Yerleşik Elektrikli Araç Batarya Şarj Uygulamaları için Yüksek Verimli ve Yüksek Güç Yoğunluklu Bir Batarya Şarj Devresinin Optimum Tasarımı

Abstract

Bu projede, elektrikli araç yerleşik batarya şarj ünitelerinde kullanılmak üzere yüksek verimli ve yüksek güç yoğunluklu bir batarya şarj devresinin tasarımı amaçlanmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, 85-265 VRMS uluslararası şebekeden beslenerek çalışabilen, 250 V-450 V aralığında çıkış gerilimini regüle edebilen, 2.7 kW gücünde ve verimi %94? ün üzerinde, ağırlığı 3 kg?ın altında ve güç yoğunluğunun 1 kW/kg? ın üzerinde olan yerleşik bir batarya şarj devresinin tasarımı hedeflenmiştir. Projede, geniş bir yük ve çıkış gerilimi aralığında yumuşak anahtarlama ile çalışmayı sürdürebilen LLC rezonanslı DC-DC dönüştürücüyü içeren bir batarya şarj devresi tasarlanmıştır. Batarya hücreleri için lithium-ion batarya şarj karakteristiği tasarıma adapte edilmiştir. Çünkü lithium-ion batarya hücreleri daha yüksek akım ve gerilim oranlarına sahiptirler ve batarya şarj devresinin yüksek güç seviyelerinde tasarlanması durumunda yüksek güç yoğunluğu sağlamaktadırlar. Birinci aşama için klasik bir köprü doğrultucu çıkışından beslenen bir boost dönüştürücü ile PFC AC-DC güç dönüşümü sağlanmıştır. Her iki aşama için belirlenen devre topolojilerinde, yüksek verime ve güç yoğunluğuna erişebilmek için SiC güç sürücülerinin kullanılmasıyla tasarım optimizasyonlarının yapılmıştır. SiC teknolojisi, Si teknolojisi ile karşılaştırıldığında üstün özelliklere sahiptir. SiC teknolojisi ile geliştirilmiş bir güç elemanı Si yapıya sahip bir güç elemanı ile karşılaştırıldığında; SiC güç elemanları, yüksek elektrik alan kırılma gerilimine sahip olmaları sebebi ile düşük değerli iletim direncinin sağlanmasında Si güç elemanlarına göre 100 kat daha avantajlıdır. SiC güç elemanları için gerekli aktif bölge aynı akım-gerilim oranına sahip Si güç elemanından daha küçüktür. Çünkü SiC teknolojisi daha iyi termal iletkenlik, daha yüksek sıcaklığa dayanma ve daha yüksek kırılma gerilimi sınırı sunmaktadır. Bu yüzden, SiC güç yarıiletkenleri yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verim performansı için bu projede değerlendirilmiştir. Aynı zamanda, geniş bir yük aralığında çıkış gerilimi regülasyonunu yüksek verim ile elde edebilmek için devre elemanlarının optimizasyonu yapılmıştır. LLC rezonanslı dönüştürücünün değişik çalışma bölgelerindeki davranışı geniş bir çıkış gerilimi aralığında incelenerek yüksek verim ve güç yoğunluğu açısından optimum çalışma bölgesi belirlenmiştir. Optimum çalışma bölgesinin belirlenmesinde, rezonans frekansının altındaki, gerilimin yükseltildiği çalışma bölgesindeki gerilim kazancının doğru bir şekilde tahmin edilebilmesi için zaman ortamında analiz ile elde edilen gerilim kazancı ifadesi kullanılmıştır. Rezonans frekansı ve bunun üzerindeki frekanslarda ise FHA ile elde edilen gerilim kazancı ifadesi kullanılmıştır. Son olarak, 250-450 V çıkış gerilimi aralığına sahip ve 85-265 VRMS AC şebeke gerilimi aralığında çalışabilen bir batarya şarj devresi prototipinin kurulmasıyla deneysel çalışma sonuçları elde edilmiş ve sunulan tasarım yaklaşımı doğrulanmıştır. Projede sunulan tasarım yaklaşımı, EV batarya şarjı uygulamalarına adapte edilebilecektir. Proje kapsamında, ulusal ve uluslararası düzeyde özgün yayınların çıkarılması ve bilimsel birikime bir katkı sağlanması, endüstriyel olarak yüksek verim ve tasarruflu enerji kullanımına ve böylece ulusal ekonomiye ve teknolojiye katkı sağlanması beklenmektedir.