Elektrikli Araçlarda Batarya Sistemleri ve Özellikleri

Batarya sistemleri, elektrikli araçların (EV’ler) temel bir bileşenidir. Batarya sistemleri sayesinde hibrit elektrikli araçlarla başlayan elektrikli araç teknolojisi batarya sistemlerinin geliştirilmesiyle birlikte sadece elektrik motoru kullanılarak üretilmeye başlanmıştır.

Bu sistemler, elektrik motoruna ve ışıklar ve klima gibi diğer araç sistemlerine güç sağlayan enerjiyi depolar. İlk EV uygulamalarında, 1859’da Gaston Planté tarafından geliştirilen şarj edilebilir Kurşun-Asit bataryayı kullanılmıştır. 1899’da Waldemar Jungner, depolama kapasitesinde önemli iyileştirmeler sağlayan, ancak bellek etkisi olarak bilinen batarya yaşlandıkça ortaya çıkan voltaj bastırma sorunu da dahil olmak üzere bazı dezavantajları olan nikel-kadmiyum pili piyasaya sürmüştür.

Araştırmalar 20. yüzyılın başı ve ikinci yarısı boyunca devam etmiş, ancak ilk lityum-iyon (Li-ion) piller 1985’e kadar üretilmemiştir. Ticari hale getirilmeleri 6 yıl sürmüştür. Bu arada, ZEBRA pilleri ve Nikel-Metal Hidrit pilleri kullanan EV’ler geliştirilmiştir [1].

Batarya sistemi ve elektrik motorunun birlikte çalışması basit bir mantığa dayalıdır: Batarya sistemleri, tekerlekleri çalıştıran bir veya daha fazla elektrik motoruna bağlanır.

Gaz pedalına basıldığında araç, bataryada depolanan enerjiyi kademeli olarak tüketen motora anında güç sağlar.

Elektrik motorları aynı zamanda jeneratör görevi de görür, bu nedenle gaz verme işlemi durduğunda araba ileri hareketini tekrar elektriğe dönüştürerek yavaşlamaya başlar. Bu yavaşlama, frene basılırsa daha güçlü olur. Bu rejeneratif frenleme, aksi halde kaybedilecek olan enerjiyi geri kazanarak tekrar bataryada depolar ve böylece otomobilin menzilini artırır [2].

Hibrit elektrikli (HEV) ve fişli elektrikli araçlar (PEV) dahil olmak üzere elektrikli araçlar için bataryaların iyileştirilmesi, aracın performansı, menzili ve araçların ekonomik, sosyal ve çevresel sürdürülebilirliğini iyileştirmenin başındaki parametrelerdendir.

Aslında, HEV ve PEV’lerden oluşan teknolojilerin tam karışımına bağlı olarak ülkelerin dışa petrol bağımlılığını %60’a varan ve sera gazı emisyonlarını da %50’lere varan oranlarda azaltabilir [3].

Piyasada çok sayıda elektrikli araç bulunsa da pillerdeki daha fazla iyileştirme, onları tüketiciler için daha uygun fiyatlı ve kullanışlı hale getirebilir. Hafif hizmet araçlarına ek olarak, bazı ağır hizmet üreticileri de yakıt tasarrufunu iyileştirmek için orta ve ağır hizmet araçlarının hibritleştirilmesinin peşindedir.

EV’lerde kullanılan birkaç pil sistemi türü vardır:

Lityum-İyon Bataryalar

Bunlar, EV’lerde kullanılan en yaygın batarya türüdür. Yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü ve hızlı şarj etme özellikleri sunarlar. Tipik kurşun-asit veya nikel-kadmiyum şarj edilebilir pillerden daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptirler.

Ayrıca nispeten hafif ve kompakt olmaları, onları araçlarda kullanım için ideal kılıyor. Buna ek olarak, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olduklarından, yani nispeten küçük boyut ve ağırlıkta (batarya üreticilerinin pil paketinin toplam boyutunu azaltarak yerden tasarruf sağlayabileceği anlamına gelir.) çok fazla enerji depolayabildiklerinden dolayı da tercih sebebidirler. Bu da elektrikli araçların daha uzun menzile sahip olmasını ve daha verimli olmasını sağlar.

Lityum ayrıca tüm metallerin en hafifidir. Lityum-iyon bataryalar aynı zamanda birçok alternatiften daha güvenlidir [2].

Lityum-iyon bataryalar, pozitif katot ve negatif anot olmak üzere iki elektrot arasında hareket etmek için lityum iyonları kullanarak çalışır.

Pil şarj edildiğinde, lityum iyonları katottan depolandıkları anoda doğru hareket eder. Batarya boşaldığında, lityum iyonları katoda geri dönerek elektrikli araca güç sağlayabilecek bir elektrik akımı oluşturur.

Nikel-kobalt-alüminyum (NCA), nikel-mangan-kobalt (NMC) ve lityum-demir-fosfat (LFP) dahil olmak üzere çeşitli lityum-iyon batarya türleri vardır.

Her türün maliyet, enerji yoğunluğu ve güvenlik açısından kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Tablo 1’de lityum iyon bataryalar ile oluşturulan %100 elektrikli araca ait batarya paketi çeşitleri ve bunlara ait akım-gerilim değerleri görülmektedir [5].

Nikel Metal Hibrit Bataryalar

Bilgisayar ve tıbbi ekipmanlarda rutin olarak kullanılan nikel-metal hibrit bataryalar, daha önceki EV’lerde yaygın olarak kullanılırken, daha düşük enerji yoğunlukları ve daha kısa döngü ömürleri nedeniyle büyük ölçüde lityum iyon pillerin gerisinde kalmıştır.

Lityun iyon bataryalara göre daha düşük özgül enerji ve özgül güç kapasiteleri sunar. Nikel-metal hibrit piller, kurşun-asit pillerden çok daha uzun ömürlüdür, güvenlidir ve kötüye kullanıma dayanıklıdır.

Ancak yine de bazı hibrit elektrikli araçlarda kullanılmaktadırlar. Nikel-metal hibrit pillerle ilgili temel dezavantajlar arasında, yüksek maliyetleri, kendi kendine deşarj olmaları ve yüksek sıcaklıklarda ısı üretmeleri sayılabilir [6].

Kurşun-Asit Bataryalar

SLA veya kurşun-asit, en eski şarj edilebilir pillerden biridir. Kurşun-asit batarya hem yanmalı hem de elektrik motorlu birçok araçta hala bulunmaktadır. Lityum pillerle karşılaştırıldığında bunlar çok daha ağırdır ve sonunda kapasitelerini kaybederler. Ancak, otomobil şirketleri hala ucuz fiyatları nedeniyle kullanmaktadır.

Katı Hal Bataryalar

Bunlar, lityum iyon bataryalardan bile daha yüksek enerji yoğunluğu sunan daha yeni bir batarya türüdür. Ayrıca yanıcı sıvı elektrolitler içermediklerinden daha güvenlidirler. Bunun arkasındaki ilke, bataryanın sıvı elektrolitinin plastik polimer, sıkıştırılmış inorganik tozlar veya ikisinin karışımı şeklini alabilen katı bir malzeme ile değiştirilmesinden oluşur.

Teorik olarak, bu teknolojinin tamamı pozitif yönlere sahiptir. Sıcaklık kontrolünü daha yönetilebilir hale getirirken, enerji yoğunluğunu ve kararlılığı artırmayı mümkün kılar.

Akış Bataryalar

Bu bataryalar, pil hücrelerinin içinde yer almak yerine harici tanklarda depolanan sıvı bir elektrolit kullanır. Elektrolit değiştirilerek hızlı bir şekilde şarj edilebilirler, bu da onları elektrikli araçlar için umut verici bir seçenek haline getirir.

2023 yılı itibariyle katı hal bataryaların daha yaygın hale gelmesi beklenmektedir. Ayrıca hibrit batarya yapıları geliştirilerek yüksek performans ve daha uzun menzil sağlamak hedefler arasındadır. Bu durum araçlardaki batarya yönetim sistemlerinin teknolojilerinin de gelişmesini ön plana çıkarmaktadır.

Elektrikli araçlarda batarya sistemlerinin avantajları genel olarak şu şekildedir:

Sıfır Emisyon

Batarya sistemleriyle çalışan elektrikli araçlar sıfır egzoz emisyonu üretir ve bu da onları geleneksel benzinli araçlardan çok daha temiz yapar. Bu, hava kirliliğini azaltmaya ve genel hava kalitesini iyileştirmeye yardımcı olur.

Azaltılmış İşletme Maliyetleri

Batarya sistemleriyle çalışan elektrikli araçların çalıştırılması, geleneksel benzinle çalışan araçlara göre çok daha ucuzdur, çünkü elektrik genellikle mil başına benzinden çok daha ucuzdur. Ayrıca elektrikli araçlar, daha az hareketli parçaya sahip oldukları ve düzenli yağ değişimi gerektirmedikleri için benzinli araçlara göre daha az bakım gerektirir.

Geliştirilmiş Performans

Batarya sistemleriyle çalışan elektrikli araçlar, mükemmel hızlanma ve tork sunarak sorunsuz ve sessiz bir sürüş deneyimi sağlar. Ek olarak, depolanan enerjinin daha yüksek bir yüzdesini harekete dönüştürdüklerinden tipik olarak benzinle çalışan araçlardan daha verimlidirler.

Enerji Bağımsızlığı

Bu elektrikli araçlar, güneş panelleri, rüzgar türbinleri ve şebeke elektriği dahil olmak üzere çeşitli kaynaklar kullanılarak şarj edilebildikleri için daha fazla enerji bağımsızlığı sunar. Bu, yabancı petrole bağımlılığı azaltır ve yerli enerji üretimini teşvik eder.

Azaltılmış Karbon Ayak İzi

Geleneksel benzinle çalışan araçlara göre daha az sera gazı emisyonu üretir ve bu da onları daha çevre dostu bir ulaşım seçeneği haline getirir. Elektrikli araçlarda pil sistemlerinin çeşitli avantajları olmakla birlikte, dikkate alınması gereken bazı dezavantajları da vardır:

Sınırlı Menzil

Batarya sistemleriyle çalışan elektrikli araçlar, benzinle çalışan araçlara kıyasla tipik olarak sınırlı bir menzile sahiptir. Menzil, batarya teknolojisindeki gelişmelerle iyileşirken, özellikle sık sık uzun mesafeler kat eden birçok sürücü için hala bir endişe kaynağıdır.

Uzun Şarj Süreleri

Bir elektrikli araç aküsünün şarj edilmesi, hızlı şarj seçenekleriyle bile birkaç saat sürebilir. Bu durum, aracını sık kullanması gereken veya evinde ya da iş yerinde şarj istasyonuna erişimi olmayan sürücüler için sakıncalı olabilir.

Batarya Arızaları

Elektrikli araçlardaki bataryalar zamanla bozularak menzil ve performansın azalmasına neden olabilir. Bu, bazı sürücüler için bir endişe olsa da, pil teknolojisindeki gelişmeler pil ömrünün uzatılmasına ve zamanla bozulmanın azaltılmasına yardımcı olmaktadır.

Sınırlı Şarj Altyapısı

Elektrikli araç şarj altyapısı hızla büyürken, bazı bölgelerde, özellikle kırsal veya uzak yerlerde sınırlı olabilir. Bu da bazı sürücülerin elektrikli araçlarını uzun mesafeli yolculuklarda kullanmalarını zorlaştırabiliyor.

Batarya konusunda önemli olan diğer bir husus araç maliyetinin %40’ını oluşturan bataryaların ömürleri bittikten sonra geri dönüşümle yeniden işlenmeleri konusudur.

Kobalt, lityum, mangan, nikel ve grafit gibi değerli madenleri barındıran Lityum iyon bataryalardan geri dönüşüm süreciyle bu metallerin %95’inin geri kazanabileceğini ve işlenmemiş malzemeyle kıyaslanabilir bir saflıkta olacakları yapılan açıklamalar arasındadır.

AB yönetmeliklerle 2030’da üretilecek araç pillerinin yüzde 4’er kobalt ve lityum olmak üzere geri dönüşümden kullanılması zorunluluğu getirmiştir.

Bu rakamın 2035 yılında yüzde 10-12 seviyelerine çıkması beklenmektedir. Bu rakamlara göre 2028 yılında dünyadaki mevcut lityum rezervleri bu üretimleri karşılayamayacak seviyelere gelecektir. Bu nedenle AB, Amerika ve Çin ciddi manada batarya üretimine ve bu hammaddeyi tedarik için geri dönüşüme aşırı önem vermektedir.

Türkiye’de de geri dönüşüm tesisleri kurulmaktadır. Geri dönüştürülmüş malzemeler, bir pilin karbon ayak izinin yaklaşık %40’ını azaltabilir ve bir EV’nin yaşam döngüsü ayak izinin büyük bir kısmını karşılayabilir. Üretim emisyonlarının yarısı bataryaya gömülü olduğundan, bunun elektrikli araçlar üzerinde çok büyük bir etkisi vardır. Yalnızca batarya hücreleri pazarının yılda %20’den fazla büyüyerek 2030’a kadar 360-410 milyar dolara ulaşması beklenmektedir [7].

Görüşmek dileğiyle…

Referanslar

[1] Miao, Y., Hynan, P., Von Jouanne, A., & Yokochi, A. (2019). Current Li-ion battery technologies in electric vehicles and opportunities for advancements. Energies, 12(6), 1074.

[2] https://www.edfenergy.com/electric-cars/batteries

[3] https://www.energy.gov/eere/vehicles/batteries

[4] Çetin, M. S., Karakaya, B., & Gençoğlu, M. (2021).

Elektrikli araçlar için lityum iyon bataryaların modellenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 33(2), 755-763.

[5] Kaba, M. Y., Kalkan, O., & Celen, A. (2021). Elektrikli Araçlarda Kullanılan Bataryalar Ve Termal Yönetim Sistemlerinin İncelenmesi. Konya Journal of Engineering Sciences, 9(4), 1119-1136.

[6] https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_batteries.html

[7] https://www.weforum.org/agenda/2022/12/electric-vehicle-battery-circular-economy/