Akademik Veri Yönetim Sistemi
TÜBİTAK Projesi, 2013 - 2015
Dünyadaki enerji krizine paralel olarak elektrikli araçların kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorunu kontrol etmek için DC-AC dönüşümünü sağlayan bir güç elektroniği ara devresi (inverter) kullanılmaktadır. Yaygın olarak yapılan, sabit bir yüksek DC gerilim barasından (200-400Vdc gibi) üç fazlı inverter devresi kullanarak elektrik motorunun kontrol edilmesidir.
Binek araçların analizlerinin doğru bir şekilde yapılabilmesi amacı ile pek çok sürüş profili ortaya konmuştur. Örnek olarak Avrupa ’da geliştirilmiş “NEDC (New European Driving Cycle)” sürüş profili incelendiğinde, aracın düşük ve sabit hızla hareket ettiği zaman aralıklarının verilen sürüş profilinin büyük yüzdesini (yaklaşık %26’sını) oluşturduğu görülmektedir. Bu bilgi elektrikli araçlar açısından değerlendirildiğinde, bu araçlarda kullanılan elektrik motorlarının yüksek oranda düşük güçlerde (düşük hız, düşük moment bölgesi) çalıştırılması gerekecektir. Piyasada bulunan elektrikli ve elektrik motoru-içten yanmalı motorun birlikte kullanıldığı hibrit elektrikli araçlarda ilk kalkış anlarındaki ivmelenmeyi sağlayabilmek ve hızlanma şartlarını yerine getirmek açısından yüksek güçlü bir elektrik motoru kullanılması gereklidir (15 kW, 60 kW gibi). Bu nedenle elektrikli araçta kullanılacak inverter devresi de bu maksimum güç dikkate alınarak tasarlanmaktadır.
İnverter devresinde kullanılan yarı iletken anahtarlar ideal olmadıklarından anahtarlar iletimde iken ve anahtarlama anlarında kayıplar oluşmaktadır. Bu kayıpların inverter devresinden çekilen güce göre oranı düşük güçlerde daha fazla olduğundan inverter devrelerinin düşük güçlerdeki verimleri düşüktür. Bir elektrikli aracın sürüş zamanının büyük yüzdesinde düşük güçlerde çalışması gerektiğinden, kullanılan inverter devresinin özellikle düşük güçlerdeki veriminin artırılması oldukça önemli hale gelmektedir. Bu proje önerisinde amaç elektrikli araçlarda kullanılan inverter devresinin düşük güçlerdeki verimini artırmaya yönelik yeni bir inverter devre tasarımı ve kontrolünün ortaya konmasıdır. Yeni tasarımda inverter devrelerinde yaygın olarak kullanılan IGBT anahtarının yerine paralel IGBT-MOSFET anahtarlarından oluşan hibrit bir anahtar yapısı kullanılacaktır. MOSFET anahtarının IGBT anahtarına göre daha hızlı anahtarlama yapabilme özelliği ve düşük akım değerlerindeki iletim kayıplarının IGBT anahtarına göre daha az olmasından dolayı önerilen hibrit anahtar kullanımı ve bu hibrit anahtarın yük akımı geri beslemeli kontrolü ile inverter devresinin özellikle düşük güçlerde verimi iyileştirilebilecektir. Sistem açısından bir bakışla elektrikli araçlarda düşük güçlü çalışma süresinin uzunluğunun farkına varılarak, inverter devresinin verimini artırmaya yönelik hibrit anahtar kullanımı ve bu hibrit anahtarın yük akımı geri beslemeli kontrolü proje çalışmanın özgün değerini oluşturmaktadır. Literatürde bu kapsamda yapılmış bir çalışma yoktur.
Projede öncelikle benzetim çalışmaları yapılarak hibrit anahtar kullanımı ile elde edilebilecek verim artışı ortaya konacaktır. Sonraki adımda 3 fazlı 5 kVA gücünde hibrit anahtar yapısını kullanan bir prototip inverter devresi deneysel olarak kurulacak ve kontrol edilecektir. Deney devresinde anahtarlama frekansı olarak 5kHz-10 kHz kullanılacaktır. Böylece gerçek elektrikli araçlarda kullanılan anahtarlama frekansına yaklaşılacaktır. Önerilen hibrit anahtar yapısında MOSFET anahtarı için SiC teknolojisine dayalı en yeni MOSFET anahtarı kullanılacaktır. İnverter devresi ile 3 fazlı bir asenkron motor sürülecek ve kurulacak dinamometre sistemi ile farklı sürüş profillerine ait testler yapılacaktır. 3 fazlı bir varyak ve doğrultucu devresi ile inverter devresi girişinde 200-400Vdc aralığında değişebilen DC bara gerilimi elde edilecektir. Kontrol sisteminde TI firmasının ürettiği 18 adet PWM kanalına sahip bir DSP kullanılarak önerilen hibrit anahtarlı inverter devresinin kontrolünü sağlayacak anahtarlama sinyalleri kolaylıkla elde edilebilecektir. Hibrit anahtarın kontrol mantığında düşük yük akımı değerlerinde MOSFET anahtarı kullanılırken yüksek yük akımı değerlerinde IGBT anahtarına geçilecektir. MOSFET anahtarının teknik dokümanında belirtilen nominal akım değeri bu geçiş noktası için referans oluşturacaktır. Ek maliyeti de düşünerek toplamda 6 adet MOSFET kullanımı düşünülmüştür. Bir güç analizörü ile verim değerleri ölçülecektir. Elde edilen verim değerleri aynı yüklenme koşullarında geleneksel IGBT inverter devresi kullanılarak elde edilecek verim değerleri ile karşılaştırılacaktır.
Proje önerisi OT0101 nolu ‘Elektrik ve Hibrit Elektrikli Araçlarda Enerji Yönetim Sistemleri, Elektrik Motoru ve Batarya Teknolojileri’ başlıklı çağrı metninde alt konularda belirtilen yenilikçi motor sürücüsü tasarımı-kontrolü ve minimum yakıt/enerji tüketimi ile maksimum verimin elde edilmesi konuları ile direkt ilişkilidir. Proje ile hem daha az hacim kaplayan yenilikçi motor sürücüsü tasarımı-kontrolü hem de minimum yakıt/enerji tüketimi ile maksimum verimin elde edilmesi konularında direkt katkı sağlanmış olacaktır. Projenin ana hedefi daha verimli yeni bir inverter tasarımı ile elektrikli araçlarda aynı batarya kapasitesi ile daha uzun sürüş mesafesi elde etmektir. Böylece hibrit elektrikli araçlarda yakıt sarfiyatı ve CO2 emisyonu azaltılacaktır. Elektrikli araçlarda kullanılan batarya ömrü de uzayacaktır. İnverter devresinde daha az kayıp olması sonucunda inverter devresi soğutma sistemi için gerekli fiziksel alan küçüleceğinden araçta başka amaçlar için kullanılabilecek önemli bir hacim kazanılmış olacaktır. Proje ile bu alanda teknolojik bilgi birikimi elde edilmiş ve elektrikli araçlar konusunda uzmanların yetişmesine olanak sağlanmış olacaktır. Proje sonucunda elde edilen prototip ile verim artışı ortaya konulduğunda, sektör firmaları ile görüşmeler yapılarak ürünün ticari olarak üretilmesi yönünde adımlar atılacak ve patent başvuruları yapılacaktır. Böylece hızla ilerleyen elektrikli araç sektöründe Türkiye için önemli bir avantaj sağlanmış olacaktır. Ayrıca yapılan çalışmalar uluslararası SCI kapsamındaki dergilerde yayımlanarak ve konferanslarda sunularak Türkiye’nin bilimsel rekabet gücüne katkı sağlanacaktır.
Proje çalışmasında verim artışı ile elde edilen yakıt tasarrufu ile ekstra yarı iletken anahtar kullanımı sonucunda oluşan maliyetin ne kadar zamanda geri kazanılacağı da incelenecektir. Bu analiz için literatürde bulunan sürüş profilleri kullanılacaktır.