Hurda Araçların Elektrikli
Araca Dönüştürülmesi:
1--Fazla yakıt tüketimi ve çevreye verdikleri zarar
sebebiyle trafikten çekilen araçlar, hurdaya gönderilerek çürümeye bırakılmaktadır.
Oysa bu araçların çoğunun yürüyen aksamları iyi durumdadır.
2--Kaynak çalışmada, hurdaya
gönderilen içten yanmalı motorlu hafif binek bir aracın tam elektrikli hale
dönüştürülmesi amaçlanmıştır. İçten yanmalı motorlu araçtan çıkartılan parçalar,elektrikli
araçta bulunması gereken bileşenler ile yer değiştirilerek mekanik ve
elektronik dönüşüm sağlanmıştır.
2.1--Elde edilen elektrikli
aracın ağırlığında 300 kg’a yakın azalma meydana
gelmiştir. Ayrıca araç, 31
km/h sabit hızla 45,6 km menzili yaklaşık 4 kWh’lik enerji tüketimi ile
tamamlayabilmiştir.
2.2--Bu şekilde, hurdaya çekilen eski araçlar tekrar sisteme kazandırılarak,çevre dostu ve ekonomik ulaşım mümkün olabilir.
3--Tam Elektrikli
Araçların Bileşenleri:
3.1--Elektrik Motoru:
1--Elektrik motoru aracın
özelliklerine ve elektrikliye dönüştürüldüğü zaman araçtan beklenen özelliklere
göre değişmektedir. Fırçasız DC motor, elektronik olarak kontrol edilebilen bir
motor türüdür.
2--Fırçasız doğru akım
motorlarında elektronik denetleyici ve bir mikro denetleyici sayesinde
çalışır.Bu denetleme sistemi, anahtarlama ve zamanlama işlevini yerine getirir.
3--Düşük ağırlık,yüksek
verim, mikro denetleyici sistemi ve bakım maliyetlerinin düşük olması sayesinde
bu motorlar elektrikli araç uygulamalarında sıklıkla tercih edilmektedir.
4--Kullanılan elektrik
motorunun doğru akım bir motor seçilmesinin sebebi, ilave bir DC-DC veya DC-AC
dönüştürücüye ihtiyaç duyulmasının gereğini ortadan kaldırmaktır.
5--Doğru akım motorun
fırçasız olması ile motor ömrü uzamaktadır.
6—Kaynak Çalışmada kullanılan
elektrik motoru fırçasız ve doğru akım (DC) bir motordur. Ayrıca çalışmada motor
seçiminde ekonomik etkenler dikkate alınmıştır.
7--DC motorlarda kullanılan tork,
hız ve güç hesaplarında aşağıda yer alan formül kullanılmaktadır.
T=(Px9550)/n
7.1--verilen formülde; T tork
[Nm], P güç [kW] ve n devir sayısını [1/min]
göstermektedir. Kullanılan
motorun devri 1500 1/min ve maksimum gücü 4 kW’tır.
7.2--Bu durumda motorun torku, denklem formül kullanılarak 25,5 Nm olarak bulunmuştur.
8--DC motorlarda, motorun ürettiği tork tüm devirlerde sabittir. Diğer bir deyişle, motor torku devirden bağımsızdır.
8.1-- DC motorlarda , Güç ise
devir sayısına bağlı olarak doğru oranlı artar.
8.2--Devir kontrolü sürücü
devre tarafından motorun voltaj ve akımının kontrolü ile sayesinde
gerçekleştirilir.Devir ile güç değişir ve sabit bir torku vardır.
8.2.1--Bu torkun yettiği
kadarı ile yük altında yokuşu çıkar.
8.2.2--Yokuşta gaz pedalına
basılırsa tork değişmez
8.3—Eğer tasarımda elektrik
motoru kaplin vasıtası ile direk şafta bağlanmayıp elektrik motoru debriyaja
bağlanırsa Yokuşta 1. Vitese atılır ve vites kutusu çıkışı devir düşer ve tork artar
ve bu tork artışı ile yokuş çıkılır.
8.3.1--Düz yolda 1.
Vitesten örneğin 3. Vitese atılıp vites
kutusu çıkışı devri artırılırken aynı zamanda gaz pedalına basılarak motor
devri artırılır.
9.1--Bu çalışmada, gerilimi
48 V olan bir DC motor seçilmiştir. Seçilecek motorun gerilimi ne kadar yüksek
tutulursa, boyutları ve ağırlığı küçülmekte ve maliyeti de azalmaktadır. 4-5 kW
gücündeki motor, bir tonun altındaki hafif binek araç için şehir içi ulaşımda
yeterlidir
3.2--Akü (Enerji Deposu):
1--Teknolojik bir dönüşüm
amaçlanıyorsa Li-ion veya NiMH aküler,
maliyet önemli bir faktörse
kurşun-asit aküler tercih edilebilir. Çalışmada maliyet faktörü göz önüne
alınarak kurşun asitli aküler kullanılmıştır. 12 V 120 Ah dört adet akü seri
bağlanarak 48 V 120 Ah elektriksel kapasite elde edilmiş olup formüle edilmiş denklemi:W=I
.U [W]
1.1--Denklem de verilen
formülde; W elektriksel güç [Watt], I elektrik akımı [A] ve U akülerin
gerilimini [V] göstermektedir.
2--Seçilen akü türünden
bağımsız olarak, hemen her elektrikli araç modelinde aküler seri bağlanarak
motor için gerekli olan voltaj değeri elde edilmektedir.
3--Motorun ihtiyaç duyduğu
voltaj ne kadar fazla ise kullanılan akü sayısı da o kadar orantılı olarak
artacaktır.
4--Piyasada genellikle 6 V
veya 12 V’luk paketler halinde bulunan akülerde seri bağlantı
oluşturulmaktadır.
4.1--Bu tür seri
bağlantılarda akünün bir saatte verdiği akım değeri oluşturulan sistemin bir
saatte verdiği akım değerine eşit olmakta, sadece gerilim artmaktadır.
4.2--Örneğin 120 Ah
kapasiteye sahip akülerden oluşturulan seri bağlantıda akım değeri 120 Ah
olmakta, sadece gerilim yükselmektedir.
4.3—Örneğin 12 V-120Ah lik -4
adet akü seri(+, - ye bağlanarak) toplam 48 V-120Ah bir gerilim-güç sağlanır.
3.3-Akü Şarj Cihazı:
1--Akü şarj cihazlarının
tasarımında sabit akımla şarj, sabit gerilimle şarj veya sabit akım-sabit
gerilimle şarj gibi özellikler tanımlanmaktadır.
2--Sabit akım özellikli bir
şarj cihazı kullanılıyor ise şarj süresince gerilim zamanla yükseltilerek
akımın sürekli sabit kalması sağlanır.
3--Bu tür şarj cihazlarında, şarj akımının yüksek seçilmesi akünün şarj sırasında fazla ısınmasına veya aşırı şarj olmasına neden olabilmektedir.
4—Bu yöntemde kısa süreli
şarj işlemi gerçekleştirilebilmektedir. NiMH aküler için en uygun yöntem ise
sabit akım ile şarj yöntemidir.
5—Kaynak Çalışmada,
elektrikliye dönüştürülen aracın şarj edilebilmesi için 48 V 25 A sabit
gerilimli bir şarj cihazı kullanılmaktadır.
5.1--Bu şarj cihazında giriş
ve çıkış akım sigortaları ayrıdır. Kaba ve ince akım ayar yapılabilen iki adet
kontrol butonu vardır. Ağırlığı 22 kg olan bu şarj cihazı araca monte edilmemiş
olup, araç şarj edileceği zaman bu cihaza bağlanmaktadır.
5.2--Kısa devre korumalı ve şarj bittiğinde akım kesici özelliklere sahip bir şarj cihazıdır.
3.4 Kontrol Ünitesi/Sürücü:
1--Sürücüler, aküden gelen
elektriğin açılıp kapanmasını ve kontrolünü sağlayan,içerisinde yüksek akımlı
transistörler ve dirençler olan devre elemanıdır.
1.1--Bu elemanlar yurt
dışından temin edilebildiği gibi yerli piyasadan da özel siparişle veya hazır
satın alımla temin edilebilmektedir. Sürücüler, doğru akım devreleri için
12,24, 48, 72, 144, 360, 450 V gerilim bantlarında isteğe göre
bulunmaktadırlar.
2—Yine istenilen özelliklere
göre 25 A – 650 A akım kontrol edebilen sürücüler de seçilebilmektedir.
2.1--Bu üniteler yüksek akım
değerlerini kontrol ettikleri için meydana gelen ısının sisteme zarar vermemesi
amacıyla, montaj yapılırken soğumanın kolayca sağlanabileceği şekilde etraflarında
yeterli boşlukların bırakılması gerekmektedir.
2.2--Kontrol ünitesinin yüksek
akım elektrik girişine yüksek akım sigortası ve düşük akım devresine de ona uygun
bir sigorta bağlanmalıdır. Düşük akım için 5-10 A, yüksek akım için 100-200 A
aralığı seçilebilir.
3.5-Kontaktörler:
1--Kontaktörler, aşırı yük
işletme şartları ve normal devre şartlarında
akımları kapamaya,taşımaya ve
kesmeye yarayan uzaktan kumanda edilebilen anahtarlama düzenekleridir.
2--Elektrik motorlarına yol verilmesinde kullanılır. Motorlar için kontaktör seçimi yapılırken, çalışma gerilimi, işletme akımı, motor kalkış akımı,kalkış sıklığı, operasyon sayısı önemli parametrelerdir.
3--Çalışma ve kullanma tarzı bakımından
kontaktörü diğer anahtar türlerinden ayıran en önemli özeliği devreyi daha sık
açıp kapamaya ve aynı zamanda uzaktan kumandaya elverişli olmalarıdır.
4--Kaynak çalışmada, bir adet
aç-kapa kontaktör ve bir de akımın akış yönünü değiştirerek geri vites
özelliğini sağlayan yön kontaktörü olmak üzere iki adet kontaktör
kullanılmaktadır.
4.1--Elektronik sürücünün
akım yönü değiştirme özelliği var ise yön kontaktörüne ihtiyaç duyulmaz.
3.6-Kablo ve Soketler:
1--Hareketli yerlerde
kullanılan birden fazla damara sahip ve dışı yalıtkanlı bakır kablolar elektrikli
araçlarda kullanılmaktadır. Bu kablolar kesit ve akım taşıma kapasitelerine göre
ayrılmaktadır.
2--Devreden geçecek elektrik
akımı miktarına göre uygun kesitli kablolar seçilmektedir.
2.1--Çalışmada, yüksek akımın
geçtiği ve motoru besleyen kablolar ile bu kabloların seri bağlandığı tesisatta
25 mm2 kesit alanına sahip kablolar,
2.2--elektrik tesisatının
diğer düşük akım geçen yerlerinde ise 2 mm2 kesit alanına sahip kablolar
kullanılmıştır. 25 mm2 kesitli kablolar 100 A sınırına kadar,
2.3--2 mm2 kesitli kablolar
ise 20 A sınırına kadar ısınmadan görev yapabilmektedir.
3.7-Gaz Pedalı:
1--Elektronik sürücü,
ünitenin kontrolünü sağlayan devre elemanıdır. Klasik gaz pedallarından farklı
olarak içerisinde ayarlı direnç (potansiyometre) bulunmaktadır.
2—Sürücü devrenin özelliğine
göre sıfırdan belli bir direnç değerine veya tam tersi şekilde çalışmaktadır.
3--Çalışmada kullanılan gaz
pedalı 0-5 kΩ aralığında bir potansiyometreye sahiptir. 0 Ω kademesinde sürücü
elektrik akımını keser. 0 Ω’dan 5 kΩ değerine doğru sürücü elektrik akışına
artan bir şekilde izin verir.
4--Direnç 5 kΩ üzerine
çıktığı zaman sürücü elektriğin gerilimini arttırmaz ve 48 V’da sabit bırakır.
5--Piyasada bulunan gaz pedallarının
bazılarında aç kapa anahtarı yer almaktadır.
6--Gaz pedalına basıldığı
anda potansiyometrenin devresini açma ya da kapama görevini yapmaktadır.
7—Çalışmada kullanılan sürücü
devre bu anahtarın görevini de yerine getirdiği için anahtarlı gaz pedalı
kullanımına ihtiyaç duyulmamıştır
4-Mekanik Dönüşüm Süreci:
1--Dönüşüm süreci mekanik
dönüşüm ve elektronik dönüşüm olarak ikiye
ayrılmıştır:
2--Mekanik dönüşüm; elektrik
motoru, kaplin, şaft ve diferansiyelin montajı anlamına gelmektedir. Yalnızca
motor ile diferansiyel arasına bir şaft eklenerek hareket aktarımı sağlanmıştır
3--Elektrik motoru diferansiyele ne kadar yakın yerleştirilirse şaft boyu o kadar küçülecektir.
4--Elektrik motorunun
maksimum devri 1500 1/min’dir. Elektrik motorunun çıkış torku 25,5 Nm olarak
hesaplanmıştır. Ayrıca lastik çapı 0,55 m’dir. Bu verilerden yola çıkılarak,
aracın hızı denklem (3) kullanılarak hesaplanmış ve 31 km/h olarak bulunmuştur.
V(km/h)=(n(d/d)xR(m)x60)/ix1000 (3)
5--Teorik olarak hesaplanan
hız ile yapılan testlerde elde edilen değerler örtüşmektedir.
Denklem (3)’te verilen
formülde; V aracın hızı [km/h], n devir sayısı [1/min], i diferansiyel çevrim
oranı ve R lastik çapı [m]’dir.
5.1--Dönüşüm yapılmadan önce
içten yanmalı motorlu aracın kütlesi yaklaşık olarak 900 kg iken aracın motoru,
hareket iletim organları ve egzozu çıkartılarak 50 kg’lık elektrik motoru
yerleştirilmiştir.
5.2—Her biri 35 kg olan
akülerin toplam ağırlığı 140 kg’dır. Elektrikliye dönüştürüldükten sonraki aracın
ağırlığı 690 kg olmuştur.
5.3--Motorun çıkış torku 25,5
Nm ve diferansiyel çevrim oranı 5’tir. Aracın yük taşıma kapasitesi 700 kg ile
test edilmiş olup, hız ve çekişinde herhangi bir düşüş gözlenmemiştir.
5.4--Elektrik motoru ile
diferansiyel arasına devir arttırıcı bir redüktör konularak aracın hızını
arttırmak mümkün olabilir; ancak kullanılacak aracın amacı doğrultusunda torkun
azalmasını önlemek adına redüktör kullanılmamıştır.
6—Yorum:
İçten yanmalı araçlarda
motor-güç aktarma sistemi
Motor..debriyaj+vites
kutusu…şaft…diferansiyel..aks+teker şeklindedir.
1--Benzinli araç elektrikliye
dönüştürülürken:
1.1—İçten yanmalı motor
sökülür ve yerine DC elektrikli motor takılır ve elektrikli motor debriyaj bir
kaplin ile bağlanır.yada kaynak çalışmada olduğu gibi bir kaplin vasıtası ile
şafta bağlanır şaft ise diferansiyele bağlıdır.
1.2--Eğer devir artırılmak
isteniyorsa elektrikli motorun önüne bir redüktör konulup redüktör çıkışı
kaplin ile debriyaja bağlanır.
1.2.1--Mevcut benzinli vs
motorda bu redüktör mevcut vites kutusu olabilir(devir hesabı kontrolü
yapılacak).
1.2.2--Sistemde debriyaj ise
elektrik motoronun aç-kapa durumuna girmesinden uzak tutar.Kontak ile elektrik
motoru çalışır ve ayak debriyajdan çekilerek motorun devri vites kutusuna
iletilmiş olur.
5—Değerlendirme:
1--İçten yanmalı motorlu bir
aracın elektrikli araca dönüştürülmesi amacıyla yapılan çalışmada,akülerin
toplam kapasitesi 5,76 kWh olarak hesaplanmış olup, motor gücü 4 kW’tır.
Araçtan elde edilen devir, hız, güç ve tork parametrelerine ilişkin değerler Tablo
1’de gösterilmektedir.
2--Aracın 20 km/h hızla
gittiği varsayılırsa, aracın ihtiyaç duyduğu güç 2,5 kW olmaktadır. Bu durumda
seyir süresi 2,3 saat olarak bulunur.
3--Aracın sabit hızla gittiği
varsayılırsa, menzili 46 km olarak hesaplanır. Şayet aracın 31 km/h sabit hızla
seyrettiği düşünülürse, bu defa aracın ihtiyaç duyduğu güç 3,92 Kw olmaktadır.
Bu durumda da seyir süresi 1,47 saat olmakta ve menzili 45,6 km bulunmaktadır.
4--5,76 kWh’lik aküleri
doldurmak için kayıplarla birlikte yaklaşık 6 kWh’lik
elektrik enerjisine ihtiyaç
duyulmaktadır. Tamamen boş olan akülerin, 25 A-48 V’luk bir şarj cihazı ile
doldurulması yaklaşık 5 saat sürmektedir.
5--Araçta akülerin durumunu
gözlemlemek için bir akü durum göstergesi bulunmaktadır.Bu gösterge, bir akünün
voltajı üzerinden akülerin doluluk oranı konusunda bilgi
vermektedir.Göstergeden okunan değerlere göre akü durumu hakkında bilgi
edinilebilir
6—Tablolar:
1--Tablo-1:
Devir (1/min)……Hız
(km/h)…… Güç (kW)………Tork (Nm)
800…………….. 16,58………….. 2,09………….. 127,5
900……………. 18,65…………… 2,35………….. 127,5
1000 …………….20,72…………… 2,61………….. 127,5
1100 …………….22,80…………… 2,87………….. 127,5
1200…………… 24,87……………. 3,14………….. 127,5
1300…………… 26,94……………. 3,40 …………..127,5
1400…………… 29,01……………. 3,66………….. 127,5
1500…………… 31,09……………. 3,92………….. 127,5
2--Tablo 2-Akü
Göstergesinden Okunan Değer ve Anlamları
Açık Devre Gerilimi………
Yaklaşık Şarj Durumu
12,6 ve Üstü…………………Çok Yüksek
12,4 …………………………..%75
12,2 …………………………..%50
12,0………………………….. %25
11,8……………………… Çok Düşük
10,8 ……………………………Boş
7—Sonuç:
1--Çalışmada, hurdadan
alınmış bir aracın elektrikli araca dönüşümü gerçekleştirilmiştir.
2--Bu kapsamda dönüşümü
yapılan araç, 30 km/h hıza ulaşarak yarım saat süresince 700 kg ağırlığında bir
yükü taşımıştır.
3--Elektrik enerjisi ile
çalışan araçta fosil yakıtlardan dolayı oluşan çevreye zararlı gaz salınımı
olmamaktadır.
4--Araç, düşük enerji tüketimi
ile yaklaşık olarak 46 km yol gidebilmektedir.
4.1--Dolayısıyla içten
yanmalı motorlu araçlarda yakıt tüketimlerinin fazla olması ve yanma veriminin
düşük olması sonucu oluşan zararlı emisyonun yarattığı çevre kirliliği
sebebiyle hurdaya bırakılan araçların elektrikliye dönüşümü sağlanarak, çevre
dostu ve ekonomik olarak yeniden kullanılması mümkündür.
5--Hurdalıklarda çürümeye bırakılmış araç malzemelerinin de paslanmadan dolayı çevreye verecekleri zarar önlenecektir. Ayrıca içten yanmalı motorlu aracın elektrikliye dönüştürülmesi durumunda, motorun sessiz çalışmasından dolayı gürültü kirliliği oluşmayacaktır.
6--Otomotiv sektöründe
kullanılan malzemelerin çoğu ithal edilmektedir. Yapılan bu örnek çalışmada
olduğu gibi, hurdaya çekilerek çürümeye bırakılan araçların malzemeleri yeniden
ülkemizde değerlendirilerek, ülke ekonomisine katkı sağlanmış olacaktır.
7--Elektrikli araçların
mekanik olarak fren ve lastikleri haricinde herhangi bir bakıma ihtiyaç
duymaması, eski araçların yeniden kullanımını ekonomik ve avantajlı hale
getirecektir.
8--Çalışmada örnek olarak
dönüşümü gerçekleştirilen elektrikli araç, insan ve yük taşımacılığında,
fabrikalarda, yol olan her yerde kullanılabilir.
9-- Semboller
I : Elektrik Akımı (A)
i : Diferansiyel Çevrim Oranı
n : Motor Devri (1/min)
P : Güç (kW)
R : Lastik Çapı (m)
T : Tork (Nm)
U : Akülerin Gerilimi (V)
V : Aracın Hızı (km/h)
W : Elektriksel Güç (W)
Kaynak:Mühendis ve Makine-cilt
58, sayı 688, s. 79-94, 2017-Hurdaya Ayrılmış Bir Aracın Elektrikli Araca Dönüştürülmesi-Hikmet
Rende-Efecan Karaman-Esin Altındal-Prof. Dr., Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik
Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Antalya - hrende@akdeniz.edu.tr-2
Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü,
Antalya - efecankaraman@akdeniz.edu.tr-3 Milli Eğitim Bakanlığı, Kepez İlçe
Milli Eğitim Müdürlüğü, Antalya