Esnek mimari yaklaşımı ile elektrikli araç güç treni tasarımına katkılar
Contributions to electric vehicle power train design by flexible architecture approach
Yazar: İLKAN ÇETİN
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Fırçasız motor sürücüleri = Brushless motor drives ; Güç elektroniği = Power electronics ; Güç elektroniği devreleri = Power electronic circuits ; Güç çeviriciler = Power converters

Özet:
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.

Abstract:
Electric vehicles are becoming a very important and large part of today's technology and automotive industry. The value in the eyes of users, that is us, peoples, is increasing day by day. One of the most important reasons for this to happen is the ingravescent environmental problems. Awareness of environmental problems pushes people towards to more environmentally friendly practices, methods and options.
For such reasons, electrical vehicles may become more preferred than other non- environmental vehicle options. Therefore, this situation raises the expectations for electric vehicles to a very high level. Increasing expectations are also channeling people to do more work, research, and development.
Especially large vehicle manufacturers (OEM), which make mass production, carry out serious projects and studies on this subject. Making electric vehicles easier and simpler to produce and making the components that used in the architecture of electric vehicles cheaper and producing faster are among the most important works of such companies.
While the battery, battery management system, driver circuit and electric motor are used in the power train, the voltage at which the calculated power will be carried for the vehicle directly affects the system design. The differentiation of the components from the battery outlet to the wheel for each power level needed according to the battery voltage increases the design costs. For commercial vehicle manufacturers with a wide product and power range, the flexible architectural design (modularity) that connects the power converters and the battery and electric motor with different voltage levels can make a positive contribution in this regard, without changing the main components, which shortens the design process and reduces production costs.
This is where modularity (flexible architecture) and scalability studies emerged. Thanks to their modularity and scalability methodologies, these companies are able to produce electric vehicles in a simpler and less costly way. Electric vehicles, whose prices are already high due to the raw material cost of the battery component, can compete with other non-environmental vehicle options in the market, thanks to the fact that these companies can manufacture these electrical vehicles in a simpler and less costly way.
In the electrical architectural designs of electric vehicles, one of the methods that can be preferred to provide modularity and scalability, which is the ability of commercial manufacturers to offer as much commercial product variety as possible with the least number of system components, may be to add a power converter between the powertrains. Motor power, motor voltage and accordingly battery voltage are the parameters that have a primary effect on system efficiency. DC switching power converters can be used to match the motor driver voltage with the battery voltage. Thanks to these converters mentioned, the motor drive voltage can be converted to different voltage values. In this way, motor driver unit and electric motor of different models and different operating values can be driven with the same battery component.
In this thesis study, the efficiency of the battery, DC-DC converters, driver circuit and electric motor components at different DC bus voltage values in the electric vehicle power train was harmonized with each other and efficiency comparisons were made for the same output power in different connection types. Thus, a comparative result has been presented from a scientific point of view on obtaining designs with different operating values in a modular way by combining different inverter and driver components and different groups designed at once.
In order to ensure modularity, adding DC converters to the vehicle architecture with different busbar voltages and output voltage values has been examined. With these DC converters, it is desired to create a control between the battery voltage and the DC bus voltage with an optional, variable, and flexible architecture. After this circuit structure, the effect of operating performance of electric motors with different supply voltages on the efficiency of the drive train was determined by using intermediate circuits.
For this reason, DC-DC converters that can work with powertrain components, that can be used in the architecture, have been researched. DC-DC converter topologies that can be used according to the requirements of the application are examined.
Due to its location in the architecture and the components to which it is connected, the aforementioned DC-DC converter must be bidirectional and must operate in two directions. Without a bidirectional DC-DC converter, electric vehicles will not be able to recover the battery with regenerative braking. That's why bidirectional work of the DC-DC converters is very important.
Bidirectional DC-DC converters actually work in the same way as synchronous switching DC-DC converters. In other words, instead of the freewheeling diodes used in DC-DC converters, another switching element should be used. This is also a modification that can increase the efficiency of the DC-DC converters by reducing its losses.
In order not to experience loss of performance in the use of the electric motor, this DC-DC converter must be designed in accordance with the maximum power level of the electrical vehicle architecture. Among the possible topologies, a suitable and purposeful DC-DC converter topology was selected and designed. Modeling of system subcomponents, numerical verification of analytical designs and integrated operation and modeling of all systems, closed-loop control processes were performed under MATLAB/Simulink and the results were compared.
Both the design and the simulation study of the DC-DC converter were made using a closed-loop control method. PI controller is used. The focus in control has been to try to reduce losses in the whole vehicle system as much as possible and to try to maximize the efficiency of the whole vehicle system.
In addition, each component in the architecture of the electric vehicle is designed individually. A brushless direct current machine (BLDC-FDAM), which is easy to control and highly preferred in electric vehicles, was chosen for this study. Since the motor used by the ITU Electric Vehicle Team is the same type of motor, the motor parameters are provided from them. In addition, motor driver circuits operating at different rated voltages are also designed. Simulation studies of these components were also carried out. In this way, it is aimed to contribute to the activities and future vision of the ITU Electric Vehicle Team.
As the last step, an integrated simulation study has been carried out, which is similar to the electric vehicle architecture, where all the components are present together. The effects of the DC-DC converter added to the architecture on the whole system were tried to be observed with this simulation study that is with or without the aforementioned DC-DC converter.
As a result, study on flexible design that will strengthen the hand of commercial manufacturers in power system design directly connected to battery voltage in developing electric vehicle technologies have been obtained and presented comparatively, and an academic contribution has been provided by creating a perspective on this subject.