Contributions to short-circuit protection of electric vehicle battery systems by implementing SiC switches
SiC anahtar uygulaması ile elektrikli araç batarya sistemlerinin kısa devre korumasına katkılar
- Tez No: 665708
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Şehirlerde hızla artan nüfus nedeniyle araç sayısı her geçen gün artmakta ve buna bağlı olarak gaz emisyonları önemli bir çevre sorunu haline gelmektedir. Bu bağlamda hükümetler tarafından çıkarılan yasalar doğrultusunda, CO2 salımını azaltma ve enerji verimliliğini artırma konuları oldukça önemli çalışma alanları haline gelmiştir. Bu çalışmaların en büyük amacı emisyonları önemli ölçüde azaltmaktır. Otomotiv endüstrisi bu küresel değişimin en önemli oyuncularından biridir. Dolayısıyla bu endüstrideki gelişim trendleri, emisyonları azaltmaya yöneliktir. Çevre kirliliğini en aza indirmeyi hedefleyen elektrikli araç (EA) teknolojisi, hem ekonomik hem de çevre dostu olması nedeniyle hızla gelişerek tercih edilen bir seçenek haline gelmektedir. Bununla beraber, tüketici elektroniğinde çok uzun zamandır kullanılsa da, yüksek enerji kapasiteli pillerin piyasaya sürülmesinden bu yana elektrikli araçlar (EA) tekrardan gündeme gelmiştir. Bu sebeple EA ile otomotiv endüstrisi çevreci çözümlere yönelmiş ve bu konudaki çalışmalarına hız kazandırmıştır. EA'ların içten yanmalı motorlu araçlar ile rekabet edebilmesi için en önemli gelişim batarya sistemlerinde olmaktadır. Batarya sistemleri, elektrikli araçların gelişmesinde en önemli yapı taşı olsa da, güç aktarım sistemindeki diğer bileşenlerde bu amaçta önemli rol oynamaktadır. Tüketici elektroniğinde çok önemli bir yeri olan lityum iyon bataryalar, yüksek kapasite yoğunluğuna ve yüksek güç yoğunluğuna sahip bataryaların tanıtılmasıyla markette çok önemli bir yer elde etmişlerdir. Özellikle araç içi elektronik sistemlerin gelişmesi ve sayılarının artmasıyla oluşan güç talebine karşı çözüm oluşturmuştur. Daha sonra, 90'ların başından beri gelişmekte olan modern elektrikli araçların, batarya teknolojilerinin de gelişmesiyle, günümüzdeki ivmeyi yakalaması sağlanmıştır. Bu gelişmeler, hücre seviyesinden paket seviyesine birçok yeni çalışma alanı ortaya çıkarmıştır. Bu alanlardan en önemlisi, batarya sistemlerinin güvenliği olmuştur. Olası bir elektriksel, mekanik, çevresel ve kimyasal hatada, batarya sistemleri tehlike yaratmaktadır. Bu nedenle, batarya sistemlerinde güvenlik konusu günümüzde en önemli gelişim alanlarındandır. Batarya sistemlerinde ölçme, koruma ve kumanda işlemleri elektriksel güvenliği sağlamak için Batarya Yönetim Sistemleri (BYS) üzerinden yapılmaktadır. BYS içindeki çeşitli algoritmalar ile anlık olarak bütün sistemin güvenliği sağlamaktadır. Batarya sistemlerindeki elektriksel hataların başında gelen, aşırı akım ve kısa devre akımını korumak amacıyla, BYS tarafından gerçekleştirilen koruma stratejisi kullanılır. Bu koruma stratejisi gerçekleştirilirken her bir bileşen dikkate alınır. Koruma komponentlerinden, kontaktör ve sigorta üzerinden gerçekleştirilecek koruma stratejisi için akım limitleri belirlenir. Bu limitler doğrultusunda koruma elemanlarının koruma kapasiteleri ve paket gereksinimleri göz önüne alınarak, devre kesme algoritması gerçekleştirilir. EA batarya paketlerindeki 800V ve üzeri gerilim seviyesine doğru eğilim, geleneksel koruma komponentlerinin, aşırı akım koruma performansı konusunda geri kalmasına neden olmaktadır. Yüksek gerilim seviyesine uygun olarak üretilmeye başlanan yeni anahtarlama elemanları ise büyük boyutları nedeniyle, batarya paketlerinde tasarım sorunlarına yol açmaktadır. Dolayısıyla, bu komponentler EA'ların gelişiminde bir bariyer oluşturmaktadır. Bu problemi çözmek amacıyla, bu tezin de motivasyon kaynağını oluşturan, hali hazırda alçak gerilim (AG) bataryalarda kullanılan yarı iletken tabanlı anahtarlama elemanlarının, yüksek gerilim (YG) bataryaları için de geliştirilebilmesi sorgulanmıştır. Özellikle yüksek bant genişlikli yarı iletkenlerin, silikon (Si) tabanlı yarı iletkenlere göre verimlilik, boyut ve maliyet bazında gelişmeler sağlaması, yarı iletken tabanlı YG anahtarların gelişiminin önünü açmıştır. Silisyum karbür (SiC) yarı iletkenler, YG batarya anahtarları için çok önemli olan yüksek sıcaklık, yüksek gerilim ve kısa devre dayanımları açısından diğer yüksek bant genişlikli yarı iletkenlere göre daha güçlüdür. Ancak BYS üzerinde çalışan konvansiyonel kısa devre koruma algoritması, dijital haberleşme ve akım sensörlerinin gecikmeleri düşünüldüğünde, yarı iletkenlerin kısa devre dayanım süreleriyle karşılaştırıldığında çok yavaş kalmaktadır. Bu sebeple, yarı iletken anahtar ile kısa devre koruması için özel yöntemler gerekmektedir. Bundan yola çıkarak, bu tezin ana motivasyonunu oluşturan özel yarı iletken koruma yöntemleri incelenmiştir. Bu yöntemlerden desatürasyon ve kapı-şarj yöntemleri en başarılı yöntemler olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada konvansiyonel anahtarlama elemanları ile yapılacak kısa devre koruması, SiC MOSFET tabanlı bir yarı iletken anahtar tasarımı ile önerilmiştir. Bu amaçla gereksinimler belirlenip, seçilen iki koruma yöntemi kombine edilerek koruma sitemi de oluşturulmuştur ve mantık devresi ile sürme devresine bağlanmıştır. Simülasyon sonuçlarında görülmektedir ki böyle bir sistem konvansiyonel korumadan çok daha hızlı koruma sağlamaktadır ve bu sayede sadece yarı iletken anahtar değil batarya sisteminin bütün elemanları da daha az büyüklükte ve daha az sürede hata akımına maruz kalmıştır. Farklı kapasite seviyelerinde, lityum iyon bataryaların farklı gerilimlere sahip olmalarından dolayı, simülasyon farklı gerilim değerleriyle tekrarlanmış ve sonuçlar ortaya konulmuştur. Bununla beraber, özellikle yük altında anahtarlama yapıldığında endüktansın etkisi önemli olduğundan, çeşitli endüktans değerleri ile simülasyon tekrarlanmıştır ve sonuçlar ortaya konulmuştur. Ek olarak, bu sistemin algoritmasını oluşturan mantık devresi oluşturulmuş ve hem yarı iletken yapısını hem de bütün sistemi koruyacak bir kısa devre koruma performansına erişilmiştir. Son olarak, seçilen yarı iletkenin simülasyon sonuçlarına göre, yük altında anahtarlama performansı incelenmiş ve anahtarlama kayıpları ortaya konmuştur. Bununla beraber, sönümlendirme (snubber) devresi tasarlanmış ve anahtarlama performansı geliştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında, SiC yarı iletken anahtarların avantajları, elektrikli araç batarya sistemlerinin kısa devre korumasına yeni bir bakış açısı getirilmiş ve katkılar sağlanmıştır. Yarı iletken tabanlı YG batarya anahtarları, henüz otomotiv uygulamalarında kullanılmak için yeterli olgunlukta olmasa da, elektromekanik kontaktör ile hibrit bir şekilde kullanılabilir. Ancak yarı iletken anahtarlarının gelişen performansları ve konvansiyonel koruma elemanlarının yetersizliği değişimin motivasyon kaynağı olmaktadır. Bu çalışmada kullanılan yöntemler göz önüne alınıp, otomotiv sistemlerine uyumlu donanım gerçeklendiğinde ve test edilip sonuçları ortaya konulduğunda, gerçek uygulamalarda kullanılabilirliği ortaya çıkacaktır. Ek olarak sadece kısa devre korumada değil, ön şarj anında da yarı iletken anahtarın getirdiği avantajlar değerlendirilmelidir.
Özet (Çeviri)
Due to the increasing population, the number of vehicles is increasing everyday, and emissions are becoming an important environmental issue. In this context, in line with the laws enacted by governments, reducing CO2 emission and increasing energy efficiency have become very important fields of study. The ultimate goal of these studies is to significantly reduce emissions. The automotive industry is one of the key players in this global change. Electric vehicles (EV) are becoming a solution to minimize environmental pollution. However, although they have been used in consumer electronics for a long time, EV's have come back to the agenda since the introduction of high energy and high power batteries. Development in battery systems for EV's, becoming a most important study area to compete with internal combustion engine vehicles. These developments have opened up many new fields of study from the cell level to the pack level. One of the most important development areas is the safety of battery systems. Battery systems may become a hazardous element in case of a possible electrical, mechanical, environmental, and chemical failure. Therefore, battery management systems (BMS) is ensuring electrical safety with continuous measurement, protection, and control operation. In order to protect from over-current and short circuit failures, the protection strategy is achieved by the BMS. Each component is taken into account when implementing this shut-off strategy. Current zones are determined for the shut-off strategy to be realized through the protection components such as contactors and fuses. In line with these boundaries, a shut-off algorithm is implemented by considering the protection capacities of protection components and pack requirements. The trend towards 800V+ voltage levels in EV battery packs brings insufficient overcurrent protection performance because of the switching performance of conventional components. To overcome this problem, new switching components which produced for higher voltage levels are causing some design problems in battery packs due to bulky size. In order to bring a reasonable solution to the table, it is questioned whether semiconductor-based switching components, which are currently used in low voltage (LV) batteries, can be developed for high voltage (HV) batteries. Especially, wide-bandgap (WBG) semiconductors paving the way for the development of semiconductor-based HV switches. Silicon carbide (SiC) semiconductors are superior to other WBG semiconductors in terms of high temperature, high voltage, and short circuit capabilities, which are quite important for HV battery switches. However, the conventional shut-off algorithm is quite slow compared to the short circuit withstand durations of semiconductors. For this reason, special methods are required for short circuit protection with semiconductor switches. Based on this, special semiconductor protection methods, which constitute the main motivation of this thesis, have been examined. Among these methods, de-saturation, and gate-charge are determined as the most suitable for HV battery switches. In this study, short circuit protection was proposed with a SiC MOSFET based semiconductor switch. For this purpose, the requirements were determined and the protection system was created by combining the two protection methods. It has been seen from the simulation results that such a system provides much faster protection than a conventional solution, and thus, not only the semiconductor switch but also all the components of the battery system are protected. Due to the different voltages of lithium-ion batteries at different state of charge levels, the simulation was repeated with different voltage values and the results were presented in comparison. However, since the effect of inductance is also important, especially when switching under load, the simulation was repeated with various inductance values and these results were also presented. Finally, according to the simulation, switching performance under load was examined and the switching losses were revealed. In addition, the snubber circuit was designed and the switching performance was improved. All in all, within the scope of this thesis, a new perspective has been brought and contributions have been made to short circuit protection of electric vehicle battery systems in line with the advantages of SiC semiconductor switches. Although semiconductor-based HV battery switches are not yet mature enough to be used in automotive applications, they can be utilized with electromechanical contactors as hybrid switches. However, the rising performances of semiconductor switches and the inadequacy of conventional protection components are the inevitable motivation for alternation to HV semiconductor switches. Considering the protection method used in this thesis, automotive rated hardware development shall be realized and real-world test results need to be presented.
Benzer Tezler
- Random forest yöntemi kullanarak polimer elektrolit membran (PEM) yakıt hücrelerinin ömrünün belirlenmesi
Determining life span in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell using random forest method
HAVVA NUR SAĞDIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
PROF. DR. SERDAR YAMAN
DOÇ. DR. HALİT EREN FİGEN
- Güç transformatörlerinde kazan kayıplarının azaltılması
The Reducing of tank losses in large transformer
GÜVEN KÖMÜRGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. NURDAN GÜZELBEYOĞLU
- EMTP yardımıyla kısa devre akımının dinamik simülasyonu
Başlık çevirisi yok
ALPER ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BELGİN TÜRKAY
- Çok makinalı güç sistemlerinde parametre adaptif kontrol yönteminin incelenmesi
Investigation of parameter adaptive control method for MMPS
AYŞEN DEMİRÖREN
Doktora
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- Trijenerasyon sistemlerinde tekno-ekonomik analiz
Techno economic analysis of trigeneration systems
AYŞE COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLAN İNAN