Elektrikli araçlar için kablosuz şarj sistemi tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of a wireless charging system for electric vehicles
Yazar: BAGER ÖZBEY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda elektrikli araçlara olan ilgi oldukça artmış olup büyük otomotiv firmaları başta olmak üzere birçok firma tarafından hibrit ve elektrikli araç piyasaya sürülmüştür. Bunun başlıca sebeplerinden biri içten yanmalı motora sahip araçların ciddi ekolojik etkileri olmasıdır. Fosil yakıt kullanımı karbon emisyonunu arttırmasından dolayı küresel ısınma etkisini de artırmaktadır. Karbon emisyonunun artması sebebiyle uluslararası örgütler, hükümetler çeşitli önlemler almaya başlamıştır. Alınan bu önlemler kapsamında orta vadeli olarak içten yanmalı motora sahip araçların şehir merkezlerine girişi yasaklanacaktır. Uzun vadede ise ekolojik anlamda zararlı etkileri olmayan araçların kullanımının teşvik edilip, içten yanmalı araç kullanımının tamemen yasaklanması planlanmaktadır. Elektrikli araçlar içten yanmalı motora sahip araçlara kıyasla daha yüksek verime sahiptir. Ayrıca çevre kirliliğine sebebiyet vermezler. Bu yüzden de dünyanın önde gelen otomobil üreticileri uygulanacak kısıtlamaları da göz önüne alarak elektrikli otomobil piyasasına girmiştir. Yapılan yatırımların her geçen yıl arttığı elektrikli araçlar piyasasında gelişmeler çok hızlı şekilde gerçekleşmektedir. Elektrikli araçların tüm bu olumlu taraflarının yanında bazı dezavantajları da vardır. Elektrikli araçlar içten yanmalı motora sahip araçlara nazaran daha düşük menzile sahiptir ve sık sık şarj edilmesi gerekir. İnsanların hala içten yanmalı araçları tercih etmesindeki en büyük sebep menzil ve yolda kalma endişesidir. Bu sorunun önüne geçmek için çeşitli yöntemler geliştirilmektedir. Geliştirilen hızlı şarj teknolojisi batarya şarjının süresini kısaltmıştır. Fakat batarya şarjının iletkenler yoluyla gerçekleştirilmesi güvenlik açısından risk oluşturmaktadır. Ayrıca kabloların getirmiş olduğu karmaşıklık ve hızlı şarjın şebeke üzerine etkileri bu yöntemin eksi yönleri olarak ön plana çıkmaktadır. Bunun da önüne geçmek amacıyla son yıllarda kablosuz şarj teknolojisi üzerine çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Kablosuz şarj teknolojisinin temel mantığı iletken teması olmadan gücün primer taraftan sekonder tarafa aktarılmasıdır. Gücün aktarımı sırasında hizalama hatasının minimum, kuplajın maksimum ve verimin yüksek olması istenen önemli özelliklerdir. Özellikle son 10 yıl içerinde yapılan çalışmalar ve yayınlar incelendiğinde bütün bu özellikleri sağlayacak şekilde hem bobin hem de güç elektroniği sistemi tarafında birçok tasarım geliştirildiği görülmektedir. Tez çalışması kapsamında, yüksek verim ve kuplaj sağlanacak şekilde bir kablosuz şarj sisteminin tasarımı ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tasarım aşamasında dairesel, D ve DD bobin topolojileri oluşturulan sistemlerin farklı hizalama hatası durumlarında bağlantı katsayısının değişimi incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucu diğer topolojilere oranla daha yüksek hizalama hatası toleransına sahip olan DD topolojisinde karar kılınmıştır. Bobin topolojisinin seçiminin ardından sistemde kullanılacak kompanzasyon topolojisi, incelenen diğer temel topolojilere oranla daha yüksek verimle güç taşınmasına imkan veren LCC topolojisi olarak seçilmiştir. Tasarlanan sistemin farklı hizalama hatalarında verim analizi yapılmış ve bağlantı katsayısındaki değişim incelenmiştir. Tasarlanan sistem ile 200 mm hava aralığında tam hizalı durumda yaklaşık 3.3 kW'lık güç primer taraftan sekonder tarafa %94.95 verimle aktarılmıştır. Ayrıca tam hizalı durumda elde edilen bağlantı katsayısı ise k12 = 0.2693'tür. Tasarım sürecinin ardından sistemin optimizasyonuna geçilmiştir. Bu optimizasyon kapsamında primer, sekonder ve kompanzasyon bobinlerinin sarım sayıları ve sarım aralıkları, primer ve sekonder bobinler arası mesafe (hava aralığı) belirlenmiştir. Ayrıca primer ve sekonder bobinlerin yüzey alanlarının birbirlerine göre durumları incelenmiş, bu durumların bağlantı katsayısına ve verime olan etkisi belirlendikten sonra bobin sisteminin optimizasyonu tamamlanmıştır. Tamamlanan bobin sistemi optimizasyonunun ardından kaçak akıların azaltılarak verimi artıracak yönde ferrit sisteminin optimizasyonuna geçilmiştir. Ferrit sistemi optimizasyonu kapsamında, ferritlerin malzemesi, boyutları, sayısı ve birbirlerine göre konumlarının sisteme etkisi incelenmiştir. Optimizasyon süresince analitik analizlerle beraber elektromanyetik analizler ANSYS Maxwell sonlu elemanlar analiz programı ortamında gerçekleştirilmiş ve elde edilen veriler ile oluşturulan LTspice ortamındaki güç elektroniği devre modelini de kapsayan tüm sistem modeli üzerinden benzetişim gerçekleştirilmiştir. Giriş gücü, çıkış gücü ve verim üzerinden yapılan parametrik optimizasyon ve kıyaslamalar sonucu Maxwell'de oluşturulan sistemlerde değiştirilen parametrelerin sisteme etkisi gözlemlenmiştir. İlk sisteme oranla tasarlanan yeni sistemin hacmi %35 azaltılmıştır. Optimizasyon sonucunda tasarlanan sistem ile 150 mm hava aralığında 3.3 kW'lık güç, primer taraftan sekonder tarafa %91.47 verimle aktarılmıştır. Tam hizalı durumda elde edilen bağlantı katsayısı ise k12 = 0.245'tir. Bağlantı katsayısının ve verimin hizalama hatalarına göre değişimi ayrıntılı olarak ele alınarak analiz edilmiştir. En olumsuz senaryoda bile %87 verim ve k12 = 0.194 değerleri elde edilmiştir. Optimizasyon sonucu tasarlanan kablosuz şarj sisteminin hizalama hatalarına karşı yüksek toleransa sahip olduğu görülmüştür. Sistemin optimizasyonun ardından donanımsal tasarımına geçilmiştir. Bu kapsamda rezonans çeviricinin çizimine Altium Designer programında başlanmıştır. Kablosuz şarj sisteminde rezonans çevirici ile birlikte kullanılacak olan N87 ferritler ve bobinler için gerekli malzemelerin temin edilmesindeki sorunlardan dolayı deneysel çalışmalar devam etmektedir.

Abstract:
The interest in electric vehicles (EVs) has increased in recent years. One of the main reasons for this is that vehicles with an internal combustion engine have serious ecological effects. Since fossil fuel use increases carbon emissions, it also increases the global warming effect. Due to the increase in carbon emissions, international organizations and governments have started to take various measures. Within the scope of these measures, vehicles with an internal combustion engine (ICE) will be banned from the city centers. In the long term, it is planned to encourage the use of vehicles without ecologically harmful effects and to ban the use of internal combustion vehicles completely. Electric vehicles have higher efficiency compared to vehicles with internal combustion engines. Also, they do not cause environmental pollution. For this reason, the leading car manufacturers of the world have entered the electric car market considering the restrictions to be applied. In the electric vehicles market, where investments are increasing every year, developments are taking place very quickly. Besides all these positive aspects of electric vehicles, there are also some disadvantages. Electric vehicles have a lower range than vehicles with an internal combustion engine and need frequent recharging. The biggest reason people still prefer internal combustion vehicles is range and road anxiety. Various methods are being developed to prevent this problem. The idea of wireless power transfer, which is also used for charging electric vehicles, was first proposed by Nikola Tesla in 1899. This project, which aims to facilitate the transportation of electricity to the houses, has not been realized due to technical and financial reasons, but it has been a great inspiration for the future projects. Since the second half of the 20th century, especially in the last 20 years, the studies for the transfer of energy wirelessly are increasing. Wireless power transfer is of great importance in the development of topics such as electric vehicles, mobile phones, biomedical and smart grids. The developed fast charging technology has shortened the duration of the battery charge. However, performing battery charging through conductors poses a risk to safety. In addition, the complexity of the cables and the effects of fast charging on the grid come to the fore as negative aspects of this method. In order to prevent this, studies on wireless charging technology have been started in recent years. The basic logic of wireless charging technology is to transfer power from the primary side to the secondary side without conductive contact. During the transfer of power, minimum alignment error, maximum coupling and high efficiency are important features. Especially when the studies and publications made in the last 10 years are examined, it is seen that many designs have been developed on the side of both the coil and power electronics systems to provide all these features. Within the scope of the thesis, a design and optimization of a wireless charging system has been carried out in order to ensure high efficiency and coupling. During the design phase, the variation of the coupling coefficient in the case of different alignment errors of the systems with circular, D and DD coil topologies were examined. As a result of the examinations, the DD topology, which has higher alignment error tolerance than other topologies, has been decided. Following the selection of the coil topology, the compensation topology to be used in the system has been chosen as the LCC topology, which allows to carry power with higher efficiency compared to other basic topologies examined. The efficiency analysis of the designed system in different alignment errors was made and the change in the coupling coefficient was examined. With the designed system, approximately 3.3 kW of power was transferred from the primary side to the secondary side in 94.95% efficiency at full alignment in the 200 mm air gap. In addition, the coupling coefficient obtained in full alignment is k12 = 0.2693. After the design process, the system was optimized. Within the scope of the coil system optimization, the winding numbers and winding intervals of the primary, secondary and compensation coils were first determined. One of the biggest problems of wireless charging systems, the volume problem is solved by reducing the size of the coils in the system and making them more compact. In the first step, reducing the coil sizes has reduced the coupling coefficient between primary and secondary coils in the system. The decrease in the coupling coefficient affects the efficiency. Due to the decrease in the coefficient of coupling between primary and secondary coils, the distance (air gap) between primary and secondary coils has been reduced in a way that does not contradict the way the system is used. With this arrangement, the coupling coefficient has been increased. The coil sizes determined at this stage are equal to each other. Then, the situations where the surface areas of the primary and secondary coils are different are examined, and after determining the effect of these situations on the coupling coefficient and efficiency, the coil system has been optimized and the dimensions of the coils should be the same. After the completed coil system optimization, the optimization of the ferrite system was started in order to increase the efficiency by reducing the leakage fluxes. Within the scope of the ferrite system optimization, the effect of the material, size, number and location of the ferrites on the system were examined. Within the scope of the ferrite system optimization, firstly, the material and dimensions of the ferrites were studied. When using 3C90 type ferrites previously, a 3C94 type ferrite with the same length but narrower cross-sectional area was tried. Another ferrite with a shorter and lower cross-section area was tried when it was observed that the total ferrite volume used decreased but it did not have any adverse effect on the system. As a result of the analyzes made with N87 type ferrite, it was decided that the ferrite material would be N87 type. After selecting the ferrite material, efforts were made to reduce the number of ferrite bars used in the system. In this context, the number of ferrites in series has been reduced and this number has been reduced to two while previously using three rows of ferrite parallel to each other. As a result of these studies, it was observed that although the number of ferrites was reduced, there was no negative effect on the system. Then, the effect of the distance between two ferrite rows parallel to each other on the coupling coefficient was investigated. As a result of this examination, the distance between ferrite rows that maximizing the coupling coefficient was found and the optimization of the ferrite system was also completed. Changes in efficiency and coupling coefficient according to the alignment errors of the optimized wireless charging system were analyzed. During the optimization, along with analytical analysis, electromagnetic analysis was carried out in ANSYS Maxwell finite element analysis program environment and simulation was performed over the entire system model, including the power electronics circuit model in LTspice environment created with the data obtained. As a result of parametric optimization and comparisons over input power, output power and efficiency, the effects of the parameters changed on the systems created in Maxwell were observed. The volume of the new system, which was designed in comparison with the first system, was reduced by 35%. With the system designed as a result of the optimization, 3.3 kW of power in the 150 mm air gap was transferred from the primary side to the secondary side in 91.47% efficiency. The coupling coefficient obtained in full alignment is k12 = 0.245. The variation of the coupling coefficient and efficiency according to the alignment errors are analyzed by analyzing them in detail. Even in the worst scenario, 87% efficiency and k12 = 0.194 values were obtained. This shows that the designed system has a high tolerance for misalignment. After the optimization of the system, the hardware design was started. In this context, the drawing of the resonant converter is started in the Altium Designer program. Experimental studies are ongoing due to the problems in supplying the necessary materials ,such as N87 ferrites and coils, that will be used with the resonance converter in the wireless charging system.