Elektrikli araç uygulamaları için yüksek güçlü inverterlerde kontrol yöntemlerinin incelenmesi
Investigation of control methods in high power inverters for electric vehicle applications
Yazar: ÖNDER KARASOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, alan yönlendirmeli kontrol, doğrudan moment kontrolü ve Skaler kontrol yöntemlerinin, elektrikli araç uygulamalarında kullanılan yüksek güçlü inverterlerdeki yarı iletken elemanlar üzerindeki kayıpları incelenmiş ve termal analizi yapılmıştır. Her geçen gün daha da yaygınlaşan elektrikli araçların en büyük sorunlarından biri menzillerinin sınırlı olmasıdır. Batarya boyutunu arttırmak aracın ağırlığını da arttırmaktadır. Devre kayıplarının düşürülmesi ve verimin arttırılması ile düşük boyutlarda batarya kullanılması veya aynı batarya ile daha fazla yol gidilmesi sağlanmaktadır. Elektrikli araçlarda yüksek verim ve hassas kontrolleri sayesinde genellikle daimi mıknatıslı senkron motorlar (DMSM, PMSM) kullanılır. İnverter, elektrikli araç bataryasının çıkış gerilimini üç faza çevirerek elektrik motorunu beslemektedir. İnverter içerisindeki IGBT anahtarlama elemanlarının iletim ve anahtarlama kayıpları, termal kayıpların kaynağıdır. DMSM tipi elektrik motorlarının sinüzoidal kontrolleri vektörel veya skaler olarak gerçekleştirilmektedir. Vektörel kontrol yöntemleri ise alan yönlendirmeli kontrol (AYK) ve doğrudan moment kontrol (DMK) olmak üzere ikiye ayrılır. Motorun hızını ve konumunu tespit etmek için motor pozisyon sensörü kullanılır. Skaler kontrol yönteminde bir motor pozisyon sensörüne ihtiyaç duyulmazken, vektörel kontrol yöntemlerinde verimi ve hassasiyeti arttırmak için motor pozisyon sensörü kullanma ihtiyacı duyulur. Üreticiler, sistem maliyetini düşürmeyi hedeflemekte ve pozisyon sensörü yerine çeşitli algoritmalarla motor pozisyonunu tahmin etmeye çalışmaktadır. Fakat bu çözüm her zaman verimli değildir ve bu sebeple bu tez çalışmasında sensörlü kontrol yöntemleri ele alınmıştır. Binek araçların resmi yakıt tasarrufu ve emisyon seviyelerini belirlemek için kullanılan Uluslararası Uyumlu Hale Getirilmiş Hafif Araç Test Prosedürü (UHTP, WLTP) hız verisi inverter kontrolündeki hız referansı olarak kullanılmıştır. IGBT anahtarlama elemanlarının termal analizi sunulmuştur. Buna bağlı olarak üç yöntemi kullanılarak bir elektrikli araç inverteri üzerinde kayıplar incelenmiş ve karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In this study, the losses of field oriented control, direct torque control and scalar control methods in high power inverters used in electric vehicle applications are investigated. One of the biggest problems of electric vehicles, which are becoming more and more widespread every day, is their limited range. Increasing the battery size also increases the weight of the vehicle. By reducing circuit losses and increasing efficiency, it provides to use the lower capacity batteries or more range with the same battery. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are often used in electric vehicles due to their high efficiency and precise control. The inverter feeds the electric motor by converting the output voltage of the DC electric vehicle battery into 3 phases. The conduction and switching losses of the IGBT switching elements in the inverter are the source of thermal losses. When we look at the sinusoidal controls of PMSM motors, we see vector and scalar control methods. Vector control methods are divided into two as field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC). A motor position sensor is used to detect the speed and position of the motor. While scalar control methods do not require a motor position sensor, vector control methods require a motor position sensor to increase efficiency and precision. Manufacturers aim to reduce the system cost and try to estimate the motor position with various algorithms instead of a position sensor. However, this solution is not always efficient and for this reason, our study is based on sensorized control methods. Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure (WLTP) speed data, which is used to determine the official fuel economy and emission levels of passenger cars, is used as the speed reference in the inverter control. Thermal analysis of IGBT switching elements is presented. Based on this, losses on an electric vehicle inverter using the three methods are analyzed and compared.