Elektrikli araçlarda batarya ve şarj istasyonu konfigürasyonlarının istanbul metrobüs hattı üzerinden incelenmesi
Investigation of battery and charging station configurations in electric vehicles over the istanbul metrobus line
Yazar: ANIL SATAR
Danışman: PROF. DR. AHMET CANSIZ
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: Batarya = Battery ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Konfigürasyon = Configuration ; Metrobüs = Metrobus

Özet:
Günümüzde kara taşıtları birçok alanda insanoğlu tarafından kullanılmaktadır. Öncelikle kişisel alanda kullanımı olan otomobiller dünyadaki en yüksek sayıdaki kara taşıtlarından bir tanesidir. Otomobillerin yanı sıra toplu taşımacılıkta otobüsler ve lojistik, taşımacılık gibi konularda ise tırlar kullanılmaktadır.
Dünyada çok sayıda aracın olması benzin, dizel ve mazot gibi fosil yakıtların kullanımını arttırmaktadır. Fosil yakıtların giderek artan kullanımıyla birlikte küresel ısınma, çevresel değişiklikler, hava kirlilikleri ve afetlerde paralel olarak artış olduğu görülmektedir. Bu noktada devletler yaşanan bu olaylar karşısında önlemler almaya çalışmaktadır.
Alınan önlemlerden bazıları otomotiv sektörünü de etkilemekte ve bu etkinin çok büyük olduğu görülmektedir. Otomotiv sektörünün sebep olduğu karbon ve zehirli gaz emisyonlarını sınırlamak adına yasa ve yönetmelikler çıkarılmaktadır. Otomotiv şirketleri de bu durum karşısında yeni aksiyonlar almakta ve elektrikli araç üretimlerini planlayarak gelecekte devlet yaptırımlarına maruz kalmamak için çalışmalar gerçekleştirmektedirler.
Elektrikli araç üretimi ve kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte araçların sebep olduğu hava kirliliğinin büyük ölçüde azalması beklenmektedir. Ancak yalnızca elektrikli araç kullanılarak hava kirliliğinin bitirilebileceği kanısına varılmamalıdır. Ayrıca elektrikli araçlarda kullanılan cihaz ve bileşenlerinde üretim aşamalarında çevresel ve geri dönüştürülebilir olması noktasında da adımlar atılmalıdır. 
Elektrikli araçların artan kullanımı birçok yeni olanak ve teknolojik gelişmelere ortam hazırlayacaktır. Elektrikli araçların şarj edilmesi için şarj alt yapı sistemlerinin şehirlerde, otoyollarda giderek yaygınlaşması gerekmektedir. Bu noktada birçok otomotiv üreticisinin olduğu ülkelerde şarj sistemleri üzerine büyük yatırımlar devam etmekte ve yenileri planlanmaktadır.
Artan şarj istasyonları da elektrik şebekelerinin geliştirilmesine ve daha fazla enerji santrali ihtiyacının doğmasına sebep olacaktır. Özellikle elektrikli araçları şarj etmekte kullanılan enerjinin ne tür bir enerji santralinden sağlandığı elektrikli araçların sıfır emisyon olup olmayacağı noktasında önemli bir kriterdir.
Eğer şarj istasyonları yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjiyle beslenmezse bu noktada araçlarda kullanılan enerji yine fosil yakıtların kullanılmasıyla elde edilmiş olacaktır. İşte bu nedenle gelecekte üretilen enerjinin de yenilenebilir enerjiden sağlanması noktasında devletler planlar ve çalışmalar gerçekleştirmektedirler. Yenilenebilir enerji santrallerinin inşası için birçok teşvikte yine verilmektedir.
Farklı tiplerde elektrikli araçlar mevcut olup her birinin birbirinden ayrıldığı noktalar mevcuttur. Bu çalışmada özellikle batarya elektrikli araçlar üzerine araştırmalar yapılmıştır. Batarya elektrikli araçların diğer elektrikli araç tiplerinden ayıran en önemli özelliği yüksek gerilim bataryaları dışında başka bir enerji kaynağının olmamasıdır. Bu da batarya elektrikli araçların enerji tüketen sistem ve bileşenlerinin var olan enerjiye bağlı olarak dengeli bir şekilde çalışma ihtiyacını zorunlu kılmaktadır.
Otomotiv sektöründe uzun yıllarca alçak gerilim bileşenleri üzerine çalışmalar gerçekleştirilirken elektrikli araçlarla birlikte artık yüksek gerilim bileşenleride otomotiv sektörü için önemli bir hal almıştır.
Özellikle elektrikli araçlarda kullanılan yüksek gerilim bataryaları, elektrik motorları, konvertörler, inverterler ve koruma elemanları üzerine çok sayıda ArGe çalışmasının yanı sıra akademik makale ve tezler yazılmaktadır.
Yüksek geriliminde otomotiv sektöründe kullanımıyla birlikte elektrik mühendislerinin de farklı alanlarda bu konularda destek verme gerekliliği doğmuştur. Örneğin yalıtım, koruma, güvenlik ve yapı konularında elektrik mühendisleri tarafından önemli araştırmalar yapılmaktadır.
Araçların sistem özellikleri de değişmiş olup yeni alt sistemler ortaya çıkmıştır. Önceden aracın hareket ve enerji mekanizması görevini içten yanmalı motor ve alçak gerilim bataryaları sağlarken. Elektrikli araçlarla birlikte bileşenler yerini elektrik motoru ve yüksek gerilim bataryalarına bırakmıştır. Bu bileşenlerinde kontrol edilmesini sağlayan sistemler geliştirilmiştir. 
Elektrikli araçlarla birlikte enerji yönetim sistemleri daha da önem kazanmıştır.  Çünkü bataryanın sağlayacağı sınırlı enerji karşısında araçta ki enerji tüketen sistemlerin belirli bir denge içerisinde yönetilmesi gerekmektedir. İşte bu noktada enerji yönetim sistemi adı verilen bir sistem sayesinde bu alt sistemlerin enerji ihtiyaçları belirlenerek sistem dengede tutulmaya çalışılmaktadır.
Elektrikli araçlar tüketiciler tarafından bazı noktalarda eleştirilmektedir. Araç üreticileri de tüketicilerden aldıkları geri bildirimler noktasında yeni yatırım ve araştırmalar yapmaktadırlar.
Elektrikli araçlar için şarj süreleri, alabilecekleri mesafe ve maliyet konuları önemli soru işareti barındıran konulardır. Ancak bu konularda zaman içerisinde hızla iyileştirmeler beklenmektedir. 
Literatürde elektrikli araçlar üzerine farklı konularda yazılmış birçok makale bulunmaktadır. Bu çalışmadaysa literatürde yazılmış birçok konunun ana fikirleri bir araya getirilerek elektrikli araç teknolojisinin şuanda nerede olduğu, hangi konularda çalışmalar olduğu ve elektrikli araç kullanımının getireceği ekonomik ve çevresel etkiler üzerine detaylı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte bir örnek üzerinden elektrikli araçlarla ilgili bazı hesaplamalar ve analizler gerçekleştirilmiştir. Bu örnekte elektrikli otobüsler tercih edilmiş olup bu noktada şarj sistemleri üzerine detaylı bir araştırma yapılmıştır.
Otomotiv sektöründe elektrikli araçlarla birlikte kullanımına başlanan bileşenler hakkında detaylı bilgi ve norm paylaşımları yapılmıştır. Yüksek gerilim bileşenlerinin kullanımıyla birlikte ne tür konularda geliştirmeye açık noktalar olabileceği üzerine tahminler yapılmıştır. Bileşenlerin kendi aralarında ki ilişkiler yine bazı şematik gösterimlerle aktarılmıştır. Ayrıca yüksek gerilim bileşenlerinin fonksiyon ve çalışma prensipleri hakkında detaylı bir bilgi paylaşımı yapılmıştır.
Yüksek gerilim bileşenlerinin kullanımıyla birlikte bazı alt sistemler geliştirilmiştir. Bu alt sistemler sayesinde ilgili bileşenlerin kontrolleri ve çalışmaları güvence altına alınmıştır. Özellikle batarya elektrikli araçların tek enerji kaynağı olan yüksek gerilim bataryalarının izlenmesi ve kontrolüne ilişkin alt sistemler özelinde detaylı incelemeler yapılmıştır. Alt sistemlerin birbiriyle olan iletişimlerini nasıl sağladıklarını ve hangi bilgilerin sistemler arasında paylaşıldığı anlatılmıştır.
Elektrikli otobüslerde batarya yerleşimleri, montaj alanları, şarj gereklilikleri ve şarj istasyonu boyutları derinlemesine araştırılmıştır. SOC ve SOE kavramlarının birbirinden farklı anlamlara sahip olduğu açıklanmış ve buna ilişkin örnek hesaplamalar yapılmıştır. Elektrikli otobüslerde ön plana çıkan pantograf şarj sistemlerinin fayda ve zararlarından bahsedilmiştir. Şarj istasyonu seçimi yapılırken ne tür parametrelerin dikkate alınması gerektiğiyle ilgili yine farklı bilgiler paylaşılmıştır. Ağır vasıta araçların şarj edilmesi noktasında farklı şarj sistemlerinden hangisinin daha avantajlı olabileceği ve bunun sebepleri anlatılmıştır. Şarj istasyonlarından depoda şarj veya durakta şarj opsiyonlarının hangi durumlar için uygun olup olmadığı anlatılmıştır.
Elektrikli otobüslerle ilgili olarak vaka çalışmasında İstanbul Metrobüs Hattı üzerinden SOE, SOC, yakıt maliyetleri, şarj istasyonları ve CO2 salınımları ile  ilgili bazı analizler yapılmış ve hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda şarj ihtiyaçları ve şarj istasyonlarıyla ilgili analizler yapılmıştır. Avcılar-Söğütlüçeşme metrobüs hattı ile ilgili bilgiler ışığında elektrikli otobüse ait verilerle birlikte bu hesaplamalar yapılmıştır. Ayrıca bir diesel otobüsün sürüş çevrimi verileri kullanılarak SOC değerlerini ve alınan mesafeleri otobüslerin spesifik parametrelerine bağlı olarak simülasyonu basitleştirilmiş bir şekilde Simulink'de gerçekleştirilmiştir. Araç modellemesi ve sürüş çevrimi modellenerek SOC, alınan mesafe, araç hızı, araç hızı ve sürüş çevrimi hız karşılaştırması grafikleri elde edilmiştir.
Tezin ilk bölümünde literatür çalışmaları detaylı olarak incelenmiş, karşılaştırılmış ve tezin yazılma amacı ortaya konmuştur. Tezin ikinci kısmında günümüzde üretilen elektrikli araç tipleri ve özellikleri anlatılmıştır. Tezin üçüncü kısmında elektrikli araçlarla birlikte otomotiv sektöründe önem kazanan bileşenlerin detaylı bir incelemesi yapılmış ve gelecekte hangi bileşenlerde değişikliklerin olacağıyla ilgili önemli bilgiler sunulmuştur. Tezin dördüncü kısmındaysa elektrikli araçlarla birlikte hangi sistemlerin oluşturulduğu ve hangilerinde yeni revizyonlar yapıldığı anlatılmıştır. Tezin beşinci kısmındaysa elektrikli otobüslerin şarj sistemlerine ilişkin bir vaka çalışması gerçekleştirilmiştir. Tezin altıncı kısmında vaka analizi yapılarak önceki bölümde bir örnek üzerinden aktarılan bilgiler daha geniş çizelge ve grafiklerle paylaşılmıştır. Tezin yedinci kısımında ise sonuç ve tartışma konuları ele alınmıştır.

Abstract:
Nowadays vehicles are used by mankind in numerous fields.  Automobiles which are primarily used for personal need, are one of the highest numbers of vehicle in the world. In addition to automobiles, buses are widely used in public transportation and trucks are used in logistics, transportation etc.
The fact that there are many vehicles in the world increases the use of fossil fuels such as gasoline, diesel and diesel oil. Along with the increasing use of fossil fuels, it is seen that there is also an increase in the global warming, environmental changes, air pollution and disasters. At this point, states are trying to take measures against that kind of incidents.
Some of the taken measures are affecting the automotive industry and these effects are seen to be very large. Laws and regulations are enacted to limit carbon and toxic gas emissions caused by the automotive industry. Automotive companies take new actions against these new requirements and they are planning the future concept of electric vehicle production in this way to avoid being exposed to government acts in the future.
Along with the widespread use of electric vehicles, it is expected that the air pollution caused by vehicles will decrease to a great extent. However, it should not be concluded that air pollution will be eliminated by using only electric vehicles. In addition, that other steps should be taken to ensure that the devices and components used in electric vehicles are environmentally and recyclable in the production stages.
The increasing use of electric vehicles will pave the way for many opportunities and technological innovations. In order to charge electric vehicles, charging infrastructure systems should become increasingly common in cities and highways. At this point, in countries where there are many automotive manufacturers, massive investments on charging systems continue and new ones are planned.
Increasing charging stations will lead to the development of electric networks and the need for more power plants. In particular, the type of power plant used to supply energy to charge electric vehicles is an important criterion in terms of whether electric vehicles will be zero emission.
If the energy is not produced by renewable energy sources to supply energy to charging stations, the energy used in the vehicles will still be obtained by using fossil fuels. Therefore, states are planning new renewable power plants to provide clean energy. Many incentives are also given for the construction of renewable power plants.
There are different types of electric vehicles and there are points where each one differs from each other. In this study, researchs were carried out especially on battery electric vehicles. The most important feature that distinguishes battery electric vehicles from other electric vehicle types is that they don't have any other energy source other than high voltage batteries. That's why energy consuming systems and components of battery electric vehicles should work in balance according to available energy.
While studies have been carried out on low voltage components in the automotive sector for many years, high voltage components have now become important for the automotive sector, along with electric vehicles.
In addition to many R&D studies, academic articles and thesis are written, especially on high voltage batteries, electric motors, converters, inverters and protection elements used in electric vehicles.
The use of high voltage in the automotive industry conduce to need for electrical engineers to support these issues in different fields has arisen. For example, important researches are carried out on insulation, protection, safety and construction by electrical engineers.
The system features of the vehicles have also changed and new subsystems have emerged. Previously, the internal combustion engine and low voltage batteries ensure the vehicle's motion and energy mechanism. These components have been replaced by electric motors and high voltage batteries with the electric vehicles. Systems have been developed to control high voltage components.
Energy management systems have gained even more importance with electric vehicles. Because the energy consuming systems in the vehicle must be managed in a certain balance in the face of the limited energy provided by the battery. At this point, by help of a system called the energy management system, the energy needs of these subsystems are determined and the system is tried to be kept in balance.
Electric vehicles are criticized by consumers at some points. Vehicle manufacturers are making new investments and researches at the point of feedbacks from consumers.
Charging times, price and range topics are main issues of electric vehicles which should be improved. There are big expectations regarding with that issues from automobile manufacturers.
There are many articles about electric vehicles written on different topics in the literature. In this study, the main ideas of many topics written in the literature were brought together and it was written on where the electric vehicle technology is now and on which subjects there are studies and the economic and environmental effects of the use of electric vehicles. Also some calculations and analyzes are carried out related with electric vehicles on an example. In that particular example, electric buses have been preferred and detailed researches have been made about charging systems.
Detailed information and norms were shared about the components that started to use with electric vehicles in the automotive sector. Some estimations were made about the usage of high voltage component developments. The relations among the components are also explained with some schematic representations. Also further information was shared about the functions and working principles of high voltage components.
Some subsystems have been developed with the usage of high voltage components. The control and operations of the relevant components are secured with those subsystems. High voltage batteries are the only energy sources of battery electric vehicles that is why many researches were made on subsystems about the monitoring and controlling of high voltage batteries. It is also explained how the subsystems communicate with each other and what kind of information are sent between the subsystems. 
Battery layouts, battery mounting areas, charging requirements and charging station power sizes have been investigated deeply in electric buses. Main differences of SOC and SOE concepts are separated from each other and sample calculations were made about those concepts. Pantograph charging systems which are used for electric bus charging, are analyzed according to their cons and pros. What kind of parameters should be taken into account when choosing a charging station is also explained, and details are given. Charging concepts of heavy duty vehicles are explained with their advantages and disadvanteges. It has been also explained in which situations depot charging or fast charging are suitable for the charging of buses.
In the case study of electric buses, some analyzes and calculations were made regarding with SOC, SOE, fuel costs, charging stations and CO2 emissions over the Istanbul Metrobus Line. In this context, some analyzes have been made about charging needs and charging stations. Calculations were made together with the data of the electric bus in the light of information about the Avcilar-Sogutlucesme Metrobus Line. In addition, that SOC values and driving cycle of buses were simulated simply in Simulink according to specific parameters of buses with the help of diesel bus drive cycle data. Vehicle modelling and drive cycles were taking into account to get SOC, distance, vehicle speed and comparison of vehicle speed and drive cycle speed graphics.
In the first part of the thesis, literature studies were examined and compared in detail and the purpose of writing the thesis was revealed. In the second part of the thesis, the types of electric vehicles produced today and their features are explained. In the third part of the thesis, a detailed examination of the components that have gained importance in the automotive sector along with electric vehicles has been made and important information about which components will change in the future is presented. In the fourth part of the thesis, it is explained which systems have been created with electric vehicles and which new revisions have been made. In the fifth part of the thesis, a case study was carried out about charging systems with electric buses. In the sixth part of the thesis, a case analysis was made and the information conveyed through an example in previous part was shared with extended charts and graphics. In the seventh part of the thesis, the conclusion and discussion sections are written.