HĐBRĐT VE TÜMÜ ELEKTRĐKLĐ ARAÇLARDA KONTROL VE ENERJĐ YÖNETĐMĐ SĐSTEMLERĐ

HĐBRĐT VE TÜMÜ ELEKTRĐKLĐ ARAÇLARDA KONTROL VE ENERJĐ YÖNETĐMĐ SĐSTEMLERĐ Melih YILDIZ Tuğba Nur TOPÇU Ağustos 2012 Ankara 1

İçindekiler 1. GİRİŞ...4 2. HİBRİT ARAÇLARIN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI...4 3. BİLEŞENLERİ...4 3.1.İçten Yanmalı Motorlar, Elektrik Motorları ve Sürücüleri...5 3.1.1. İçten Yanmalı Motorlar (İYM)...5 3.1.2. Elektrik Motorları...6 3.1.3. Elektrik Motor Sürücüsü...7 3.2. GÜÇ SİSTEMLERİ BİRİMİ...9 3.2.1. Bataryalar...9 3.2.2. Süper Kapasitörler...10 3.3.BATARYA YÖNETİM SİSTEMİ...10 3.3.1. Batarya Teknolojisi...10 3.3.2. Li-İyon Batarya Yönetim Sistemi Özellikleri Ve Yenilikleri...10 3.3.3. Batarya Yönetim Sisteminin Önemi...11 3.4.BATARYA ŞARJ ALTSİSTEMİ...13 3.4.1. Ferrorezonanslı Şarj Cihazları (Ferroresonant Chargers)...13 3.4.2. SCR Şarj Cihazları (SCR Chargers)...14 3.4.3. Anahtarlamalı Şarj Cihazları (Switchmode Chargers)...14 3.5. Batarya Şarj Kontrol Yöntemleri...16 3.5.1. Sabit Akımda Şarj Etme Yöntemi...17 3.5.2. Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi...17 3.5.3. Sabit Akım-Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi...17 3.5.4. Şarj Cihazlarının Donanımsal Yapısı...17 3.5.5. Güç İşleme Ünitesi (GİÜ)...17 3.6. Şarj Gücü Aktarım Şekilleri...18 3.6.1. İletken Bağlantı (Conductive Coupling)...18 3.6.2. Endüktif Bağlantı (Inductive Coupling)...18 3.7. Batarya Şarj Cihazından İstenen Özellikler...18 3.8. ÇEVİRİCİ / İNVERTER...19 3.9. GÜÇ DAĞITIM CİHAZI (POWER SPLİT DEVİCE)...21 3.10. CAN-BUS Arayüz Birimi...22 4. ENERJİ YÖNETİM SİSTEMİ...23 5. HİBRİT ELEKTRİK ARAÇ TİPLERİ...25 5.1. Hibritleştirme Seviyesine Göre;...25 5.1.1. Mikro Hibrit Elektrik Araçlar...25 2

5.1.2. Hafif Hibrit Elektrik Araçlar...25 5.1.3. Tam Hibrit Elektrik Araçlar...25 5.1.4. Plug-İn Hibrit Elektrik Araçlar...26 5.2. Güç Organlarının Birbirleri İle İlişkisine Göre;...26 5.2.1. Seri Hibrid Araçlar...26 5.2.2. Paralel Hibrit Elektrikli Araçlar...26 5.2.3. Seri-Paralel Hibrit Elektrikli Araçlar...27 6.ELEKTRİKLİ ARAÇLARIN MODELLENMESİ...27 7.TOYOTA PİRUS UN ÇALIŞMA SENARYOLARI...30 3

1. GİRİŞ Hibrit araçlar, elektrik motoru ile günümüzde kullanılan içten yanmalı motorların (İYM/benzin, dizel) beraber kullanılmasıyla oluşturulmuş araçlardır. Bu araçlar İYM ye göre daha az benzin harcamasına dolayısıyla daha az emisyona (CO2 salınımına ) ve elektrikli araçlara göre daha uzun menzile sahiptir. 2. HİBRİT ARAÇLARIN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI Sistemin bir parçası olan İYM çok uzun zamandır kullanılan bir motordur. Dünya üzerindeki araçların %90 ı İYM ile çalışmaktadır. İYM ler avantaj olarak elektrikli ve hibrit araçlara göre daha fazla yol alır, yakıtı her yerde kolaylıkla bulunur ve performansı yüksektir. Ancak dezavantaj olarak, Dünya daki petrol rezervlerinin tükenmesi, buna bağlı olarak yakıtın pahalılaşması ve çevreye vermiş olduğu zararlardan dolayı başka alternatifler aranmaya başlanmıştır. Sistemin diğer bir parçası olan elektrik motorları da maliyetinin fazla olması, dolum istasyonlarının her yerde bulunmaması, tam depolanmış bir batarya ile en fazla 100-150 km. gidebilmesiyle, ivmelenmesinin ve performansının düşük olmasıyla dezavantajlı gibi görünse de, İYM ye göre daha basit yapıya sahip olması, çevre ve gürültü kirliliği yapmaması sebebiyle avantajlı sayılır. Mühendisler bu iki motorun avantajlı özelliklerinin kullanımını sağlamak, bu özellikleri artırmak ve dezavantajları minimum seviyeye indirmek amacıyla hibrit araçları tasarlamıştır. 3. BİLEŞENLERİ Hibrit araçlar genel olarak dönüştürücüler ( inverter), batarya grubu, süperkapasitörler, İYM, elektrik makinaları(motor/jeneratör), motor sürücüler, batarya şarj cihazı, güç dağıtım cihazı ve elektrik kontrol ünitesi (ECU) gibi donanımlara sahiptir. Bunların genel yerleşimi Şekil1 de gösterildiği gibidir. Yazılımsal olarak ise CANBUS, PID kontrolleri gibi yazılım içerikli haberleşme ve kontrol sistemleri mevcuttur. 4

Şekil 1: Hibirt araç bileşenlerinin genel yerleşimi 3.1.İçten Yanmalı Motorlar, Elektrik Motorları ve Sürücüleri 3.1.1. İçten Yanmalı Motorlar (İYM) Sadece İçten yanmalı motorla çalışan araçların motorlarında üretilen enerjinin büyük bir bölümü egzoz gazları ve motor gövdesi aracılığıyla ısı olarak dışarı atılmaktadır. Orta boyutlu bir aracın şehir içi ve dışındaki seyirlerde harcadığı yakıt oranları Şekil 2 de verilmiştir. Parantez içerisindeki değerler otoyol çevrimindeki oranlarını göstermektedir. Şekil 2: Orta Boyutlu Bir Aracın Şehir İçi ve Otoban Çevriminde Harcadığı Enerji Oranları İçten yanmalı motorlarda dönüştürülen kimyasal enerjinin şehir içi çevrimde %62,4 ü ısı olarak dışarı atılmaktadır. Kullanılabilir enerjinin % 17,2 si motor boşta olduğu durumda hareket enerjisine dönüştürülmeden harcanmakta, % 5,8 i fren enerjisi, %5,6 sı ise mekanik kayıp olarak tüketilmektedir. İçten yanmalı motorlu araçlar tasarlanılırken, sürüş performansları söz konusu olduğundan ivmelenme, yokuş çıkma ve en yüksek seyir hızı gibi amaçları sağlayabilecek motorlar seçilmektedir. Bu nedenle tam yükte daha yüksek verimle çalışmaktadırlar (Şekil3). 5

Şekil 3: Örnek Bir İYM Verim Haritası Şehir içi trafik koşullarında tam yük koşulları sağlanamadığından ve dur-kalk nedeniyle harcanan yakıt ile mesafe göz önüne alındığında verim son derece düşük olarak gerçekleşmektedir. Kirletici emisyon miktarı da artmaktadır. Buna ek olarak motorun bir durumdan diğer bir duruma geçişi gibi dinamik durumlarda, yakıt püskürtme sitemlerinden dolayı, motorun sabit rejimde çalıştığı duruma göre çok daha fazla yakıt tüketilmekte ve atmosfere salınan kirletici ve zararlı gaz oranları artmaktadır. Dizel ve benzinli araçların tam yük verimleri sırasıyla yaklaşık %40 ve %37 civarındadır. Kısmi yüklerde bir şehir içi çevriminde bu oranlar dizel araçlar için ortalama %20, benzinli araçlar için %17 oranlarında gerçekleşmektedir. Hibrit araçlarda farklı yöntemler ile elektrik enerjisi depo edilir ve bu enerji elektrik motorunda kullanılarak, hem egzoz emisyonları hem de yakıt tüketimi açısından, diğer araçlara göre üstünlükler sağlanır. Ayrıca hibrit araçlarda bulunan İYM tahrik motor görevi görerek hem aracı tahrik eder hem araçta ısı şeklinde kaybedilen frenleme enerjisini depolar hem de elektrik motorunu tahrik ederek jeneratör modunda çalışmasına yardımcı olur. 3.1.2. Elektrik Motorları Hibrit araçlarda kullanılan elektrik motorlarının stator (sabit) ve rotor(hareketli) olmak üzere iki esas parçası vardır. Bakır sargılar (statorda olan) akım geçirilmesiyle elektromanyetik indüklenme oluşturularak rotoru harekete geçirir. Elektrik motorunda sürtünme az olduğu için çalışması sessizdir ve aşınma yoktur. Bu sistemlerde verim kaybı sadece dişli çark sistemlerinde meydana gelir. Araçlarda kullanılan elektrik motorları; Doğru akım (DC-DA) motoru (çift fazlı) Alternatif akım (AC-AA) motoru (üç fazlı) olmak üzere iki çeşittir. Ancak her iki tipte de avantajlar ve dezavantajlar vardır. Firmaların yaptığı açıklamalara göre AC motor daha hafif, verimi daha yüksek ve daha az bakım gerektiriyor. Aynı zamanda AC motoru şanzıman ve akslara daha kolay birleştirilir ve motorlarda ayrı bir kontrol ünitesine gerek vardır. DC motorda akım, iki fazlı 6

olduğundan anahtarlar ile kontrol edilebilmektedir. Ayrıca AC motorun kontrol ünitesi DC motorun kontrol ünitesine göre oldukça pahalıdır. Bu sebeplerle bazı firmalar DC motoru tercih etmektedir. 3.1.3. Elektrik Motor Sürücüsü Sürücü, elektrik motorunun istenilen devirde veya momentte sürülmesini sağlayan sistemlerdir. Yüksek güç, gerilim ve akım şartlarında çalışan sürücüler için IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) elektronik anahtarlama elemanları kullanılmaktadır. Bunların dışında sürücü içerisinde sürücü kontrol birim işlemcisi, pasif elektronik elemanları, soğutucu ve DC gerilim düzenleyicileri bulunmaktadır. Sürücü tasarımında ve algoritma içeriğinde elektrik motorunun yüksek sıcaklık, kısa devre ve yüksek akım gibi durumlara karsı güvenlik önlemleri alınmalıdır. Özellikle mıknatıslı motorlarda akım değeri mıknatısları demagnetize etmeyecek şekilde olmalıdır. Sürücü tasarımı için 600V ve 600A akımlara dayanabilen IGBT modülleri bulunmaktadır. Hibrit araçlar için güç konusunda yeterli olan teknoloji için verim, maliyet, ağırlık ve hacim kazançlarının yapılması gereklidir. Sadece tam elektrikli araçlar için daha yüksek akımlara dayanabilecek teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Sürücünün verimliliğini artırabilmenin en etkili yolu soğutma ve IGBT deki kayıpların azaltılmasıyla sağlanabilir. IGBT deki kayıpların azalması için iç mimarında yapılacak iyileştirmelere ihtiyaç vardır. Piyasada üretimi bulunan bir hibrit araçta geliştirmiş olan IGBT (Sekil4) yapısı iç mimari iyileştirmeye örnek olarak verilebilir. Hendek tipi olarak adlandırılan IGBT yapısının iç direnci düşük olduğu için IGBT den geçebilecek akım yoğunluğu artarken, hacimsel olarak da IGBT nin boyutları küçülmüştür Sekil 4: IGBT iç mimarisi.. IGBT lerden geçen akımın miktarını düşürmek için 1 adet IGBT yerine, 3 adet IGBT konulması piyasada uygulanan metotlardan biridir (Sekil 5). IGBT boyutu küçülmektedir. Yüzeysel olarak ise soğutma alanı artmıştır. Soğutma işlemini artırabilmek için IGBT modülleri soğutma plakalarıyla çift taraflı olarak temas ettirilip sıkıştırılır. (Sekil 6). 7

Sekil 5: Elektrik motor sürücü mimarisi. Sekil 6: IGBT soğutma sistemi. Sürücü teknolojisi artık elektrik motoru içerisine yerleştirilmeye başlanmıştır. Fraunhofer enstitüsü sürücüyü elektrik motorunun etrafına halka seklinde yerleştirmeyi başarmıştır (Sekil 7). Sekil7: Fraunhofer enstitüsü elektrik motoru ve sürücüsü. Hibrit araçlarda maliyet, ağırlık ve hacim kazancı sağlamanın bir diğer yolu ise hibrit araç bileşenlerinden biri olan batarya şarj sisteminin sürücü sistemi içerisine adapte edilmesiyle de sağlanabilir. Araç 3 fazlı şebekeden şarj edilirken, motor sürücüsü şarj sistemi olarak görev görecektir. Şarj sırasında motor devre dışı kalacaktır (Sekil 8). Ek olarak takılacak bir şarj sistemi 8dm 3 hacim, 9 kg ağırlık ve ek maliyet miktarı getirmektedir. Sistemdeki endüktanslar motor sargılarındaki endüktansın görevini görmektedir. Enerji verimliligi açısından küçük güçteki şarj sistemlerinde IGBT yerine MOSFET yapısının kullanılması daha uygundur. 8

Sekil 8: Sürücünün şebekeden bataryayı şarj etmesi. 3.2. GÜÇ SİSTEMLERİ BİRİMİ Hibrit araçlarda enerji depolama birimi olarak Li-on, NiMH bataryaları ve süper kapasitörler kullanılmaktadır. Aşağıdaki tabloda enerji depolama sistemleri karşılaştırılmıştır. Tablo 1:Batarya çeşitlerinin karşılaştırması 3.2.1. Bataryalar Bataryalar kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üreten cihazlardır. Batarya da bir hücre, temel olarak pozitif ve negatif elektrotlardan ve elektrotları birbirinden ayıran bir ayırıcıdan oluşmaktadır. Enerji depolama kapasitesi bakımından kurşun-asit bataryalara nazaran iki kat yüksek NiMH ve üç kat yüksek lityum-iyon bataryaları hızla geliştirilmektedir. Yüksek sıcaklık bataryalarının (sodyum-sülfür, sodyum nikel klorür, lityum-demir sülfit), enerji depolama kabiliyetleri yüksek olmasına rağmen, karmaşık yapısı ve yüksek çalışma sıcaklığı (300-450 C) sebebiyle kullanılması zordur. Lityum iyon bataryalar, maliyet ve dengelilik açısından istenilen seviyeye geldiğinde rakipsiz kalacaktır. Kullanım kolaylığı ve ömürleri ile yüksek hücre voltajı (3,6 V), enerji yoğunluğu (100-125 Wh/kg) ve hacimsel yoğunluğu ile birlikte çeşitli tasarım problemlerine çözüm getirir. Özellikle yüksek güç yoğunluğu karakteristiği lityum-iyon bataryaları elektrikli araç uygulamalarında çekici hale getirmiştir. Performansa dayalı olmayan otomotiv uygulamalarında kurşun-asit bataryalar yeterli kalırken, araç tahrik gücünün sağlanması söz konusu olduğunda daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryalar gerekir. 9

3.2.2. Süper Kapasitörler Teknik terim olarak Elektrokimyasal Çift Tabakalı Kapasitör (EDLC) olarak bilinen ultrakapasitörler ya da süperkapasitörler, yüksek enerji yoğunluğuna sahip kondansatörlerdir. Kondansatörler yükleri pozitif ve negatif plakalar üzerinde depo ederken, ultrakapasitörler yükleri elektrotlar ve elektrolit arasındaki boşluklarda depo ederler. Delikli yapıya sahip karbon bazlı elektrotları, çok yüksek yüzey alanı (>2000m2/g) ve çok ince dielektrik malzemesi de elektrotlar arası mesafenin küçülmesini sağlar. Bu iki özellik sayesinde, çok küçük boyutlarda oldukça büyük kapasitelere ulaşılabilmektedir. Ultrakapasitörler, seri ve paralel bağlanabilmeleri sayesinde mili amper akımlar ya da mili watt güçlerden, yüzlerce amper akım ya da yüzlerce watt güçlere kadar ihtiyaç duyulan birçok endüstriyel uygulamada kullanılabilirler. Enerji yoğunlukları bataryalara göre daha azdır. Ancak deşarj süreleri ve hızlı çevrim ömrü (faydalı şarj yeteneğini kaybetmeden mümkün olan şarj ve deşarj çevrimi sayısı) daha fazladır. Süper kapasitörler hazır halde ivmelenme ve yokuş çıkma gibi ani güç gereksinmelerinde bataryalara yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. 3.3.BATARYA YÖNETİM SİSTEMİ 3.3.1. Batarya Teknolojisi Özellikle yüksek güç yoğunluğu karakteristiği lityum-iyon bataryaları elektrikli araç uygulamalarında çekici hale getirmiştir. Batarya teknolojilerinin en önemli tercih sebepleri aşağıdaki gibidir: Boyut Ağırlık Maliyet Güvenirlilik Performans Hibrit ve elektrikli araç uygulamalarında bu özellikler optimize edilecek şekilde seçilmelidir. Performansa dayalı olmayan otomotiv uygulamalarında kurşun-asit bataryalar yeterli kalırken, araç tahrik gücünün sağlanması söz konusu olduğunda daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bataryalar gerekir. Bu durumda NiMH(nikel metal hidrat) ya da li-iyon bataryalar tercih edilir. Burada Li-iyon batarya yönetim sisteminin özellikleri ve yenilikleri ile ilgileneceğiz. 3.3.2. Li-İyon Batarya Yönetim Sistemi Özellikleri Ve Yenilikleri Enerji depolama yeteneği, ağırlık ve ömürlerinin diğer teknolojilere göre daha avantajlı olmalarından dolayı elektrikli ve hibrit araçlarda lityum bazlı bataryalar tercih edilmektedir. Bu bataryaların kullanımının hızla artması, hücreler ile hücre dizilerinin güvenli ve verimli bir kullanıma yönelik olarak sistem tasarımında 10

çözülmesi ve araştırılması gereken birçok problem olduğunu göstermiştir. Bunlar, bataryaların hücrelerinin kullanılması esnasında kimyasal özelliklerini de içeren özelliklerinin izlenmesi, ölçülen parametrelere göre gerçek zamanlı olarak değişkenlerin kontrol edilmesi ve en yüksek performansı sağlayacak şekilde kullanımın sağlanmasıdır. Bataryaların yüksek maliyetleri sebebi ile ortam ve şarj-deşarj şartlarının en uzun batarya ömrünü sağlayacak şekilde oluşturulması da temel tasarım ölçütleri içinde sayılmalıdır. Elektrikli ve hibrit araçlardaki lityum bazlı bataryalar kimyasal özellikleri sebebiyle dikkatli bir şekilde kullanım gerektirir. Uygun olarak tasarlanmış bir batarya sisteminde her bir hücre dengeli şarj seviyesinde (eşit gerilim seviyesi olarak da adlandırılır) olmalıdır. 3.3.3. Batarya Yönetim Sisteminin Önemi Lityum bazlı batarya sisteminde dengelemenin birçok önemli faydası bulunmaktadır. Bataryalar şarj ve deşarj edildikçe kapasiteleri azalır. Dengeleme olmadan yapılan şarj ve deşarjları gerçekleşmesi sonucunda bataryalar standart kullanım ömürlerini tamamlayamadan bozulur ve hızlı bir şekilde devre dışı kalırlar. Hâlbuki hücresel dengeleme sistemiyle birlikte kullanılan abataryalardan hem daha fazla enerji çekilebilir hem de kullanım ömürleri daha uzun olur. Seri bağlı lipo hücrelerdeki kapasite farklarının etkisi gelişmiş bir batarya yönetim sistemi ile maliyetler düşer ve çevreye olabilecek olumsuz etkiler azaltılmış olur. Dengeleme teknikleri aşağıdaki şekilde gruplandırılır; 1.Pasif dengeleme: Hücre gerilimlerinin kontrollü olarak deşarjı ile eşitlenmesi prensibine göre çalışır. Hücrelerin korunması temel alınmıştır. Ancak sürekli bir güç kaybı bulunmaktadır. Gerili yüksek olan hücre anma değerine inene kadar deşarj edilir. Bu sebeple verimlilik açısından diğer tekniklerle kıyaslanamayacak kadar güç kaybı vardır. Göreceli, olarak maliyeti düşük, uygulaması kolaydır( Renault fluence). 2.Aktif dengeleme: Bu teknik ile enerji gerilimi yüksek olan hücreden gerilimi düşük olan hücreye aktarılır. Kapasitif ve endüktif olmak üzere iki farklı topoloji ile uygulanır. Ayrıca diğerinden farklı olarak şarjdeşarj esnasında uygulanabilir. a.kapasitif dengeleme: switched-capacitor uygulaması olarak da adlandırılan bu teknikte, aynı anda sadece bir hücrenin dengelemesi yapılabilir. Dizinin en sonuna yakın hücrelerde bir dengeleme yapılacak ise işlem daha uzun zaman alır. Dirençlerde güç kaybı söz konusu olmaz. Ancak endüktif dengeleme sistemine göre yavaş çalışır. b.endüktif Dengeleme: dengesizlik gerilimi yüksek olan hücrede ki enerjiyi düşük gerilimli hücreye aktarır, bu prensibe göre çalışır. Topoloji karmaşık ve maliyetli olmakla birlikte en hızlı ve verimli tekniktir. Herhangi bir anda ve herhangi bir hücre için azaltan veya yükselten dönüştürücüler yardımıyla dengeleme işlemi yapabilir. Günümüzdeki bir batarya yönetim sistemi aşağıda belirtilen özelliklerde olmalıdır; 1. Veri işleme(data acquisition) 2. Güvenlik ve koruma 3. Bataryaların durumları hakkında tahmin ve karar verme yeteneği 4. Bataryaların şarj ve deşarjlarını kontrol edebilme 11

5. Hücre dengelemesi 6. Isıl yönetim (thermal management) 7. Bataryaların durumunu bildirme ve bir kullanıcı arayüzünde yetkilendirme 8. Bataryaların birimleri ve dış ortamdaki diğer cihazlarla haberleşme 9. Batarya ömrünün uzatılması 3.3.3.1. İndüktif Teknikle Çalışan Aktif Dengeleme Sistemi En avantajlı yöntem bu yöntemdir ve avantajları şöyle sıralanır; Daha az sayıda manyetik eleman ve anahtar kullanılması Enerji transferini her bir hücreden bloğa veya bloktan her bir hücreye enerji aktarılabilmesi Her bir bloktan ana yığına enerji aktararak bloklar arası dengeleme yapılabilmesi Güç anahtarı olarak mosfet kullanılabildiği için diyot gibi sabit gerilim düşümü ve buna bağlı kayıplar olmaması Kontrol mantığının basit olması ve kolay bir kontrol algoritmasının kurulmasına imkan vermesi. 3.3.3.2. Kesintisiz Hücre Dengeleme Batarya hücre ve dizilerinin şarj, deşarj, yedekte bekleme veya depolandığı ortamlarda dahi dengeleme kabiliyeti bulunmalıdır. Burada gereklilik, hücrenin gerilim, akım, sıcaklık bilgilerini ölçebilen algılayıcılar, koruma elemanları, mikro denetleyici gibi kontrol elemanlarının göreceli olarak basit bir şekilde temin edilebilecek elemanlardan seçilmesi ve kullanılacak yazılıma uygun donanım yapısının kurulmasıdır. Aktif dengeleme işlemi yapılırken sistemin şarjda veya deşarjda olması dengelemenin yapılmasına bir engel teşkil etmemektedir. Sistemde enerji transferini gerçekleştiren izole bir DC/DC kullanılmaktadır. Flyback transformatörünün bir adet yüksek gerilim (HV) sargısı (Ana DC bara bağlantılı), bir Blok sargısı (blok barasına bağlı) ile Lityum iyon hücre sayısı kadar da (10-12 tane) sekonder sargısı bulunacağından HV sargısını nüve ve diğer sargılardan iyi izole etmek gerekir. Ayrıca kontrol kolaylığı açısından sekonder sargıların empedanslarının eşit olabilmesi için tasarım öncesinde gerekli tedbirler alınmalıdır. Yöntemde enerji transferinin yönü yukarıda dengeleme(top balancing), aşağıda dengeleme (bottom balancing) ve bloklar arası dengeleme (balancing between blocks) olarak üç faklı çalışma durumu ile adlandırılmaktadır. Sayılan bu dengeleme durumları aşağıda açıklanmıştır. 1. Yukarıda Dengeleme yönünde enerji aktarılması, enerjisi fazla olan hücreden kendi bloğuna doğrudur. Burada enerji nüve ile primer sargının oluşturduğu manyetik devre üzerinde depolanmakta ve daha sonra ise ortak sekonder sargı üzerinden blok uçlarına transfer edilmektedir. Böylece gerilimi fazla olan hücreden alınan enerji kendiside dahil olmak üzere bütün bloğa paylaştırılmaktadır. 12

2. Aşağıda Dengeleme yönünde enerji aktarımı bloktan hücreye doğrudur. Manyetik devre bu defa primer sargı üzerinden şarj edilmekte ve gerilim seviyesi düşük olan sekonder sargı üzerinden sadece o hücreye aktarılmaktadır. 3. Bloklar Arası Dengeleme durumunda ise manyetik nüve primer üzerinden şarj edilerek yüksek gerilim (HV) sargısı üzerinden ana baraya (toplam yığına) aktarılmaktadır. Böylece bloktan alınan bir miktar enerji kendisi de dahil olmak üzere bütün bloklara paylaştırılmaktadır. 3.4.BATARYA ŞARJ ALTSİSTEMİ Batarya şarj cihazları günümüzde yaygın olan ferrorezonanslı şarj cihazları, SCR şarj cihazları ve yeni anahtarlama teknolojileriyle geliştirilen anahtarlamalı şarj cihazlarıdır. 3.4.1. Ferrorezonanslı Şarj Cihazları (Ferroresonant Chargers) Şekil 9 da gösterilen ferrorezonanslı şarj cihazları, ferroresonanslı bir transformatörün şarj cihazı çıkışını regüle etmesi prensibine göre çalışır. Ferrorezonanslı transformatörler, sabit gerilim veren transformatör ya da otomatik kademeli transformatör olarak da bilinirler. Endüktansı kontrol ederek gerilim ayarlaması yapma mantığına göre çalışırlar. Bir ferrorezonanslı transformatörün primer tarafında, sadece primer sargı bulunur. Sekonder tarafında ise çıkış sargısı ve rezonans sargısı bulunur. Sekonder tarafta kullanılan kondansatör, rezonans karakteristiğini belirler. Transformatörün çalışması esnasında rezonansa giren 3. sargı, nüvenin doyuma girmesini sağlar. Doyuma giren nüve nedeniyle çıkış gerilimi kare dalgadır. Çıkışın kare dalga olması, doğrultularak elde edilen gerilimin daha az dalgalı olmasını sağlar. Ayrıca giriş gerilimi dalgalanmalarında çıkış gerilimi olabildiğince sabittir. Ancak hat frekansındaki küçük değişimlerden oldukça etkilenirler. Elektronik kontrole sahip olmamaları nedeniyle sağlam ve güvenilirlerdir. Fakat gelişmiş kontrol devrelerinin olmaması, batarya şarj ihtiyacını karşılamakta birçok sınırlamayla karşılaşmalarına neden olur. Sonuç olarak bataryayı şarj ederler. Ancak bataryanın kolayca aşırı şarja maruz kalmasına neden olabilirler. Geleneksel transformatörlere göre daha fazla ısı yaymaları sebebiyle verimleri düşüktür. Düşük frekansla çalışmaları nedeniyle sesli çalışırlar aynı zamanda büyük ve ağırdırlar. Yüksek güçlerde yüksek verimle çalışırken (%89-%93) düşük güçlerde verimleri düşüktür (%60). 13

Şekil 9: Ferrorezonanslı şarj cihazı 3.4.2. SCR Şarj Cihazları (SCR Chargers) Şekil 10 da gösterilen, SCR şarj cihazları, AC hatta bağlı bir transformatör çıkışının, kontrol sinyalleri yardımıyla doğrultulup regüle edilmesi prensibine göre çalışırlar. Tristör kullanımı, bu şarj cihazlarının çıkış geriliminin daha hassas olarak ayarlanmasını sağlar. Ferrorezonans tipin aksine, hat frekansı değişikliklerine daha az duyarlıdırlar. Çıkış gerilimindeki dalgalılık, çıkış akımında da dalgalılığa yol açar ve bu akımlar özellikle yüksek şarj oranında, bataryanın fazla ısınmasına neden olur. Ferrorezonans şarj cihazlarına benzer şekilde, hat frekansında çalışırlar bu nedenle büyük ve ağırdırlar. Giriş ile çıkış arası elektriksel izolasyon için, düşük frekanslı (50-60Hz) bir transformatör kullanılır. Yüksek güçlerde verimleri daha düşüktür. Ses düzeyleri ferrorezonans tipe göre daha azdır. Şekil 10: SCR şarj cihazı 3.4.3. Anahtarlamalı Şarj Cihazları (Switchmode Chargers) Bir anahtarlamalı batarya şarj cihazı, tam kontrol edilebilir güç anahtarları (Mosfet, IGBT gibi) içeren bir dönüştürücüdür. Hat frekansına göre yüksek frekansta çalışırlar (Birkaç khz den yüzlerce khz e kadar). 14

Mosfet ve IGBT lerin hem kapanması hem de açılması kontrol edilebildiğinden, bu şarj cihazlarının cevap süreleri çok kısadır. Tipik bir anahtarlamalı şarj cihazı, girişindeki bir AC-DC doğrultucu ile giriş gerilimini doğrultur ve regülesiz bir DC gerilim elde eder. Elde edilen DC gerilim ayarlanıp filtre edilerek, batarya şarj edilir. Çıkış gerilimi dalgalanması çok azdır. Anahtarlar PWM kontrol yöntemiyle kontrol edilir. Şekil 11 de tipik bir anahtarlamalı şarj cihazı gösterilmiştir. Şekil 11: Tipik anahtarlamalı şarj cihazı Anahtarlamalı şarj cihazları, izolasyonlu ve izolasyonsuz olmak üzere iki türdür. İzolasyonsuz bir anahtarlamalı şarj cihazının girişinde, Şekil 12 de olduğu gibi düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyon sağlanabilir ve gerilim ayarı yapılabilir. İzolasyonlu tip şarj cihazı için izolasyon transformatörünün boyut, ağırlık ve maliyetinin azaltılması, aynı zamanda uygun tasarımla veriminin geliştirilmesi önemlidir. Çalışma frekansı ile transformatör büyüklüğü ve ağırlığının ters orantılı olması nedeniyle yüksek frekansta çalışmak avantajlıdır. Bu nedenle, anahtarlamalı şarj cihazının izolasyonu genellikle Şekil 13 deki gibi yüksek frekanslı bir transformatör yardımıyla sağlanır. Bunun için girişten doğrultularak elde edilen DC gerilim ayarlanır ardından bir inverter yardımıyla yüksek frekanslı AC gerilim elde edilir, sonra yüksek frekanslı bir transformatör ile birleştirilir. Yüksek frekanslı transformatör, hem izolasyonu sağlar hem de gerilim ayarı yapılmasına olanak sağlar. Şekil 12: Anahtarlamalı şarj cihazının girişinde düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyonun sağlanması 15

Şekil 13: Yüksek frekanslı transformatör ile izolasyonu sağlanan anahtarlamalı şarj cihazı Uygun şarj cihazı teknolojisi seçimi, batarya gereksinimlerine ve uygulama ihtiyaçlarına bağlıdır. Ferrorezonans ve SCR tip şarj cihazları sağlam ve güvenilir olup yıllardır varlıklarını sürdürmektedirler. Ancak anahtarlamalı tip şarj cihazları yüksek verimli, hafif, düşük hacimli, sessiz, değişimlere hızlı tepki verebilme gibi özelliklerinden dolayı ferrorezonanslı ve SCR tip şarj cihazlarına göre daha iyidir. 3.5. Batarya Şarj Kontrol Yöntemleri Bir bataryanın şarj ve deşarj olma kabiliyeti bataryanın tasarımı, şarj durumu, sıcaklığı, daha önceki çevrim geçmişi ve kullanımı gibi birçok unsura bağlıdır. Bu çoğul bağımlılık, bataryanın şarj durumu tespitini ve şarj yöntemlerini karmaşık hale getirmektedir. En çok kullanılan batarya şarj yöntemleri; sabit akımda şarj, sabit gerilimde şarj ve sabit akım-sabit gerilim (İki basamaklı) şarj olarak sıralanabilir. Batarya şarj ederken genel eğilim, bataryaya zarar vermeden kısa sürede şarj olabilmesi için şarj cihazının ve bataryanın limitleri çerçevesinde, bataryaya maksimum şarj akımı sağlamaktır. Bu bağlamda, şarj yöntemi büyük şarj ve sızıntı şarjı olmak üzere iki bölüme ayrılabilir. Enerji transferinin büyük kısmı, büyük şarj kısmında ve büyük şarj akımıyla gerçekleşir. Sonra sızıntı şarjı ile ve küçük akımlarla tamamlanır. Şarj süresinin olabildiğince kısa olması, büyük şarj kısmında mümkün olduğunca büyük şarj akımı sağlanmasıyla gerçekleşir. Bataryanın aşırı şarja maruz kalmaması için şarjın sonlarına doğru akım azaltılır. Böylece bataryanın aşırı şarj olup gaz çıkışı ve elektrolit kaybına uğraması nedeniyle ömrünün kısalması ve performansının azalması engellenmiş olur. Şekil 14: Batarya şarj cihazlarının donanımsal yapısı, yerleşimi ve şarj gücü aktarım şekilleri 16

3.5.1. Sabit Akımda Şarj Etme Yöntemi Sabit akımda şarj etme yöntemi bataryayı şarj edebilmek için kullanılan basit bir yöntemdir. Şarj akımı seri bağlı olan tüm batarya hücrelerinde eşittir. Bataryalarda şarj durumu arttıkça beraberinde iç direncinde artış göstermesinden dolayı, sabit akımda şarja devam edebilmek için gerilim sürekli arttırılmalıdır. Ancak bu yöntemde seçilen şarj akımı çok önemlidir. Çünkü çok yüksek seçilen şarj akımı bataryanın kısa sürede şarj olmasına imkân sağlarken diğer yandan bataryanın aşırı şarja maruz kalması ve fazla ısınması nedeniyle zarar görmesine sebep olabilir. Düşük akımda şarj ise şarj süresinin uzamasına neden olur. 3.5.2. Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Sabit gerilimde batarya şarjı, gerçekleştirmesi ve kontrolü basit bir yöntemdir. Şarjın başlangıcında düşük batarya iç direncine bağlı olarak kaynaktan yüksek bir akım çekilebilir, çekilebilecek bu yüksek akımın elemanlara zarar vermemesi için sınırlandırılması gerekir. Batarya elemanlarına, zarar görmeyecekleri gerilimler uygulanarak şarj başlatılır. Daha sonra batarya gerilimi istenen bir seviyeye geldiğinde, gerilim sabit tutularak şarja devam edilir. Şarj artışına bağlı olarak artan batarya iç direnci nedeniyle şarj akımı zamanla azalır. Bu da şarjın, sızıntı akımıyla tamamlanmasını ve böylece bataryanın aşırı şarj olma ihtimalinin, bir önceki yönteme göre azalmasını sağlar. Ancak şarj akımında oluşan azalma nedeniyle bataryanın şarj olma süresi, bir önceki yönteme göre daha uzundur. 3.5.3. Sabit Akım-Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Sabit akım-sabit gerilim ile şarj etme yönteminde, bataryaya sabit akım ve sabit gerilim olmak üzere iki periyotta şarj uygulanır. Bataryaların aşırı şarja karşı çok hassas olmaları, şarjın başlangıcında sabit gerilim uygulandığında kaynaktan aşırı akımlar çekilmesi ve şarjın olabildiğince kısa olması istendiğinden dolayı şarj önceden ayarlanmış bir gerilim seviyesine ulaşana kadar sabit akımla başlar, sonrasında sabit gerilimle devam eder ve biter. 3.5.4. Şarj Cihazlarının Donanımsal Yapısı Bir EA(Elektrikli Araçlar) ve HEA(Hibrit Elektrikli Araçlar) batarya şarj cihazı iki ana bölümden oluşur. Güç İşleme Ünitesi (Power Processing Unit) Batarya Enerji Yönetim Sistemi (Battery Energy Management System) (Batarya yönetim sisteminden yukarıda bahsetmiştik, bu konu detaylıca anlatıldığından sadece Güç İşleme Ünitesi nden bahsedilecektir.) 3.5.5. Güç İşleme Ünitesi (GİÜ) GİÜ, bataryanın bir elektrik enerji kaynağından şarj olabilmesi için gerekli olan DC akımın elde edildiği ve ayarlandığı ünitedir. Bataryalar şarj olabilmek için genellikle 200-500 Vdc gerilime ihtiyaç duyarlar. Bu 17

ünite mevcut elektrik enerjisi kaynaklarının AC olması sebebiyle genel olarak bir AC-DC dönüştürücüden oluşmaktadır. Ancak günümüzde bazı gelişmiş batarya şarj cihazları DC kaynaktan da şarj gücü sağlayabilecek şekilde tasarlanmaktadır. Literatürde, güç elektroniği ve yarı iletken teknolojisinin gelişimine bağlı olarak farklı istekler doğrultusunda farklı GİÜ leri görmek mümkündür. Bu ünite kaliteli ve verimli bir elektrik enerjisi sağlamasının yanı sıra bataryanın şarj ihtiyaçlarına da en iyi cevap verecek şekilde tasarlanmalıdır. 3.6. Şarj Gücü Aktarım Şekilleri Bir EA ve HEA bataryasına şarj gücü iletimi, Şekil 14 te gösterildiği gibi iletken bağlantı (conductive coupling) ve endüktif bağlantı (inductive coupling), olmak üzere iki şekilde sağlanır. 3.6.1. İletken Bağlantı (Conductive Coupling) Şarj kaynağının bir iletken vasıtasıyla elektriksel olarak direk araca bağlandığı, şarj gücü aktarım şeklidir. Güvenli bir şarj için iletkenler ve bağlantı noktaları kullanıcının erişemeyeceği şekilde ve komple kaplı olmalıdır. Bu şarj gücü aktarım şeklinin kullanıldığı şarj cihazları, araç üzerinde veya araç dışında olabilir. 3.6.2. Endüktif Bağlantı (Inductive Coupling) Araca şarj gücü transferi, primeri ve sekonderi parçalarına ayrılabilen özel bir transformatör yardımıyla gerçekleşir. Transformatör kullanımıyla, güç iletimi manyetik yolla gerçekleşirken aynı zamanda elektriksel izolasyon da sağlanmış olur. Bu da endüktif bağlantılı şarjın, iletken bağlantılı şarja göre daha güvenli olmasını sağlar. Bağlantının kolaylıkla yapılabilmesi, düşük maliyetli olması, araç üzerinde minimum ağırlık ve hacme sahip olması için transformatörün büyüklüğünün ve ağırlığının az olması gerekir. Bu nedenle, yüksek frekanslı bir transformatör kullanılır. Şarjın başlayabilmesi için araç dışında ve güç tarafında bulunan primer sargı ile araç üzerinde bulunan sekonder sargı birleştirilir. Primer taraftaki düşük şebeke frekansı, dönüştürücüler yoluyla 80-300kHz lik yüksek frekansa çevrilir. Sekonder tarafta manyetik yolla indüklenen yüksek frekanslı emk, araç üzerinde bulunan doğrultucu ile doğrultulur ve batarya kablosu yardımıyla batarya şarj edilir. Bu yöntem, güç iletiminin manyetik yolla yapıldığından dolayı yüksek güçlü şarj cihazları için daha güvenli ve uygundur. 3.7. Batarya Şarj Cihazından İstenen Özellikler EA, HEA ve batarya teknolojilerinin gelişimine paralel olarak, bir batarya şarj cihazından istenenler her geçen gün artmaktadır. Bir batarya şarj cihazından; Yüksek enerji verimliliği Aşırı akım ve aşırı gerilim koruması 18

Düşük Toplam Harmonik Distorsiyon (THD) Kurulacağı bölgenin şebekesine uygunluk Uygun maliyet Bataryanın şarj durumuna göre uygun şarj, geniş şarj akımı ve gerilimi aralığı Bataryaya kaliteli elektrik enerjisi sağlama ( Şarjın kalitesi, bataryanın uzun ömürlü ve sağlıklı olması açısından kritik önem taşır. Şarj akımında bulunan dalgalanmalar, bataryanın gereksiz ısınmasına ve ömrünün azalmasına sebep olur. ) Elektriksel izolasyon Tüm elektromanyetik uyum (EMC) kurallarını karşılama Bataryanın şarj-deşarj durumu, sıcaklığı, şarj akımını gibi verileri kullanıcıya görüntüleyebilme Düşük hacim Hafiflik Kolay kullanım Acil durumlarda diğer kaynaklarla bağlantı kurabilme (Örneğin araçlarda bulunan 12V SLI Kurşun- Asit bataryalardan şarj sağlayabilmesi, acil durumlar için önemlidir.) Az gürültü Düşük bakım-onarım Uygun olmayan şarj durumunda otomatik kapanma AC ve DC giriş geriliminde şarj yapabilme Üretici ve güç oranı ayrımı yapmaksızın, tüm batarya tiplerine uygunluk Hızla gelişen EA ve HEA teknolojisine ve standartlarına uygun olma Tüm hava koşullarında şarj edebilme gibi özellikler istenir. 3.8. ÇEVİRİCİ / İNVERTER Hibrit araçlarda iki tip DC/DC çeviriciye ihtiyaç vardır. Bunlardan biri batarya gerilimini aracın ihtiyacı olan 12 V a indiren DC/DC çevirici, diğeri batarya gerilimini elektrik motorunun çalışma gerilimine çeviren yüksek güçlü DC/DC çeviricilerdir. Batarya sisteminin gerilimi, elektrik motoru için gerekli çalışma gerilimini sağlıyorsa yüksek güçlü DC/DC çeviriciye gerek yoktur. Enerji kaynağı süper kapasitör olan araçlarda gerilim değişimi yüksek olduğu için yüksek güçlü DC/DC çeviriciye ihtiyaç duyulur. Sekil 16 da 12V DC/DC çevirici yapısı gösterilmiştir. 12V DC/DC çeviriciler 2-3 Kw arası enerji sağlamalıdır. Düşük güçlerde verimli ve anahtarlama frekansı yüksek olan MOSFET teknolojisi 12V DC/DC çeviricilerde kullanılmaktadır. Çeviricilerin verimleri %90 ların üzerindedir. Hacim, ağırlık ve maliyette kazanç sağlamak için batarya şarj sistemiyle birleştirilerek tek bir yapı haline getirme üzerinde çalışılabilir. 19

Sekil 16: DC/DC çevirici mimarisi. 12V DC/DC çeviricilerde verim artışı sağlamak için sert anahtarlama tekniği yerine yumuşak anahtarlama uygulanarak anahtar açma/kapatma kayıpları azaltılabilir. DC/DC çeviricideki verim artışı Şekil 17 de gösterilmiştir. Yumuşak anahtarlama tekniğinde 70 KHz sabit anahtarlama tekniği uygulanmıştır. İkinci aşamada yumuşak anahtarlama etkisinin az olduğu düşük yüklerde 90 KHz, yumuşak anahtarlama etkisinin arttığı yüksek yüklerde 115 KHz kullanılarak verim artışını sağlamıştır (Sekil 18). Sekil 17: Sert anahtarlama ve yumuşak anahtarlama verimleri. Sekil 18: Farklı yüklerde, değişen anahtarlama frekansının verim e etkisi. Yüksek güçlü DC/DC çeviriciler süperkapasitörlü sistemlerde kullanılmak zorundadır. Gücün, gerilimin ve akımın yüksek olması sebebiyle IGBT teknolojisi burada karşımıza çıkmaktadır. Fraunhofer enstitüsü tarafından ilk örnek olarak üretilen DC/DC çevirici 100 Kw gücünde, 25Kw/dm 3 güç yoğunlunda, %97 20

verimliliğe sahiptir. 100V gerilimi, 450V ta kadar çıkarabilmektedir. Anahtarlama frekansı 100 KHz ve çevirici yapısı basit buck/boost (düşürücü/yükseltici) çevirici olarak seçilmiştir (Sekil 19). 1 faz yerine, 12 adet buck/boost yapısı kullanarak toplam hacim azaltılmıştır. Sekil 20 de faz sayısına göre DC/DC çeviricideki bileşenlerin hacim değişimi gösterilmiştir. Sekil 19: Buck/Boost yapısı. Sekil 20: Buck/Boost çeviricinin faz sayısına göre hacim değişimi. 3.9. GÜÇ DAĞITIM CİHAZI (POWER SPLİT DEVİCE) Benzin motoru, jeneratör ve elektrik motoruna bağlıdır. Motorun ihtiyacına göre tekerleklere, bataryaya ve elektrik motoruna güç iletir. Önemli bir parça olan PSD, İY Motoru, elektrik motoru ve dinamoyu birbirine bağlayan bir vites kutusu gibi bir görev üstlenir. İçinde bulundurduğu dişli çark sistemi sayesinde(şekil 21) İYM ile elektrikli motoru bağımsız şekilde ya da gerektiği zaman birlikte çalıştırıp araca ayrı ayrı ya da beraber güç aktarmalarını sağlamaktadır. Ayrıca, İYM nin dinamo doğrultusuyla bataryaları doldurması da PSD sayesinde olmaktadır. 21