Elektrikli araçlar için yüksek güç yoğunluklu ve yüksek verimli izole edilmiş yerleşik batarya şarj cihazı tasarım ve uygulaması

Abstract

Fosil yakıtların azalması, artan çevre kirliliği ve sera gazı emisyonları nedeniyle geleneksel içten yanmalı motorlu taşıtlar yerine elektrikli araçların kullanılması tercih edilmektedir. Dünya’da 2015–2040 yılların arasında büyüyen elektrikli araçların satış tahminlerinin giderek artacağı öngörülmektedir (Frank 2017). Bu artışlar, toplumun elektrikli araçlara ilgisini göstermektedir. Taşımacılık sektöründe, bu geçişi hızlandırmak için hem özel sektör hem de hükümetler bünyesinde teşvik politikaları uygulanmaktadır. Bu eforlara rağmen, elektrikli araçların gelişmesini yavaşlatan unsurlara bakıldığında batarya ömrü ve şarj süresi olduğu görülmektedir. Batarya teknolojisi, elektrikli araçların geleceği ile ilgili iken; şarj cihazları ise aracın şarj olma süresini belirlemektedir. Akü hücreleri ile ilgili son çalışmalar bu engelleri aşarken, elektrikli araçların maliyet performansı, iyileştirme ve optimizasyon çalışmalarının çoğu aracın diğer bileşenleri, özellikle de şarj cihazları üzerinde durmaktadır.Bu çalışmada, şehir içi konsept elektrikli araçlara uygun 1,2 KW’lık güç faktörü düzelticili (PFC), izolasyon transformatörlü, yüksek frekanslı faz kaydırmalı sıfır gerilimde anahtarlamalı tam denetimli köprü (FB-PS-ZVS) dönüştürücü ve yüksek güç yoğunluklu yerleşik şarj cihazı tasarımı yapılmıştır. Tasarımda güç dönüşüm sistemlerinin hafifliği, sağlamlığı, basitliği ve yüksek verimliliği tanımlayıcı özelliklerdir. Burada, yüksek güç yoğunluk, yüksek verim ve denetim bant genişliği elde edebilmek için GaN tabanlı elemanlar 150 KHz’de anahtarlanmıştır. Öte yandan, tasarımda yüzey montajlı ve düşük profil malzemelerin kullanılmasına öncellik verilmiştir. Son olarak, prototipi üretilen şarj cihazı ile deneysel sonuçları değerlendirilmiştir.

Due to the lack of fossil fuels, increased environmental pollution and greenhouse gas emissions, it is preferred to use electric vehicles instead of traditional internal combustion engine vehicles. It is predicted that the sales forecasts of electric vehicles, which have grown in the world between 2015 and 2040, will gradually increase. (Frank 2017). These increases show the public's interest in electric vehicles. In the transportation sector, incentive policies are implemented in both the private and governments to accelerate this transition. However, when looking at the factors that preclude the development of electric vehicles, we can notice that there are battery life and the charging time. While electric vehicles’ future is inevitably depends on the battery technology; chargers determined their charging time. Consequently, while the latest studies on battery cells are aimed to overcome these obstacles, the cost performance of electric vehicles, most of the improvement and optimization studies are focus on other components of the vehicle, especially the chargers. In this work, 1.2 KW on-board charger with power factor correction (PFC), isolation transformer, high switching frequency full-bridge phase shifted zero voltage switching converter (FB-PS-ZVS) with high power density designed for city concept electric vehicles is presented. The lightness, robustness, simplicity and high efficiency of power conversion systems in the design are the targeted features. Here, GaN-based elements are switched at 150 KHz to achieve high power density, high efficiency and wideband control. On the other hand, priority was given to the use of SMD and minimized size components in the design. Finally, the experimental results obtained with the charger prototype were evaluated.