Fırat Üniversitesi-Elazığ ELEKTRİKLİ VE HİBRİT ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN BATARYA ŞARJ CİHAZLARI Onur Satılmış, Erkan Meşe Elektrik Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi onur_stlms@hotmail.com.tr, emese@yildiz.edu.tr ÖZET Elektrikli araç (EA), hibrit elektrikli araç (HEA) ve bu araçların gelişimi için kilit konumda olan bataryaların gelişmesiyle beraber, batarya şarj cihazlarında meydana gelecek talep artışı kaçınılmazdır. Bu araçlarda ana enerji kaynağı veya birinci dereceden yardımcı enerji kaynağı olarak kullanılan yüksek enerji yoğunluklu bataryaların performansları, yalnızca batarya hücrelerinin tasarımına bağlı değildir. Aynı zamanda hücrelerin nasıl kullanıldığına ve şarj edildiğine de bağlıdır. Bu nedenle EA ve HEA ın kullanımında ve gelişiminde batarya şarj cihazları kritik rol oynarlar. Batarya hücreleri verimsiz, bataryanın performansını ve ömrünü azaltan şarj cihazlarıyla şarj edilmemelidir. Güç elektroniğinin gelişimiyle daha verimli ve bataryaya optimum şarj sağlayan batarya şarj cihazları tasarlanabilmektedir. Bu çalışmada batarya şarj cihazları hakkında bir literatür araştırması yapılmıştır. Batarya şarj cihazları ve gelişimleriyle ilgili yapılan bu çalışmada, araştırma düzeni şu şekildedir: 2. bölümde batarya şarj kontrol yöntemlerinden, 3. bölümde batarya şarj cihazlarının donanımsal yapısından, 4. bölümde batarya şarj cihazlarının yerleşiminden, 5. bölümde şarj gücü aktarım şekillerinden, 6. bölümde şarj cihazı standartları ve tasarımında dikkat edilmesi gerekenlerden, 7. bölümde batarya şarj cihazından istenen özelliklerden, 8. bölümde batarya şarj cihazlarından bahsedilirken 9. bölümde ise yapılan çalışmaya ait sonuçlara yer verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Batarya Şarj Cihazları, Elektrikli Araç, Hibrit Elektrikli Araç, 1. GİRİŞ Tarihsel olarak bugünkü içten yanmalı motorlu (İYM) araçlara göre daha eski bir geçmişe sahip olan EA, İYM araçlara kıyasla daha düşük performansları ve uzun şarj süreleri nedeniyle gelişme gösterememişlerdir[1]. Ancak gerek yasal zorunluluklar, gerek çevresel faktörler, gerekse de artan petrol fiyatları nedeniyle, 1960 lı yıllardan[2] sonra elektrikli araçlara olan ilgi tekrar artmaya başlamıştır. Fakat benzer sorunlar yine baş göstermiş, bu sorunlar İYM araç ve EA arasında bir geçiş formu olan HEA ın doğmasına sebep olmuştur. Bugün ise daha yüksek enerji kapasiteli bataryalara sahip, Plug-in HEA lar (PHEV) gündemdedir[3]. Sonuç olarak daha yüksek enerji kapasiteli bataryalara olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu gelişmeler, gerekli altyapıya uygun şarj cihazları gelişimini de beraberinde getirmektedir[4]. Bir batarya şarj cihazı elektrik enerjisi kaynağından enerjiyi alır ve EA veya HEA bataryasına uygun formda elektrik enerjisi sağlar[5]. Şarj olayı deşarj olayının tersidir. Akım vererek deşarj olan batarya, dışarıdan akım uygulanarak kimyasal reaksiyonun ters çevrilmesiyle tekrar şarj olur. Ancak bataryaların şarj ve deşarj durumlarında farklı karakteristikler sergilemeleri bataryayı şarj ederken birtakım zorluklarla karşılaşılmasına neden olur. Gelişmiş batarya şarj cihazlarıyla bu zorluklar aşılabilir. Şekil 1: Batarya şarj cihazlarının donanımsal yapısı,yerleşimi ve şarj gücü aktarım şekilleri 2. BATARYA ŞARJ KONTROL YÖNTEMLERİ Bir bataryanın şarj ve deşarj olma kabiliyeti[1,6] 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[6,7], 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[8] 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[4,5]. Böylece bataryanın aşırı şarj olup gaz çıkışı ve elektrolit 137
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 kaybına uğraması nedeniyle ömrünün kısalması ve performansının azalması engellenmiş olur[6]. 2.1. Sabit Akımda Şarj Etme Yöntemi Bu yöntem[7] 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[7]. 2.2. Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Sabit gerilimde batarya şarjı[7], 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[8] 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. 2.3. Sabit Akım-Sabit Gerilimde Şarj Etme Yöntemi Bu yöntemde[7], bataryaya sabit akım ve sabit gerilim periyotları 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. ŞARJ CİHAZLARININ DONANIMSAL YAPISI Bir EA ve HEA batarya şarj cihazı iki ana bölümden oluşur [5]. Güç İşleme Ünitesi (Power Processing Unit) Batarya Enerji Yönetim Sistemi (Battery Energy Management System) Şekil 1 de gösterilen bu iki ünite bataryaya optimum güç akışı sağlamakla görevlidir. 3.1. 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 200-500Vdc gerilime ihtiyaç duyarlar[9]. Bu 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[6,10]. Literatürde, güç elektroniği ve yarı iletken teknolojisinin gelişimine bağlı olarak farklı istekler doğrultusunda farklı GİÜ leri görmek mümkündür[6,8-15]. Bu ünite kaliteli ve verimli bir elektrik enerjisi sağlamasının yanı sıra bataryanın şarj ihtiyaçlarına da en iyi cevap verecek şekilde tasarlanmalıdır. Maksimum verim için, GİÜ de kullanılacak olan ara dönüştürücüler, elemanlar ve kontrol teknikleri dikkatle seçilmelidir. Bu ünite duruma göre araç üzerinde veya araç dışında olabilir. 3.2. Batarya Enerji Yönetim Sistemi (BEYS) (Battery Energy Management System) Bir batarya şarj cihazı, bataryayı en iyi bir şekilde şarj edebilmek için bataryanın şarj durumu, sıcaklığı, gerilimi, akımı gibi bilgilere ihtiyaç duyar[5]. Bir mikroişlemci ve sensörlerden oluşan BEYS[1,5], araç üzerinde ve bataryanın yanında bulunur. Mikroişlemci bataryanın şarj algoritmasını içerir. Sensörler ise bataryanın gerilimi, akımı ve sıcaklığı gibi büyüklükleri ölçerler. Mikroişlemci, sensörlerden aldığı bilgiler doğrultusunda istenen şarj akımını bataryaya sağlar. BEYS, şarj sırasında oluşabilecek batarya içi veya batarya dışı hatalara karşı da koruma sağlar. Bir hata oluştuğunda hatanın tipini belirler ve gerekirse şarjı durdurur. BEYS, aynı zamanda batarya şarj durumunu en iyi şekilde belirleyerek bataryanın aşırı şarj ve deşarj olmasını engeller[1]. 4. BATARYA ŞARJ CİHAZLARININ YERLEŞİMİ Batarya şarj cihazları, GİÜ nin araç üzerinde olup olmamalarına göre, araç üzerinde (on-board) ve araç dışında (off-board) olmak üzere ikiye ayrılırlar[6]. BEYS ise görevi gereği daima araç üzerinde bulunur. Şekil 1 de batarya şarj cihazlarının yerleşimi gösterilmiştir. Araç üzerindeki şarj cihazlarının GİÜ leri tamamen araç üzerine yerleştirilmiştir. Bataryanın, her ihtiyaç duyulduğunda ve istenildiğinde şebekeden şarj edilebilmesi, araç üzerinde şarj cihazları ile mümkündür. Araç üzerinde bulunmalarından, 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 ve bunlar da araç ağırlığını artırır [11]. Hızlı şarj cihazlarının büyük ve ağır oluşu nedeniyle araç üzerinde olmaları uygun değildir[16]. Araç dışındaki şarj cihazlarının GİÜ leri tamamıyla aracın dışında yer almaktadır. Parçaların araç dışında olması nedeniyle, ağırlık ve yer sorununun olmaması onları büyük, güçlü ve hızlı şarj cihazları için uygun hale getirmektedir[17]. Aynı zamanda araç üzerinden ısıyı atabilmek için, araç üzerinde bulunan şarj cihazlarındaki gibi ek donanımlara ihtiyaç duymazlar. Araç üzerindeki şarj cihazları, EA ve HEA ın kullanılmasının başlangıcında şarj ihtiyacını karşılamak açısından oldukça önemlidir. Bugünkü akaryakıt istasyonları sıklığında batarya şarj istasyonlarının bulunması uzun zaman alacaktır. Bu zaman geçene kadar araçların ev, işyeri, otopark gibi yerlerde bulunan prizlerden şarjı, araç üzerinde şarj cihazlarıyla sağlanacaktır. 138
Fırat Üniversitesi-Elazığ 5. ŞARJ GÜCÜ AKTARIM ŞEKİLLERİ Bir EA ve HEA bataryasına şarj gücü iletimi, Şekil 1 de gösterildiği gibi iletken bağlantı (conductive coupling) ve endüktif bağlantı (inductive coupling), olmak üzere iki şekilde sağlanır[9]. 5.1. İletken Bağlantı (Conductive Coupling) Şarj kaynağının bir iletken vasıtasıyla elektriksel olarak direk araca bağlandığı, şarj gücü aktarım şeklidir[9]. Güvenli bir şarj için iletkenler ve bağlantı noktaları kullanıcının erişemeyeceği şekilde ve komple kaplı olmalıdır[4]. Bu şarj gücü aktarım şeklinin kullanıldığı şarj cihazları, araç üzerinde veya araç dışında olabilir. 5.2. Endüktif Bağlantı (Inductive Coupling) Araca şarj gücü transferi, primeri ve sekonderi parçalarına ayrılabilen özel bir transformatör yardımıyla gerçekleşir[9]. 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[12]. Bağlantının kolaylıkla yapılabilmesi, düşük maliyet, araç üzerinde minimum ağırlık ve hacim 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[4,9]. Primer taraftaki düşük şebeke frekansı, dönüştürücüler yoluyla 80-300kHz lik yüksek frekansa çevrilir. Sekonder tarafta manyetik yolla endüklenen yüksek frekanslı emk, araç üzerinde bulunan doğrultucu ile doğrultulur ve batarya kablosu yardımıyla batarya şarj edilir[9]. Bu yöntem, güç iletiminin manyetik yolla yapıldığından dolayı yüksek güçlü şarj cihazları için daha güvenli ve uygundur[13]. 6. ŞARJ CİHAZI STANDARTLARI VE TASARIMINDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER EA ve HEA ın yaygınlaşacağı düşüncesi üzerine, birçok organizasyon ve uluslar arası kurum tarafından, şarj cihazları donanım ve prosedürlerine standartlar getirilmiştir[4,9,18,19]. Bu kurumlardan biri olan SAE (Society of Automotive Engineers), iletken ve endüktif bağlantı şekli için sırasıyla SAE J-1772 ve SAE J-1773 numaralı standartları geliştirmiştir. SAE standartlarında, şarj cihazları için 3 farklı güç seviyesi tanımlanmıştır. Seviye 1 (120V-15A), 1.5 kw gücünde olup, acil durumlar için önerilen güç seviyesidir. Seviye 2 şarj cihazları olmadığında bu şarj cihazları kullanılır. Bu tip şarj cihazları hafif, ucuz ve taşımaya elverişli olmalıdır. Bir bataryayı 10-15 saat arasında şarj edebilirler. Seviye 2 (230V-40A), 6.6 kw gücündedir ve nominal şarj için önerilen güç seviyesidir. Bu seviye, ev ve ticari şarj cihazları için uygundur. Bataryanın tipine göre 3-8 saat arasında bataryayı şarj edebilirler. Seviye 3, 25-160 kw gücünde olup, büyük ve ağır olduklarından dolayı araç dışında şarj cihazları için uygundur. Dakikalar mertebesinde hızlı şarj yapabilen bu cihazlar, EA ve HEA lar için akaryakıt istasyonu gibi düşünülebilir [5,13]. Bu şarj seviyesi kullanımı için eğitimli personel gereklidir[4]. Bir batarya şarj sisteminden istenen özellik, mümkün olduğunca basit malzemeler kullanarak ve bataryaya zarar vermeden hızlı, verimli ve güvenli şarj yapabilmesidir[16]. Bir batarya şarj cihazı, AC hattan kaliteli güç akışını sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır[5]. Güç transferinin basamak sayısı mümkün olduğunca az olmalıdır[12]. Çünkü her basamakta meydana gelecek kayıplar düşünüldüğünde, toplam kayıp artar. Öncelikle, tasarımda şarj cihazının gücü çok önemlidir. Şarj cihazının gücüne göre cihazın akım beslemeli mi gerilim beslemeli mi olacağına karar verilir[13]. Herhangi bir kısa devre durumunda, şarj cihazının zarar görmesini engellemek için yüksek güçlü şarj cihazlarının akım beslemeli olması istenir[13]. Kaynak tarafına bağlanan büyük değerli bir bobin bu görevi görür. Düşük güçlerde ise gerilim beslemeli dönüştürücü kullanılabilir[11,13]. Şarj cihazı dönüştürücülerinin seçimi ve yapısı devrenin çalışma frekansı, sıcaklığı, gerilimi, akımı ve kayıpları dikkate alınarak seçilir. Güç anahtarlarının ideal bir anahtar olmaktan uzak olmaları nedeniyle onların anahtarlama davranışları, direk olarak dönüştürücü yapısını etkiler. Bu yüzden anahtarlama elemanlarının seçimi de oldukça önemlidir. Anahtarlama elemanları seçilirken dönüştürücünün gücü, anahtarlama kayıpları, anahtarlama elemanının gerilim düşümü, çalışma frekansı, çalışma sıcaklığı, anahtarlama elemanın maruz kalacağı akım ve gerilim stresleri çok önemlidir. Dönüştürücüde kullanılacak elemanların küçük, hafif ve maliyenin az olması için dönüştürücü yüksek frekansta çalıştırılmalı ve aynı zamanda dar bir frekans aralığında çalışması sağlanarak elemanlar optimize edilmelidir[9]. Mümkün olan en sade kontrol tekniği kullanılmalıdır[12]. Karmaşık kontrol sistemleri, dönüştürücülerinde karmaşık bir yapıya sahip olmalarına, aynı zamanda şarj cihazında ek elemanlara ve ağırlıklara sebep olabilir. Devrede kullanılacak anahtarlama (yumuşak anahtarlama veya sert anahtarlama) türü, dönüştürücüye göre değişiklik gösterir. Eğer elektriksel izolasyon isteniyorsa, bir transformatör yardımıyla elektriksel izolasyon sağlanır. İzolasyonlu şarj cihazları, izolasyonsuz şarj cihazlarına göre daha büyük, daha ağır ve verimleri daha düşüktür. Eğer yeteri kadar iyi koruma sağlanıyorsa, şarj cihazlarında izolasyonsuz tip şarj cihazları seçilebilir[6]. 7. BATARYA ŞARJ CİHAZINDAN İSTENEN ÖZELLİKLER EA, HEA ve batarya teknolojilerinin gelişimine paralel olarak, bir batarya şarj cihazından istenenler her geçen gün artmaktadır[1,4-6,9-11,14]. Bir batarya şarj cihazından; Yüksek enerji verimliliği Aşırı akım ve aşırı gerilim koruması 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 139
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 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. 8. BATARYA ŞARJ CİHAZLARI Batarya şarj cihazları günümüzde yaygın olan ferrorezonanslı şarj cihazları, SCR şarj cihazları ve yeni anahtarlama teknolojileriyle geliştirilen anahtarlamalı şarj cihazlarıdır[14]. 8.1. Ferrorezonanslı Şarj Cihazları (Ferroresonant Chargers) Şekil 2 de gösterilen ferrorezonanslı şarj cihazları, ferroresonanslı bir transformatörün şarj cihazı çıkışını regüle etmesi prensibine göre çalışır[14]. 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[15]. 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[15]. 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[14]. 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)[14]. Şekil 2: Ferrorezonanslı şarj cihazı 8.2. SCR Şarj Cihazları (SCR Chargers) Şekil 3 te gösterilen, SCR şarj cihazları[14], 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 3: SCR şarj cihazı 8.3. Anahtarlamalı Şarj Cihazları (Switchmode Chargers) Bir anahtarlamalı batarya şarj cihazı[14], tam kontrol edilebilir güç anahtarları (Mosfet, IGBT gibi) içeren bir dönüştürücüdür. Hat frekansına göre yüksek frekansta çalışırlar (Birkaç khz den yüzlerce khz e kadar). 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 140
Fırat Üniversitesi-Elazığ azdır. Anahtarlar PWM kontrol yöntemiyle kontrol edilir. Şekil 4 te tipik bir anahtarlamalı şarj cihazı gösterilmiştir. 9. SONUÇLAR Yapılan çalışmada, EA ve HEA batarya şarj cihazları ve gelişimiyle ilgili genel bilgiler verilmiştir. Gelişen EA, HEA ve güç elektroniği teknolojilerine paralel olarak, şarj cihazları da gelişme göstermektedir. Artık günümüzde, şarj cihazları yenilenebilir enerji kaynaklarıyla beslenerek, çevresel kaygılar minimize edilmeye çalışılmaktadır. 10. KAYNAKLAR Şekil 4: Tipik anahtarlamalı şarj cihazı Anahtarlamalı şarj cihazları, izolasyonlu ve izolasyonsuz olmak üzere iki türdür. İzolasyonsuz bir anahtarlamalı şarj cihazının girişinde, Şekil 5 te 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 6 daki 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 5: Anahtarlamalı şarj cihazının girişinde düşük frekanslı bir transformatör kullanılarak izolasyonun sağlanması Şekil 6: 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. [1] Nor, J.K., Art of Charging Electric Vehicle Batteries, WESCON/93. Conf. Rec., San Francisco, CA, pp. 521-525, 1993. [2] Tuna, Murat Hibrit Elektrikli Araçlarda Kullanılan Konvertörlerin Genelleştirilmiş Durum Uzay Ortalama Yöntemi ile Modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, 2008 [3] Khaligh, A., Li, Z., Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles: State of the Art, Vehicular Technology, IEEE Transactions on, vol.59., pp.2806-2814, 2010. [4] Dhameja, Sandeep, Electric Vehicle Battery Systems, Newnes Press, Boston, 2002. [5] Khan, Iftikhar A., Battery Chargers for Electric and Hybrid Vehicles, Power Electronics in Transportation, pp. 103-112, 1994. [6] Bendall, C.A., Peterson, W.A., An EV On-Board Battery Charger, APEC 96, vol.1., pp. 26-31, 1996. [7] Hua, Chih-Chiang, Lin, Meng-Yu, A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles, 2000 IEEE International Symposium on, vol.1., pp. 135-140, 2000. [8] Masserant, B.J., Stuart, T.A., A Maximum Power Transfer Battery Charger for Electric Vehicles, Aerospace and Electronic Sysytems IEEE Transactions on, vol.33., pp. 930-938, 1997. [9] Hayes, John G., Battery Charging Systems for Electric Vehicles, Electric Vehicles-A Technology Roadmap for the Future, pp. 4/1-4/8, 1998. [10] Cox, N.R., A Universal Power Converter for Emergency Charging of Electric Vehicle Batteries, APEC 95, vol.2., pp. 965-969, 1995. [11] Klontz, K.W., Esser, A., Wolfs, P.J., Divan, D.M., Converter Selection for Electric Vehicle Charger Systems with a High-Frequency High-Power Link, IEEE-PESC 93 Record, pp. 855-861, 1993. [12] Venkataramanan, Giri, A Direct AC-DC Converter for Battery Chargers, PESC 97 Record, vol.1., pp. 126-130, 1997. [13] Kutkut, Nasser H., Divan, Deepak M., Design Consideration and Topology Selection for A 120KW IGBT Converter for EV Fast Charging, PESC 95 Record, vol.1., pp. 238-244, 1995. [14] Kutkut, Nasser, Battery Chargers-Technology Overview. [15] Morcos, M.M., Mersman, Curtis R., Sugavanam, G.D., Dillman, Norman G., Battery Chargers for Electric Vehicles, Power Engineering Review IEEE, vol.20., pp. 8-11, 2000. 141
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 [16] Solero, Luca, Nonconventional On-Board Charger for Electric Vehicle Propulsion Batteries, Vehicular Technology IEEE Transactions on, vol.50., pp. 144-149, 2001. [17] Maggetto, G., Mierlo, Van, Electric and Electric Hybrid Vehicle Technology: A Survey, Electric, Hybrid and Fuel Cell Vehicles IEE Seminar, pp. 1/1-1/11, 2000. [18] Kutkut, Nasser H., Design Considerations for Power Converters Supplying the SAE J-1773 Electric Vehicle Inductive Coupler, APEC 97 Conference and Exposition 1997, vol.2., pp. 841-847, 1997. [19] SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler, SAE J1772, REV. MONTH01. 142