Elektrikli Araç Alt Sistemleri 2023

Elektrikli araçlarda kullanılan birçok alt sistem bulunmaktadır. Yazımızda kullanılan alt sistemlerden detaylı bir şekilde bahsedeceğiz. Gelin birlikte bu alt sistemlere bakalım;

Güç Üretim Sistemleri 

İçten yanmalı motorlu araçlar ve hibrit araçlar gibi elektrikli araçlarında elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek için güç sistemlerine ihtiyacı vardır. Bu bağlamda incelendiği zaman elektrik motoru ve motor için alınacak elektrik enerjisi doğrudan güç üretim sistemine bağlıdır ve bu sistem hareketlendirici ve generatör ile bir bütünlük içinde hareket eder. Güç üretim sistemi AC veya DC elektrik enerjisi sağlar. Ana kaynaktan tekerleklere kadar olan enerji akımları ise sistem verimliliği bakımından oldukça önemlidir.

Doğrudan Güç Üretim Sistemleri

Doğrudan enerji kaynakları, bataryalar ve hidrojen enerjisiyle çalışan yakıt pillerini kapsar. Bu doğrudan enerji kaynaklarına detaylı bakacak olursak;

Bataryalar

Bataryalar, elektrikli araçlar için vazgeçilmez bir unsurdur ve oldukça önemli bir konuma sahiptir. Bataryalarda depolanmış elektrokimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüşerek sürüş sistemini doğrudan etkiler.

Bataryaların kapasitesi de önemli bir unsur olarak karşımıza çıkar ve burada bataryanın deşarj oranı, yaşı, sıcaklığı ve batarya tipi dikkat edilmesi gereken önemli hususlar arasında yer alır. Batarya teknolojisinde de en hassas nokta hiç şüphesiz enerji ve güç yoğunluğudur. Enerji ve güç yoğunluğu kavramları, dikkat edilmesi gereken diğer bir unsur olup, bu kavramlar elektrikli aracın sağladığı güç ve enerjinin ölçüsünü ifade eder.

Bataryaların yüksel özgül güç ve enerji dışında uzun bir ömre sahip olması beklenir. Bu beklenti bir batarya için yaklaşık 3 ila 4 yıl gibi bir kullanım ömrüne karşılık gelir. Hangi bataryanın kullanılacağına karar verme aşamasında çalışma sıcaklığı faktörü devreye girer ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışan bataryalar için bazı sistemlerin kurulmasına ihtiyaç duyulur. Nedir bu sistemler diyecek olursanız; bu sistemler, sodyum-sülfür, sodyum nikel klorür, lityum –demir sülfür gibi özel sistemlerdir. Bunun haricinde pek çok çeşit batarya türü mevcuttur. Gelin birlikte bu batarya türlerine bakalım.

Kurşun-Asit Batarya

Günümüzde maliyet elektrikli araçlar için önemli bir dikkat noktasıdır ve enerji depolama noktasın en uygun batarya çeşididir fakat enerji yoğunluğu düşük olduğu için aracın menzilini direkt olarak etkilemektedir. Bu bataryaların ömrü yaklaşık olarak 3 yıl gibi bir süreye dayanır.

Kurşun-asit batarya, kurşun ve kurşun dioksit plakaları, elektrolit olarak sülfürik asit ve plastik bir kap içeren bir tür şarj edilebilir bataryadır. Bu bataryalar, araçların akülerinde, endüstriyel uygulamalarda, yedek güç kaynakları ve güneş enerjisi sistemleri gibi birçok farklı alanda kullanılır.

Kurşun-asit bataryalar, elektroliz reaksiyonlarının bir sonucu olarak elektrik enerjisi depolamak için kullanılır. Bataryanın içindeki kurşun dioksit plakalar, bataryanın pozitif elektrotunu oluştururken, kurşun plakalar negatif elektrotu oluşturur. Bu plakaların üzerinde sülfürik asit bulunur ve bataryanın elektroliti olarak görev yapar. Elektroliz reaksiyonları sırasında, bataryaya elektrik enerjisi verildiğinde, elektrolit çözeltisi kimyasal olarak ayrışır ve bu sayede bataryanın şarj edilmesi gerçekleşir. Tam tersi durumda, yani bataryadan elektrik enerjisi çekildiğinde, elektrolit çözeltisi yeniden birleşerek bataryanın deşarj olmasına neden olur.

Kurşun-asit bataryalar, yüksek kapasiteye sahip olduklarından ve düşük maliyetli olduklarından dolayı popüler bir batarya teknolojisi olmuştur. Ancak, ağırlık açısından diğer batarya teknolojilerine kıyasla daha ağırdırlar ve ayrıca çevre dostu olmayan bileşenler içerirler. Bu nedenle, çevre dostu alternatif batarya teknolojileri (örneğin lityum iyon bataryaları) gibi daha yeni teknolojilere doğru bir geçiş gözlemlenmektedir.

Nikel-Demir Batarya

Bir diğer batarya teknolojisi nikel-demir bataryadır. Bu bataryaları daha uzun yollar kat etmesi adına Thomas Edison 1901 yılında geliştirmiştir. Pahalı bir batarya türü olan nikel-demir bataryalar, bunun yanı sıra uzun ömürlü ve güvenilirdir. Bu bataryaların ömrü yaklaşık olarak 6 yıl gibi bir süreye dayanır.

“Nikel-Demir Batarya” Türkçe’de “Nikel-İnşa Bataryası” olarak bilinir. Bu, Thomas Edison tarafından 1901 yılında icat edilen şarj edilebilir bir batarya türüdür.

Nikel-demir bataryaların pozitif elektrodu nikel hidroksitten, negatif elektrodu ise demirden yapılmıştır ve alkalin elektrolit potasyum hidroksitten oluşur. Elektrotlar bir gözenekli izolasyon malzemesi ile ayrılır.

Nikel-demir bataryaların en önemli avantajlarından biri dayanıklılıkları ve uzun ömürlü olmalarıdır. Büyük bir sayıda şarj-deşarj döngüsüne dayanabilirler ve bu özellikleri sayesinde yedek güç sistemleri ve off-grid enerji depolama gibi uygulamalar için popüler bir seçimdirler.

Ancak, nikel-demir bataryaların enerji yoğunluğu diğer bazı şarj edilebilir batarya türlerine göre düşüktür, bu da belirli uygulamalarda kullanışlılıklarını sınırlar. Ayrıca, bazı diğer batarya türlerine kıyasla imalat maliyetleri daha yüksek olabilir.

Genel olarak, nikel-demir bataryalar bazı faydalı özelliklere sahip olsalar da, günümüzde lityum iyon veya kurşun-asit bataryalar gibi diğer şarj edilebilir batarya türleri kadar yaygın kullanılmamaktadırlar.

Nikel-Çinko Batarya

İlk icadı 1899 yılına dayanan nikel-çinko bataryaların kullanımı fazla yaygınlaşmamıştır. Fakat son dönemlerde yüksek güç ve yüksek enerji yoğunluğundan dolayı elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. Fakat bu bataryalarda kullanım ömrü kısadır.

“Nikel-Çinko Batarya”, nikel oksit ve çinko elektrotlarının kullanıldığı, şarj edilemeyen bir pil türüdür. Bu batarya türü, yüksek kapasiteli bir güç kaynağı olarak kullanılmaktadır.

Nikel-çinko bataryaların pozitif elektrodu nikel oksit, negatif elektrodu ise çinkodan yapılmıştır ve elektrotlar bir alkalin elektrolit ile ayrılmaktadır. Bu bataryaların ömrü, diğer şarj edilemeyen bataryalara göre daha uzundur ve yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle özellikle taşınabilir cihazlar için idealdir.

Ancak, nikel-çinko bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, bu bataryaların yüksek kapasitesi, içindeki elektrolitin neden olduğu kimyasal reaksiyonlar nedeniyle zamanla azalmaktadır. Ayrıca, çinkonun daha hızlı tükenmesi nedeniyle bu bataryaların ömrü sınırlıdır.

Genel olarak, nikel-çinko bataryalar, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun ömürleri nedeniyle belirli uygulamalarda tercih edilen bir seçenek olabilir, ancak bazı dezavantajları da göz önünde bulundurulmalıdır.

Nikel Kadmiyum Batarya

Son zamanlarda aracın ömrü, yoğunluğu ve enerjisi bakımından dengeyi en iyi sağlayan batarya türüdür. Fakat çevreye zarar vermelerinden ötürü kullanımı durmuştur.

“Nikel-Kadmiyum Batarya”, nikel oksit ve kadmiyum elektrotlarının kullanıldığı, şarj edilebilen bir batarya türüdür. Bu batarya türü, taşınabilir cihazlar, oyuncaklar, acil aydınlatma sistemleri gibi birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır.

Nikel-kadmiyum bataryaların pozitif elektrodu nikel oksit, negatif elektrodu ise kadmiyumdan yapılmıştır ve elektrotlar bir potasyum hidroksit elektrolit ile ayrılmaktadır. Bu bataryaların ömrü, diğer şarj edilebilen bataryalara göre daha uzundur ve yüksek güç çıkışı nedeniyle özellikle yüksek akım gerektiren cihazlar için idealdir.

Ancak, nikel-kadmiyum bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, kadmiyumun toksik doğası nedeniyle bu bataryaların atıkları çevre için zararlı olabilir. Ayrıca, bu bataryaların kapasitesi, kullanımdaki sıcaklık, şarj/dişarj hızı ve depolama koşullarına bağlı olarak değişebilir.

Sonuç olarak, nikel-kadmiyum bataryalar, yüksek güç çıkışı ve uzun ömürleri nedeniyle belirli uygulamalarda tercih edilen bir seçenek olabilir, ancak çevre dostu olmayan atıkları nedeniyle artık yaygın bir kullanım alanı bulunmamaktadır. Bunun yerine, nikel-metal hibrit ve lityum iyon gibi daha çevre dostu şarj edilebilir batarya türleri tercih edilmektedir.

Nikel-Metal Hidrür Batarya

Elektrikli araç teknolojisinde nikel kadminyum bataryaların yerini alan nikel-metal hidrür bataryalar, daha fazla enerjiyi depolama özelliğine sahiptir. Hızlı şekilde şarj olma süresi yaklaşık 35 dakika olan nikel-metal hidrür bataryalar, kurşun asit bataryalara göre yaklaşık 5 katı kadar daha pahalıdır.

“Nikel-Metal Hidrür Batarya”, nikel oksit ve metal hidrür elektrotlarının kullanıldığı, şarj edilebilen bir batarya türüdür. Bu batarya türü, taşınabilir cihazlar, kameralar, cep telefonları, laptoplar gibi birçok elektronik cihazda kullanılmaktadır.

Nikel-metal hidrür bataryaların pozitif elektrodu nikel oksit, negatif elektrodu ise metal hidrürden yapılmıştır ve elektrotlar bir potasyum hidroksit elektrolit ile ayrılmaktadır. Bu bataryaların ömrü, nikel-kadmiyum bataryalara göre daha uzun ve çevre dostu olması nedeniyle tercih edilebilir.

Nikel-metal hidrür bataryaların bazı avantajları da vardır. Örneğin, yüksek enerji yoğunluğu ve hafif olmaları nedeniyle taşınabilir cihazlarda kullanımı idealdir. Ayrıca, nikel-kadmiyum bataryalara göre daha çevre dostu ve toksik değillerdir.

Ancak, nikel-metal hidrür bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, düşük sıcaklıklarda performansı düşebilir ve şarj edilirken aşırı ısınma sorunu olabilir.

Sonuç olarak, nikel-metal hidrür bataryalar, yüksek enerji yoğunluğu, hafiflik, çevre dostu olmaları ve uzun ömürleri nedeniyle birçok uygulamada tercih edilen bir seçenek olabilir, ancak bazı dezavantajları da göz önünde bulundurulmalıdır.

Sodyum-Sülfür Batarya

İlk çıkış noktası 1960’lı yıllara dayanan bu batarya türünün amacı elektrikli araçlar için gereken enerji ve güç yoğunluğunu sağlamaktır. Çalışma sıcaklığı 350°C’dir fakat çalışması 200°C’nin altına indiğinde durmaktadır. Bu donma sonucu reaksiyon yavaşlayarak bataryaya zarar verir.

“Sodyum-Sülfür Batarya”, sodyum ve sülfür elektrotlarının kullanıldığı yüksek sıcaklıkta çalışan bir batarya türüdür. Bu bataryalar, yenilenebilir enerji kaynakları gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için kullanılmaktadır.

Sodyum-sülfür bataryaların pozitif elektrodu sodyum, negatif elektrodu ise sülfürden yapılmıştır. Elektrotlar sıvı sodyum-polisülfür elektrolit ile ayrılmaktadır. Bu bataryalar, yüksek sıcaklıkta çalışır ve düşük maliyetli olmaları nedeniyle büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için tercih edilir.

Sodyum-sülfür bataryaların bazı avantajları vardır. Örneğin, yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömürleri ve düşük maliyetleri nedeniyle yenilenebilir enerji kaynakları gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için idealdirler. Ayrıca, yenilenebilir enerji kaynaklarının dalgalı doğası nedeniyle enerji depolama ihtiyacı arttıkça sodyum-sülfür bataryaların kullanımı da artmaktadır.

Ancak, sodyum-sülfür bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, yüksek sıcaklıkta çalışmaları nedeniyle güvenlik riskleri taşıyabilirler. Ayrıca, şarj/dişarj hızı düşük olduğu için hızlı şarj etme veya aniden yüksek akımlar gerektiren cihazlar için uygun değillerdir.

Sonuç olarak, sodyum-sülfür bataryalar, yenilenebilir enerji kaynakları için ideal bir enerji depolama seçeneği olabilirler. Ancak, güvenlik riskleri ve bazı uygulamalarda uygun olmaması nedeniyle bazı dezavantajları da göz önünde bulundurulmalıdır.

Lityum-Demir Sülfat Batarya

Elektrikli araçlardaki üçüncü yüksek sıcaklık bataryası olma özelliğine sahiptir. Lityum ve yüksek elektrot potansiyeline sahip olmasından dolayı bataryalarda kullanımı uygundur. Bu bataryalar çalışma sıcaklığı ise yaklaşık 450°C’dir.

“Lityum-Demir Sülfat Batarya” (LiFeSO4), lityum ve demir sülfat elektrotlarının kullanıldığı, şarj edilebilen bir batarya türüdür. Bu batarya türü, elektrikli araçlar, güneş enerjisi depolama sistemleri, elektrikli bisikletler, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi birçok cihazda kullanılmaktadır.

Lityum-demir sülfat bataryaların pozitif elektrodu lityum demir fosfat, negatif elektrodu ise karbon anotdan yapılmıştır ve elektrotlar bir sıvı elektrolit ile ayrılmaktadır. Bu bataryaların ömrü, diğer lityum iyon bataryalara göre daha uzundur ve daha güvenli olmaları nedeniyle tercih edilir.

Lityum-demir sülfat bataryaların bazı avantajları vardır. Örneğin, yüksek enerji yoğunluğu, hafifliği, uzun ömrü, çevre dostu olmaları ve güvenli olmaları nedeniyle birçok uygulama için idealdirler. Ayrıca, düşük bakım gereksinimi, yüksek şarj verimliliği ve yüksek deşarj oranı gibi özellikleri de bulunmaktadır.

Ancak, lityum-demir sülfat bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, yüksek maliyetleri, düşük enerji yoğunluğu ve düşük şarj/dişarj hızı nedeniyle bazı uygulamalarda uygun değildirler. Ayrıca, yüksek sıcaklıklarda performansı düşebilir ve düşük sıcaklıklarda çalışma verimliliği azalabilir.

Sonuç olarak, lityum-demir sülfat bataryalar, birçok avantajı nedeniyle birçok uygulamada tercih edilen bir seçenek olabilirler. Ancak, dezavantajları da göz önünde bulundurularak kullanım alanları belirlenmelidir.

Lityum-Katı Polimer Batarya

Bataryanın dış ortam sıcaklıklarında düşük güç ile çalışabilmektedir ve en elverişli çalışma sıcaklığı ise 80°C ila 120°C aralığında değişmektedir.

Bir diğer elektrikli araç alt sistemlerine bakacak olursak;

Batarya Uç Gerilimi

Bataryanın oluşumunu sağlayan kaskat bağlanmış hücrelerin totalde oluşturduğu gerilim seviyesine batarya uç gerilimi, çoğunlukla şarj halinde olan batarya için verilir ve elektrikli araç sürücüleri için önemli bir unsurdur.

Batarya şarj-deşarj çevrim sayısı

Bataryaların deşarj edilme durumu elektrikli araçların ömrünü kısaltmaktadır ve bataryanın totalde kaç şarj-deşarj çevrimine tepki vereceğini bildirir.

Enerji Yoğunluğu ve Güç Yoğunluğu

Bataryanın enerji ve güç yoğunluğu, elektrik enerjisini elde ettiği enerjinin ve gücün ölçüsünü belirler. Enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu bataryalar için hassas noktalardan birisidir. Bu unsurlar, batarya seçiminde önemli bir rol oynar.

Süperkapasitörler ve Ultrakapasitörler

Kapasitörler enerjiyi depo ederler ve bunu pozitif/negatif elektrostatik yüklerin birbirinden ayrılmasıyla yapar. Süperkapasitörler ve ultrakapasitörler, elektrokimyasal çift tabakalıdır ve elektrikli araçlarda kapsamlı kullanılır.

Volanlar

Diğer bir ismiyle magneto-dinamik enerji depolama sistemi, kinetik enerji depolama sistemidir. Enerjinin depolanmasına yarayan volanlar, bataryaların yerine de kullanılabilir. Bir nevi yardımcı güç görevi görüyorlar diyebiliriz. Var olan volanların karmaşık ve büyük olmalarından dolayı enerji yoğunlukları düşük seviyededir.

Enerji yoğunluğu ne kadar düşük olursa olsun güç yoğunluğu, çevrim ömrü ve enerji depolama bakımından oldukça yüksek seviyeye sahiptir. Volanların az bakım gerektirmesinden dolayı oldukça avantajlı konumdadır. Bu bakımdan özellikle bataryalara nazaran daha avantajlıdır. Fakat volanların en belirgin dezavantajı ise gerektiğinde ekstra ihtiyaç duyulmasıdır ve bunun sonucunda da araca ek bir ağırlık oluşturur.

Yakıt Pilleri

Bataryalara nazaran enerji üretirler. Yakıt pile sahip elektrikli araçlar, menzil ve uzun şarj gibi sorunları yaşamazlar ve pek çok çeşidi mevcuttur fakat elektrikli araçlar için kullanımı en uygun olan yakıt pili çeşidi “Proton Elektrolit Membranlı Yakıt Pili”dir. Bu pil çeşidi düşük çalışma sıcaklığı sayesinde maliyet açısından da düşüktür ve güzel bir avantaj sağlar. Sonuç olarak yakıt pillerinin elektrikli araçlar için kullanımını uygundur.

Güç Kontrol Sistemleri

Elektrikli araçlarda kullanılan güç kontrol sistemleri vardır ve bu sistemler 4 tanedir. Açıklayacak olursak;

• Doğrultucular (AC/DC)
• Çeviriciler (DC/DC)
• Eviriciler (DC/AC)
• Kıyıcılar (AC/AC)

AC/DC Doğrultucular: Alternatif gerilimin doğru gerilime dönüştürülmesi aşamasında kullanılan doğrultucular, kontrollü ve kontrolsüz olarak 2 gruba ayrılır. Kontrollü doğrultucularda anahtarlama işlemi için yarı iletken anahtarlar kullanılarak çıkış gerilimi ayarlanarak sabit düzeyde tutulabilir. Kontrolsüz doğrultucularda ise, çıkış gerilimi kontrol edilemez.

DC/DC Çeviriciler: Genellikle düzenlenmemiş DC gerilimin, kontrollü olarak sabit bir DC gerilime dönüştürülmesi işleminde kullanılır. Bu noktada aküler ve yakıt pilleri düzenlenmemiş DC gerilim kaynağı içerisindedir. DC-DC dönüştürücüler, geniş kullanım alanına sahip olan çeviricilerdir. Alçaltıcı yani düşük DC gerilim üretimi ve Yükseltici yani gerilimi yüksek olan çıkış gerilimidir.

İnverterler: Temel enerji kaynağı olan DC bataryaların, AC çıkışa dönüştürülmesinde kullanılır ve aracın en önemli bileşenleri arasında yer alır. Yapı bakımından çift yönlü çalışabilen inverterler, araçta istenilen hıza göre frekansı ayarlanabilmelidir.