Esnek mimari yaklaşımı ile elektrikli araç güç treni tasarımına katkılar

Abstract

Elektrikli araçlar, günümüz teknolojisinin ve otomotiv sektörünün çok önemli ve büyük bir parçası haline gelmektedir. Kullanıcıların yani biz insanların gözündeki değerleri, her geçen gün artmaktadır. Bunun olmasındaki en önemli nedenlerden bir tanesi, giderek kötüleşen çevresel problemlerdir. Çevresel problemlerin farkındalığı, insanları daha çevre dostu uygulamalara, yöntemlere ve seçeneklere itmektedir. Bu gibi sebeplerden ötürü elektrikli araçlar daha çok tercih edilir hale gelmektedir ve bu durum da elektrikli araçlar için olan beklentiyi çok yüksek seviyelere çıkarmaktadır. Artan beklentiler de insanları daha fazla çalışma, araştırma ve geliştirme yapmaya kanalize etmektedir. Özellikle seri üretim yapan büyük araç üretici firmaları, bu konu üzerine ciddi projeler ve çalışmalar gerçekleştirmektedirler. Elektrikli araçları, daha kolay ve basit bir şekilde üretilebilir hale getirmek, elektrikli araçların mimarisinde kullanılan bileşenleri daha ucuza mal etmek ve daha hızlı üretmek, bu gibi firmaların yaptıkları en önemli çalışmalar arasındadır. Güç treninde batarya, batarya yönetim sistemi, sürücü devre ve elektrik motoru kullanılırken araç için hesaplanan gücün hangi gerilimde taşınacağı sistem tasarımını doğrudan etkiler. Batarya çıkışından tekere kadar olan bileşenlerin batarya gerilimine göre ihtiyaç duyulan her güç seviyesi için farklılaşması tasarım maliyetlerini arttırır. Ürün ve güç yelpazesi geniş ticari araç üreticileri için tasarım sürecinin kısaltan ve üretim maliyetlerini düşüren ana bileşenleri değiştirmeksizin aradaki güç çeviricileri ile farklı gerilim seviyesindeki batarya ve elektrik motorunu birbirine bağlayan esnek mimari tasarım (modülarite) bu konuda olumlu katkı yapabilir. Modülarite (esnek mimari) ve ölçeklenebilirlik çalışmaları da tam olarak buradan ortaya çıkmıştır. Bu firmalar, modülarite ve ölçeklenebilirlik metodolojileri sayesinde elektrikli araçları daha basit ve daha az maliyetli bir şekilde üretebilir hale getirmektedirler. Zaten batarya komponentinin hammadde pahalılığı yüzünden fiyatları yüksek olan elektrikli araçlar, bu firmaların bu araçları daha basit ve daha az maliyetli bir şekilde üretebilmeleri sayesinde çevreci olmayan diğer araç seçenekleri ile piyasada mücadele edebilir hale gelebilmektedirler. Elektrikli araçların elektriksel mimari tasarımlarında ticari üreticilerin en az sayıda sistem bileşeni ile olabildiğince çok ticari ürün çeşitliliği sunabilme kabiliyeti olan modülariteyi ve ölçeklenebilirliği sağlamak için tercih edilebilecek yöntemlerden bir tanesi de güç aktarım organlarının arasına bir güç çeviricisi eklemek olabilir. Motor gücü, motor gerilimi ve buna bağlı olarak batarya gerilimi sistem verimliliği üzerinde birinci derecede etkili olan parametrelerdendir. Motor sürücü gerilimi ile batarya geriliminin uyumlandırılabilmesi için doğru akım anahtarlamalı güç çeviricileri kullanılabilir. Bu bahsedilen güç çeviricileri sayesinde motor sürücü gerilimi farklı gerilim değerlerine dönüştürülebilir. Bu sayede de aynı batarya komponenti ile farklı model ve farklı çalışma değerlerindeki motor sürücü ünitesi ve elektrik motoru sürülebilir. Bu tez çalışmasında elektrikli araç güç treninde farklı doğru akım bara gerilimi değerlerinde batarya, DA/DA çeviriciler, sürücü devre ve elektrik motoru bileşenlerinin birbirleri ile uyumlulaştırılarak aynı çıkış gücü için farklı bağlantı şekillerinde verimlilik karşılaştırması yapılmıştır. Böylelikle bir seferde tasarlanmış farklı çevirici ve sürücü bileşenleri ile farklı grupların birleştirilerek farklı işletme değerlerine sahip tasarımların modüler bir şekilde elde edilmesi hususunda bilimsel bir bakışı açısı ile karşılaştırmalı bir sonuç ortaya konmuştur. Modülaritenin sağlanması için araç mimarisine farklı bara gerilimlerinde ve çıkış gerilimi değerlerinde doğru akım çeviricileri eklenmesi irdelenmiştir. Bu doğru akım çeviricileri sayesinde batarya gerilimi ile doğru akım bara gerilimi arasında isteğe bağlı, değişken ve esnek bir mimari ile bir kontrol oluşturulmak istenmiştir. Bu devre yapısının ardından farklı besleme gerilimindeki elektrik motorlarının ara devreler kullanılarak işletme başarımlarının sürüş treni verimliliği üzerine etkisi tespit edilmiştir. Bu sebeple güç aktarım organlarıyla birlikte çalışabilecek yani mimaride kullanılabilecek doğru akım çeviricileri araştırılmıştır. Uygulamanın gereksinimlerine göre kullanılabilecek doğru akım çevirici topolojileri incelenmiştir. Mimaride bulunduğu konum ve bağlı olduğu komponentler sebebiyle bahsi geçen doğru akım çeviricisinin çift yönlü çalışması gerekmektedir. Çift yönlü çalışan bir doğru akım çeviricisi olmazsa elektrikli araçlar enerji geri kazanımlı frenleme ile geri kazanım sağlayamaz hale gelir. Bu nedenle çift yönlü çalışmaları çok önemlidir. Çift yönlü çalışan doğru akım çeviricileri aslında senkron anahtarlama yapılan doğru akım çeviricileri ile aynı şekilde çalışmaktadırlar. Yani doğru akım çeviricilerinde kullanılan serbest geçiş diyotları yerine başka bir anahtarlama elemanının kullanılması gerekmektedir. Bu durum aynı zamanda doğru akım çeviricisinin kayıplarını da azaltarak verimini arttıran bir modifikasyondur. Elektrik motorunun kullanımında performans kaybı yaşamamak için de bu doğru akım çeviricisinin elektrikli araç mimarisinin maksimum güç seviyesine uygun bir şekilde tasarlanması gerekmektedir. Olası topolojiler arasından uygun, amaca yönelik doğru akım çevirici topolojisi seçilmiş ve tasarlanmıştır. Sistem alt bileşenlerinin modellenmesi, analitik tasarımların sayısal doğrulaması ve tüm sistemlerin bütünleşik çalışması ve modellenmesi, kapalı çevrim kontrol işlemleri MATLAB/Simulink altında gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Doğru akım çeviricisinin tasarımı da benzetim çalışması da kapalı çevrim bir kontrol yöntemiyle yapılmıştır. PI kontrolcü kullanılmıştır. Kontroldeki odak noktası, bütün sistemdeki kayıpları olabildiğince azaltmaya çalışmak ve bütün sistemin verimini en yüksek değere getirmek olmuştur. Ayrıca elektrikli aracın mimarisinde bulunan her alt bileşen devresi, tek tek tasarlanmıştır. Kontrolü kolay ve elektrikli araçlarda çokça tercih edilen bir fırçasız doğru akım makinesi (BLDC-FDAM) bu çalışma için tercih edilmiştir. İTÜ Elektrik Araba takımının kullandığı motor da aynı tip motor olduğundan motor parametreleri buradan sağlanmıştır. Ayrıca farklı anma gerilim değerlerinde çalışan motor sürücü devreleri de tasarlanmıştır. Bu bileşenlerin benzetim çalışmaları da yapılmıştır. Bu şekilde İTÜ Elektrikli Araç Takımı'nın faaliyetlerine ve gelecek öngörüsüne katkıda bulunulması da hedeflenmiştir. En son aşama olarak bütün bileşenlerin birlikte bulunduğu, elektrikli araç mimarisine benzer, onu temsil eden tüm sistem bileşenlerini içeren bütünleşik bir benzetim çalışması yapılmıştır. Bahsedilen doğru akım çeviricisinin bulunduğu ve bulunmadığı bu benzetim çalışmasıyla, mimariye eklenen doğru akım çeviricisinin bütün sisteme yaptığı etkiler gözlemlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak gelişen elektrikli araç teknolojileri konusunda batarya gerilimine doğrudan bağlı güç sistemi tasarımı konusunda ticari üreticilerin elini güçlendirecek esnek tasarım konusunda veriler elde edilmiş ve karşılaştırılmalı olarak sunulmuş, bu konuda bir bakış açısı oluşturularak akademik katkı sağlanmıştır.