Hibrit Araçları Tanıyalım
İklim değişikliği, artan emisyon seviyelerinden ötürü Hükümetler arası İklim Değişikliği Paneli tarafından yapılan bir araştırmaya göre, trafik dünya çapındaki tüm CO2 emisyonlarının % 23'ünden sorumludur . Bu yüzden hareketlilik uzak gelecekte değil, mümkün olan en kısa sürede karbon ayak izimiz nötr hale gelmelidir. Fosil yakıtların değiştirilebilmesi için benzinli ve dizel motorlara olan bağımlılığın azaltılması gerekiyor. Bunlara bağlı olarak elektrikli tahrik sistemleri de giderek geliştiriliyor. Ayrıca, örneğin AB tarafından belirtildiği üzere binek otomobiller için gittikçe daha katı hale gelen sınırlamaları karşılayabilirler. 2021'den itibaren yeni arabalar için AB filo çapında ortalama emisyon hedefi 2 kilometre başına 95 gr CO olacak. Ve 2030'a kadar bu hedef% 37,5 daha azaltılacak. Bu gelişmelerle birlikte diğer birçok ülke de katı sınırlamalar belirlemiştir [1].
Bununla birlikte elektrikli araçlar nispeten kısa menzil ve uzun şarj sürelerinden muzdariptir. Sonuç olarak otomotiv tüketicisi için kabul edilebilir bir çözüm haline gelmemiştir. Elektrikli aracın menzilini genişletmek için bir içten yanmalı motorun eklenmesi, geleneksel benzinle çalışan bir aracın menzilini ve yakıt ikmal sürelerini korurken, elektrikli aracın yüksek verimliliğinden ve emisyon eksikliğinden yararlanmanın bir yöntemidir. Bunun nedeni, elektrik motorunun yanmalı bir motordan daha verimli olması ve emisyon üretmemesidir. Bu tür bir aracı tanımlayan terim, hibrit bir elektrikli araçtır.
Hibrit elektrikli araçların birçok konfigürasyonu, yani seri, paralel ve güç bölmeli konfigürasyonları tasarlanmış ve uygulanmıştır. Hibrit elektrikli araçlar, bataryalarda depolanan enerjiyi kullanan bir içten yanmalı motor ve bir elektrik motoru ile çalıştırılır . Akü rejeneratif frenleme ve içten yanmalı motor tarafından şarj edilir. Akü ayrıca yardımcı yüklere güç sağlayabilir ve durduğunda motorun rölantide çalışmasını azaltabilir. Bu özellikler ile birlikte, performanstan ödün vermeden daha iyi yakıt ekonomisi sağlanır. Böyle bir hedefin bir istisnası La Ferrari, McLaren P1 ve Porsche 918 ve Le Mans yarışlarındaki araçlar sayılabilir. Bu yüksek performanslı otomobiller, verimliliklerini ve çevre dostluğunu en üst düzeye çıkarmak yerine, performansı en üst düzeye çıkarmak için elektrikli motorlarını kullanır.
İlk olarak hibrit kullanarak insanlara çevreci teknolojilerin sadece yakıt ekonomisini arttırmak için olmadığı, ayrıca performans için de kullanılabileceğine değinmek istiyorum.
Mühendislik Sınırlarını Zorlayan Yarış: Le Mans
300 km/s hızı üzerinde seyreden bir Le Mans yarışında araçtaki hızlı frenleme ile üretilen muazzam yavaşlama enerjisi, rejeneratif frenleme sistemi tarafından elektrik enerjisi olarak geri kazanılır ve bu enerji ister bir pil paketinde, ister bir dizi süper kapasitörde depolanarak motor tarafında hızlanma gücünü artırmak için kullanılır.
Porsche 919
Yarış sırasında frenleme yapan aracın ön akstaki bir elektrik motoru aracın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Egzoz sisteminde bir türbin turboşarjı çalıştırırken, diğeri oluşan fazla kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Frenleme enerjisi, yüzde 60 katkıda bulunurken, geri kalan yüzde 40 enerji egzoz gazından gelmektedir. Geri kazanılan elektrik enerjisi geçici olarak 800 Voltluk Lityum iyon pil paketinde depolanır ve talep üzerine bir elektrik motorunu besler. “Talep üzerine” şu anlama gelir: sürücü hızlanmak ister ve bir düğmeye basarak elektrik motoru devreye girer. İçten yanmalı motordan gelen güç 368 kW (500 HP) ‘nin biraz altında ve elektrik motorunun çıkışı 294 kW (400 HP)’ nin oldukça üzerindedir.
Bu iki enerji kaynağının kullanımı ve etkileşimi, karmaşık bir strateji gerektirir. Her frenleme aşamasında enerji geri kazanılır. Nürburgring’in 5,148 kilometrelik Grand Prix pistinde bu, her virajdan önce tur başına 17 kez frenleme yapılması anlamına gelmektedir. Geri kazanılan enerji miktarı, frenleme manevrasının ciddiyetine veya başka bir deyişle sürücünün viraja gelme hızına ve ne kadar sert fren yaptığına bağlıdır. Frenleme ve toparlanma her virajda sürer, sürücü daha sonra tekrar hızlanır. Bu anda amaç mümkün olduğu kadar çok enerji kullanmaktır. Bu nedenle sürücü yakıt enerjisini kullanarak gaz pedalına basar ve devreye giren elektrik motorunun desteği ile bataryada bulunan elektrik enerjisini kullanır.
Porsche 919, gelecekteki hibrit sistemlerin voltaj seviyesi için test laboratuvarı olarak görev yaptı. Enerji depolama (pil) ve elektrik motoru için soğutma, aşırı yüksek voltaj için bağlantı teknolojisi, pil yönetimi ve sistem tasarımı gibi. Bu deneyimden, üretim geliştirmedeki mühendisler, 800 Volt teknolojisine sahip dört kapılı konsept otomobil Mission E (Porsche Taycan) için önemli uzmanlık kazandılar.[4]
Günlük hayatta kullanılan araçlara gelecek olursak yakıt tasarruf odaklı hibrit motor çeşitlerini ele alalım.
1. Mikro Hibrit
Mikro hibrit, frenleme enerjisini geri kazanmak ve enerjiyi klasik bir 12V marş aküsünde depolamak için otomatik bir start-stop sistemi kullanır. Başka bir deyişle, araçlarda bulunan motoru ateşleyen starter düzeneği ve aküyü besleyen alternatör düzeneklerindeki motorların tek bir motorla sağlandığı bir sistemdir. Bu nispeten basit bir yapısal değişikliğe ve önemli ölçüde daha ucuz yeniden mühendislik maliyetlerine neden olur, sonuç olarak hedef yakıt ekonomisini artırmak ve hava emisyonlarını azaltmaktır. Bu nedenle, birçok otomobil üreticisi bunu uygulamaya başlamıştır. Bununla birlikte, araç yalnızca içten yanmalı motor tarafından sürülür, bu da mikro hibritlerin neden birçok sürüş sınıflandırmasında ve hibrit bir konsept olarak listelenmediğini açıklar. Zira kullanılan motor sadece ana motorun başlatılmasına ve akünün beslenmesine yetecek kadardır.
Başka bir deyişle, mikro hibritler, bir içten yanmalı aracın sürüş sistemine ve iyi tasarlanmış sürüş elektroniklerine sahip arabalardır. Çeşitli hibrit konfigürasyonlar arasında, yakıt ekonomisinin %10'una varan faydalar sağlayabilir.
2. Hafif Hibrit
Tam hibritler gibi, hafif hibritler de içten yanmalı motorun yanında bir elektrik motoru kullanır, ve krank mili ile elektrik motorunun rotoru aynı eksendedir ya da kayış düzeneği ile bağlıdır. İki güç kaynağı birbirinden bağımsız olarak kullanılamaz. Bunun yerine, küçük elektrik motoru yalnızca motora yardımcı olmak için kullanılır. Kayışlı alternatör marş motoru kullanan hafif hibrit sistemler, rejeneratif frenleme yoluyla geri kazanılmasına ve DC/DC dönüştürücüler ile bataryanın beslenmesine izin verir. Bu enerji daha sonra boşta giderken ve dur-kalk hareketini yumuşatmak için kullanılabilir. Tipik olarak hibrit sahibi olmanın en ucuz yolu hafif hibritler, mütevazı güç ve verimlilik kazançları ile daha basit bir güç aktarma organı sunar. Bu tip sistemlerde genellikle 48 Voltluk bir batarya kullanılır. Sonuç olarak, geleneksel yanmalı araçlara göre% 20'ye varan yakıt tasarrufu sağlayarak daha yüksek bir yakıt ekonomisi kazancı elde edilebilir.
a. DC-DC Dönüştürücüler
Temeldeki işlevi düşük voltajlı bir girişi yüksek voltajlı bir çıkışa dönüştüren bir yükseltici dönüştürücüden veya bunun tersini yapan bir düşürücü dönüştürücüden bahsediyor olabiliriz. Elektrikli bir aracın pilleri tipik olarak birkaç yüz volt DC üretir. Bununla birlikte aracın içindeki elektrikli bileşenler çoğu çok daha düşük bir voltajda çalışarak, voltaj gereksinimlerine göre değişir. DC / DC dönüştürücüler, gücü girişten çıkışa yalnızca tek yönde aktaracak şekilde tasarlanabilir. Ancak tüm DC / DC dönüştürücü topolojileri çift yönlü yapılabilir. Çift yönlü bir dönüştürücü, gücü her iki yönde hareket ettirebilir, bu da rejeneratif frenleme gerektiren uygulamalarda yararlıdır.[2]
b. Rejeneratif Frenleme
Rejeneratif frenleme, kinetik enerjisini hemen kullanılabilen veya ihtiyaç duyuluncaya kadar depolayabilen bir forma dönüştürerek, hareketli bir aracı veya nesneyi yavaşlatan bir enerji geri kazanım mekanizmasıdır. Bu mekanizmada, elektrikli çekiş motoru, fren disklerine ısı olarak kaybedilecek olan enerjiyi geri kazanmak için aracın momentumunu kullanır. Bu, aşırı kinetik enerjinin frenlerdeki sürtünme nedeniyle istenmeyen ve boşa harcanan ısıya dönüştürüldüğü geleneksel fren sistemleriyle ya da enerjinin jeneratör ile elektrik motorları kullanılarak geri kazanıldığı ancak hemen dirençlerde ısı olarak dağıtıldığı dinamik frenlerle zıttır. Rejenerasyon, aracın genel verimliliğini artırmasının yanında, mekanik parçaların çok çabuk aşınmamasından dolayı da fren sisteminin ömrünü önemli ölçüde uzatabilir.
Seri üretim olarak rejeneratif fren sistemine sahip ilk otomobil ise Toyota Prius’tur.
c. Lityum-İyon Pil Faktörü
Lityum iyon batarya, hibrit elektrikli araçlarda kullanım potansiyeli nedeniyle dikkatleri üzerine çekmiştir. Daha küçük boyutuna ve daha hafif ağırlığına ek olarak lityum iyon piller, bellek etkisi (bataryanın derin deşarj olmadığı durumda belirli kapasitesini kaybetme olayı) olmadan gelişmiş şarj verimliliği gibi özelliklerle çevreyi korumaya yardımcı olan bir performans sunar. Lityum iyon piller tüm şarj edilebilir piller arasında en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler ve nikel-metal hidrit(bilinen adlarıyla NiMH ve Ni–MH) pil hücresinin üç katından fazla voltaj üretirken aynı zamanda büyük miktarlarda elektrik depolarlar. Ek olarak lityum iyon pillerin kullanılması, aracın toplam ağırlığını azaltır. Fakat hibrit araçlarda günümüze kadar NiMH batarya paketlerinin hakimiyeti sürmüştür. Bunun başlıca iki nedeni vardır. Birincisi hibrid araçların bataryaları içten yanmalı motor tarafından beslendiğinden ötürü menzil kaygısı yoktur ve bu yüzden elektrikli araçlar gibi yüksek kapasitelere ihtiyaçları yoktur. İkinci neden elbette ki ekonomik. NiMH bataryalar lityum bataryalara göre daha uygun çözümler olduğundan başta en başarılı hibrit araç olan Prius olmak üzere birçok hibrit araçta kullanılmaktadır. [5]
3. Tam Hibrit
Tam hibrit, otomobili aynı anda veya bağımsız olarak sürmek için hem içten yanmalı motoru hem de elektrik motorlarını kullanır. Otomobilin tekerleklerine üç farklı şekilde güç verilebilir: Ya doğrudan motordan, tek başına elektrik motorundan ya da her iki güç kaynağının birlikte çalışmasıyla olmaktadır. Elektrik motorları ilk defa bu kategoride aracın ihtiyaç duyduğu gücü karşılayabilecek kadar yeterlidir.
En yaygın hibrit türüdür ve Toyota Prius en çok bilinen örnektir. Tam hibrit araçlar tipik olarak küçük miktarlarda elektrik depolayabilir. Bu, içten yanmalı bir motorla birlikte kullanılarak ekstra güç sağlamak ve böylece yakıt ekonomisini iyileştirmek için kullanılır. Mevcut model yakıt tasarrufu bakımından en etkili türdür.
Elektrik motorları aktarma organlarına yerleştirildiği için, tam bir hibrit, yalnızca elektrikli modda çalışmaya da geçebilir, ancak genellikle şehir içinde sürüş için düşük hızlarda ve piller nispeten küçük olduğundan çok sınırlı mesafelerde kullanılabilir. Bununla birlikte, pillerin küçük boyutu, motor tarafından hızlı bir şekilde tam kapasiteye şarj edilebilecekleri anlamına gelir ve hiçbir zaman menzil kaygısı söz konusu değildir.
Aküler tamamen boşalmış olsa bile, her zaman tek başına benzinle veya dizelle gidebilirsiniz. Hafif hibritlerin nazaran, paralel hibrit sistem genellikle çok fazla kilometre kat eden sürücüler için en iyi hibrit seçenek olarak kabul edilir. Ayrıca, elektrik modunun şehirdeki kirliliği azaltabileceğini hatırlamak önemlidir, ancak kullandığınız elektrik esas olarak motorda yakıt yakılarak üretilir. Bu, yalnızca elektrikli modda sürüşün, hibrid sistemin işini yapmasına izin vermekten daha az verimli olduğu anlamına gelir.[3]
4. Plug-in Hibrit (PHEV)
Bir plug-in hibrit elektrikli araç (veya PHEV), adından da anlaşılacağı gibi, bataryasını doldurmak istediğimizde elektrikli araçlar gibi şarj edebildiğimiz bir sistemdir.
Temelde, harici bir güç kaynağından şarj edilebilen daha büyük yerleşik piller ekleyerek tam hibrit konseptini tam elektrikli bir aracınkine yaklaştırır ve böylece tam bir güç kaynağından alacağınızdan çok daha iyi bir elektrikli menzil sağlar. Bu tip araçların şarj sistemleri konusunda daha fazla bilgi edinmek için Doğukan Aycı’nın Plug-in Hibrit ve Elektrikli Araçların Şarj Sistemleri yazısına bakabilirsiniz.
Arabanızın pillerini bir gecede şarj ederek, işe gidip gelmenize tam şarjla başlayabilir ve sessiz, yakıt tasarrufu sağlayan elektrikli sürüş modunun tüm avantajlarından yararlanabilirsiniz. Tipik bir günde otomobillerinin yalnızca elektrikli menzilini nadiren aşan (genellikle yaklaşık 50 km) veya eve dönmeden önce varış noktasında şarj edebilen araç sahipleri, teorik olarak benzinli motorunu hiç kullanmadan bir plug-in hibrid çalıştırabilirler.
Bu, PHEV’lerin tipik olarak daha fazla sıfır emisyonlu sürüşe izin veren ancak ağırlığı artıran tam hibritlerden daha büyük pil kapasitelerine sahip olması nedeniyle mümkündür. Şarj bittiğinde, normal yanmalı motor tam bir hibritte olduğu gibi sürmek için kullanılabilir. Bu sayede herhangi bir menzil kaygısı kalmamaktadır.
Yakın zamanda yapılan bir anket, birçok plug-in hibrit sürücünün teknolojiden tam olarak yararlanmadığını ve bunları normal arabalar gibi şarj etmeden kullandıklarını ortaya çıkardı. Bunun yapılması, hibrid sistemin ilave ağırlığı nedeniyle normal bir benzinli veya dizel otomobili çalıştırmaktan daha kötü yakıt ekonomisine neden olmaktadır.
Sonuç
Bu araştırmanın ardından üreticilerin araçları daha verimli hale getirmek ve hükümetler tarafından belirlenen emisyon hedeflerini karşılayabilmek için teknolojilere yatırım yaptıkları açıktır. Önümüzdeki 10-15 yıl, büyük, güçlü araçlardan başlamak üzere hibrit teknolojisi daha da yaygınlaşacak. Özellikle şebeke şarj kabiliyeti olan (plug-in) hibritler öne çıkacaktır . Teknolojik kırılma olmasa da, yakıt pillerinin; otobüs, kamyon gibi büyük güçlü uygulamalarda ticarileşmesi ve çok ilerideki yıllarda diğer araçlara yaygınlaşması kuvvetle muhtemeldir.
Yazımızı okuduğunuz için teşekkürler. Buraya kadar geldiyseniz ve bu gif ne diye merak ediyorsanız South Park 10. sezon 2. bölümünü izlemenizi tavsiye ederim. Bu kısa bölümde Amerika’daki V8 motorlu araçların yerine hibrit araç kullanılması gerektiğini savunan bir karakterin çabasını gösteriyor fakat olay South Park farkıyla başka noktalara ulaşıyor.
REFERANSLAR
[1] V. Sreedhar, “Plug-In Hybrid Electric Vehicles with Full Performance”, from https://ieeexplore.ieee.org/document/4156566
[2] “How do DC/DC converters work in hybrid and electric cars?” JULY 4, 2019, from https://roboticsandautomationnews.com/2019/07/04/how-do-dc-dc-converters-work-in-hybrid-and-electric-cars/24318/
[3] “What is a hybrid car? Mild hybrids, full hybrids and plug-in hybrids explained”, 16 December 2020, from https://www.autoexpress.co.uk/car-news/96154/what-is-a-hybrid-car-mild-hybrids-full-hybrids-and-plug-in-hybrids-explained
[4] “How the technology of the 919 Hybrid works”, 16 July 2016, from https://newsroom.porsche.com/en/motorsports/porsche-motorsport-fiawec-919-hybrid-technology-lmp1-race-car-12724.html
[5] A. Perner and J. Vetter, Advances in Battery Technologies for Electric Vehicles-Chap8-Lithium-ion batteries for hybrid electric vehicles and battery electric vehicles. Elsevier Ltd., 2015.
