Plug-in Hibrit ve Elektrikli Araçların Şarj Sistemleri — Bölüm 2

Photo by CHUTTERSNAP on Unsplash

Merhabalar,

İlk bölümde plug-in hibrit ve elektrikli araçların (PHEV) şarjı hakkında temel bilgileri, kavramları ve kullanılan standartları açıklamıştım. Bu bölümde sizlere uçtan uca bir şarj sisteminin parçalarını detaylıca açıklamak istiyorum.

Tanımlar değerlidir, tanımlar üzerine tekrar düşünmek daha da değerlidir

Elektrikli araç şarj işlemi bir bütün olarak incelendiğinde şöyle açıklanabilir: Şebekeden elde edilen elektrik enerjisinini, güvenlik ve güç kalitesi standartları dahilinde, DC forma doğrultulması ve araç batarya sistemine uygun gerilim ve akım seviyesinde iletilmesi olarak açıklayabilirim. Güç enerji aktarım işlemindeki güç dönüşümleri şarj ekipmanları ve onların alt birimleri tarafından gerçekleştirilmektedir ve bu işlemler önceki bölümde bahsettiğim şarj istasyonu (EVSE) ile charger arasında paylaşılmaktadır. Bilgisayarlarınızı şarj ederken yaptığınız işlemde aslında yaklaşık olarak aynı işlemdir. Fakat 120 watt gücünde bir cihaz yerine 300 kW seviyelerine kadar ulaşabilen, birden fazla konutun çektiği güce eş bir sistemi beslerken elbetteki bildiklerimizi bir kenara koymakta fayda var :)

Peki bir elektrikli araç şarj sisteminden neler beklemek gerekir ? Buna bir mühendis gözüyle cevap vermek gerekirse;

• Güvenli, kabul görmüş standartlara uygun olması
• Yüksek şarj güçlerine çıkabilmesi, bir başka deyişle şarj süresinin kısa olması
• Yüksek verimli olması, yani şebekeden araç bataryasına kadarki süreçte kayıpların azaltılması
• Az yer kaplaması, hafif olması ya da literatürdeki tabiriyle güç yoğunluğunun yüksek olması. (Güç elektroniği mühendisinin camiada en hava atacağı şeylerden biri sisteminin güç yoğunluğudur :) )
• Olmazsa olmaz bir talep: ucuz olması

Elbette ki tüm bu özellikler bir arada toplamak imkansızdır. Bir ürün ise tüm bu özellikleri yeteri kadar barındırmasıyla başarılı sayılabilir. Zira farklı uygulama alanları ve taleplere hizmet veren çok farklı şarj sistemleri mevcuttur. [1], [6]

Bir şarj sistemi nelerden oluşur ?

Elektrikli araç şarj sistemini açıklayan bir görsel [1]

Batarya sistemleri kimyasal yapısı dolayısıyla doğru akım ile beslenip güç çıkışı elde edilen sistemlerdir. Dolayısıyla şebekeden aktarılan enerji köprüden önceki son çıkışta uygun DC gerilime regüle edilir. Bir şarj sistemi uçtan uca şu sistemlerden oluşur;

1) Güvenlik Ekipmanları ve Filtreler

Fotoğraf [2] numaralı makaleden alıntıdır. Bir şarj ünitesinin içini açtığınızda muhtemelen göreceklerinin standart bir elektrik panosundan farklı olmayacak. Burada samimi bir soru sormak istiyorum, güvenlik standartlarına uymak gerçekten önemli ve aracı tehlikeye atmaktan çok daha ucuz bir yöntem. Yine de herhangi bir elektrik panosundan çok farklı olmayan bu sistemlere yüzlerce dolar ödemek ne kadar makul ?

Hem elektrikli aracı hem de şebekeyi olası kısa devreler ve güç kalitesi sorunlarından korumak için şarj ekipmanlarının ilk birimleri anahtarlar, kontaktörler, sigortalar, sayaçlar ve sensörlerdir. Arıza durumlarında şarj işlemini durdurmak ve gücü kesmekten görevlidirler. Güvenlik sistemlerinin ardından sistemi gerilim ve akım bozulmalarından korumak için genellikle pasif filtreler, EMI filtreleri şarj ünitelerinin girişlerinde bulunurlar.

2) Doğrultucular, Güç Faktörü Düzenleyiciler (PFC)

Giriş filtrelerinin ardından yapılan ilk işlem genellikle AC formda çekilen gücün doğrultulması işlemidir. Burada farklı tip doğrultucu düzenekleri görmek mümkündür. En bilineni 4 adet diyodtan oluşan köprü doğrultuculardır fakat yüksek güçlerde tercih edilen bir dönüştürücü değildirler. [Güç elektroniğinde hiçbir şey kolay değildir, kolay olanlar da genelde işe yaramaz :) ]

Doğrultma işlemi LC yüklerinden oluştuğundan ve yüksek anahtarlama frekanslarında gerçekleştiğinden güç faktörü ve harmonik bozulma sorunları kritik hale gelir. Geleneksel köprü doğrultucuları, gerilim bozulmasına neden olan enjekte edilmiş akım harmonikleri ile bu gereksinimleri karşılayamaz. Bu bozulma, iletişim cihazlarında parazite ve transformatörlerde veya kablolarda kayıplara neden olur. Öte yandan, pasif filtrelerin büyüklüğüne göre düşük güç yoğunluğuna sahiptirler. Tüm bu dezavantajlar, Güç Faktörü Düzeltme devrelerini şarj cihazları için gerekli kılar. Güç faktörü düzenleyiciler çekilen akımın şebeke gerilim formuna uygun şekle getirilmesini sağlayan sistemlerd.r Elektrikli araç şarj sistemlerininin tümü farklı tür PFC sistemlerinden birini kesinlikle bulundururlar. [3], [4]
Çok fazla kafanızı karıştırmadan ilgili arkadaşları Fırat Devecinin sayfasına yönlendiriyorum.

Kendi çalışmamda köprü doğrultucunun etkisini gösterdiğim bir simülasyon çıktısı. Gördüğünüz gibi THD %130 gibi anormal seviyelerde. Böyle bir sistemi yüksek güçlerde kullanmak insafsızlık olurdu :)

3) DC/DC Çeviriciler

Batarya sistemine ulaşmadan önceki son işlem doğrultulan DC gerilimin uygun seviyelere getirilmesidir. Gerilim seviyesi her batarya sistemi için özel olmakla beraber aynı segmentteki araçlarda genellikle yakın değerlerdir. Elektrikli araç çeviricileri güvenlik açısından galvanik izolasyonlu halde tasarlanmaktadırlar. Yani çeviricide giriş ve çıkış yüklerini fiziksel olarak ayıran, manyetik olarak enerji aktarımı sağlayan bir trafo bulunmaktadır. Bu sayede yaşanacak arızalarda ve hata akımlarında araç batarya sistemi korunmaktadır. Pek çok farklı çevirici türü bulunmaktadır ve zero voltage switching ya da rezonans çevrim gibi yöntemler verimi ve güç yoğunluğunu arttırmak için kullanılmaktadır. Konu dışına çıkmamak için özet geçiyor detaylar için referanslara yönlendiriyorum [1], [5].

İzoleli bir DC/DC Çevirici örneği [5]

LCC Tipinde Rezonans DC/DC Çevirici [5]

Bahsedilen Sistemler Ekseninde Farklı Çözümler ve Yaklaşımlar

Yazının başında da söylediğim gibi tanımlar üzerine tekrar düşünmek değerlidir, çünkü sistemleri tekrar düşünmemize ve yenilikçi çözümler üretmemize fayda sağlar. Şarj sistemleri de aynı şekilde anlattığım tüm enerji dönüşüm süreçleri aşağı yukarı aynı kalmakla beraber farklı ihtiyaçlara çözümler üretmişlerdir. Bunlardan birkaçından bahsetmek istiyorum.

1. Off-Board Şarj İstasyonları

Alt görseldeki sistem bir off-board şarj istasyonudur ve görüldüğü gibi AC/DC dönüşümü istasyonda yapılmakta ve araç içi charger bypass edilmektedir. Kaynak [7]

Şarj sürelerini kısaltmak için yüksek güçlere ulaşmak menzil kaygısını düşürmek için önemli bir çalışma alanıdır. Günlük kullanımlarımızda gece şarjları genellikle yeterli olsa da özellikle otoyollarda şarj işleminin hızlı olması beklenmektedir. Bu noktada araç içi charger ünitelerinin kapasiteleri sınırlı kalmaktadır çünkü daha yüksek güçlü bir charger daha fazla hacim ve maliyet anlamına gelir. Bu sorun tüm AC/DC dönüşümünün şarj istasyonunda gerçekleştiği off board chargerlarda çözülmektedir. Bu yöntem yüksek güçlü DC çıkış vermesiyle DC Fast Charging olarak da adlandırılır ve araç içi şarj ünitesi bypass edilerek batarya doğrudan beslenir. Yüksek güçlü bu aletler genellikle buzdolabına yakın büyüklüktedir ve ciddi bir altyapı gerektirir.

2. Kablosuz / Endüktif Şarj (Wireless Power Transfer)

Manyetik güç aktarımına dayanan bir şarj sistemi [8]

Conductive Charging olarak adlandırılan konvansiyonel sistemlerin yanı sıra kablosuz şarj olarak adlandırılan özel bir şarj yöntemi vardır. Kablosuz güç Aktarım Sistemi, EVSE ile araç arasında fiziksel bir bağlantı olmadan manyetik olarak elektrik gücünü iletir. Kablosuz güç aktarım sistemi (WPTS), EVSE boyutlarının azaltılması , EVSE ile Şarj Cihazı arasında esnek yerleşim ve sürücüsüz araçlarda şarj imkanı sağlar. Ayrıca WPTS, otobanda sürüç halindeyken şarj sağlayarak menzil kaygısısını ortadan kaldırabilir. Ancak, düşük verimlilik, sınırlı güç oranları ve manyetik sistemlerde yaşanabilecek sıkıntılar bu sistemleri yetersiz kılar. Ayrıca, altyapı karmaşıklıkları ve yüksek maliyetleri ile henüz mantıklı bir çözüm sayılamaz. [8]

3. Entegre Şarj İstasyonları (Integrated Chargers)

Bu yazıdan sonra tipik bir motor sürücü inverter düzeneğine tersten baktığımızda bir doğrultucu görebilirsiniz :) [9]

Şahsen bana mühendislikte dahiyane bir çözüm göster derseniz vereceğim ilk cevap entegre şarj istasyonları olurdu. Düğme ilikleten bu topolojide AC/DC güç dönüşümünde ilave bir SMPS kullanmak yerine bu işlemde mevcut motor sürücüsü ve endüktans filtresi olarak motor sargılarını kullanır. Bu şarj topolojisi, ek bir maliyet ve boyut eklemeden (kısmen) daha yüksek güç oranlarına ve azalan şarj süresine ulaşmamızı sağlar. Şimdi biz de tekrar düşünelim. Motor sürücüsü diye adlandırdığımız şekilde verilen SMPS türü elektrik motorunun fazlarını koordineli bir şekilde enerjilendirip bir döner alan tork yaratan oldukça sofistike cihazlardır. H köprü düzeninde dizili olan anahtarlama elemanlarını doğru şekilde anahtarladığınızda ise bu sistemi bir doğrultucu olarak kullanmanız mümkündür ve hatta zaten bu sistemi benzer şekilde rejeneratif frende kullanmaktayız. Ayrıca filtreleme için de elektrik motorundaki sargılar birer biçilmiş kaftandır (tabi ki tasarımı işleve uygun olmalı). Savımda haksız olmadığımı yeterince iyi açıkladım sanırım :)

4. Araçtan Şebekeye Şarj (Vehicle2Grid, V2G)

EV Şarj Sistemlerini güç akışlarına göre sınıflandırmak mümkündür. EV Şarj Cihazları, mimarilerine bağlı olarak tek yönlü veya çift yönlü şarj işlemi gerçekleştirebilirler. Elektrikli Araçlar, birer mobil enerji depolama birimleri olarak kabul edilebilir. Bakın yine tekrar düşündük. Bu sayede EV batarya sistemlerinin sadece araca güç sağlamak için değil, aynı zamanda şebekeye veya bulunan binaya güç sağlamak ve şebekeyi oluşturmak veya dengelemek için de kullanılmaları mümkündür. V2X uygulamaları, akıllı şebeke uygulamaları için önemli avantajlar ve şarj yüklerinin etkilerine yönelik çözümler sağladığından günümüzde en popüler araştırma alanlarından biridir. Öte yandna, çift yönlü şarj cihazları, tek yönlü tiplere kıyasla karmaşık cihazlardır. V2G işleminin gerçekleşmesi için PFC ve DC / DC Dönüştürücü birimleri çift yönlü güç akışı sağlayabilmelidir. Ayrıca aracın enerji sağladığı durumlarda batarya ömrü de etkilenmektedir. Bu nedenle, yarı iletken cihazların neredeyse iki katına çıkar ve daha sofistike kontrol algoritmaları gerektirir. Tüm bu gereksinimler, çift yönlü şarj cihazları kullanma konusunda araç üreticilerine geri adım attırmaktadır. Fakat V2X uygulamaları geleceğin akıllı şebeke sistemlerinin yönetilebilmesi için çok önemli bir imkandır. [1], [5]

Yazıyı heyecanlı bir yerde kesiyor ve konunun devamını araç-şebeke ilişkisini ve akıllı şarj yöntemlerini anlatacağım 3. bölüme saklıyorum..

REFERANSLAR

[1] 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.

[2] Elektrikli Araç Şarj İstasyonlarının Güç Kalitesi Üzerine Etkileri
Erhan Koray, Murat Ayaz, Engin Özdemir,

[3] J. P. M. Figueiredo, F. L. Tofoli, and B. L. A. Silva, “A review of single-phase PFC topologies based on the boost converter,” 2010 9th IEEE/IAS Int. Conf. Ind. Appl. INDUSCON 2010, no. April 2010.

[4] A. F. De Souza, D. C. Pereira, and F. L. Tofoli, “Comparison of control techniques used in power factor correction rectifiers,” 2015 IEEE 13th Brazilian Power Electron. Conf. 1st South. Power Electron. Conf. COBEP/SPEC 2016, no. April 2019, 2015.

[5] F. Musavi, “Fundamentals of Chargers,” pp. 439–464, 2014.

[6] 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.

[7] X. Gong and J. Rangaraju, “Taking charge of electric vehicles — both in the vehicle and on the grid,” Texas Instruments, p. 13, 2018

[8] Z. Bi, T. Kan, C. C. Mi, Y. Zhang, Z. Zhao, and G. A. Keoleian, “A review of wireless power transfer for electric vehicles: Prospects to enhance sustainable mobility,” Appl. Energy, vol. 179, pp. 413–425, 2016.

[9] Grid-Connected Integrated Battery Chargers in Vehicle Applications: Review and New Solution Saeid Haghbin; Sonja Lundmark; Mats Alakula; Ola Carlson

[0] Bu çalışmamda da kendime atıf yapmayı hak görüyor bitmeyen bitirme çalışmama işaret ediyorum, canım tezim :)