Şarj Dengeleme Sistemleri İçin Çift Yönlü Flyback Devresi Tasarımı Serhat NAFİZ, Doç. Dr. Musa ALCI, Yrd. Doç. Dr. M. Necdet YILDIZ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Ege Üniversitesi serhatnafiz@gmail.com Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Ege Üniversitesi musa.alci@ege.edu.tr Ege Meslek Yüksekokulu Ege Üniversitesi necdet.yildiz@ege.edu.tr Özetçe Birden çok batarya bulunan sistemlerde, bataryaların eşdeğer şarj ve deşarj olabilmelerini sağlamak toplam enerjinin efektif kullanılması ve batarya ömrünün uzaması açısından önem arz etmektedir. Bu işlemi yapan sistemlere şarj dengeleme sistemleri denilmektedir. Literatürde temel yapı olarak rezistif, kapasitif ve indüktif olmak üzere üç temel şarj dengeleme tekniği bulunmaktadır. Enerjinin verimli bir şekilde kullanılması için tek bataryadan alınan enerjinin diğer bataryalara transferi ve tersi yönde işlem yapabilen güç elektroniği topolojilerine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada indüktif şarj dengeleme tekniği topolojisi ile bir çift yönlü flyback devresi tasarımı önerilmiş ve gerçeklenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar ile önerilen topolojinin çalıştığı gösterilmiş ve uygulama sonuçları verilmiştir. 1. Giriş Sadece elektrik enerjisiyle veya hibrit yöntemle çalışan sistemler gün geçtikçe çoğalmaktadır. Bu konuda en bilinen uygulama elektrikli araçlar ve hibrit elektrikli araçlardır. Bu araçlar içinde bulunan sürücü sistemlerinin çalışma gerilimi önceden belirlidir. Bu çalışma gerilimini karşılayacak şekilde seri bağlanan aküler kapasite ihtiyacı doğrultusunda da paralel bağlanmaktadır. Sıcaklık ve kimyasal yapıdaki farklılıklar neticesinde bataryalar birbirine eşdeğer olmayan davranışlar sergilemektedirler [1]. Bu farklılıklar nedeniyle yüklenme sırasında bazı bataryaların daha çabuk deşarj olduğu, şarj sırasında da bazı bataryaların daha çabuk %100 kapasiteye ulaştığı gözlemlenmektedir. Bu olumsuzluğu ortadan kaldırmak için şarj dengeleme sistemleri kullanılmaktadır. Şarj dengeleme sisteminin en büyük görevi bataryaların terminal gerilimlerini her durumda eşit tutmaktır. Bu çalışmada kullanılan topoloji hem şarj sırasında hem de deşarj sırasında bu görevi yerine getirebilmektedir. 1.1. Şarj dengeleme işlemi Bataryalar paralel bağlı oldukları durumda, birbirlerini terminal gerilimlerini eşitlemek için zorlarlar ve böylelikle paralel bağlı bataryalar otomatik şarj dengelemesi yapmış olurlar. Seri bağlı durumda aynı akım bütün bataryalardan geçer. Bu durumda şarj ve ya deşarj akımının ne zaman kesileceğini en zayıf batarya belirler. Şarj ve deşarj işlemi sırasında maksimum ve minimum terminal gerilimi değerlerinin dışına çıkılması durumunda bataryalar zarar görmektedir. Seri bağlı bataryalarda her bir bataryanın terminal gerilimini ölçmek bu bağlamda önemlidir. Şekil 1. Seri bağlı şarj dengesi olmayan bir batarya sistemi.
Şekil 1 de görüldüğü üzere bataryalar arasındaki farklılıklar şarj ve deşarj işlemi sırasında enerjinin tam olarak kullanılmasını engeller. Şekil 1 deki sistemde deşarj işlemine devam edilirse Batarya-2 zarar görür, benzer olarak şarj işlemine devam edilirse Batarya-3 zarar görür. Açıklaması yapıldığı üzere seri bağlı batarya sistemlerinde şarj dengeleme işlemi batarya ömrünün uzaması, bataryaların takibi ve enerjinin verimli kullanılması için bir zorunluluktur. Rezistif, kapasitif ve indüktif şarj dengeleme sistemleri, pasif ve aktif şarj dengeleme sistemleri olarak iki ana başlık altında toplanmıştır [2]. Rezistif yöntem pasif, kapasitif ve indüktif yöntemler ise aktif şarj dengeleme sistemleri olarak isimlendirilmektedir. Rezistif şarj dengeleme sisteminde dirençler yardımı ile daha hızlı şarj olan bataryadaki enerji, diğer bataryaların da tam kapasiteye erişebilmesi için bir rezistans üzerinde yakılır ve ısı enerjisi olarak dışarıya atılır. Bu tekniğin dezavantajları şunlardır. Sadece şarj işlemi sırasında dengeleme işlemi yapılabilir. Fazla enerji diğer bataryalara dağıtılmak yerine ısı olarak atıldığı için çok verimsiz bir tekniktir. Bu çalışmada önerilmiş olan çift yönlü flyback topolojisi, bataryalar arası enerji transferini çift yönlü gerçekleştirebilen ve böylelikle rezistif şarj dengeleme yöntemine göre daha verimli olan bir topolojidir. 2. Flyback topolojisi Anahtarlama elemanı sayısının az olması, giriş ve çıkış arasında yalıtım sağlaması gibi avantajları nedeniyle güç elektroniği uygulamalarında flyback topolojiye sıklıkla rastlanmaktadır. Geleneksel flyback topoloji, primer taraftan aldığı enerjiyi sekonder tarafa transfer etmektedir. Bu topoloji Şekil 2 de gösterilmiştir. topolojinin çalışma prensibi ve teorik hesaplamaları kaynaklarda [1], [3], [4] detaylı olarak anlatılmış durumdadır. 2.1. Çift yönlü flyback topolojisi Bu çalışmada önerilen çift yönlü flyback topolojisi Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 2 de bulunan D1 diyotu devreden kaldırılmış, yerine Şekil 3 de gösterildiği gibi bir S2 anahtarı eklenmiştir. Şekil 3. Çift yönlü flyback topolojisi Bu topolojide Şekil 2. deki D1 diyotunun görevini S1 ve S2 anahtarları üzerindeki gövde diyotları üstlenmektedir. Primer taraftan sekonder tarafa enerji transferi yapabilmek için S1 anahtarı anahtarlanmalı, S2 anahtarı ise kesimde tutulmalıdır. Benzer şekilde serkonderden primere enerji transferi yapmak için ise S2 anahtarı anahtarlanmalı S1 anahtarı kesimde tutulmalıdır. Primerden sekondere enerji transferi durumu Şekil 4. ve Şekil 5. de, Sekonderden primere enerji transferi de Şekil 6 ve Şekil 7. de basamaklar halinde verilmiştir. Şekil 2. Flyback topolojisi Şekil 4. S1 iletimde, S1 gövde diyodu kesimde, S2 kesimde, S2 gövde diyodu kesimde Şekil 2 de gösterilen devrede S1 anahtarı iletime geçtiğinde nüvenin primer sargısında enerji depolanır. Bu sırada, sekonder sargının ters sarılmış olmasından dolayı D1 diyodunun pozisyonu nedeniyle depolanan enerji sekonder tarafa aktarılmaz. S1 anahtarı kesime geçtiğinde ise depolanmış olan enerji sekonder sargı tarafında D1 diyodu üzerinden çıkışa aktarılır. Devrenin sekonder tarafında sadece diyot bulunmasından dolayı enerji aktarımı sadece primer taraftan sekonder tarafa doğru olmaktadır. Flyback
Şekil 5. S1 kesimde, S1 gövde diyodu kesimde, S2 kesimde, S2 gövde diyodu iletimde Şekil 8. Uygulama devresine ait prensip şema Tablo 1. Uygulama devresine ait teknik bilgiler Tasarım Parametreleri Nominal çıkış gücü Primer gerilim Sekonder gerilim Anahtarlama frekansı 40 Watt 12,5 Volt 50 Volt 62,5 khz Şekil 6. S2 iletimde, S2 gövde diyodu kesimde, S1 kesimde, S1 gövde diyodu kesimde Donanım Listesi ve Özellikleri MCU PIC18F2520 S1,S2 IRF640 Nüve ETD29 Primer indüktans 7,76 uh Primer kaçak indüktans 0,31 uh Sekonder indüktans 60 uh Sekonder kaçak indüktans 2,47 uh Sarım oranı 7/20 Şekil 7. S2 kesimde, S2 gövde diyotu kesimde, S1 kesimde, S1 gövde diyodu iletimde 3. Uygulama Önerilen topolojinin uygulaması yapılmıştır. Uygulama sırasında anahtarlama elemanları üzerindeki gerilim stresini azaltmak için devreye RC snubber ve nüvenin kaçak endüktansından kaynaklı stresi azaltmak için RCD snubber eklentileri yapılmıştır. Uygulaması yapılan devrede primer taraf ile mikrodenetleyicili kontrol kartının şaseleri ortaktır. Önerilen topoloji izolasyonlu bir topoloji olduğu için sekonder tarafta bulunan S2 anahtarı da izolasyonlu bir şekilde anahtarlanmalıdır. Şekil 8. de uygulama devresine ait prensip şema görülmektedir. Devreyle ilgili teknik bilgiler de Tablo 1 de verilmiştir. 3.1. Ölçümler Uygulama sırasında primerden sekondere ve sekonderden primere farklı çevrim oranlarında enerji transferi yapılmıştır. Üretilen devrenin gerilim, akım, verim bilgileri Tablo 2 de sunulmuştur. Tablo 2. Farklı çevrim oranlarına ait gerilim, akım, verim verileri Primerden sekondere nd erd en pri Çevrim Oranı [0,1] Vprimer (Volt) Iprimer (Amper) Vsekonder (Volt) Isekonder (Amper) Verim % Giriş Gücü (Watt) Çıkış Gücü (Watt) 0,194 12,16 0,47 48,70 0,07 59,64 5,71 3,41 0,334 11,79 1,31 48,86 0,22 69,59 15,44 10,75 0,338 11,62 1,71 48,90 0,28 68,90 19,87 13,70 0,444 11,50 2,07 48,97 0,33 67.88 23,80 16,16 0,550 11,16 2,97 49,10 0,45 66,66 33,14 22,10 0,20 12,73 0,79 48,45 0,29 71,58 14,05 10,05
0,33 13,12 1,93 48,18 0,74 71,02 35,65 25,32 0,38 13,43 2,49 47,90 0,93 75,07 44,57 33,44 0,40 13,50 2,64 47,90 1,00 74,41 47,90 35,64 0,43 13,37 3,30 47,70 1,26 73,41 60,10 44,12 Tablo 2. de sunulan ölçümlerden görüldüğü üzere devre yardımıyla çift yönlü enerji transferi yapılmaktadır. Devrenin kullanımı sırasında uygulamanın ihtiyaçları doğrultusunda hazırlanan algoritmaya göre enerjinin akış yönü belirlenmektedir. Şekil 9. ve Şekil 10 da primerden sekondere ve sekonderden primere aktarım yapılırken, çevrim oranına(duty) bağlı oluşan verim grafikleri verilmiştir. Şekil 11. Gerçeklenen çift yönlü flyback prototipi Bu prototip devre çift yönlü enerji transferi yapabilmeye ek olarak izolasyonlu RS-485 de haberleşmesi yapabilmekte, bağlı olduğu bataryanın terminal gerilimini, primer ve sekonder akımlarını ölçebilmektedir. PCB boyutu 10x15 cm dir. Bu çalışma kapsamında sadece güç katı incelenmiştir. Şekil 12, 13, 14 ve 15 de devrenin güç katı üzerinde yapılan osilaskop ölçümleri fotoğraf olarak verilmiştir. Şekil 9. Çevrim oranına (duty) bağlı verim grafiği Şekil 10. Çevrim oranına (duty) bağlı verim grafiği Anahtar olarak kullanılan mosfetlerin iç direncinin yüksek olması ve nüvedeki kaçak endüktansın %5 civarlarında olmasının elde edilen verim eğrilerinin düşük olmasında etkili olduğu değerlendirilmektedir. Şekil 9. ve 10 dan görüldüğü üzere eşdeğer çıkış gücü durumunda, primerden sekondere enerji transferi daha verimsiz olmaktadır. Bunun sebebi primer terminal geriliminin sekonder terminal geriliminden düşük olması ve bu sebeple eşdeğer çıkış gücü için daha yüksek akım ihtiyacı olmasıdır. Akım değerinin artması da devredeki iletim kayıplarını arttırmaktadır. Uygulama sırasında tasarlanan ilk örnek (prototip) devrenin bir fotoğrafı Şekil 11 de görülmektedir. Şekil 12. Sekonderden primere enerji transferi sırasında S2 anahtarı Vds ve Vgs gerilimleri. Kanal 1 Vds 10x, Kanal 2 Vgs 1x, çevrim oranı: 0,2
Şekil 13. Sekonderden primere enerji transferi sırasında S2 anahtarı Vds ve Vgs gerilimleri. Kanal 1 Vds 10x, Kanal 2 Vgs 1x, çevrim oranı: 0,43 Bu çalışmada şarj dengeleme sistemlerinin önemi ve gerekliliği vurgulanmıştır. Önerilen çift yönlü flyback topolojisi şarj dengeleme sistemleri haricinde çok geniş bir uygulama alanına sahip olabilir. Yapılan deneysel çalışmaların sonucunda önerilen topolojinin gerçeklemesi yapılmış ve alınan deneysel sonuçlar verilmiştir. Devam eden çalışmalar ile daha uygun elemanlar kullanılarak verimliliğin %90 mertebelerine[5] çıkarılması hedeflenmektedir. Yapılan çalışmanın çıktıları aşağıdaki gibi sıralanabilir. Birbirinden bağımsız iki sistem arasında izolasyonlu olarak çift taraflı enerji transferi mümkündür. Elektrikli araçlarda frenleme sırasında açığa çıkan enerji bu topoloji ile bataryalara geri döndürülebilir. Enerjiyi ısı olarak atmadan bataryalar arası transfer ederek şarj dengelemesi yapılabilir. Şekil 14. Primerden sekondere enerji transferi sırasında S1 anahtarı Vds ve Vgs gerilimleri. Kanal 1 Vds 10x, Kanal 2 Vgs 1x, çevrim oranı: 0,33 Toplamda 2 adet anahtarlama elemanı olması sebebiyle pratik gerçeklemesi kolaydır. MCU kontrollü olması sebebiyle enerji transferi sırasında değişik kontrol algoritmalarının (ANFIS, Fuzzy, PID) uygulanması ve kıyaslanması sağlanabilir. Kaynakça Şekil 15. Primerden sekondere enerji transferi sırasında S1 anahtarı Vds ve Vgs gerilimleri. Kanal 1 Vds 10x, Kanal 2 Vgs 1x, çevrim oranı: 0,55 4. Sonuçlar [1] Carl Bonfiglio, and Werner Roessler, A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Lithium Ion Battery Stacks, Vehicle Power and Propulsion Conference, 2009. VPPC '09 IEEE, Dearborn MI, 7-10 Sept. 2009, pp. 304-309 [2] http://www.infineon.com/cms/en/product/applications/au tomotive/hybrid_electric_electric_vehicle/battery_manag ement.html.
[3] Abraham I. Pressman, Keith Billings, Taylor Morey, Switching Power Supply Design, Third Edition, Mc Graw Hill, 2009. [4] Application Note AN4137, Design Guidelines for Offline Flyback Converters Using Fairchild Power Switch (FPS). [5] Gang Chen, Yim-Shu Lee, S. Y. R. Hui, Dehong Xu, and Yousheng Wang, Actively Clamped Bidirectional Flyback Converter, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Volume 47, Issue 4, pp. 770 779, Aug 2000. Teşekkür Bu çalışma Sanayi Bakanlığı ve İnci Akü A.Ş. tarafından SANTEZ projesi olarak desteklenmektedir.