Hibrit Araçları Tanıyalım — Bölüm 2
Günümüzde sürekli artan çevre nüfusu, artan araç sayısına bağlı olarak kullanılan yakıt miktarının artması, fosil yakıt rezervlerinin azalması, CO2 emisyonu ve daha sayabileceğim birçok neden, bilimi ulaşımda alternatif üretimine zorlamıştır. Böylelikle elektrikli araçlar yavaş fakat istikrarlı bir hayatımıza girmiştir. Bulunduğumuz dönemde ise e-mobilite yüksek ivme ve moment kazanmıştır.
Dünyada elektrikli araçların yaygınlaşması konusunda devletler değişik yöntemler kullanmaktadır. Bunlar arasında geleneksel fosil yakıt kullanan araçlarda vergilerin artırılması, çevre dostu araçlar üzerindeki vergilerin azaltılması ve teşviklerin verilmesi ön sırada yer almaktadır. Ülkemizde de elektrik motorlu araçlara uygulanan vergi indirimi bu araçların fiyatını erişilebilir düzeye çekmişse de kullanımının yaygınlaşması ve altyapı sorunlarının giderilmesi için desteklerin devamı gerekmektedir.[1]
Hibrit elektrikli araçlar, güç aktarım düzeneğinde elektrikli tahrik sistemlerin bulunduğu araçlardır. Bu nedenle geleneksel araçlardan daha düşük karbon salımı yapmaktadırlar. Emisyon değerlerinin kapsamlı ve doğru bir şekilde ölçülmesi için kullanılan elektik enerjisinin üretildiği santraldeki salımdan aracın ürettiği salıma kadarki süreç göz önünde bulundurulmalıdır. Alternative Fuels Data Center’a ait çalışma incelendiğinde hibrit araçların her koşulda konvansiyonel araçlardan daha çevre dostu olduğu görülmektedir. Ayrıca elektrik üretimi için düşük kirletici kaynakları kullanan coğrafi bölgelerde daha düşük emisyon tespit edilmiştir.[2]
Çalışma prensibinden kısaca bahsedecek olursak (daha detaylısını Samet Dikmen’in HİBRİT ARAÇLARI TANIYALIM yazısında bulabilirsiniz.) araç içten yanmalı tahrik sistemine paralel olarak batarya tarafından beslenen elektrik motorunu kullanır. Benzinli motorlar düşük hızlarda ve devirlerde verimsiz çalışmaktadırlar ancak elektrik motoru neredeyse her hız-moment alanında oldukça hızlı ve yüksek tork değerlerini verimli bir şekilde üretir. Bu da taşıtların en verimsiz sürüş çevrimlerinde veriminin artmasını sağlar. Elektrik motorunu besleyen batarya sistemi ise benzin motoru ve jeneratör sistemi ile beslenir. Bunun yanında geri kazanımlı (regenerative) frenleme sayesinde de elektrik motoru generatör görevi görerek aracı yavaşlatacak torku üretirken bataryayı şarj eder. Çift güç entegresinin en uygun şekilde kullanımı ile benzin motorundan elde edilen güç minimum kayıp ile yola aktarılır.
Toyota Hibrit araçlarında iki adet farklı boyutlarda elektrik motorunun bulunduğu oldukça gelişmiş bir powertrain kullanmaktadır. Benzin motoru sürüç çevrimlerinin genellikle sadece yüksek verimlilik alanında çalıştığından yüksek verim sağlanmaktadır. Farklı çevrim koşullarını örneklemek gerekirse;
- Araç harekete başladığında; düşük hız-tork avantajını kullanabilmek için batarya tarafından beslenen elektrik motoru devreye girer. Benzinli motorlar düşük hızda yeterli tork üretemez ancak elektrik motoru dengeli şekilde üretebilir. Bu da daha yumuşak başlangıç sağlar.
- Elektrik motorları düşük hızda içten yanmalı motorlara göre daha verimlidir. Bataryanın şarj seviyesinin düşmesi durumunda jeneratörü devreye sokmak için benzin motoru devreye girer. Sürüş sırasında tekerleklere hareket, benzin motorundan direkt olarak, minimum kayıp ile yola aktarılır. Araç tam güce ihtiyaç duyduğunda batarya aktif hale gelir ve güç sisteme aktarılır. Benzinli motorun gücü ile birleştirildiğinde yüksek performans ve yüksek verim elde edilir.
- Frenleme sırasında veya gaz pedalı bırakıldığında araç sahip olduğu kinetik enerji ile elektrik motorunu çevirir. Bu motorlar konvansiyonel araçlarda sürtünme ve ısı ile kaybolan enerjiyi regeneratif frenleme ile elektrik enerjisine dönüştürerek depolar [3].
Prius Hibrit yapısını güzel bir şekilde açıklayan videoyu izlemenizi öneririz.
Hibrit elektrikli araçlar, hibritleşme seviyesine göre mikro, hafif, tam hibrit olmak üzere üç; güç organlarının birbirine göre ilişkisine göre ise seri, paralel, seri-paralel olmak üzere de üç alt grupta sınıflandırılmaktadır. Bu yazıda hibrit araçların güç organlarının birbirleri ile ilişkisine göre seri, paralel ve seri-paralel olarak gruplandırılmasını ele alacağım.
SERİ HİBRİT ARAÇLAR
Seri hibrit araçlar tam elektrikli sürüş için tasarlanmıştır. Yani aracın hareketini sağlayacak torku tamamen elektrik motoru sağlamaktadır. Aracın tahrik sisteminde iki elektrikli makine ve bir IC (içten yanmalı) motor içerir. Seri hibrit konfigürasyonunda, IC motor ile tekerlekler arasında hiçbir mekanik bağlantı bulunmamaktadır. Bu motor bir enerji kaynağı görevi görerek elektrik jeneratörü aracılığıyla batarya sistemini besler. Araçtaki IC motorun yol yükünden bağımsız olması, içten yanmalı motorun istenen verimli noktada sürekli çalışması sağlanmaktadır. Seri hibrit elektrikli araçlar tahrik sisteminde daha büyük bir elektrikli makine içerdiğinden enerji kazanımı diğer araçlara oranla daha yüksektir. Seri hibritler genişletilmiş menzilli araçlar olarak da bilinir. Bu modelin en büyük dezavantajı ana kaynak olan içten yanmalı motordan aracı hareket ettiren elektrik motoruna kadar bir çok enerji dönüşümü bulunması ve her birinde enerji kaybı yaşanmasıdır. Seri hibrit yapı sıkça dur-kalk yapılan şehir kullanımında oldukça avantajlıyken uzun yollarda kullanım sırasında verim kayıpları içten yanmalı sürüşle karşılaştırılabilir şekildedir.
Sistemin farklı senaryolar için altı farklı çalışma prensibi vardır, şekilde de görüldüğü üzere bunlar;
- Elektrikli makine batarya ile tek itici ortamdır. (Electric only mode)
- IC motoru enerji talebini talebini karşılar.
- IC motor ve elektrik makineleri itici tork-güç talebini karşılar.
- Aracın rejeneratif fren modu kullanılır.
- IC motor, aracın itici tork-güç ihtiyacını karşılar. Bu motorun fazla gücü elektriğe dönüşerek pil sisteminde depolanır.
- IC motoru akü sistemini şarj eder. Ayrıca akü rejeneratif frenlemeden güç alabilir.
Elektrikli makineler aracın çok çeşitli hız-tork gereksinimlerini karşılayabildiğinden seri hibrit araç mimarisi şanzıman sistemi tasarımını basitleştirme açısından ağır hizmet araçlarına fayda sağlar.[4]
PARALEL HİBRİT ARAÇLAR
Paralel hibrit elektrikli araçların yapısı seri hibrit araçlara göre farklıdır. Aracın itici gücünün önemli bir kısmı elektrikli makine tarafından sağlanır. Tipik elektromekanik entegrasyonu elektrik ve mekanik yollar gibi iki bağımsız itici güç akışı yoluna sahiptir. Her ne kadar araç içi konfigürasyonlar çeşitli olsa da, IC motor ile tekerlekler arasında mekanik bir bağlantı bulunmaktadır. Aracı hareket ettiren diferansiyel sisteme hem elektrik motoru hem de içten yanmalı motor paralel olarak bağlıdır. Bu sayede içten yanmalı motorun ürettiği enerji doğrudan torka dönüşmekte seri hibritteki enerji kayıpları yaşanmamaktadır [5].
Dört farklı çalışma prensibi vardır:
- IC motoru, itici tork-güç talebini sağlar.
- Elektrikli makine, tek itici ortamdır.
- IC motor ve elektrik makineleri itici tork-güç talebini karşılar.
- Aracın rejeneratif frenleme modu kullanılır.
SERİ-PARALEL HİBRİT ARAÇLAR
Seri-paralel araçlarda itme amaçlı iki elektrikli makine ve bir IC motor bulunur. Diğer araçların aksine, düşük güçlü elektrikli makineler kullanılır ve her ikisi motor ve jeneratör görevi görebilir. Piyasadaki en popüler elektrikli hibrit araç Toyota Pirus’tur. Sistemde sürücüye iki elektrikli makine ve bir IC motoru bağlı planeter dişli sistemi aracılığıyla dingil kullanılır. Bu dişli, sistemin farklı itme gereksinimlerini karşılar. Paralel ve seri hibrit araçlarla benzer modları elde ederler ancak güç çıkışı sayısı arttıkça aracın kontrol karmaşıklığı da artar. Bu yüzden kendini güncelleyen çalışmalarla kaynakların etkin kullanımı için çalışmalar devam etmektedir.
RANGE EXTENDER
Son olarak range extender konusuna değineceğim. Range extender; yakıt bazlı yardımcı güç ünitesidir. Temel işlevi elektrikli aracın menzilini artırmaktır. Menzil özerkliği, elektrikli araçların ticari başarısının önündeki engellerinden biridir. Bataryanın sağladığı sınırlı menzili genişletmek ve menzil kaygısını hafifletmeye yardımcı olmak için tasarlanmıştır. İyileştirilmiş yakıt ekonomisi, ciddi durumlarda kullanılabilen yerleşik ilave güç kaynağı, esnek çalışma ve küçültülmüş bir motor sayabileceğim diğer faydalarındandır. Tamamen elektrikli bir araca menzil genişletici eklendiğine seri hibrit elektrikli araçlara benzer bir mimari oluşur. Dolayısıyla tüm elektrikli araç durumunda olduğu gibi, tüm elektrikli tahrik biçimlerinde, motorun yer hızıyla doğrudan bağlantısı bulunmamaktadır. Fakat seri hibrit yapısıyla arasındaki en büyük fark kullanılan içten yanmalı motorun aracın tüm enerji ihtiyacını karşılayacak boyutta değil sadece destek sağlayacak büyüklükte olmasıdır. Dolayısıyla bu tür araçlar hibrit kategorisinde değerlendirilmemektedir. [6] BMW i3 REX ve Chevrolet Volt piyasadan örnek verebileceğim araçlardandır. Örneğin BMW i3 modelinin REX eklentisinde kendine ait bir motorsiklet motoru ile generatör düzeneğini entegre etmiştir.
VE BU YAZIYI OKUYARAK ÇEVREYE VERDİĞİN DESTEK İÇİN TEŞEKKÜR EDERİM😊
REFERANSLAR
[1] ‘Elektrikli Araçların Geleceği’, İrfan Şenlik, https://www.emo.org.tr/ekler/8c1fbc528f04249_ek.pdf?dergi=1051
[2] ‘Emissions from Hybrid and Plug-In Electric Vehicles’, https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_emissions.html
[3] https://www.toyotatr.com/?m=p&pid=143
[4] ‘Hybrid Electric Vehicles’, Yinye Yang, https://www.researchgate.net/publication/289739564
[5] http://www.ae.pwr.wroc.pl/filez/20110606092353_HEV.pdf
[6] ‘Mulugeta Gebrehiwot, Alex Van den Bossche’, Range Extenders for Electric Vehicles, https://www.researchgate.net/publication/282506870
