Elektrikli araçlardaki süperkapasitör bankaları için ilk yatırım maliyeti tahmin yaklaşımı
An initial investment cost estimation approach for the supercapacitor banks in electric vehicles
- Tez No: 999877
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NÜKHET SAZAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, elektrikli araçlarda enerji depolama sistemleri kapsamında süperkapasitörlerin kullanımını ele almakta ve özellikle süperkapasitör bankalarının tasarımı ve optimizasyonuna odaklanmaktadır. Fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılması ve çevresel kaygıların artması, elektrikli araçları sürdürülebilir ulaşım çözümlerinin ön saflarına taşımıştır. Ancak, lityum-iyon bataryaların sınırlı güç yoğunluğu, uzun şarj süresi ve çevrim ömrü gibi dezavantajları nedeniyle süperkapasitörler tamamlayıcı bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Hızlı şarj/deşarj kabiliyeti, uzun ömür, yüksek güç yoğunluğu ve geniş sıcaklık aralığında çalışma gibi üstün özellikleri sayesinde süperkapasitörler, ani hızlanma ve rejeneratif frenleme gibi uygulamalarda etkili bir çözüm sunmaktadır. Bu bağlamda, süperkapasitör teknolojisinin temel ilkeleri, farklı türleri (EDLC, psödokapasitör, hibrit) ve elektrot malzemeleri (karbon esaslı, geçiş metali oksitleri, iletken polimerler) detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca elektrolitler ve ayırıcıların performansa etkileri değerlendirilmiş ve enerji yoğunluğunu artırmaya yönelik son malzeme geliştirmelerine de yer verilmiştir. Süperkapasitörlerin elektrikli araçlardaki uygulamaları arasında hızlanma desteği, rejeneratif enerji geri kazanımı, soğukta çalıştırma ve batarya ömrünü uzatma gibi konular analiz edilmiştir. Bataryalarla birlikte kullanılan hibrit enerji depolama sistemlerinin (HEDS) avantajları ve farklı yapılandırmaları (pasif, yarı aktif, aktif) açıklanmıştır. Çalışmanın temel bölümlerinden biri süperkapasitör bankalarının boyutlandırılması ve maliyet analizidir. Tasarım kriterleri arasında gerilim, kapasite, ısı yönetimi, ağırlık, hacim ve sistem entegrasyonu gibi faktörler detaylandırılmıştır. Hücre maliyeti, Batarya Yönetim Sistemi (BYS) maliyeti, soğutma ve montaj gibi bileşenlerin maliyetleri değerlendirilmiş ve uzun ömür nedeniyle süperkapasitörlerin toplam yaşam döngüsü maliyetinde avantaj sağlayabileceği belirtilmiştir. Deneysel ve analitik kısımda, belirli bir sabit enerji düzeyinde (2304 J) ve değişen çalışma gerilimlerinde (16 V, 24 V, 32 V) çeşitli modül konfigürasyonları analiz edilmiştir. Gerilim arttıkça kapasitenin düştüğü, seri hücre sayısının ve ESR'nin yükseldiği; paralel hücre sayısı azaldıkça akım taşıma kapasitesinin azaldığı gözlemlenmiştir. Maxwell BCAP serisinden farklı hücrelerin karşılaştırmalı analizi sonucunda BCAP3000 K2 hücresinin düşük ağırlığı, düşük hücre sayısı, yüksek güç yoğunluğu ve düşük sistem karmaşıklığı sayesinde elektrikli araçlar için en uygun seçenek olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması süperkapasitörlerin elektrikli araçlardaki kullanımının teknik ve ekonomik açıdan uygulanabilirliğini kapsamlı şekilde değerlendirmiştir. Süperkapasitörlerin bataryalarla birlikte hibrit sistemlerde kullanılması, araçların performansını, güvenilirliğini ve verimliliğini önemli ölçüde artırma potansiyeli taşımaktadır. Elde edilen veriler, gelecekteki elektrikli araç teknolojileri için yol gösterici niteliktedir.
Özet (Çeviri)
This study explores the use of supercapacitors in energy storage systems for electric vehicles, with a particular focus on the design and optimization of supercapacitor banks. Due to growing environmental concerns and the need to reduce dependence on fossil fuels, electric vehicles have emerged as a key component of sustainable transportation. However, the limitations of lithium-ion batteries—such as low power density, long charging times, and limited cycle life—make supercapacitors an appealing complementary technology. Their ability to charge and discharge rapidly, long lifespan, high power density, and wide temperature tolerance make them ideal for high-power-demand scenarios such as acceleration and regenerative braking. The thesis reviews the basic principles of supercapacitor technology, its types (EDLC, pseudocapacitors, hybrids), and various electrode materials (carbon-based, transition metal oxides, conductive polymers). It also evaluates the impact of electrolytes and separators on performance and highlights recent material advancements aimed at improving energy density. Applications of supercapacitors in electric vehicles—such as acceleration support, regenerative energy capture, cold-start assistance, and battery life extension—are examined. The advantages and configurations (passive, semi-active, active) of hybrid energy storage systems (HESS) combining batteries and supercapacitors are also analyzed. A key part of this research focuses on the sizing and cost estimation of supercapacitor banks. Design parameters such as voltage, capacitance, thermal management, weight, volume, and integration have been discussed in detail. The cost analysis includes cell cost, Battery Management System (BMS), cooling, packaging, and installation. While supercapacitors may have a higher initial cost, their long operational life can make them more cost-effective over the full life cycle. In the experimental and analytical section, multiple module configurations were analyzed under a fixed energy level (2304 J) and varying working voltages (16 V, 24 V, 32 V). It was observed that increasing the voltage decreases the overall capacitance, increases the number of series-connected cells, and raises the total ESR. As the number of parallel cells decreases, the system's current-handling capability also declines. A comparative analysis of various Maxwell BCAP cells showed that the BCAP3000 K2 cell is the most suitable for electric vehicle use, offering advantages such as reduced weight, fewer cells, high power density, and lower system complexity. In conclusion, this study provides a comprehensive evaluation of the technical and economic feasibility of integrating supercapacitors into electric vehicles. When combined with batteries in hybrid systems, supercapacitors have the potential to significantly enhance vehicle performance, reliability, and efficiency. The findings offer valuable insights for the future development of electric mobility technologies.
Benzer Tezler
- Hibrit ve elektrikli araçlarda süperkapasitör ve lityum iyon bataryaların kontrol edilerek güç sistemlerinde kullanılması
Using supercapacitors and lithium-ion batteries in hybrid and electric vehicles power systems
FEYYAZ ALPSALAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
EnerjiCumhuriyet ÜniversitesiEnerji Bilimleri ve Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ TÜRKAY
- Yakıt hücresi tabanlı hibrit elektrikli araçta hata önleme ile yeni bir enerji yönetimi ve ekserjik performans iyileştirmesi
Exergetic performance improvement by a novel energy management with fault tolerance in a fuel cell based hybrid electric vehicle
CEYDA KÖK
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİskenderun Teknik ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SUHA ORÇUN MERT
- Design of a battery managament system for electric forklift
Elektrikli forkliftler için batarya yönetim sistemi tasarımı
MUZAFFER ANIL ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Okan ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN NEJAT TUNCAY
- Nickel and cobalt boride based high-capacity electrodes: production, characterization and supercapacitor performance
Nikel ve kobalt borür esaslı yüksek kapasiteli elektrotlar: üretimi, karakterizasyonu ve süperkapasitör performansı
MEHTAP ARSLAN KABA
Doktora
İngilizce
2026
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Light-driven synthesis of bio-based polymers and their supercapacitance investigation
Biyo-temelli polimerlerin ışığa dayalı sentezi ve süperkapasitans incelemeleri
SENA ERMİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ KIŞKAN
DOÇ. DR. KEREM KAYA