Bataryalar kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren depolama elemanlarıdır. Kimyasal reaksiyonlar bataryalarda meydana gelen en önemli olaydır. Bu yüzden batarya tasarımı kimyagerler tarafından yapılır. Sonuçta elektrik üretimi olduğundan dolayı batarya tasarımında kısmen elektronik mühendisleri de bulunmaktadır. Otomotiv mühendislerinin veya otomotiv sektöründe çalışan mühendislerin bataryanın tasarımını bilmesine gerek yoktur. Fakat bataryanın temel özelliklerini bilmekte yarar vardır.

Bataryanın karakteristiğini belirten özelliklere ‘batarya parametreleri’ ismi verilmektedir. Batarya parametreleri aşağıda detaylı olarak anlatılmıştır.

1)Hücre ve Batarya Voltajı

 Hücre, bataryayı oluşturan en küçük birim olarak ifade edilir. Tahrik bataryalarında genellikle 6 V veya 12 V’luk modüller birbirlerine seri bağlanarak istenen voltaj değeri elde edilir. Modül, hücrelerin birbirine bağlanmasıyla elde edilen yapılardır.

Her batarya türünün hücre voltajı farklı olmaktadır. Örnek olarak kurşun asit bataryaların hücre voltajı 2 V, lityum iyon bataryaların 3.7 V’tur. Hücre voltajının mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Hücreler birbirine seri bağlanarak elde edilmek istenen voltaj değeri elde edilir. Burada ifade edilen hücre voltajı bataryadan güç çekilmediğinde elde edilen değerdir. Buna açık devre voltajı adı verilmektedir. Ancak güç çekilmeye başlandığında açık devre voltajı değişir. Bu değişimi ifade etmenin en iyi yolu ‘iç direnç’tir. Elektronik devre hesaplarında bataryalar ideal yani iç direnci sıfır kabul edilmektedir. Halbuki gerçekte her bataryanın çok küçük de olsa iç direnci vardır. Örneğin tipik bir 12 V, 25 AmperSaatlik kurşun asit bataryasının iç direnci 0.005 ohm’dur. Şekilde batarya ve yük devresi şematik olarak görülmektedir. ‘E’ açık devre voltajını, ‘I’ bataryadan çekilen akımı, ‘R’ bataryanın iç direncini, ‘V’ bataryadan elde edilebilen gerilim değerini göstermektedir. Kirchoff gerilim kanunu şekildeki devre için yazıldığında V=E-I*R olarak elde edilir. Kirchoff kanununa baktığımızda bataryadan elde edilen voltaj değerinin değişimi daha net görülmektedir. İç direncin elektronik devrelerde ihmal edilmesinin sebebi, devrelerin miliamperlerle çalışılıyor olmasıdır. Ancak araçlarda kullanılan tahrik bataryalarından çok yüksek akımlar ve güçler çekileceğinden iç direncin sahip olduğu değerin dikkate alınması gerekmektedir.

Hücre voltajı bataryaların çeşidine göre değişmektedir. Aslında meydana gelişen değişim kullanılan elektrolit ve elektrotların değişmesidir. Sonuçta elde edilen hücre voltajı elektrolit ve elektrota bağlıdır.

Açık devre voltajını etkileyen en önemli faktörden biri de sıcaklıktır. Kimyasal tepkimelerin sıcaklığa duyarlı olması sebebiyle sıcaklığa bağlı olarak bataryanın (ve hücrenin) sahip olduğu voltaj değeri değişmektedir. Sıcaklık düştükçe meydana gelen reaksiyondan elde edilen enerjinin azalmasının yanı sıra, iç direnç de artar. Batarya seçilirken en düşük ve en yüksek sıcaklıktaki hava koşullarında bataryanın istenen gücü ve enerjiyi sağlaması gerekmektedir.

2)Şarj veya AmperSaat Kapasitesi

 Batarya şarj kapasitesi bataryanın can alıcı parametrelerindendir. SI birim sisteminde elektrik yükleri için Coulomb kullanılmaktadır. Amper biriminin Coulomb/saniye olduğu düşünülürse, Coulomb, amper*saniye olarak ifade edilebilir. Batarya kapasitesi için coulomb çok küçük kaldığından amper*saat birimi kapasiteyi ifade etmek için kullanılmaktadır. AmperSaat ‘Ah’ şeklinde ifade edilir (AmpHour). Örneğin 10 Ah’lik batarya 10 amperlik akımı 1 saat verebilecek kapasitede olduğu anlamına gelir. Aynı şekilde 5 amperlik akımı 2 saat, 1 amperlik akımı 10 saat verebilecek anlamındadır. Tabii ki de bu teorik olarak böyledir, gerçek kullanımda çoğu bataryalarda bu değerlerden sapmalar olduğu görülmektedir.

Bataryalarda meydana gelen kapasite değişimini anlamak önemlidir. 10 Ah’lik bataryadan çekilen akımın büyüklüğüne göre kapasitesi artabilir veya azalabilir. Yüksek akımların çekildiği durumlarda kapasite azalmaktadır. 42 Ah’lik kapasiteli bir bataryada çekilen akımla kapasitenin değişimine bir örnek yandaki grafikte görülmektedir.

Bataryada meydana gelen kapasite değişiminin temel sebebi istenmeyen tepkimelerin meydana gelmesidir. Grafikte deşarj süresinin (bataryanın kullanım süresinin) artmasıyla kapasitenin arttığı görülmektedir. Denilebilir ki yüksek akım çekilmesi, istenmeyen reaksiyonların artmasına ve kapasitenin azalmasına sebep olmaktadır. Bu tepkimeler kurşun asit bataryalarda fark edilebilir derecede olmaktadır ve tüm batarya çeşitlerinde meydana gelen bir olaydır. Kapasite değişiminin doğru tahmin edilmesi oldukça önemlidir. Batarya kapasiteleri genellikle 5 saatlik deşarj süresince elde edilen değer olarak verilmektedir.

Yüksek akım çekildiğinde kapasitenin düşmesi elektrikli araçları, içten yanmalı motorlara sahip klasik araçlara göre dezavantajlı konuma düşürmektedir. Yokuşların fazla olduğu coğrafyalarda kullanımda elektrikli araçların menzilinde bariz şekilde düşüş göstereceği aşikârdır. Bu yüzden coğrafi yapı olarak meyilleri az olan yerler elektrikli araçlar için daha uygundur.

Şarj kapasitesinin Ah olarak ifade edildiğini belirmiştir. Kapasitenin diğer gösterim şekli ise ‘C’ şeklindedir. C= 42 Ah olarak düşünülebilir. Örnek olarak 2C’lik bir batarya 84 Ah’lik kapasiteye sahiptir, 0.4C’lik bir batarya ise 16.8 Ah’lik kapasiteye sahiptir.

3)Depolanan Enerji

 Bataryaların amacı enerji depolanmasıdır. Enerji SI birim sisteminde ‘Joule’ olarak ifade edilir. 1 Watt= 1 Joule/s olarak ifade edilmiştir. Görüldüğü gibi ‘Watt’ güç birimidir ve enerji birimine dönüşmesi için saniye, saat gibi zaman birimiyle çarpılması gerekir. Tahrik bataryalarında enerji WattSaat(Watthours) olarak ifade edilmektedir. Çünkü ‘Joule’ birimi küçük kalmaktadır. Gerekli dönüşümler yapıldığında 1 WattSaat=3600 Joule ifadesi elde edilerek, WattSaat ile Joule arasındaki bağıntı bulunmuş olur. Depolanan enerjinin hesabı temel olarak

Enerji [WattSaat]=Voltaj [V]*AmperSaat [Ah] şeklinde veya Enerji [WattSaat]= V*C şeklinde ifade edilir.

Enerjinin hesabı yapılırken dikkat edilmesi gerekmektedir. Zira hem batarya voltajı hem de batarya kapasitesi dış etkenlere bağlı olarak değişmektedir. Enerji hesabında 5 saatlik deşarj süresinde elde edilen kapasite değerinin kullanılması mantıklıdır.

4)Özgül Enerji

 Herhangi bir büyüklüğün kütleye bölünmesi özgül büyüklüğü ifade eder. Batarya enerjisi olarak baktığımızda ise batarya enerjisinin batarya kütlesine bölünmesiyle elde edilen değerdir. Bataryaların enerji kapasitelerinin kıyaslanması için özgül enerjilerine bakılır. Özgül enerji Wh/kg olarak ifade edilir. Kütle kullanım şartlarına göre değişmez fakat enerji sıcaklık ve depolanan enerjiye bağlı olarak değişir. Sonuçta özgül enerjinin değişimi enerji değişimine bağlıdır. Araç kütlesinin az olması bakımından özgül enerjisi yüksek bataryalar seçilmelidir.

5)Enerji Yoğunluğu

 Araç tasarımındaki en önemli iki parametre kütle ve hacimdir. Bir kg kütlede depolanan enerjiye özgül enerji ismi verilirken, 1 metreküp [m^3] hacimde depolanan enerjiye enerji yoğunluğu adı verilmektedir. Elektrikli araçlarda en büyük kütle ve hacim bataryalara ayrılmaktadır. Bu yüzden enerji yoğunluğu ve özgül enerji batarya seçiminde önemlidir. Tahmin edileceği üzere enerji yoğunluğu yüksek bataryalar seçilmesi istenir.

6)Özgül Güç

 1 kg bataryadan elde edilebilecek gücü ifade etmektedir. Birimi W/kg’dır. Bataryanın yüküne göre oldukça değişkenlik gösteren bir parametredir. Bataryaların en büyük sorunlarından biri özgül güçlerinde meydana gelen değişikliklerdir. Maksimum güçte çalışmada sadece birkaç saniye çalışabilmektedirler. Meydana gelen istenmeyen reaksiyonlar gücün düşmesine sebep olmaktadır. Günümüzde maksimum güçte çalışma süresi en fazla olan batarya lityum iyon bataryadır ve yaklaşık olarak 10 saniyedir. Bu yüzden araçlarda meydana gelen uzun süreli yüksek güç gereksinimi elektrikli araçlarda hala sorun olmaktadır.

Bazı bataryaların özgül enerjileri çok iyidir ancak özgül güçleri düşüktür. Bu şu demektir: çok fazla enerji depolayabilir ve enerjisini yavaşça verebilir. Yani düşük güç gerektiren bir araçta kullanıldığında uzun mesafeler gidilmesine imkan sağlar.

Özgül güç ve özgül enerji değerleri bataryalarda ters özelliktedir. Özgül güç arttıkça özgül enerji azalmakta, özgül enerji arttıkça özgül güç azalmaktadır. Özgül güç ve özgül enerjideki değişim farklı tipteki bataryaları kıyaslamanın en iyi yoludur. Kıyaslama da genellikle grafikler kullanılır. Yanda özgül enerji ve özgül gücü bir arada gösteren grafik görülmektedir.

Bu grafik ‘Ragone Eğrisi’ olarak da bilinir. Grafikteki değişim logaritmiktir. Aynı özgül enerji değerinde en yüksek özgül güce sahip bataryayı seçmek gerekir. Eğer değerler yakınsa veya grafikteki karşılaştırmada bataryalar aynı değerde çıkarsa, bakılacak olan diğer parametre maliyet olacaktır.

7)AmperSaat veya Şarj Verimi

 Verim alınan enerji/verilen enerji şeklinde tanımlanmaktadır. İdeal durumda bir bataryaya verilen tüm enerjiyi geri alabiliriz. Ama gerçekte bu mümkün değildir.

Bataryalar için kullanılan tanımlamalardan biri SOC(State Of Charge)’dır. Yani bataryanın şarj durumu. SOC değeri belli bir aralıkta tutulmaya çalışılır. Çünkü SOC belli aralıkların dışına çıktığında bataryanın verimi, dolayısıyla kullanılabilecek enerji miktarı azalmaktadır. SOC %20 ile %80 olduğunda batarya verimi %100’e yakın olmaktadır. %20’nin altına düştüğünde ise bariz şekilde verim düşmektedir. Alt değer ve üst değer batarya çeşidine göre değişiklik gösterebilmektedir.

Ah Verimi=(Deşarj Akımı*Deşarj Voltajı)/(Şarj Akımı*Şarj Voltajı) şeklinde hesaplanmaktadır.

Elektrikli araçların dezavantajlarından birisi de SOC değeridir. Klasik araçlarda depoda bulunan yakıt miktarı menzili etkilemezken, bataryanın sahip olduğu enerji elektrikli aracın menzilini etkilemektedir. Elektrikli araçlarda SOC’u belli aralıklarda tutmak zordur. Hibrid araçlarda ise bazı durumlarda SOC istenen aralıklarda tutulabilmektedir.

8)Enerji Verimi

 Önemli batarya parametrelerinden birisi de enerji verimidir. Bataryanın deşarjı esnasında elde edilen enerji ile şarjı esnasında verilen enerjiyi ifade etmektedir. Depolanan enerjinin kullanım şartlarına ve dış etkenlere göre değiştiği düşünüldüğünde enerji verimi de değişkenlik gösteren bir değerdir denilebilir. Enerji veriminin mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Nasıl ki klasik araçlarda yakıt tüketimine bakılıyorsa, bataryaların da verimine bakılır. Verimin 1 yani %100 olmayacağı aşikârdır. Her sistemde verimin 1 olmasını engelleyen olaylar vardır. Batarya için düşünüldüğünde kimyasal reaksiyonların %100 verimle gerçekleşmiyor olması ve kullanım esnasında ısı enerjisinin ortaya çıkması buna sebep gösterilebilir. Ayrıca bataryaların kendi kendine deşarj olması, verimin düşmesine neden olan diğer etmenlerden biridir.

9)Kendi Kendine Deşarj Oranı

 Bataryaların kullanılmadığı zamanlarda enerjinin azalmasına kendi kendine deşarj adı verilmektedir. Bazı durumlarda batarya uzun süre şarj edilmeyebilir. Geçen süre zarfında bataryanın bitmesi kendi kendine deşarj ile açıklanmaktadır. Kendi kendine deşarj batarya kullanılmadığında bile hücreler içinde gerçekleşen istenmeyen reaksiyonlar sonucu oluşur. Elektriksel enerji depolama elemanlarında bu duruma sızıntı akımları sebep olmaktadır. Batarya tipine ve sıcaklığa göre deşarj durumu değişkenlik gösterir; sıcaklık arttıkça kendi kendine deşarj artar. Deşarj yüzdesi/gün olarak ifade edilir.

10)Batarya Geometrisi

 Hücreler yuvarlak, dikdörtgensel, prizmatik veya hekzagonal şekillerde olabilmektedirler. Genellikle dikdörtgensel bloklar şeklindedirler. Bazı bataryalar ise sadece tek bir geometriye müsaade eder.

Hücreler seçildikleri geometriye bağlı olarak farklı yükseklik, genişlik ve uzunluğa sahip olabilirler. Tasarımda kullanılabilecek hacim göz önüne alınarak ağırlık merkezini düşük ve montajı kolay olacak batarya geometrileri seçilmelidir.

11)Batarya Sıcaklığı, Isıtma ve Soğutma Gereksinimleri

 Çoğu batarya oda sıcaklığında çalışırken bazıları yüksek sıcaklıklarda çalışmaktadır. Bataryanın durumuna göre ilk çalıştırma da ısıtma veya çalışma esnasında soğutma yapılabilmektedir. Genellikle düşük sıcaklıklarda performans düşmektedir. Ancak bu problem ısıtma işlemi ile telafi edilebilmektedir. Batarya seçilirken ısıtma ve soğutma yükleri dikkate alınmalıdır.

12)Batarya Ömrü ve Derin Deşarj Sayısı

 Ticari kullanımda parçaların ömrü önemlidir. Bataryaların yüksek maliyetli parçalar olduğu düşünülürse ömür faktörü daha da önem kazanmaktadır. Ömür, bataryanın kaç defa şarj/deşarj edilebileceğini gösterir. Şarj/deşarj sayısı şarj ve deşarjın yüzdesine bağlı olarak değişmektedir. Her bataryanın ömrü farklıdır.

Derin deşarj, bataryanın tüm enerjisinin çekilmesi anlamına gelmektedir. Tahrik bataryalarında genellikle %20 şarj durumunun altına inilmez, inilmesi de derin deşarj olarak isimlendirilir. Derin deşarj, batarya ömrünü ve kapasitesini azaltmaktadır. Batarya seçimi yapılırken derin deşarja duyarlılığı en az olan yani derin deşarjla ömrü değişmeyen bataryalar seçilmelidir. Günümüzde Nikel metal hibrid bataryalar derin deşarjdan en az etkilenen bataryalardır.

Ek Bilgi: Konu ile ilgili önemli teknik terimlerin ingilizceleri ve türkçe karşılıkları şöyledir:

-open circuit voltage: açık devre voltajı

-cell: hücre

-internal resistance: iç direnç

-specific energy: özgül enerji

-self discharge rate: kendi kendine deşarj oranı

-energy efficiency:enerji verimi

YARARLANILAN KAYNAKLAR:

1. Electric Vehicle Technology Explained,  James Larminie [Oxford Brookes Universitiy, Oxford, UK], John Lowry [Acenti Designs Ltd.,UK].

2. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles Fundamentals, Theory and Design, Muhammad H. Rashid, University of West Florida, CRC Press.

 

Adem ORUZ

17 Ocak 2015