Elektrikli otomobil motor sürücü devrelerinde farklı fiziki yapılarda işletme başarımının tespitine katkılar
Contributions to determining the operational performance of motor control circuits having different physical structures for electric vehicles
Yazar: NAİL GÜZEL
Danışman: PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisi ile çalışan otomobiller günümüzde hızlı bir biçimde yaygınlaşmaktadır. Günümüzdeki batarya teknolojilerinin bulunduğu noktadan dolayı, elektrikli otomobillerin geleneksel otomobiller ile menzil anlamında rekabet edebilmesi için bataryalarda saklanan enerjinin maksimum verimlilikte kullanılması gerekmektedir. Zira, petrol bazlı yakıtların enerji yoğunluğu, günümüzde kullanılan lityum tabanlı bataryaların enerji yoğunluklarından yaklaşık yüz kat fazladır. Elektrikli otomobillerde en önemli kayıpların görüldüğü noktalardan biri, elektrik motoru ve bu motorların sürüşünün gerçekleştirildiği güç kontrol üniteleridir. Elektrikli otomobillerin yaygınlaşması ile beraber, motor sürüş işleminin daha verimli olması amacıyla, ilgili güç elektroniği ve yarı iletken teknolojileri de gelişmektedir.

Elektrik motorlarının sürülmesini sağlayan güç kontrol ünitelerinin üreticileri, motorda oluşan kayıpları azaltmak amacıyla anahtarlama frekanslarını yükseltmektedir. Ancak, anahtarlama frekansının yükselmesiyle beraber motorlarda oluşan kayıplar azalırken, sürücüde oluşan anahtarlama kayıpları artmaktadır. Bu sorunun önüne geçmek için anahtarlama hızları da yükseltilmekte, anahtarlama kayıplarının düşük değerlerde tutulması amaçlanmaktadır. Fakat anahtarlama hızlarının yükseltilmesi, beraberinde bu tezde bahsedilen bir takım potansiyel sorunlar getirmektedir.

Motor sürücülerin güç katları; genellikle bir takım yarı iletken anahtar grubu ile, DC-link kapasitörü adı verilen bir kapasitör veya kapasitör grubunun bağlanması ile oluşturulur. Ancak, motor sürücü güç kontrol üniteleri pratikte üretilirken, orijinal tasarımda kullanılan devre elemanlarının yanında, bazı kaçak devre elemanları da devreye girmektedir. Bu elemanlar; kullanılan devre elemanlarının ve montaj aparatlarının fiziki özelliklerinden doğan kaçak direnç, kaçak endüktans ve kaçak kapasite elemanları olarak sıralanabilir.

Özellikle kaçak endüktans elemanı, göz önüne alınması gereken kaçak elemanlar arasında en önemlilerindendir. Zira anahtarlanan akım değerleri ve anahtarlama hızları yükseldikçe kaçak endüktans değerlerinin sistem üzerindeki etkisi artmaktadır. Bu nedenle, anahtarlama işlemleri esnasında anahtarın üzerinden akmakta olan akım değerinin hızla azalması sonucu anahtar uçlarında beklenmeyen gerilim aşım değerlerine ulaşılmaktadır. Sonuç olarak, kötü bir fiziki tasarım sonucunda güç anahtarlarının aşırı gerilim nedeniyle kısa sürede tahrip olması ihtimali yükselmektedir.

Anahtarlama hızının yavaşlatılması ile kaçak endüktans etkilerinden dolayı görülen gerilim aşım değerlerinin olumsuz etkilerinin azaltılması mümkündür. Ancak, anahtarlama hızlarının yavaşlatılması ile sistem verimliliği de azalacağından, bu yaklaşım yüksek verim gerektiren uygulamalar için uygun değildir. Bu nedenle, oluşturulan sistemdeki kaçak elemanların yüksek anahtarlama hızlarında dahi güvenle kullanılabilecek biçimde oluşturulması gerekmektedir. Her fiziki yapının beraberinde getirdiği kaçak elemanlar dikkatli bir biçimde modellenmeli, üretim sonrası sistem üzerinde ölçüm ve deneyler gerçekleştirilmeli, sistemin güvenle kullanılabileceği akım ve gerilim sınırları doğrulanmalıdır.

Bu tez çalışmasında, elektrikli binek otomobillerde kullanılabilecek bir asenkron motor sürücüsü oluşturmak amacıyla beş farklı evirici güç katı tasarımı gerçekleştirilmiş ve üretilmiştir. Üretilen yapılar üzerinde deneysel çalışma gerçekleştirilerek sahip oldukları kaçak endüktans değerleri ölçülmüş, tezde kullanılan güç katı tasarımlarının kaçak endüktans değerlerinin fiziki yapıya bağlı olarak yaklaşık bire üç oranında değişebildiği gözlemlenmiştir.

Elde edilen kaçak endüktans değerlerinin, bir elektrikli otomobilin gerektirdiği akım değerlerinde anahtarlar üzerinde nasıl etkiler göstereceği araştırılmıştır. Bu amaçla, 75 kW gücünde bir asenkron motor bulunan bir elektrikli binek otomobil benzetim modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan elektrikli otomobil benzetim modeli, üç farklı ivmelenme sürüş profili ile çalıştırılmış ve her benzetim için elektrik motorunun çektiği akım değerleri kaydedilmiştir. Oluşturulan benzetim modelinde görülen motor faz akım değerlerinin farklı ivmelenme değerleri için değişkenlik gösterdiği, sayısal değer vermek gerekirse benzetimi yapılan en yüksek ivmelenme değeri olan 3 $m/s^2$ sürüş profilinde 363 A RMS değerine kadar ulaştığı görülmüştür.

Tez çalışmasının uygulama kısmının son bölümünde, tez çalışması için üretilen beş farklı evirici tasarımının ölçülen kaçak endüktans değerleri kullanılarak iki farklı batarya gerilimi altında anahtarlama benzetimleri yapılmıştır. Anahtarlama benzetimlerinde, evirici yapısında bulunan kaçak endüktans ve IGBT elemanları modellenmiştir. Modellenen yapı üzerinden, elektrikli otomobil benzetimlerinde ölçülen motor faz akımları geçirilmiş ve IGBT'ler anahtarlanmış, anahtarların iletimden çıkma anlarında kaçak endüktans etkilerinden dolayı görülen IGBT kollektör-emetör düğümleri arasındaki gerilim aşım değerleri kaydedilmiştir.

Elde edilen sonuçlar değerlendirilerek, oluşturulan beş farklı evirici tasarımının, örnek bir binek elektrikli otomobilde hangi sürüş performansı ile sürüldüğü takdirde güvenli şekilde kullanılabileceği araştırılmıştır. Tezin son aşamasında, motor sürücülerdeki güç yollarını oluşturan baraların üst üste yerleştirilmesi ile, paralel olarak yerleştirilmesine nazaran çok daha iyi sürüş performansı elde edilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Electric vehicles (EV) are getting more widespread due to many reasons such as the increasing prices of the petroleum based fuels, developed countries' harsh emmission standards, government policies towards encouraging using electric vehicles, and so on. Batteries are used in the EVs as the energy storage unit, replacing the fuel tank in the conventional vehicles. Lithium based batteries are the most common battery type among the current commercially sold electric vehicles because they offer the highest energy density, both in volume and mass. However, the state of the art battery technology limits the maximum range of the vehicles compared to the conventional vehicles, as the energy density of the petroleum based fuels are nearly 100 times higher than that of the lithium based batteries.

Because of the fact that the EVs have less amount of energy stored, the EV manufacturers are urged to utilize every Watt-hour of the energy stored in the batteries efficiently in order to offer longer range cars to compete with the conventional vehicles. Accordingly, EV related power electronics and semiconductor technologies are getting even more developed, boosting the efficiency of electric vehicle power systems.

Manufacturers of the motor control units used in electric vehicles are trending towards increasing the switching frequencies in order to minimize the losses in the electric motors. As the switching frequencies increase, the switching losses in the motor control units also increase as an outcome, though. On the other hand, the designers are increasing the switching speeds to reclaim the losses introduced by the high switching frequencies. However, increasing the switching speeds introduces new potential issues that need to be worked out. In a few words, the system becomes more susceptible to the parasitic elements.

The circuit schematics of the motor control units are very similar in general. Most of them are mainly composed of two switches per motor phase and a DC-link capacitor bank connected in parallel with the switches and the battery. Still, there are infinite possibilities for realizing the controller. Switches with different form factors can be used in the design, also the components can be placed in various ways by the designer. Film capacitors or electrolytic capacitors can be used, and the size of the capacitors can vary from design to design for the current and voltage demand expected. Every component has its own parasitic elements and these elements affect the overall system performance.

In high power motor control units, the components are generally linked to each other through busbars. However, while these busbars are placed only for delivering currents, parasitic elements are also encountered in them as well. Therefore, not only the used components cause the parasitic elements, but also the busbars used for interconnecting these components do so.

While the switches and the DC-link capacitors are connected through busbars directly, there are always stray components in between. For the motor control units, the most important one among these stray components is the stray inductance between the DC-link capacitor and the switches. This is due to the fact that as the switching speeds increase, very high voltage spikes might occur while an IGBT/MOSFET is being switched off because of the rapidly decreasing current and the energy stored in the stray inductance. As a result, if the physical design was created carelessly, it is very likely to destroy the switching components in a very short amount of time if the voltage spikes exceed the "safe operating area" of the components.

The physical design must be evaluated after manufacturing and the stray components must be measured in order to validate that the design can be used safely with the performance expected from the system.

In a general view, laminated busbars placed on top of each other with a dielectric layer in between are found to outperform the parallel busbar designs in terms of the stray elements. The stray inductance increases as the length of the current path of the busbars gets longer, while it decreases as the busbars get wider.

It is also beneficial to have the stray capacitance as large as possible since it helps decreasing the characteristic impedance of the energy transmission line, also naturally eliminating the high-frequency components present in the system. In the laminated busbar structure, this can be achieved by simply manufacturing the dielectric layer as thin as possible.

In this thesis, five different inverter power stage designs were created with different types of busbars, capacitors and IGBTs. Three different capacitors with various capacitance values and two different IGBT modules were used in the designs. Three of the designs were created with laminar busbar structure, and the other two were created with parallel busbar structure. A high power gate driver design was created for driving the IGBTs. Using the created inverter designs and the gate drive circuitry, the stray inductances of all of the designs were measured through experiments. The stray inductance values were recorded between 13.27 nH and 36.72 nH, depending on the physical structure of the busbars. The laminar-structured designs were found to have lower stray inductance, as expected.

In order to evaluate the effect of the stray inductance in an electric vehicle, a vehicle model with a 75 kW asynchronous motor simulation model was created in Simulink. The drag resistance, rolling resistance and the inertia resistance of the vehicle were taken into account in the simulation. The model was simulated over different acceleration schemes, and the stator phase currents as well as the vehicle speeds were recorded in the simulations. When the vehicle accelerates at a rate of 3 m/s^2, the stator phase currents reach up to 363 Amps, for the modeled vehicle in the simulation model.

Another simulation model was created in LTspice for observing the effects of the stray inductance on the IGBT. In this simulation model, a H-bridge with a stray inductance in series is connected to the battery, while the recorded motor phase currents flow through the IGBTs. The voltage between the collector-emitter leads of the IGBTs were recorded while the IGBTs were being switched on and off.

In summary, five different inverter power stage designs were created in this thesis work and were evaluated. A conclusion was made on whether the designs are appropriate to have them perform under various conditions. It was concluded that the laminar busbar structure with two conductive materials on top of each other outperforms the parallel-structured busbar designs.