Elektrikli Otomobiller

 

İçinde yaşadığımız yüzyılda son derece yoğun olan insan ihtiyaç ve ilişkileri, bireyleri günlük yaşamda sıklıkla bir yerden bir yere gitmek zorunda bırakmaktadır. Bu seyahatler şehir içi olabildiği gibi şehirler veya ülkeler arası da olabilmektedir. Özellikle şehir içi ve yakın şehirler arasında ulaşımda en pratik çözüm yolu otomobil kullanmaktadır. Otomobil yani özitmeli taşıt düşüncesi 15. yüzyıldan itibaren insanları araştırmaya yöneltmiş ve çoğunluğu mekanik çeşitli düzenler yardımı ile arabalar hareket ettirilmeye çalışılmıştır. Günümüz anlamındaki ilk otomobil 1769 yılında Fransız mucit Nikolas-Joseph Cugnot tarafından gerçekleştirilmiştir. Cugnot’nun otomobili buhar gücüyle haraket eden, üç tekerlekli, dört kişilik ve son sürati 3.6 km/h olan bir araçtı. Buhar gücü ile tahrik edilen otomobiller patlama riski, duman, yüksek gürültü ve yakıt olarak kullanılan odun veya kömürün de araç içinde taşınmasının pratik olmaması nedeniyle oldukça sorunlu sistemlerdi. 1876’da Alman mühendis Niklaus August Otto, dört zamanlı benzin motorunu geliştirerek bu gün kullanılan araçların şekillenmesini sağladı. Bu olaydan 20 yıl kadar sonra otomobil üreten firmaların sayısı birkaç yüz’e ulaşmıştı.

Otto’nun motoru temel prensiplerinde önemli bir değişiklik yapılmaksızın otomobilleri bu güne kadar başarı ile taşımıştır. Ancak petrol türevleri yakıldığında ortaya çıkan zehirli gazlar ve benzin motorlarının çalışmasında oldukça önemli görevler üstlenen kurşun elementinin egzost gazıyla çevreye yayılması ayrıca benzinli motorlarda kullanılan ve sıklıkla değiştirilen kullanılmış motor yağları önemli ölçüde hava ve çevre kirliliğine yol açmaktadır. Bunlara ek olarak motorlu araç sayısının gün geçtikçe çok hızlı bir şekilde artması ve petrol kaynaklarının tükenme noktasına yaklaşması, artık vazgeçilmez bir araç olan otomobili farklı tahrik sistemleri ile hareket ettirmenin yollarını bulmayı kaçınılmaz kılmıştır. Temiz ve yaygın bir enerji kaynağı olan elektrik enerjisinin bu konunun dışında bırakılması ise mümkün değildir. Elektromobil adı verilen bu otomobiller çeşitli türlerdeki elektrik motorları ile hareket ettirilmektedirler. Bir elektrikli otomobilin tahrik sistemi temel olarak elektrik enerjisi kaynağı, elektrik motoru ve kontrol sisteminden oluşmaktadır. Elektrikli otomobiller, atık gazlar oluşturmamaları ve motor yağı kullanmaması sonucu çevre dostu olmalarının yanında bir mekanik vites kutusuna ihtiyaç duymamaları, frenleme esnasında enerjiyi geri kazanabilmeleri, sessiz çalışmaları gibi özellikleri ile klasik içten yanmalı motorlara sahip otomobillere karşı önemli avantajlar sağlamaktadırlar. Ancak kullanılan akümülatörlerin ağır, hantal, kapasitelerinin sınırlı ve dolum sürelerinin oldukça uzun olması, aynı şekilde elektrik motorlarının da güç/ağırlık ve güç/hacim oranlarının kötü olmasından dolayı bu gün için benzinli otomobillerin yerini tam olarak alamamaktadır.

 

TEMEL ELEKTRİKLİ OTOMOBİL YAPI VE TEKNOLOJİLERİ

TEMEL ELEKTRİKLİ OTOMOBİL YAPILARI

 

Elektrikli otomobiller için farklı tahrik düzenleri ortaya atılmıştır. Bunlar tamamen elektrik enerjisi ile hareket eden sistemler ve elektrik enerjisi ile içten yanmalı motorların birlikte kullanıldığı karma sistemlerdir. Aşağıda bu sistemlere kısaca göz atılacaktır.

 

Akümülatör, Elektrik Motoru ve Mekanik Diferansiyelden Oluşan Sistem

 

Bu yapı içten yanmalı motorlu taşıtlarda kullanılagelen klasik sistemdir. İçten yanmalı motor ve yakıt deposu, elektrik motoru ve akümülatör ile yer değiştirmiştir. Şekil 1 de sistemin blok şeması gösterilmiştir.

 

 

Şekil 1 Akümülatör, elektrik motoru ve mekanik diferansiyelden oluşan sistem

Ayrıca elektrik motorlarının hız kontrol esnekliğinin bir sonucu olarak vites kutusu kaldırılmıştır Ancak motorun dönüş hareketini çekiş yapan tekerleklere iletmek ve bu tekerlekler arasındaki güç dağılımını düzenlemek amacıyla bir mekanik diferansiyel kutusu kullanmak gerekli olmaktadır.

 

Akümülatör ve İki Elektrik Motoru Kullanılan Diferansiyelsiz Sistem

 

Bu sistemde çekiş yapan iki tekerlek (öndeki veya arkadaki çift) Bağımsız birer motor ile doğrudan tahrik edilmektedir. Motorlar için uygun kontrol kuralları belirlenerek aracın farklı yol şartlarında optimum çekiş sağlamasının yanısıra mekanik aktarma organlarının kullanılmamış olması verimi ve güvenilirliği arttırırken bakım ihtiyacını da azaltmaktadır. Sistemin blok şeması Şekil 2 de gösterilmiştir.

 

 

Şekil 2 Akümülatör ve iki elektrik motoru kullanılan diferansiyelsiz sistem

 

Akümülatör, Elektrik Motoru ve İçten Yanmalı Motordan Oluşan Karma Sistem

 

Paralel olarak çalışan elektrik motoru ve içten yanmalı motor, taşıtın mekanik güç hattına aynı anda ve sürekli olarak bağlıdırlar. Duruma göre biri veya diğeri taşıtı hareket ettirmektedir. Bu seçim, yol şartlarının değişmesi (sıkışık trafik veya otoban), akümülatörlerin tamamen boşalması veya yakıtın tükenmesi gibi hallerde optimal çalışmayı sağlamak amacıyla veya zorunluluklar sonucu yapılabilir. Blok şeması Şekil 3 de gösterilen bu tahrik sistemi "paralel karma sistem" olarak adlandırılmaktadır.

 

 

Şekil 3 Akümülatör, elektrik motoru ve içten yanmalı motordan oluşan paralel karma sistem

 

Akümülatör, Elektrik Motoru, Generatör ve İçten Yanmalı Motordan Oluşan Karma Sistem

 

Bu sistemde otomobil daima elektrik motoru (veya motorları) tarafından hareket ettirilmektedir. İçten yanmalı motor ve generatör ise akümülatörün doldurulması ve elektrik güç hattının beslenmesi görevlerini üstlenmişlerdir. Bu tip sistem ise “seri karma sistem” adını alır.

 

Karma sistemler sadece elektrik enerjisi kullanan tahrik sistemlerine göre daha pahalıdırlar. Ancak daha geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Genel olarak otomobillerde kullanılan içten yanmalı motorlar değişik devir sayılarında çalışmak zorunda olduğundan çalışma esnasında verim ve atık gaz miktarları büyük değişimler göstermektedir. Oysa seri karma sistemde içten yanmalı motor, verim ve atık gazlar açısından en uygun hızında sabit hızlı olarak çalıştırılmaktadır. Şekil 4 de sistemin tek bir elektrik motoru ve bir mekanik diferansiyel kutusu kullanılarak gerçekleştirilmesi durumundaki blok şeması verilmiştir. Şekil 5 de ise tekerlek başına birer elektrik motoru kullanılan seri karma sistemin blok şeması gösterilmiştir.

 

 

Şekil 4 Bir elektrik motoru ve mekanik diferansiyel kullanılan seri karma sistem

 

 

Şekil 5 Tekerlek başına bir elektrik motoru kullanılan seri karma sistem

 

Vİraj dönen bİr otomobİlİn çekİş yapan tekerleklerİ arasIndakİ yük dağIlImI

 

Araçta çekişi gerçekleştiren tekerlekler farklı yol durum ve şartları altında (viraj dönülürken veya bir tekerleğin patinaj yapması hali gibi) istenilen momenti dengeli olarak oluşturabilmelidir. Bu amaçla iki tekerleğe ait motorların momentleri ve devir sayıları, elektronik diferansiyel olarak tanımlanabilecek bir kontrol bloğu tarafından denetlenecektir.

Mekanİk Dİferansİyel Dİşlİ Düzenİ

Bir otomobilde öncelikle tek bir motorda oluşturulup, vites kutusu yardımı ile momenti ve devir sayısı değiştirilebilen tahrik gücünü çekiş yapan iki tekerleğe dağıtan bir düzeneğe gerek vardır. Otomobil bir viraja girdiğinde virajın dönüş yönünün dışında kalan tekerlekler iç taraftakilere göre daha fazla yol katederler ve daha hızlı dönmek zorunda kalırlar.

 

Şekil 6 da otomobilin viraj dönüş hali gösterilmiştir. Burada virajın iç ve dış tarafındaki çekiş yapan tekerleklerin birbirlerine doğrudan bağlı oldukları yani düz gidiş halindeki gibi eşit hızda döndükleri düşünülürse, viraj alınması halinde dıştaki tekerlek sürüklenirken, içteki de frenlenmeye çalışılacaktır. Bunun sonucunda tekerlekler kaymaya başlayacak ve direksiyon hakimiyeti azalacaktır. Ayrıca yakıt harcaması artarken lastiklerin aşınması da hızlanacaktır. Günümüzün içten yanmalı motorlara sahip otomobillerinin hemen tamamında kullanılan diferansiyel dişli grubu bu problemi oldukça tatminkar bir biçimde çözmektedir.

 

 

Şekil 6 Aracın bir viraj dönmesi durumunda virajın iç ve dışında kalan tekerlekler

 

Ancak mekanik diferansiyel dişli düzeni bir takım sorun ve eksikliklere de sahiptir. Bunlar kısaca sıralanırsa;

Bunlardan başka ve belki en önemlisi çekiş yapan tekerleklerden birinin yola tutunamaması (patinaj) sonucu diğer tekerleğede moment iletilememesi ve otomobilin hareketsiz kalmasıdır. Tek bir tahrik motoru kullanıldığı sürece gerek elektrik, gerekse içten yanmalı motor olsun bir diferansiyel dişli kutusu kullanılmak zorunda kalınacaktır. Bundan başka bir yöntem ise çekiş yapan her bir tekerleği ayrı bir motor ile tahrik etmektir. Burada motorlar bir takım kurallara göre kontrol edilmelidir.

 

Çekİş Yapan Her Bİr Tekerleğİne Doğrudan BağlI Bİr Elektrİk Motoru Olan Elektrİklİ Otomobİl Sİstemİ

 

Bu olumlu özelliklerine karşılık her iki motor da aynı besleme gerilimi ile beslenecek olursa, içten yanmalı motorlu taşıtlarda diferansiyel dişli grubunun kullanılmaması halinde ortaya çıkan sorunların benzerleri ile karşılaşılacaktır. Buna göre bir viraj dönülürken içte kalan motor dıştakine oranla daha fazla yüklenecektir. Motor momentleri uygun biçimde kontrol edilmezse direksiyon hakimiyeti azalırken lastik aşınması da artacaktır. Bu dengesiz yük dağılımı ayrıntılı olarak incelenmek istenirse öncelikle viraj içindeki bir aracın iç ve dış tarafındaki tekerleklerinin devir sayılarının ne şekilde değiştiğini belirlemek gerekir. Buna göre, Şekil 6 da görülen otomobil modeli iç yarı çapı R1 olan bir virajı w 0ısal hızıyla dönsün bu esnada iç taraftaki tekerlek R1, dıştaki ise R2 yarı çaplı birer daire yayı üzerinde hareket edeceklerdir. İçteki tekerleğin çizgisel hızı V1, dıştaki tekerleğin çizgisel hızı V2 olmak üzere;

 

V1=R1.w 0 (1)

V2=R2.w 0 (2)

 

RT tekerlek yarıçapı ve n1 ve n2 tekerlek devir sayıları olmak üzere, tekerlek çizgisel hızları aşağıdaki şekilde de yazılabilir.

 

V1=2p RTn1/60 (3)

V2=2p RTn2/60 (4)

 

(1), (2), (3) ve (4) eşitlikleri kullanılarak (5) eşitliği yazılabilir.

 

n1/n2=R1/R2 (5)

 

Motorların Moment Kontrolu

Kullanılabilecek çözüm yollarından biri yükü büyüyen iç taraftaki motorun besleme gerilimi azaltılarak ürettiği moment azaltılırken daha az yüklenen dış taraftaki tekerleğin motorunun besleme gerilimi arttırılarak motorların toplam yükü eşit biçimde paylaşmaları sağlanabilir. Diğer bir çözüm ise bu çalışmada da benimsendiği gibi motor akımlarının dolayısı ile momentlerinin kontrol edilmeleridir. Bu sayede motorlar devir sayılarından bağımsız olarak sabit moment üretebilmektedir.

Moment kontrolu yapmanın avantajları kısaca özetlenirse,

 

Bu olumlu yanlara karşılık patinaj durumunda tekerlek devir sayıları çok büyük değerlere çıkabilir. Patinaja başlayan tekerleğin yere uyguladığı kuvvetin azalması sonucu bu tekerleği tahrik eden motorun yükü de azalmış olacaktır. Akım kontrol düzeni, yükü azalan motorun kaynaktan çektiği akımı sabit tutmak için motorun uç gerilimini büyütecektir. Bunun sonucunda patinaj yapan tekerlek daha da hızlanarak kaymaya devam edecektir. Bunun önüne geçilmelidir.

 

BULANIK KONTROLÖR KULLANILARAK GERÇEKLEŞTİRİLEN PATİNAJ ÖNLEME SİSTEMİ

İnsanoğlu günlük hayatında sürekli olarak yakın çevresinden gelen bilgileri işler ve sonucunda gerekli kararları verir. İnsanın doğal olarak sahip olduğu bu yetenek bilgisayarlara oldukça karmaşık çalışmalarla kısmen kazandırılabilmektedir. Bilgisayarlar işlemlerinde sadece iki farklı değerin tanımlı olduğu Boolean cebirini kullanmaktadırlar. Bu farklı değerler {1, 0}, {evet, hayır}, {doğru, yanlış}, {5V, 0V}, vs. olarak ifade edilebilir ancak sayıları iki taneden fazla olamaz. Bu durum bilgisayarın iç hesaplamalarında ve bilgisayarlar arası haberleşmelerde bir sorun yaratmamaktadır. Ancak gerçek dünyada karşılaşılan durumlar ve soruların cevapları daima kesin değerlere sahip değillerdir. Bir çok cevap "evet", "hayır", "aydınlık", "karanlık" şeklinde kesin olabileceği gibi bir çoğu da "belki", "loş", "ılık" gibi yoruma açık bir belirsizlik taşımaktadır. 1965 Yılında prof. L. A. Zadeh bilgisayar tabanı üzerine kurulmuş kontrol sistemlerinde kesin bir değer alması şart olmayan yani ara durumların da tanımlanabileceği değişkenlerin kullanılabilmesine olanak veren "Fuzzy Sets" veya "bulanık kümeler" teorisini ortaya atmıştır. Başlangıçta fazlaca ilgi görmeyen bu teoriyi 1974'de Dr. E. H. Mamdani bir buharlı motorun kontrolunda kullanmıştır. Daha sonraları 1980'de Danimarka da F. L. Smidth Co. tarafından bir çimento fabrikasında ilk ticari uygulaması yapılmıştır. Bu gün "bulanık kontrol yöntemi" motor hız kontrolundan uçaklardaki otomatik pilotlara veya evlerde kullanılan beyaz eşyalara kadar bir çok farklı alanda kullanılmaktadır. Bulanık kontrol uygulamalarında en önemli avantaj dilsel değişkenlerin kullanılabilmesidir. Bu değişkenler konuşma dili veya yapay bir dil kullanılarak oluşturulan kelime veya cümleler olabilir. Bu sayede konularında uzmanlaşmış kişilerin tecrübe ve fikirleri kolayca kontrolöre aktarılabilir ve uzman kontrol sistemleri gerçekleştirilebilir.

 

BulanIk Kontrol

 

Bulanık kontrol sistemi, kontrol edilen sistemden gelen etkilere ve bulanık kurallar adı verilen kurallara göre karar verip, gerekli kontrol büyüklüğünü oluşturan bir uzman sistemdir. Bulanık kontrolörler klasik kontrolörlerin aksine uzman insan kullanıcıların tecrübelerinden de yararlanabilirler. Bu özellik, matematiksel modeli tam ve hassas olarak ortaya konulamayan veya çok zor ve pahalı olarak elde edilebilecek sistemlerde son derece önemli avantajlar sağlar. Eksiksiz bir matematiksel modelin elde edilmesindeki başlıca zorluklar, sistem doğasından gelen doğrusallık bozuklukları, sistem yapısının zamanla değişmesi, büyük genlikli ve sınıflandırılamayan çevresel bozucular etkisinde çalışılması, algılayıcıların zamanla doğruluklarının değişmesi ve çok hassas ölçümlerin yapılamaması olarak sıralanabilir. uygulamada ise deneyimli insan kullanıcıların bu sistemlerle çalışırken oldukça güvenilir ve tutarlı kararlar aldıkları gözlenmektedir. Bu durumda deneyimli bir kullanıcının tecrübelerinin hassas bir matematiksel modelin yerini alabileceği düşünülebilir. Ancak bu tecrübenin kalıplaşmış bazı terimler kullanılarak ifade edilebilmesi oldukça zor olabilir. Bunun yerine tecrübeler dilsel açıklamalar ile daha kolay olarak algılanabilecektir. Farklı çalışma durumlarının dilsel açıklamaları yardımıyla bulanık çıkarımlar esnasında baş vurulacak olan bir kural kümesi elde edilir. Aşağıda bu kurallara bir örnek verilmiştir.

 

EĞER devir sayısı oranı çok büyük VE direksiyon çevrilme miktarı sıfır İSE motor akımını azalt

 

Burada devir sayısı oranı ve direksiyon çevrilme miktarı çalışma esnasında izlenmekte olan durum değişkenleridir. Motor akımı ise bulanık kontrolör tarafından belirlenecek olan çıkış büyüklüğüdür. Bulanık kontrolör, üç temel bölümden oluşmaktadır. Bulanıklaştırıcı, sistemden alınan iki tabanlı sayısal bilgiyi üyelik fonksiyonları yardımı ile bulanık büyüklüklere çevirir. Çıkarım makinası, bulanık "EĞER....İSE" kuralları yardımı ile giriş değişkenlerinden bulanık çıkış değişkenlerini belirler ve bu sonuçları bir araya getirir. Ancak bu değer halen bulanık bir büyüklüktür. Durulaştırıcı adı verilen blok ise bulanıklaştırıcının aksine bulanık bir büyüklükten tek bir (duru) değer elde ederek kontrol işaretini oluşturur

 

Elektronİk Patİnaj Önleyİcİ

 

Günlük hayatta kullanılan sıradan otomobillerde bulunan mekanik diferansiyel kutularının kuşkusuz en önemli ve etkili dezavantajı tekerleklerden birinin yere tutunamaması sonucu patinaj yapması halinde diğer tekerleğe de güç iletilememesidir. Bu çalışmanın konusunu teşkil eden iki motorlu otomobilde ise bir tekerlek diğerinin durumundan bağımsız olarak güç üretebilmektedir. Böylece tekerleklerden birinin kaygan bir zemin üzerinde bulunması (kar, çamur, buz vs) arabanın ilerlemesine engel değildir.

 

Kullanılan motorlarda akım kontrolu yoluyla moment kontrolu yapılmaktadır. Bunun sonucunda araç düz giderken bir viraja gelindiğinde virajın içinde kalan tekerlekler ile dışındakiler arasında ortaya çıkan devir sayısı farkından dolayı, yükün motorlar arasında dengesiz bir şekilde paylaşılmasının önüne geçilebilmektedir. Araç düz giderken veya bir virajın alınması esnasında tekerleklerden birinin patinaja başlaması durumunda bağlı olduğu motorun yükü aniden azalacaktır. Yükü azalan motorun çektiği akım da azalacaktır. Bunun sonucu akım kontrolu yapan motor kontrol katı, motor akımını sürücünün "gaz pedalına" basarak belirlediği referans değere yükseltmek amacıyla motor sargılarına uyguladığı gerilimi arttıracaktır. Geriliminin artması patinaj yapan motoru daha da hızlandıracak ve bu böylece sürecektir.

Ortaya çıkan durumun sakıncaları incelenirse, öncelikle patinaj yapan tekerleğin yere güç verememesi ancak akım çekmeye zorlanması sonucu gereksiz bir güç kaybı ortaya çıkacaktır. Tekerlek büyük bir devir sayısıyla dönerken yoldaki olumsuz durumun (çamur birikintisi, buz, mıcır, vs.) ortadan kalkarak aniden yere tutunması sonucu hızlı bir şekilde yavaşlamak zorunda kalacaktır. Motor ve tekerleğin eylemsizlik momentleri ve akım kontrol çevriminin zaman sabitinden dolayı aniden yavaşlaması mümkün olmayan lastik ile yer arasında büyük bir sürtünme kuvveti ortaya çıkacaktır. Bu esnada lastik hızla aşınıp ömrü kısalırken otomobilin savrulma ihtimali de belirecektir. Patinajı engellemek için yapılması gereken şey sürücünün ayağını gaz pedalından kaldırarak referans akımı küçültmesidir. Ancak bu durumda yolu tutan tekerlek ve sonucunda otomobil de yavaşlayacaktır. Yukarıdaki soruna çözüm olarak patinaj halinde sürücünün belirlediği referans akımdan bağımsız olarak, kısmen veya tamamen yüksüz kalmış olan motoru dönmesi gereken devir sayısında dönmeye zorlayan bir kontrol bloğu kullanılmalıdır

Geriye