Elektrikli araç şarj istasyonları için görünür ışık haberleşme altyapısını kullanan yenilikçi bir haberleşme sistemi geliştirilmesi
Development of an innovative communication system utilizing visible light communication infrastructure for electric vehicle charging stations
Yazar: MURAT DAŞ
Danışman: DOÇ. DR. GÖKAY BAYRAK
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Elektrikli araçlar günümüzde giderek daha fazla ilgi görmekte ve bu da şarj altyapısına olan ihtiyacı hızla artırmaktadır. Araştırmacılar, batarya değiştirme, kablosuz ve kablolu şarj gibi çeşitli yöntemleri incelemişlerdir. Ancak, elektrikli araçların uzun şarj süreleri, geleneksel araçlara kıyasla bir dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Batarya değiştirme istasyonları hızlı bir şarj imkanı sunsa da, tam şarj edilmiş batarya envanterine ihtiyaç duyulması lojistik zorluklarını beraberinde getirebilmektedir. Kablosuz şarj ise pratik olmasına rağmen diğer yöntemlere göre daha yavaş işlemektedir. Kablolu şarj ise halen en yaygın olanıdır ve AA ve DA modlarıyla kullanılmaktadır. Ancak, bu yöntemler özellikle MOD 1 şarjında bazı güvenlik endişelerine yol açmaktadır. Bununla birlikte görünür ışık haberleşmesi (GIH) teknolojisi, şarj sistemlerinde verimli ve güvenli veri iletimi için umut vadeden bir çözüm olarak ön plana çıkmaktadır. Yüksek veri hızları ve düşük güç tüketimi avantajlarıyla GIH, elektrikli araç (EA) şarj istasyonları için potansiyel faydalar sunmaktadır. Bu çalışmada, EA şarj üniteleri ile taşıtlar arasındaki iletişim sistemi incelenerek, GIH tabanlı yenilikçi bir şebeke izleme ve koruma sistemi geliştirilmiştir. Tezde öncelikle EA şarj altyapısında kullanılan haberleşme teknolojileri araştırılmış, analiz edilmiş ve değerlendirilmiştir. Bu bağlamda, GIH teknolojilerinin EA şarj altyapısının güvenilirliğini artırmak amacıyla kullanılması hedeflenmiştir. Bu kapsamda, şebeke gerilimi ve frekansında meydana gelebilecek anormal değişimler nedeni ile EA şarj ünitelerinin güvenli bir şekilde devreye girmesi ve devreden çıkması amacı ile GIH altyapısı kullanılmıştır. GIH'nin modülatör ve demodülatör yapısı LabVIEW ile gerçek zamanlı olarak VHDL dilinde kodlanarak geliştirilmiştir.  Şebekenin anormal gerilim ve frekans durumları (AGK, DGK, AFK ve DFK) GIH yardımı ile tespit edilerek, EA şarj ünitelerinin güvenilir bir şekilde IEEE 929-2000 standartlarında belirtilen sınırlar içinde çalışabilmesine imkan sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen GIH altyapısına dayalı izleme ve koruma sisteminin, EA şarj ünitelerinin şebekeye entegrasyonunda, mikroşebekelerde ve dağıtık üretim sistemlerinde güvenli bir şekilde pratikte de uygulanabileceğini göstermektedir. Ayrıca, geliştirilen GIH altyapısının, EA şarj ünitelerinin aşırı ısınma, aşırı yük talebi ve şebeke kaynaklı güç kalitesi problemleri için de geliştirilebilir bir yapıda olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Electric vehicles (EVs) are gaining increasing interest today, rapidly boosting the need for charging infrastructure. Researchers have explored various methods such as battery swapping, wireless charging, and wired charging. However, the long charging times of electric vehicles pose a disadvantage compared to conventional vehicles. Although battery swapping stations offer a quick charging solution, they bring logistical challenges due to the need for a fully charged battery inventory. Wireless charging, while convenient, is slower than other methods. Wired charging remains the most common method and can be used in AC and DC modes. However, these methods, particularly Mode 1 charging, raise some safety concerns. In this context, visible light communication (VLC) technology emerges as a promising solution for efficient and secure data transmission in charging systems. With its high data rates and low power consumption, VLC offers potential benefits for EV charging stations. This study develops an innovative VLC-based grid monitoring and protection system by examining the communication system between EV charging units and vehicles. The thesis first investigates, analyzes, and evaluates the communication technologies used in EV charging infrastructure. In this context, the use of VLC technology aims to enhance the reliability of EV charging infrastructure. The VLC infrastructure is employed to ensure the safe operation and disconnection of EV charging units due to abnormal voltage and frequency changes in the grid. The modulator and demodulator structure of VLC is developed in real-time using VHDL language coded in LabVIEW. Abnormal voltage and frequency conditions in the grid (over-voltage, under-voltage, over-frequency, and under-frequency) are detected with the help of VLC, enabling EV charging units to operate safely within the limits specified in the IEEE 929-2000 standards. The results show that the developed VLC-based monitoring and protection system can be practically applied in the safe integration of EV charging units into the grid, microgrids, and distributed generation systems. Additionally, the developed VLC infrastructure is considered to be adaptable for EV charging units' issues such as overheating, excessive load demand, and grid-related power quality problems.