İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK ELEKTRONİK FAKÜLTESİ ELEKTRİKLİ VE KARMA TAŞITLAR ELK 428 DÖNEM PROJESİ RAPORU Grup #14 Proje Adı: 3,3kW gücünde çift yönlü güç akışının (bidirectional power flow) sağlandığı araç-içi (on-board) Seviye-1 şarj sistemi tasarımı Grup Üyeleri: Baturay GÜRSEL H. Selçuk POLATÖZ S. Ali MELİKÖYLÜ Olgun GÖZÜTOK Murat KÜÇÜKYILMAZ

2 Giriş Elektrikli araç teknolojisi çok eskilere dayanmasına karşın, enerji yoğunluğunun ve performansının düşük olması, şarj sürelerinin uzun olması gibi nedenlerden dolayı petrol yakıtlı araçların gerisinde kalmış ve beklenen gelişimi gösterememiştir. Araç kullanıcıların elektrikli araçlara yönelmesini sağlamak için, kullanıcılar için önemli parametreler olan araç menzili, şarj süresi ve şarj alt yapısı konularında gelişim gösterilmesi gerekmektedir. Daha yüksek enerji kapasiteli bataryalar ve oluşturulacak şarj alt yapısı ile otomobil tüketicilerinin şarj bitmesi ve yolda kalma kaygıları azalarak bu teknolojiye yönelmelerini sağlayacak ve elektrikli araçlar hızlı bir şekilde yaygınlaşacaktır. Batarya teknolojisinin gelişiminin daha sınırlı ilerlediği göz önüne alınırsa, elektrikli araçların (EA) kullanımında ve gelişiminde batarya şarj cihazları kritik rol oynarlar. Bu proje kapsamında EA şarj yöntemleri incelenecek ve çift yönlü güç akışının sağlandığı 3.3 kw araç içi (on-board) Seviye-1 şarj sistemi tasarlanacaktır. Batarya Şarj Cihazlarının Yerleşimi Batarya şarj cihazları, güç ünitesinin araç üzerinde olup olmamalarına göre, araç üzerinde (on-board) ve araç dışında (off-board) olmak üzere ikiye ayrılırlar. On-board şarj cihazlarının güç üniteleri tamamen araç üzerinde yer almaktadır. Bataryanın, her ihtiyaç duyulduğunda şebekeden şarj edilebilmesi, araç üzerinde şarj cihazları ile mümkündür. Araç üzerinde bulundukları için, minimum ağırlıkta ve hacimde olmaları gerekmektedir. Aynı zamanda, araç üzerinde bulunan bu şarj cihazlarının meydana getireceği ısıyı uzaklaştırmak için soğutucu, fan gibi ek donanımlara ihtiyaç duyulur. Bu donanımlar da araç üzerinde fazladan yer kaplar ve ağırlığını artırır. Hızlı şarj cihazlarının büyük ve ağır oluşu nedeniyle araç üzerine yerleştirilmeleri çok uygun değildir. Off-board şarj cihazlarının güç üniteleri tamamıyla aracın dışında yer almaktadır. Sistemin araç dışında olması nedeniyle, ağırlık ve yer açısından sorun oluşturmazlar. Aynı zamanda araç üzerinden ısıyı atabilmek için, araç üzerinde bulunan şarj cihazlarındaki gibi ek donanımlara ihtiyaç duymazlar. Hızlı şarj cihazları off-board tiptedir. Bu proje kapsamında yapılacak olan şarj sistemi on-board tipte olacaktır. Bataryalardaki Güç Akışı Bataryalardaki güç akışı çift yönlü olabilir. Yani şebekeden araca (G2V) ve araçtan şebekeye (V2G) olacak şekilde iki yönlü güç akışı sağlanabilir. Elektrikli araçların çift yönlü

3 (G2V-V2G) çalışabilmesi, ekonomik olarak katkı sağlayabilir. G2V modu, talebin ve elektrik birim satış fiyatının düşük olduğu gece saatlerinde çalıştırılarak şarj maliyeti düşürülebilir. Talebin ve birim satış fiyatının yüksek olduğu zamanlarda şebekeye geri verilerek kâr elde edilebilir. Tasarlanacak şarj sistemi güç akışını çift yönlü olarak, şebekeden araca, araçtan şebekeye gerçekleştirilebilecektir. Elektrikli Araç Şarj Yöntemleri Eğer bir şarj istasyonu kurulacaksa, öncelikle hangi tip kurulması gerektiği iyice irdelenmelidir. Şarj istasyonları haberleşme özellikleri ve şarj etme süreleri gibi özellikleriyle birbirlerinden farklılaşırlar. Şarj cihazı; ev, ofis, halka açık alanlara yerleştirilebilirler. Şarj cihazları, elektrik enerjisini şebekeden plug-in elektrikli araca aktarır. Bu aktarım sırasında, şarj cihazı ve PEV akan elektrik enerjisinin uygun ve güvenli olduğundan emin olmak için birbirleriyle haberleşirler. Şarj sistemleri Level 1, Level 2 ve DC Fast Charging olarak 3 e ayrılırlar. Level 1 ve Level 2 şarj sistemleri şebekeden çektiği AC gerilimi araba üzerindeki on-board sistemle DC ye çevirerek bataryaları şarj eder. DC Fast Charging sistemdeyse DC elektrik doğrudan araca verilir. Araç bataryalarının şarj edilme süresi kullanılan şarj sisteminin tipine ve bataryaların kapasitesine bağlı olarak 30 dakikadan 20 saate kadar değişebilir. Örneğin PEV lerin batarya kapasiteleri PHEV den daha büyük olduğu için şarj olma süresi daha uzundur. Şarj etme sürelerine bakacak olursak: Level 1: 1 saat şarjla 3-10 km Level 2: 1 saat şarjla km DC Fast Charging: 1 saat şarjla km Aşağıdaki tabloda şarj tiplerinin sahip oldukları parametreler özetlenmiştir. Tablo-1: Şarj İstasyonu Tipleri 1

4 Günümüzde satışı yapılan karma araçlardan Chevrolet Volt ve Toyota Prius Seviye-1 ve Seviye-2 şarj ile, elektrik araçlardan Tesla Roadster Seviye-1 ve Seviye-2 ile, Mitsubishi- Mi EV, Nissan Leaf ise her üç şarj tipiyle de şarj edilebilmektedir. BRUSA Şekil-1: Onboard BRUSA Charger 1 Level 1 ve Level 2 Level 1 ve Level 2 şarj sistemleri çalışma mantıkları açısından birbirine çok benzerdir. Projemizde 3. 3 kw Level 1 on-board sistem tasarlayacağımız için bu sistemin çalışma mantığını iyi anlamamız gerekir. Level 1 de genellikle evlerdeki tek fazlı AC topraklanmış prizler kullanılır. Bu prizler Amerika da 16A, 120V, 1.9kW gücü ifade ederken, Avrupa da 16 A, 240V, 3kW güç sağlarlar. Level 2 deyse 20 kw a kadar enerji tek fazlı ya da çok fazlı AC kaynaklar kullanarak sağlanabilir. Level 2 de aracın içine Level 1 için yerleştirilen erkek uçlu kablo yerine şarj istasyonuna yerleştirilmiş kablo kullanılır. Level 2 şarj sistemi de isteğe bağlı olarak evlere ya da iş yerlerine yerleştirilebilir, maliyet açısından uygundurlar. Level 1 ve Level 2 de AC-DC çevrimi, değişken DC gerilimi bataryalara aktaran güç kontrol ünitesi (Power Control Unit) ve değişken filtreleme fonksiyonları gibi güç düzenleme uygulamaları şarj cihazının içinde gerçekleştirilebilir. Batarya Yönetim Sistemi (BMS)

5 bataryaya entegre edilmiştir. BMS; akım, gerilim, sıcaklık gibi bataryanın önemli çalışma parametrelerini gösterir ve sabit akım/sabit gerilim (Constant Current/ Constant Power) şarj gerekliliğinin sağlanıp sağlanmadığını kontrol eder. Ayrıca şarj cihazı çalışma limitlerini aştığında, BMS devreye girerek koruma devrelerini aktifleştirir ve gerektiğinde bataryayı izole eder. Level 1 şarj istasyonunun güvenlik sistemi oldukça basit, sadece kaçak akım koruması olan priz bile yeterli olabilecektir. Ancak bunun dışında yanlış kullanım, elektrik kablosu takılıyken aracın hareket etmesi, aküde ya da şarj sisteminde arıza olması durumunda enerjiyi kesme gibi özellikleri de bulundurmalıdır. Level 1 tek fazlı AC basit bir sistem olduğu için herhangi bir yetkiye ya da ekstra faturalandırmaya gerek duyulmaz, bu yüzden oldukça yaygındır. Level 2 şarj sistemleri için enerjinin çekileceği kaynak bilgilendirilmeli ve planlamaları şebekeye fazla yük Şekil-2: Level 1, 2, 3 Şarj Sistemleri getirmemeleri için iyi yapılmalıdır. Level 3 Hızlı şarj üniteleriyle ilgili kısaca bahsetmek gerekirse; dakikalar içinde aracı şarj etme olanaklarına sahiptirler. Hızlı şarj ünitesi, kullanıcı arabirim modülü ve DC çıkış kablosundan oluşmaktadır. Enerji nakil hattı ile bağlantısı 3 fazlıdır. Şarj operasyonunu şarj ünitesi gerçekleştirir. Ancak BMS ile akım büyüklüğü ve şarj etme süresi kontrol edilir. Kullanıcı için güvenlik önlemleri daha tedbirlidir. Kullanıcı oluşturduğu PIN ile şarj etme sürecini başlatabilir.

6 Güç Elektroniği Topolojisinin Tasarımı Tasarımın başlıca amacı yüksek verimlilikte bir 3,3 kw level-1 şarj istasyonu oluşturmaktır. Bu durumun başlıca etki ettiği değerler; Şarj istasyonu boyutlandırması Şebekeden çekilecek olan elektrik enerji fiyatlandırması Şarj süreleri Güç eviricilerinin çalışması ve detaylı tasarım aşamaları incelenmiştir. Plug-in karma elektrikli araçlar, içerisinde yeniden şarj edilebilir bataryaları içeren karma elektrikli araç yapısıdır. Son yıllarda yükselen talep ile birlikte batarya teknolojileri ve Plug-in araç sürücü teknolojileri alanlarından teknolojik ilerlemeler gerçekleşmiştir. Modellemesi yapılacak olan yapı on-board batarya şarj istasyonu içermektedir. 3,3 kw on-board şarj istasyonu 14 kw-h lik bir batarya grubunu 230V luk şebekeden 4 saatte yaklaşık % 94 oranında doldurabilmektedir. En genel haliyle şarj istasyonları yapısında ac-dc evirici ve buna bağlı bir güç faktörü düzeltmesi (PFC) kullanılır. Gerekli topolojilerin seçimi ve bu doğrultuda yarı iletken güç elemanlarında oluşacak kayıpların belirlenmesi, tasarım için önemli aşamaları oluşturmaktadır. Projemizde iki aşmalı şarj istasyonu tasarımı gerçekleştirdik. Bu aşamalarda ac-dc eviriciye eşlik eden aralıklı (interleaved) boost güç faktörü düzeltici (PFC) ve PWM modüleli zero voltage switching (ZVS) full-bridge dc-dc evirici kullanılmıştır. Tasarımı yapılacak olan system Volt gerilim aralığında çalışabilen, %93.6 tepe verim değerine ulaşabilen bir sistemdir. Sektörel analiz sonucu ulaşılan yaklaşık tasarım boyut değerleri ; kompakt yapıda 5,46 L ve 6,2 kg ağırlığında ve 273x200x100 mm boyutlarındadır. İki Aşamalı Plug-in Şarj İstasyon Tasarımı İki aşamalı şarj istasyon konfigürasyonu Şekil-3 de gösterilmektedir. Bu konfigürasyonda ön uç bağlantısı için Bridgeless Boost PFC devresi kullanılmış bu yapıya izole Full-Bridge DC/DC evirici izlemiştir.

7 Şekil-3: PHEV Uygulaması için tasarlanan şarj istasyonunun konfigrasyonu Ön Uç AC-DC PFC Evirici (Birinci Evre) Aralıklı (interleaved) PFC, fazdan bağımsız 180 çalışan parallel bağlı iki CCM boost evirici içermektedir. Giriş akım değeri şekil-4 de gösterildiği gibi LB1 ve LB2 deki akımların toplamına eşittir. Endüktans dalga akımları fazdan bağımsız ve birbirini götüren yönde olduğundan giriş dalga akımı azalır. Şekil-4: Aralıklı PFC Evirici Dalga Şekilleri ( çevrim oranı < %50 )

8 Maksimum dalga akımı azalması %50 çevrim oranında gerçekleşmektedir. Şekil-5 de giriş dalga akımının endüktans dalga akımına oranının çevrim oranı cinsinden fonksiyonu gösterilmektedir. Şekil-5: Giriş dalga akımı oranının iki kanallı aralıklı PFC Eviricide çevrim oranı cinsinden fonksiyonu Kapasitör çıkış akımı, iki boost diode akımının toplamından dc çıkış akımının çıkarılması ile bulunur [7]. Boşluluk yapı (interleaving), kapasitör çıkış akımını çevrim oranı

9 cinsinden azaltır. Duty cycle %0,%50 ve %100 değerlerine yaklaştıkça, iki diyot çıkış akım toplamları dc ye yaklaşır. Bu noktada çıkış kapasitörü sadece dalga akımını filtrelemelidir. Şekil-6 te normalleştirilmiş çıkış kapasitörü duty cycle cinsinden gösterilmektedir. Şekil-6: Normalleştirilmiş çıkış kapasitörü duty cycle cinsinden gösterimi Aralıklı (interleaved) boost evirici yapısı gereği parallel bağlı yarı iletken yapısını, iletim kaybını azaltmak için bir avantaj olarak kullanır. Bunun dışında fazdan bağımsız eviricilere sahip olduğundan, aktif anahtarlama frekansı değerini iki katına çıkarır. Bunun bir getirisi olarak giriş akım dalgalılığını azaltarak Elektromanyetik Arayüz Filtresi (EMI) nin boyutlarının küçülmesine katkıda bulunur. ZVS Full-Bridge DC-DC Evirici (İkinci Evre) ZVS transformatör kaçak endüktansı, bağlanan endüktans ve anahtarlamanın çıkış kapasitesi ile gerçekleştirilmiştir[8]-[10]. Bu Eviriciler için çeşitli ilerlemeler gerçekleşmiş olsa da, bu gelişmeler kullanılan malzeme miktarını artırıp halen bünyesinde çeşitli dezavantajlar bulundurmaktadırlar[11]-[20]. Bunlardan bazıları; sınırlı ZVS aralığı, seconder uç yükseltici diyodlarda yüksek gerilim salınımları ve duty-cycle kayıplarıdır. Geniş ZVS aralığı ile ilgili bilgiler [12] ve [17]-[19] makalelerinde ele alınmıştır. Sekonder uç diyotlarında yüksek gerilim salınımları ile ilgili yaklaşımlar [13],[15],[16] ve [20]

10 makalelerinde ele alınmış ve son olarak duty-cycle kayıpları ile ilgili bilgiler [14] makalesinden elde edilmiştir. Tasarımımızda full-bridge ZVS eviriciler geleneksel hardswitched topolojisine benzer davranışta bulunur. Fakat burada eş zamanlı olarak diagonal köprü anahtarlarını sürmek yerine, alt anahtarlar (Q3 ve Q4) sabit %50 duty-cycle da sürülmüş, üst anahtarları (Q1 ve Q2) PWM kenar izleme yöntemi ile sürülmüştür[22],[23]. Şekil-5 de yarı iletken güç anahtarlarının paralel diyot ve parazitik kapasitör ile modellemesi gösterilmektedir. Devredeki tüm parazitik değerler yani sarım ve soğutucu elemanları anahtarlama kapasitesi olarak toplanabilir. Çıkış doğrultucusu ideal olarak alınmış, rezonans endüktansı transformatör kaçak endüktans içermektedir. Çevrimin başlangıcı olarak; Q1ve Q4 açık, Q2 ve Q3 kapalı olarak ayarlanmıştır (Şekil-7). Güç transferi periyodunda birincil akım akış yönü Q1- tr. Primeri LR Q4. Güç transfer modu PWM sinyal ile Q1 anahtarının kapanması ile son bulur. Primerde akım akarken ani olarak kesilemez, alternatif akım yolları bularak parazitik Q3 ve Q1 anahtar kapasiteleri üzerinden akarak önce b noktasını sonrasında D3 diyot gerilimini 0 Volt değerine

11 Şekil-7: ZVS full-bridge küprü evirici tipik çalışma dalga şekilleri anahtarlar. Primer rezonans endüktansı LR üzerinden akan ve D3 tr. Primeri- LR Q4 yolunu izleyen akımı sabit tutar. Q1 anahtarı açıldığında, çıkış akımı dört çıkış diyodu üzerinden de hareket eder (örn. Dr1-Dr4). Geçiş sırasında, çıkış endüktans akımı rezonans endüktansına alt ve üst köprü MOSFET kapasitesini şart etmekte yardım eder. Serbest dolaşım periyodu sonunda, Q3 ve Q4 anahtarlanır. Anahtarlama süresi rezonans gecikmesine bağlı olarak belirlenir bu gecikme Q2 anahtarın açılması için önem teşkil eder. ZVS geçisi Q3 ve Q4 ün anahtarlanması sonrası oluşan bu gecikmede Q2 açılmadan önce gerçekleşir. Gerekli rezonans gecikmesi, rezonans endüktansı ve parasitic kapasite tarafından belirlenen LR C rezonans frekansın dörtte biri kadardır.

12 Rezonans geçişi şu şekilde bulunabilir; τ = π 2 1 (1) 1 R2 LR C 4x(LR )2 Burada τ rezonans geçiş zamanı, LR kaçak endüktans, C aprasitik kapasite ve R, LR ve C ye paralel uzanan eşdeğer direnç değeridir. Q3 ve Q4 anahtarlandığında,q4 üzeriden akan primer akımı bu sefer alternatif bir yol bularak parasitik Q4 ve Q2 kapasitelerini deşarj eder ve Q2 nin gövde diyotu ileri gerilim değerini alır. Rezonans gecikmesi dikkatli seçilirse, Q2 anahtarı bu sefer ZVS ile açılır. Çıkış endüktansı bu geçise katkıda bulunmaz. Bu geçiş tamamen rezonans endüktans tarafından sürülen bir geçiştir. Tablo 2: İstasyonun Tasarım Parametreleri

13 İkinci güç transfer periyodu Q2 açılıp primer akımın Q2 LR tr. primeri Q3 doğrultusunda akmaya başladığında başlar. Geri kalan çalışma prensibi de daha önce anlatılan aşamaların takibi gibi düşünülebilir. Diyot jonksiyon kapasitesi ve transformatör kaçak endüktansı etkisi ile oluşan gerilim salınımlarının(ringing) clamp gerilim seviyesine ulaşması için DC, RC, ve CC içeren bir clamp network yapısına ihtiyaç duyulur. Bu dc-dc evirici yapısı duty-cycle kayıplarına da mağruz kalır (Şekil-5). Duty-cycle kayıpları endüktüf çıkış filtrelerine ihtiyaç duyan eviricilerde, çıkış eviricilerinin yön değişiminde meydana gelir[24]. Bunun nedeni çıkış gerilim düşümüdür. Bunun için yüksek transformatör çevirme oranlarına ihtiyaç duyulur; bu şekilde primer akım tepe değeri artırılabilir. Şarj Süresi ve Maliyet Hesapları Araç üzerindeki batarya grubunun gücü 14 kwh olarak düşünülerek şarj sisteminin batarya grubunu ne kadar sürede şarj edeceği hesaplandı. Bu hesap yapılırken, bataryanın şarj durumu %30 iken, bataryanın boş olduğu kabul edilmiştir. Bataryanın %70 lik kısmı için şarj işlemi gerçekleştirilecektir. Şarj sisteminin verimi %94 olarak kabul edilmiştir. Bataryaların 230V, 14A ile beslenmesi durumunda batarya grubunun besleneceği güç değeri P bat giris olmak üzere; P giris = 230*14000=3220 W P bat giris = ɳ * P in = 0.94*3220= 3027 W Batarya grubunun, şarj durumu %30 iken ki enerjisi W bat %30 olmak üzere: W bat =14kWh W bat %30 = 0.3*14000 = 4.2 kwh Bu durumda, bataryaları tam olarak doldurmak için gereken enerji W gereken : W gereken = W bat W bat %30 = = 9,8 kwh Bataryaların şarj sistemine bağlandıktan sonra çekebileceği saatlik enerji: W cekilen = ɳ * P in * 1 = 0.94*3220*1 = 3027 Wh Bu durumda bataryaları doldurmak için gereken süre şu şekilde bulunur: t = W gereken = 9800 = 3 saat 12 dk da batarya tam olarak şarj olur. W cekilen 3027

14 Örneği; araç kullanıcısının günlük 40 km lik bir mesafeyi aracıyla gitmek istediğini düşünülsün. Bunun için aracını ne kadar süre şarj etmesi gerektiği şu şekilde hesaplanabilir: Aracın 10 km için ortalama 2 kwh enerji harcadığı varsayılsın. 40 km lik bir mesafe için harcayacağı enerji: W 40km =2kWh * 4 = 8 kwh Şarj sisteminin saatlik sağlayabileceği enerji 3027 Wh olarak bulunmuştu. Bu durumda 40 km lik mesafenin gidilmesi için bataryaların şarj süresi; t = 8000 = 2 saat 36 dk olarak bulunur V2G nin Ekonomik Olarak Katkısı V2G, aracın batarya grubunda depolanan enerjinin şebekeye verilebilmesini sağlayan şebeke teknolojisidir. Bu teknolojinden yararlanabilmek için araç üzerinde çift yönlü güç akışının sağlanabiliyor olması gerekir. Çift yönlü güç akışında araç şebekeden enerji çekebildiği gibi, şebekeye de enerji verebilir. Günümüzde enerji dağıtım şirketleri, enerjiyi gün içinde farklı tarifeler üzerinden satmaktadır. Günün belirli bir bölümünde birim fiyat daha ucuzken, bir bölümünde daha pahalıdır. Aynı zamanda, dağıtım şirketleri şebeke üzerinden elektrikte satın almaktadır. Bu sayede, araç enerjinin birim fiyatının düşük olduğu zamanda şarj edilip, birim fiyatın pahalı olduğu zamanda şebekeye enerji satabilir. Bu da araç sahibine ekonomik olarak katkı sağlar [1]. Örneğin; elektrikli aracımızın elektrik birim fiyatının az oldu gece tarifesinde şarj edilip, daha sonra şebekeye satıldığını düşünelim. Bataryanın tamamını şarj etmek için şebekeden 14 kwh enerji çekilir. Bataryanın %30 seviyesinden %100 seviyesine kadar şarj edilip, şarj edilen enerjinin tamamen şebekeye satıldığı varsayılsın. Elektriğin gece tarifesindeki birim fiyatı: 17.8 kr/kwh Dağıtım şirketinin elektriği alış fiyatı: kr/kwh Şarj edilen enerji miktarı: 0.7 * = 9.8 kwh Bu durumda; Araç şarj edilirken şebekeye ödenecek tüketim bedeli: 9.8*17.8 = kr Bataryalardaki enerjinin şebekeye satılması durumunda elde edilecek gelir: 9.8*34.58 = kr Bu işlemin bir kez yapılması durumunda elde edilecek kar:

15 = kr = 1.64 TL Ayda ortalama 20 kez bu işlemin yapıldığı düşünülürse; 20*1.64= 32.8 TL kazanç elde edilir. Araç sahibi bu sayede, her ay elektrik faturasında 32.8 TL daha az öder. On-board Şarj ile Doldurulan 14 kwh lik Bir Batarya Grubunun Dolum Maliyetinin Analizi Tamamen boş olan akünün doldurulması için gereken fiyat hesaplaması için EPDK nın serbest tüketici olmayan mesken aboneleri için belirlediği ve görevli elektrik perakende şirketlerinin uymak zorunda olduğu ulusal tarife fiyatı, 1kWh = 30 kr = 0.3 TL olarak alınmıştır. Bataryayı doldurmak (%30 dan %100 e) için gereken enerji W gereken = 9,8 kwh. Şebekeden çekilmesi gereken enerji: W cekilen = Wgereken η = 9,8 0,94 = 10, 41 kwh Bataryayı %30 dan %100 seviyesine kadar şarj etmek için gereken fiyat: Maliyet full-sarj = Maliyet 1kWh * W cekilen = 0,3 * 10,41 = 3,126 TL 40 km lik bir yolculuk için bataryanın şarjı için gereken fiyat: W 40km = 8 kwh olarak bulunmuştu. Şebekeden çekilen enerji: W cekilen = Wgereken η = 8 0,94 = 8,51 kwh Maliyet 40km = Maliyet 1kWh * W 40km = 0,3*8,51 = 2,553 TL PHEV Araçlar ile İçten Yanmalı Motorlu Araçların Yakıt Maliyeti Açısından Karşılaştırılması Bu bölümde öncelikle bir yıllık harcama belirlenecektir. Bir yandan PHEV için harcama hesaplanırken, diğer yandan da petrol kullanan araçlar için fiyat hesaplanarak karşılaştırılacaktır.phev araçlar elektrik enerjisini 50 km den daha az olan yolculuklar için kullanırlar. Bir yıl boyunca, 500 km mesafeli 10 yolculuk 150 km mesafeli 10 yolculuk 100 km mesafeli 10 yolculuk

16 Diğer tüm günlerde, günde 40 km mesafeli yolculuk yapıldığı varsayılsın.bir yıl boyunca yaklaşık olarak yapılan mesafe km olarak alınmıştır. Petrol ürünleri kullanan araçlarda: Dizel ve benzin fiyatları uluslararası varil fiyatına göre 4 ile 5 TL arasında değişmektedir. Bir yıl boyunca kullanıcıya maliyetini hesaplamak için 4,5 TL olarak varsayılacaktır. Orta hacimde bir otomobil ortalama olarak 100 km de 6 litre petrol harcamaktadır km için hesaplarsak, bu otomobil; Q petrol = Mesafe * Tüketim = * Maliyet petrol/yıl = 4,5*1200 = 5400 TL olarak hesaplanır. Plug-in Hybrid Electrical Vehicle: = 1200 litre Karma araçlarda hem petrol hem de elektrik tüketildiği için birden fazla hipotez şart koşulacaktır. Petrol bazlı yakıtın fiyatı yine 4,5 TL olarak alınacaktır. PHEV ler de 40 km den az kısa seyahatler için araç yalnızca elektrik enerjisiyle tahrik edilmektedir. Daha uzun mesafeli seyahatlerde araç hem içten yanmalı motoru hem de elektrik motoru tarafından tahrik edilir. Plug-in Karma Araçlar petrol tüketimini geleneksek içten yanmalı motorun tüketimine göre %25 e kadar daha aşağıya düşürürler. Maliyet petrol/year = 5400 TL C hibrid = (1-0,25) * C petrol = 0,75 * 6 = 4,5 litre / 100 km 40 km lik bir seyahat için maliyeti hesaplamalar yapılır ise ; Daha önceden 40 km lik yolculuk için bataryanın dolum maliyeti 2,553 TL olarak belirlenmişti. Karma araçlar da 40 km den daha kısa mesafelerde sadece elektrik enerjisi harcandığı için elektrik enerjisi maliyetini hesaplamamız yeterlidir. Bir yılda, 330 gün içinde 40 ar km lik kısa seyahatler yapıldığı kalan günlerde de önceden varsayılan uzun mesafeli yolculuklar yapıldığı göz önünde bulundurulursa; Maliyet 40km yıl = 2,553*330 = 842 TL Diğer uzun seyahatler için toplam petrol fiyatı: Mesafe = 500*10+150*10+100*10 = 7500 km Q petrol = Mesafe*Tüketim = 7500* 4,5 100 = 338 litre Maliyet petrol/ yıl = 4,5*338 = 1521 TL Ayrıca bu diğer uzun mesafeli yolculuklar için elektrik enerjisinin maliyeti:

17 Her yolculuk sonunda, ertesi gün ki yolculuklar için bataryanın tamamen doldurulması gerekir. Bu da bu yolculukların maliyetine 30 kere bataryanın tamamen dolma maliyetini eklememiz gerektiği anlamına gelmektedir. Aşağıdaki hesaplamalar da her uzun seyahat sonunda bataryanın %50 dolu durumda olduğu varsayılmıştır. W bat = 14 kwh W gereken = 7 kwh Şebekeden çekilen enerji: W cekilen = Wgereken η = 7 0,94 = 7,44 kwh Bataryayı şarj etmek için ödenmesi gereken miktar: Maliyet %70 = Fiyat 1kWh * W gereken = 0,3 * 7,44 = 2,232 TL 30 kez şarj için ödenmesi gereken miktar: Maliyet 30 şarj = 30*Maliyet %70 =30* 2,232 = 67 TL 1 yılda, varsayılan seyahatler yapıldığında PHEV nin toplam maliyeti: Maliyet hibrid/yıl = Maliyet 30 şarj + Maliyet petrol/yıl + Maliyet 40km/yıl = = 2430 TL Sonuç olarak bu yapılan hesaplamalardan sonra, klasik içten yanmalı bir aracın bir yıllık masrafı 5400 TL iken, Bu fiyat PHEV lerde 2430 TL ye inmektedir. Bu da yıllık olarak yaklaşık %54 tasarruf anlamına gelmektedir. Arabanın 10 yıllık bir süre için kullanıldığı düşünüldüğünde, aracında bu süre içerisinde TL lik yakıt tasarrufu yapacağı hesaplanabilir. Elektrikli Araç Şarj Soketi Yapısının İncelenmesi SAE J1772 standardı elektrikli araçlar için belirlenen konektör standardıdır. Bu standart elektrikli araç iletken şarj kuplörünün fiziksel, elektrik, haberleşme protokolleri ve performans gerekliliklerini kapsar.

18 Şekil 8: Şarj Soketi J1772 konektörü Amerika ve Japonya da ki 120 V ve 240 V tek faz elektrik sistemleri için tasarlanmıştır. 43 milimetre çapında konektör 3 farklı boyutta 5 tane pine sahiptir. AC Line 1,AC Line 2 (aynı boyutta) Ground Proximity Detection, Control Pilot (aynı boyutta) Proximity Detection: Şarj cihazı araca takılı olduğunda aracın hareket etmesini engeller. Control Pilot: Cihazın araca takılı olup olmadığını, maksimum izin verilen akım gibi değerleri kontrol ederek araçla şarj cihazı arasındaki haberleşmeyi sağlar. Bunun için Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) tarafından üretilen 12 V ta 1 khz kare dalgayı kullanır. Çalışma sistemi EVSE AC giriş gücü geldiği zaman sinyal göndermeye başlar. Araç proximity pini ile bu sinyali algılayarak aracın hareket etmesini engeller. Control Pilot ile EVSE aracın enerji verilmeye hazır olduğunu belirtir. Aracın havalandırma ihtiyacı ve akım taşıma kapasitesi belirlenir. Daha sonra araç enerji akışının gerçekleşmesi için komut verir. Enerji aktarımı sırasında PHEV ile EVSE devamlı olarak koruma topraklamasının sürekliliğini izler. Eğer bağlantı ani olarak kesilirse enerji akışı durdurulur. Bu standarda herhangi bir pin eklemeden son olarak P1901 Power Line Communication da eklenmiştir. Bu şekilde off-board şarj istasyonlarıyla akıllı şebekeler arasındaki haberleşme sağlanır.

19 Kullanılması Düşünülen Güç Anahtarları ve Kontrol Entegreleri On board şarj sistemindeki PFC köprü doğrultucu diyot özellikleri yukarıdaki resimdeki gibidir.

20 DC DC Mosfet High and Low Side Driver

21 PFC Driver PFC Mosfet Fast Diode

22 REFERENCES. [1] K. Morrow, D. Karner, and J. Francfort, Plug-in hybrid electric ve- hicle charging infrastructure review, U.S. Dept. Energy Veh. Technol. Program, Washington, DC, INL/EXT , [2] B. S. Singh, B. N. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad, A. Pandey, and D. P. Kothari, A review of single-phase improved power quality AC DC converters, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 50, no. 5, pp , Oct [3] J. Liu, W. Chen, J. Zhang, D. Xu, and F. C. Lee, Evaluation of power losses in different CCM mode single-phase boost PFC converters via a simulation tool, in Conf. Rec. 36th IEEE IAS Annu. Meeting, 2001, vol. 4, pp [4] M. O Loughlin, An interleaved PFC pre-regulator for high-power con- verters, in Topic 5: Texas Instrument Power Supply Design Seminar. Dallas, TX: Texas Instrum., 2007, pp [5] M. M. Yungtaek and J. Jovanovic, Interleaved boost converter with in- trinsic voltage-doubler characteristic for universal-line PFC front end, IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 4, pp , Jul [6] L. Balogh and R. Redl, Power-factor correction with interleaved boost converters in continuous-inductor-current mode, in Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo., 1993, pp [7] J. Zhu and A. Pratt, Capacitor ripple current in an interleaved PFC converter, in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., 2008, pp [8] L. H. Mweene, C. A. Wright, and M. F. Schlecht, A 1 kw, 500 khz front- end converter for a distributed power supply system, IEEE Trans. Power Electron., vol. 6, no. 3, pp , Jul [9] D. B. Dalal, A 500 khz multi-output converter with zero voltage switch- ing, in Proc. IEEE APEC, 1990, pp [10] J. A. Sabate, V. Vlatkovic, R. B. Ridley, F. C. Lee, and B. H. Cho, De- sign considerations for high-voltage high-power full-bridge zero-voltage- switched PWM converter, in Proc. IEEE APEC, 1990, pp [11] Y. Jang and M. M. Jovanovic, A new family of full-bridge ZVS con- verters, IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 3, pp , May [12] G.-B. Koo, G.-W. Moon, and M.-J. Youn, Analysis and design of phase shift full bridge converter with series-connected two transformers, IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 2, pp , Mar [13] X. Wu, J. Zhang, X. Xie, and Z. Qian, Analysis and optimal design considerations for an improved full bridge ZVS DC DC converter with high efficiency, IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 5, pp , Sep [14] Y. Jang and M. M. Jovanovic, A new PWM ZVS full-bridge converter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 3, pp , May [15] X. Wu, X. Xie, J. Zhang, R. Zhao, and Z. Qian, Soft switched full bridge DC DC converter

23 with reduced circulating loss and filter requirement, IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 5, pp , Sep [16] W. Chen, X. Ruan, and R. Zhang, A novel zero-voltage-switching PWM full bridge converter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 2, pp , Mar [17] A. J. Mason, D. J. Tschirhart, and P. K. Jain, New ZVS phase shift modulated full-bridge converter topologies with adaptive energy storage for SOFC application, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 1, pp , Jan [18] M.Borage,S.Tiwari,S.Bhardwaj,andS.Kotaiah, Afull-bridgeDC DC converter with zerovoltage-switching over the entire conversion range, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp , Jul [19] B.-Y. Chen and Y.-S. Lai, Switching control technique of phase-shift- controlled full-bridge converter to improve efficiency under light-load and standby conditions without additional auxiliary components, IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 4, pp , Apr [20] W. Chen, X. Ruan, Q. Chen, and J. Ge, Zero-voltage-switching PWM full-bridge converter employing auxiliary transformer to reset the clamp- ing diode current, IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 5, pp , May [21] A.K.S.BhatandF.Luo, Anewgatingschemecontrolledsoft-switching DC-to-DC bridge converter, in Proc. IEEE Int. Conf. PEDS, 2003, vol. 1, pp [22] L.Hitchcock, Fullbridgepowerconvertercircuit, U.S.Patent , Aug. 22, [23] D. Gautam, F. Musavi, M. Edington, W. Eberle, and W. Dunford, An automotive on-board 3.3 kw battery charger for PHEV application, in Proc. IEEE VPPC, Chicago, IL, Sep. 2011, pp [24] D. S. Gautam and A. K. S. Bhat, A comparison of soft-switched DC-to- DC converters electrolyser application, in Proc. IEEE India Int. Conf. Power Electron., 2006, pp