Batarya şarj uygulamalarında kullanılan LLC rezonans çeviricilerde optimum verim eldesi için yeni bir yöntem

Abstract

Dünya genelindeki nüfus artışı ve globalleşme, mobilite kavramını tetiklemiştir. Mobilite ile yeni teknolojilerin hayatımıza girmesi kaçınılmaz olmuştur. Yeni teknolojilerin hayatımıza girmesi her geçen gün artan enerji talebini beraberinde getirmektedir. Günümüzde ulaşımda enerji talebinin büyük bir kısmı petrol ve petrol türevleri olan yakıtlar tarafından karşılanmakta olup gelecekte alternatif enerjilerin kullanıma alınmasını zorunlu kılmaktadır. Hayatın birçok alanında mobil olma ihtiyacının yanı sıra bunun bir sonucu olarak ortaya çıkan enerji gereksiniminin de mobiliteye hizmet edecek şekilde taşınabilir ve paylaşımlı olması kaçınılmazdır. Mobiliteye en çok hizmet eden cihazların başında elektrikli araçlar gelmekte olup her geçen gün yeni bir model piyasaya sürülmektedir. Elektrikli araçlar ve neredeyse tüm mobil cihazlarda enerji ihtiyacı büyük çoğunlukla dahili bataryalar ile sağlanmakta olup şarj ve deşarj işlemleri ile enerji paylaşımı sağlanabilmektedir. Batarya şarj ve deşarj döngüsünde enerji kayıplarının en az seviyeye indirilebilmesi için kullanılan güç çeviricisi tüm çalışma bölgesinde en yüksek verim ile çalıştırılmalıdır. Güç elektroniği çeviricisinin mümkün olan en yüksek verim ile çalıştırılabilmesi amacıyla farklı kontrol yöntemleri ve devre topolojileri geliştirilmektedir. Bu doktora tez çalışmasında, yeni tip GaN anahtarlama elemanları kullanılan bir LLC rezonans çeviriciye yönelik yeni bir verim optimizasyonu yöntemi üzerinde durulmuştur. Hafif elektrikli araçlar için tüm batarya şarj sürecinde en yüksek verim ile güç akışı kontrolünün en iyileştirilmesi amacıyla yeni bir verim optimizasyonu algoritması geliştirilmiştir. Klasik kontrol yöntemi olan frekans modülasyonu (FM), ölü zaman kontrolüne dayanan S-PWM ve kesintili çalışma modları LLC rezonans çeviricinin verim değerinin tüm batarya şarj sürecinde mümkün olan en yüksek seviyede kalması amacıyla birlikte kullanılmıştır. İlk olarak potansiyel batarya şarj topolojileri incelenmiş olup ardından bir rezonans çevirici kullanılarak klasik bir batarya şarj sürecine ait grafik verilerek şarj bölgeleri ve temel verim problemi ele alınmıştır. Düşük ve yüksek yük durumları arasındaki farklar ve rezonans çeviricinin çalışma karakteristiği birlikte değerlendirilerek özellikle düşük yük durumlarında çevirici veriminin düşmesine ait detaylar aktarılmıştır. Problemin tanımının ardından GaN tipi anahtarlar kullanılan bir LLC rezonans çevirici ile alakalı teorik altyapıya değinilmiş olup yapılan detay tasarımlar, hesaplamalar, elektronik kartlara ait şema ve baskı devre çizimleri, VHDL blokları ve tasarımları, kart testleri ve doğrulaması verilmiştir. LLC rezonans çevirici tasarımlarını takiben üç farklı anahtarlama ve kontrol yöntemine ilişkin modelleme ve benzetim çalışmalarına yer verilmiştir. Benzetim çalışmalarında temel çalışma prensipleri ve modeller, batarya şarj işlemi ve temel dalga şekilleri verilmiştir. Benzetim çalışmalarının ardından yapılan tasarım detaylarına göre üretilen ve entegre edilen deney düzeneği üzerinde üç farklı anahtarlama yöntemine ait testler gerçekleştirilmiştir. Deneysel testlerin sonuçlarına göre iteratif olarak önerilen verim takibi algoritması iyileştirilmiştir. Sonuç olarak önerilen algoritmanın batarya şarj sürecine uygulanması ve oluşturduğu etki tartışılmıştır. Önerilen verim takibi algoritması ile batarya şarj sürecinde kullanılan LLC rezonans çeviricinin toplam verim değerinde özellikle düşük yük durumlarında %25'e varan artış gözlenmiştir. Tez çalışmasında, yeni bir verim takip algoritması ortaya koyularak GaN temelli bir LLC rezonans çevirici üzerinde hafif elektrikli araçlara ait bir batarya şarj uygulamasında testleri ve doğrulaması yapılmıştır. Sonuçlar değerlendirilmiş olup gelecek çalışmalar için bir yol haritası çıkarılmıştır.