Plug-in Hibrit ve Elektrikli Araçların Şarjı Hakkında — Bölüm 1
Merhabalar, bu yazımda hayatımızda her geçen gün daha sık karşılaştığımız ve ileriki süreçte her birimiz için alışkanlık haline gelecek elektrikli araç şarjı hakkında yazıyorum.
Otomobillerin elektrifikasyon süreci son 20 senelik bir süreçte önündeki ekonomik ve teknik bariyerlerin aşılmasıyla her geçen gün hızlanarak artmaktadır. 2018 yılında -2017de 2 milyon artarak- 5,1 milyondan fazla elektrikli araç yoldaydı ve bu sayı her geçen yıl katlanarak artmaktadır.
Elektrikli araçların hayatımızda yer edinmesiyle beraber insanlar yeni bir kavramla daha tanışmış oldu: Elektrikli Araçların Şarjı. Plug in Hibrit ve Elektrikli Araçların çalışması batarya paketlerinde depolanan elektrik enerjisine dayandığından, bu tür araçların şarj edilmesi temel bir ihtiyaçtır (Hibrit araçlar enerjisini barındırdıkları içten yanmalı motordan karşılamakta. Plug in Hibritler bu konuda ayrılmaktadır.) Uluslararası Enerji Ajansı, 2018'in sonuna kadar tüm dünyada yaklaşık 5,2 milyon (2017 rakamı bu sayınını %44’ü olmaktadır) şarj noktası bulunduğunu belirtmektedir [1]
Türkiye malesef ki yaklaşık 2000 elektrikli araç ile henüz elektrifikasyon sürecinde başlangıç noktasındadır. Fakat SHURA tarafından paylaşılan çalışmada 2030 yılında toplam binek araç satışlarının %55’ine ulaşacağı ve elektrikli araçların toplam araç stokunun %10’unu (2.5 milyon Elektrikli ve plug-in hibrit) temsil edeceği öngörülmektedir. Ayrıca bu sayede 25.000 adeti DC hızlı şarj istasyonu olmakla beraber 1 milyona yakın farklı kullanıma yönelik şarj istasyonunun devrede olması beklenmektedir. [2] Halihazırda Zorlu Enerji, Voltrun, Vestel, Eşarj, Gersan gibi şirketler de gerek ürün gerek şarj altyapı konusunda çalışmalar yürütmektedir. Ayrıca BlueDot ve Car4Future gibi şirketler de Türkiye’den globale adım atan gurur kaynağı girişimlerimizdir.
Rakamlar üzerinden dünyada ve Türkiye’de gelişimi konuştuğumuza göre Elektrikli Araçların Şarj meselesine geri dönebiliriz. Öncelikli olarak dikkat etmemiz gereken şey elektrikli araç şarj yükünün evlerimizde ya da ofislerimizde bulunan herhangi bir ev aletine benzemiyor olmasıdır. Şayet standart bir evin ortalama gücünü 5 kW olarak düşünürsek en düşük düşük seviye şarj işleminin 3.7 kW olup 7.4, 11, 22 kW a (Burada kVA vermek daha doğru olabilir ama kafa karışıklığı yaratmak istemem) çıktığını söylemek çekilecek yükün büyüklüğünü açıklamaya yetecektir. Dolayısıyla yaptığımız işlem bir telefonu şarj etmenin ya da su ısıtmanın çok üstünde bir güç talep etmektedir. Güzel bir örnek vermek gerekirse bir şarj istasyonu sağlayıcısının farklı güçlerdeki ürünlerini ve araçları şarj etme hızını şu tablodan görebilirsiniz. [3]
Elektrikli Araç Şarj Şekilleri
Tanımlar ve sayılar verildi, algılar revize edildiğine göre artık işin teknik boyutuna giriş yapabiliriz.
Farklı tür kullanım alanları ve güç ihtiyaçları için farklı seviyelerde ve şekillerde şarj metotları bulunmaktadır. Şayet evinizde, kamu alanlarında veya uzun yolculuklardaki ihtiyaçlarınız birbirinden oldukça farklıdır. Bu ihtiyaçlara cevap verirken de çözümler standart haline getirilmiştir. Yazının devamında da EV Şarjı hakkında tüm tanımlara ve yöntemlere yer vermeye çalışılacak. Dürüst olmak gerekirse, o kadar çok birbiri ile bağlantılı tanım ve sınıf var ki hangisinden başlamak en iyi yöntem emin değilim.
İlk açıklık getirmek istediğim konu Charging Station ve Charger kavramları. Bu iki kavramı duyduğunuzda aklınıza aynı şey geliyorsa yanılıyorsunuz. Bu iki kavram şarj işleminin iki ayrı ekipmanı olmaktadır. Şarj İstasyonu ya da başka değişle EV Supply Equipment (EVSE) şebekeden alınan elektrik enerjisinin uygun formda ve güvenli şekilde araca aktarılmasını sağlayan ekipmandır. Bu ekipman bağlantı kablosundan, güvenlik amaçlı sigorta, kontaktör sisteminden ayrıca varsa ödeme ve haberleşme sisteminden oluşmaktadır. EVSE şarj işleminin güvenliğinden, araç şebeke arası haberleşmeden ve ticari alışverişten sorumludur.
Elektrikli araçlarda bulunan batarya sistemleri yapısı gereği doğru akımla beslenmektedirler. Dolayısıyla şebekeden çekilen alternatif akımın doğrultulması ve uygun gerilime getirilmesi gerekmektedir. Charger olarak adlandırdığımız ekipman ise EVSE’den aldığı AC formdaki enerjiyi araç batarya sistemine uygun DC forma çeviren ünitedir. (Şimdi bilenler parmak kaldıracak, baştan söyleyeyim. Evet haklısınız, DC çıkış veren istasyonlar var ve gerekli güç elektroniği düzeneği içinde. Kafa karışıklığı yaratmamak adına şimdilik kalsın ^^ ). EV Charger üniteleri araç içinde bulunmaktadır ve bataryaya aktarılacak enerjiyi düzenlemektedirler. Şekilde EVSE ve Charger üniteleri konumu ve aralarındaki koordinasyon görülmektedir. [4] [5]
Şimdi Şarj İstasyonlarına geri dönüp daha detaylı inceleyebiliriz. Biraz önce de bahsettiğim gibi sarj istasyonları sağladığı çıkış gücüne, enerji formuna ve bağlantı şekline göre sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırmalar özellikle IEC, SAE, IEEE ve GB kuruluşları tarafından oluşturulmuş ve dünya çapında kabul görmüştür. Bu standartlar çerçevesinde (kablosuz şarjı başka bir makaleye bırakarak) şarj şekillerini sınıflandıralım.
- Öncelikle şarj çıkışına göre AC ve DC olarak ve ayrıca monofaz ve trifaze olarak şarj istasyonlarının ayrılabileceğinden bahsedebiliriz. DC Şarjda bahsedildiği üzere AC-DC doğrultma işlemi charger tarafından değil istasyon tarafından sağlanmaktadır. Dolayısıyla DC şarj istasyonları içerisinde bağlantı güvenlik ekipmanlarına ilaveten güç elektroniği düzeneğini de barındırır. Doğrultma işlemi araçta küçük bir charger ünitesinde değil de ticari bir şarj istasyonunda olması fiziksel ve ekonomik sınırların ötesine çıkılması ve şarj gücünün 50 kW ile 350 kW mertebelerine kadar ulaşmasını sağlamaktadır. Çünkü doğrultma işlemi araçtaki düşük güçlü ünitede değil istasyonda yapılıp charger bypass edilerek direk batarya sistemine ulaşmaktadır. Bu özelliğinden dolayı da bu istasyonlara DC Fast Charger da denmektedir. AC Şarj İstasyonları ise monofaz ve trifaz çıkışına göre sınıflandırılmaktadır. Hatta şarj soketleri de faz sayısına göre Type-1 ve Type-2 olarak iki şekildedir. Elbette ki tip 2 şarj trifaze olmasıyla 22 kW (32 Amper) çıkış gücü ile tip 1 den daha güçlüdür. [6]
- SAE standartlarına göre şarj işlemi sağlanan güce göre 3 seviyeye ayrılmıştır.
• Seviye 1 Şarj cihazları, yaygın olarak mesken alanlarında kullanılan 1,44–1,92 kW tek fazlı şarj cihazlarıdır. Şebekeye bağlı olarak 120 / 230V, 12 / 16A sağlarlar. Standart NEMA 5–15R prizi, SAE J1772 konektörü ve güvenlik ekipmanlarının kombinasyonu ile kullanılabilirler. Ekstra altyapıya ihtiyaç duymadıkları için uygun maliyetli ve konut kullanımları için uygundur. Aynı zamanda en yavaş şarj yöntemidir.
• Seviye 2 Şarj cihazları genellikle üç fazlı AC şebekesinden beslenir. Bu nedenle, güç oranları 22 kW’a kadar çıkmakta ve genellikle ticari amaçlarla halka açık istasyonlarda kullanılmaktadır. Seviye 2 şarj cihazları, özel ekipman, ekstra elektrik koruması gerektirir. Ticari kullanımda, ölçüm cihazları, ödeme sistemi, özelleştirilmiş HMI ve ağ bağlantısı ile donatılmıştır. SAE J1772 Konektörü bu şarj istasyonları ile kullanılabilir.
• Seviye 3 Şarj Cihazları 300 kW’a kadar DC güç sağladıkları için DC Hızlı Şarj İstasyonları olarak adlandırılır. Günümüzde, standart bir elektrikli aracı % 80 şarja yalnızca 15 dakikada şarj edebiliyorlar. Otobanlarda hızlı dolumlar için uygun bir yöntemdir. Ancak, DC Hızlı Şarj Cihazları, son teknoloji güç elektroniği sistemlerine, yüksek güçlü özel ekipmanlara ve yüksek düzeyde korumaya sahip oldukları için diğer EVSE’lerden çok daha pahalıdır. - IEC 61851 standartında ise şarj istasyonları özelliklerine göre 4 modda sınıflandırılmıştır.
• Mode-1 Şarjda, normal bir 230 Volt AC soket kullanılır. Bu şarj yöntemi iletişimden, dolayısıyla güvenlikten yoksundur. Bu nedenle Mod 1'de şarj kapasitesi, IEC 61851–1 standardı kapsamında maksimum 2,3 kW ile sınırlandırılmıştır. Bu güçte ise elektrikli araçtan ziyade scooter ve bisikletler şarj edilmektedir.
• Mod-2 Şarj, güvenlik için bir haberleşme/kontrol kutusu bulunmaktadır. Bu sistem, akımı ancak priz tarafında topraklama varsa iletmektedir. Şarj ekipmanı şarj yükünü sınırlandırmaktadır ve şarj kapasitesini kontrol edebilir. Maksimum şarj kapasitesi 7,4 kW 1 fazlı, 32A soket veya 22 kW 3 fazlı 32A besleme.
• Mod-3 şarjda şarj istasyonu kontaktörler, sigortalar, artık akım anahtarları ile desteklenmiş ve yüksek AC güçlere ulaşmıştır. Sistem 3 fazlı olabilmektedir ve 16–32 amper çeşitlerine göre 11–22 kW çıkış verebilmektedir.
• Mode-4 Şarjda, AC/DC doğrultma işlemi istasyonda gerçekleşmektedir. Bu sayede elektrik enerjisi araçtaki şarj cihazını atlayarak doğrudan batarya sistemlerine iletilebilir. Sağlanan DC şarj gücü genellikle 50 kW ile 350 kW arasında değişir ve şarj akımı 400 ampere ulaşabilir. Bu kadar yüksek akımlar için sıvı soğutmalı sistemler dahi kullanılmaktadır.
Şekilde farklı şarj modlarının gösterimi verilmiştir; [3] [7]
4. Son olarak yine standartlaşmış birer tasarım olarak konnektörlerden bahsetmek istiyorum. Tıpkı dünyanın farklı bölgelerinde farklı priz tipleri kullanıldığı gibi farklı konnektörler de kullanılmaktadır. Yine de en azından bölgesel olarak priz tiplerinde olduğu gibi standart tasarımlar mevcuttur. Bu konnektörleri AC ve DC konnektörler olarak sınıflandırabiliriz. Daha fazla ayrıntıya girmeden standartlaşmış konnektör çeşitlerini içeren görseli sizlerle paylaşıyorum. Görüldüğü üzere konnektörler bölgesel olarak, faz konfigürasyonuna göre (Tip I ve Tip 2) ve formuna göre ayrılmaktadır. Ayrıca Tesla kendine has adaptörü ile karşımıza çıkmaktadır. CCS2 ile örnek vermek gerekirse görüldüğü gibi iki bölmeden oluşmaktadır. Alttaki bulunan iki geniş pin DC pozitif ve negatif çıkışlarını oluşturmaktadır. Üst bölümde bulunun 5 orta genişlikteki pinler 3 faz, 1nötr ve 1 toprak (3L,1N,1PE) girişi bulundurmaktadır. En üstte bulunan küçük pinler ise araç ünite arasındaki data aktarımını sağlamaktadır.
Son olarak yazıda da faydalandığım kabul gören standartları paylaşarak bölümü bitiriyorum. Bir sonraki bölümde şarj işleminin enerji dönüşümü ve güç elektroniği kısmını açıklamayı hedefliyorum.
IEC, elektroteknolojinin tüm alanları için uluslararası standartlar ve uygunluk değerlendirme kuruluşudur. Yayınları;
- IEC 61851: İletken yerleşik ve yerleşik şarj sistemleri için standart
- IEC 61980: Kablosuz Güç Aktarım Sistemleri standartlarını kapsar
- IEC 62196: İletken için soketler, prizler, konektörler için referans tasarım; indüktif şarj cihazları için girişler.
Society of Automotive Engineers (SAE), ABD merkezli küresel olarak aktif bir meslek birliği ve standartları geliştiren bir organizasyondur. Yayınları;
- SAE J2293, farklı güç segmenti fiziksel ve indüktif şarj cihazı mimarilerini ve iletişim gereksinimlerini kapsar.
- SAE J1772: Temaslı şarj için standartlar
- SAE J1773: Kablosuz indüktif şarj için standartlar
- SAE J2847: Şebeke, araç ve şarj cihazı arasındaki İletişim Standartları
Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Standartları Birliği Enstitüsü (IEEE-SA), IEEE bünyesinde, çok çeşitli endüstrilerde küresel standartlar geliştiren bir kuruluştur.
- IEEE1547, dağıtılmış enerji kaynaklarının elektrik güç sistemleri ile ara bağlantısını kapsayan bir standarttır. Performans, test, çalıştırma ve güvenlik parametreleri dahildir.
GB Standartları, Çin Standardizasyon İdaresi tarafından yayınlandı ve Çin’de kabul edildi
- GB / T 20234: EV iletken şarjı için fişler, soketler ve konektörler için standartları kapsar
- GB / T 18487: İletken şarj ve şarj istasyonlarının genel gereksinimleri için standartlar [8]
Referanslar
[1] G. Bundestag, Innovation Outlook Charging for Electric. .
[2] D. Saygın, O. Tör, S. Teimourzadeh, M. Koç, J. Hildermeier, and C. Kolokathis, Türkiye ulaştırma sektörünün dönüşümü : Elektrikli araçların Türkiye dağıtım şebekesine etkileri. 2019.
[4] F. Musavi, “Fundamentals of Chargers,” pp. 439–464, 2014.
[5] X. Gong and J. Rangaraju, “Taking charge of electric vehicles — both in the vehicle and on the grid,” Texas Instruments, p. 13, 2018.
[6] M. Yilmaz and P. T. Krein, “Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 5, pp. 2151–2169, 2013.
[7] A. Bahrami and B. Corporate, “EV Charging Definitions , Modes , Levels , Communication Protocols and Applied Technical Report EV Charging Definitions , Modes , Levels , Communication Protocols and Applied Standards,” no. January, 2020.
[8] H. S. Das, M. M. Rahman, S. Li, and C. W. Tan, “Electric vehicles standards, charging infrastructure, and impact on grid integration: A technological review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 120, no. February 2019, 2019.
[Son Olarak] Kendime haksızlık etmeyeyim. Şu anda güncel olarak hazırlamakta olduğum bitirme tezinden de oldukça faydalandım. Dolayısıyla gelecekteki kendi makaleme atıf yapabilirim :)
