YAKIT HÜCRELİ (PEM) ARAÇLARIN TASARIM ESASLARI

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
YAKIT HÜCRELİ (PEM) ARAÇLARIN TASARIM ESASLARI
ve
ŞEHİRİÇİ TEST ÇEVRİMİNE GÖRE SİMULASYONU
M. Umut Karaoğlan*, N. Sefa Kuralay*, M. Murat Topaç*
*
Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,
Makine Mühendisliği Bölümü, Otomotiv Anabilim Dalı, İzmir
ÖZET
Son yıllarda yakıt hücresinin taşıtlarda uygulanması ilgi odağı olmuştur. Elektriği depolayan kimyasal özellikli bir
bataryadan farklı olarak, yakıt hücresi, hidrojen kaynağı devam ettiği sürece elektrik üretir. İçten yanmalı motorlu
araçlarda karşılaştırıldığında, yakıt hücreli araçların, yüksek enerji verimi ve yanmaya maruz kalmadan enerjinin
yakıttan elektrik enerjisine direk çevrilmesine bağlı olarak çok düşük emisyonlara sahip olma gibi avantajları
mevcuttur. Bu çalışmada, en sık kullanılan yakıt hücresi tiplerinden biri olan PEM (Proton Excange Membrane) yakıt
hücresi kullanarak tasarlanacak bir taşıt için arzu edilen maksimum yokuş eğimi, maksimum hız ve ivmelenme gibi
parametrelere göre elektrik motoru, yakıt hücresi ve bataryanın seçimini esas alan hesaplamalar yapılmıştır. Güç
yönetim sistemlerinden şarj esaslı mod için sonuçlar sunulmuştur. Ayrıca tasarımı ve analizi yapılan yakıt hücreli araç
için çevrim süresince enerji akışı şematik olarak gösterilmiş, kullanılan hidrojen miktarına göre yakıt deposu özellikleri
ve menzil için hesaplamalar yapılmıştır.
Anahtar kelimeler: PEM, yakıt hücresi, hibrit, otomotiv
DESIGN PRINCIPLE AND SIMULATION OF PEM FUEL CELL VEHICLE IN DRIVING CYCLE
ABSTRACT
In recent decades, the application of fuel cells in vehicles has been the focus of increased attention. In contrast to a
chemical battery, the fuel cell generates electric energy rather than storing it and continues to do so as long as a fuel
supply is maintained. Compared with the ICE (Internal Combustion Engine) vehicles, it has the advantages of high
energy efficiency and much lower emissions due to the direct conversion of free energy in the fuel into electric energy,
without undergoing combustion. In this study, calculations based on choosing electric motor, fuel cell stack and battery
according to parameters of maximum velocity, maximum grade and acceleration for designed vehicle that using one of
the most common fuel cell PEM fuel cell is done. Results are presented for charge sustaining strategy as a power
management system. Additionally energy flow is shown during the cycle for vehicle that designed, and calculations are
done for fuel tank design and vehicle range according to amount of hydrogen usage.
Keywords: PEM, fuel cell, hybrid, automotive
1. GİRİŞ
2. PEM (PROTON EXCHANGE MEMBRANE)
YAKIT HÜCRESİ SİSTEMİ
Bu çalışmada sadece PEM yakıt hücreli araç için
analiz yapılmıştır. İlk PEM yakıt hücresi Amerika
Birleşik Devletleri’nin uzay programı çalışmaları için
1960’larda geliştirilmiştir. Şu anda ise otomotiv
uygulamaları için üreticiler tarafından en çok araştırılan
konuların başında gelmektedir[1,3].
Yakıt olarak saf hidrojen ile oksidan olarak oksijen
veya havanın kullanıldığı PEM yakıt hücresinde,
elektrolit olarak da katı polimer membran kullanır.
Polimer membran Nafion (Dupont®) ürünü olan
1
perfluorosülfonik asittir. Asidik özellikli bu membran ile
hidrojen iyonları veya protonlar taşınır [1].
Polimer elektrolit membran karbon destekli bir
katalizör ile kaplıdır. Bu katalizör, karışma noktasını
maksimize etmek için direkt olarak difüzyon tabakası ve
elektrolit ile bağlıdır. Katalizör elektrodu oluşturur ve
katalizör tabakasının üzeri difüzyon tabakasıdır.
Elektrolit, katalizör tabakası, gaz difüzon tabakası gibi
elemanlara topluca membran-elektrolit düzeneği (MEA)
adı verilir [1].
60–100 0C arasında çalışan ve güç yoğunluğu 0.35–
0.6 W/cm2 olan yakıt hücresi Elektrikli Araç (EA) veya
Hibrit Elektrikli Araç (HEA) uygulamalarında bazı kesin
avantajlara sahiptir. Öncelikle düşük sıcaklık çalışma
bölgesi ve bu sayede hızlı çalışmaya başlaması EA ve
HEA’larda arzulanan özelliklerdir. Ayrıca PEM yakıt
hücresi diğer uygun yakıt hücresi tipleri arasında güç
yoğunluğu en yüksek olandır. Yüksek güç yoğunluğu,
talep edilen güç ihtiyacına göre, kullanılacak yakıt
hücresinin daha küçük boyutta olmasına olanak
sağlamaktadır. Bunların yanında membranın pahalı
olması ve katalist ile membranın kolayca zehirlenmeye
maruz kalabilmesi dezavantajları olarak gösterilebilir [1].
Şekil 1’de görüldüğü üzere hidrojen gazı anot
üzerinden geçerken hava da katot üzerinden geçmektedir.
Elektrolit ise pozitif iyonların geçmesine izin veren ve
elektronların geçmesini engelleyen özellikte olmalıdır.
Anotta oluşan reaksiyon:
2H2 → 4H+ + 4e-
tarafından 2010 yılında geliştirilen sistem yapısı ve
performans modeli bu çalışmada kullanılmıştır[2].
Bu çalışma kapsamında, 2010 model ANL yakıt
hücresi sistemi kullanılmıştır. Yakıt hücresi 3M firmasına
ait olup NSTFC (Nano-Structured Thin Film Catalyst)
kullanılan bir membran-elektrot düzeneğidir (MEA). 3M,
yakıt hücreleri için malzeme üretimi üzerine 1995’den
beri 60’dan fazla ülkede faaliyet göstermekte ve
günümüzde de membran elektrot düzenlerinin üretimini
yapmaktadır. Hücre 20 μm güçlendirilmiş membrana,
katalizör olarak 0,05 (anot)/0,1 (katot) mg/cm2 platine ve
çift kutuplu levhalara sahiptir [9, 13, 21].
Yakıt hücresi sisteminin otomotivde uygulanması için
yakıt hücresine ilaveten bir çeviricinin de kullanılması
gerekmektedir. DC/DC çevirici olarak da tanımlanan
çeviriciler çoğunlukla regüle edilmemiş DC gerilim
kaynağının, kontrollü bir biçimde sabit DC gerilime
dönüştürülmesi için kullanılır. Regüle edilmemiş DC
gerilim, genellikle kontrolsüz bir doğrultucu ile sağlanır.
Aküler ve yakıt pilleri de regüle edilmemiş DC gerilim
kaynağıdır. Şekil 2’de yakıt hücresi sisteminde kullanılan
elemanlarla birlikte sistemdeki enerji akışı şematik olarak
gösterilmiştir [16,17].
Çevirici
Yakıt Hücresi
İnvertör
(Boost)
(1)
Çevirici
(Boost/Buck)
Elektronlar, elektrik devresine akarken, hidrojen
protonları da elektrolite doğru akar. Hidrojen protonları
ile elektronların, katotta oksijen akışı ile birleşmesiyle su
üretilir [15].
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Batarya
(2)
Şekil 2. Yakıt Hücresi Sisteminin Prensip Şeması
Anot
Katot
Proton Exchange
Membran
Fazla Hidrojen
PEM
Platin Katalist
Hava
Gözenekli Elektrot
Gözenekli Elektrot
Hidrojen
Yapılan analizin sonunda bir çevrim süresince
tüketilen hidrojen miktarından yola çıkılarak, hidrojen
depolama tankı hacmi ve taşıtın menzili hesaplanmıştır.
4. TAŞIT MODELİ VE TASARIM
PARAMETRELERİ
Tasarlanacak bir taşıtta kullanılacak motorun seçimi,
taşıttan istenen maksimum hız değeri ve çıkabileceği
maksimum yokuş eğimine göre belirlenir. Bu nedenle
ivmelenmesiz bir hareket için aracın tahrik tekerleklerine
etki eden direnç kuvvetleri hesaplanmalıdır (FT). Bu
kuvvetleri yuvarlanma direnci (FR), hava direnci (FL) ve
yokuş direnci (FST) oluşturmaktadır.
Su Buharı
Şekil 1. PEM Yakıt Hücresi Temel Prensibi [15]
3. OTOMOTİV UYGULAMALARI İÇİN YAKIT
HÜCRELİ TAHRİK SİSTEMİ
1990’lardan itibaren birçok otomotiv şirketi, PEM
yakıt hücresi sisteminin taşıt tahrikinde kullanılması ve
gelişimi için önemli çalışmalara imza atmıştır. Bu
çalışmaların ışığında güç yoğunluğu her yıl önemli ölçüde
artırılabilmiştir. Yakıt hücreli bir araçta gerekli olan
minimum yapı elemanları ve temel prensip şeması şekil
3’de gösterilmiştir. ANL (Argonne National Laboratory)
Hareket dirençlerinin tayinine esas teşkil eden taşıt
parametreleri Tablo 1’de gösterildiği gibidir.
2
ettiği momentler gösterilmiştir (Şekil 3). Taşıtın
çıkabileceği en yüksek yokuş eğiminin belirlenmesi,
elektrik motorunun maksimum moment değeriyle
doğrudan alakalıdır. Belirlenen eğim değerinin, KGM
(Karayolları Genel Müdürlüğü) tarafından Türkiye’de
uygulanan, köy yolları için maksimum boyuna eğim
değeri olan %15 eğimden yüksek olması gerekmektedir.
Bunun haricinde farklı yollarda daha yüksek eğim
değerlerine ulaşılabilir. Bu bilgiler ışığında tasarlanacak
araç için, yokuş kabiliyetinin %20 eğimden daha az
olmaması öngörülmüştür.
Hareket dirençlerinin motora indirgenmesi ve sınır
değer olan %20 yokuş eğiminin sağlanması için
tekerlekten motor miline kadar sabit çevrim oranı 5 olarak
belirlenerek, maksimum motor momenti için 190 Nm’nin
yeterli olduğu görülmüştür. 190 Nm maksimum moment
değerine sahip bir motor, sabit çevrim oranı 5 olan dişli
kademesi ile birlikte kullanıldığında çıkabileceği
maksimum yokuş eğimi %22 olmaktadır (Şekil 5).
Sabit çevrim oranının belirlenmesinde taşıtın
çıkabileceği maksimum yokuş eğimi kadar göz önünde
bulundurulması gereken bir diğer faktör de %10 yokuş
eğiminde ulaşabileceği hızın değeridir. Literatürde ve
uygulamalarda bunun 80-100 km/h değerini karşılaması
beklenir. Sabit çevrim oranının 5 olması durumunda bu
karşılaştırma aşağıda yapılmıştır (şekil 4). Sonucun 105
km/h değerinde olduğu, bu bakımdan herhangi bir sorun
teşkil etmediği görülmüştür.
Tablo 1. Tasarlanacak Aracın Parametreleri
Taşıt Değerleri
Parametre
Aerodinamik direnç katsayısı
(CW)
Taşıt projeksiyon alanı (A)
Bagaj kütlesi
Taşıt ağırlık merkezinin
yüksekliği (h)
Toplam taşıt kütlesi (m)
Aks aralığı (L)
Aksesuarların harcadığı
elektrik yükü
Yuvarlanma direnç katsayısı
(fR)
Tekerlek yarıçapı (185/70R14)
Birim
Değer
−
m2
kg
0,33
2
136
m
kg
m
0,5
1118
2,666
W
700
−
m
0,009
0,282
Bu direnç kuvvetlerinin tekerleklerde oluşturduğu
moment (MT) aşağıdaki gibidir.
FT = FR+FL+FST
(3)
FR = m.g.fR
(4)
1
FL =
.ρL.A.CW.V2
(5)
2
FSt = m.g.sinα
(6)
MT = FT.rdyn
(7)
Bu kuvvetlerin tekerleklerde oluşturduğu moment
eğrisinin taşıt hızı veya motor devir sayına göre değişimi
belirlenir (Şekil 3). Tekerleklerde oluşan direnç
momentlerine göre elektrik motoru ile tekerlekler arasında
kullanılacak bir çevrim oranı hesaplanır. Buna göre
gerekli motor momenti (MM):
MM = MT.iTop
(8)
Şekil 4. %10 Yokuş Eğimi İçin itop Kontrolü
Düz yolda taşıtın çıkabileceği maksimum hız motorun
gücüne bağlı olarak aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir
(eşitlik 9). Bu çalışma için taşıtın ulaşacağı maksimum
hızının 170 km/h değerinde olması seçildikten sonra ve
aşağıdaki, taşıt hızına bağlı ikinci dereceden denklemin
çözülmesi sonucunda elektrik motoru için gerekli güç
60,7 kW olarak bulunmuştur.
Bu çalışmada kapsamında elektrik motorunun en
yüksek moment ve güç değerleri, taşıtın çıkması arzu
edilen en yüksek yokuş eğimi ve düz yoldaki maksimum
hızına göre belirlenmiştir. Elektrik motorların kısa süreli
olarak adsal gücün üst değerine çıkabileceği de dikkate
alınarak E-motoru için en yakın değer olan 59 kW güç ve
190 Nm maksimum moment değerlerine sahip alternatif
akım indüksiyon motoru alınmıştır. Eşitlik 9 ‘da ayrıca
Şekil 3. Tekerlekteki Hareket Direnci Momentleri
Elektrikli ve yakıt hücreli araçlarda seçilen elektrik
motoruna göre genellikle sabit bir çevrim kullanılır. Sabit
çevrim oranı (iTop), taşıtlarda genel uygulama olarak
elektrik motorunun çıkışına yerleştirilen sabit çevrim
oranlı bir dişli grubu ve hemen sonrasında ise diferansiyel
kademesinin çevrim oranları çarpımından oluşmaktadır.
Yukarıda düz yol ve çeşitli yol eğimleri için hareket
dirençlerinin, artan taşıt hızına göre tekerleklerden talep
3
Yukarıdaki 11 nolu denklemden yola çıkılarak taşıt
hızına bağlı olarak ivmelenme değerleri (Şekil 6)
bulunabilir. Bu grafik bize taşıtın çıkabileceği maksimum
ivmeyi ve hızın artışına paralel olarak bu ivmelenme
değerindeki azalmayı görmemize olanak verir. Bu sayede
aracın farklı çalışma koşullarında ve yol şartlarında
sergileyeceği ivmelenme davranışı hakkında yorum
yapılabilir.
dişli sistemleri için mekanik verim (ηM) 0,92 ve elektrik
motoru verimi (ηEM) 0,83 olarak alınmıştır.
1
2
(m ⋅ g ⋅ f R + ⋅ ρ • A ⋅ CW ⋅ V ) ⋅ V
2 L
1000 ⋅ η M ⋅η EM
PEM =
(9)
Seçilen yeni güçteki elektrik motoru için yukarıdaki
denklemin
tekrar
çözülmesi
sonucunda
taşıtın
çıkabileceği maksimum hız 168 km/h, bu hızda motor
devir sayısı ise 9496 D/d olarak bulunmuştur. Şekil 5 ‘de
devir sayısına bağlı olarak seçilen E-motorun moment
karakteristiğinin ve tekerlekte talep edilen direnci
momentlerin devir sayısına göre değişimi verilmiştir.
Şekil 6. Taşıtın İvmelenme Kabiliyeti
Taşıtın ivmelenme yeteneğinden yola çıkılarak önemli
bir performans kriteri olan 0’ dan 100 km/h değerine
hızlanma süresi, eşitlik 13 de verildiği gibi hesaplanabilir.
Aracın statik halden belirli bir hıza gelme süresinin, düz
yol ve maksimum ivmenin kullanılma durumu için
değişimi şekil 7 ‘da gösterilmiştir.
Şekil 5. Farklı Yokuş Eğimleri İçin Direnç Momentleri
Taşıt tasarımında en önemli faktörlerden biri de taşıtın
ivmelenme kabiliyetidir. Belirlenen elektrik motoru
özellikleri için taşıtın bu performans değerlerinin
hesaplanması gereklidir. Taşıtın, hareket dirençlerinin
tekerlekte oluşturduğu direnç momentlerini (MT) yenerek
0 ‘dan100 km/h hıza ulaşma süresini hesaplamak için
aşağıdaki temel bağıntı kullanılır.
MT
= λ ⋅G ⋅
r
x
+ F +F +F
R
g
L
(10)
st
Bu formülden yola çıkmak suretiyle ivmenin ( x )
çekilerek, hızın zamana göre türevi şeklinde yazılmasıyla
(eşitlik 12), ivmelenme süresi ve sürenin hız ile çarpımı
sonucunda da aracın kat ettiği mesafe (eşitlik 15) bulunur.
MT
(FR + FL )
x
r
=
g
a=x=

λ ⋅G
MT
dV
V2
t=
∫ (M
V1
dt
M
V2
Taşıtta
kullanılacak
elektrik
motorunun
belirlenmesinin ardından sıra yakıt hücresinin seçimine
gelmiştir. Yakıt hücresi net gücünün seçiminde elektrik
motorunun maksimum gücü baz alınmış fakat sistemde
bataryanın da kullanılacak olması, elektrik motoru
gücünden daha düşük bir güçte yakıt hücresi seçmemize
(11)
− (F + F )
= r
(12)
R
λ⋅m
L
λ⋅m
⋅ i ⋅η M ⋅η EM r ) − f R ⋅ m ⋅ g − (1 2) ⋅ ρ L • A ⋅ cw ⋅V
S = V ⋅t
S=∫
λ 
V
m
Şekil 7. Taşıtın Hızlanma Kabiliyeti
⋅V
2
dV
⋅
(13)
olanak tanımıştır. Bu suretle kullanılacak batarya,
(14)
ivmelenme gibi ani olarak güce ihtiyaç duyulan
bölgelerde yakıt hücresine destek olacaktır.
Ayrıca seçilecek yakıt hücresinin bataryanın desteği
olmadan %10 yokuş eğiminde şehirlerarası hız limiti olan
⋅ dV (15)
4
1
(M M ⋅ i ⋅η M ⋅η EM r ) − f R ⋅ m ⋅ g − (1 2) ⋅ ρ L
• A ⋅ cw ⋅V 2
90 km/h hızda taşıtın hareketini gerçekleştirebilecek güçte
5
olması gerekmektedir. Buna göre yakıt hücresi gücü
(PYH) aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
1
2
(m ⋅ g ⋅ f R + + m ⋅ g ⋅ sin α )
kaçınılm
aktadır
•
ρ L ⋅ A ⋅ CW ⋅V
⋅V
[16].
2
PYH =
(16)
1000 ⋅ η M ⋅ η EM
Sadece yakıt hücresinin kullanılması durumunda %10
yokuş eğimi ve 90 km/h hız için gerekli güç yukarıdaki
eşitlikten yaklaşık 47 kW olarak hesaplanmıştır.
Bu sonuçtan yola çıkılarak ADVİSOR modülü
bünyesinde yer alan ANL model 50 kW net güce sahip
PEM yakıt hücresi ana enerji kaynağı olarak seçilmiştir.
Yakıt hücresi gücüne bağlı olarak yakıt hücresi sistemine
ait verim grafiği Şekil 8’de gösterildiği gibidir.
işlem için kullanılacak çevirici çift yönlü çalışabilmeli
veya iki ayrı çevirici kullanılmalıdır. İki çevirici
kullanımından ağırlık ve maliyet gibi nedenlerle
Batarya sisteminde kullanılan voltaj seri bağlantı
dolayısıyla modül sayısı ile modül voltajının çarpımına
sistemi besler ve uygun durumlarda tekrar şarj edilir. Bu
Şekil 8. Yakıt Hücresi Sisteminin Verimi [22]
Yakıt
hücresi
gücüne
ilaveten,
ani
güç
gereksinimlerine cevap vermek ve taşıtın frenleme
enerjisini depo etmek amacıyla yakıt hücreli araçlarda
batarya kullanılmaktadır. Hibrit elektrikli ve yakıt hücreli
araçlarda bataryadan, içten yanmalı motorun ihtiyaç
duyması halinde anlık olarak yüksek güç vermesi
beklenir. Seçilen batarya, gerekli yol ve kullanım
koşullarına göre elektrik motoru ve yakıt hücresi güç
farkını (9 kW) 10-15 dakika boyunca sağlayabilmelidir.
Bunun için batarya kapasitesinin 1,5-2,25 kWh olması
beklenmektedir. Fakat bataryanın kapasitesi göz önüne
alındığında yüksek anlık güç vermesi bataryanın hemen
boşalmasına neden olacaktır.
Enerji depolayıcısı olarak program üzerinde mevcut
6 Ah lityum iyon batarya seçilmiştir. Her modül 3 adet
silindirik formda batarya hücresinden meydana
gelmektedir ve batarya modulünün ağırlığı 1,13 kg . Her
bir hücrenin minimum voltajı 3 V, maksimum voltajı 3,9
V değerindedir. Analizi yapılacak taşıt için 30 modulün
seri bağlanarak kullanılması öngörülmüştür. Bununla
birlikte tek bir batarya hücresinin nominal voltajı 3,6 V
alınarak batarya çıkış voltajı 324 V elde edilmiştir. Sonuç
olarak batarya kapasitesinin 1,944 kWh olacağı
hesaplanmıştır. Bu kapasitedeki batarya 9 kW’lık güç
farkını 13 dakika boyunca sağlayabilmektedir.
Akü
grubu
çıkışında
DC-DC
çeviriciler
kullanılmaktadır. Bu çeviriciler, standart çeviricilerden
farklı olarak, çift yönlü güç akışını sağlamalıdırlar. Hibrit
elektrikli araçlarda akü grubu, çeşitli yol koşullarında
6
eşittir. Modül voltajının farklı sıcaklık değerlerinde
ve şarj durumlarında değişimi şekil 9’deki gibidir.
Şekil 9. Batarya Modül Voltajının Değişimi [22]
Taşıtta kullanılan elektrik motoru ve yakıt hücresi
sistemlerin özellikleri Tablo 2’de belirtilmiştir. Ayrıca
bataryada müsaade edilen en yüksek ve en düşük
SOC değerleri de tabloda belirtilmiştir. Seçilen lityum
iyon bataryanın özelliklerine göre % 40 SOC
değerinden daha alt değerlerde batarya anlık gücü
hızla düşmektedir. Bu nedenle bataryada müsaade
edilen en düşük SOC değeri için 0,4 (% 40 SOC)
değeri uygun bulunmuştur. Bataryalardaki bir diğer
önemli faktör de boşalma derinliğidir (DOD). Boşalma
derinliği arttıkça çevrim sayısı azalır. Bu nedenle
bataryaların % 100 doluluğa kadar ulaşması istenmez.
Bu çalışma için en yüksek SOC değeri 0,8 (% 80 SOC)
olarak seçilmiştir.
Tablo 2. Taşıtın Ve Kullanılan Sistemlerin
Tasarım Parametreleri
Parametre
Birim
Değer
−
145
Yakıt yoğunluğu (350 bar)
g/L
25
Yakıtın alt ısıl değeri
kJ/g
120
Toplam kütle
kg
223,3
Azami gücü
kW
50
kg
70
A
480
V
120
Hücre sayısı
Yakıt
Hücresi
Elektrik Kütlesi
Motoru + Maksimum akım
Kontrolcü
Minimum voltaj
Seyir rotalarının çeşitliliği ve bu rotalar üzerindeki
seyir şartlarının dinamikliği dikkate alındığında
araçların seyir parametrelerinin (güç ihtiyacı, yakıt
tüketimi, emisyonlar vb.) analizi için seyir çevrimleri
kullanılır. Üretilen araçlara tip onayı alınabilmesi için
standart
ve
dolayısıyla
bu parametrelerin
karşılaştırılabilir
7
ölçütlerle belirlenmesi amacıyla kullanılan standart
(yasal) çevrimlere örnek olarak NEDC (New Europan
Drive Cycle), FTP 75 (Federal Test Procedure) ve Japon
Çevrimi verilebilir. Bu çalışmada simulasyonu yapılacak
taşıt için hesaplamalar NEDC test çevrimine göre
yapılmıştır. NEDC çevrimi süresi boyunca taşıt hızının
değişimi ve bu çevrime ait bilgiler Şekil 10 ve Tablo 3’de
verilmiştir.
koşullarda değiştirilmek üzere sürücü tarafından
seçilebilmesine olanak tanınır. Bu çalışma kapsamında
batarya ve yakıt hücresi güç çıkışları şarj esaslı mod için
(CSM) bulunmuştur. Elde edilen batarya güç çıkışı
değerlerine bağlı olarak batarya akım ve
voltaj
değerlerine ait sonuçlar da gösterilmiştir.
5. ANALİZ SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME
Analiz tamamlandığında NEDC test çevriminin hız
gereksinimlerine bağlı olarak, motor, batarya ve yakıt
hücresine ait çıktıların değerleri ve bunların değişimleri,
çevrim süresi boyunca elde edilebilir. Şekil 12’de test
çevrimine (a) bağlı olarak batarya şarj durumunun (SOC)
değişimi (b) şarj esaslı moda (CSM) göre çizdirilmiştir.
Bu stratejinin sonucu olarak yakıt hücresi sisteminin
çalışma durumu (c) batarya doluluk oranının değişimine
göre değişim göstermiştir. Yakıt hücresinin çalışma
durumu buna göre ayarlanarak giriş koşulu olan 0,7 (% 70
SOC) değeri civarında batarya şarj değerinin kalması
sağlanmıştır. Yakıt hücresinin çalıştığı zamanlarda,
sistemden alınan gücün değişimi grafiğin en altında (d)
gösterilmiştir.
Bu analizde yakıt hücresinin çalışması, ilk konumda
çalışma durumu ve yakıt hücresi kapalı hali için izin
verilen minimum süresine bağlıdır. Genellikle ilk hareket
bölgelerinde yakıt hücresinin çalışması tercih edilen bir
husus değildir. İzin verilen minimum yakıt hücresi kapalı
kalma süresi bu analizde 90 saniye alınmıştır. Bu sürenin
düşük tutulması aynı zamanda yakıt hücresinin devreye
girme sıklığını da artıracaktır.
Elektrik motorunda ihtiyaç duyulan güç gereksinimi
kullanılan test çevriminin hız gereksinimlerine bağlı
olarak hesaplandığı için kullanılan kontrol stratejisinden
bağımsızdır. Bu durumda her ne kadar elektrik motoru
öncesinde kontrol stratejisi uyarınca batarya ve yakıt
hücresi çalışması belirlense dahi, toplamda elektrik
motoruna gelen güç aynıdır. Aşağıdaki şekilde kullanılan
elektrik motoru üzerindeki gerçek çalışma noktaları
gösterilmiştir (Şekil 11).
Şekil 10. NEDC Test Çevrimi Taşıt Hızının Değişimi
Tablo 3. NEDC Çevrimi Özellikleri
Çevrim Süresi (s)
1184
Mesafe (km)
10,93
Maksimum Hız (km/h)
120
Ortalama Hız (km/h)
33,21
Maksimum Hızlanma İvmesi (m/s )
1,06
Maksimum Yavaşlama İvmesi (m/s )
-1,39
Ortalama Hızlanma İvmesi (m/s )
0,54
Ortalama Yavaşlama İvmesi (m/s )
-0,79
Rölanti Süresi (s)
298
Duraklama Sayısı
13
2
2
2
2
Elektrikli araç ve hibrit elektrikli araç tasarımlarında
güç yönetim stratejileri önemli rol oynar. Güç
gereksinimlerinin
karşılanması
amacıyla
elektrik
motoruna gönderilecek gücün birincil enerji kaynağından
mı (yakıt hücresi), yoksa ikincil enerji kaynağından mı
(batarya) karşılanacağı ve hangi yol ve kullanım
şartlarında hangisinin özellikle yakıt ekonomisi bakından
avantajlı olacağı büyük önem arz eder. Bu bağlamda
genellikle şarj esaslı mod (CSM-Charge Sustaining
Mode) ve deşarj esaslı mod (CDM-Charge Depleting
Mode) olmak üzere iki temel strateji kullanılır.
Sürüş koşulları güç yönetim stratejilerinin tasarımında
önemli rol oynar. Şehir içi kullanımında ya da uzun süreli
sürüşlerde CSM daha uygun olup, batarya şarj durumunun
istenilen değere yakın seyretmesi sağlanır. Otoyol
kullanımında ya da kısa süreli sürüşlerde CDM daha
uygun seçenek olup, bu durumda SOC değeri minimum
seviyesine kadar iner ve daha sonra birincil enerji
kaynağının bataryayı şarj etmesi ile maksimum seviyesine
çıkar ve bu aralıkta gezinir. Tasarıma bağlı olarak bu
modların her ikisi de araçta bulunabilir ve farklı
Şekil 11. Elektrik Motorundaki Gerçek Çalışma Noktaları
8
d)
Batarya Akımı
Batarya Voltajı
SOC Değişimi
c)
YH Çalışma Durumu
Km/h
b)
YH Güç Çıkışı (W)
a)
Çevrim Süresi (s)
Şekil 14. Batarya Akımı ve Voltajının Değişimi – CSM
Mod– (90 s min YH kapalı kalma Süresi)
İzin verilen minimum yakıt hücresi kapalı kalma
süresinin arttırılması sonucunda elektrik motoru
enerjisini, minimum SOC değerine kadar bataryadan
temin etmekte ve çevrimin sonlarına doğru yakıt hücresini
çalıştırmaktadır. Çevrimin devam etmesi halinde SOC
değeri maksimum değer olan 0,8 değerine kadar çıkacak
ve tekrar kapanacaktır. Bu şartlarda uzunca bir süre
gerekli güç sadece bataryadan sağlanmıştır. Bu süre
sonrasında yakıt hücresinin de devreye girmesiyle
bataryanın, frenleme sırasında kazandığı enerjinin
haricinde ilk defa şarj edilebildiği görülmektedir Genel
uygulamalarda bu sürenin çok uzun olması istenmeyip 90
saniye civarlarında taşıtın kullanım şartları ve yol
koşullarına göre belirlenir.
Şekil 15’de tasarlanan yakıt hücresi sisteminin NEDC
test çevriminde yapılan analizinin sonucunda enerji
harcanımı ve kazanımlarını içeren bir enerji akış
diyagramı gösterilmiştir. Buradan da görüleceği üzere test
çevrimi için 10504 kj enerji, hidrojen yakıtından
sağlanmıştır. Bu enerjinin, kullanılan komponentlerin
verimleri (V) dolayısıyla yola 3677 kj kadarı
aktarılabilmiştir.
Yoldan
frenleme
enerjisinin
rekuperasyonu ile kazanılan 999 kj enerjinin 419 kj kadarı
frenlemede kaybolarak, 409 kj kadarı bataryada depo
edilebilmiştir. Çevrim sonunda bataryadan, ilk şarj
durumuna göre 354 kj enerjinin eksilmesi söz konusudur.
Çevrim Süresi (s)
Şekil 12. NEDC Test Çevrimine göre Taşıt Hızı (a),
SOC değişimi (b) (CSM kullanımı sonucunda), Yakıt
Hücresi Çalışma Aralığı (c) ve Yakıt Hücresinde Üretilen
Güç (d) – (90 s min YH kapalı kalma Süresi)
a)
Güç (W)
b)
Güç (W)
Yakıt hücresinin güç üretmediği koşullarda güç
ihtiyacı bataryadan sağlanmaktadır. Şekil 13’de yakıt
hücresi ve batarya çıkış gücü (a) ve elektrik motoruna
ulaşan güç (b) gösterilmiştir.
Çevrim Süresi (s)
Şekil 13. Batarya ve Yakıt Hücresi Çıkış Gücü (a),
Elektrik Motoru Gücü (b) – CSM Mod– (90 s
min YH kapalı kalma Süresi)
Analiz için kullanılan simulasyon parametreleri
sonucunda bataryadaki voltaj ve akım değişimleri
aşağıdaki gibidir (Şekil 14).
Batarya
(Çevirici)
1734 kj
V: 0,92
409 kj
Depolanmış
178 kj
Enerji: -354 kj
V:0,92
4285 kj
409 kj
V:1
3952 kj
295 kj
Yuv. Dir
1079 kj
V:0,93
3952 kj
3677 kj
Hava. Dir
1600 kj
541 kj
V:0,76
131 kj
0 kj
333 kj
Vites Kutusu
2319 kj
5177 kj
Elektrik Motoru
10504 kj
V:0,83
5421 kj
Sistem Bara Voltajı
Hidrojen
YH Sistemi
Çevirici
V:0,52
892 kj
591 kj
V:0,92
50 kj
Tekerlekler
Aksesuar:829kj
Diferansiyel
5083 kj
591 kj
0 kj
999 kj
V:0,93
V:1
-11 kj
Şekil 19. Test Çevrimi Sonunda Sistemde Oluşan Enerji Akışı
9
YOL
Çalışmanın son aşamasında bir çevrim için gereken
hidrojen enerjisinden yola çıkarak, taşıtta kullanılması
önerilen hidrojen depolama tankı kapasitesi ve bunun
sonucunda taşıtın menzili hesaplanmıştır. Tablo 3’de
belirtilen yakıtın alt ısıl değeri göz önüne alınarak bir
çevrimde tüketeceği hidrojen miktarı 87,53 gram olarak
hesaplanmıştır. 350 bar basınçta depolanacak hidrojen
gazının bu basınçta teorik yoğunluğu 25 g/L ‘dir. Fakat
kullanılan tankın, boru ve valflerin de etkisiyle depolama
verimi pratikte sıkıştırılmış hidrojen gazı için %40
olmaktadır. Diğer bir ifade ile yoğunluk 350 bar için
pratikte 10 g/L değerindedir. Bu değer, bir çevrimde
8,753 litre sıkıştırılmış hidrojen gazına ihtiyaç
duyduğumuz anlamına gelmektedir.
Yakıt hücreli taşıtlarda hidrojenin depolanması farklı
şekillerde sağlanabilir. Bunlar sıkıştırılmış hidrojen
gazının depolanması, hidrojenin sıvılaştırılmış şekilde
depolanması, metal hidrit şeklinde depolanması, metanol
gibi bir hidrokarbon veya alkolden kimyasal dönüşümü ve
sıvı amonyağın hidrojene dönüştürülmesi şeklinde
olabilir. Toyota ve Honda’nın yakıt hücreli araçlarında da
kullandığı binek taşıtlarda en çok kullanılan depolama
şekli olan sıkıştırılmış halde depolama bu çalışmada temel
alınmıştır.
Yakıt hücreli araçlar için sıkıştırılmış hidrojen gazı
deposu üreten firmalar genellikle bu tankları belirli
hacimlerde ve genellikle 350 veya 700 bar depolama
basıncı için standart olarak üretmektedirler. Örneğin
Honda’nın taşıtlarında tercih ettiği firma, bu depoları 350
bar için 34 ve 40 litrelik tüplerde üretmektedir. Bu
çalışma için tasarımı yapılan araçta her biri 20 kg
ağırlığında olan 40 litrelik 6 adet hidrojen deposu
kullanılması uygun bulunmuştur. 240 litrelik yakıt deposu
sayesinde taşıtın yaklaşık 27,5 çevrim yol alabilmektedir.
Bir çevrimin uzunluğunun 10,93 km olduğu da göz önüne
alınacak olursa taşıtın menzili 300 km olabilmektedir.
4.
6. SONUÇ
15.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Bu çalışma ile yakıt hücreli bir araç tasarlamak için
izlenecek yol belirtilmiştir. Kullanılacak komponentlerin
boyutları ve özellikleri belirtilerek bunların kullanılması
durumunda
sistemin
analizi
yapılmış
ve
değerlendirilmiştir. Henüz daha yeni sayılabilecek ve tam
olarak yaygınlaşmamış yakıt hücreli araçlar konusunda
bir uygulama örneği verilerek bu çalışmanın gelecek
çalışmalara ışık tutması amaçlanmıştır.
16.
17.
18.
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
19.
Ehsani M, Gao Y, Emadi A., 2010, “ Modern
Elecrtric, Hybrid Electrici And Fuel Cell
Vehicles”. 2 ed. Illionis: CRC pres;
Sinha J. DOE., 2012,” Fuel Cell Technologies
Program: Multi Year Research, Development
And Demonstration Plan: Cost Analyses Og Fuel
Cell Stacks/Systems”
Kuralay N S.,2013, “Motorlu Taşıtlarda Hibrit
Tahrik”, 1 ed. Izmir: MMO/598, ISBN: 978-60501-0439-4
20.
21.
22.
1
Mirza Z. DOE.,2009, “Hydrogen Program FY
2009 Annual Progress Report: Development Of
Thermal And Water Management Systems For
PEM Fuel Cells”
Zhou L Y., 2007, “Modeling And Simulation Of
Hybrid Electric Vehicles”. University of Victoria
Johnson V H, Wipke K B, Rausen D J., 2010, “HEV
Control Strategy For Real-Time Optimization Of
Fuel Economy And Emissions”. National
renewable energy labratory; 2000-01-1543
Wu D.; 2008, “Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle
Powertrain System Design And Control”, master
of science thessis, Kanada
Ogburn M J., 2000, “Systems İntegration,
Modeling, And Validation Of A Fuel Cell Hybrid
Electric Vehicle”. Master of science thesis; Virginia
Ahluwalia R K, Wang X, Hwon J, Rousseau A.i
2010, “Performance Of Fuel Cell Systems Wih
Ultra-Low Platinium Loadings”; Argonne national
laboratory; 2010 fuel cell seminar; San Antonio
Mi C, Masrur M A, Gao D W., 2005, “Hybrid
Electric Vehicles Principle And Applications
With Practical Perspectives”; John wiley & sons
Ltd
Guenther M B., 2005, “Modeling And Design
Optimization Of Low Speed Fuel Cell Hybrid
Electric Vehicles”. Master of applied science thesis,
university of Victoria
Haraldson K., 2005, “On Direct Hydrogen Fuel
Cell Vehicles Modeling And Demonstration”,
doctoral thesis, Stockholm
Ahluwalia R K, Wang X., 2013, “Fuel Cells System
Analysis”; 2013 DOE hydrogen and fuel cells
program rewiew, Arlington
Selwood P G, Seymour A J., 2001, “Fuel Cell
Powered Light Commercial Vehicle Design
Study”. ETSU F/02/00206/01/REP
Fuhs E. A., 2009, “ Hybrid Vehicles and the
Future of Personal Transportation”, ISBN13:978-1-4200-7534-2, CRC Press
Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü,
2003, “Elektrikli Araçlar”, Gebze
Feroldi D, Roig E, Serra M, Riera J. “Energy
Management Strategies For Fuel Cell Hybrid
Vehicles”, Barcelona
Zhang G, Kandlikar S G., 2012, “A Critical Review
Of Cooling Techniques İn Proton Exchange
Membrane Fuel Cell Stacks”. International journal
of hydrogen energy, 37 (2012) 2412-2429
Amaç A. E., Şahin E.,”Hibrit Elektrikli Araçlarda
Yakıt Ekonomisinin Advisor İle Analizi”, Kocaeli
Üniversitesi, İzmit
Miller A. R., Hess K. S., Barnes D. L., 2007,
“Comparison Of Practical Hydrogen-Storage
Volumetric Densities”, Veicle Projects, USA
http://www.fuelcelltoday.com/industry/industrydirectory/0-9/3m-fuel-cell-components
Advisor Software, Advanced Vehicle Simulator,
2002

Download Report