Elektrikli araçlarda batarya ve şarj istasyonu konfigürasyonlarının istanbul metrobüs hattı üzerinden incelenmesi

Abstract

Günümüzde kara taşıtları birçok alanda insanoğlu tarafından kullanılmaktadır. Öncelikle kişisel alanda kullanımı olan otomobiller dünyadaki en yüksek sayıdaki kara taşıtlarından bir tanesidir. Otomobillerin yanı sıra toplu taşımacılıkta otobüsler ve lojistik, taşımacılık gibi konularda ise tırlar kullanılmaktadır. Dünyada çok sayıda aracın olması benzin, dizel ve mazot gibi fosil yakıtların kullanımını arttırmaktadır. Fosil yakıtların giderek artan kullanımıyla birlikte küresel ısınma, çevresel değişiklikler, hava kirlilikleri ve afetlerde paralel olarak artış olduğu görülmektedir. Bu noktada devletler yaşanan bu olaylar karşısında önlemler almaya çalışmaktadır. Alınan önlemlerden bazıları otomotiv sektörünü de etkilemekte ve bu etkinin çok büyük olduğu görülmektedir. Otomotiv sektörünün sebep olduğu karbon ve zehirli gaz emisyonlarını sınırlamak adına yasa ve yönetmelikler çıkarılmaktadır. Otomotiv şirketleri de bu durum karşısında yeni aksiyonlar almakta ve elektrikli araç üretimlerini planlayarak gelecekte devlet yaptırımlarına maruz kalmamak için çalışmalar gerçekleştirmektedirler. Elektrikli araç üretimi ve kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte araçların sebep olduğu hava kirliliğinin büyük ölçüde azalması beklenmektedir. Ancak yalnızca elektrikli araç kullanılarak hava kirliliğinin bitirilebileceği kanısına varılmamalıdır. Ayrıca elektrikli araçlarda kullanılan cihaz ve bileşenlerinde üretim aşamalarında çevresel ve geri dönüştürülebilir olması noktasında da adımlar atılmalıdır. Elektrikli araçların artan kullanımı birçok yeni olanak ve teknolojik gelişmelere ortam hazırlayacaktır. Elektrikli araçların şarj edilmesi için şarj alt yapı sistemlerinin şehirlerde, otoyollarda giderek yaygınlaşması gerekmektedir. Bu noktada birçok otomotiv üreticisinin olduğu ülkelerde şarj sistemleri üzerine büyük yatırımlar devam etmekte ve yenileri planlanmaktadır. Artan şarj istasyonları da elektrik şebekelerinin geliştirilmesine ve daha fazla enerji santrali ihtiyacının doğmasına sebep olacaktır. Özellikle elektrikli araçları şarj etmekte kullanılan enerjinin ne tür bir enerji santralinden sağlandığı elektrikli araçların sıfır emisyon olup olmayacağı noktasında önemli bir kriterdir. Eğer şarj istasyonları yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjiyle beslenmezse bu noktada araçlarda kullanılan enerji yine fosil yakıtların kullanılmasıyla elde edilmiş olacaktır. İşte bu nedenle gelecekte üretilen enerjinin de yenilenebilir enerjiden sağlanması noktasında devletler planlar ve çalışmalar gerçekleştirmektedirler. Yenilenebilir enerji santrallerinin inşası için birçok teşvikte yine verilmektedir. Farklı tiplerde elektrikli araçlar mevcut olup her birinin birbirinden ayrıldığı noktalar mevcuttur. Bu çalışmada özellikle batarya elektrikli araçlar üzerine araştırmalar yapılmıştır. Batarya elektrikli araçların diğer elektrikli araç tiplerinden ayıran en önemli özelliği yüksek gerilim bataryaları dışında başka bir enerji kaynağının olmamasıdır. Bu da batarya elektrikli araçların enerji tüketen sistem ve bileşenlerinin var olan enerjiye bağlı olarak dengeli bir şekilde çalışma ihtiyacını zorunlu kılmaktadır. Otomotiv sektöründe uzun yıllarca alçak gerilim bileşenleri üzerine çalışmalar gerçekleştirilirken elektrikli araçlarla birlikte artık yüksek gerilim bileşenleride otomotiv sektörü için önemli bir hal almıştır. Özellikle elektrikli araçlarda kullanılan yüksek gerilim bataryaları, elektrik motorları, konvertörler, inverterler ve koruma elemanları üzerine çok sayıda ArGe çalışmasının yanı sıra akademik makale ve tezler yazılmaktadır. Yüksek geriliminde otomotiv sektöründe kullanımıyla birlikte elektrik mühendislerinin de farklı alanlarda bu konularda destek verme gerekliliği doğmuştur. Örneğin yalıtım, koruma, güvenlik ve yapı konularında elektrik mühendisleri tarafından önemli araştırmalar yapılmaktadır. Araçların sistem özellikleri de değişmiş olup yeni alt sistemler ortaya çıkmıştır. Önceden aracın hareket ve enerji mekanizması görevini içten yanmalı motor ve alçak gerilim bataryaları sağlarken. Elektrikli araçlarla birlikte bileşenler yerini elektrik motoru ve yüksek gerilim bataryalarına bırakmıştır. Bu bileşenlerinde kontrol edilmesini sağlayan sistemler geliştirilmiştir. Elektrikli araçlarla birlikte enerji yönetim sistemleri daha da önem kazanmıştır. Çünkü bataryanın sağlayacağı sınırlı enerji karşısında araçta ki enerji tüketen sistemlerin belirli bir denge içerisinde yönetilmesi gerekmektedir. İşte bu noktada enerji yönetim sistemi adı verilen bir sistem sayesinde bu alt sistemlerin enerji ihtiyaçları belirlenerek sistem dengede tutulmaya çalışılmaktadır. Elektrikli araçlar tüketiciler tarafından bazı noktalarda eleştirilmektedir. Araç üreticileri de tüketicilerden aldıkları geri bildirimler noktasında yeni yatırım ve araştırmalar yapmaktadırlar. Elektrikli araçlar için şarj süreleri, alabilecekleri mesafe ve maliyet konuları önemli soru işareti barındıran konulardır. Ancak bu konularda zaman içerisinde hızla iyileştirmeler beklenmektedir. Literatürde elektrikli araçlar üzerine farklı konularda yazılmış birçok makale bulunmaktadır. Bu çalışmadaysa literatürde yazılmış birçok konunun ana fikirleri bir araya getirilerek elektrikli araç teknolojisinin şuanda nerede olduğu, hangi konularda çalışmalar olduğu ve elektrikli araç kullanımının getireceği ekonomik ve çevresel etkiler üzerine detaylı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte bir örnek üzerinden elektrikli araçlarla ilgili bazı hesaplamalar ve analizler gerçekleştirilmiştir. Bu örnekte elektrikli otobüsler tercih edilmiş olup bu noktada şarj sistemleri üzerine detaylı bir araştırma yapılmıştır. Otomotiv sektöründe elektrikli araçlarla birlikte kullanımına başlanan bileşenler hakkında detaylı bilgi ve norm paylaşımları yapılmıştır. Yüksek gerilim bileşenlerinin kullanımıyla birlikte ne tür konularda geliştirmeye açık noktalar olabileceği üzerine tahminler yapılmıştır. Bileşenlerin kendi aralarında ki ilişkiler yine bazı şematik gösterimlerle aktarılmıştır. Ayrıca yüksek gerilim bileşenlerinin fonksiyon ve çalışma prensipleri hakkında detaylı bir bilgi paylaşımı yapılmıştır. Yüksek gerilim bileşenlerinin kullanımıyla birlikte bazı alt sistemler geliştirilmiştir. Bu alt sistemler sayesinde ilgili bileşenlerin kontrolleri ve çalışmaları güvence altına alınmıştır. Özellikle batarya elektrikli araçların tek enerji kaynağı olan yüksek gerilim bataryalarının izlenmesi ve kontrolüne ilişkin alt sistemler özelinde detaylı incelemeler yapılmıştır. Alt sistemlerin birbiriyle olan iletişimlerini nasıl sağladıklarını ve hangi bilgilerin sistemler arasında paylaşıldığı anlatılmıştır. Elektrikli otobüslerde batarya yerleşimleri, montaj alanları, şarj gereklilikleri ve şarj istasyonu boyutları derinlemesine araştırılmıştır. SOC ve SOE kavramlarının birbirinden farklı anlamlara sahip olduğu açıklanmış ve buna ilişkin örnek hesaplamalar yapılmıştır. Elektrikli otobüslerde ön plana çıkan pantograf şarj sistemlerinin fayda ve zararlarından bahsedilmiştir. Şarj istasyonu seçimi yapılırken ne tür parametrelerin dikkate alınması gerektiğiyle ilgili yine farklı bilgiler paylaşılmıştır. Ağır vasıta araçların şarj edilmesi noktasında farklı şarj sistemlerinden hangisinin daha avantajlı olabileceği ve bunun sebepleri anlatılmıştır. Şarj istasyonlarından depoda şarj veya durakta şarj opsiyonlarının hangi durumlar için uygun olup olmadığı anlatılmıştır. Elektrikli otobüslerle ilgili olarak vaka çalışmasında İstanbul Metrobüs Hattı üzerinden SOE, SOC, yakıt maliyetleri, şarj istasyonları ve CO2 salınımları ile ilgili bazı analizler yapılmış ve hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda şarj ihtiyaçları ve şarj istasyonlarıyla ilgili analizler yapılmıştır. Avcılar-Söğütlüçeşme metrobüs hattı ile ilgili bilgiler ışığında elektrikli otobüse ait verilerle birlikte bu hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca bir diesel otobüsün sürüş çevrimi verileri kullanılarak SOC değerlerini ve alınan mesafeleri otobüslerin spesifik parametrelerine bağlı olarak simülasyonu basitleştirilmiş bir şekilde Simulink'de gerçekleştirilmiştir. Araç modellemesi ve sürüş çevrimi modellenerek SOC, alınan mesafe, araç hızı, araç hızı ve sürüş çevrimi hız karşılaştırması grafikleri elde edilmiştir. Tezin ilk bölümünde literatür çalışmaları detaylı olarak incelenmiş, karşılaştırılmış ve tezin yazılma amacı ortaya konmuştur. Tezin ikinci kısmında günümüzde üretilen elektrikli araç tipleri ve özellikleri anlatılmıştır. Tezin üçüncü kısmında elektrikli araçlarla birlikte otomotiv sektöründe önem kazanan bileşenlerin detaylı bir incelemesi yapılmış ve gelecekte hangi bileşenlerde değişikliklerin olacağıyla ilgili önemli bilgiler sunulmuştur. Tezin dördüncü kısmındaysa elektrikli araçlarla birlikte hangi sistemlerin oluşturulduğu ve hangilerinde yeni revizyonlar yapıldığı anlatılmıştır. Tezin beşinci kısmındaysa elektrikli otobüslerin şarj sistemlerine ilişkin bir vaka çalışması gerçekleştirilmiştir. Tezin altıncı kısmında vaka analizi yapılarak önceki bölümde bir örnek üzerinden aktarılan bilgiler daha geniş çizelge ve grafiklerle paylaşılmıştır. Tezin yedinci kısımında ise sonuç ve tartışma konuları ele alınmıştır.