Hibrit Elektrikli Otomobiller Nasıl Çalışır?

Elektrikli ve hibrit elektrikli güç aktarma organları günümüzde satılan otomobiller arasında hızla strandart haline gelmektedir. Egzoz gazı emisyonlarını azaltma zorunluluğu bu gelişmeleri yönlendiriyor. Çoğu insan içten yanmalı motorların ve elektrik motorlarının nasıl çalıştığına dair bir anlayışa sahiptir. Yine de, içten yanmalı motorların ve elektrik motorlarının aynı araçta nasıl birlikte çalışabileceği açık değildir.

Bu makaleden şunları öğreneceksiniz:

• Hibrit elektrikli güç aktarma organlarının ne olduğunu
• İçten yanmalı motorların ve elektrik motorlarının birlikte nasıl çalıştığını
• Hibrit elektrikli otomobillerin artılarını ve eksilerini

Güç aktarma organları sadece bir aracın motoru değildir: kinetik enerjinin itme gücüne dönüştürülmesinde rol oynayan tüm bileşenleri içerir. Dolayısıyla şanzıman, debriyaj, tahrik mili, diferansiyel ve aksları da içerir.

1700’lerin sonunda icat edilen ve 1800’lerin başında pratik kullanıma giren içten yanmalı (IC) motor, günümüzde otomobil ve kamyonlarda iki temel tipte bulunmaktadır:

Kıvılcım Ateşlemeli (SI) – bu motor, silindirlerde hava ve benzin (diğer adıyla “benzin”) yakıtını karıştırır ve silindir odasının tepesine monte edilmiş bir tapa tarafından üretilen bir kıvılcım kullanarak bunları ateşler. Bu klasik gaz motorudur.

Sıkıştırmalı Ateşleme (CI) – bu motor silindirlere hava enjekte eder ve ardından sıkıştırır. Daha sonra sıcak sıkıştırılmış havaya dizel yakıt püskürtülerek tutuşması sağlanır. Buji gerekli değildir. Çoğu kamyon dizel motorlarla donatılmıştır çünkü daha dayanıklıdırlar ve ağır yükleri taşırken önemli olan daha fazla tork sağlarlar.

 Eksantrik miline bağlı tek bir silindir ve pistonu gösteren kıvılcım ateşlemeli yanmalı motor şeması. TDC and BDC, pistonun üst ve alt ölü nokta konumlarını ifade eder.

SI (benzinli) ve CI (dizel) motorlar yanma yoluyla çalışır. Yakıt-hava karışımı ateşlendiğinde (kıvılcım veya sıkıştırma ile), yakıtın kimyasal enerjisinin açığa çıktığı, yüksek sıcaklık ve basınç üreten ekzotermik bir süreç meydana gelir. Bu genleşme pistonları silindirlerinin içinde aşağı doğru iter.

Silindirler mavi ve krank mili kırmızıdır. Pistonlar (gri) eksantrik mili tarafından ateşlendikçe aşağı itilirler. Krank milinin şekli, pistonların dikey hareketini dönme kuvvetine dönüştürerek döndürür.

Sürücü gaza bastığında silindirler daha hızlı ateşlenir ve krank mili daha hızlı döner.

Tipik arkadan itişli yanmalı tahrik sistemi

Yukarıdaki şekil tipik bir arkadan çekişli aracı temsil etmektedir. Önden çekişli ve dört tekerlekten çekişli konfigürasyonlar da günümüzde yaygın olarak mevcuttur.

Otomotiv elektrik motoru.

Günümüzde iki temel AC elektrik motoru türü mevcuttur:

• Senkron motor – rotor, stator tarafından oluşturulan dönen manyetik alanla aynı hızda döner. Avantajları: düşük hızlarda yüksek tork ve asenkron motorlara göre fiziksel olarak daha küçük ve hafif yapılabilir.
• Asenkron (indüksiyon) motor – rotor, stator tarafından oluşturulan dönen manyetik alanla aynı hızda dönmez. Bu anlamda her zaman “yetişmeye” çalışır.

Araçtaki farlar, eğlence ve navigasyon elektroniği gibi bazı sistemler DC güçle çalışırken, motor üç fazlı AC güçle çalışır. Bu nedenle akülerden gelen DC gücünü motor için AC’ye dönüştürmek üzere bir invertör kullanılır.

Senkron elektromotorlar bir stator ve bir sincap kafesli rotordan oluşur.

Bir BMW iX-M60-Generation-5’in statoru. Resim BMW’nin izniyle

Stator üç bobinli bir sargıdır. “Stator”, “sabit” kelimesini, yani motorun dönmeyen kısmını ifade eder. Sargılar, çelik veya dökme demir çerçevenin içindeki yüksek geçirgenliğe sahip laminasyonlardan oluşan statorun yuvalarında hassas bir şekilde düzenlenmiştir. Sargılardan üç fazlı bir AC akımı geçirildiğinde, dönen bir manyetik alan (RMF) üretir.

Temel fizikten bildiğimiz gibi, bir elektrik akımı bir telden geçtiğinde bir manyetik alan oluşturur. Üç fazlı güç 120° aralıklarla yerleştirilmiş bobinlere verildiğinde, üretilen manyetik alan aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi “dönecektir”:

Senkronize bir statordan dönen manyetik alan

Sabit statorun içine serbestçe dönen bir sincap kafesli rotor yerleştirilmiştir. Stator tarafından üretilen dönen manyetik alan rotor üzerinde tork indükleyerek rotorun dönmesine neden olur. Sürücü gaza bastığında, statora daha fazla akım gönderilir ve rotor orantılı olarak daha hızlı döner.

Sincap kafesli rotor

Stator ve rotor, eksenel görünüm

En basit düzeyde hibrit güç aktarma organları, içten yanmalı motor (ICE) ile elektrik motorunu (EM) birleştiren bir güç aktarma organıdır. Hibrid otomobiller tipik olarak düşük hızlarda elektrikli sürüşü kullanırken, yüksek hızlarda ICE devreye girer. Bugün piyasada en iyi bilinen hibrit Toyota Prius’tur. Tüm büyük otomobil üreticileri ürün yelpazelerine hibrit ve saf elektrikli araçlar eklemiş ya da yakında ekleyecektir.

Tipik hibrit tahrik sistemi

Bir hibriddeki ICE’nin dizel motor olması mümkün olsa da, günümüzde neredeyse tüm Hibridlerde benzinli motor bulunmaktadır.

Elektrik motoru tahrik işinin büyük bir kısmını sağladığı için içten yanmalı motor daha küçük olabilir. Daha küçük bir IC motor, daha iyi yakıt ekonomisi ve daha az kirlilik anlamına gelir.

Elektromotorlar yüksek tork ve yüksek gücü sağlar. IC motorlar ataletin üstesinden gelme ve bir aracı durduğu yerden hareket ettirme konusunda çok verimli değildir, ancak elektromotorlar bu alanda mükemmeldir. Sonuç olarak daha yüksek araç performansı elde edilir.

Enerji geri kazanımı

Geleneksel içten yanmalı motorlarda sıvı yakıt sadece aracın durdurulması ve yakıt deposunun harici bir kaynaktan yeniden doldurulmasıyla değiştirilebilir.

Ancak elektrikli güç aktarma sistemi “çift yönlüdür”. Elektromotor, sistemin çalışması sırasında enerjiyi batarya sistemine geri koyabilir. Bu, kinetik enerjiyi elektriğe dönüştüren rejeneratif frenleme yoluyla gerçekleştirilir. Frenle üretilen bu elektriği yakalama işlemine geri kazanım denir.

İçten yanmalı araçlar tarafından kullanılan dinamik frenleme, fren balatalarını ve sürtünmeyi yavaşlatmak ve durdurmak için kullanır. Bu durumda, otomobilin ürettiği kinetik enerji ısı şeklinde dağılır ve kaybolur, bu da daha az yakıt verimliliğine neden olur.

Ancak rejeneratif frenleme elektromotoru kullanır. Tersine çevrildiğinde, elektromotor tahrik tekerleklerine bir yük bindirerek onları yavaşlatır. Tersine çevrildiğinde elektromotor bir jeneratöre dönüşerek yavaşlayan aracın kinetik enerjisini elektriğe dönüştürür. Bu enerji akü sistemine geri yönlendirilir.

ABD Enerji Bakanlığı’ndan Elektrikli Araç Enerji Gereksinimleri Bilgi Grafiği

ABD Enerji Bakanlığı’na göre, rejeneratif bir frenleme sistemi şehir içi ve otoyol sürüşü kombinasyonu sırasında %22’ye kadar geri kazanılmış enerji sağlayabilir. Elektrikli araçlarda sadece %15 ila %20 enerji kaybı olurken, ICE araçlarda bu oran %64 ila %75’tir. Elektrikli araçların %60 ila %73 arasında verimli olduğunu düşünüyorlar. Rölanti ve rejeneratif frenleme sırasında minimum enerji kaybının olumlu etkilerini de dikkate alırsak, bu verimlilik %73’ten %100’e çıkmaktadır.

Geleneksel sürtünmeli frenlerin hala paralel olarak kullanıldığı unutulmamalıdır, çünkü rejeneratif frenler aracı gerektiği kadar hızlı yavaşlatamayabilir. Ayrıca, aracı tamamen durduramayabilir veya araç bir yokuştayken yuvarlanmasını önleyemeyebilirler. Çalışma prensipleri nedeniyle rejeneratif frenler Kinetik Geri Kazanım Sistemleri (KERS) olarak adlandırılır.

Geleneksel içten yanmalı veya tamamen elektrikli araçların aksine, hibrit elektrikli araçlar içten yanmalı motor, elektrik motoru veya her ikisi tarafından tahrik edilebilir.

Tamamen elektrikli araçların aksine, hibrit bir araçta birkaç dakika içinde yakıt ikmali yapılabilen bir ICE sistemi bulunur. Elektrik motorunun aküleri, çalışma sırasında veya araç durdurulup bir elektrik güç kaynağına bağlandığında içten yanmalı motor tarafından şarj edilebilir.

Günümüzde çeşitli HEV (hibrit elektrikli araç) konfigürasyonları bulunmaktadır:

Seri hibrit elektrikli araçlarda, içten yanmalı motor doğrudan aktarma organlarına bağlı değildir, bunun yerine elektrik motoruna güç sağlamak için kullanılır.

Paralel hibrit elektrikli araçlarda, içten yanmalı motor ve elektrik motoru bağımsız olarak aracın şanzımanına bağlanır, böylece her ikisi de aynı anda itici güç sağlayabilir… paralel olarak. Batarya azaldığında, içten yanmalı motor aracı sürmek için görevi devralabilir.

Seri-paralel hibrit elektrikli araçlarda, içten yanmalı motor ve elektrik motorunun her ikisi de paralel olarak tahrik için kullanılır. Bataryayı şarj etmek için ikinci bir elektrik motoru kullanılır. Toyota’nın en çok satan Prius HEV modeli seri-paralel hibrit bir araçtır.

Standart hibrit araçlarda akü sistemi benzinli motor ve rejeneratif frenleme ile şarj edilir. Ancak bir PHEV aküleri şarj etmek için harici bir güç kaynağına bağlanabilir. Plug-in hibritler standart hibritlere göre daha büyük bir batarya kapasitesine sahiptir ve bu nedenle sadece elektrik motoruyla çalıştırıldığında daha uzun bir sürüş menziline sahiptir.

Artıları:

• HEV’ler ICE araçlara göre yakıt açısından daha verimlidir
• HEV’ler ICE araçlara göre daha az CO2 kirliliği üretir
• HEV’ler çoğu ICE araçtan daha iyi düşük hız torkuna sahiptir
• Saf elektrikli araçların aksine, HEV’ler uzun menzilli sürüş için benzinle çalışabilir
• Daha küçük benzinli motor nedeniyle ICE araçlara göre akustik olarak daha sessiz
• Çoğu elektrikli araçtan (EV) daha ucuz

Eksileri

• Standart ICE araçlara göre daha yüksek ön maliyet
• Elektrikli sistemin onarımı genellikle İYM araçlara göre daha pahalıdır
• Çoğu ICE ve saf elektrikli araçtan daha az yüksek hız performans
• Saf bir elektrikli araç (EV) kadar akustik olarak sessiz değildir
• HEV’ler, hiç CO2 üretmeyen elektrikli araçlara göre daha fazla CO2 kirliliği üretir*.

* Not: EV bataryaları tipik olarak elektrik şebekesinden şarj edilir. 2021 yılında ABD’de elektriğin %61’i fosil yakıtlar tarafından üretilmiştir. Avrupa’da bu oran %76, Asya/Pasifik’te ise %85’tir.

Hibrit elektrikli otomobiller 2001 yılında, elektrikli araçlar ise 2010 yılında dünya çapında tanıtılmıştır. 2021 yılına gelindiğinde ABD’de hibrit elektrikli otomobil satışları 800.000’i aşarak ABD hafif araç satışlarının %5’ini temsil etti. Bunların yarısından fazlası Toyota’dan geldi.

Saf elektrikli otomobiller de neredeyse 500.000’e yükseldi ve plug-in hibritler 200.000’e yaklaştı. Ancak etkileyici olsa da, ABD’de yollardaki tüm araçların %1’inden azı HEV, PHEV veya EV’dir. Tahminlere göre, 2050 yılına kadar ABD’de yollardaki araçların yaklaşık %50’si HEV, PHEV veya EV olacaktır. Yüzdesel olarak bakıldığında, HEV ve EV araçların benimsenmesinde Japonya dünya lideri, ABD ikinci, Avrupa ise üçüncü sırada yer almaktadır.

ABD DOT Ulaştırma İstatistikleri Bürosu

HEV ve EV araçları kalıcıdır. Bu araçların popülaritesi hızla artmaktadır ve fosil yakıtlara ve bunların CO2 emisyonlarına olan bağımlılığımızı azaltmanın ve bir gün ortadan kaldırmanın önemli bir yoludur.