Elektrikli Araçlar Nasıl Şarj Edilir? |
Batarya Şarj Yöntemleri

Günümüze kadar, bataryaların elektrikli araçlarda kullanımına ve şarj sistemlerine yönelik farklı teknikler geliştirilmiştir. Yazımızda, elektrikli araçlarda kullanılan bataryaları ve modern batarya şarj yöntemlerini inceleyeceğiz.

A- A+

30.12.2018 tarihli yazı 14683 kez okunmuştur.

Bataryalar elektrikli araçların temel enerji kaynaklarıdır. EA(elektrikli araç) uygulamalarında kullanılacak bataryaların yüksek güç yoğunluğuna, yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun çevrim ömrüne sahip olması istenmektedir. Ayrıca bataryanın çevre dostu olması da batarya seçiminde önemli bir etkendir.

Güç yoğunluğu, enerji kaynağının birim kütlesinin verdiği güç olarak ifade edilmektedir. Enerji yoğunluğu ise enerji kaynağının birim kütlesinde depolanan enerji miktarını göstermektedir. Araç bataryasının yüksek güç yoğunluğuna sahip olması aracın ani hızlanmasına olanak tanırken, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması aracın daha fazla kilometre kat etmesini sağlar. Elektrikli araçlarda uzun ömürlü bir bataryanın kullanılması ile batarya dış etkenlerden daha az etkilenir ve genellikle batarya masrafları azalır. Bataryanın çevre dostu olması sayesinde hem bataryaların geri dönüşümü yapılabilir hem de bataryalardaki toksik maddeler azalır.

►İlginizi Çekebilir: Batarya ve Piller 1. Bölüm |Elektrikport Akademi

Günümüzde oldukça farklı bataryalar bulunmaktadır. Bu bataryalar fiyat, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu ve çalışma sıcaklıkları bakımından birbirlerinden farklılıklar göstermektedir. Günümüzde NiMh ile Lityum-iyon bataryalar özellikleri dolayısıyla EA uygulamalarında ön plana çıkmaktadır. Batarya teknolojisindeki gelişmeler ile özellikle Lityum-iyon bataryaların enerji yoğunluğu yüksek değerlere çıkmıştır. Lityum-iyon bataryalar anlık olarak sürekli akımın çok üzerinde akım verebilir ve bu sayede aracın ani hızlanmalardaki tepki süresi kısadır. Bu sebeple şu an diğer bataryalara göre daha popülerdir. Ancak hala geliştirilmeye ihtiyaç duyan özellikleri bulunmaktadır. EA, HEA(hibrit elektrikli araç) ve batarya teknolojilerinin gelişimine paralel olarak, bir batarya şarj cihazından istenenler her geçen gün artmaktadır. Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir.

► Yüksek enerji verimliliği

► Aşırı akım, aşırı gerilim koruması ve kurulacağı bölgenin şebekesine uygunluk

► Elektriksel izolasyon ve düşük Toplam Harmonik Distorsiyonu (THD)

► Düşük hacim, hafiflik ve düşük maliyet

► Düşük bakım-onarım ve az gürültü

► Uygun olmayan şarj durumunda otomatik kapanma

Batarya Şarj Yöntemleri

Günümüze kadar, bataryaların EA’larda kullanımına ve şarj sistemlerine yönelik farklı teknikler geliştirilmiştir. Modern şarj yöntemleri seviye 1, seviye 2 ve seviye 3 olmak üzere üç gruba ayrılmaktadır. Bu yöntemlere ilave olarak kablosuz şarj tekniği ile batarya değiştirme (QuickDrop) tekniği de eklenmiş olup, yapılan çalışmalar arasında yer almaktadır.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araç Şarj İstasyonları ve Özellikleri

Seviye 1 şarj yönteminde araçlar genellikle konut veya iş yeri otoparklarında park halinde olup uzun süre şarj edilme imkanları vardır. Bu nedenle seviye 1, yavaş şarj olarak da bilinmektedir ve bu şarj tipinde tek fazlı sistemler enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Seviye 1 şarj yönteminde, şarj elemanları araca monte halde bulunmaktadır. Seviye 1 şarj istasyonları, şarj etme işleminde herhangi bir güç dönüştürücüsüne sahip değildir. Sadece, araç ile şebeke arasındaki haberleşmeyi sağlamaktadır ve ücretlendirme işlemini yerine getirmektedir. Şarj süresi uzun olduğu için şebekeye çok fazla yüklenilmemektedir.

Seviye 2 şarj, elektrikli aracın orta hızda(1-4 saat) şarjını sağlayan bir şarj tipidir. Bu şarj tipinde Seviye 1 şarjda olduğu gibi tek fazlı şebeke enerji kaynağı olarak kullanılmakta ve şarj elemanları araca monte halde bulunmaktadır. Seviye 2 şarj istasyonları sadece araç ile şebeke arasındaki haberleşmeyi sağlarken aynı zamanda ücretlendirme işlemini yerine getirmektedir. Seviye 2 şarj yöntemi şehirlerarası yollar ve otobanlar hariç havaalanlarından üniversitelere kadar kurulmasında sakınca olmayan bir istasyon modelidir. Bu yöntemde can güvenliğini sağlamak amacıyla taşıt ile şarj ünitesi arasına koruma topraklaması yapılır.

Seviye 3 şarj yöntemi hızlı şarj etme yöntemidir ve şarj etme süresi 15-30 dakika arasındadır. Hem DC hem de AC tipi mevcuttur. AC tip şarjda, üç fazlı sistemler besleme için kullanılırken, DC tip şarjda, AC şebekeden doğrultularak elde edilen bir DC kaynak besleme için kullanılmaktadır. Şarj ekipmanları, AC modelinde araca montajlıyken DC modelde araç üzerinde değildir. Bunun yanında seviye 3 şarj istasyonlarında, AC veya DC tipli olmasına bağlı olarak haberleşme ve ücretlendirme işlemleri de değişiklik göstermektedir. Bu üniteler, acil enerji ihtiyacının olduğu kısa süreli istasyon noktalarına konumlandırılarak bataryayı hızlı şarj etme imkanı sunmaktadır. Bu üniteler, gelecekte benzin istasyonlarının yerini almaya aday gösterilmektedir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araçlarda Kullanılan Motorlar ve Özellikleri

Kablosuz Şarj

Bu teknik batarya şarjı konusunda kablo bağlantılı olanlara kıyasla daha uygun bir yöntemdir. Araç zemine montajlanan şarj yuvasının üstüne park edildiğinde şarj işlemi kendiliğinden başlamaktadır. Herhangi bir kablo bağlantısı olmadığından dolayı eskimiş kablolar ve araçlardan sarkan kablolar bulunmaz ve bu elemanlardan doğacak olan risk doğal olarak ortadan kalkmaktadır. Kablosuz şarj yöntemi bu özellikleri sayesinde geleneksel kablolu şarj yöntemlerine kıyasla dikkate değer bir alternatiftir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araçlar İçin Kablosuz Şarj ve Deşarj

Bu yöntemde primeri ve sekonderi parçalarına ayrılabilen yüksek frekanslı bir transformatör kullanılarak araca şarj gücü transferi yapılmaktadır. Aracın dışında ve güç tarafında bulunan primer sargı ile araç üzerindeki sekonder sargı birleştirilerek şarj işlemi başlatılır. Primer kısmındaki düşük şebeke frekansı dönüştürücüler ile 80–300 kHz’lik yüksek frekansa çevrilir. Sekonder kısmında manyetik yol ile indüklenen yüksek frekanslı emk araçtaki doğrultudan geçirilerek doğrultulur ve batarya kablosu ile araç bataryası şarj edilmeye başlanır. Bu teknikte enerji iletimi manyetik yol ile yapıldığı için yüksek güçlü şarj cihazları için daha güvenlidir. Birçok uzman bu yöntemin gelecekte popüler bir teknik olacağını düşünmekte olup sistemin geliştirilmesi için ABD, Avrupa, Japonya ve Çin’de çalışmalar hızla devam etmektedir. Ayrıca kablosuz şarjın, dünyadaki otomobil üreticileri tarafından kabul görmüş, birkaç önemli olumlu yanı daha bulunmaktadır:

► Küçük kapasiteli batarya sistemlerine sahip olan elektrikli hibrit araçlardan uzun menzilli bataryalara sahip olan elektrikli araçlara kadar olan ihtiyacın karşılanması adına 3.6 ile 11 kW güçleri arasında ölçeklenebilir şarj etme oranları

► Tek bir sistem tasarımı ile yere yakın süper spor otomobillerden SUV araçlara kadar birçok aracın şarj edilme imkanı

► Altyapıya gömülebilme özelliğinden dolayı özel konutların otoparklarında kamuya açık yerlerdeki alanlara kadar birçok alanda kullanılma imkanı

Kablosuz şarj sisteminin dezavantajlarını ise veriminin düşüklüğü, güç üretimin kompleks olması ve altyapı maliyetleri olarak sıralayabiliriz.

Batarya Değiştirme (Quickdrop)

Elektrikli araçların menzilleri batarya kapasiteleri ile ilişkili olup, içten yanmalı motorlu araçlara kıyasla daha kısadır. İçten yanmalı araçlar, yol kenarlarında çokça bulunan benzin istasyonları vasıtasıyla yakıt ihtiyaçlarını kısa bir süre içerisinde temin edebilirken aynı durum elektrikli araçlar için geçerli değildir. Elektrikli araç bataryalarının tamamen dolması saatler almaktadır. Bu durumu dikkate alan uzmanlar batarya değiştirme sistemi ile soruna çözüm bulmayı amaçlıyorlar. Batarya değiştirme sistemi ile deşarj olmuş bir batarya, tam dolu bir batarya ile batarya dolum istasyonlarında 2 dakika gibi kısa bir sürede değiştirilebilmektedir. Batarya değişim istasyonunda ilk olarak sistem tarafından verilecek batarya bilgileri kontrol edilir ve aracın alt kısmı temizlenerek kurutma işleminden geçirilir. Daha sonra deşarj olan batarya çıkartılır ve hazırda bekletilen şarj edilmiş diğer batarya araca monte edilir. Araçtan indirilen deşarj olmuş batarya testlerden geçirilerek soğutuculu şarj ünitesine kaldırılır. Deşarj olan batarya 3 fazla beslenen 50 kW’lık bir enerji ile 30 dakikada tam şarj edilir.

Bu sistemde enerji ihtiyacını karşılayabilmek için batarya sayısı araç sayısından daha fazla olmalıdır, hatta kurulması planlanan sistemde iki katı kadar olması düşünülmektedir. Bataryaların elektrikli araçların en pahalı parçaları olması sistem maliyetinin dolayısıyla da müşterilerin ödeyecekleri hizmet masraflarının fazla olmasına neden olacaktır. Bunun yanında bataryalarda çevre açısından zararlı olabilecek bileşenler bulunmaktadır. Batarya değiştirme sistemi ile birlikte çok daha fazla sayıda bataryanın piyasaya sürüleceği düşünülürse, zararlı kimyasalların üretimi artacaktır.

Kaynak:

► Elektrikli Araçların Şarj Yöntemleri - Görkem Şen, Ali Rıfat Boynueğri, Mehmet Uzunoğlu

► Elektrikli Araç Teknolojisinin Gelişimi ve Gelecek Beklentileri - Alper Kerem