Elektrikli Araçlarda Rejeneratif Frenleme Sistemi

Elektrikli araçların çevresel ve maddi olarak sağladıkları faydalar olsa da fosil yakıtlı araçlara göre menzil mesafelerinin düşük olması ve şarj ihtiyaçları gibi nedenler en önemli dezavantajlarıdır.

İçten yanmalı motorlara sahip araçlarda, etkili çekiş enerjisinin ortalama %50’sini frenleme esnasındaki kinetik enerji mekanik sürtünme yoluyla ısı enerjisine dönüşmesi oluşturur. Bu iki durum göz önünde bulundurulduğunda menzili arttırmak için elektrik motorunun aynı zamanda generatör olarak çalıştırılması gerekir.

Hibrit ve elektrikli otomobillerin her ikisi de güç sağlamak için elektrik motoru kullanır ve bu da rejeneratif frenlemenin uygulanmasını çok basit ve verimli hale getirir. Motorun generatör olarak çalışabileceği zaman dilimi frenleme periyodudur. Bu esnada elektrik motoru generatör olarak çalıştırılarak frenlemeden kaynaklı açığa çıkan enerji geri kazandırılır.

Elektrikli araçların büyük çoğunluğunda, şanzımanı, sürücü frene bastığında elektrik motoru geri dönecek ve tekerleklere güç yerine direnç uygulayacak şekilde tasarlanmıştır. Tekerleklere uygulanan direnç daha sonra pilleri şarj etmek için kullanılan elektrik motoruna aktarılır.

Faydalı frenleme olarak da bahsedilen rejeneratif frenleme, “normal” ve “dinamik” frenlemelerden farklıdır çünkü lastikler üzerine sürtünme uygulanmadan, elektrik motorları motor tarafından yavaşlatılarak frenlere ve lastiklere daha az basınç uygulanarak yavaşlatma ve durdurma işlemi yapılır.

Tam olarak çalışma prensibi şu şekildedir:

Gaz pedalının bırakılması rejeneratif frenlemeyi etkinleştirerek aracı güç çıkışı vitesinden şarj moduna geçirir. Elektrik motoru, çalışmasını tersine çevirerek bir jeneratör olarak işlev görür ve arabayı kısmen yavaşlatmak için direnç oluşturur. Bu işlemden elde edilen kinetik enerji daha fazla enerji oluşturur.

Frenlemeden gelen elektrik aküye aktarılır. Sert fren yapılırsa, hidrolik fren sistemi de devreye girecektir.

Rejeneratif frenlemenin ilk tanıtımı, 1968’de bir prototip ekonomik EV olan bir araçta kullanıldı. Formula 1 arabaları da rejeneratif fren kullanmakta ve 2009’da Formula 1 Enerji Geri Kazanım Sistemi (KERS) adı verilen rejeneratif bir fren sistemi tanıttı.

Sistemin benimsenmesi ilk başta yavaş olsa da 2010 sezonunda onu kullanan hiçbir takım yoktu; ancak, 2011 sezonunda sistemdeki iyileştirmeler, onu arabalar için son derece faydalı hale getirdi ve neredeyse tüm takımlar sistemin bir biçimini benimsedi.

Formula 1 arabaları, frenleme sırasında enerji depolar ve bu depolanan enerji daha sonra sürücü tarafından direksiyon simidindeki bir düğmeye basılarak kullanılabilir. Enerji geri kazanım sistemleriyle 81 hp’ye kadar ek güç sağlanabilmektedir.

Rejeneratif frenlemeyi kullanarak ekleyebileceğiniz şarj miktarı arabanıza, sürüş tarzınıza ve rotanıza bağlı olarak değişir (rejeneratif frenleme, dur-kalk şehir içi sürüşte otoyollara göre çok daha etkilidir).

Ancak, rejeneratif frenleme kullanmanın ortalama olarak menzile yaklaşık %20 ekleyebileceği tahmin edilmektedir. Bu, 100 millik bir yolculuğun üzerinde, yaklaşık 20 mili geri kazanacağınız anlamına gelir.

Seri hibrit elektrikli araç üzerinde rejeneratif frenleme kullanmanın yakıt tüketimini %10,5 ile %32,4 değerleri arasında düşürdüğünü gözlemlemişlerdir.

Simülasyon sonuçlarında seri hibrit elektrikli araç üzerinde kullanılan rejeneratif fren sisteminin, paralel hibrit elektrikli araca göre %27,28 oranında daha etkili olduğu gözlemlenmiştir.

Rejeneratif frenleme sürecini daha ayrıntılı olarak inceleyelim:

Jeneratör Olarak Motor: Elektrikli bir araçta, elektrik motoru hem tahrik (dönme hareketi oluşturmak için pilden elektrik çekerek) hem de rejeneratif frenleme için kullanılır. Sürücü gaz pedalını bıraktığında veya frene bastığında, elektrik motorunun manyetik alanı tersine dönerek elektrik üretmesine neden oluyor. Bu elektrik daha sonra depolanmak üzere aracın aküsüne geri gönderilir.

İnvertör ve Güç Elektroniği: Elektrikli araçlarda kritik bir bileşen olan invertör, rejeneratif frenlemede çok önemli bir rol oynar. Motorun DC çıkışından üretilen elektriği, tipik olarak AC olan pili şarj etmek için uygun forma dönüştürür. Güç elektroniği, motor, akü ve diğer araç sistemleri arasındaki elektrik enerjisi akışını yönetir.

Akü Şarjı: Üretilen elektrik, depolama için aracın yüksek voltajlı aküsüne geri beslenir. Depolanan bu enerji daha sonra elektrik motoruna güç sağlamak ve aracı ileri itmek için kullanılabilir. Normalde boşa gidecek olan enerjiyi geri dönüştürerek aracın menzilini genişletmeye yardımcı olur.

Fren Kuvveti Kontrolü: Rejeneratif fren sistemlerinde fren kuvvetinin seviyesi ayarlanabilmektedir. Sürücü genellikle, geleneksel araçlardaki motor freni deneyimini taklit edebilen farklı seviyelerde rejeneratif frenleme seçebilir.

Daha agresif rejeneratif frenleme ayarları, daha güçlü yavaşlama ile sonuçlanarak daha fazla enerjiyi etkin bir şekilde aküye geri aktarır.

Mekanik Frenler: Rejeneratif frenleme orta düzeyde yavaşlama için verimli olsa da hızlı duruşlar veya acil durumlar için geleneksel mekanik frenler hala gereklidir. Pek çok elektrikli araçta, gerektiğinde tam frenleme kabiliyeti sağlamak için rejeneratif frenleme geleneksel sürtünmeli fren sistemleriyle birleştirilir.

Enerji Verimliliği: Rejeneratif frenleme, enerjiyi ısı olarak dağıtan sürtünmeye dayalı frenlemeye olan bağımlılığı azaltarak elektrikli araçların genel enerji verimliliğini artırır. Rejeneratif frenleme sırasında yakalanan enerji, elektrikli araçların sürüş menzilini artırmaya ve mekanik fren bileşenlerindeki aşınmayı azaltmaya yardımcı olabilir.

Rejeneratif Frenlemenin Avantajları

• Enerji Geri Kazanımı: Rejeneratif frenleme, kinetik enerjinin daha sonra aracın aküsünde depolanan elektrik enerjisine dönüştürülmesine olanak tanır. Bu geri kazanılan enerji, elektrik motoruna güç vermek ve aracı hareket ettirmek için yeniden kullanılabilir, böylece toplam enerji tüketimi azaltılır ve aracın sürüş menzili artırılır
• Geliştirilmiş Verimlilik: Enerjiyi ısı olarak dağıtan geleneksel sürtünmeye dayalı frenlemeye kıyasla, rejeneratif frenleme, enerjiyi tekrar kullanılabilir güce dönüştürmede daha verimlidir. Bu verimlilik, yavaşlama sırasında aracın kinetik enerjisinin enerji potansiyelini en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur.
• Genişletilmiş Sürüş Menzili: Isı olarak kaybolacak olan enerjiyi yeniden kullanarak, elektrikli araçların sürüş menzilini önemli ölçüde uzatır. Bu, elektrikli araçları daha uzun yolculuklar için daha pratik hale getirmek açısından özellikle önemlidir.
• Daha Az Aşınma ve Bakım: Rejeneratif frenleme, fren balataları ve rotorlar gibi geleneksel fren bileşenlerindeki aşınmayı azaltır. Bu parçaların bakım ve değişim sıklığının azalmasına yol açarak araç sahipleri için hem zamandan hem de paradan tasarruf sağlar.
• Yumuşak Yavaşlama: Rejeneratif frenleme, geleneksel sürtünmeye dayalı frenlemeye kıyasla daha yumuşak ve daha kontrollü bir yavaşlama sağlar. Bu, özellikle dur-kalk trafikte daha rahat ve sorunsuz bir sürüş deneyimine yol açabilir.
• Daha Az Isı Üretimi: Geleneksel frenlemenin aksine, rejeneratif frenleme çalışma sırasında minimum ısı üretir. Bu, uzun süreli veya agresif frenleme sırasında fren zayıflaması riskini azaltmaya yardımcı olarak genel fren performansını artırır.
• Çevre Dostu: Enerji israfını ve sürtünmeli frenlemeye bağlılığı azaltarak, rejeneratif frenleme daha düşük sera gazı emisyonlarına ve azaltılmış karbon ayak izine katkıda bulunur. Bu da onu ulaşım için daha yeşil bir seçenek haline getirir.
• Optimize Edilmiş Enerji Yönetimi: Rejeneratif fren sistemleri, enerji yönetimini optimize etmek için genellikle araç kontrol sistemleriyle birlikte çalışır. Sistem, sürüş koşullarına ve sürücü davranışına bağlı olarak mekanik ve rejeneratif frenleme arasında akıllıca geçiş yaparak en verimli enerji kullanımını sağlar.

• Gelişmiş Kontrol ve Özelleştirme: Bazı rejeneratif fren sistemleri, sürücülerin rejeneratif fren kuvveti seviyesini ayarlamasına olanak tanır. Bu kişiselleştirme düzeyi, sürücülerin sürüş deneyimlerini ve enerji geri kazanım tercihlerini yapmalarını sağlar.
• Teknoloji Vitrini: Rejeneratif frenleme, elektrikli ve hibrit araç teknolojisinin yenilikçi ve gelişmiş doğasını sergilemektedir.

Enerji verimliliği ve performans kazanımları elde etmek için birden fazla sistemi (örn. elektrik motorları, invertörler, piller) entegre etme potansiyelini göstermektedir.

Rejeneratif Frenlemenin  Dezavantajları

• Yüksek Hızlarda Sınırlı Etkinlik: Rejeneratif frenleme en çok düşük hızlarda ve orta yavaşlama sırasında etkilidir. Yüksek hızlarda, elektrik enerjisine dönüştürülebilen kinetik enerji miktarı sınırlanır ve daha hızlı yavaşlama için genellikle geleneksel sürtünmeli frenleme gerekir.
• Sürekli Dur-Kalk Trafiğinde Düşük Verimlilik: Yoğun dur-kalk trafiği gibi aracın sık sık tamamen durduğu durumlarda, rejeneratif frenleme enerjinin geri kazanılmasında o kadar etkili olmayabilir. Bunun nedeni, araç zaten çok düşük hızlarda hareket ederken sistemin veriminin düşmesidir.

• Soğuk Havada Azalan Etkinlik: Piller, düşük sıcaklıklarda enerjinin verimli bir şekilde kullanım miktarı düşer ve bu da geri kazanılabilecek enerji miktarını azaltır. Bu nedenle soğuk hava koşullarında daha az etkili olabilir
• Karmaşıklık ve Maliyet: Rejeneratif fren sistemleri, aracın aktarma organlarının karmaşıklığını artırabilen elektrik motorları, invertörler ve güç elektroniği gibi karmaşık bileşenleri içerir. Bu karmaşıklık, daha yüksek üretim ve bakım maliyetlerine yol açabilir.
• Sistem Verimliliğine Karşı Karmaşıklık: Rejeneratif frenleme enerji açısından verimli olsa da kazanımları, özellikle daha küçük veya daha ucuz araçlarda, sistemin uygulanmasının getirdiği ek karmaşıklık ve maliyetlere göre daha az kalabilir.
• Fren Hissi ve Öngörülebilirlik: Bazı sürücüler, rejeneratif frenlemenin fren pedalı hissini ve yavaşlama özelliklerini geleneksel sürtünmeli frenlerden farklı bulabilir. Frenleme davranışındaki bu değişikliğe uyum sağlamak zaman alabilir ve genel sürüş deneyimini etkileyebilir.
• Tutarsız Enerji Geri Kazanımı: Rejeneratif frenleme yoluyla geri kazanılan enerji miktarı, arazi ve sürücü davranışı gibi sürüş koşullarına bağlı olarak değişebilir. Bu değişkenlik, geri kazanılacak enerjinin tam miktarını tahmin etmeyi zorlaştırır.
• Acil Durum Duruşlarında Sınırlı Performans: Rejeneratif frenleme hafif bir yavaşlama sağlarken, acil durumlarda ihtiyaç duyulan hızlı ve yoğun frenleme kuvvetini sağlayamayabilir.
• Entegrasyon Zorlukları: Rejeneratif frenlemenin, kilitlenmeyen fren sistemleri (ABS) ve elektronik denge kontrolü (ESC) gibi diğer araç sistemleriyle entegre edilmesi, çeşitli bileşenlerin kesintisiz koordinasyonu ve kontrolü ihtiyacı nedeniyle karmaşık olabilir.
• Pil Durumu: Rejeneratif frenleme, pilin enerjiyi kabul etme ve depolama yeteneğine bağlıdır. Pil zaten tam olarak şarj edilmişse veya şarj durumu düşükse, rejeneratif frenlemeden aktarılan enerjiyi kabul etme kapasitesi sınırlı olabilir.

Görüşmek dileğiyle…

 Referanslar:

1- Erdem, Y., & Taci, M. S. (2018). Effect of regenerative braking and power analysis in electric vehicles. Journal of Current Researches on Engineering, Science and Technology, 4 (2), 75-88.

2- Doğan, U., Erfidan, T., & Bilgin, M. Z. (2016). Elektrikli Araçlarda Faydalı Frenleme Enerjisinin Depolanması. İleri Teknoloji Bilimleri Dergisi, 5 (2).

3- Kocakulak, T., & Solmaz, H. (2019, September). Elektrikli Bir Aracın Modellenmesi ve Rejeneratif Fren Sisteminin Bulanık Mantık Yöntemi ile Kontrol Edilmesi. In International Symposium on Automotive Science and Technology.

4- Folkson, R. (Ed.). (2014). Alternative fuels and advanced vehicle technologies for improved environmental performance: towards zero carbon transportation. Elsevier.

5- https://www.evup.com.au/about-evup/ev-news/how-does-regenerative-braking-work

6- https://e-vehicleinfo.com/regenerative-braking-system-in-electric-vehicles/

7-https://www.gridserve.com/2023/04/18/what-is-regenerative-braking-and-one-pedal-driving/

8- https://evmagazine.com/technology/what-is-regenerative-braking-and-why-is-it-more-efficient

9- https://energyeducation.ca/encyclopedia/Regenerative_braking