden sistemlerdir. Kinetik enerji Flywheel’in dönme kütlesi içinde depolanabilmektedir. Çok basit yapıları sayesinde Flywheel geçmişte birçok uygulamaları vardı ve daha sonraki yıllarda yaratıcı uygulamalara olanak sağlamıştır [24].
Malzemeler, manyetik yatak kontrolü ve güç elektroniğinde ki teknolojik gelişmeler Flywheel’lerin yeniden ortaya çıkmasına olanak sağlamıştır. Tabii ki, bilimsel ve teknik ilerlemeler kendi başına bir teknolojiye olan ilgiyi yenilemek için yeterli değildir. Bu teknolojiye gerçek anlamda ihtiyaç duymalıdır. Flywheel’lerin başarılı bir performans sergiliyor olmaları önemli enerji depolama uygulamaları için ciddi rakiplerdir. Örneğin,
taşıma veya güç kalitesini artırma gibi uzun süreli depolama yollarının az olduğu birçok şarj- deşarj döngüsü içeren yerlerde kimyasal pillerle rekabet edebilirler. Depolanan enerji, tekerleğin hızı, kütlesi ve geometrisi ile belirlenirken, giriş ve çıkış gücü limitleri genelde güç elektroniği tarafından ayarlanır [26].
Flywheel enerji depolama sistemlerinin hızlı şarj / deşarj performansı, çevre dostu olması ve sınırsız sayıda tekrarlanan şarj / deşarj döngüsü gibi özellikleri vardır. Bununla birlikte, sıradan Flywheel sistemleri invertörler ve redresörler gibi yarı iletken güç dönüştürücülerle DC bağlantılı kinetik piller olarak kullanılırlar. Flywheel sistemi ve motor jeneratörü ile önerilen UPS sistemi, elektrik güç sistemlerinin kararlılığını artırabilir. Uzaydaki uyduların ve elektrikli araçların birçok uygulamalarına teknolojik alt yapı sağladığı bilinmektedir.
Ayrıca temassız doğal manyetik yataklar düşük aşınma, yağlamanın olmaması, mekanik bakım azlığı ve çalışma sıcaklığının geniş olmasına olanak sağlar. Bir Flywheel enerji depolama (FESS) sistemi, Flywheel’in hızlanması yoluyla giriş enerjisini dönme kinetik enerjisi olarak depolar. Bu enerji daha sonra güç üretmek için bir jeneratöre iletilmek üzere hazırdır [27-30].
Otomobil, kamyon ve otobüs gibi araçlarda enerji tüketiminin sürekli artışı sonucunda, çevre üzerindeki olumsuz etkisi kamuoyunda endişelere sebebiyet vermiştir. Bu sorun daha çok şehir içi dur kalk döngüsü olan taksiler, otobüsler, çöp toplama kamyonları ve dağıtım araçları için geçerlidir. Bu araçlarda kullanılan yakıtın bilindiği üzere strese neden olmakla birlikte şehir içi hava kirliliğinin de başlıca nedenidir.
Son yıllarda malzeme ve mekanik tasarımlardaki gelişmeler, Flywheel’in günümüz sorunlarına yenilikçi çözüm sağlayacağını göstermiştir. Flywheel’in ana avantajı yüksek özgül bir güce sahip olması ve Flywheel’den bu enerjiyi elde etmenin nispeten kolay olmasıdır. Çok kuvvetli malzemeler kullanarak, hava sürtünme kayıplarını azaltmak için manyetik rulmanlar kullanarak veya vakumda çalıştırarak özgül enerjiyi artırmaya yönelik girişimler yapılmıştır [35].
Flywheel’lerde rotor yüksek zorlayıcı manyetik materyaller ( NeDyFeB ya da AlNiCo ) tarafından enerjilendirilir. Dolayısıyla rotor uyarımı için harici bir güç gerekmez. Bu da en yüksek şarj verimliliğini mümkün kılar. Manyetik materyal genel olarak oldukça kırılgan olduğundan Flywheel’lerde manyetik-yüklemeli kompozitlerde daha yüksek döngüsel hıza
ulaşmak için, epoksi dolguda demir tozu ya da manyetize edilmiş mıknatıs tozu kullanarak bir çözüm getirilmiştir [40-42].
Son teknoloji ürünü Flywheel modelleri, güvenli bir kaza davranışını sağlamak için, sayısız güvenlik testinden geçmektedirler. Kompozit rotorların kaza durumlarında zararsız olduğu gösterilmiştir ve kurşungeçirmez yeleklere benzer teknoloji ile çok hafif vakum odaları geliştirilmiştir [49,50].
Maliyet, bir enerji depolama teknolojisinin bir diğerine göre seçiminde belirleyici faktördür.
Flywheel’ler, bir sistemin ömrü boyunca maliyetinin değerlendirildiğinde, temelde piller ve ultra-kapasitörlerle rekabet etmelidir. Flywheel sistemleri için maliyet: sürücüleri, rotor, rulmanlar, güç elektroniği ve sistem dengesi gibi bir dizi alt sisteme yayılır [59]. Piller toplu olarak üretilip, Flywheel’ler toplu üretilmediğinden, Flywheel ve pil maliyetlerini karşılaştırmak zordur. Bununla birlikte, hammadde maliyetlerinin, büyük hacimli elektrikli makinelerin imalatında, maliyetlerin % 60-70'ini oluşturduğu bilinmektedir [60]. GKN Hybrid Power, standart içten yanmalı bir motorun hammadde maliyetinin yaklaşık 685 USD, düşük güçlü, düşük enerjili bir Flywheel’in (30kW/111Wh) yaklaşık 723 USD (%5 daha fazla) olduğunu açıklanmıştır [49]. Gelişmiş elektro-mekanik Flywheel’ler geleneksel olarak çok pahalı olan parçalar içerir; ancak diğer sektörlerdeki gelişmelere paralel olarak, ana teknolojilerdeki fiyatlar düşmektedir. Uppsala Üniversitesi'nin manyetik rulmanlar için yüksek hassasiyete sahip eddy-akım pozisyon sensörleri, 2009 yılında satın almak için 5000 USD civarına mal olmasına karşın, 2015 yılında benzer performansa sahip bir sistem 60 USD' den daha düşük maliyetlere elde edilmiştir. Güç elektroniği, elektrikli otomobil ve enerji endüstrileri tarafından her yıl maliyetlerini düşürüyor. Gelişmiş kontrol için işlem gücü her yıl daha ucuz olmaktadır [38].
Flywheel teknolojisinin gelişmesi sadece karayolu araçları açısından önemli değildir.
Bunların yanında konteyner vinçleri, liman istifleme taşıyıcıları, iş makinaları, feribotlar, tren istasyonları, şarj istasyonları v.b. yerlerde kullanma imkânı vardır. Burada Flywheel’in tipik şekli olan silindir Flywheel MATLAB / simulink ortamında modellenerek ADVISOR ortamında benzetimi yapılacaktır. Flywheel modellenirken depolanan enerji, kütle yoğunluğu, açısal hız, iç çap, dış çap, uzunluk (v.b.) ‘nin bir fonksiyonu olacaktır. Flywheel daha yüksek bir açısal hız ile çok daha fazla enerji depolayabilir. Fakat yüksek baskı düzeylerinde çalıştığından küçük ve hafif Flywheel tercih edilmelidir [106].
Benzetimde kullanacağımız ADVISOR ise NREL (National Renewable Energy Laboratory) tarafından geliştirilmiş araç benzetim modelidir. Menü ve araçları geliştirilen ADVISOR, hibrit ve elektrikli araç bileşenlerinin sistem üzerinde verimlerini anlamak için pek çok müşteri tarafından kullanılmaya başlanmıştır [107]. ADVISOR araç motorlarının analizi için tasarlanmış ve güç akış bileşenleri üzerinde odaklanılmıştır. Araçların yakıt kullanım çıktıları, egzoz emisyonları, maksimum hızlanma eforlarının benzetiminde ve maksimum eğimde tırmanma hızlarının sürekliliğinde kullanılmıştır. ADVISOR kolay kullanımlı ara yüzü ile çok güçlü analiz fonksiyonları için basit erişim sağlar [108-110].
2. HİBRİT TAŞIT TEKNOLOJİLERİ VE UYGULAMALARI
Motorlu taşıtlar fosil yakıtları kullandıkları için çevre kirliliğinin başlıca sebeplerinden birini oluşturmaktadır [1]. Günümüzdeki araçların % 95'i petrol kökenli yakıtları kullanmaktadır.
Bu neden ile gelecekte petrol rezervleri bitmeye başlayacaktır. Her geçen gün artış gösteren taşıt sayısına bağlı olarak atmosfere salınan zehirli egzoz gazında artış gözlenmektedir.
Atmosfere bırakılan zehirli egzoz gazlarının içinde; azot oksitlerin % 55'i, karbon monoksitin % 65'i, hidrokarbonların ise % 45'i dizel ve benzin yakıtı kullanan taşıtların egzoz gazlarından kaynaklanmaktadır [2]. Bu problemlerin giderilmesinde yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan araçlar veya elektrikli araçlar alternatif olacaktır. 1970'li yıllarda bu konuya önem verilmesi çalışmalara hız kazandırmıştır. Günümüzde bu çalışmalar yoğun bir şekilde devam etmektedir. 1834 yılında Thomas Davenport batarya ile çalışan üç tekerlekli bir bisiklet yapmıştır [3].
1899 yılında Camile Jenatzy’in kullandığı ilk elektrikli araç 100 km/h hız sınırını geçmiştir.
1930'larda içten yanmalı motorlardaki teknolojinin gelişmeyle birlikte elektrikli araçlara olan ilgi oldukça azalmıştır. 1970’lerde yaşanan enerji krizi ve petrol sıkıntısı, elektrikli araçlara olan ilginin yeniden artmasını sağlamıştır. 1990'lı yıllarda ise bütün ülkeler enerjinin tasarrufuna ve çevrenin korunmasına artan ilgiye bağlı olarak elektrikli araçlara olan rağbeti daha da artırmıştır. Elektrikli araçlar yüksek enerji verimli, oldukça sessiz ve sıfır egzoz emisyonu sağlamaktadırlar [4].
Bu duruma dezavantaj olarak elektrikli araçların ticari olarak kullanımında iki büyük engel vardır. Bunlar yüksek üretim maliyetleri ve kısa sürüş mesafesidir. Mevcut engeller gelecekte elektrikli araçların enerji kaynağı teknolojisinin gelişmesiyle çözüme ulaşacaktır [4]. Ancak bu sebeplerden dolayı araştırmacılar ve firmalar Hibrit araçlar üzerinde çalışmalara yoğunlaşmışlardır. 1990'lardan sonra Hibrit araçlarla ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır [5]. Sonuç olarak mevcut imkânlar kullanılarak çoğunlukla bir içten yanmalı motorun bir elektrik motoru ile kombinasyonu sonucu Hibrit elektrikli araçlar ortaya çıkmıştır [6].
Hibrit elektrikli araç teknolojisi ile yakıt tüketimi önemli ölçüde düşmektedir. Buna bağlı olarak emisyonlar da düşmüş olur. Hibrit tasarım elektrikli araçların enerji depolama
avantajı kullanıldığında, yakıt tüketen klasik bir aracın gideceği menzil artırılmış olur.
Frenleme enerjisinin geri kazanımı klasik sürtünmeli frenlemenin aksine aracın kinetik enerjisinin önemli bir kısmını geri kazanarak yakıt tasarrufu sağlamaktadır. Genellikle ultra- kapasitör veya gelişmiş bataryalardan oluşan enerji depolama üniteleri kullanılır. Bu sayede yakıt kullanımı azaltılmış, verim artırılmış olur. Ayrıca hibrit elektrikli araç motorun maksimum yükten ziyade orta yükte çalışmasını sağlayarak motorun ağırlığını ve maliyetini düşürmektedir [7].
Günümüzde petrole bağımlı olan otomotiv sektörünün alternatif enerji kaynağı arayışları ve çevreci akımın etkisi ile elektrikli araçlara (EA) olan ilgi artmıştır. Otomotiv sektöründeki birçok üretici de 19. yüzyılın sonlarından beri bu teknolojinin geliştirilmesi için çok büyük bütçeler ayırmaktadır. Batarya teknolojisindeki gelişmeler hâlâ istenen seviyede olmaması, EA'ların ticarileştirilmesi konusunda karşılaşılan büyük bir problemdir. Bu nedenle EA'larla ilgili birçok çalışmada da bataryaya teknolojisi ve buna ek alternatif enerji kaynakları üzerinde durulmaktadır. Bunlardan biride ileride bahsedeceğimiz Flywheel’lerdir [8].
2.1. Elektrikli Araç Teknolojilerindeki Gelişim
İçten yanmalı motorlu araçların üretiminden, bu zamana kadar farklı teknolojilere sahip araçlar üretilmiştir. Burada teknolojik bir sıralama yaparsak içten yanmalı motorlu araçlardan sonra mikro hibrit, yarı hibrit, tam hibrit, plug-in hibrit elektrikli araçlar (PHEA) ve son olarak %100 elektrikli araçlar gelmektedir. Elektrikli araç (EA) teknolojilerinin 1900'lü yıllardan itibaren gelişimine bakacak olursak; Tarihte bilinen ilk hibrit elektrikli araç, 1901 yılında seri hibrid elektrikli araç olarak Ferdinand Porsche tarafından tasarlanmıştır. Elektrik motorlarının elektriğini karşılayacak enerji kaynağı olarak, küçük bir batarya ve jeneratör kullanmıştır. Hareket için her bir teker içerisine yerleştirilmiş, sürekli istekte maksimum 1.9 kW-2.6 kW, ivmelenme sırasında 5.2 kW anlık güç sağlayabilen elektrik motorları kullanılmıştır. Araç, 50 km/h maksimum hız, 50 km’lik menzile sahiptir.
1915 yılında, Woods Motor Vehicle isimli elektrikli araç üreticisi olan şirket tarafından bir başka hibrit elektrikli araç üretilmiştir. Bu araç da dört silindirli içten yanmalı motor ile elektrik motoru vardır. 25 km/h ‘in altında ki hızlarda sadece elektrik motoru hareketi sağlanırken, 25 km/h ile maksimum hızı 55 km/h arasındaki hızlarda içten yanmalı motor tarafından aracın hareket etmesi sağlanmaktadır.
Yakın geçmişte Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı tarafından oluşturulan Ulusal Temiz Otomobil Teşvik Programı kapsamında Victor Wouk HEA prototipini General Motors firmasına ait 1972 model bir Buick Skylark otomobile 16 kW’lık bir elektrik motoru entegre ederek geliştirmiştir.
Birçok HEA’ın temel tasarım kriteri olan geri kazanımlı frenleme sistemi 1978 yılında David Arthurs tarafından geliştirilmiştir. Kendi tasarladığı gerilim kontrolörü ile Opel GT’ye ait hazır ürünleri entegre ederek, bataryaları, elektrik motorunu ve DC jeneratörü birlikte birleştirmiştir.
1989 yılında, Audi firması Audi 100 Avant Quattro model aracı üzerinde, prototip olarak ürettiği paralel hibrit elektrikli araçta şarj edip kullanabilme özelliğini ortaya çıkarmıştır.
Arka tekerleri 12.6 beygir gücündeki Siemens marka elektrik motorları sürmektedir. Elektrik motoru için gerekli olan elektrik enerjisi, Nikel-Kadmiyum bataryalar tarafından sağlanmıştır.
Aracın ön tekerlekleri ise 2.3 lt, 5 silindirli ve 136 beygir gücündeki içten yanmalı motor tarafından sürülmektedir. Bu projedeki amaç, şehirlerarası trafikte sadece içten yanmalı motor hareketi sağlarken, şehir içi trafiğinde ise yalnızca elektrik motoru ile sürüşün sağlanabildiği bir araç meydana getirmekti. Ancak elektrik sürüşü için kullanılan elektriksel materyallerin ağırlıkları, sistemin istenilen verime ulaşmasını engellemiştir. Audi firması bu çalışmadan iki yıl sonra aynı araç üzerinde ikinci prototip hibrit elektrikli aracını geliştirmiştir.
Bu araçta, arka tekerlerin tahriğini üç-fazlı ve 28.6 hp gücündeki elektrik motoru sağlıyordu.
İlkinden farklı olarak bu prototipte, 2.0 lt ve 4 silindirli içten yanmalı motorun tahrik enerjisi arka aksa yerleştirilen torsen diferansiyel ile arka tekerleklere ilave güç olarak aktarılmıştır.
1990’lı yıllarda Toyota Prius ve Honda Insight ticari araçları ile otomobil sektöründe HEA’lar için başarı elde edilmiştir. Bu araçlarda, içten yanmalı motorun direk olarak tekerlekleri tahrik ettiği paralel hibrit uygulaması kullanılmıştır. Toyota Prius ilk üretiminden itibaren talep görmüştür. Yeni araçları daha konvansiyonel görünümde, daha ucuz ve % 40’a kadar daha az yakıt ekonomisi değerlerine ulaşmıştır. Honda Civic hibrit
modeli 4.7 lt/100 km yakıt tüketimine sahiptir. 2006 yılında Honda Insight modeli üretimden kalkmıştır. Daha sonraki yıllarda Honda Accord’un hibrit modeli üretilmiştir.
İlk hibrit elektrikli dört-çeker araç 2005 yılında, Ford tarafından Escape Hibrit modeli olarak üretilmiştir. 2006 yazından sonra Camry Hibrit piyasada yerini almıştır. 2007 yılında ise Lexus firması GS model spor sedan otomobilinin hibrit versiyonunun üretimini yapmıştır.
Yine aynı yıl içinde Nissan firması da Altima hibrit modelini piyasaya sürmüştür [9].
2.2. Hibrit Araçların Hibritleşme Derecesine Göre Sınıflandırılması
Araçta kullanılan elektrik motoru gücünün, toplam araç gücüne oranı hibritleşme oranı olarak tanımlanabilir. Hibrit araçların hibritleşme derecesine göre sınıflandırılması Çizelge 2. 1’ de görülmektedir [9].
Çizelge 2.1. Hibrit dereceleri
Mikro hibrit Yarı hibrit Tam hibrit
Motor Durdurma, Aksesuar, Yük Paylaşımı + + +
Yalnız EM ile Araç Sürme - - +
Fren Enerjisinin Geri Kazanımı + + +
Seyir Gücü Paylaşımı - + +
2.2.1. Mikro hibrit araçlar
Bu araçlar hibrit araçlara geçişin ilk ayağıdır. Akıllı Enerji Yönetimi destekli ve Start & Stop sistemli araçlar bu sınıfa dâhildir. Araç durduğunda motoru durduran, harekete geçmesi gerektiğinde ise motoru çalıştıran elektronik donanım ve yazılıma sahiptir. Bu sayede yakıt tasarrufu ve karbonmonoksit salınımın azaltılması sağlanmış olur. Ancak elektrik motoru sürüş sırasında herhangi bir güç desteği sağlamamaktadır. Ayrıca içten yanmalı motorlar ilk çalıştırılma anında yüksek yakıt tükettiğinden, mikro-hibrit araçlarda ilk çalışma ve stabilizasyon süresi 800 ms’lerden 200 ms’lere kadar düşürülmektedir. Böylece ilk çalışma anında harcanan fazla yakıt tasarruf edilmektedir [10].
2.2.2. Yarı hibrit araçlar
Yarı Hibrit Araçlar içten yanmalı motoru desteklemek için elektrik motoru ve akü kullanırlar. Elektrik motoru burada durgun andan hareketli ana geçişte motoru desteklemenin yanında, sürüş anında motorla ortak çalışabilir ve akü gurubu ile birlikte motorun yükünü hafifletir duruma gelmiştir. Yarı hibrit araçlarda küçük silindirli motor seçimine gidilerek bu yolla yakıt tasarrufu ve karbon monoksit salınım oranı oldukça azaltılmıştır [11].
2.2.3. Tam hibrit araçlar
Tam hibrit araçlarda artık elektrik motoru ve akü ikili sistemin avantajını en üst seviyelerde çıkararak, aracı çalıştırma esnasında ve düşük hızlarda hareket ettirebilme yetkinliği kazanmıştır. Diğer araçlara göre daha güçlü motor ve akü grubu kullanıldığından sistem kontrolü karmaşıktır. Benzinli motor yüksek performans gereken hızlarda ve koşullarda otomatik devreye girer ve düşük hızlarda devreden çıkar. Tam hibrit araçlarda yüksek oranlarda yakıt tasarrufu sağlanmıştır [11].
2.2.4. Plug-in hibrit elektrikli araçlar
Bu araç hibrit elektrikli ve elektrikli araçların her ikisinin de avantajlarına sahiptirler; fakat elektrikli araçlar tamamen elektrik ile çalışırken, PHEA'lar aynı zamanda içten yanmalı bir motora sahiptirler. Tüm elektrikli araçlar gibi şehir şebekesinden aldığı enerjiyi aküsünde depolayarak hareket için gerekli gücü elektrik motorundan sağlar. Elektrikli araçların yolda kalma korkusu gibi menzil konusunda yarattığı sıkıntılar bu araçlarda kullanılan içten yanmalı motor ile azaltılmış olur. Fakat çevreye olan zararlı etkisi elektrikli araçlar ile hedeflenen “sıfır” düzeyinde değildir [11].
2.2.5. Elektrikli araç
Herhangi bir içten yanmalı motora sahip değildir, tamamen elektrik motoru ve motorun ihtiyacı olan enerjiyi verebilecek bir batarya ile donatılmıştır. Emisyon oranı sıfırdır.
2.2.6. Flywheel kullanılan hibrit araçlar
Bu araçlarda süper kapasitör veya batarya yerine Flywheel- generatör-elektrik motoru grubu kullanılır. Bataryaların yüksek maliyet ve kullanım süresindeki dezavantajlara karşılık geliştirilmiş bir uygulamadır. Flywheel kendi etrafında dönen basit bir disk düşünülebilir.
Direkt olarak generatöre bağlanarak elektrik enerji üretilmiş olur. Generatör çıkışı güç elektroniği uygulamaları kullanılarak elektrik motorunda kullanılacak bir enerjiye dönüştürülmüş olur. Aracın kinetik enerjisi Flywheel’de depolanan kinetik enerjiye dönüştürülür. Bu sayede tükenmeyen bir enerji kaynağı elde edilmiş olur.
2.3. Hibrit Araçların Avantajları
HEA' ların diğer araçlara göre bazı üstünlükleri vardır. Bunlar:
* Taşıt yavaşladığında ya da durduğunda, rejeneratif frenleme yeteneği sayesinde enerjiyi geri kazandırarak bataryaları besler.
* İçten yanmalı motorlar (İYM) tüm yük yerine ortalama yükü karşılayacak şekilde yapıldıklarından, motorun ağırlığı azaltılmış olur.
* Yakıt tasarrufu büyük ölçüde yapılmaktadır.
* Çevreye salınan zehirli egzoz gazları önemli oranda azalmış olur.
* HEA'lar alternatif yakıtlarla da çalıştığından fosil yakıtlara olan bağımlılığı azalmıştır.
* Araç durduğunda İYM çalışmaz dolayısıyla titreşim veya motor gürültüsü oluşmaz.
* HEA'ların boşta çalışma kayıpları yok denecek kadar düşüktür [8].
2.4. Seri Hibrit Elektrikli Araç
Seri hibrit elektrikli araçların yapısı, elektrikli araçların yapısına en yakın olanıdır. Şekil 2.1
‘de blok şeması görülmektedir [9]. Seri yapılarda araç hareketi elektrik motoru tarafından yapılmaktadır. Diğer elektrikli araçlardan ayıran yanı ise, elektrik enerjisini üretecek ve bataryaların şarj olmasını sağlayacak içten yanmalı motorun sistemde var olmasıdır. Seri hibrit yapıda, İYM ile tekerlekler arasında hiçbir mekanik bağlantı bulunmamaktadır. İYM bir generatöre bağlıdır, bu sayede mekaniksel enerji elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur.
Oluşan elektrik enerjisi hem elektrik motoruna hem de akülere enerji sağlamaktadır.
Burada dikkat edilecek husus içten yanmalı motorun uygun zaman aralıklarında devreye girmesi ve aracın tahrik gücünü karşılayacak elektrik motorunun maksimum güç isteklerini karşılayacak boyutlarda seçilmesidir. Tüm yük elektrik motoru tarafından karşılandığından seri hibrit araçlarda yüksek maliyetli ve büyük boyutlu elektrik makinalarının kullanılması gerekliliği ortaya çıkabilmektedir. Seri hibrit sistem uygulanmalarında, büyük otobüsler küçük ticari araçlardan daha uygundur. Otobüsler genellikle tüm zamanlarda düşük hızlarda çalışırlar. Üstelik elektrik motorunu ve bataryaları koymak için gerekli alanları da mevcuttur. İYM %35-%36 verimle çalışmaktadırlar.
İYM’nin düşük verimle çalıştığı aralıklardan birisi de 0-2500 devir/dakika aralığıdır. Bu aralıkta yüksek verimle çalışan elektrik motoru tahriki sağladığından yakıt sarfiyatı özellikle yoğun şehir içi dur-kalk kullanımında düşmektedir [9].
Şekil 2.1. Seri hibrit elektrikli aracın blok şeması
2.4.1. Seri sistemin dezavantajları:
Bu sistemde İYM, generatör ve elektrik motoru olmak üzere üç tahrik elemanına ihtiyaç duyulur. Elektrik motoru gerekli olan azami gücü karşılayacak şekilde, özellikle yüksek eğimler için tasarlanmasına rağmen araç çoğunlukla azami gücün altında çalışmaktadır.
Tahrik elemanları, batarya kapasitesinin düşük seviyeleri dikkate alınarak menzil ve performans için azami gücü karşılayacak şekilde boyutlandırılır. Güç sisteminin maliyeti yüksektir.
2.5. Paralel Hibrit Elektrikli Araç
Paralel hibrit elektrikli araçların tasarımları seri hibrit elektrikli araçlara göre farklılıklar göstermektedir. P-HEA’larda İYM ve EM, aracın güç ihtiyacını karşılamak için birlikte ya da ayrı ayrı olmak üzere çalışırlar. Paralel hibrit elektrikli araçlarda bileşenlerin araç üzerindeki yerleşimlerinin değişiklik gösterdiği farklı yapılar bulunmaktadır. Bu yapıların hepsinde İYM ile tekerlekler arasında mutlaka mekanik bir bağlantı bulunmaktadır [12].
Şekil 2.2 ‘de paralel hibrit elektrikli aracın blok şeması görülmektedir [9]. Bu tür araçlarda elektrik motoru ve içten yanmalı motor bir debriyaj üzerinden diferansiyeli ortak olarak beslerler. İstendiğinde yalnızca elektrik motoru, istendiğinde yalnızca benzin veya dizel motor çalıştırılarak tekerlere güç sağlanmıştır.
Şehir içinde dur-kalkın yoğun olduğu yerlerde yalnızca elektrik motoru devreye alınarak gürültü ve egzoz emisyonu yok edilmiştir. Hızlı sürüş yapılan kırsal alanlarda, yokuş yukarı ya da ani ivmelenme gereken durumlarda her iki motor birlikte tekerleklere güç sağlar.
Böylece birbirini yedekleyen ve destekleyen iki güç kaynağı ile araç donatılmıştır. Paralel hibrit elektrikli araçlarda enerji geri kazanımlı frenleme sistemi de olmasına rağmen olumsuz sürüş koşullarının devam etmesi halinde akünün dışarıdan şarj edilmesi gerekmektedir. Bu dezavantajın ortadan kaldırılması için seri-paralel yapı üzerinde çalışılmıştır [9].
Şekil 2.2. Paralel hibrit elektrikli aracın blok şeması
2.5.1. Paralel hibrit sistemin dezavantajları:
Araç için gerekli olan güç farklı iki kaynaktan sağlandığı için burada enerji yönetimi önem arz eder. İYM ve elektrik motorundan gelen gücün tekerleklere düzgün olarak iletilebilmesi için karmaşık mekanik elemanlara ihtiyaç duyulur.
2.6. Seri-Paralel Hibrit Elektrikli Araç
Şekil 2.3‘de görüldüğü üzere, bu tür araçlarda kullanılan içten yanmalı motor (İYM) mekanik bir mil üzerinden hem diferansiyeli, hem de elektrik generatörünü tahrik etmektedir. Sistemin kontrol yapısı diğer iki yapıya göre oldukça karmaşıktır.
SP-HEA’nın yapısında, karmaşık kontrol algoritmaları ve elektromekanik yönetim ile sadece İYM, sadece EM, EM destekli İYM sürüşü (paralel mod) ve generatör destekli EM sürüşü (seri mod) stratejileri uygulanmaktadır. Bu sistem hem seri hem de paralel tahrik sistemlerinin olumlu özelliklerini taşımaktadır.
Enerji geri kazanımlı frenleme yapıldığında elektrik makinesi motor konumundan generatör konumuna geçerek, sistemde depo edilen mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülüp aküde depo edilmektedir. Bu tür araçlarda ani hızlanmayı gerektirecek ek bir enerjiye ihtiyaç duyulduğunda sisteme süper kapasitör eklenmesi önerilmiştir [9].
Şekil 2.3. Seri - Paralel hibrit elektrikli aracın blok şeması
2.7. Kompleks (Karışık) Hibrit Elektrikli Araç
Şekil 2.4 ‘te karışık hibrit elektrikli araç blok şeması görülmektedir. Bu sisteme karışık hibrit denmesinin nedeni seri ve paralel hibrit sistemlerde kullanılan jeneratörün yerine gerektiğinde motor gerektiğinde jeneratör olarak çalışan bir elektrik makinesiyle değiştirilmiş olmasıdır [9]. Bu yapı seri- paralel hibrit sistemin tüm avantajlarını bünyesinde bulundurmaktadır. Büyük güç gerektiğinde elektrik motoru ve İYM birlikte tahriki sağlamaktadır.
Sessiz ve temiz çalışma gerektiğinde yalnızca elektrik motoru ile sürüş sağlanmakta, akü devamlı olarak içten yanmalı motor desteği ile üretilen elektrik enerjisi ile şarj edilmektedir.
Bunlara ek olarak, iki sistem arasında bulunan elektrik makinesi motor olarak çalıştırılıp İYM için marş görevi de görebilmektedir. Bugün piyasada satılmakta olan hibrid elektrikli araçlardan Toyota Prius ve Honda Civic bu tür karışık hibrid elektrikli araçlardır [13].
Şekil 2.4. Kompleks (karışık) hibrit elektrikli aracın blok şeması
2.8. Araç Dinamikleri
Bir aracın hareketi sırasında motor gücü tarafından aşılması gereken harekete ters yönde dirençler vardır. Dirençlerin toplamı, aracın ileri doğru hareketi için motordan tahrik tekerleklerine iletilmesi gereken kuvveti belirler. Bu dirençler, uygulanan çekiş kuvvetine karşı gelmeye çalışarak, frenleme dışında, aracın hareketini engelleyen en önemli etkenlerdir. Çekiş kuvvetinin üstünlüğü sayesinde bir motorlu taşıt hareket etse bile ayak gaz pedalından çekildiği zaman bu dirençler yüzünden bir süre sonra durur. Araç değişen şartlar (yol geometrisi, yuvarlanma yüzeyi, görüş imkânları, vb.) altında bu dirençlere karşı
sürekli hareket halinde tutulduğu bir süreçtir. Yol ve araç tekniğinde, başta yakıt tüketimi olmak üzere işletme maliyetlerini düşürebilmek için hareketi zorlaştıran dirençlerin azaltılması için çalışmalar yapılır. Araçlara boyuna olarak üç çeşit direnç kuvveti etkimektedir. Bunlar rüzgâr direncinin oluşturduğu aerodinamik kuvvet, eğimli yoldan kaynaklı yokuş tırmanma direnci ve tekerlerde meydana gelen yuvarlanma direncidir.
Tekerlere etkiyen sürücü kuvvetler ve frenleme kuvvetleri de boyuna dinamiği oluşturan diğer kuvvetlerdir. Aracı noktasal bir cisim kabul ederek, tüm bu kuvvetlerin aracın kütle merkezine etkidiği düşünülerek çalışmalar sürdürülmüştür [14,15].
2.8.1. Boylamsal araç dinamiği
Boylamsal araç dinamiğinde, tekerlek kuvvetleri ile araca etkiyen rüzgâr direnci, yokuş direnci, yuvarlanma direnci ve lastik kuvvetleri hesaplanarak, araca etkiyen net kuvvet bulunmaktadır. Şekil 2.5’te araca boylamsal yönde etki eden kuvvetler görülmektedir [9,16].
Şekil 2.5. Araca boylamsal yönde etki eden kuvvetler
𝐹𝑛𝑒𝑡 = 𝑚ẍ = 𝐹𝑥𝑓+ 𝐹𝑥𝑟− 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 − 𝑅𝑥𝑓− 𝑅𝑥𝑟 − 𝑚𝑔𝑠𝑖𝑛(𝛳) (2.1)
Burada;
Fxf : Ön lastiklerdeki boylamsal itici lastik kuvveti [N]
Fxr : Arka lastiklerdeki boylamsal itici lastik kuvveti [N]
Faero : Aerodinamik sürüklenme kuvveti [N]
Rxf : Ön lastiklerdeki yuvarlanma direnci [N]
Rxr : Arka lastiklerdeki yuvarlanma direnci [N]
m : Aracın kütlesi [kg]
g : Yerçekimi ivmesi [m/s2]
θ : Aracın seyahat ettiği yolun eğimi büyüklüklerini ifade etmektedir.
Kayma oranı (σx) lastik üzerindeki kuvvetler (Fzf ve Fzr) yol ile lastik arasındaki temas yüzeyindeki sürtünme katsayısıile lastiğe etki eden bu dikey kuvvetlere normal lastik kuvveti denir. Lastiğe etki eden bu kuvvetler, ağırlık merkezinin yeri, aracın ağırlığı, aerodinamik sürüklenme kuvvetleri, aracın ivmesive yol eğimine bağlı olarak değişmektedir. Boylamsal kayma, gerçek araç hızı ile eşdeğer dönel teker hızı arasındaki fark olarak adlandırılır. Yani, boylamsal kayma (reff ωw - Vx) şeklinde gösterilebilir [9].
Buna göre frenleme sırasındaki kayma oranı:
𝜎𝑥 = 𝑟𝑒𝑓𝑓𝜔𝑤−𝑉𝑥
𝑉𝑥 (2.2)
ve hızlanma sırasındaki kayma oranı:
𝜎𝑥 = 𝑟𝑒𝑓𝑓𝜔𝑤−𝑉𝑥
𝑟𝑒𝑓𝑓𝜔𝑤 (2.3)
denklemleri ile ifade edilebilir. Burada;
σx : Kayma oranı
reff : Efektif lastik yarıçapı [m]
ωw : Dönen lastiğin açısal hızı [rad/s]
Vx : Araç hızı [m/s]
büyüklüklerini ifade etmektedir.
Normal lastik yükleri
Normal lastik yüklerini hesaplarken aracın kütlesi ile birlikte, araca etkiyen aerodinamik sürüklenme kuvveti, aracın ivmesi, aracın ağırlık merkezinin yeri ve aracın hareket ettiği yoldaki eğimde etki etmektedir. Araç üzerinde ön ve arka lastiklerin temas noktalarına göre etkiyen kuvvetlerin net torkları sıfır kabul edilerek, normal lastik yüklerinin lastikler üzerindeki dağılımı hesaplanır. Şekil 2.6’da ki hesapta kullanılan kuvvet büyüklüklerinin etkidiği noktalar ve moment noktalarına olan uzaklıkları görülmektedir [9,16].
Şekil 2.6. Normal lastik yükleri bileşenleri
Buna göre;
h : Aracın ağırlık merkezinin yerden yüksekliği [m]
haero : Aerodinamik kuvvetin araca etki ettiği noktanın yerden yüksekliği [m]
lf : Aracın ağırlık merkezinin ön aksa olan yatay uzaklığı [m]
lr : Aracın ağırlık merkezinin arka aksa olan yatay uzaklığı [m]
büyüklüklerini ifade etmektedir.
Şekil 2.6. göz önüne alınarak arka lastiğin yere temas noktasına göre kuvvetlerin momentleri yazarsak:
𝐹𝑧𝑓(𝑙𝑓+ 𝑙𝑟) + 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜ℎ𝑎𝑒𝑟𝑜+ 𝑚ẍℎ + 𝑚𝑔ℎ𝑠𝑖𝑛(𝜃) − 𝑚𝑔𝑙𝑟cos(𝜃)
= 0
(2.4)
eşitliği elde edilir. Buradan ön lastiğe etkiyen normal lastik kuvveti (Fzf):
𝐹𝑧𝑓=−𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜ℎ𝑎𝑒𝑟𝑜− 𝑚ẍℎ − 𝑚𝑔ℎ𝑠𝑖𝑛(𝜃) + 𝑚𝑔𝑙𝑟cos(𝜃) (𝑙𝑓+ 𝑙𝑟)
(2.5)
şeklinde yazılır ve bu denklem ile hesaplanır [9].
Aynı şekilde, ön lastiğin yere temas noktasına göre kuvvetlerin momentlerini yazacak olursak:
𝐹_𝑧𝑓(𝑙_𝑓 + 𝑙_𝑟) − 𝐹_𝑎𝑒𝑟𝑜ℎ_𝑎𝑒𝑟𝑜 − 𝑚ẍℎ − 𝑚𝑔ℎ𝑠𝑖𝑛(𝜃)
− 𝑚𝑔𝑙_𝑟cos(𝜃) = 0
(2.6)
eşitliği elde edilir. Buradan arka lastiğe etkiyen normal lastik kuvveti (Fzr):
𝐹𝑧𝑓 =𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜ℎ𝑎𝑒𝑟𝑜+ 𝑚ẍℎ + 𝑚𝑔ℎ𝑠𝑖𝑛(𝜃) + 𝑚𝑔𝑙𝑟cos(𝜃) (𝑙𝑓+ 𝑙𝑟)
(2.7)
şeklinde yazılır ve bu denklem ile hesaplanır [9].
Rüzgâr direnci
Aracın hareketi sırasında, yanal yüzeylerine etkiyen rüzgâr dirençleri ihmal edilerek, rüzgâr kuvvetinin sadece seyahat yönünün tersine doğru etki ettiği düşünülerek hesaplama yapılmaktadır. Buna göre rüzgâr direnci:
𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 =1
2𝐴𝑓𝜌𝐶𝑑(𝑉𝑥+ 𝑉𝑟ü𝑧𝑔𝑎𝑟)2 (2.8) formülü ile hesaplanmaktadır. Burada;
Faero : Aerodinamik kuvvet [N]
Af : Aracın aerodinamik kuvvetlere maruz kalan ön cephe alanı [m2]
ρ : Hava yoğunluğu [kg/m3]
Cd : Aerodinamik direnç katsayısı Vx : Aracın hızı [m/s]
Vrüzgar : Aracın hareket yönünün ters yönünde etkiyen rüzgâr hızı [m/s]
Hava şartlarına bağlı olarak ρ hava yoğunluğu katsayısı değişmekte ve aerodinamik sürüklenmeye önemli ölçüde etki etmektedir. Aerodinamik testlerde, standart koşullar olan 15 °C hava sıcaklığı ve 101.32 kPa hava basıncında, ρ katsayısı genellikle 1.225 kg/m3 olarak alınmaktadır. Aerodinamik sürüklenme katsayısı Cd, araç üreticileri tarafından yavaşlayarak durma (Coast Down) testleri sonucunda bulunmaktadır.
Bu testlerde, araç belirli bir hıza çıkarılarak gaz pedalı tamamen bırakılır, hiçbir fren kuvveti uygulamadan aracın aerodinamik kuvvetler ve tekerleklerde oluşan yuvarlanma direnci ile yavaşlaması ve durması sağlanır. Gaz pedalı ve fren pedalı girişinin uygulanmadığı bu koşullarda boylamsal lastik kuvvetleri çok küçük olduğundan sıfır kabul edilebilir. Bununla birlikte yol eğimi θ=0 ve rüzgâr hızı Vrüzgâr = 0 m/s olarak kabul edilir. Bu koşullar dikkate alındığında tasarımı yapılan araç için aerodinamik direnç katsayısı üretici firma tarafından hesaplanmaktadır [9].
Yokuş direnci
Yokuş direnci, θ > 0° olan yol eğimlerinde aracın hareketine ters yönde, θ < 0° eğimlerinde ise araç hareket yönü ile aynı yönde araca etki eden ve aracın ağırlığı ile doğru orantılı olarak artan kuvvettir [9]. Buna göre yokuş direnci:
𝐹𝑖 = 𝑀𝑣𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜃) (2.9)
formülü ile ifade edilmektedir. Burada;
Fi : Yokuş direnci [N]
Mv : Araç ağırlığı [kg]
g : Yerçekimi ivmesi [m/s2]
θ : Yokuş eğimi büyüklüklerini ifade eder.
Yuvarlanma direnci
Araç hareket halinde iken, lastiğin yola temas noktasında, lastiğin elastik yapısından kaynaklı bir şekil değişikliği meydana gelir. Hareket sırasında, lastiğin her bir noktası bu temas noktasına yaklaştıkça ezilir ve temas noktasını geçtikten sonra tekrar eski haline döner. Lastiğin elastiki yapısından dolayı bu sıkışma ve gevşeme hareketi sırasında kayıp olan enerji, lastiğe dikey olarak etkiyen normal lastik yüklerinin bir sonucudur.
Şekil 2.7’ de normal lastik yüklerinin hareket sırasındaki dağılımı görülmektedir. Lastiğin yapısında hareket sırasında oluşan bu elastiki değişim, temas noktası etrafında normal yüklerin asimetrik dağılmasına sebep olur. Araç hareketsiz iken, normal lastik yükleri, direk yere temas noktasında simetrik olarak dağılır [9,16].
Şekil 2.7. Normal lastik yüklerinin hareket sırasındaki dağılımı
Lastik üzerindeki her bir noktayı, seri olarak bağlanmış dirençler olarak düşünürsek, kontak noktasına yaklaşan her bir noktanın direnci maksimuma yaklaşırken, temas noktasından uzaklaştıkça değeri sıfıra yaklaşır. Sonuçta, lastik dönerken normal lastik yükleri, merkezden Δx kadar uzaklaşmaktadır [16].
3. ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ
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
Nikel-demir 50 100 Veri yok Ortam 2000 150-200
Nikel-çinko 70 150 Veri yok Ortam 300 150-20
Nikel
kadmiyum 50 200 15 Ortam 2000 300
Nikel-metal
hidrür 70 200 35 Ortam 2000+ 250
Sodyum sülfür 110 150 Veri yok 350oC 1000 150 Sodyum nikel
klorür 100 150 Veri yok 300
oC 700+ 250
Lityum demir
sülfat 150 300 Veri yok 450
oC 1000 200
Lityum-katı
polimer 200 350 Veri yok 80-120
oC 1000 150 Lityum-iyon 120-150 120-150 <60 Ortam 1000+ 150 Alüminyum
hava 220 30 Veri yok Ortam Veri yok Veri yok
Çinko-hava 200 80-140 Veri yok Ortam 200 100
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
