ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN ŞARJ CİHAZI

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN ŞARJ CİHAZI 210214 Selçuk DAĞ 210296 Onur DUMAN Danışman Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Mayıs, 2013 TRABZON

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN ŞARJ CİHAZI 210214 Selçuk DAĞ 210296 Onur DUMAN Danışman Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Mayıs, 2013 TRABZON ii

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU. tarafından yönetiminde hazırlanan. başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI iii

ÖNSÖZ Bu projede yaptığımız tüm çalışmlarda bizlere değerli zamanını ayırarak her türlü bilgi ve birikimini bizlerle paylaşmaktan kaçınmayan, değerli fikirleri ile karşılaştığımız tüm sorunları kolayca aşmamızı sağlayan proje danışmanı değerli hocamız, Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP a şükranlarımızı sunarız. Çalışmalarımız boyunca tüm bölüm olanaklarını kullanmamıza vesile olan Bölüm Başkanlığı na, desteklerinden dolayı Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ Rektörlüğüne teşekkür ederiz. Tüm eğitim hayatımız boyunca, bizlerin bugünlere gelmesini sağlayan değerleri hocalarımıza sonsuz şükranlarımızı sunmak isteriz. Ayrıca çalışmalarımız sırasında sürekli yardımlaşma içerisinde olduğumuz arkadaşlarımıza da teşekkür ederiz. Son olarak, hayatımız boyunca her konuda bizlere tam desdek olan ailemize de sonsuz minnettarlığımızı belirtmek isteriz. Ocak, 2013 Selçuk DAĞ Onur DUMAN iv

İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU... iii ÖNSÖZ... iv İÇİNDEKİLER... v ÖZET... vii ŞEKİLLER DİZİNİ... viii ÇİZELGELER DİZİNİ... ix SEMBOLLER VE KISALTMALAR... x 1. GİRİŞ... 1 1.1. Projenin Tanıtımı... 1 1.2. İş Zaman Çizelgesi... 3 2. TEORİK ALTYAPI... 4 2.1. AA-DA Çevirici... 4 2.1.1. Süzgeç Devreleri... 6 2.2. DA-DA Çevirici... 7 2.2.1. Azaltan DA-DA Çevirici... 7 2.2.2. Yükselten Çevirici... 8 2.2.3. Snubber Devresi... 10 2.3. Arduino Kart ve LCD Ekran... 10 2.4. Mosfet Sürücüsü... 13 2.5. Akım ve Gerilim Sensörleri... 13 2.6. Akü Grupları... 14 2.7. Besleme Devresi... 15 3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI... 16 3.1. AA-DA Çevirici Simülasyonu... 16 3.2. DA-DA Çevirici Seçimi... 17 3.3. Azaltan DA-DA Çeviricinin Parametrelerinin Belirlenmesi... 17 3.4. Snubber Devresinin Parametrelerinin Belirlenmesi... 18 3.5. DA-DA Azaltan Çevirici Simülasyonu... 19 3.6. Gerilim Sensörü Simülasyonu... 20 3.7. Besleme Devresi Simülasyonu... 22 v

4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 24 4.1. Besleme Devresi Gerçeklenmesi... 25 4.2. Mosfet Sürücü Devresinin Gerçeklenmesi... 27 4.3. AA-DA ve DA-DA Çevirici Gerçeklenmesi... 28 4.4. Gerilim ve Akım Sensörlerinin Gerçeklenmesi... 32 4.5. Arduino Programlama ve LCD Bağlantısı... 35 4.5.1 Arduino LCD Bağlantısı... 39 5. ŞARJ İŞLEMİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ... 40 6. YORUM VE DEĞERLENDİRME... 42 KAYNAKÇA... 43 EKLER... 44 ÖZGEÇMİŞ... 60 vi

ÖZET Fosil yakıtların zamanla tükenecek olması ve bu yakıtların kullanımının çevreye vermiş olduğu zararların gün geçtikçe artıyor olması insanları yeni enerji kaynakları bulmaya yönlendirmektedir. Özellikle motorlu taşıtlarda bu yakıtların çokça kullanılıyor olması hem maliyet hem de çevre kirliği bakımından önemli sorunlar teşkil etmesi sebebiyle, daha ucuz ve çevre dostu olan elektrik enerjisinin bu alanda kullanılmasının önemini arttırmıştır. Nitekim elektrikli araçların yaygınlığı her geçen gün artmaktadır. Elektrik enerjisinin motorlu taşıtlarda kullanılması li-ion akülerle mümkündür. Bu akülerin performansları, kullanım şekilleri ve şarj etme yöntemlerine bağlıdır. Bu nedenle elektrikli araçların kullanımında ve gelişiminde akü şarj cihazları önemli rol oynamaktadır. Bu şarj cihazlarıyla şebekeden düşük harmonikli sinüsoidal bir akım çekebilmeli ve buna bağlı olarak da şebekeyi kirletmeden li-ion aküyü hızlı ve güvenilir bir şekilde şarj edebilmeliyiz. Projemizde güç elektroniği elemanlarından faydalanarak yukarıdaki kriterlere uygun bir akü şarj cihazı tasarlanmaya çalışılmıştır. Öncelikle projede kullanılacak sistemlerin teorik altyapıları incelenmiş ve sistem parametreleri belirlenmeye çalışılmıştır. Daha sonra belirlenen parametrelerle simülasyon çalışmaları yapılmış ve deneysel çalışmalarla bu sistemler uygulamaya aktarılmaya çalışılmıştır. vii

ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1. Şarj cihazı prensip şeması... 2 Şekil 2. Köprü diyot doğrultucu basit devre şeması... 4 Şekil 3. Pasif LC süzgeç devre şeması... 6 Şekil 4. Azaltan çevirici basit devre şeması... 7 Şekil 5. Yükselten çevirici basit devre şeması... 9 Şekil 6. Şarj algoritması akış diyagramı... 12 Şekil 7. LCD ekran-arduino kart bağlantı şeması... 13 Şekil 8. Kondansatörsüz (a) ve Kondansatörlü (b) köprü diyot doğrultucu çıkış gerilimi... 16 Şekil 9. Azaltan çevirici simülasyon devresi... 19 Şekil 10. Azaltan çevirici simülasyon sonuçları... 20 Şekil 11. Gerilim sensörsı devre simülasyonu... 20 Şekil 12. Gerilim sensörü simülasyon sonuçları... 21 Şekil 13. Besleme devresi simülasyonu... 22 Şekil 14. Besleme devresi simülasyon sonuçları... 23 Şekil 15. Projedeki devrelerin basit bağlantı şeması... 24 Şekil 16. Delikli levha üzerinde gerçeklenmiş besleme devresi... 26 Şekil 17. Besleme devresi baskı devre şeması... 26 Şekil 18. Delikli deney platformu üzerinde gerçeklenen mosfet sürücü devresi... 28 Şekil 19. Mosfet sürücü devresi giriş ve çıkış işaretleri... 28 Şekil 20. Delikli devre platformu üzerine kurulan AA-DA, DA-DA... 30 Şekil 21. Azaltan DA-DA çevirici osiloskop çıktısı... 30 Şekil 22. Giriş gerilimi 60V seviyesinde iken sürücü... 32 Şekil 24. Delikli levha üzerine kurulan gerilim... 33 Şekil 25. Besleme devresi ve gerilim sensörü baskı devre şeması... 34 Şekil 26. Potansiyometre ile DGM doluluk-boşluk oranı değiştirme basit... 36 Şekil 27. LCD ekranda yazdırılan örnek yazının görüntüsü... 39 Şekil 28. 5 ve 9 numaralı ölçümlere ait osiloskop çıktıları sırasıyla a, b.... 41 viii

ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1. Sistem verileri... 17 Çizelge 2. Snubber devre parameterelerinin saptanmasında kullanılacak veriler [4].... 18 Çizelge 3. Besleme devresinden alınan çıkış değerleri... 25 Çizelge 4. Mosfet sürücü entegresinin karakteristik özellikleri... 27 Çizelge 5. Mosfet sürücü devresinde kullanılacak eleman değerleri... 27 Çizelge 6. Mosfet teknik özellikleri [8]... 29 Çizelge 7. Diyot teknik özellikleri [9]... 29 Çizelge 8. Azaltan DA-DA çevirici devre parametreleri... 29 Çizelge 9. Gerçeklenen DA-DA çevirici ölçüm verileri... 31 Çizelge 10. Gerilim sensörü ölçüm verileri... 33 Çizelge 11. Akım sensörü ölçüm verileri... 34 Çizelge 12. DGM uygulaması için kurulan devreden alınan ölçüm... 36 Çizelge 13. PID uygulama devresi ölçüm sonuçları... 38 Çizelge 14. Şarj esnasında alınan ölçüm verileri (ölçüm aralığı 10dk dır)... 40 ix

SEMBOLLER VE KISALTMALAR EA V I C L R t f DA AA Δ ESR δ RF DGM CH dk sn Elektrikli araba Gerilim Akım Kondansatör Endüktans Direnç zaman Frekans Doğru akım Alternatif akım Değişim Salınım sabiti Malzeme sabiti AA işaretin DA işarete oranı Darbe genişliği modülasyonu Osiloskop kanalı Dakika Saniye x

1. GİRİŞ Fosil yakıtlar avantajlı günlerini geride bırakmaya başlamıştır. Bu yakıtların gün geçtikçe tükeniyor olması fiyatları üzerinde büyük artışlar olmasına sebep olmuştur. Ayrıca bu yakıtların kullanılmasıyla ortaya çıkan zararlı gazların sebep olduğu sera etkisi günümüzün en önemli gündem maddesi olan küresel ısınmayı ortaya çıkarmıştır. Gelinmiş olunan durum önlem alınmayı zorunlu hale getirmiştir. bu kirlenmedeki en büyük pay sahibi motorlu araçlar olduğundan dolayı en yoğun çalışmalar motorlu taşıtlarda kullanılabilecek daha temiz ve güvenli enerji çeşitleri üzerine olmuştur. Bu bağlamda tarihsel olarak bugünkü içten yanmalı motorlu araçlara göre daha eski bir geçmişe sahip olan elektrikli araçlara olan ilgi yeniden artmaya başlamıştır. Elektrikli araçların tarihsel olarak daha eski olmasına karşın içten yanmalı motorlara göre arka planda kalmasının nedeni bu araçlara kıyasla daha düşük performanslı olmaları ve uzun şarj süreleri olmuştur. Daha yüksek enerji yoğunluklu bataryaların ortaya çıkması ve güç elektroniğindeki gelişmeler bu araçların performansının artmasını ve şarj sürelerinin kısalmasını sağlamıştır. Böylece 1960 lı yıllardan sonra elektrikli araçlara(ea) olan ilgi yeniden artmaya başlamıştır[1]. Bütün bu gelişmeler gerekli altyapıya uygun şarj cihazları gelişimini de beraberinde getirmektedir. Bir batarya şarj cihazı elektrik enerjisi kaynağından enerjiyi alır ve EA bataryasına uygun formda elektrik enerjisi sağlar. Dolu olan akü motora akım vererek deşarj olur, daha sonra bu aküye ayrı bir kaynaktan akım akıtılarak akü içerisindeki kimyasal reaksiyon tersine çevrilir ve akü tekrar şarj edilir. Ancak akülerin şarj ve deşarj durumlarındaki farklı karakteristikleri batarya şarjı esnasında bir takım zorluklarla karşılaşılmasın sebep olur. Biz yapacağımız proje ile bu zorlukları aşabilmeyi amaçlıyoruz. Yaptığımız projenin uygulamada başarılı sonuçlar vermesi halinde, yakın gelecekte motorlu taşıtlar içerisinde önemli bir yere sahip olacak olan EA lar için kurulacak olan şarj istasyonları teknolojilerine ülkemiz adına bir katkıda bulunmuş olacağız. 1.1. Projenin Tanıtımı Elektrikli araçlar için şarj cihazı adını verdiğimiz projemizde, elektrik enerjisinin verimli ve güvenli bir şekilde akülere aktarılması amaçlanmıştır. Verimliliği arttırmak için devremizin kayıpları minimuma çekilmeye ve uygulanacak giriş gerilimi olabildiğince harmoniklerden arındırılmaya çalışılmıştır. 1

Güvenliği sağlamak için ise tasarlanan cihazın kontrol algoritması, kullanılan akülerin şarj karakteristiklerinden faydalanılarak oluşturulmuştur. Bu projenin ana prensip şeması Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1. Şarj cihazı prensip şeması Şekil 1 de de görüldüğü üzere şebekeden alınan enerji, güç elektroniği katı ile doğrultularak ihtiyacımız olan seviyeye çekilip, pasif filtre yardımıyla harmoniklerinden arındırılıp, güç faktörü düzeltilerek aküye aktarılır. Bu işlemler sırasında kilit rol oynayan kısım güç elektroniği katıdır. Güç elektroniği katındaki elemanların tasarımı kullanılan akünün karakteristiklerine ve şebeke gerilimine göre yapılır. Bu kısmın kontrolü ise oluşturulan bir kontrol ünitesi tarafından yapılır. 2

1.2. İş Zaman Çizelgesi Konvertör Tasarımı MART NİSAN MAYIS 1.H 2.H 3.H 4.H 1.H 2.H 3.H 4.H 1.H 2.H 3.H 4.H Konvertör Gerçeklenmesi Besleme Devresi Tasarımı Besleme Devresi Gerçekleme Arduino Çalışma Gerilim Sensörü Araştırılması Tez Yazımı Devrelerin Birleştirilerek Projenin Son Halinin Verilmesi 3

2. TEORİK ALTYAPI Yapılan şarj cihazının güç elektroniği katı için AA-DA çevirici olarak köprü diyot doğrultucu ve DA-DA çevirici olarak azaltan çevirici tasarlanmıştır. Bu çeviricinin kontrolü için arduino kart kullanılmış ve arduino kartın programlaması ise kullanılan akülerin şarj karakteristiklerinden yararlanılarak oluşturulmuş bir algoritma ile yapılmıştır. Akü grupları olarak da piyasadan satın alınan li-polymer aküler kullanılmıştır. Arduino karta bilgi girişi sağlayabilmek amacıyla akım ve gerilim sensörü tasarlanmıştır. Ayrıca projede kullanılan arduino kart, mosfet sürücüsü ve akım-gerilim sensörleri için besleme devresi tasarlanmıştır. 2.1. AA-DA Çevirici EA ların yaygınlaşabilmesi için her yerden şarj edilebilmeleri gerekir. Bu sebeple bu şarj işlemi şehir şebekesi ile yapılabilmelidir. Şehir şebekesinin AA olması, akü gruplarının DA güç depolamasından dolayı AA-DA doğrultuculara ihtiyaç duyulur. Bu işlemi gerçekleştirmek için köprü diyot doğrultucu kullanılmıştır. Şekil 2 de basit bir köprü diyot doğrultucu devresi gösterilmiştir. Şekil 2. Köprü diyot doğrultucu basit devre şeması Köprü diyot doğrultucu devresi, köprü şeklinde kurulmuş dört diyottan meydana gelir. Bu doğrultucular bir çeşit DA çıkışı üretse de sabit DA gerilimi sağlayamaz. Bunu sağlamak için bir düzleyici devre kullanılması gerekir. En basit şekliyle bunu sağlamak için, Şekil 2 de olduğu gibi, DA çıkışına bir kondansatör bağlanabilir. Bu kondansatörün 4

değeri de çekilen akıma bağlıdır. Pratikte bu kondansatörler 470-38000uF arasındaki değerlerde seçilir [2]. DA çıkışına bağlanacak kondansatörün değeri aşağıdaki matematiksel işlemler sonucu belirlenir [4]. (2.1) başlangıç koşulu ile boşalma akımı, (2.2) Boşalma sırasındaki değeri, (2.3) dolma süresi, = boşalma süresi ile tepeden tepeye gerilim salınımı, (2.4) olduğundan, (2.5) Bu yüzden, çıkış gerilimi (2.6) Böylece, çıkış gerilim salınımının etkin değeri, (2.7) 5

Buradan RF, (2.8) Bu formüllerden çekilirse, (2.9) Ayrıca köprü diyot doğrultucuların önemli noktalarından biri de giriş tepe geriliminden çıkış tepe gerilimine olan kayıptır. Doğrultucuların devresindeki bu kaybın nedeni yaklaşık 0,7V olan diyot eşik gerilimleridir. Çıkış geriliminin tepe değeri giriş geriliminin tepe değerinden bu değer kadar düşük olur [3]. Fakat bu kayıplar tasarlanan devrede önemli bir değişikliğe sebep olmadığından özel bir önlem alınmamıştır. 2.1.1. Süzgeç Devreleri AA-DA çeviricinin çıkışına kondansatör bağlanmasına rağmen hala bir miktar salınım olmaktadır. Bu salınımı minimuma indirmek için süzgeç devreleri kullanılır. Süzgeçler genel yapı itibariyle ikiye ayrılırlar. Bunlar, aktif ve pasif süzgeçlerdir. Aktif süzgeçler transistör, mikroişlemci gibi aktif elemanlardan oluştukları için ek bir kaynağa ihtiyaç duyarlar. Bu da maliyet artışına neden olur. Bu sebepten dolayı bu projede Şekil 3 de gösterilen pasif LC süzgeç devresi kullanılmıştır. Şekil 3. Pasif LC süzgeç devre şeması 6

2.2. DA-DA Çevirici Kontrolsüz doğrultucunun çıkışından elde edilen DA gerilim düzeltilmemiştir. DA- DA çeviriciler genellikle düzeltilmemiş bu DA gerilimin kontrollü olarak sabit DA gerilime dönüştürülmesi için kullanılırlar. Bu çeviriciler yüksek verim ve dinamik tepki gibi avantajları sebebiyle, oldukça geniş kullanım alanlarında, çokça tercih edilirler. Örneğin EA uygulamalarında farklı gerilim seviyesine sahip DA sistemlerin birbirine bağlanması amacı ile kullanılırlar [3]. DA-DA çeviricilerin genel çalışma prensibi, belirli bir periyotta yarı iletken bir anahtarın iletime ve kesime geçmesi ve bu işlemin sonucunda da ortalama değeri giriş geriliminden farklı olan bir çıkış gerilimi elde edilmesidir. Literatürde iki temel DA-DA çeviriciden söz edilmektedir. Bunlar azaltan ve yükselten DA-DA çeviricilerdir. Bunların dışındaki azaltan-yükselten, flyback ve forward çeviriciler, bu iki temel çeviricinin farklı birleştirilmelerinden oluşturulmuştur [5]. 2.2.1. Azaltan DA-DA Çevirici Azaltan çeviriciler DA giriş gerilimini düşürerek çıkışa aktaran çeviricilerdir. Bu çeviricilerin devre şeması Şekil 4 te gösterilmiştir. Şekil 4. Azaltan çevirici basit devre şeması Şekil 4 te de görüldüğü gibi devrenin çıkışında bir L-C süzgeç bulunmaktadır. Bu süzgeçteki endüktansın görevi yük akımı üzerinde ki dalgalanmayı, kondansatörün görevi ise çevirici çıkış gerilimi üzerindeki dalgalanmayı azaltmaktır. Yarı iletken anahtar iletimde iken, yüke endüktans üzerinden akım akar. Bu esnada endüktans üzerinde enerji depolanmaya başlar. Anahtar kesimde iken ise devredeki diyot iletime geçer. Bu da endüktans üzerinde depolanan enerjinin yük üzerinde harcanmasını 7

sağlar. Çevirici çıkışındaki kondansatör, anahtarın kesimde olduğu anlarda çıkış gerilimini sabit tutmaya çalışır [5]. Azaltan çeviricideki endüktans ve kondansatör elemanlarının değerleri aşağıdaki matematiksel formüller ile hesaplanır [4]: Salınım akımı; ı ı ) (2.10) Endüktans için; (2.11) ç (2.12) Kondansatör için (2.13) (2.14) (2.15) Bu eşitliklerden C çekilirse; ç ç (2.16) 2.2.2. Yükselten Çevirici Yükselten çeviriciler DA giriş gerilimini yükselterek çıkışa aktaran çeviricilerdir. Bu çeviricilerin devre şeması Şekil 5 te gösterilmiştir. 8

Şekil 5. Yükselten çevirici basit devre şeması Bu çevirici devresinde yarı iletken anahtarın iletimde olduğu anlarda endüktans üzerinde enerji depolanmaya başlar ve kesimde olduğu anlarda ise kaynak ve endüktans gerilimlerinin toplamı diyot üzerinden yükü besler. Anahtarın iletimde olduğu anlarda yükü besleyen çıkış kondansatörüdür [5]. Yükselten çeviricideki endüktans ve kondansatör elemanlarının değerleri aşağıdaki matematiksel formüller ile hesaplanır [4]: Salınım akımı; ç ç (2.17) Endüktans için; ç ç (2.18) Salınım gerilimi; ç ç (2.19) Kondansatör için; ç ç (2.20) 9

2.2.3. Snubber Devresi Mosfet, diyot gibi elemanlar iletime geçtikleri anda hızlı bir akım yükselmesine, kesime geçtikleri anda ise hızlı bir gerilim yükselmesine maruz kalırlar. Bu yükselmeler anahtarlarda müsaade edilenden daha fazla değerlere ulaşabilir. Bu durumları düzenlemek ve etkilerini azaltmak için snubber devreleri kullanılır [10]. Snubber devresinin devre parametreleri ise aşağıdaki matematiksel formüller ile hesaplanır [4]; Snubber devresinin kapasitesi C; (2.21) Snubber devresinin direnci R, (2.22) 2.3. Arduino Kart ve LCD Ekran Arduino açık kaynak kodlu geliştirilen esnek, kolay kullanımlı donanım ve yazılım tabanlı bir fiziksel programlama platformudur. Analog giriş ve dijital çıkışları vardır. Analog girişlerden alınan bilgilerle dijital çıkışlardan işaret üretilerek çeşitli sistemler kontrol edilebilir [11]. Li-polymer aküler kimyasal yapıları gereği aşırı şarja maruz kaldığında bazı tehlikeler meydana getirebilmektedir. Ayrıca bu durum akünün ömrünün kısalmasına da sebep olur. Bu problemlerin önüne geçilebilmesi için şarj esnasında akım ve gerilim değerlerinin sürekli kontrol edilmesi gerekmektedir. Nitekim akü gerilimi belirli bir seviyeye gelene kadar şebekeden çekilen akım sabit tutulur, bu gerilim değerine ulaşıldıktan sonra ise gerilim seviyesi sabit tutulur, dolayısıyla akım kademeli olarak azalır. Şarj işleminin kontrolü için geri beslemeli PID denetleyici kullanılmıştır. Bu şarj kontrol algoritmasının akış diyagramı Şekil 6 da gösterilmiştir [12]. Projede kullanılacak çeviricilerin kontrolleri Şekil 6 da ki algoritma ile arduino kart üzerinden yapılmıştır. Bu karta akım, gerilim bilgileri, akım ve gerilim sensörleri 10

yardımıyla analog girişler üzerinden iletilir. Kartın DGM çıkışlarından alınan sinyaller ise mosfetin gate ine mosfet sürücüsü aracılığı ile gönderilir. Şarj işleminde kontrol, azaltan çevirici anahtarlama elemanının doluluk boşluk oranını kontrol ederek yapılabilir. Daha önce azaltan çevirici konusunda da belirtildiği gibi, anahtarlama elemanı olarak kullanılan mosfetin iletimde olduğu süre arttırılıp azaltılarak, azaltan çeviricinin çıkış gerilimi arttırılıp azaltılabilir. Arduinoda DGM üretildikten sonraki aşama, bu DGM ile azaltan çeviricinin çıkış geriliminin belirtilen değerler arasında, otomatik olarak kontrol edilmesini sağlamaktır. Bu işlem için arduino içerisinde kapalı çevrim PID kontrol sistemi oluşturulmasına karar verilmiştir. Kapalı çevrim PID kontrol sistemi sayesinde, dışarıdan girilen referans değerle çıkıştan alınan geri besleme değeri karşılaştırılıp, oluşan hataya göre bir DGM üretilip, azaltan çeviricinin çıkış gerilimi kontrol edilmiş olacaktır. 11

Şekil 6. Şarj algoritması akış diyagramı Ayrıca şarj işlemi esnasında, akü gerilimi, şarj gerilimi ve şarj akımı gibi bazı değerleri gözlemleyebilmek için LCD ekran kullanılır. Bu LCD ekranın arduino kart ile bağlantısını kolaylaştırabilmek için I2C arayüzü ile yapılır. Arduino, LCD bağlantısı için LiquidCrystal_I2C.h adında bir kütüphaneye sahiptir. LCD ekranın arduino ile fiziksel bağlantısı Şekil 7 de gösterilmiştir. 12

Şekil 7. LCD ekran-arduino kart bağlantı şeması 2.4. Mosfet Sürücüsü Arduino kartın digital çıkışlarından en fazla 5V değerinde sinyal elde edilebilmektedir. Bu gerilim seviyesi mosfetin sürülmesi için yeterli değildir. Nitekim yapılan simülasyonlarda da anahtarlama genliğinin yaklaşık 15V olması gerektiği görülmüştür. Bu sebepten arduinodan gelen gerilimin yaklaşık 15V seviyesine çıkarılması gerekir. Bu işlem için ise ya bir yükseltici devre tasarlanır ya da hazır olarak satılan mosfet sürücüleri kullanılır. Uygulamanın basitliği ve maliyetten dolayı mosfet sürücü entegreleri tercih edilmiştir. Bu mosfet sürücülerin birçok çeşitleri bulunmaktadır. Mosfet sürücüsünün yüksek seviye çıkışı kullanılacağından dolayı, yalnızca yüksek seviye çıkışlı sürücü entegresi tercih edilmiştir. 2.5. Akım ve Gerilim Sensörleri Arduino kartın analog girişlerine en fazla 5V ve 40mA seviyelerindeki sinyaller uygulanabilmektedir. Bu çevirici devresinde çıkış gerilimleri 10-17V ve çıkış akımı yaklaşık 2-4A seviyelerinde olacağından dolayı arduino karta direk uygulanamazlar. Bu sinyalleri karta gönderebilmek için akım ve gerilim sensörlerinden yararlanılacaktır. Akımgerilim sensörleri ölçtükleri sinyalleri gerilim bilgisi olarak çıkışlarına aktardıklarından 13

dolayı, bu değerler arduino içerisinde oluşturulan uygun bir algoritma ile gerçek değerlerinde LCD ekrandan okunabilir [14], [15]. Akım sensörü hazır olarak alınmış gerilim sensörü ise yüksek maliyetinden dolayı tarafımızca tasarlanmıştır. 2.6. Akü Grupları Hali hazırda ticari olarak üretilmekte olan EA ların motorlarının besleme gerilimleri genellikle 400 VDA olarak tasarlanır. Bu gerilimi motora sağlamak için li-ion veya li-polymer akü gruplarından yararlanılmaktadır. Bu akülerin avantajları [16]: Doldurulabilme yoğunlukları en üst seviyede olmasından dolayı diğer akülere oranla çok daha hafiftirler. Hafıza etkisi sorunu yoktur. Dolayısıyla bu pilleri şarj etmek için tam olarak boşalmasını beklemeye gerek yoktur, ve ayrıca şarjı yarıda kesmenin aküye olumsuz bir etkisi yoktur. Bu akülerin kullanılmadıkları zamanlardaki enerjilerini kaybetmeleri uzun sürer. Bütün bu etkenler bu akülerin tercih edilmesi için yeterli olmasına karşın, bazı dezavantajları da mevcuttur [16]: En belirgin kusurları kullanım ömürlerinin üretim tarihinden itibaren başlamasıdır. Kullanılmasalar dahi ömürleri azalır. Değişik depolama dereceleri değişik akü ömrü kayıplarına yol açmaktadır 0 derecede %6, 25 derecede %20, ve 40 derecede %35 yıllık kayıpla karşılaşılabilir. Hatalı kullanıldıklarında tehlikeli olabilirler. Yüksek ısıya yada güneş ışığına maruz kalırlarsa tutuşma yada patlama yaşanabilir. Ayrıca bu aküler %40 dolu olarak depolanırsa akü kapasitesindeki kayıp değeri düşer. Şöyle ki; %40 dolu bir akü de 0 derecede % 2 ye, 25 derecede %4 e, 40 derecede ise %15 e kadar düşer. Eğer bu akü tamamen boşaltılırsa kapasitesinde %75-80 lık bir kayba yol açar [16]. Li-polymer aküler sabit akım ve sabit gerilim prensibine göre şarj edilir. Bu bataryalar aşırı şarja karşı çok hassastırlar. Ayrıca ilk başta sabit gerilim uygulandığında çok yüksek akımlar çekilmesi ve şarj süresinin olabildiğince kısaltılması için şarj belirli bir gerilim seviyesine ulaşıncaya kadar sabit akım ile yapılır. Bu değerden sonra ise şarj etmeye sabit gerilimle devam edilir. Böylece aşırı şarjın önüne geçilmiş olur. Batarya şarj 14

edilirken dikkat edilmesi gereken parametreler akım, gerilim ve sıcaklıktır. Li-polymer akülerin şarj akımlarının değeri en fazla maksimum kapasiteleri (1C=1800mA) kadar olmalıdır [12], [17]. Batarya açık devre gerilimine ulaşıncaya kadar sabit akımla şarj edilir, bunun sonucunda batarya %85 oranında şarj edilmiş olur ve bu aşamadan sonra sabit gerilim aşamasına geçilir. Ve şarj akımının eşik değerinin (1A) altına düşene kadar şarj işlemi devam eder [12], [17]. 2.7. Besleme Devresi DA-DA çevirici devresindeki arduino kart, mosfet sürücü entegresi ve akım-gerilim sensörleri harici bir besleme kaynağına ihtiyaç duyarlar. Bu sebepten dolayı ayrı bir besleme devresi tasarımı yapılmıştır. Bu elemanlardan gerilim sensörü 5V ve 12V, mosfet sürücü entegresi 15V, arduino kart 12V ve akım sensörü ±15V besleme gerilimine ihtiyaç duyar. Dolayısıyla şebeke gerilimini 5V, 12V, 15V ve -15V DA seviyesine indirecek bir besleme devresi gerekmektedir. Bu devre yine AA-DA köprü diyot çeviriciden ve buna bağlı bir DA-DA çeviriciden oluşacaktır. Fakat burada tasarımımızda kolaylık sağlaması açısından DA-DA çevirici yerine hazır entegre şeklinde piyasada bulunan 78xx model regülatörler, ve gerilim seviyesini düşürmek için ise trafo kullanılmıştır. 15

3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI Bu kısımda, daha önce teorik olarak incelenen sistemlerden gerekenlerin simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Simülasyon çalışması yapılan sistemler sırasıyla; AA- DA çevirici, azaltan DA-DA çevirici, snubber devresi, mosfet sürücüsü, akım ve gerilim sensörleri ve besleme devresidir. Simülasyon çalışmalarında ISIS 7 Professional devre tasarım programından yararlanılmıştır. 3.1. AA-DA Çevirici Simülasyonu Daha önce teorik altyapı kısmında da bahsedildiği gibi AA-DA çevirici olarak köprü diyot doğrultucular kullanılmış. Kullanılacak köprü diyot doğrultucunun değerlerine ise sistem gereksinimleri ışığında karar verilmiştir. Bu projede şebeke gerilimi ve şarj akımı göz önüne alınarak 400V-6A nominal değerlere sahip bir köprü diyot entegresi tercih edilmiştir. Doğrultucunun çıkışında elde edilecek olan işaretin düzleştirilmesi için kuyllanılacak olan kondansatörün değeri 2.9 numaralı denklemden; RF=0.05, R=52ohm, F=50Hz [4]; olarak hesaplanır. Bu değer hesaplandıktan sonra, köprü diyot doğrultucu devresinin kondansatörlü ve kondansatörsüz durumlarının simülasyonları yapılmış ve elde edilmiş sonuçlar Şekil 8 de gösterilmiştir. gerilimi Şekil 8. Kondansatörsüz (a) ve Kondansatörlü (b) köprü diyot doğrultucu çıkış 16

3.2. DA-DA Çevirici Seçimi Piyasada var olan elektrikli araçlarda şarj için ihtiyaç duyulan gerilim değeri 400V olduğundan [6], 220V olan şebeke gerilimi doğrultulduktan sonra yükseltilmesi gerekmektedir. Bundan dolayı bu şarj cihazlarının tasarımında azaltan-yükselten veya yükselten çeviriciler kullanılır. Teoride aynı işlemi flyback çeviricilerde yapabilmesine karşın bu çeviriciler, yüksek güçlerde manyetik çekirdeğin kısıtlamalarından dolayı tercih edilmezler [7]. Yukarıda ki belirtilen değerde tasarım yapmak maliyetli olacaktır. Bunun nedeni hem kullanılacak devre elemanlarının bu değerlerdeki fiyatlarının yüksek olması hem de bu değerdeki akülerin maliyetinin yüksek olmasıdır. Bu sebeplerden dolayı maliyeti düşürmek amacıyla bu cihazın tasarımı 12V seviyesindeki aküleri şarj edebilecek şekilde yapılmıştır. Gerilim değerini 220V tan 12 V seviyesine düşürebilmek için ise tasarımının daha basit ve maliyetinin daha az olmasından dolayı en uygun çeviricinin azaltan çevirici olduğuna karar verilmiştir. 3.3. Azaltan DA-DA Çeviricinin Parametrelerinin Belirlenmesi Azaltan DA-DA çeviricinin devre parametreleri Çizelge 1 de belirtilen sistem verilerine göre hesaplanmıştır. Çizelge 1. Sistem verileri 310V 12V 10A 20kHz Salınım akımı 2.10 numaralı denklemden; 17

L, 2.12 numaralı denklemden; C, 2.16 numaralı denklemden kabul edilerek; olarak hesaplanır. Ayrıca azaltan çeviricide, gerilim ve akım değerlerinin üst sınırlarına dayanabilmeleri için 400V luk ve 10A lik mosfet ve diyot kullanılmıştır. Hesaplanan bu değerlerle yapılması gereken simülasyon snubber devresinin parametrelerinin belirlenmesinden sonra, snubber devresi ile birlikte yapılmıştır. 3.4. Snubber Devresinin Parametrelerinin Belirlenmesi Snubber devresi parametreleri Çizelge 2 de belirtilen verilere göre hesaplanır. Çizelge 2. Snubber devre parameterelerinin saptanmasında kullanılacak veriler [4]. L 192uH 10A 0.75 220V 0.4 Snubber devresinin kondansatörü C, 2.21 numaralı denklemden; 18

Snubber devresinin direnci R, 2.22 numaralı denklemden; olarak hesaplanır. 3.5. DA-DA Azaltan Çevirici Simülasyonu Belirlenen parametrelerle kurulan DA-DA azaltan çevirici devresi Şekil 9 daki gibi, ISIS 7 Professionel ortamında kurularak simülasyonu yapılmış ve çıkış sinyalleri Şekil 10 da gösterilmiştir. Ayrıca bu devre kurulurken mosfet ve diyot elemanları üzerine snubber devresi kurulmuştur. Şekil 9. Azaltan çevirici simülasyon devresi Şekil 10 da ki simülasyon sonuçlarında görüldüğü üzere istenilen değerler elde edilememiştir. Bu sebepten dolayı deneysel çalışmalarda farklı değerlerle denemeler yapılacaktır. 19

Şekil 10. Azaltan çevirici simülasyon sonuçları 3.6. Gerilim Sensörü Simülasyonu Gerilim sensörü için Şekil 11 deki devre kurulmuştur. ISIS 7 Professional ortamında simülasyonu yapılıp sonuçları Şekil 12 de gösterilmiştir. Şekil 11. Gerilim sensörsı devre simülasyonu 20

Şekil 12. Gerilim sensörü simülasyon sonuçları Şekil 11 da ki gerilim sensörü devresinde gerilim dönüştürme katsayısını dirençleri belirlemektedir. ve Bu dirençler ile dönüştürme katsayısı; (3.1) Bu katsayı ile çıkış gerilimi ; (3.2) 21

3.7. Besleme Devresi Simülasyonu Teorik altyapıda belirtildiği gibi çeşitli devre ve elemanlar için gerekli olan 5V, 12V, 15V ve -15V besleme devreleri kurulmuştur. Daha önce bahsedildiği gibi bu gerilim değerlerini sağlamak için 7805, 7812, 7815, 7915 regülatörleri kullanılmıştır. Bu entegrelerin giriş gerilim aralıkları 7805 için 7.5V-20V, 7812 için 14.5V-27V, 7815 ve 7915 için 17.5V-30V dur [18]. Bu sebepten dolayı giriş gerilimi bir trafo aracılığıyla ortak değere olan 20V seviyesine düşürülmüştür. Besleme devresi için Şekil 13 deki devre kurularak ISIS 7 Professionel ile simülasyonu yapılmış ve sonuçları Şekil 14 de gösterilmiştir. Şekil 13. Besleme devresi simülasyonu 22

Şekil 14. Besleme devresi simülasyon sonuçları 23

4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu kısımda, daha önce teorik olarak incelenip simülasyon çalışmaları yapılan devrelerin deneysel çalışmaları yapılmıştır. Deneysel çalışmalar laboratuvar ortamında yapılıp anılan sonuçlar belirtilmiştir. Deneysel çalışmaları yapılan devrelerin projedeki bağlantıları Şekil 15 te basit olarak gösterilmiştir. Şekil 15. Projedeki devrelerin basit bağlantı şeması Şekil 15 te bağlantıları görülen devrelerin gerçeklenmesi şu sırayla yapılmıştır: Besleme devresi Mosfet sürücü devresi AA-DA ve DA-DA azaltan çevirici devresi Gerilim ve akım sensörleri Arduino programlanması ve LCD ekran bağlantısı 24

4.1. Besleme Devresi Gerçeklenmesi Projede kullanılan aktif elemanların çalıştırabilmek için besleme devresine öncelik verilerek ilk olarak besleme devresi gerçeklenmiştir. Simülasyon çalışmalarında belirtildiği gibi 220V olan şehir şebekesinin regülatörlerin ortak giriş gerilimi olan 20V seviyesine düşürülmesi için 220V/15-15V 60VA lık bir trafo kullanılmıştır. Trafonun gerilim kademesine karar verilirken doğrultucunun çıkışındaki işaretin genliğinin, işaretin girişindeki sinüs dalgasının tepe değerine eşit olacağı göz önüne alınmıştır. Ayrıca -15V çıkışımız olduğundan dolayı çift çıkışlı bir trafo kullanılmış ve bu çıkışlar -15V 0V 15V olacak şekilde bağlantılar yapılmıştır. Daha sonra, simülasyonunu yapmış olduğumuz devre gerçeklenmiş ve devre elemanlarını herhangi bir aşırı akımdan korumak için +15V,-15V girişlerinde sigorta kullanılmıştır. Bu sigortaların değerlerine beslenecek elemanların çekebilecekleri maksimum akımlar düşünülerek karar verilmiştir. -15V girişine 1A, +15V girişine ise 2A lik bir sigorta bağlanmıştır. Besleme devresi gerçeklenmesinde ilk olarak delikli levha kullanılmış, ve ölçümler yapılarak istenilen çıkışların alındığı gözlemlenmiştir. Elde edilen çıkışlar Çizelge 3 de gösterilmiştir. Çizelge 3. Besleme devresinden alınan çıkış değerleri 5V çıkışından 12V çıkışından 15V çıkışından -15V çıkışından 5.023V 11.92V 14.76V -15.03V Daha sonra baskı devre çizimleri yapılarak bakır levhaya aktarılmıştır. Delikli levha üzerinde gerçeklenen devre Şekil 16 da, baskı devre şeması ise Şekil 17 de gösterilmiştir. 25

Şekil 16. Delikli levha üzerinde gerçeklenmiş besleme devresi Şekil 17. Besleme devresi baskı devre şeması 26

4.2. Mosfet Sürücü Devresinin Gerçeklenmesi Teorik altyapı kısmında belirtildiği gibi yalnızca yüksek seviye çıkışı kullanılacağından dolayı, yapılan araştırmalar sonucu, IR2125 mosfet sürücü entegresinin kullanımı uygun görülmüştür. Bu sürücünün devreye bağlantı şekli ve birlikte kullanılacak eleman değerlerine IR2125 mosfet sürücüsünün datasheet inden yararlanılarak karar verilmiştir [13]. Mosfet sürücü entegresinin karakteristik özellikleri Çizelge 4 te ve devre bağlantısı için kullanılacak eleman değerleri Çizelge 5 te gösterilmiştir. Çizelge 4. Mosfet sürücü entegresinin karakteristik özellikleri 500V 1A-2A 12V-18V 12V-18V Çizelge 5. Mosfet sürücü devresinde kullanılacak eleman değerleri = 22uF = 10nF =100nF Diyot= 1N4001 Bu değerlerle birlikte devre ilk önce delikli deney platformu üzerinde kurularak ölçümler yapılmış, daha sonra baskı devre şeması çizilerek bakır levhaya aktarılmıştır. Delikli deney platformu üzerinde kurulan devre Şekil 18 de, baskı devre şeması Azaltan çevirici ve akım sensörü ile birlikte Şekil 23 de ve osiloskop aracılığıyla alınan ölçüm sonuçları Şekil 19 da gösterilmiştir. 27

Şekil 18. Delikli deney platformu üzerinde gerçeklenen mosfet sürücü devresi Şekil 19. Mosfet sürücü devresi giriş ve çıkış işaretleri (CH1=giriş, CH2=çıkış) 4.3. AA-DA ve DA-DA Çevirici Gerçeklenmesi AA-DA çeviricinin gerçeklenmesi için daha önce simülasyon çalışmasında saptanan değerler kullanılmıştır. DA-DA çeviricinin gerçeklenmesi için ise ilk olarak kullanılacak olan mosfet ve diyota karar verilmiştir. Sistem verileri dikkate alınarak 28

(400V-10A) NTE3330 ve GSIB640 köprü diyot entegreleri, IRF740 model mosfet ve 10A01 model diyot kullanılmıştır. Bu elemanların teknik özellikleri sırasıyla Çizelge 6 ve Çizelge 7 de belirtilmiştir. Azaltan çeviricinin diğer devre parametrelerine ise, simülasyon kısmında hesaplanan değerlerle istenilen sonucun elde edilememesi sebebiyle, farklı değerler denenerek karar verilmiştir. Devre delikli deney platformu üzerinde kurulmuş ve istenilen sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Çeşitli değerlerin denenmesi sonucunda en uygun çıkışın Çizelge 8 da ki değerlerle elde edilebildiği görülmüştür. Çizelge 6. Mosfet teknik özellikleri [8]. Çizelge 7. Diyot teknik özellikleri [9]. 400V 10A 0.55Ω 10A 50V Çizelge 8. Azaltan DA-DA çevirici devre parametreleri 2400uF 100uF 48uH 67uH 470pF 100Ω Devre ilk olarak mosfet sürücü ile birlikte delikli levha üzerine kurulmuş ve ölçümler alınmıştır. Daha sonra ise baskı devre şeması oluşturularak bakır levha üzerine geçirilmiştir. Delikli devre platformu üzerine kurulan devre Şekil 20, osiloskop çıktıları Şekil 21 ve baskı devre şeması Şekil 23 de gösterilmiştir. Alınan ölçümler ise Çizelge 9 da gösterilmiştir. 29

Şekil 20. Delikli devre platformu üzerine kurulan AA-DA, DA-DA ve mosfet sürücüsü devresi Şekil 21. Azaltan DA-DA çevirici osiloskop çıktısı (DGM: %50, CH1: azaltan çevirici çıkışı, CH2: DGM sinyali) 30

Çizelge 9. Gerçeklenen DA-DA çevirici ölçüm verileri Giriş gerilimi Çıkış gerilimi Yük akımı Doluluk-boşluk 1. 12V/20V 4.43V/7.23V 0.13A/0.31A %10 2. 12V/20V 6.61V/11.48V 0.27A/0.61A %20 3. 12V/20V 8.16V/14.08V 0.38A/0.76A %30 4. 12V/20V 9.10V/15.68V 0.46A/0.82A %40 5. 12V/20V 9.67V/16.55V 0.50A/0.87A %50 6. 12V/20V 10.06V/17.17V 0.52A/0.91A %60 7. 12V/20V 10.32V/17.56V 0.54A/0.95A %70 8. 12V/20V 10.51V/17.87V 0.55A/0.98A %80 9. 12V/20V 10.66V/18.07V 0.57A/1A %90 10. 12V/20V 10.87V/18.34V 0.59A/1.03A %100 İlk önce düşük gerilimlerde yapılan çalışmalarda, Çizelge 9 da görüldüğü gibi, sağlıklı sonuçlar elde edilmiştir. Fakat gerilim seviyesi yükseldikçe mosfet sürücünün çıkışındaki DGM sinyalinde Şekil 22 de gösterildiği gibi önemli bozulmalar meydana gelmiştir. Buda sistemin çalışmasını olumsuz etkilemiştir. Yapılan çalışmalarda en son 180V seviyesine çıkılmış fakat bu değerde DGM sinyali tamamen kaybedilmiştir. Bu sorun bir yalıtım devresi ile giderilmeye çalışılmasına rağmen başarılı olunamamıştır. Bu sebepten dolayı başka bir çözüm aranmış ve şebeke geriliminin bir trafo aracılığıyla düşürüldükten sonra azaltan çeviricinin girişine aktarılmasına karar verilmiştir. Bunun için ise hem maliyeti arttırmamak hem de hacmi büyültmemek için besleme devresi için kullanılan trafodan paralel bir çıkış alınmıştır. 31

Şekil 22. Giriş gerilimi 60V seviyesinde iken sürücü çıkışındaki bozulma (CH1: DGM sinyali, CH2: mosfet sürücüsü çıkış sinyali) Şekil 23. Azaltan çevirici, mosfet sürücü ve akım sensörü baskı devre şeması 4.4. Gerilim ve Akım Sensörlerinin Gerçeklenmesi Teorik altyapı kısmında belirtildiği gibi akım sensörü hazır alınmış fakat yüksek maliyetinden dolayı gerilim sensörü tasarlanmıştır. Tasarlanan gerilim sensörü ilk olarak delikli levha üzerine kurulmuş ve ölçümler yapılmıştır. Kurulan devre Şekil 24 de, alınan ölçümler ise Çizelge 10 da gösterilmiştir. 32

Şekil 24. Delikli levha üzerine kurulan gerilim sensörü devresi Çizelge 10. Gerilim sensörü ölçüm verileri Giriş gerilimi Çıkış gerilimi 10V 1.304V 12V 1.564V 14V 1.825V 16V 2.086V 18V 2.347V 20V 2.608V Alınan ölçümlerin simülasyon da ki değerlerle örtüştüğü görüldükten sonra devrenin baskı devre şeması, yapılan tasarıma göre, besleme devresi ile birlikte çizilmiş ve bakır levha üzerine aktarılmıştır. Çizilen baskı devre şeması Şekil 25 de gösterilmiştir. 33

Şekil 25. Besleme devresi ve gerilim sensörü baskı devre şeması Daha önce bahsedildiği gibi akım sensörü akım bilgisini gerilim olarak arduino ya ileteceğinden, akım sensörünün bağlantıları yapılarak çeşitli ölçümler alınmış ve dönüştürme katsayısı saptanmıştır. Akım sensörü ile yapılan ölçümler Çizelge 11 de gösterilmiştir. Çizelge 11. Akım sensörü ölçüm verileri (ma) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 (mv) 14 85 169 248 325 405 485 566 648 726 808 Bu veriler ile akım sensöründe 100mA lik bir değişimin 80mV a denk geldiği görülmüştür. Buradan; (4.1) 34

4.5. Arduino Programlama ve LCD Bağlantısı Arduino kartın programlanması çalışmaları, ilk önce arduinodan bir DGM sinyali elde etmekle başlanmıştır. Arduino kart halihazırda üzerinde DGM çıkışları olan bir karttır. Bu sebepten, arduinodan bir DGM elde etmek oldukça kolaydır. Analog girişe verilen bir değerin, arduino içinde yazılan bir programla, DGM çıkışlarından herhangi birine yazılması DGM elde etmek için yeterlidir. Bu işlem analogwrite() komutu ile yapılır. DGM elde edilmesinden sonraki adım ise elde edilen DGM nin doluluk boşluk oranının ayarlanabilmesidir. Bu aşamada ise delikli devre platformu üzerine kurulan basit bir devre ile denemeler yapılmıştır. Şekil 26 de gösterilen devrede potansiyometrenin orta ucu arduinonun analog1 ucuna bağlanmıştır. Böylece potansiyometre ile analog uca giren bilgi 0V-5V aralığında değiştirilerek DGM ucundan alınan sinyalin doluluk boşluk oranı %0-%100 arasında değiştirilmiştir. Bu işlemi yapan program aşağıda gösterilmiştir: const int potpin = A0; //potansiyometrenin orta ucu analog0 ucuna bağlanır //analog0 girişine potpin adı verilir const int dgmpin = 9; //çıkışın alınacağı uç 9 numaralı dijital çıkış olarak belirlenir //dijital çıkışa dgmpin adı verilir int deger1 = 0; //analog girişten alınan bilgi için "deger1" değişkeni tanımlanır //"deger1" değişkeni başlangıç değeri 0 yapılır int deger2 = 0; //DGM' nin yazılması için"deger2" değişkeni tanımlanır //"deger2" değişkeni başlangıç değeri 0 yapılır void setup() { } void loop() { deger1 = analogread(potpin); //potansiyometreden okunan değer okunarak "deger1"e yazılır deger2 = map(deger1, 0, 1023, 0, 255);//"deger1"deki değer oranlanıp "deger2"ye yazılır analogwrite(dgmpin, deger2);//"deger2"deki değer dijital çıkışa yazılarak DGM üretilir } 35

Şekil 26. Potansiyometre ile DGM doluluk-boşluk oranı değiştirme basit uygulama devresi Çizelge 12. DGM uygulaması için kurulan devreden alınan ölçüm verileri Potansiyometre uçlarındaki gerilim DGM doluluk-boşluk oranı 0V 0% 1.25V 25% 2.50V 50% 5V 100% Arduinoda PID için hazır bir kütüphane mevcuttur. Bu kütüphane <PID_v1.h> olarak adlandırılır. Bu sayede PID yazılımı da oldukça basite indirgenmiş olur. Öyle ki 36

girilen değerlerle işlemler arduino tarafından yapılarak hata bulunup, bu hataya göre çıkış değeri elde edilir. Arduinoda yapılan basit bir PID uygulamasının kodları aşağıda yazılmıştır. #include <PID_v1.h> //PID kütüphanesi kullanılır yazılır const int pota = A0; //analog 0 ve 1 girişlerine verilen değerler pota ve potb olarak adlandırılır const int potb = A1; const int led = 9; // 9. dijital çıkış led olarak adlandırılır double level; //döngüde kullanılmak üzere bir değişken oluşturulur float Kp=50; //PID kontrol sisteminin Kp, Ki, Kd değerleri atanır float Ki=1; float Kd=0; double Setpoint,Input,Output; //PID kontrol sisteminin referans, giriş ve çıkış değerleri //tanımlanır float deger=0,gerilim; //döngüde kullanılmak üzere değişkenler oluşturulur PID mypid(&input,&output,&setpoint,kp,ki,kd,direct); //PID kontrol //sistemimizi //belirlenen //değerlere //göre kurar void setup() { level=analogread(pota); //level değişkenine analog 0 girişinden okunan değer Input=map(level,0,1024,0,255); //PID' nin geri besleme değeri A0 girişinden okunan //değerin oranlaması olur Setpoint=map(analogRead(potb),0,1024,0,255); //PID' nin referans değeri A1 //girişinden okunan değerin //oranlaması olur mypid.setmode(automatic); //PID çevrimini çalıştırır mypid.setsampletime(15); //PID çevriminin çalışma hızını belirler 37

} void loop() { Setpoint=map(analogRead(potb),0,1024,0,255); //PID' nin referans değeri A1 //girişinden okunan değerin //oranlaması olur level=analogread(pota); //level değişkenine analog 0 girişinden okunan değer yazılır Input=map(level,0,1024,0,255); mypid.compute(); //PID' nin geri besleme değeri A0 girişinden okunan değerin oranlaması olur analogwrite(led,output); //PID'nin çıkış işareti ile 9. dijital çıkıştan DGM üretilir } Bu sistem kurulup ölçümler alınmıştır. Ancak kontrol sistemi belirli değerler arasında istenilen sonuçları verirken, bu değerlerin dışında çıkış gerilimi referans değerlere yaklaştırılamamıştır. Bu sistem için yapılan ölçümlerin sonuçları Çizelge 13 te gösterilmiştir. Çizelge 13. PID uygulama devresi ölçüm sonuçları Referans gerilimi Çıkış gerilimi 1V 2,53V 3,5V 2,54V 4,39V 4,38V 4,51V 4,33V Sistemin, referans gerilimimiz yaklaşık 4,37V- 4,48V aralığında iken istediğimiz gibi çalıştığı, bu değerlerin dışında ise çıkış geriliminin sabit kalarak referans değere yaklaşmadığı görülmüştür. Bütün uğraşlara rağmen bu sorun çözülememiştir. 38

4.5.1 Arduino LCD Bağlantısı Arduinoda LCD ekran ekrana yazı yazdırılması için hazır bir kütüphane mevcuttur. Bu kütüphane <LiquidCrystal_I2C.h> olarak adlandırılır. Fiziksel olarak LCD ekran arduinoya bağlandıktan sonra bu kütüphane aktifleştirilerek gerekli kodlar yazılıp istenilen yazı yazılabilmektedir. Arduino ile LCD ekranın fiziksel bağlantısı Şekil 7 da gösterilmişti. Bu bağlantı gerçekleştirildikten sonra aşağıdaki kodlar yazılarak basit bir uygulama yapılmış ve başarılı olunmuştur. #include <LiquidCrystal_I2C.h> //I2C arayüzlü LCD kütüphanesi kullanılır LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); //LCD 0x27' ye adreslenir void setup() { lcd.init(); //LCD başlatılır lcd.backlight(); //LCD arka ışığı yakılır lcd.setcursor(1, 0); //1. satır 1. sütundan başlayarak yazı yazılır lcd.print("onur DUMAN "); lcd.setcursor(4, 1);//2. satır 4. sütundan başlayarak yazı yazılır lcd.print("selcuk DAG"); } Şekil 27. LCD ekranda yazdırılan örnek yazının görüntüsü Bütün bu bilgiler ve proje gereksinimleri doğrultusunda oluşturulan algoritmanın kodları EK.2 de gösterilmiştir. 39

5. ŞARJ İŞLEMİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Proje ile ilgili tüm deneysel çalışmalar yapılmış ve şarj algoritmasındaki, daha önce de bahsedilen, sıkıntılar dışında istenilen sonuçlar elde edilmiştir. Projenin bu aşamasında, deneysel çalışmalar sonucunda kurulan devreler Şekil 15 te belirtildiği gibi birleştirilerek şarj ünitesi hazır hale getirilmiş ve ilk şarj işlemleri denenmiştir. Algoritmadaki sıkıntılar sebebiyle şarj kontrolü otomatik olarak yapılmamış, potansiyometre aracılığıyla kontrol edilmiştir. Bu şarj esnasında belirli zaman aralıklarında ölçümler alınmıştır. Çizelge 14 de alınan bu ölçümler, Şekil 28 te ise alınan ölçümlerin bazılarının osiloskop çıktıları gösterilmiştir. Alınan diğer osiloskop sonuçları Ek. 3 de gösterilmiştir. Cihazın fiziksel tasarımı ise Ek. 4 de gösterilmiştir. Çizelge 14. Şarj esnasında alınan ölçüm verileri (ölçüm aralığı 10dk dır) Giriş gerilimi Çıkış gerilimi Akü gerilimi Şarj akımı 1. 12.5V 4.20V 2.82V 0.14A 2. 12.5V 4.50V 2.99V 0.16A 3. 12.5V 4.61V 3.08V 0.16A 4. 12.5V 4.64V 3.14V 0.16A 5. 12.5V 4.66V 3.19V 0.16A 6. 12.5V 4.70V 3.23V 0.16A 7. 12.5V 4.70V 3.26V 0.16A 8. 12.5V 4.70V 3.29V 0.16A 9. 12.5V 4.70V 3.31V 0.16A 40

a. b. Şekil 28. 5 ve 9 numaralı ölçümlere ait osiloskop çıktıları sırasıyla a, b. Şekil 28 de de görüldüğü gibi osiloskoptaki görünen gerilim genlik değeri ile multimetre ile ölçülen değer arasın bir miktar fark bulunmaktadır. Bu farkın işaretin tam olarak düzgün olamamsından kaynaklandığı düşünülmektedir. 41

6. YORUM VE DEĞERLENDİRME Enerji sarfiyatının ve kirliliğin her geçen gün artması sebebiyle her gün biraz daha fazla önem kazanan EA lerin, yakın gelecekte hayatımızdaki yeri öngörülebilmektedir. EA lerin yaygınlaşması ile bu alanda kullanılacak şarj cihazlarının önemi oldukça açıktır. Bütün bu araştırma ve çalışmalarımızın bu alandaki gelişmelere katkı sağlamasını temenni etmekteyiz. Çalışmamızda şarj cihazı için gerekli olan her bir devrenin gerçeklenmesi başarı ile yapılmış, alınan sonuçlar analiz edilmiş ve simülasyon sonuçları incelenmiştir. Daha sonra bütün bu çalışmaların beklenen sonuçları verdiği görülmüş ve devreler birleştirilerek cihaz oluşturulmuştur. Sonuç olarak yapılan çalışmalar sonrasında laboratuar imkan ve olanaklarından faydalanarak küçük bir bütçe ile EA ler için tasarlamış olduğumuz şarj cihazı genel şarj algoritmasındaki bazı sıkıntılar dışında başarı ile tamamlanmış ve şarj işlemi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra yapılacak olan çalışmalarla şarj algoritmasındaki sorunlar giderilerek daha kolay ve daha verimli bir şarj sağlanmaya çalışılacaktır. 42

KAYNAKÇA [1]. Satılmış, O., Meşe, E., Elektrikli ve hibrit elektrikli araçlar için batarya şarj cihazları, Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar sempozyumu, YTU, 2011, s.137. [2]. Elektrik-Elektronik Teknolojisi, Doğrultmaçlar ve Regüle Devreleri, MEGEP Ankara 2007. [3]. O.Gürdal, Güç Elektroniği, Seçkin Yayıncılık, 1. Baskı, Ankara, 2008 [4]. H.Rashid, M., Power Electronics Circuits, Devices and Applications, Third Edition, U.S.A=Pearson Prenticehall Publications, 2004. [5]. Köklükaya, E., Yıldız, M., Bağcı, S., Hibrit araçlarda güç elektroniği sistemlerinin genelleştirilmiş durum uzay ortalama yöntemi ile modellenmesi EMO yayınları- Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar sempozyumu, YTU, 2011. [6]. Elektrikli araçlar web sitesi, [online]. http://www.elektrikliaraba.gen.tr/ [7]. Çoruh, N., Erfidan, T., Ürgün, S., Öztürk, S., Flyback dönüştürücü tasarımı ve analizi. EMO yayınları, Kocaeli Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü. s. 297 [8]. IRF740 Datasheet, Mosfet, International Rectifier Corp. [9]. 10A01 Datasheet, Diyot, Micro Commercial Components corp. [10]. M.H. Westbrook, The Electric Car, IEE Power and Energy 38. series, The Institution of Electric Engineers, London, U.K., 2001. [11]. Arduino Türkiye web sitesi [online]. http://www.arduinoturkiye.com/ [12]. Kayıklı, T., Balıkçı, A., Elektrikli araçlarda kullanılan li-polimer aküler için bir şarj cihazı tasarımı, elektronik mühendisliği bölümü, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü. [13]. IR2125 Datasheet, Mosfet sürücü, International Rectifier Corp. [14]. HX05-PB Datasheet, Akım sensörü, LEM Components Corp. [15]. LV25-P Datasheet, Gerilim sensörü, LEM Components Corp. [16]. Uçak modelciliği web sitesi [online]. http://www.freepist.com/ucakmodelciligi/elektrikli-ucus/lithium-polymer-bataryalar// [17]. SLPB50106100 Datasheet, 5000mAh Li-Polymer batarya, KOKAM Co. Ltd. [18]. LM78xx Datasheet, Series Voltage Regulators, National Semiconductor Corp. 43

EKLER EK 1 Standart ve Kısıtlar 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Tasarımımız maddi kısıtlar sebebiyle uygulama amaçlı küçük bir model şeklinde yapılmıştır. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Projemizde tasarım boyutları ve programlama için gerekli olan ölçüm sonuçlarını kendimiz formülize ederek çözmüş bulunmaktayız. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Bu projede daha önceki Güç elektroniği ve Programlama derslerimizden faydalandık. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Projemizde TS EN 62196-1 ve TS EN 62196-2 standartlarından yararlandık. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Proj bölümüzün bize sağlamış olduğu 500TL lik maddi destek sınırları içerisinde kalmaya çalışıldığından dolayı küçük bir model olarak tasarlanmıştır. 44

b) Çevre sorunları: Projemizde herhangi bir çevresel kısıtlama bulunmamaktadır c) Sürdürülebilirlik: Yapmış olduğumuz çalışma sürdürülebilirliğini devam ettirmektedir. EA ların günümüzdeki yeri bunu anlatmak için yeterlidir. d) Üretilebilirlik: Bu proje küçük bir model olarak tasarlandığından ancak gerçek boyutlarda tasarlandığında üretimi yapılabilir ki bu mümkündür. e) Etik: Bu proje daha önce yapılmış fakat çok fazla örneği bulunmaya bir projedir. Bu yüzden bizde bu alandaki gelişmelere bir şeyler katmak isteyerek bu projeyi gerçekleştirdik f) Sağlık: Projemizde sağlık açısından hiçbir kısıt bulunmamaktadır. g) Güvenlik: Görünürdeki temas halinde bulunulabilecek bütün kablolar yalıtılmış ve cihazın aşırı akım duırumunda yanmasını engellemek için sigorta kullanılmıştır. 45

h) Sosyal ve politik sorunlar: Bu ve benzeri projeler sosyolojik açıdan çok verimli proje olmasına karşın dünya genelinde bulunan petrol lobileri sebebiyle gelişimlerini sağlıklı sürdürememektedir. Projenin Adı Projedeki Öğrencilerin adları Elektrikli araçlar için şarj cihazı Selçuk DAĞ-Onur DUMAN Tarih ve İmzalar 46

EK 2 Proje için Oluşturulan Yazılım Kodları #include <PID_v1.h> //Programda kullanılacak arduino kütüphaneleri tanımlanır #include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> const int degerger = A0; //analog 0 ve 1 girişlerine verilen değerler akuger const int degerakim = A1; //ve akuakim olarak adlandırılır const int buttonpin = A2; //Butonun bağlanacağı analog2 girişi buttonpin olarak adlandırılır const int dgmpin = 9; // 9. dijital çıkış dgmpin olarak adlandırılır float akuger; float akuakim; double Setpoint,Input,Output; //PID kontrol sisteminin referans, giriş ve çıkış değerleri tanımlanır float Kp=0.5; //PID kontrol sisteminin Kp, Ki, Kd değerleri atanır float Ki=0.5; float Kd=0; float deger=0,gerilim,yuzde ; //döngüde kullanılmak üzere değişkenler oluşturulur int buttonstate = 0; PID mypid(&input,&output,&setpoint,kp,ki,kd,direct); //PID kontrol sistemimizi //belirlenen değerlee göre //kurar const int samplerate = 1; //PID' nin çalışma hızı belirlenir const long serialping = 500; //PID' nin bir döngüde kaç defa çalıştırılacağı belirlenir 47

unsigned long now = 0; unsigned long lastmessage = 0; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); //LCD 0x27' ye adreslenir void setup() { TCCR1B=TCCR1B & 0b11111000 0x02; //frekansı 3.92 khz yapan komut Serial.begin(9600); lcd.init(); //LCD başlatılır lcd.backlight(); //LCD arka ışığı yakılır lcd.setcursor(1, 0); //LCD' ye yazılacak yazının başlama satır ve sütunu belirtilir lcd.print("onse SARJ "); //LCD' ye yazılacak mesaj belirlenir lcd.setcursor(4, 1); lcd.print("cihazi"); delay(1000); //LCD' ye yazılan yazı 1 saniye yazdırılır lcd.clear(); //LCD' ye yazılan yazı silinir lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setcursor(1, 0); lcd.print("onur DUMAN "); lcd.setcursor(4, 1); 48

lcd.print("selcuk DAG"); delay(1000); lcd.clear(); pinmode(buttonpin, INPUT); //Butonun bağlandığı analog giriş olarak atanır buttonstate = digitalread(buttonpin); // buttonstate değişkenine butonun durumu //yazılır akuger=(degerger/204.8); akuakim=(degerakim/204.8); if(buttonstate == LOW){ //Normal şarj modu lcd.init(); //LCD başlatılır lcd.backlight(); //LCD arka ışığı yakılır lcd.setcursor(1, 0); //LCD' ye yazılacak yazının başlama satır ve sütunu belirtilir lcd.print("normal SARJ "); //LCD' ye yazılacak mesaj belirlenir lcd.setcursor(4, 1); lcd.print("modu"); delay(1000); //LCD' ye yazılan yazı 1 saniye yazdırılır lcd.clear(); //LCD' ye yazılan yazı silinir lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setcursor(1, 0); lcd.print("sarj Durumu:"); 49

if(akuger<1.93){ //Eğer akü gerilimi 14V' un altındaysa şarj işleminin sabit akım evresi //başlatılır Input=akuakim; //akuakim PID' nin giriş bilgisi olarak atanır Setpoint=1.616; //PID' nin referans değeri atanır(normal moda 2A) mypid.setmode(automatic); //PID çevrimini çalıştırır mypid.setsampletime(samplerate); //PID çevriminin çalışma hızını belirler } if(akuger>1.93){ //Eğer akü gerilimi 14V' un üstündeyse şarj işleminin sabit gerilim //evresi başlatılır Input=akuger; //akuger PID' nin giriş bilgisi olarak atanır Setpoint=2.191; //PID' nin referans değeri atanır mypid.setmode(automatic); //PID çevrimini çalıştırır mypid.setsampletime(samplerate); //PID çevriminin çalışma hızını belirler } if(akuger>2.191){ //Eğer akü gerilimi 17V' u geçtiyse şarj durdurma evresi başlar digitalwrite(dgmpin, LOW); //DGM' nin alındığı gijital çıkış 0 yapılarak şarj durdurulur } } if(buttonstate == HIGH){ //Hızlı şarj modu lcd.init(); //LCD başlatılır lcd.backlight(); //LCD arka ışığı yakılır 50

lcd.setcursor(1, 0); //LCD' ye yazılacak yazının başlama satır ve sütunu belirtilir lcd.print("hizli SARJ "); //LCD' ye yazılacak mesaj belirlenir lcd.setcursor(4, 1); lcd.print("modu"); delay(1000); lcd.clear(); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setcursor(1, 0); lcd.print("sarj Durumu:"); if(akuger<1.93){ //Eğer akü gerilimi 14V' un altındaysa şarj işleminin sabit akım evresi //başlatılır Input=akuakim; //akuakim PID' nin giriş bilgisi olarak atanır Setpoint=3.232; //PID' nin referans değeri atanır(hızlı moda 4A) mypid.setmode(automatic); //PID çevrimini çalıştırır mypid.setsampletime(samplerate); //PID çevriminin çalışma hızını belirler } if(akuger>1.93){ //Eğer akü gerilimi 14V' un üstündeyse şarj işleminin sabit gerilim evresi başlatılır Input=akuger; //akuger PID' nin giriş bilgisi olarak atanır Setpoint=2.191; //PID' nin referans değeri atanır mypid.setmode(automatic); //PID çevrimini çalıştırır 51

mypid.setsampletime(samplerate); //PID çevriminin çalışma hızını belirler } if(akuger>2.191){ //Eğer akü gerilimi 17V' u geçtiyse şarj durdurma evresi başlar digitalwrite(dgmpin, LOW); //DGM' nin alındığı gijital çıkış 0 yapılarak şarj durdurulur } } } void loop() { if(buttonstate == LOW) { if(akuger<1.93){ Input=akuakim; Setpoint=1.616; mypid.compute(); //PID atanan değerlerle çalıştırılır analogwrite(dgmpin,output); //PID'nin çıkış işareti ile 9. dijital çıkıştan DGM üretilir } if(akuger>1.93){ Input=akuger; Setpoint=2.191; mypid.compute(); //PID atanan değerlerle çalıştırılır 52

analogwrite(dgmpin,output); //PID'nin çıkış işareti ile 9. dijital çıkıştan DGM üretilir } if(akuger>2.191){ digitalwrite(dgmpin, LOW); } deger=analogread(degerger); //A0' dan okunan değer (aku gerilimi) "deger" değişkenine atanır gerilim=(deger-1.408); yuzde=(gerilim/0.014); //akü geriliminin % olarak değeri hesaplanır lcd.setcursor(1, 1); //Hesaplanan yüzde doluluk LCD ye yazılır lcd.print("%"); lcd.setcursor(3, 1); lcd.print(yuzde); delay(2); } if(buttonstate == HIGH) { if(akuger<1.93){ Input=akuakim; Setpoint=3.232; mypid.compute(); //PID atanan değerlerle çalıştırılır analogwrite(dgmpin,output); //PID'nin çıkış işareti ile 9. dijital çıkıştan DGM üretilir } 53

if(akuger>1.93){ Input=akuger; Setpoint=2.191; mypid.compute(); //PID atanan değerlerle çalıştırılır analogwrite(dgmpin,output); //PID'nin çıkış işareti ile 9. dijital çıkıştan DGM üretilir } if(akuger>2.191){ digitalwrite(dgmpin, LOW); } deger=analogread(degerger); //A0' dan okunan değer (aku gerilimi) "deger" değişkenine atanır gerilim=(deger-1.408); yuzde=(gerilim/0.014); //akü geriliminin % olarak değeri hesaplanır lcd.setcursor(1, 1); lcd.print("%"); lcd.setcursor(3, 1); lcd.print(yuzde); delay(2); } } 54

EK 3 Şarj Esnasında Alınan Osiloskop Çıktıları 55