Aşağıdaki bilgiler, ilgili elektrikli ve hibrit teknolojilere genel bir bakış sağlayacaktır. Temel bilgilerden ve sistem özelliklerinden, termal yönetim çözümlerine ve bakım, onarım ve çekme konusundaki özelliklere kadar. Ayrıca, burada ilgili iş için hangi niteliklerin gerekli olduğu hakkında önemli bilgiler de bulacaksınız.
“Hibrit” terimi, karışım veya kombinasyon anlamına gelir. Araç teknolojisinde, bu terim, standart tahrik teknolojisine sahip bir içten yanmalı motorun, bir elektrikli aracın elemanları ile tek bir araçta birleştirildiği anlamına gelir.
Hibrit teknolojisi, üç adımda teknik olarak giderek daha talepkâr hale geliyor: mikrodan, hafif ve tam hibrit teknolojiye. Teknik farklılıklara rağmen, tüm teknolojilerin ortak noktası, kullanılan bataryanın frenleme enerjisinin geri kazanılmasıyla şarj edilmesidir.
genellikle otomatik start/stop özelliğine sahip klasik bir içten yanmalı motor ve fren enerjisi geri kazanım sistemi (reküperasyon olarak bilinir) ile donatılmıştır.
bunlar ek olarak küçük bir elektrik motoru ve daha güçlü bir batarya ile donatılmıştır. Elektrikli yardımcı tahrik sistemleri, yalnızca kalkış sırasında yardımcı olarak ve sollama sırasında daha fazla güç sağlamak için kullanılır; buna “güçlendirme / Boosting” denir.
sadece “güçlendirmekle” kalmazlar, aynı zamanda tamamen elektrikli olarak da sürüş yapılabilir. Bu amaçla, komple bir elektrikli aktarma sistemi ile donatılmıştır. Ancak bu, hafif bir hibritten çok daha güçlü bir batarya gerektirir.
örneğin, bataryaları gece boyunca şarj etme seçeneğine sahiptir. Bu tip bir aracın olumlu yan etkisi, aynı zamanda yolcu bölmesinin yolculuğa başlamadan önce bile istenilen sıcaklığa getirilebilmesidir. Bu, aracın ertesi sabah hemen kullanıma hazır olduğu anlamına gelir. Plug-in hibrit, tam hibritin bir formudur.
Şu anda tam hibrit araçların tipik temsilcileri Toyota Prius, BMW ActiveHybrid X6 (E72) veya VW Touareg Hybrid’dir. Öte yandan, BMW ActiveHybrid 7 ve Mercedes S400 (F04), birer hafif hibrit örneğidir.
| Micro Hybrid (Mikro hibrit) | Mild Hybrid (Hafif hibrit) | Full Hybrid (Tam hibrit) | |
| Elektromotorun / alternatörün gücü | 2 - 3 KW (alternatör aracılığıyla fren enerjisi geri kazanımı) | 10 - 15 KW | > 15 KW |
| Voltaj aralığı | 12 V | 42 – 150 V | > 100 V |
| Geleneksel motorlu araçlara kıyasla elde edilebilir yakıt tasarrufu | < %10 | < %20 | > %20 |
| Yakıt tasarrufuna katkı sağlayan özellikler | – Start/Stop İşlevi – Reküperasyon | – Start/Stop İşlevi – Boost İşlevi – Reküperasyon | – Start/Stop İşlevi – Boost İşlevi – Reküperasyon – Elektrikli sürüş |
Genel bakıştan da anlaşılacağı üzere, her bir teknolojinin yakıt tasarrufuna katkı sağlayan farklı işlevleri bulunmaktadır. Bu dört fonksiyon aşağıda kısaca açıklanmıştır.
Tanıma göre, elektrikli araç, bir elektrik motoru ile çalışan bir motorlu araçtır. Hareketi için gerekli elektrik enerjisi, bir yakıt hücresinden veya bir menzil genişleticiden (range extender) değil, bir tahrik bataryasından (akümülatör) elde edilir. Elektrikli otomobilin kendisi çalışma sırasında ilgili herhangi bir kirletici madde yaymadığından, sıfır emisyonsuz araç olarak sınıflandırılır.
Elektrikli araçta tekerlekler elektrikli motorları ile tahrik edilir. Elektrik enerjisi, akümülatörlerde bir veya daha fazla tahrik veya besleme için kullanılan bataryada depolanır.
Elektronik olarak kontrol edilen elektrik motorları, dururken bile maksimum torku sağlayabilirler. İçten yanmalı motorların aksine, genellikle manuel şanzımana ihtiyaç duymazlar ve düşük devir aralığında bile güçlü bir şekilde hızlanabilirler. Elektrik motorları benzinli veya dizel motorlardan daha sessizdir, neredeyse titreşimsizdir ve zararlı egzoz gazları yaymazlar. Verimlilikleri %90’ın çok üzerindedir.
İçten yanmalı motorun çeşitli yapı gruplarının (motor, şanzıman, depo) ihmal edilmesinden kaynaklanan ağırlık azalması, akümülatörlerin nispeten yüksek ağırlığı ile dengelenir. Bu nedenle elektrikli araçlar genellikle içten yanmalı motorlara sahip ilgili araçlardan daha ağırdır. Bataryanın/bataryaların kapasitesi, aracın ağırlığı ve fiyatı üzerinde yüksek bir etkiye sahiptir.
Geçmişte elektrikli araçların tek batarya şarjı ile kısa bir menzilleri vardı. Ancak son zamanlarda, menzili birkaç yüz kilometreye ulaşabilen elektrikli otomobillerin sayısı arttı, örneğin: Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
Elektrikli araçların menzilini daha da artırmak için, bazen elektrik akımı üretmek amacıyla ek üniteler (genellikle bir içten yanmalı motor şeklinde) kullanılır. Burada “menzil genişletici” veya “Range Extender” olarak bilinen sistemlerden bahsedilmektedir.
Elektrikli bir aracı özellikle yüksek bir verimlilik düzeyi ile çalıştırabilmek için, elektrik motoru, güç elektroniği ve batarya için optimum sıcaklık aralığını korumak gerekir. Bunu sağlamak için, gelişmiş bir termal yönetim sistemi gereklidir:
Soğutucu madde bazlı sistemin devresi, aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur: Kondansatör, evaporatör ve batarya ünitesi (pil hücreleri, soğutma plakası ve elektrikli yardımcı ısıtıcı). Klima sisteminin soğutucu madde devresi tarafından beslenir ve valfler ve sıcaklık sensörleri aracılığıyla ayrı olarak kontrol edilir. Her bir bileşenin çalışma prensibi, soğutma sıvısı ve soğutucu madde bazlı sistemin (b) açıklamalarında verilmiştir.
Bataryalar ne kadar güçlüyse, nispeten karmaşık soğutma sıvısı ve soğutucu madde bazlı devrenin kullanımı da o kadar anlamlıdır.
Tüm soğutma sistemi, her birinin kendi radyatörü (düşük sıcaklık radyatörü), bir soğutma sıvısı pompası, termostatı ve soğutma sıvısı kesme valfi olan birkaç devreye bölünmüştür. Klima sisteminin soğutucu madde devresi de özel bir ısı eşanjörü (soğutucu) ile entegre edilmiştir. Yüksek voltajlı soğutma sıvısı ısıtıcısı, düşük dış ortam sıcaklıklarında bataryanın yeterli bir şekilde ısıtılmasını sağlar.
Elektrik motoru ve güç elektroniği için soğutma sıvısının sıcaklığı, düşük sıcaklık radyatörü yardımıyla ayrı bir devrede (grafikteki iç devre) 60 °C’nin altında tutulur. Tam güce ulaşmak ve mümkün olan en uzun hizmet ömrünü sağlamak için, bataryanın soğutma sıvısı sıcaklığını her zaman yaklaşık 15 °C ile 30 °C arasında tutmak gerekir. Sıcaklıklar çok düştüğünde, soğutma sıvısı yüksek voltajlı bir yardımcı ısıtıcı aracılığıyla ısıtılır. Sıcaklıklar çok yükseldiğinde, bir düşük sıcaklık radyatörü aracılığıyla soğutulur. Bu yeterli olmazsa, hem soğutma sıvısı hem de soğutucu madde devrelerine entegre edilmiş bir soğutucu aracılığıyla, soğutma sıvısı daha da soğutulur. Burada, klima sisteminin soğutma sıvısı soğutucu aksamdan akar ve aynı şekilde soğutucu aksamdan geçen soğutucu maddeyi daha da soğutur. Tüm kontrol ayrı termostatlar, sensörler, pompalar ve valfler yardımıyla gerçekleştirilir.
Yüksek verimlilikleri nedeniyle, elektrikli tahrik sistemleri çalışma sırasında çevreye çok az ısı yayar ve hareketsizken hiç ısı yaymaz. Bu nedenle, aracı düşük dış sıcaklıklarda ısıtmak veya camlardaki buzu çözmek için ilave ısıtıcılar gereklidir. Bunlar ek enerji tüketicilerini temsil eder ve yüksek enerji tüketimleri nedeniyle çok önemlidirler. Bataryada depolanan enerjinin bir kısmını tüketirler, bu da özellikle kış aylarında menzili önemli ölçüde etkiler. Havalandırma sistemine entegre edilen elektrikli yardımcı ısıtıcılar basit, etkili ama aynı zamanda çok enerji yoğun bir formu temsil etmektedir. Bu nedenle, artık enerji tasarruflu ısı pompaları da kullanılmaktadır. Yaz aylarında soğutma için klima sistemi olarak da kullanılabilirler. Koltuk ısıtıcıları ve ısıtmalı camlar, ısıyı doğrudan ısıtılacak alanlara iletir ve böylece iç mekanın ısıtma ihtiyacını da azaltırlar. Elektrikli otomobiller durma sürelerini genellikle şarj istasyonlarında geçirirler. Orada, yolculuk başlamadan önce bataryaya yük bindirmeden istenilen araç sıcaklığına ulaşılabilir. Hareket halindeyken, ısıtma veya soğutma için önemli ölçüde daha az enerji gerekir. Bu arada, ısıtmanın uzaktan kontrol edilebildiği akıllı telefon uygulamaları da sunulmaktadır.
Şarj ve deşarj kontrolü, sıcaklık izleme, menzil tahmini ve teşhis işlemlerini üstlenen akümülatörler için farklı yönetim sistemleri kullanılmaktadır. Kullanım ömrü esas olarak kullanım koşullarına ve çalışma sınırlarına uyulmasına bağlıdır. Sıcaklık yönetimi de dahil olmak üzere batarya yönetim sistemleri, akümülatörlerin zararlı ve muhtemelen güvenlik açısından kritik aşırı şarjını veya derin deşarjını ve kritik sıcaklık koşullarını önler. Her bir batarya hücresinin izlenmesi, diğer hücrelerde bir arıza veya hasar oluşmadan önce tepki verilmesine olanak tanır. Durum bilgileri ayrıca bakım amacıyla saklanabilir ve bir hata durumunda sürücüye ilgili mesajlar verilebilir.
Prensip olarak, günümüzde çoğu elektrikli otomobilin batarya kapasitesi, kısa ve orta menzilli mesafelerin çoğunluğu için yeterlidir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü tarafından 2016 yılında yayınlanan bir araştırma, mevcut standart elektrikli otomobil yelpazesinin tüm yolculukların %87’si için yeterli olduğu sonucuna varmıştır. Bununla birlikte, menziller güçlü bir şekilde değişkenlik göstermektedir. Elektrikli aracın hızı, dış ortam sıcaklığı ve özellikle ısıtma ve klima kullanımı, hareket menzilinde önemli bir azalmaya yol açar. Ancak, giderek kısalan şarj süreleri ve şarj altyapısının sürekli genişlemesi, elektrikli otomobillerin hareket sahasını daha da artırmayı mümkün kılıyor.
İçten yanmalı motora sahip klasik sürüş konseptlerinde, mekanik olarak tahrik edilen kompresör nedeniyle, kabin iklimlendirmesi doğrudan motorun çalışmasına bağlıdır. Kayış tahrikli kompresörler, uzman çevrelerde mikro hibrit olarak adlandırılan ve sadece Start/Stop işlevine sahip araçlarda da kullanılır. Buradaki sorun, araç durduğunda ve motor kapatıldığında, klima sisteminin evaporatör çıkışındaki sıcaklığın sadece 2 saniye sonra artmaya başlamasıdır. Havalandırma sisteminin çıkış sıcaklığındaki yavaş artışın yanı sıra hava nemindeki artış, araçtaki yolcular tarafından rahatsız edici olarak algılanır.
Bu sorunu gidermek için, yeni geliştirilen ve depolama evaporatörleri olarak adlandırılan soğuk depolayıcılar kullanılabilir.
Hava, iklimlendirilen araç kabininden çekilir ve bataryayı soğutmak için kullanılır. Aracın içinden emilen soğuk havanın sıcaklığı, 40 °C’nin altındadır. Bu hava, batarya grubunun serbestçe erişilebilen alanlarının etrafından dolaşmak için kullanılır.
Bu seçeneğin dezavantajları şunlardır:
Bu tehlikeyi önlemek için, emilen hava filtrelenir. Alternatif olarak, hava soğutması, lüks sınıf araçlardaki ayrı arka klima sistemlerine benzer şekilde ayrı bir küçük klima ünitesi tarafından da gerçekleştirilebilir.
Batarya hücresinin içine entegre edilmiş özel bir evaporatör plakası, araçtaki klima sistemine bağlıdır. Bu, boru hatları ve bir genleşme valfi aracılığıyla yüksek ve düşük basınç taraflarındaki bölme işlemi olarak adlandırılan işlemde gerçekleşir. Böylece, kabin evaporatörü ile bataryanın geleneksel bir evaporatör gibi çalışan evaporatör plakası, tek ve aynı devreye bağlıdır.
İki evaporatörün farklı görevleri nedeniyle, buna uygun soğutucu madde akışında farklı gereksinimlerle sonuçlanır. Kabin soğutma sistemi yolcuların konfor gereksinimlerini karşılayacak şekilde tasarlanırken, yüksek voltajlı batarya sürüş koşullarına ve ortam sıcaklığına bağlı olarak daha fazla veya daha az soğutulması gerekir.
Bu gereksinimler, buharlaştırılmış soğutucu madde miktarının karmaşık kontrolü için belirleyici faktörlerdir. Evaporatör plakasının özel tasarımı ve bataryaya entegrasyonu sayesinde, ısı değişimi için geniş bir temas yüzeyi sağlanır. Bu sayede, kritik üst maksimum sıcaklık olan 40 °C’nin aşılmaması sağlanabilir.
Çok düşük dış ortam sıcaklıklarında, bataryanın en az 15 °C’lik ideal sıcaklığına çıkarılması gerekir. Ancak bu durumda evaporatör plakası katkı sağlayamaz. Soğuk bir batarya, doğru sıcaklığa sahip bir bataryadan daha az güçlüdür ve sıcaklıklar donma noktasının önemli ölçüde altına düştüğünde, bataryayı şarj etmek de zordur. Hafif hibrit bir araçta bu tolere edilebilir: Aşırı durumlarda, hibrit işlevi sadece sınırlı bir ölçüde kullanılabilir. Bununla birlikte, içten yanmalı motorla sürüş yapmak hâlâ mümkündür. Öte yandan, kışın her durumda aracın çalıştırılabilmesi ve sürülebilmesi için, tamamen elektrikli araçlar bir batarya ısıtıcısı ile donatılmalıdır.
Not
Doğrudan bataryaya entegre edilen evaporatör plakaları tek tek değiştirilemez. Bu nedenle, hasar durumunda daima tüm batarya değiştirilmelidir.
Yüksek kapasiteli bataryalarda doğru sıcaklık kontrolü önemli bir role sahiptir. Bu yüzden, çok düşük sıcaklıklarda ideal sıcaklık aralığına getirmek için, bataryanın ek olarak ısıtılması gerekir. “Elektrikli sürüş” modunda, yalnızca bu aralıkta tatmin edici bir menzile ulaşılabilir.
Bu ek ısıtmayı gerçekleştirmek için, batarya ikincil bir devreye entegre edilir. Bu devre, 15 °C - 30 °C aralığındaki ideal çalışma sıcaklığının her zaman korunmasını sağlar.
Akümülatör blokuna entegre edilmiş olan soğutma plakasının içinden su ve glikolden oluşan bir soğutucu madde akar (yeşil devre). Düşük sıcaklıklarda soğutucu madde ideal sıcaklığa ulaşmak için bir ısıtıcı aracılığıyla hızlıca ısıtılabilir. Hibrit işlevlerinin kullanımı sırasında bataryada bir sıcaklık artışı olursa, ısıtıcı kapatılır. Soğutma sıvısı daha sonra aracın ön tarafında bulunan batarya soğutucu veya sürüş rüzgarını kullanan bir düşük sıcaklık radyatörü aracılığıyla soğutulabilir.
Batarya soğutucusu tarafından sağlanan soğutmanın yüksek sıcaklıklarda yeterli olmaması durumunda, soğutucu madde özel bir ısı eşanjörünün içerisinden geçer. Bu eşanjörde, araç klima sisteminden gelen soğutucu madde buharlaştırılır. Ayrıca ısı, kompakt ve yüksek güç yoğunluğuna sahip bir biçimde ikincil devreden buharlaştırılan soğutucu maddeye aktarılabilir. Böylece soğutucu maddenin ilave olarak soğutulması gerçekleşir. Özel ısı eşanjörünün kullanımı sayesinde, batarya verimlilik açısından optimum sıcaklık aralığında işletilebilir.
Yüksek voltajlı sistemlere (YV) sahip araçların sürücüleri, bir arıza durumunda bile doğrudan elektrik tehlikelerine maruz kalmaz. Araç üreticileri tarafından alınan çok sayıda önlem, YV sistemini güvence altına almaktadır.
Arızaların giderilmesi için YV sistemine herhangi bir müdahalede bulunulmadığı sürece, YV sistemli araçlarda yol yardımı da zararsızdır.
Bununla birlikte, yol yardımı durumunda veya bir kaza nedeniyle hasar gören veya kardan ve sudan çekilmesi gereken araçları çekerken tehlikeler oluşabilir. Elektrik çarpması veya ark nedeniyle oluşabilecek tehlikelere karşı korunmak için araçların iç güvenliği çok yüksek olmasına rağmen, her hasar durumunda tam veya %100 güvenlik sağlanamamaktadır. Şüphe durumunda, araç üreticilerinin ilgili bilgileri dikkate alınmalı veya talep edilmelidir.
Elektrikli ve hibrit araçlar için yol yardımı, bu amaç için özel olarak kalifiye olan herkes tarafından sağlanabilir. Bu nedenle, yol yardımı sağlayan herkes, yüksek voltaj sistemine sahip araçların yapısı ve çalışma prensibi hakkında talimat alır. Burada, elektroteknik ile ilgili olmayan çalışmalar için her durumda ülkeye özgü gereksinimler ve koşullar geçerlidir. (Almanya için, DGUV Information 200-005 “Qualifizierung für Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen” (Yüksek voltajlı sistemlere sahip araçlarda çalışma için yeterlilik) (önceden BGI 8686) geçerlidir. Lütfen ilgili ülkeye özgü koşulları dikkate alın.)
Mutlaka üreticinin talimatlarına uyun. 12/24 V DC araç elektrik sistemi üzerinden sadece birkaç araç dışarıdan takviye ile çalıştırılabilir. Kapatıldıktan sonra, sürekli deşarj dirençleri üzerinden deşarj edilmeyen tehlikeli artık gerilimler mevcut olabilir. Açmadan önce, kullanım kılavuzundaki talimatları ve/veya araç üreticisinin teknik bilgilerini dikkate alın.
