Lityum iyon bataryaların forklift uygulamalarında kullanımının optimizasyonu

Optimization of the use of lithium-ion batteries in electric forklift applications

PDF İndir

Tez No: 925698
Yazar: FATİH BAĞMANCI
Danışmanlar: DOÇ. DR. NESLİHAN YUCA DOĞDU
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2025
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 95

Özet

Gittikçe artan nüfus, sınırlı kaynakların hızlıca azalması ve kaynak paylaşımında oluşan dengesizliklerin, günden güne büyüdüğü dünyamızda, hepimizin yaşayabilmesi için gerekli olan çevremizi hem bugün hem de yarınlara daha temiz, yaşanılabilir bırakmak için yapılan araştırmalar ve çalışmalar artmaktadır. Güneş, rüzgâr, hidro, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları, son zamanlarda birçok ortamda adlarını daha sık duymaya başladığımız, kurumsal şirketlerin“sürdürülebilirlik”prensibine en uygun enerji kaynaklarıdır. Bu enerji kaynakları, tükenme riski olmayan ve doğadan sürekli olarak temin edilecek enerji kaynaklarımız olup, fosil yakıtlar gibi sınırlı enerji kaynakları değillerdir. Çevreye en az zarar veren enerji yöntemlerini sunmaktadırlar. Küresel ısınmanın her geçen zamanda daha fazla arttığı ve yaşamlarımızı tehdit ettiği günümüzde, devletlerin verdiği teşviklerle, çok hızlı büyüyen yenilenebilir enerji kaynaklarına yapılan yatırımlar hız kesmeden artmaya devam etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimleri, diğer enerji kaynaklarından üretilen enerjiye kıyasla günden güne artmakta, hatta bazı ülkelerde en büyük üretim yüzdelik payını almaktadırlar. En büyük enerji kaynağımız olan güneş, enerji talebinin artmasından ötürü en hızlı büyüyen yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olup, verilen teşvikler, bireysel kullanıcılarının konuya olan ilgi ve talebinin artmasından ötürü maliyetleri düşmüştür. Kullanılan malzemelerin uzun ömürlü olması ve amortisman süresinin oldukça azalmasından dolayı evlerimizde de kolaylıkla kullanılmaya başlamıştır. Buna ek olarak, tarihin en eski enerji kaynaklarından birisi olan rüzgar enerjisinin yine aynı şekilde maliyetlerin düşmesi ve amortisman sürelerinin azalmasından ötürü bir çok ülkede kullanımı hızla artmakta, çevresel kaygılardan dolayı dünya genelinde yaygınlaşmaktadır. Yaşanan tüm bu gelişmelere kayıtsız kalmayan otomotiv ve iş makinaları üreticileri, getirilen yasal çerçevelere uygun olarak kademeli olarak karbon salınımının azaltılması ve en sonunda tamamen sıfırlanmasını hedefleyen çalışmalarına büyük bir ivme vermişlerdir. Otomotiv ve iş makinaları sektöründeki öncü firmalar, egzoz gazının içinde bulunduğu karbon monoksit gazının insanlara ve çevreye olan zararından ötürü doğa dostu teknolojileri geliştirmeye başlamışlardır. Bunun ilk adımı olarak, dizel motorlu araçların emisyon değerlerini düşüren Adblue sistemi tasarlanmış, bu sayede seçici katalitik indirgeme sistemine sahip olan araçlardaki egzoz gazında bulunan azot oksitin azaltılmasını hedeflemişlerdir. Motor odasındaki yanma işlemi sonunda oluşan egzoz gazının üzerine adblue sıvısı püskürtülerek, kimyasal tepkime sonucunda doğaya su ve azot salınır. Emisyon standartları yönetmelikleri ile alınan kararlar çerçevesinde, Avrupa Birliği ülkeleri için adblue kullanımı zorunlu hale getirilmiştir. Yönetmeliklerden ötürü özellikle son yıllarda çıkan tüm dizel araçlarda adblue kullanımı zorunlu hale getirilmiştir Adblue sıvısı içerisinde %32,5 temizlenmiş üre ve %67,5 saf su bulunmaktadır. Emisyonu tamamen sıfırlamak isteyen üreticiler ve kullanıcılar, diğer gelişmeleri de yakından takip etmektedirler. Emisyonu sıfıra düşüren elektrikli araçlara oluşan ilgi her geçen gün artmaktadır. Elektrikli araçların, batarya gücü, bataryanın şarj süresinin uzunluğu ve pil ömründen ötürü yaşanan sorunların aşılması, gerekli olan malzemelerin fiyatlarındaki ciddi azalma ve kullanım sonrasında elde edilen yüksek karlılıktan ötürü hem bireysel kullanıcılar hem de kurumsal şirketlerin elektrikli araçlar ve iş makinalarına yönelmektedir. Elektrik fiyatlarının, diğer petrol türü yakıtlara göre ucuz kalması, özellikle elektrikli forklift ve iş makinalarını kullanarak çalışan firmalar için en önemli geçiş sebeplerinden birisini oluşturmaktadır. Buna ek olarak, elektrikli forklift ve iş makinalarının bakım maliyetlerinin, elektrikli olmayan araçlara göre güç kaynaklarına göre düşük kalması, kredi teşvikleri, ülkelerin bu konudaki hassasiyetlerinden ötürü bu süreç son yıllarda hızlanmıştır. Özellikle şarj süresinden dolayı sıkıntı yaşayabilecek firmalara özel hızlı şarj üniteleri ve yeni teknolojik batarya tipleri üretilmiş ve daha hızlı olacak şekilde çözümler üretilmeye devam etmektedirler. Fuchs ekskavatör firmasının son çıkarttığı bataryalı ekskavatörü, hem bataryalı olarak hem de elektrik prizine takılarak kullanılabildiği için çok dikkat çekmektedir. Bataryası bitse dahi elektrik fişine takılabildiği için çalışmasına devam etmekte, hem de çalışmasıan devame derken bataryaları şarj olup, batarya şarj olma süresini beklemeye gerek kalmamaktadır. İş makinaları ve forklift sektörünün en büyük fuarlarından birisi olan Bauma 2022'de, büyük tonajdaki iş makinalarında lityum iyon aküleri tanıtılmış, şarj süresinin kısalması, akü ömrünün artması ve akü bloğunun şarj süresinin uzunluğundan dolayı bir diğer akü ile değişiminin ortadan kalkması dikkat çekici bulunmuştur. Elektrikli ve akülü iş makinalarına ek olarak hidrojenli iş makinaları da yer almaya başlamışlardır. Dolum süresinin çok hızlı ve hidrojen maliyetinin düşük olmasından ötürü şüphesiz ki gelecek 10 yılın en önemli tartışma konularından birisi, elektrikli/akülü araçlar mı yoksa hidrojenli araçlar mı tartışması olacaktır. Tezin konusu olan elektrikli forkliftlerin piyasaya ilk çıktıkları dönemde, lityum iyon akülerin çok pahalı olması ve güvenlik tehlikelerinden dolayı traksiyonel akülerle piyasaya çıkmışlardır. Traksiyonel akülerin güvenlik riskleri, lityum iyon akülere kıyasla düşük olmasına karşın ekonomik ömürleri karşılaştırıldığında yetersiz kalmaktadırlar. Buna ek olarak, özellikle şarj süresinin uzunluğu, traksiyonel akülerin kullanımı için büyük bir dezavantaj oluşturmaktır. 24 saat çalışan bir fabrikada, bir adet elektrikli forklift için iki adet yedek traksiyonel akü tutulmakta ve bu süre zarfında yedek aküler şarj edilerek, operasyon süreçleri devam ettirilmektedir. Akülerin değiştirilmesi hem zaman kaybı yaşatmakta hem de akü değişimi için şarj odasına gidip gelmek, aküyü çıkartıp, yeni akü koymak iş gücü kaybına sebep olmaktadır. Lityum Demir Fosfast (LFP) hücrelerinin kullanımı ile beraber, lityum iyon akülerin maliyeti gün geçtikçe düşmekte ve güvenlik risklerinin azalmaktadır. LFP hücrelerinin kristal yapısındaki polimer bağı daha stabil ve parçalanmasının zor olması, aşırı şarj ve yüksek sıcaklıklarda dahi yapısal özelliklerini korudukları için güvenlik riskleri azalmıştır. Çin menşeili elektrikli forkliftler ve iş makinaları, lityum iyon akülerle ülkemize gelmeye başlamışlardır. Ara şarjlarla uzun bir kullanım süresi sunmaları, ekonomik ömürlerinin traksiyonel akülerden çok fazla olması, akü değiştirmek için zaman kaybedilmemesi ve iş gücüne olan olumlu katkılarından ötürü yoğun olarak talep edilmektedirler. Bu durumdan yola çıkarak yapılan bu tezde, yaklaşık 9 yıldır traksiyonel akü kullanmış olan bir firmanın elektrikli forkliftlerinin, yeni alınacak akü satın almalarında, lityum iyon aküye geçişinin sonuçları ve maliyetleri teorik olarak incelenmiştir. Farklı alanlarda çalışıldığından ötürü her elektrikli forkliftin yıpranması ve güç tüketimi daha farklı olmaktadır. Dolayısıyla, genel olarak bir yük profili çıkartılabilmesi için değişik alanlarda çalışan 3 adet elektrikli forklift, normal vardiyalarındaki çalışma şekilleri aynı kalacak şekilde, yükleme, boşatma ve taşıma işlemleri yapmış, veriler gerçek zamanlı olarak alınmıştır. Bu veriler kullanılarak, yük profili çıkarılmış, bir vardiya boyunca harcadığı güç ile yapılan işlemlere göre akım çekiş oranlarını bulmak amaçlanmıştır. Bu verilerden yola çıkarak, olabilecek en uygun ve en ucuz maliyetli lityum iyon aküsü tasarlanması amaçlanmıştır. Traksiyonel akü blok bilgileri ve çıkartılan yük profilinden yola çıkarak, Pomega firmasına ait üç farklı akü çeşidi tek tek incelenmiş ve hesaplanmıştır. Hem elektrikli forkliftte yer alan akü blok alanına hem de elektrikli forkliftin kapasitesine en uygun akü çeşidi bulunmaya çalışılıp, gerekli olan voltaj değerinin sağlanması için hücreler seri bağlanmış, gerekli olan nominal kapasiteye ulaşılabilmesi için de hücreler paralel bağlanarak, akü hesaplamaları yapılmıştır. Hesaplamalardan yapılırken, aküler tek katlı olarak akü blok alanına yerleşecek şekilde düşünülmüş, akü kapasitesi daha büyük talep edilirse, tekrar hesaplamalar yapılarak daha büyük kapasiteye sahip akü bloğu sağlanacaktır ancak bu durumda akü fiyatı ve akü şarj giriş nokta sayısının da artması gerekecektir. Alana en uygun olacak lityum iyon akü bloğu seçildikten sonra traksiyonel akü ve lityum iyon akünün maliyet karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma yapılırken işletme giderleri ve bataryaların ömür bilgileri de girilmiş, piyasada yer alan güncel akü fiyatları temel alınarak hesaplanmıştır. İleriki yıllarda gelebilecek zamlardan ötürü hesaplanan kar yüzdesi artıp, azalabilir. Yapılan hesaplamalardan sonra alana en uygun olan akü bloğunun, Siemens Battery Design Studio'da modelleme ve termal analizi yapılmıştır. En son bölümde yer alan sonuç kısmında, yapılan teze ek olarak lityum iyon akülerin güvenlik riskleri, alınan önlemler ve gelecek dönemlerde olabilecek araştırmalara konu olabilecek bazı bilgilere değinilmiştir. Traksiyonel aküler gibi lityum iyon akülerde dönüşüm yapılarak tekrar kullanılıp, çevreye zarar vermeyecek bir uygulama olacağı yönündeki görüşümüz ve umudumuz devam etmektedir.

Özet (Çeviri)

In our rapidly evolving world, where the ever-growing population, the rapid depletion of limited resources, and the increasing imbalances in resource distribution continue to pose significant challenges, research and efforts aimed at ensuring a cleaner, more livable environment both for today and for future generations are becoming increasingly important. Renewable energy sources such as solar, wind, hydro, and geothermal have recently gained more recognition across various platforms and are regarded as the most suitable energy solutions for corporate entities committed to sustainability principles. These energy sources, unlike fossil fuels, are not finite but can be continuously replenished by nature, eliminating the risk of depletion. Moreover, they offer environmentally friendly energy solutions that cause minimal harm to the planet. In today's world, where global warming is steadily increasing and posing a greater threat to our lives with each passing day, investments in rapidly growing renewable energy sources continue to rise at an accelerating pace, supported by government incentives. The production of energy from renewable sources is gradually surpassing that of traditional energy sources, and in some countries, it has even taken the largest share in energy generation. As the most abundant energy source available to us, the sun has become one of the fastest-growing renewable energy sources due to the rising global energy demand. Government incentives, along with the increasing interest and demand from individual users, have significantly reduced the costs associated with solar energy. The durability of the materials used and the considerable reduction in payback periods have made solar energy more accessible and practical for residential use. Additionally, wind energy one of the oldest energy sources in history has been experiencing rapid growth worldwide for similar reasons. With decreasing costs and shorter amortization periods, many countries have been increasingly adopting wind power, further driven by growing environmental concerns. As a result, wind energy has gained significant traction across the globe as a key component of the transition toward sustainable and eco-friendly energy solutions. Automotive and heavy machinery manufacturers have not remained indifferent to these developments and have intensified their efforts to gradually reduce and ultimately eliminate carbon emissions in accordance with regulatory frameworks. Leading companies in these sectors have started developing environmentally friendly technologies to address the harmful effects of carbon monoxide emissions from exhaust gases on both humans and the environment. One of the first steps in this process was the development of the AdBlue system, designed to reduce the nitrogen oxide content in exhaust gases of vehicles equipped with selective catalytic reduction systems. In this system, AdBlue liquid is sprayed onto the exhaust gases resulting from combustion in the engine chamber, triggering a chemical reaction that releases water and nitrogen into the atmosphere. According to emissions regulations, the use of AdBlue has been made mandatory in European Union countries. Due to these regulations, AdBlue usage has become compulsory in all newly manufactured diesel vehicles in recent years. The AdBlue solution consists of 32.5% purified urea and 67.5% deionized water. Turkey has also adapted to these changes by manufacturing heavy machinery and vehicles that comply with emission standards and incorporating AdBlue systems into all newly produced diesel vehicles. In recent years, vehicles lacking AdBlue systems have been denied entry at customs, and older engine models that do not support the system have faced significant regulatory challenges during importation. Manufacturers and users aiming for zero emissions are closely following further developments. Interest in electric vehicles, which completely eliminate emissions, is growing rapidly. The challenges associated with battery power, long charging times, and battery life are gradually being overcome, and the significant decrease in material costs, combined with high profitability after use, has drawn increasing attention from both individual users and corporate entities toward electric vehicles and heavy machinery. The fact that electricity prices remain lower compared to other petroleum-based fuels is one of the key reasons for the transition, especially for companies that operate using electric forklifts and construction machinery. Additionally, the lower maintenance costs of electric forklifts and construction machinery compared to non-electric vehicles, along with credit incentives and the increasing sensitivity of countries toward this issue, have accelerated this transition in recent years. To address concerns about charging times, special fast-charging units and new technological battery types have been developed, and efforts continue to provide even faster solutions. The latest battery-powered excavator from Fuchs has gained significant attention because it can be used both on battery power and by plugging into an electric outlet. Even if its battery runs out, it can continue operating by being plugged in, allowing the machine to function while simultaneously charging its batteries, eliminating the need to wait for the charging process to complete. At Bauma 2022, one of the largest trade fairs for construction machinery and forklifts, lithium-ion batteries for heavy machinery were introduced. The improvements in shorter charging times, longer battery life, and the elimination of the need to swap batteries due to their extended charge duration were particularly noteworthy. In addition to electric and battery-powered machinery, hydrogen-powered equipment has also begun to emerge. Given the rapid refueling time and low cost of hydrogen, a key debate in the next decade is likely to center around whether electric/battery-powered vehicles or hydrogen-powered vehicles will dominate the market. Electric forklifts, the subject of this thesis, initially entered the market with traction batteries due to the high cost and safety concerns of lithium-ion batteries at the time. Although traction batteries have lower safety risks compared to lithium-ion batteries, they are insufficient in terms of economic lifespan. Moreover, their long charging times present a significant disadvantage. In a factory operating 24/7, two spare traction batteries are kept for a single electric forklift to ensure continuous operation. While the spare batteries are charged, operations continue. However, replacing batteries leads to time loss, and moving back and forth to the charging room to swap batteries results in additional labor loss. With the adoption of Lithium Iron Phosphate (LFP) cells, the cost of lithium-ion batteries has been steadily decreasing while safety risks have been mitigated. The polymer bond in the crystalline structure of LFP cells is more stable and difficult to break down, allowing them to maintain their structural integrity even under overcharging or high-temperature conditions, thereby reducing safety concerns. Chinese-made electric forklifts and machinery equipped with lithium-ion batteries have started entering the domestic market. Due to their long usage time with intermediate charging, significantly longer economic lifespan compared to traction batteries, elimination of time loss from battery swaps, and positive contributions to labor efficiency, they are in high demand. Based on this situation, this thesis examines the theoretical results and costs of transitioning to lithium-ion batteries for the electric forklifts of a company that has been using traction batteries for approximately nine years. Since the wear and power consumption of each electric forklift vary due to different working conditions, data was collected in real time from three electric forklifts operating in various environments. These forklifts performed loading, unloading, and transport tasks under their regular shift conditions. Using this data, a load profile was created, and the current draw rates were determined based on the tasks performed during a shift. The aim was to design the most suitable and cost-effective lithium-ion battery possible based on these findings. Using the traction battery block information and the generated load profile, three different battery types from Pomega were examined and calculated. The goal was to identify the most suitable battery type for the forklift's battery compartment and capacity. To achieve the required voltage value, cells were connected in series, and to reach the required nominal capacity, cells were connected in parallel, and battery calculations were performed. During the calculations, it was assumed that the batteries would be installed in a single layer within the battery compartment. If a larger capacity is required, recalculations will be made to provide a higher-capacity battery block. However, in this case, the battery price and the number of battery charge input points would also increase. After selecting the most suitable lithium-ion battery block for the area, a cost comparison between traction batteries and lithium-ion batteries was conducted. Operating costs and battery lifespan were included in the comparison, and calculations were based on current battery prices in the market. Due to possible future price increases, the calculated profit margin may rise or fall. Following these calculations, the most suitable battery block for the area was modeled and thermally analyzed using Siemens Battery Design Studio. In the conclusion section, additional information was provided about the safety risks of lithium-ion batteries, the precautions taken, and potential areas for future research. We remain optimistic that, like traction batteries, lithium-ion batteries can be recycled and repurposed to ensure environmentally friendly applications.

Benzer Tezler

Tez No
959881
Dinamik yük koşulları altında elektrıkli forkliftlerde lityum-iyon bataryaların şarj durum tahmini ve performans analizi
State of charge estimation and analysis of lithium-ion batteries in electric forklifts under dynamic load conditions
HASAN BERKAY DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Manisa Celal Bayar Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEZAİ TAŞKIN
Tez No
940306
Dual estimation of state of charge and state of health for lithium ion batteries
Lityum iyon piller için şarj durumu ve sağlık durumunun çift tahmini
İLHAN TOPKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Okan Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER CİHAN KIVANÇ
Tez No
649852
Physical Based Modeling of the Electrochemical Impedance of Lithium-Ion Batteries
Lityum-iyon bataryaların elektrokimyasal empedansının fiziksel modeli
ONGUN BORA SABAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Enerji Gebze Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ ARSLAN
DOÇ. DR. MUSTAFA FAZIL SERİNCAN
Tez No
809564
Lityum-iyon bataryaların termal performansının sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Numerical investigation and optimization of the thermal performance of lithium ion batteries
ORHUN BATURAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Enerji Erciyes Üniversitesi
Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GAMZE GENÇ
Tez No
677400
Lityum iyon bataryaların makine öğrenimi yöntemleri ile sağlık durumu kestirimi
State of health estimation for lithium-ion batteries using machine learning methods
ÇETİN ORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ

Geri Dön