Transcript File

BATARYALAR
Klasik elektrikli araçlarda bataryalar sadece enerji
depolarlar ve en ağır, en fazla hacim kaplayan ve en
maliyetli parçalardır.
Hibrid araçlara ait bataryalarda sürekli bir elektrik
alışverişi söz konusudur. Yine bataryalar aracın en önemli
elemanlarından biridir.
Yakıt pilli araç bataryaları ise bir İYM’lu bir aracın
bataryası büyüklüğündedir. Oysa geçmişte çok büyük
kütle ve hacimli yakıt pili tahrikli veya yakıt pili/batarya
hibrid araç bataryaları kullanılmıştır.
Elektrik bataryası nedir?
Bir batarya iki veya daha fazla birbirine bağlı elektrik
hücresinden oluşur. Bu hücreler kimyasal enerjiyi elektrik
enerjisine dönüştürür.
Hücreler elektrolit ile birbirine bağlı pozitif ve negatif
elektrotlardan meydana gelir.
Elektrotlarla elektrolit arasındaki kimyasal reaksiyon DC
elektrik üreten bir kimyasal reaksiyondur.
Bir hibrid aracın elektrik sistemi
HEV elektrik sistemi iki farklı voltaj değerinde çalışan iki
bataryadan oluşur.
1. Çekiş bataryası: Tahrik gücü için gerekli olan enerjiyi sağlar.
Çalışma voltajı 42 V un çok üzerindedir.
2. Normal batarya: Taşıtın elektrikle çalışan parçaları için gerekli
enerjiyi temin eder. Çalışma voltajı 12 V dur. (elektrikle tahrik
edilen pencereler, radyo motor kontrol ünitesi (EKÜ) radyatör fanı,
su devir-daim pompası, farlar ve aydınlatma elemanları …)
Bu iki batarya bir DC/DC konvertör ile bağlantı kurarlar.
Bir HEV da çekiş bataryasının güvenilir bir şekilde çalışmasını
sağlamak için bir kontrol ünitesine (battery management system)
ihtiyaç duyulur. Bu birim bataryanın bütün hücrelerini izler, şarj ve
deşarjını, ısı yönetimini ve diğer güvenlik fonksiyonlarını kontrol
eder.
HEV’larda çekiş bataryasından istenilen özellikler
 Her bir hücrenin yüksek steady-state voltajı
 Soğukta çalışabilme özelliğinin iyi olması
 Service life (ömür) etkilenmeksizin ortalama şarj seviyesinde
çalışma, SOC (state of charge) durumu yaklaşık %60 seviyesinde
olmalı
 Ortalama şarj seviyesinde iyi şarj/deşarj özelliğine sahip olmalı
 Tüm sıcaklıklarda şarj/deşarj zamanlarında (geri kazanımlı
frenleme, ivmelenme) yüksek verimle çalışmalı
 Uzun ömür (en az taşıtınki kadar)
 Thermal management system
 Kolay çalışma ve arıza teşhisi
 Çalışma ve kaza esnasında güvenlik seviyesinin yüksek olması
 Yeniden kullanabilmesi ve zehirli malzeme içermemesi
Çekiş bataryasının şarj durumu nasıl olmalı?
Çekiş bataryası ortalama bir şarj seviyesinde çalışmalıdır. Çünkü
geri kazanımlı frenleme akımının absorbsiyonu ve ivmelenme
esnasında yüksek güç çıkışını sağlayabilmek için bu gereklidir.
Yani yüksek şarj seviyesi yüksek güç çıkışı sağlarken düşük şarj
seviyesi daha fazla miktarda geri kazanımlı frenleme enerjisinin
geri dönüşünü sağlar.
Bazı hibrid araçların çekiş bataryaları belli aralıklarla bir şarj
cihazı ile tamamen şarj edilir. Taşıt önceden belirlenen bir
ortalama şarj seviyesine kadar elektrikle çalışır daha sonra ise
hibrid araçlar gibi çalışır. Günümüzde hibrid araçlar yaklaşık 80
km sadece elektrik enerjisi ile gidebilmektedirler.
Çekiş bataryasının termal yönetimi
Taşıtın çalışması sırasında ivmelenme ve geri kazanım durumları
değişir. Hatta yüksek şarj/deşarj seviyelerinde dahi bu durum
bataryanın ısınmasına sebep olan ısı kayıplarını arttırır. Isının
uygun bir yolla (air/liquid cooling) uzaklaştırılması için batarya bir
thermal management sistemine sahip olmalıdır.
Batarya türleri
• Kurşun asit*
• Nikel demir
• Nikel kadmiyum
• Nikel metal hidrid*
• Lityum ion*
• Lityum polimer
• Lityum demir
• Sodyum sülfür
• Sodyum metal klorid
Son zamanlarda bunlara ilave olarak;
• Alüminyum hava
• Çinko hava
Bataryaları geliştirilmiştir. (Bu iki batarya mekanik olarak
doldurulabilen bataryadır)
Bataryalar yaklaşık 160 yıllık bir geçmişe sahip olmaları
rağmen elektrikli taşıtlar için uygun bir batarya tipi halen
daha tam anlamıyla geliştirilebilmiş değildir. Fakat son
yıllarda ümit edici gelişmeler sözkonusudur.
Elektrikli taşıt tasarımcıları bataryaları elektrikli taşıtın
performansını belirleyen bir “kara kutusu” gibi görürler.
Batarya performans kriterleri;
• Özgül enerji
• Enerji yoğunluğu
• Özgül güç
• Nominal voltaj değeri
• Amp hour verimi
• Enerji verimi
• Ticari üretilebilirliği
• Maliyet
• Çalışma sıcaklığı
• Kendi kendi deşarj oranı
• Ömrü (kaç kez şarj edilebildiği)
• Şarj süresi
Bir tasarımcı ayrıca var olan batarya enerjisinin;
• Ortam sıcaklığına
• Şarj ve deşarj hızına
• Batarya geometrisine
• Optimum sıcaklığa
• Şarj metoduna
• Soğutma ihtiyacına göre
nasıl değiştiğini bilmesi gerekir.
Batarya parametreleri:
1. Hücre voltajı, nominal voltaj, açık devre voltajı, steadystate voltage, terminal voltajı ve iç direnç
a) Hücre voltajı (cell voltage): elektrolit içerisindeki pozitif
ve negatif plakalar arasında üretilen potansiyeller
arasındaki farktır. Bu potansiyeller plaka malzemesine,
elektrolite ve onun yoğunluğuna (şarj durumu) bağlıdır.
b) Nominal voltaj: Kurşun asit bataryalar için DIN 40279’a
göre bir hücrenin nominal voltajı (UN) 2 V olarak
tanımlanmıştır. Tüm bataryanın nominal voltajı ise
hücre sayısı çarpı tek bir hücrenin nominal voltajıdır.
EN 50342’ye göre 6 hücreden oluşan kurşun-asit
bataryaların nominal voltajı 12 V’tur.
c) Açık devre voltajı (open-circuit voltage) (E): Yüksüz
(unloaded) bir bataryanın iki ucu arasındaki voltajdır.
d) Steady-state voltage (Uo): Polarization ve difüzyon
nedeniyle şarj ve deşarj prosesleri tamamlandıktan sonra
açık devre voltajı nihai bir değere ulaşır ki bu voltaja seadystate voltajı denir. (Yani açık devre voltajının son hali gibi
düşünülebilir)
Şarj ve deşarj işleminden hemen sonra ölçülen voltaj değeri
ile bataryanın şarj durumu hakında kesin sonuca varılamaz.
Steady state voltaj için birkaç gün geçmesi gerekir.
e) Terminal voltajı (V): Bataryanın iki terminal ucu arasında
ölçülen voltaj değeridir. Bu voltaj açık devre voltajı (E) ile
bataryanın iç direnci (Ri) ile meydana gelen voltaj
düşümüne (Ui) bağlıdır.
V=E-IR
V : Terminal voltajı
I : Devreden geçen akım
R : İç direnç
E : Açık devre voltajı
Batarya sabit bir voltaja sahipmiş (E) gibi düşünülür fakat iç dirençten
geçen akım nedeniyle terminallerdeki voltaj (V) farklıdır.
İç direncin çok küçük olması kısa zamanda çok fazla akım
çekilebilmesine imkan tanır.
Eğer akım sıfır ise terminal voltajı E’ye eşittir.
Eğer batarya şarj olmaya başlarsa voltaj IR kadar artacaktır.
Yukarıdaki eşitlik kullanımda olan bir bataryanın voltajı hakkında bilgi
verir. Bununla birlikte açık devre voltajı (E) gerçekte sabit değildir.
Sıcaklık ve şarj durumu gibi faktörlerden etkilenir.
f) İç direnç: Bir hücrenin iç direnci çok sayıda farklı dirençlerin
birleşmesinden oluşur. Bunlar;
 Elektrolit ile elektrot arasındaki temas direnci (Polarization
resistance) (Ri1)
 Elektrotlardaki akışa karşı elektrotların direnci (Ri2)
 İon akımına karşı elektrolitin direnci (Ri3)
 Hücreler birbirlerine seri bağlandığı için bu bağlantıların oluşturduğu
direnç (Ri4)
Toplam direnç:
Ri= Ri1+ Ri2+ Ri3 +Ri4
Aynı plaka kalınlığında daha büyük yüzey alanı iç direnci azaltır.
Batarya deşarjının fazla olduğu durumlarda ve düşük sıcaklıklarda (sülfürik
asit daha viskoz hale gelir) iç direnç artar.
20 ºC de 50 Ah lik tam şarjlı bir akü için iç direnç 5-10 m dur. %50 şarj
durumu ve -25 ºC sıcaklıkta ise artarak 25 m’a ulaşır.
g) Gassing voltage: Kurşun asit bataryalar için bataryanın ciddi
seviyede gaz çıkarmaya başladığı voltajdır. Bunun sonucu olarak
bataryanın su kaybı ve patlama riski vardır. Elektrolit sıcaklığına
bağlı olarak 12V luk bataryalar için gazlaşma voltajı 14,4-14,7 V
aralığındadır.
2.
Kapasite (Amper saat - Ah) (C10 veya K20)
Kapasite belli şartlar altında bataryanın verebileceği elektrik
miktarıdır. Elektrik akımı ile zamanın çarpımıdır. Kullanılan aktif
malzeme ve elektrolit miktarı bataryanın kapasitesini belirler.
Batarya kapasitesi sabit bir büyüklük değildir aşağıdaki
değişkenlere bağlıdır:
 Deşarj akımı büyüklüğüne
 Elektrolit yoğunluğu ve sıcaklığı
 Zamana bağlı deşarj prosesi (deşarj sırasında bir müddet
bekleme yapılırsa deşarjın sürekli olduğu duruma göre kapasite
daha yüksek olur)
 Batarya yaşlanması (plakalardaki aktif malzemelerin
kaybolmasından dolayı batarya ömrünün sonuna
yaklaşıldığında kapasite azalır)
 Elektrolitin stratification derecesi
Eğer 20 ºC
sıcaklıkta 5 A değil
de 500 A akım
çekerseniz akünün
kullanılabilir
kapasitesi 40 Ah
oluyor.
100 Ah/20= 5 A lik akım
çekmeniz gerekiyor.
(Standarta göre)
Fig 18: 12 V, 100 Ah lik bir akü.
(%100 şarj durumu ve 20 saatlik deşarj zamanına göre)
Kapasitede deşarj akımı son derece önemlidir. Daha büyük deşarj akımı
daha küçük akü kapasitesi demektir. Fig. 19 da görüldüğü gibi 2,2 A lik
deşarj akımı ile 44 Ah kapasiteli bir akü 20 h süre ile kullanılabilecektir.
20 ºC de 150 A lik bir ortalama
akımla 6 dakikalık deşarj
yaparsanız çekebileceğiniz
enerji 20 Ah’e düşer.
Fig.19: Deşarj akım şiddetinin
fonksiyonu olarak kullanılabilir
batarya kapasitesi.
(Batarya: 12 V, 44 Ah)
Akım ihtiyacı:
A: 20 h deşarj
B: Aydınlatma ve ateşleme
C: İlave olarak fan, ön ve arka cam ısıtması, sis
lambaları, silecekler ve radyo
D: Ortalama marş motoru akımı
Sıcaklığın kapasite üzerindeki etkisi
Bir bataryanın kapasitesi ve deşarj voltajı sıcaklıkla birlikte artar.
Sebep daha düşük elektrolit viskozitesi ve daha düşük iç dirençtir.
Bununla birlikte sıcaklık düştüğünde her ikisi de birlikte azalır çünkü
kimyasal proseslerin verimi düşer.
Bu nedenle starter batarya
seçiminde kapasite çok düşük
olmamalıdır. Aksi takdirde
düşük sıcaklıklarda risk
yaşanabilir ve batarya enerjisi
İYM’u döndürmeye
yetmeyebilir, Fig 20.
Fig. 20:
1a: %20 deşarjlı bataryada marş motoru devri
1b: Daha fazla deşarj olmuş bir bataryada marş
motoru devri
2: Minimum İYM çalışma devri
S1 ve S2: Soğukta çalışma limit değerleri
Nominal kapasite (K20)
Amper saat olarak bir bataryanın maksimum elektrik
yüküdür. EN50342 ye göre sabit bir deşarj akımında 20 h
süre içerisinde 10,5 V luk cutoff voltajına (252 ºC)
ulaşana kadar bataryadan çekilebilen elektrik yüküdür.
Deşarj akımı (I20) nominal kapasite için tahsis edilen bir
akımdır ve toplam deşarj süresi boyunca batarya
tarafından verilmelidir.
I20=K20 / 20 h
Nominal kapasite batarya tarafından depolanabilen
enerjinin bir ölçüsüdür. Bu enerji aktif materyal miktarına
ve elektrolitin yoğunluğuna bağlıdır. Örneğin 44 Ah lik bir
batarya 10,5 V luk cutoff voltajına ulaşana kadar 2,2 A lik
bir akımla en az 20 h te (40 Ah/20=2,2 A) deşarj olabilir.
3. Depolanan Enerji
Bir bataryada depolanan enerji voltaja ve Ah olarak
batarya kapasitesine (charge) bağlıdır.
SI sisteminde enerji birimi “Joule” dur fakat küçük bir
değer aldığı için bataryalarda onun yerine “Wh” kullanılır.
(Depolanan enerji)
K ile de göst.
Hem batarya kapasitesi hem de batarya voltajı bataryanın
nasıl kullanıldığına bağlı olarak değişmektedir. Eğer akım
artar ve batarya hızlı bir şekilde deşarj olursa her iki
büyüklükte azalır.
1 Wh: 1 saat içinde 1 Watt’lık güç üreten enerji eşdeğeridir.
1 Wh = 3600 J
4.
Özgül enerji (Wh/kg)
Bataryadan çok aşırı miktarda güç çektiğiniz zaman bataryanın özgül enerjisi
azalıyor. Özgül güç ile özgül enerji arasında ters orantı var.
5. Enerji yoğunluğu (Wh/m3)
Bataryanın birim hacmi başına depolanan enerji miktarıdır.
6. Özgül Güç (W/kg)
1 kg batarya başına elde edilen güçtür. Bataryadan çekilen
güç bataryanın kendisinden ziyade bataryaya bağlanan
yüke bağlı olduğu için bu değer son derece değişkendir ve
çok anormal değerler alabilir. Bataryalar belli bir maksimum
güce sahip olmakla birlikte birkaç saniyeden daha fazla bir
süre ile bu güç noktasında çalışmaları mümkün değildir.
Bazı bataryalar çok iyi özgül enerjiye fakat düşük özgül
güce sahiptirler. Bu şu demektir: çok fazla enerji
depolayabilirler fakat onu çok yavaş bir şekilde verebilirler.
Elektrikli bir taşıt ile uzun bir mesafe gidilmek isteniyorsa
taşıt düşük hızla kullanılmalıdır.
Herhangi bir batarya için yüksek özgül güç normalde daha
düşük özgül enerji ile sonuçlanır. Bunun nedeni yüksek
güçte bataryanın enerji çıkışı hızlı ise bu işlem kullanılabilir
enerjiyi (available energy) azaltır.
Şekil: 20 kWh ve 7.5
kWh kapasitelerine
sahip aküler için hızmenzil ilişkisi
7. Ah (veya şarj) verimi
İdeal bir batarya kendisine şarj edilen enerjinin tamamını geri
verebiliyorsa Ah verimi %100 dür. Fakat hiçbir batarya bunu
yapamaz. Bataryanın şarj olurken çektiği enerji ile deşarj
olurken verdiği enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşür. Bu
nedenle bataryalar deşarj olurken aynı şarj akımını aynı sürede
veremezler. En uygun şartlarda Ah kapasiteye göre kurşun asit
bataryalar için batarya verimi %80-90 arasındadır.
Verim( Ah ) 
Deşarj akımı x Deşarj süresi
Şarj akımı x Şarj süresi
Örneğin 12 A ile 10 saat deşarj olan 120 Ah kapasitesindeki bir
akünün verimi %80 ise aynı akımla ancak 12,5 saatte şarj
olabilecektir.
8. Enerji verimi
Batarya tarafından sağlanan elektriksel enerjinin bataryayı
deşarj olmadan önceki haline geri getirmek için gerekli olan
elektrik enerjisine oranı şeklinde tarif edilir.
Verim ( Wh ) 
Deşarj enerjisi ( Wh )
Şarj enerjisi ( Wh )
Kurşun asit bataryalar için bataryanın Wh kapasitesine göre
verimi %65-80 arasında değişir.
9. Kendi kendine deşarj oranı
Bir batarya uzun süre kullanılmadığında deşarj olur. Bu olay
kendi kendine deşarj (self-discharge) olarak isimlendirilir.
Yüksek sıcaklıklar kendi kendine deşarjı arttırır. Bu yüzden
aküler kullanılmadıkları zaman serin bir yerde saklanmalıdırlar.
10. Batarya geometrisi
Hücreler yuvarlak, dikdörtgen veya hexagonal olarak imal
edilebilir. Genellikle dikdörtgen yapılar tercih edilir.
11. Batarya sıcaklığı, ısınma ve soğuma ihtiyacı
(Bataryanın termal yönetimi)
Taşıtın çalışması sırasında ivmelenme ve geri kazanım
durumları değişir. Hatta yüksek şarj/deşarj seviyelerinde
dahi bu durum bataryanın ısınmasına sebep olan ısı
kayıplarını arttırır. Isının uygun bir yolla (air/liquid cooling)
uzaklaştırılması için batarya bir thermal management
sistemine sahip olmalıdır.
12. Batarya ömrü ve şarj sayısı
Derin deşarja doğru
gidildikçe batarya
ömrünün azaldığı
görülmektedir.
NiMH: Nickel metal hydrid system
Li-Ion: Lithium ion system
AGM: Absorbent Glass Mat
Liquid: Lead-acid system
Bu 12 maddenin haricinde kullanılmış bataryanın yeniden geri
kazanımı da son yıllarda önem kazanmıştır.
Kurşun asit bataryalar
Elektrikli araçlarda kullanılan kurşun-asit çekiş bataryaları
klasik kurşun-asit bataryalardan daha sağlam, derin deşarj
çevrimine “deep cycling” daha dayanıklı ve daha fazla sıvı
elektrolit içerirler. %50-%80 oranında deşarj olabilecek
şekilde tasarlanırlar. %20 şarj da bile çalışabilecekken
ortalama şarj seviyesinin ömür açısından %50 olması
tavsiye edilir. Klasik araç bataryaları ise derin deşarj
özelliğine sahip değillerdir. Toplam kapasitelerinde kısa
süreli düşüşler yaşanır.
Negatif plakalar kurşun (Pb), pozitif plakalar ise kurşun
dioksit (PbO2) den oluşur. Bu plakalar sulandırılmış sülfürik
asit çözeltisine daldırılırlar. Sülfürik asit kurşun ve kurşun
dioksiti kurşun sülfat (PbSO4) ve su (H2O) oluşturmak için
reaksiyona sokar ve bu reaksiyon sonucunda elektrik
enerjisi üretilir.
Her iki elektrot
reaksiyonu da
PbSO4 oluşumu ile
sonuçlanır.
Son derece küçük iç dirence sahiptirler. Bu akım
çekildiğinde voltajda meydana gelen düşüşün çok küçük
olduğu anlamına gelir.
C10: 10 saatlik kullanımda Ah olarak kapasitedir.
Kurşun asit bataryaların özel karakteristikleri:
Kurşun ve kurşun dioksit sülfürik asit çözeltisi içinde stabil bir
şekilde kalamazlar ve çok yavaşta olsa çözünürler. Yani batarya
kullanılmasa bile bu olaylar meydana gelecektir. Meydana gelen
reaksiyonlar;
Bu olay bataryanın kendi kendine deşarjıdır. Meydana gelen bu
reaksiyonların hızı hücrelerin sıcaklığına bağlıdır. Hücreler ne
kadar sıcaksa reaksiyonda o kadar hızlı gerçekleşir. Bu
reaksiyonlar ayrıca bileşenlerin saflığı (kalitesi) ve elektrot elde
etmede kullanılan katıksız alaşımlar gibi diğer bazı faktörlere
bağlıdır. (Örneğin kurşunun yapısındaki antimon self-deşarjı
arttırır. O yüzden antimonun bulunması istenmez.)
Batarya kendi kendine deşarj olurken bu istenmeyen
reaksiyonlar ayrıca hidrojen ve oksijen gazlarının üretilmesine
de sebep olurlar. Daha düşük voltaj, daha yüksek sıcaklık ve
daha yüksek elektrot aktivitesi nedeniyle batarya daha hızlı
deşarj olursa O2 ve H2 oluşumu da o kadar hızlı olacaktır.
Diğer bir önemli konu bu deşarj reaksiyonlarının tüm
hücrelerde aynı oranda meydana gelmeyeceğidir. Bunun
meydana getireceği olumsuzluk şudur: tüm hücrelerin şarj
edildiğinden emin olununcaya kadar batarya şarj edildiği için
bu durumda bazı hücreler aşırı şarjı tolere etmek zorunda
kalacaktır.
Aşırı şarj durumunda ise meydana gelen reaksiyonlar Fig. 2.5
de gösterilmiştir. Aşırı şarj reaksiyonları elektrotlar üzerinde
kurşun sülfat tabakası bırakmayıncaya kadar bu gazlaşma
reaksiyonlarını devam ettirir. Bu reaksiyonlar batarya tamamen
veya tamama yakın şarj oluncaya kadar sürer.
Fig. 2.5 deki aşırı şarj reaksiyonları ile (2.4) ve (2.5)
eşitliklerindeki self-deşarj reaksiyonlarının dikkat çeken bir
özelliği suyun kaybolarak hidrojen ve oksijene
dönüşmesidir. Eski bataryalarda bu gaz bir havalandırma
deliği ile dış ortama salınırdı ve elektrolit zamanla saf su ile
doldurulmak zorunda kalınırdı. Modern sızdırmaz
bataryalarda artık su ilavesine gerek kalmamıştır. Gazlar
batarya içinde tutularak yoğuşmasına ve tekrar su
oluşturmasına imkan tanınır.
Kurşun asit batarya ömrü ve bakımı
Batarya bakımı ve bakım gerektirmeyen bataryalar:
Kurşun-asit bataryalarda zamanla su kaybı meydana geliyor.
Dolayısıyla saf su ilavesi gerekli.
Bakım gerektirmeyen sızdırmaz kurşun-asit bataryalar var.
Gazlaşan maddeler (hidrojen ve oksijen) tekrar yoğuşarak
bataryaya geri dönüyor. Ama bu bataryalarda VRLA (Valve
Regulated Sealed Lead Acid) diye isimlendirilen bir emniyet
supabı var. Aşırı şarj durumunda bataryanın zarar görmemesi
için bu emniyet supabı açılarak dışarı gaz salınıyor. Bu durum
batarya ömrünü olumsuz etkiliyor.
Ayrıya elektroliti jel olan bakım gerektirmeyen bataryalarda
mevcut.
Bataryaların elektrolit tipine göre sınıflandırılması
1. Islak Hücreli Akümülatör (Wet Cell –Flooded):
Hücre içinde sıvı halde elektrolit bulunur. İki şekilde üretilir;
A. Normal (Havalandırmalı-Wented); Şarj sırasında akümülatör
kapağından gaz çıkışı ve dolayısı ile su eksilmesi olur. Akü kapağını açıp
su ve elektrolit ilavesi mümkündür.
B. Bakımsız (Sealed-Maintenance free); Kapak tasarımı ve plaka
malzemesi farklıdır. Kapak sistemi belli bir basınç altında gaz çıkışına izin
vermez. Su eksilmesi çok düşüktür. Ömrü boyunca su ilavesi gerektirmez.
2. Jel akümülatör (GEL Cell Battery);
Elektrolite silis bileşikleri eklenerek, koyu kıvamlı jöle haline gelmesi
sağlanır. Akümülatör kırılsa bile elektrolit sızıntısı olmaz.
Şarj sırasında daha düşük voltaj gerektirir. Aşırı şarja karşı hassastır.
Çok derin deşarj edilmeye ve sıcak ortamlarda çalışmaya uygundur.
3. Kuru akümülatör (AGM Battery):
Teknik anlamda ıslak hücreli akümülatör olarak kabul edilse bile, seperatör
yapısından dolayı tamamen farklı bir akümülatördür. Seperatörler, cam
elyafı yapısındadır. Akümülatör hücrelerine doldurulan sıvı elektrolit,
plakalarla sıkı temasta olan bu seperatörler tarafından tamamen emilir.
Akümülatör kırılsa bile elektrolit akışı sızması olmaz. Şarj ve deşarj
verimliliği yüksektir. Derin deşarj edilmeye uygundur.
Batarya ömrünü etkileyen faktörler:
1. Sülfatlaşma (sulphation) (eğer batarya uzun süre -2 hafta
veya daha fazla- deşarj konumunda bırakılırsa sülfatlaşma
olayı yaşanır). Bataryanın şarj durumu sürekli olarak kontrol
edilerek sülfatlaşma olayı engellenebilir.
2. Elektrotlar üzerinde meydana gelen korozyon reaksiyonları
(aktif materyaller daha iri kristal yapılara dönüşecek ve yüzey
alanı dolayısıyla reaksiyon hızı azalacaktır. Zamanla aktif
materyallerin yüzeyden kopma durumu var.)
3. Batarya ömrü büyük ölçüde “deep of cycle” a (derin deşarja)
bağlıdır. Derin deşarj sayısı arttıkça batarya ömrü kısalır.
Batarya şarjı
En yaygın kullanılan şarj tekniği çok adımda şarj (multiple
step charging) tekniğidir.
Bu teknikte hücre değeri önceden tespit edilen bir değere
kadar şarj edilir. Daha sonra akım kesilir ve hücre voltajının
önceden belirlenen bir değere kadar düşmesine izin verilir ve
daha sonra tekrar akım verilir. Buradaki problem önceden
belirlenen voltajın batarya tipine ve sıcaklığına bağlı olarak
değişmesidir.
Firmalar üretimini yaptıkları bataryalar için uygun şarj aletleri
de üretmektedirler.
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Kurşun asit batarya resimleri
Nikel tabanlı bataryalar
• Nikel Demir (Nadir kullanıma sahip)
• Nikel Çinko (Vasat bir performansa sahip)
• Nikel Kadmiyum (Kadmium kansorejen bir madde)
• Nikel Metal Hidrid
En fazla ümit verici olanı NiMH bataryadır.
Nikel Kadmiyum bataryalar
Nickel Cadmium batarya pozitif elektrot için Ni oxyhydroxide ve
negatif elektrot için metalik Cadmium kullanır. (NOTLARDAN)
Kendi kendine deşarj reaksiyonlar kurşun-asit bataryalara göre çok yavaştır.
Cadmium malzemesinin maliyeti yüksektir. Ayrıca çevreye zararlıdır. Ancak bu
bataryaların ömürleri daha uzundur. Bir çok araçta başarılı bir şekilde
kullanılmıştır.
Nikel metal hidrid bataryalar
K: Potasyum, P: Fosfor, sponge: sünger
NiMH bataryalar çok hızlı şarj edilebilirler.
Toyota Prius’ta kullanılmaktadırlar.
NiMH bataryalar günümüzde hibrid araçlarda standart olarak
kullanılmaktadırlar. Cadmium malzemesi zehirli olduğu için NiCa
bataryalar artık modern taşıtlarda kullanılmaz.
Yüksek güç yoğunluğuna sahiptirler. Kurşun-asit bataryalarla
karşılaştırıldığında alkali elektrolitin (KOH) elektrot reaksiyonuna
katılmadığı görülür.
Kısmi şarjlı durumda çalışması ömrünü olumsuz etkilemez.
Diğer şarj aralıklarında da yüksek şarj/deşarj akımları ile
yüksek verim seviyelerinde çalışabilir.
NiMH bataryaların dezavantajı yüksek kendi kendine deşarj
oranı ve düşük sıcaklıklarda aşırı güç kaybıdır.
NiMH hücrelerin daha düşük steady-state voltaj değerleri iyi
bir özellik değildir. Bu nedenle kurşun asit bataryalarla
karşılaştırıldığında istenilen voltaj değerini elde etmek için 1,6
kat NiMH hücresi kullanmak gerekir.
Aktif elektrot malzemesi olarak Nickel Oxide hydroxide
(cadmium bataryalarda olduğu gibi) ve hidrojen (misch metal)
depolayan bir malzeme (Cadmiumun yerine) kullanılır. Misch
metal yüksek lanthanum, cerium ve neodymium içeren bir
alaşımdır. Bu tip bataryaların en ilginç özelliği negatif elektrotun
tam bir fuel cell gibi davranmasıdır. Pozitif elektrottaki reaksiyon
NiCd hücresindeki reaksiyonla aynıdır. Deşarj sırasında Nickel
oxyhydroxde Nickel hyroxide olur. Negatif elektrotta hidrojen
geçici olarak tutunduğu metalden salınır ve reaksiyona girerek
su ve elektron oluşur. (Notlar)
Hücre bir miktar hidrojen basıncı ile çalışır ve kritik çalışma
şartlarında hidrojeni dışarı sevketmek için bir pressure
relief valve (basınç emniyet valfi) sahiptir. Çalışma sırasında
aşırı şarj durumlarının meydana gelmemesi ve
havalandırma olanaklarının kullanılması sağlanmalıdır.
Aşırı basıncın tahliyesi sırasında caustic alkali bulutların
meydana gelmesi beklenebilir. Hava ile karıştığı zaman
hidrojenin oksihidrojene dönüşmesi ayrıca dikkate alınmalıdır.
Lityum bataryalar
a) Lithium ion batarya
Negatif elektrot
Pozitif elektrot
Elektrolit sıvı organik çözelti veya katı polimerdir.
LiO bataryalarda
gelinebilecek son
noktaya gelindi
deniliyor. Daha fazla
menzil yapamayacakları
söyleniyor.
Fluence de 150 Wh/kg
lık Li-ion bataryalar kul.
b) Lithium polimer batarya
Lithium hücreler şarj edilirken voltaj kontrolü hassas bir şekilde
yapılabilmektedir. Diğer bataryalarla karşılaştırıldıklarında ciddi bir ağırlık
avantajına sahiptirler.
Lithium ion batarya:
NiMH sistemlerle karşılaştırıldığında Lithium sistemler daha
yüksek enerji ve güç yoğunluğu sağlarlar (hücre voltajı
yaklaşık 3,6 V). Bu yüzden bu sistemler portabl elektriksel
sistemlerde (mobil telefonlar, Labtoplar) kullanılırlar. Aslında
NiMH bataryaların yerini almışlardır.
Düşük maliyetli ve güvenilir elektrot malzemelerinin (LiMn2O4,
LiFePO4) kullanımı için özel dikkat edilmektedir.
Düşük ağırlıklı Lithium metalinin kullanımı ve diğer
malzemelerin özellikleri (anot olarak grafit) son derece ince
elektrotların kullanımını mümkün kılar. Hatta yüksek güç
çıkışı sağlayan yapıların oluşturulmasına imkan tanır (örneğin
%60 şarjda 25 ºC de ve 10 s süre ile 3 kW/kg lık güç çıkışı).
Elektrot malzemesinin yüksek enerji içeriği ve yüksek
hücre voltajı nedeniyle özel önlemler gerekir:
i) Özel iletim minerallerine sahip organik elektrolit
kullanımı
ii) Sistemin zarar görmesi durumunda hücrenin
patlamasını engelleyen güvenlik yapıları olmalı
iii) Aşırı şarj ve aşırı ısınmadan sakınmak için her
hücrenin izlenmesi
Pozitif elektrot Lithium iyonlarını depolayabilen özel metal
oksitlerden (Ni, Mn, Co veya karışımları) oluşur. Bu
iyonlar counter-elektrota taşınabilir ve bir tersinir
mekanizmada deşarj/şarj prosesi sırasında geri gönderilir.
Counter elektrot grafitten yapılır ve onun katmanlı
(stratified) yapısından dolayı Lithium iyonlarını ayrıca
absorbe eder.
Lithium polimer batarya:
Lithium ion bataryanın özel bir versiyonu Lithium polimer
bataryadır. Bu versiyon yumuşak, esnek hücrelerin üretimi
için özellikle uygundur. Li-polimer bataryanın elektrikli
araçlarda kullanılıp kullanılmayacağı şu an için
araştırılmaktadır.
Negatif elektrot için Lithium metal ve pozitif elektrot için bir
metal oksit kullanılır. Reaksiyon sonucunda Lityum, metal
oksit ile birleşerek Lityum metal oksiti oluşturur.
Bu bataryanın bazı performans problemleri bulunmaktadır.
Metal hava bataryalar
a) Alüminyum-hava batarya
b) Çinko-hava batarya
Metal hava bataryalar
a) Alüminyum hava batarya
Reaksiyon ters
yönde çalışmaz.
Negatif elektrot
Havadan gelen O2
ve su buharı
Hücrenin negatif elektrotunu alüminyum oluşturur ve yaklaşık
1 cm kalınlığında bir tabaka olarak reaksiyona başlar.
Reaksiyon ilerledikçe elektrot gitgide küçülür.
Pozitif elektrot ise üzerine katalitik karbon tabakası
preslenmiş bir metalden oluşan gözenekli bir yapıdır.
Elektrolit olarak genellikle KOH (Potasyum hidroksit)
çözeltisidir.
Batarya kullanılmış negatif elektrotlar yenilenerek tekrar şarj
edilmiş olur. Normalde elektrolitte yeniden doldurulur. Çünkü
Alüminyum hidroksit ile kirletilecektir.
Metal hava bataryalar
b) Çinko hava batarya
Burada negatif elektrot katı çinkodur. Bir çok yönden
Alüminyum hava bataryası ile benzerdir. Alüminyum hava
bataryanın 10 katı kadar özgül güç değerine sahiptir.
Elektrik enerjisi hava içerisindeki oksijenle çinkonun
birleşerek çinko oksit oluşturması sonucunda elde edilir.
Çinko hidroksit üretilir. Bu proses yine ters yönde işlemez.
Batarya Sistemleri
2. Elektrikli Araçların Yaygınlaşamama Nedeni
W 
J
s
Ws  J
Wh  3600J
veya
J
1
Wh
3600
Benzin ve Motorinin alt ısıl değerleri (özgül enerji) yaklaşık 42-44
MJ/kg arasında değişir.
Bataryalarda özgül enerji birimi olarak J/kg yerine Wh/kg tercih edilir.
Benzin ve motorinin [Wh/kg] biriminde özgül enerji değerleri:
H alt
MJ
42.106
Wh
6 J
 42
 42.10

 11666,6
kg
kg
3600
kg
Kurşun asit bataryaların özgül enerji değeri 30 Wh/kg
Lityum Ion bataryaların özgül enerji değeri 150 Wh/kg (Fluence’te
kul.)
2. Elektrikli Araçların Yaygınlaşamama Nedeni
40 kg benzin (veya ~50 litre benzin)
Enerji değeri= 40x11666,66=466666,4 Wh
Toplam taşıt verimi %20
Şafttan elde edilen enerji=93333,3 Wh
Enerji değeri= 93333,3/0,9=103703,6 Wh
103703,6/30= 3456,8 kg kurşun asit batarya gerekli
Toplam taşıt verimi %90
Şafttan elde edilen enerji=93333,3 Wh
40 kg benzinin verdiği enerjiyi veren kurşun asit batarya kütlesi
2. Elektrikli Araçların Yaygınlaşamama Nedeni

General Motors’un 1999 yılında
piyasaya sürdüğü Gen II EV1’in
Pb-asit bataryası 595 kg dı ve
taşıt ağırlığının %40’ına denk
geliyordu. Menzili 90-150 km
arasında değişiyordu.

Bugün Fluence’te 250 kg kütleli
Lityum iyon bataryalarla yaklaşık
160 km gidilebilecektir. Yaklaşık
500 km mesafe gidebilmek için
yaklaşık 800 kg kütlesinde bir
Lityum iyon bataryaya ihtiyaç
vardır denilse bile;

Pratikte bu şekildeki bir artış
Fluence’nin menzilini üç katına
çıkarmaz. Çünkü;

800 kg lık kütleyi hızlandırmak ve
yavaşlatmak ve ayrıca yokuş
yukarı çıkarmak için ekstra
enerjiye ihtiyaç duyulur.
2. Elektrikli Araçların Yaygınlaşamama Nedeni
 Bu enerjinin bir kısmı rejeneratif frenleme ile geri kazanılabilir. (Frenleme
esnasında taşıtın kinetik enerjisinin bir kısmı elektrik enerjisine
dönüştürülerek aküde depolanır)
 Pratikte üretim verimi, kontrolü, aküde depolama, elektrik motor ve
kontrolöründen dönüş hesaplandığında enerjinin 3’te birinden daha az bir
kısmının geri kazanılabildiği görülür.
 Bataryalı araçlarda görülen diğer bir ana problem tekrar şarj olmaları için
geçen süredir.

Evde şarj (6-8 saat)

Hızlı şarj (30-60 dakika)

Batarya değiştirme (3 dakika)
Şarj istasyonu
Batarya değiştirme (Quick drop sistemi)
2. Elektrikli Araçların Yaygınlaşamama Nedeni
 EV’lar için şu an için sınırlayıcı
diğer bir parametre
bataryaların pahalı oluşudur.
Ayrıca batarya ömrü ve menzili
de sınırlıdır.
 Batarya tasarımında 3 kriter
vardır: Özgül enerji, özgül güç
ve ömür. Özgül güç volan veya
ultra kapasitör kullanılarak
elimine edilebilir.
 EV ların geliştirilmesi
aşamasında ilk önce hibrid
araç uygulamasına geçilmiştir.
Günümüzde bu çalışmalar çok
daha ileriye götürülmüştür.
(Toyota Prius örneği)
Toyata Prius
3. Klasik ve Elektrikli Bir Aracın Yakıt Tüketimleri
Yönünden Karşılaştırılması
100 km de 7,5 litre (~6 kg) benzin tüketen bir araç düşünün.
6 kg
M (Ws ) 252 M (Wh )
MJ
MJ
kWh
.42
 252
 252

 70
100 km
kg
100km
100km 3600 100km
100km
Gerçekte %75 verimle çalılan bir elektrikli aracın ise bu enerjinin ancak
1/3 ünü tükettiğini kabul edersek (İYM ait taşıt %25 verimle, EV ise
%75 verimle çalışıyor);
EV
 25
kWh
100km
Klasik taşıt
7,5 ltx3,7 TL=27,75 TL/100 km
Elektrikli taşıt
25 kWhx0,2 TL=5 TL/100 km
EV’larda Kullanılan Yardımcı Ekipmanlar
1. Volan: magneto-dinamik enerji depolama (MDS)
sistemi
2. Süper Kapasitör: elektrik enerjisi depolama sistemi
Özgül güç, birim kütle başına üretilen güçtür. [W/kg]
Özgül enerji ise, birim kütle başına depolanabilen enerjidir. [Wh/kg]
Yüksek enerji yoğunluğu uzun sürüş menzili,
Yüksek güç yoğunluğu ise ivmelenme ya da yokuş
tırmanma ihtiyacını karşılayan dizayn parametreleridir.
Volan ve süperkapsitörler yüksek güç yoğunluğuna
sahip sistemlerdir.
Volanlar
Volan (flywheel) veya diğer adıyla magneto-dinamik enerji depolama
(MDS) sistemi, bir kinetik enerji depolama ünitesidir. Volanlar, dönen
bir ağırlık sayesinde kinetik enerjiyi depo etmektedir.
Volanlar özellikle HEA’larda İYM ile birlikte yardımcı güç ünitesi
olarak kullanılır. Alternatif olarak volanlar, EA’larda bataryaların
yerine veya bataryalarla birlikte de kullanılabilir.
Mevcut volanların, karmaşık, büyük ve ağır olmalarından dolayı
özgül enerji yoğunlukları düşüktür. Ancak çevrim ömrü, güç
yoğunluğu, enerji depolama verimi doldukça yüksektir.
Volanların enerji yoğunluğu özellikle dönme hızına bağlıdır. Bunun
yanında yüksek dönme hızı özel yataklar ve yüksek mukavemetli
malzemeler gerektirdiğinden maliyetleri artırmaktadır.
Volanlarda depolanan enerji
Ek=(1/2)Iw2
Burada I atalet momenti, w ise açısal hızdır.
Volanlarda kullanılan malzeme hafif yoğunluklu ve yüksek
mukavemetli olmalıdır. Bu nedenle modern volanlar enerji
yoğunluğunun artması için karbon fiber gibi kompozit malzemelerden
üretilmektedir.
Volanların bataryalara göre bazı avantajları vardır. Bunlar: yüksek
çevrim ömrü, yüksek güç yoğunluğu, iyi depolama verimi ve tekrar
şarj zamanının kısa olmasıdır. Teorik olarak volanların özgül gücü 510 kW/kg kadardır. Bir volanın enerji depolama verimi % 90’nın
üzerindedir. Volanlar saniyeler mertebesinde tam şarja ulaşırlar.
Volanlar toksik emisyonlar ve atık malzemeler açığa çıkmaz, çevreye
karşı daha duyarlıdır.
Volanların avantajları yanında bazı dezavantajları da vardır. Volan
enerji depolama sisteminin uygulanmasındaki en büyük zorluk
sistemin çalışması için gerekli ekstra donanıma ihtiyaç duyulmasıdır.
Ekstra donanımlar araca ek ağırlık getirmektedir. İkincisi araç
üzerinde dönen kütlenin meydana getirdiği denge problemidir.
Özellikle Almanya’da Magnet Motor ve Hollanda’da CCM HEA’larda
kullanılmak üzere volan enerji depolama sistemini geliştirmiştir.
Özellikle Magnet-Motor firmasının ürettiği volanlar 1988’den beri
Avrupa’nın çeşitli başkentlerinde dizel elektrikli troleybüs vb.
araçlarda güvenle kullanılmaktadır.
CCM volanları kompozit malzemelerden üretilmiştir. Volan vakum
altındaki koruma haznesi içerisinde 15000 d/d ile dönmektedir. Enerji
depolama verimi yaklaşık %93’dür. Motor volan ile birlikte
dönmektedir.
CCM tarafından geliştirilen volanlar test amaçlı olarak troleybüsde
kullanılmıştır.
Tablo: CCM volanının kurşun-asit batarya ile karşılaştırılması
Havanın sürtünme direncini
ortadan kaldırmak için volan
vakumlu bir ortamda çalışır.
Volanın yapısı
EMAFER adı verilen volan sistemi
Süperkapasitörler
Kapasitörler enerjiyi pozitif ve negatif elektrostatik yüklerin
ayrışmasıyla depo eden cihazlardır. Kapasitör iki tane plaka olarak
adlandırılan iletkenle, bunları ayıran ve dielektrik olarak adlandırılan
yalıtkandan oluşmaktadır. Konvansiyonel kapasitörlerin güç
yoğunlukları çok yüksektir (~1012 W/m3) fakat enerji yoğunlukları çok
düşüktür (~ 50 Wh/m3). Konvansiyonel kapasitörler genellikle
elektrolitik kapasitörler olarak adlandırılırlar. Depolanan yük miktarı
yani enerji miktarı plakaların alanına ve aralarındaki mesafeye
bağlıdır. Yüksek kapasite için alan büyük ve plakaların arasındaki
boşluk az olmalıdır.
Süperkapasitörler konvansiyonel kapasitörlerin geliştirilmiş halidir.
Süperkapasitörlerin güç ve enerji yoğunlukları sırayla yaklaşık olarak
106 W/m3 ve 104 Wh/m3 mertebesindedir. Enerji yoğunlukları
bataryalara göre daha azdır. Ancak deşarj süreleri hızlı ve çevrim
ömrü daha fazladır.
Bir süperkapasitörde plakaların arasındaki boşluk katı polimerden
oluşan elektrolitle doludur. Burada plakalar bataryada olduğu gibi
elektrottur. Ancak kimyasal reaksiyonlar gerçekleşmez, sadece
elektrot yüzeylerinde iyonlaşma olur. Elektrotlar çok yüksek yüzey
alanına sahip delikli malzemeden yapılmıştır (>2000 m2/g).
Süperkapasitörlerde elektrostatik yükler iyonlar şeklinde elektrolitte
depolanmaktadır. Devam eden araştırmalar 4000 W/kg ve 15 Wh/kg
civarında kapasiteye sahip kapasitörlerin geliştirilmesini
amaçlamaktadır. Süperkapasitörlerin primer enerji kaynağı olarak
HEA’larda kullanılması için enerji yoğunluklarının artırılması
gereklidir.
Süperkapasitörler halihazırda ivmelenme ve yokuş çıkma gibi ani
güç gereksinmelerinde bataryalara yada yakıt piline yardımcı enerji
kaynağı olarak kullanılmaktadır.
Tablo: Kurşun-asit batarya, volan ve süperkapasitörün karşılaştırılması
ANLATMA….
Bataryaların elektrolit tipine göre sınıflandırılması
1. Islak Hücreli Akümülatör (Wet Cell –Flooded):
Hücre içinde sıvı halde elektrolit bulunur. İki şekilde üretilir;
A. Normal (Havalandırmalı-Wented); Şarj sırasında akümülatör
kapağından gaz çıkışı ve dolayısı ile su eksilmesi olur. Akü kapağını açıp
su ve elektrolit ilavesi mümkündür.
B. Bakımsız (Sealed-Maintenance free); Kapak tasarımı ve plaka
malzemesi farklıdır. Kapak sistemi belli bir basınç altında gaz çıkışına izin
vermez. Su eksilmesi çok düşüktür. Ömrü boyunca su ilavesi gerektirmez.
Her iki akümülatör tipi de; Starter, Derin Deşarj veya Çok amaçlı olarak
kullanılabilir. Telekom sabit tesis uygulaması, Forklift Traksiyoner
uygulaması, Otomobil ve Motosiklet uygulamaları örnek olarak
gösterilebilir.
Bakım gerektirmeyen aküler;
Valve Regulated Lead-Acid Battery (VRLA)
Sealed Lead-Acid Battery (SLA)
olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu akülerde su eksilmesi hemen hemen yok
kabul edilebilir.
Elektrolit sızması olmadığı için akümülatörler kullanım yerine her
pozisyonda (dik, yatık) yerleştirilebilir.
Islak Hücreli Akümülatörlere (Wet Cell –Flooded) göre daha fazla enerji
saklar, daha geç sülfatlaşır, ömürleri ve şarj-deşarj sayıları daha fazladır,
sıcak ortamlarda çalışabilirler, derin deşarj kullanımına uygundurlar.