Elektrikli ve hibrit elektrikli araçlara yönelik araştırmalar, fiyat ve güvenilirlik açısından içten yanmalı motorlara alternatif sunmayı da içeriyor. Bu tez, elektrikli araçlara yönelik akü sistemlerinin tasarımını ve termal yönetimini incelemektedir.
GİRİŞ
KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI
Elektrikli Araçlara Genel Bakış
Ulaştırma sektörünün bu soruna büyük katkısı olduğundan, geleneksel (içten yanmalı) araçlara alternatifler geliştirilmektedir.
Otomobil Teknolojisinin Değişimi
- Teknolojideki gelişmeler
- Elektrikli araçların Türkiye’deki gelişmeleri
İlk elektrikli araç modeli 1835 yılında Hollanda'da Profesör Stratingh tarafından geliştirilmiştir (Ünlü ve ark. 2003, Sayın ve Yüksel 2011). Bu nedenle 1995-2000 yılları arasında dünya çapında az miktarda (birkaç bin) elektrikli ve hibrit elektrikli araç satıldı.
Araç Çeşitleri
- İçten yanmalı motorlu araçlar (Konvansiyonel araçlar)
- Elektrikli araçlar
- Hibrit araçlar
- Yakıt pili araçları
İçten yanmalı motorlu araçlarda çok sayıda hareketli parça bulunması, sistemi karmaşık ve bakımını zorlaştırır (sürekli yağ değişimi, periyodik bakım vb.) ve sistemin verimliliğini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca içten yanmalı motorlu araçlarda, optimum yakıt-hava karışımını sağlayan bir yakıt sistemi, zamanında yanmayı sağlayan bir ateşleme sistemi, güvenli çalışmayı sağlayacak bir soğutma sistemi, sürtünme ve aşınmayı azaltacak bir yağlama sistemi ve egzozu giderecek bir egzoz sistemine sahip olması gerekir. ürünler. İçten yanmalı motorlu taşıtlarda son yıllarda önemli ilerlemeler kaydedilmesine rağmen, fiyatlar değişken ve sürekli artan, siyasi ve toplumsal huzursuzluklara neden olan, çevre kirliliğine ve küresel ısınmaya neden olan fosil yakıtlara hâlâ bağımlılar.
Elektrikli araçlarda içten yanmalı motor ve buna bağlı mekanik veya otomatik şanzıman bulunmadığından, mekanik vites kutuları ortadan kaldırılarak araç daha basit, daha güvenilir ve daha verimli hale getirilebilir. Bu nedenle elektrikli araçlar, içten yanmalı motorlu araçların %30 verimliliğine kıyasla %90'dan fazla (bataryada) verim elde edebilir. Açıkçası elektrikli araçların içten yanmalı motorlu araçlarla karşılaştırıldığında sınırlı menzil ve daha yüksek maliyet gibi özellikleri bu teknolojinin temel engelleriydi ve bunlar elektrikli araçların otomobil pazarına girdiğinde dezavantajlarıydı.
Geleneksel tahrik sistemleri ile enerji depolama sistemlerinin birleşiminden oluşan hibrit (hibrit elektrikli) araçlar, araç içinde hareket sağlamak için enerji kaynağı olarak içten yanmalı bir motor ve bir elektrik motorunu kullanır. Bu nedenle içten yanmalı motorlu araçlarla elektrikli araçlar arasında önemli bir köprü görevi görüyor. Resme baktığımızda hibrit araçlar, plug-in hibrit araçlarla karşılaştırıldığında hibrit araçların daha büyük yakıt deposuna ve içten yanmalı motora sahip olduğu anlaşılmaktadır.
Enerji Depolama Sistemleri
- Bataryalar
- Süper kapasitörler
- Volanlar
- Yakıt pilleri
Piller, hibrit ve elektrikli araçların nispeten verimli bir şekilde çalıştırılması için en umut verici seçeneği sunmaktadır (Dinçer ve ark. 2017). Ancak pillerin özgül enerjisi, enerji yoğunluğu ve şarj oranları (fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında) düşük olduğundan, bu özellikler sürüş menzilini kısaltır, boyutu ve maliyeti artırır. Grafenden üretilen süperkapasitörlerin enerji yoğunluğu laboratuvar ortamında maksimum 130 Wh/kg'a ulaşmaktadır.
Bu kapasitörler, enerji yoğunluğu 200 Wh/kg olan lityum iyon pillere göre çok daha az enerji depolayabilmektedir (Anonim 2016). Süperkapasitörler yapıldıktan sonra çok küçük kapasitörlerle çok büyük kapasiteler ve yüksek enerji depolamak mümkün olmuştur (Schaber ve ark. 2004). Yakıt hücresi, sisteme verilen uygun bir yakıt ve oksitleyicinin elektrokimyasal reaksiyonu yoluyla elektrik enerjisi üreten bir sistemdir.
Reaksiyon sonrası ısı, saf su ve karbon içeren bir yakıt kullanılırsa ilave karbondioksit açığa çıkar. HyWays tarafından ortaklaşa finanse edilen ve Avrupa Birliği için bir dizi hidrojen senaryosunu araştıran bir proje sonucunda Avrupa Komisyonu, 2050 yılına kadar karayolu araçlarının %80'inin hidrojenle çalıştırılması durumunda %50 daha az emisyon yayılacağı sonucuna vardı. CO2 emisyonları (Offer ve ark. 2010). Sonuç olarak, yakıt hücreleri araç performansını ve yakıt ekonomisini iyileştirebilir ve elektrik gibi hidrojen de birçok yenilenebilir enerji kaynağı da dahil olmak üzere herhangi bir birincil enerji kaynağından üretilebilir, böylece petrol, gaz ve ulaşım arasındaki bağın kopmasına yardımcı olabilir (Dinçer ve diğerleri, 2012). 2017).
Elektrikli Araçların Batarya Teknolojileri
- Kurşun asit (Pb-Acid) bataryalar
- Nikel kadmiyum (NiCd) bataryalar
- Nikel metal hidrit (NiMH) bataryalar
- Lityum-iyon (Li-ion) bataryalar
Bunlar arasında EV1 ve RAVEV'de kullanılan kurşun asit (pb-asit), Peugeot 106, Citroen AX, Renault Clio ve Ford Think, Toyota Prius, Toyota Highlander, Ford Escape, Honda Insight ve Saturn Vue'da kullanılan nikel-kadmiyum (NiCd) yer alıyor. Çin'de kullanılan Nikel Metal Hidrit (NiMH) ve Tesla Roadstar, Chevrolet Volt, BMW i3, i8 ve 2013'ten sonra geliştirilen çoğu araçta kullanılan Lityum İyon (Li-ion) örnek olarak sıralanabilir. Kurşun-asit akülerde negatif yüklü elektrotta kurşun, pozitif yüklü elektrotta kurşun dioksit (PbO2) ve elektrolit olarak sülfürik asit (H2SO4) kullanılır. Bu nedenle, bakım gerektirmediği ve yüksek amper saatlerinde çalıştığı için genellikle valf ayarlı kurşun asit daha yaygın olarak kullanılır.
Ancak 1960'lı yılların başında büyük miktarlarda ortaya çıktı ve kurşun-asit kimyasına göre önemli ölçüde daha yüksek enerji yoğunluğuna ve daha uzun ömre sahip olduğundan, LiCoO2'nin katot ve karbon olarak kullanıldığı bu hücrelerde 3,6 V'un üzerinde bir potansiyele sahiptir. anot Uzun döngülerde stabil olan lityum iyon pillerin üretilmesi başarıldı. Şarj edilebilir lityum iyon pillerde hücreler, tıpkı diğer pil sistemlerinde olduğu gibi, öncelikle enerjinin üretilmesinden ve depolanmasından sorumlu olan üç ana bileşenden oluşur.
Anot ve katot malzemeleri grafit ve lityum oksit malzemelerine doğru çeşitlendikçe lityum iyon pillerin kullanımı ve pillere olan ilgi arttı. Lityum iyon pillerin yüksek sıcaklıklarda kullanım ömrü sınırlıdır ve büyük çok hücreli modellerde güvenlikle ilgili bazı sorunlar vardır. Elektrikli tahrik sistemlerinin geleneksel araçlarla uyumlu olması için, şu anda lityum iyon pillerde mevcut olanlardan daha yüksek enerji yoğunluklarına ihtiyaç vardır.
MATERYAL VE YÖNTEM
Lityum-iyon Bataryada Çalışma Şartları
Lityum-iyon piller gerilim ve sıcaklığın sınır değerlerinde (minimum ve maksimum) güvenle çalışır. Aşırı voltaj durumlarında, şarj voltajı hücrenin tolere edilebilir voltajını (maksimum değer) aştığında aşırı elektrik akımlarına neden olur, bu da sonuçta elektrot malzemelerinin bozulmasına ve elektrotlar arasında kısa devreye neden olabilir. 10°C'nin altındaki ve 60°C'nin üzerindeki sıcaklıklar akü malzemelerini olumsuz etkileyerek hem çalışma performansını hem de çevrim ömrünü olumsuz yönde etkiler.
Genel olarak hem çalışma performansı hem de çevrim ömrü parametreleri dikkate alındığında akünün ideal çalışma sıcaklığının 20-40°C arasında olması istenir.
Bataryada Isı Yönetimi Teknolojileri
- Hava ile soğutma ve ısıtma
- Sıvı ile soğutma ve ısıtma
- Direkt soğutucu ile soğutma ve ısıtma
- Faz değişim malzemesi (PCM) ile soğutma ve ısıtma
- Termoelektrik modül (peltier) ile soğutma ve ısıtma
- Isı borusu
Radyatörün arkasına fan konursa soğutma performansı arttırılabilir ancak ortam havası akü sıcaklığından yüksekse veya aralarındaki fark çok küçükse pasif akışkan sistemi soğutma konusunda çok etkili olmayacaktır. Aktif akışkan sistemlerine benzer şekilde, doğrudan soğutma sistemi bir klima devresinden oluşur, ancak soğutucuyu doğrudan akü paketi içinde dolaşan bir ısı transfer akışkanı olarak kullanır. Faz değiştiren malzemeler (PCM), yüksek bir füzyon ısısına sahiptir; erime ve katılaşma sırasında sabit miktarda ısıyı sabit bir noktada depolar ve serbest bırakır.
Faz değiştiren malzemeler katıdır ve sıcaklık arttıkça ısı malzemede duyulur ısı olarak emilir. Ayrıca faz değiştiren malzemeler, akü sıcaklığını kontrol etmek için hava soğutmalı sistem veya sıvı soğutmalı sistemle birleştirilebilir. Isı borusu, buharlaşma ve yoğuşma faz değişimi yoluyla ısıyı bir bölgeden diğerine aktarır.
Boş bir metal tüpün içi ısıyı taşıyacak kimyasal bir sıvı ile doldurulur ve buharlaşma ve yoğuşma olaylarından yararlanarak ısıyı sonsuz bir döngü içinde bir bölgeden diğerine taşır. Tipik bir ısı borusu 3 temel parçadan oluşur: evaporatör kısmı (ısı girişi/kaynağı), ısı taşıma kısmı ve yoğuşma kısmı (ısı çıkışı). Bu sistemde, ısı borusu çalışma akışkanı olarak su kullanır. Termoelektrikle karşılaştırıldığında ısı borusu daha güvenilirdir çünkü hareketli parçaları yoktur ve enerji tüketimi yoktur.
Yöntem
Isı Yönetimi Çalışmaları
Sonlu elemanlar yöntemi sayısal bir yöntemdir ve katı mekaniği, akışkanlar mekaniği, ısı transferi ve titreşim gibi problemleri bilgisayar kullanarak çözmek için kullanılan oldukça gelişmiş bir tekniktir.
Analize Giriş
Modül Özellikleri ve Geometrisi
Analiz Giriş Verileri
- Isıl yük hesabı
- Isı transferi denklemleri
- Malzeme özellikleri
- Sınır şartları
Ohmik ısı üretimi, katı fazda elektronik taşınmaya, elektrolit fazda ise iyonik taşınmaya karşı direnç nedeniyle meydana gelir. Analizlerde kullanılan lityum iyon pil türü olan silindirik lityum demir fosfat (LiFePO4 veya LFP) pil hücresinin termal özellikleri Tablo 3.1'de gösterilmektedir. Analizler zamana bağlı olarak yapılmış ve hücrelerin boşalma hızı dikkate alınarak analiz süresi 3600 saniye olarak belirlenmiştir.
Başlangıçta modüle giren suyun sıcaklığı 20°C, su akış hızı 3,5 lt/dk ve ortam sıcaklığı yani akü hücrelerinin başlangıç sıcaklığı 20°C'dir. Daha sonra hücrelerin başlangıç sıcaklığı (ortam sıcaklığı) ve su akış hızı değişken olarak tanımlandı ve bu değişkenlerin akü modülü üzerindeki etkisi araştırıldı.
Batarya Modülünün Ağ Yapısı
BULGULAR VE TARTIŞMA
İlk Sınır Şartlarının Sonuçları
Grafiğe baktığımızda maksimum sıcaklığın 8 numaralı pil hücresinde, minimum sıcaklığın ise 2 numaralı pil hücresinde olduğunu görüyoruz. Minimum sıcaklığın 2 numaralı hücrede olmasının nedeni ise hücrenin soğutma kanalıyla uzaktan temas etmesidir. 8 numaralı hücrede maksimum sıcaklığın olmasının nedeni, suyun sıcaklığının giderek artması ve orta bölgedeki hücrelerin daha fazla karışmasıdır. kadar termal yüklerden etkilenir.
Tablodaki değerler ile hücreler arasındaki farkın daha net anlaşılabilmesi için hücrelerdeki en yüksek sıcaklıkların grafiği oluşturulmuş olup, buna karşılık gelen grafik Şekil 4.5'te gösterilmiştir. Zamana bağlı analizde su sıcaklığının minimum, maksimum ve ortalama değerleri Tablo 4.2'de ayrıntılı olarak bulunabilir. Anlamları şu şekildedir: Kırmızı çizgiyle yazılan "giriş" suyun giriş hızını, yeşil çizgiyle yazılan "çıkış" ise suyun çıkış hızını belirler.
Şekle baktığımızda 3,5 lt/dk debili suyun başlangıç hızı 0,9 m/s iken çıkış hızı girişe göre artarak yaklaşık 1,09 m/s olmaktadır.
Sınır Şartlarının Modül Isıl Performansına Etkisi
- Su debisinin modül ısıl performansına etkisi
- Ortam sıcaklığının modül ısıl performansına etkisi
Sonuç olarak modüle giren debi arttıkça su çıkış sıcaklığı ve modüldeki maksimum sıcaklık değeri düşmektedir. İncelenen her akış hızında modüldeki maksimum sıcaklık, akü hücreleri için belirlenen maksimum sıcaklık değeri olan 40°C'nin altındadır. Modülden beklenen diğer kriterler ise basınç kaybının nispeten yüksek olmaması, tekdüze performans sağlamak için akü hücrelerinin birbirine yakın sıcaklıklara sahip olması gerektiği ve su çıkış sıcaklığının seçim için değerlendirilmesi gereken kriterler olduğu belirtiliyor.
Bu çalışmada ortamın yani başlangıç hücre sıcaklığının değiştirilmesinin modülün termal performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Şekil incelendiğinde 35°C ortam sıcaklığı dışındaki ortam sıcaklıklarında modüldeki maksimum sıcaklık kritik değer olan 40°C maksimum sıcaklığın altındadır. Ancak 35°C ortam sıcaklığında bu değer aşıldığı için modüle giren su sıcaklığının düşürülmesi veya su debisinin arttırılması gerekir.
Buradaki bir diğer kritik durum ise, termik sistemin 20°C'nin altındaki ortam sıcaklığında ısıtma modunda, 20°C'nin üzerindeki ortam sıcaklığında ise soğutma modunda çalışmasıdır.
SONUÇ
Bu çalışmaya ek olarak akü sisteminin seviyesi arttırılarak akü modülü yerine akü paketi veya genişletilmiş akü sisteminin termal yönetimi üzerine çalışmalar yapılabilir ve farklı deşarj oranları termal yük olarak dikkate alınabilir. çalışmalarda. EV Volumes, http://www.ev-volumes.com/country/total-world-plug-in-vehicle-volumes/ (Erişim tarihi. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, İngiltere, 457 sayfa.
John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 296 pp. Comparative analysis of battery electric, hydrogen fuel cell and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system.
