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 (252 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.