Rejeneratif Frenleme Sistemi

Hibrit ve elektrikli araçlarda enerji verimliliği karşımıza bir dezavantaj olarak çıkmaktadır. Ülkelerin elektrikli araçların yaygınlaşmasını istemelerindeki temel neden çevreci olmasıdır. Bu yüzden çalışmalar batarya teknolojilerinin geliştirilerek menzil değerinin artırılmasından ziyade, enerjiyi en verimli kullanan araçlar üzerine yoğunlaşmıştır. Burada temel amaç; güvenli bir fren sisteminin yanı sıra, faydalı frenlemeden yüksek seviyede geri kazanım elde edilmesidir.

Nedir?

Bir aracın frenleme esnasında kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürdükten sonra bu enerjiyi bir enerji deposuna göndererek depolamaya rejeneratif frenleme denir. Akslardan gelen dönme kinetik enerjisi, elektrik motorunu jeneratör gibi kullanarak elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Elde edilen bu enerji aküde depolanmaktadır.

Yolda ilerlerken enerji, bataryalardan motorlara akarak tekerlekleri döndürür.  Bu enerji, hareket etmek için ihtiyaç duyulan kinetik enerjiyi sağlar. Frene basıldığında tüm durum tersine döner. Elektronik devreler motorlara giden gücü keser. Kinetik enerji ve momentum, tekerleklerin motorları döndürmesini sağlar. Böylece motorlar jeneratör gibi çalışır ve elektrik tüketmek yerine üretmeye başlar. Güç, motor-jeneratörlerden akülere geri akar ve onları şarj eder. Böylece frenleme ile kaybettiğimiz enerjinin büyük bir kısmı akülere geri döner. Geri kazanılan bu enerji, tekrar yola çıkıldığı zaman yeniden kullanılabilir.

Temel Fikri

Rejeneratif fren kavramı, dinamolu bisikletlerle daha iyi anlaşılmaktadır. Bisiklette ışıklara güç sağlamak için bir dinamo (küçük bir elektrik jeneratörü) varsa, dinamo devredeyken pedal çevirmek olduğundan daha zordur. Bunun nedeni pedal çevirirken harcadığımız enerjinin bir kısmının dinamo tarafından çalınması ve ışık olarak elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Eğer hızla ilerliyorsak ve aniden pedal çevirmeyi bırakıp dinamoyu çalıştırırsak, aynı sebepten dolayı dinamo bizi normalde duracağımızdan daha hızlı bir şekilde durduracaktır.

Şimdi yaklaşık 100 kat daha büyük ve daha güçlü bir dinamoya sahip bir bisiklet düşünelim. Teorik olarak kinetik enerjinin bir bataryada depolanabildiği ve daha sonra tekrar kullanılabileceği elektriğe dönüştürerek bisikleti nispeten daha hızlı bir şekilde durdurabilir. Rejeneratif fren sisteminin arkasındaki temel fikir aslında budur.

Türleri

1) Elektrikli Rejeneratif Frenleme

Rejeneratif frenin en yaygın kullanılan biçimidir. Bu sistemde elektrik motoru, elektrik jeneratörü olarak kullanılmaktadır. Başlangıçta araç seyir halindeyken güç, motor tarafından sağlanır. Sürücünün fren pedalına uyguladığı kuvvete bağlı olarak frenleme ihtiyacı olduğunda elektronik ünite, motordan akan yükü kontrol eder. Ardından sunulan direnç nedeniyle motor jeneratör olarak hareket etmek için geri döner. Enerji, daha sonra kullanılmak üzere bir bataryada veya çift katmanlı kapasitörde depolanır.

2) Hidrolik Rejeneratif Frenleme (HRB)

Bu sistem, araç yakıt ekonomisini iyileştirmek için hidroliğin yanı sıra elektrik/elektronik bileşenleri de kullanmaktadır. Sürücü frene bastığında aracın kinetik enerjisi, hidrolik sıvıyı aracın içindeki düşük basınçlı bir akümülatörden yüksek basınçlı bir akümülatöre gönderen tersinir bir pompaya güç sağlamak için kullanılmaktadır. Basınç, akümülatördeki nitrojen gazı tarafından oluşturulmakta ve sıvı, gazın işgal ettiği alana pompalandıkça sıkıştırılmaktadır. Bu, aracı yavaşlatır ve durmasına yardımcı olur. Sürücü gaz pedalına tekrar basana kadar sıvı akümülatörde basınç altında kalır. Bu noktada pompa tersine çevrilmektedir. Oluşan basınçlı sıvı ise aracı hızlandırmak için kullanılmaktadır.

HRB sistemi, ticari araçlar ve mobil ekipmanlar için tasarlanmıştır. İlk ölçümlerin sonucunda HRB sisteminin bu araçlardaki yakıt tüketimini yaklaşık %25 azalttığını belirtiyor.

HRB sistemi, gürültülüdür ve sızıntılara eğimlidir.

3) Volanlı Rejeneratif Frenleme

Volan, bir motor düzensiz güç sağlıyorsa bunu düzenlemeye çalışır. Ekstra gücü emer ve geçici durgunluğu telafi eder.

Araçta her fren yapıldığında volan devreye girer. Böylece kinetik enerjinin bir kısmı emilerek araç durma noktasına getirilir. Bir sonraki kalkışta volan, enerjiyi geri vermek ve normal sürüş sırasında devreden çıkmadan önce aracı tekrar hareket ettirmek için kullanılır. Hareket halindeki araçlarda volan kullanmanın en büyük dezavantajı ekstra ağırlıklarıdır. Aksi takdirde frenlerde harcanan gücü depolayarak enerji tasarrufu sağlarlar. Ancak her zaman araçta taşındığı için belli bir enerjiye mal olurlar.

Yüksek teknolojili volanlara sahip gelişmiş şanzımanlar artık Formula 1 araçlarında rejeneratif sistemler olarak kullanılıyor. Bu araçlara genellikle kinetik enerjiyi geri kazanım sistemleri (KERS) adı veriliyor.

Verimliliği

Geleneksel bir otomobilin enerji verimliliği yalnızca %20 civarındadır. Enerjisinin geri kalan %80’ini sürtünme yoluyla ısıya dönüştürür. Rejeneratif frenleme sayesinde bu boşa harcanan enerjinin yaklaşık yarısı kadarı yakalanıp tekrar işe koyulmaktadır. Bu yakıt tüketimini %10 – %25 oranında azaltır.

  HRB sistemleri, yakıt kullanımını potansiyel olarak yaklaşık %25 – %45 oranında azaltarak daha etkileyici kazanımlar sağlar. Uzun yıllardır otomotiv ve diğer teknolojiler için enerji sağlayan fosil yakıt rezervlerinin sonunu görebileceğimiz ve karbon emisyonlarıyla ilgili korkuların zirveye ulaştığı bir yüzyılda, bu ilave verimlilik giderek daha önemli bir alması beklenmektedir.

  Elektrikli araçlarda en temel sorun batarya kapasitesi ve buna bağlı olarak menzil olduğu için bu araçlarda geri kazanımlı (rejeneratif) frenleme büyük önem arz etmektedir. Yapılan bir çalışmada elektrikli aracın dik bir yokuşu çıkarken 72 kW’lık güç tükettiği, aynı yokuşu inerken ise elektrik makinasının jeneratör olarak çalışmasıyla 24 kW’lık bir gücü bataryaya aktardığı görülmektedir. Günümüzde 60 litre bir yakıt tankı (dizel/benzin) ve yaklaşık % 30 – %35 verimle çalışan bir içten yanmalı motor ile 600 – 1000 km’lik menzile ulaşmak mümkündür. Yaklaşık 400 kg’lık bir bataryası bulunan ve % 90 verimle çalışan elektrik makinası üzerinden tahrik edilen bir elektrikli araç ise ortalama olarak 200 km menzile ulaşabilmektedir.

Avantajları / Dezavantajları

Avantajları

• Daha iyi yakıt ekonomisi sağlar.
• Elektrik bataryasının doldurabilmesini sağlar.
• Fren balataları ve disklerinin değiştirilme maliyetini, bunları takmak için işçilik maliyetini ve aracın çalışmama sürecini azaltır.
• Motor emisyonları; motorun ayrılması, toplam motor devrinin ve toplam motor çalışma süresinin azaltılmasıyla azaltılır.
• Çalışma menzili, elektrikli araçların henüz üstesinden gelemediği bir sorun olan geleneksel araçlarla karşılaştırılabilir düzeydedir.
• Alışıldıktan sonra frene basmaya gerek kalmaz ve araç kolayca yavaşlar. 

Dezavantajları

• Dinamik frenlerle kıyaslandığı zaman rejeneratif frenlerin ana sınırlaması, üretilen elektriğin besleme ile yakından eşleştirilmesi gerekliliğidir. DC beslemelerde bu, voltajın yakından kontrol edilmesini gerektirir. Ayrıca sadece güç elektroniğinin gelişmesiyle besleme frekansının da eşleştirilmesi gereken AC beslemelerle mümkün olmuştur. (Bu esas olarak AC beslemenin DC motorlar için düzeltildiği lokomotifler için geçerlidir.)
• Bataryalar tam şarjlı olduğunda rejeneratif frenleme zorunlu olarak sınırlıdır. Rejeneratif frenlemeden kaynaklanan ek şarj, dolu bir bataryanın voltajını güvenli bir seviye üzerine çıkarır. Bu sayede motor kontrol cihazı, rejeneratif frenleme torkunu sınırlar.
• Gazdan ayak çekildiği anda araç fren yapmaya başladığı için fren ve frene bağlı parçalar, fosil yakıtla çalışan benzinli ya da dizel otomobillere göre çok daha hızlı eskir.
• Aracın toplam ağırlığını 25-30 kg artırır.

Kaynakça:

• Altındemir E. – Hibrid Elektrikli Taşıtlarda Rejeneratif Frenleme, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi
• Jiahui Song – Hybrid Electric Vehicles and Regenerative Braking
• https://www.ijser.org/researchpaper/Regenerative-Braking-Systems-RBS.pdf
• Pratik Bhandari, Shubham Dubey, Sachin Kandu, Rupesh Deshbhratar – Regenerative Braking Systems (RBS)