Hibrit ve EV Elektrikli Araç Uygulamalarında Preşarj Hesabı

Blog, Genel, GIGAVAC

EV elektrikli araçlarda preşarj devresi tasarlanırken birtakım hesaplamalar bulunmaktadır. Bu hesaplama, istenilen süredeki sistem kapasitansının şarj yüzdesini belirlemek için gereken preşarj direncini hesaplamaya yaramaktadır. Preşarj devreleri, yüksek anahtarlamalara sebep olabilen kapasitif yüklerin kullanıldığını uygulamalar için oldukça önemlidir. Yüksek amper değerlerinde ani akım sapmaları, devreye veya devre elemanlarına kolayca zarar verebilmektedir. Bu duruma kontaktörlerin yapışarak kapalı konumda sıkışması örnek olarak verilebilir. Formülde kullanılan değerler veya tanımlarına doğrudan ulaşmak için buraya tıklayınız.

Preşarjlama (Önşarjlama) Nedir?

Yüklü kapasitansa sahip bir yüksek gerilim sistemi, devrede çeşitli arızalara sebep olmaktadır. Örneğin devre, anahtarlanma sırasında devreye veya devre elemanlarına zarar veren ani akımlarla karşı karşıya kalmaktadır. Bu ani akım ise devreye ve devre elemanlarına büyük zararlar verebilmektedir.

Bir ön şarj devresi, yüklü kapasitansı yavaşça şarj ederek ani akımı sınırlamaya yaramaktadır. Bu devre, yüksek gerilim uygulamalarındaki düzenli sistem çalıştırmalarında veya devre elemanlarının korunmasında önemli oldukça bir rol oynamaktadır. Ayrıca preşarjlama, sistem güvenirliğini ve devre elemanlarının kullanım ömrünü de büyük ölçüde arttırmaktadır. Bir ön şarj devresi, ana kontaktörlerin kapanmasına izin verilmeden önce gerilim seviyesi kaynak gerilimine çok yakın olana kadar akımın kontrollü bir şekilde akmasına izin verir.

Endüstriyel güç kaynakları ya da şebeke güç dağıtım gibi bazı uygulamalarda ön şarj devresinin kullanımı nadirdir. Hibrit ya da EV elektrikli araç uygulamaları gibi uygulamalarda ise araç her çalıştırıldığında ön şarj devresi kullanılmaktadır.

Preşarj Ne İçin Gerekmektedir?

Yapışık kontaklar, kontaktörlerdeki bilinen en yaygın arızalardan biridir. Ayrıca bu yaygın hatanın birkaç sebebi ise şu şekildedir:

  •  Kapalı bir kontaktör üzerinde kısa devre olması sonucu binlerce amperin kontak bağlantı uçlarından geçerek yüksek sıcaklık üretmesi ile kontaklarda yapışma durumu meydana gelmektedir. Ayrıca bu tip bir arıza durumu çok yaygın olmamakla birlikte kullanıcı tarafından kolayca fark edilememektedir. Örneğin, bir kısa devre genellikle sigortanın atması ile giderilmektedir ve buna batarya terminallerindeki fark edilmesi zor bir anahtarlama eşlik etmektedir.
  • Yüksek şok veya titreşim gibi durumlar da kontak yapışmasına sebep olabilmektedir. Uygulanan şok, üzerinden akım geçen kontakları sarsarak açıp devamında ise yeniden kapanmasına neden olabilmektedir. Bu açılma anında oluşan ark ise terminallerin erimesine sebep olmaktadır. Kontaktör yeniden kapandığında veya eriyen terminaller soğuduğunda ise kontak yapışması gözlemlenmektedir. Şok veya titreşim sonucu kontak yapışması durumu çok yaygın olmasa da dikkat edilmesi gereken bir konudur.
  • Şu ana kadar kontak yapışmasının bilinen en yaygın sebebi ani akımlardır. Ön şarj devresinin eksikliği, ön şarj devresinin düzgün bir şekilde tasarlanmaması ya da herhangi bir şekilde uygunsuz kullanımı kontak yapışmasına sebebiyet verebilir. Sonuç olarak kontaklar kapanacak fakat yeniden açılamayacaktır. Bu kontak yapışması durumunun sebebi bazen gözden kaçabilmekte ya da bu durumun sebebi anlaşılamamaktadır.

Sonuç olarak müşteriler tarafından kontaktörün yapıştığı ve açılamadığı belirtilmektedir. Ancak sorun kontakların kapandığı anda yapışmasıdır.

Precharge/Preşarj Devresinin Sağladığı Avantajlar Nelerdir?

Kontak yapışmasını önlemenin yanında, preşarjlama arızalı devreleri, sistem hatalarını ya da diğer elektrik arızalarını belirlemekte oldukça yardımcı olmaktadır. Örneğin, preşarjı yumuşak yolvericilere entegre etmek işe yaramayacaktır çünkü sistem, artan değil azalan gerilimi tespit edecektir. Bundan dolayı da preşarjı otomatik olarak sonlandırarak tepki verecektir. Hard short durumunda ise ön şarj direnci, akımı sınırlayacak ve böylelikle sigorta kaçak akımı giderirken sistemin maruz kaldığı hasarı minimal düzeye indirecektir. Arıza indikatörü ya da alarm kodu, teknisyeni ya da operatörü uyarmak için kullanılmaktadır. Böylelikle teknisyen ya da operatör daha geniş araştırmalar yapabilmektedir. Bazı durumlarda ani akım devre kesicinin kesme yapacağı ya da bir sigortanın atacağı kadar yeterli değerde olabilmektedir. Ön şarj devresi ise belirli koruma elemanlarında istenmeyen açmalara karşı koruma sağlamaktadır.

Ön Şarj Devresine Ne Zaman İhtiyaç Duyulmaktadır?

Sistemde aşağıdaki durumlardan birinin gerçekleşmesi halinde bir ön şarj devresinin kullanılması gerekmektedir:

  • Ana kontaktörlerin aşağı akım yükünde veya ani akım sonucu zarar gören devre elemanları bulunuyorsa
  • Ana sigortanın veya devre kesicinin ani akımı taşıması istendiğinde kesme yapacağı zaman
  • Ani akım ana kontaktörlere zarar verip kontak yapışmasına sebep olduğunda
  • Batarya hücrelerinin nominal akım değeri ani akımı karşılayamadığında

Preşarj Devresi

Hesaplama (Preşarj)

Hesaplamaya ulaşmak için buraya tıklayabilirsiniz. Kullanılan değerlerin tanımları aşağıda yer almaktadır.

Formülde Kullanılan Değerler ve Tanımları

Euler Sabitie2.71828Sayısal sabit
Batarya VoltajıVbSistem/Batarya Voltajı (DC)
Geçen ZamantPreşarjın başlamasından bu yana geçen zaman
Gereken Preşarj Süresi (MAX)Tmax​Sistemi istenen şarj seviyesine getirmek için kabul edilebilir maksimum süre.
Gereken Preşarj Yüzdesi (%)qAna kontaktörler kapanmadan önce sistem kapasitansının gereken şarj yüzdesi
Sistem KapasitansıCSistem kapasitansı / preşarj için gereken yük
Gereken zaman sabiti sayısınn=−ln∣1−q∣Yük kapasitansını istenilen yüzdeye reşarjlamak için gereken zaman sabiti sayısı
Maksimum Preşarj DirenciR1,max​R1,max​=​Tmax/nCYük kapasitansını istenilen sürede istenilen seviyeye kadar şarj edecek maksimum preşarj direnci. Kullanılan esas preşarj direnci bundan daha az olabilir, bu da daha hızlı preşarja ve ayrıca direnç üzerinden daha yüksek güçkaybına neden olur.
Seçilen Direnç DeğeriR1​Seçilen preşarj direnç değeri. Hesaplanan maksimum direnç, formüldeki kutuyu işaretleyerek bunun için kullanılabilir, ancak piyasada kolayca bulunabilen dirençleri veya daha hızlı ön şarjı (preşarjı) denemek için başka herhangi bir değer de kullanılabilir.
Ana Devredeki Toplam Seri DirençR2​Ana devredeki yüklerin (iletkenler, anahtarların ve konektörlerin kontak dirençleri vs) toplam direnci. Bu, aşağıdakilerin takip edilmesiyle belirlenebilir:
Sisteminiz tamamen kurulmuş ve bağlanmışsa, ana kontaktörün pozitif kısmı (K2) açık bir durumdadır. Ana kontaktörün negatif kısmı (K1) ve preşarj kontaktörü (K3) ise kapalı bir konumdadır. Ana kontaktörün pozitif kısmındaki (K2) güç terminallerindeki direnci ölçmek için bir ohmmetre kullanınız.
Zaman Sabitiττ=R1​CRC devresi (Direnç- kapasitör devresi) için zaman sabiti. Bu zaman sabiti, kapasitörün %63,2 SOC’ye şarj edilmesi için gereken süredir.Beş zamanlı sabitler, bir kondansatörü tamamen şarj etmek için iyi bir temel kuraldır. Budeğerlerden daha azı ana kontaktörlerde yapışma riskine sebep olabilir. Bu, preşarj giriş süresini değiştirerek ayarlanabilmektedir. ‘T_{max}’.
Gerçek Preşarj SüresiTT=nR1​CSistemin istenilen seviyede preşarj edilmesi için gereken gerçek zaman seçilen direncin değeriyle belirlenmektedir. Eğer R1max kullanılırsa, bu zaman istenilen preşarj giriş zamanına eşit olacaktır.
Preşarj Devresi Ani Akım SabitiI(0)​I(t)=Vb/R1e-t/R1C
t=0 anında;
I(0)=Vb/R1		   t=0’daki maksimum akım, preşarj kontaktörü kapandığında gerçekleşmektedir. Bu, preşarj kontaktörünün yük altında kapanma kapasitesini kontrol etmek için oldukça önemlidir. Preşarj kontaktörünün, sistem her ön şarj edildiğinde bu akıma kapanması gerekecektir.
Kondansatör GerilimiVc​(t)Vc​(t)=Vb(1-e-t/R1C)Preşarj başladıktan sonra ‘t’ anında yük kapasitansı boyunca geçen gerilim değeri. Bu değer, kapasitans şarj edildikçe artar.
Preşarj Direnci Tarafından Dağıtılan EnerjiE(T)E(t)=CVb2/2(1-e-2t/R1C)
t=T anında;
E(∞)=CVb2/2		 Preşarjlama anında preşarj direncinin dağıtacağı birikmiş enerji miktarı. Eğer preşarj zamanı çok yüksek ise (zaman sabitinin >5 katı kadar), bu CVb2 /2 değerine yani sistem tamamen şarj edildiğinde kondansatörde depolanan toplam enerjiye eşittir.
GüçP(t)P(t)=I(t)2R1​Preşarjlama başladığında direnç üzerinden “t” anında dağıtılan güç miktarı.
Ortalama Güç Pavg​Pavg=E(T)/TPreşarj direncinin gerçek preşarj süresine bölünmesinden elde edilen toplam dağıtılan enerji miktarı. Preşarj direnci seçiminde “T” zamanı için “Pavg “ değerini karşılayabilmesine dikkat edilmelidir.
Maksimum GüçPp​Pp​=I(0)2R1​Preşarj direncinin göreceği maksimum ani güç değeri. Bu, preşarj kontaktörü kapandığında ani olarak gerçekleşir. Preşarj direnci seçiminde, direncin çok kısa süreler için “<<T” “Pp “ değerini karşılabilmesine dikkat edilmelidir.
Preşarjdan Sonraki Delta Voltajı DeğeriVd​(T)Vd​(T)=Vb​−Vc​(t)
Vd​(T)=Vbe-t/R1C
t=T anında		Preşarj sonrasında ana kontaktör boyunca kalan gerilim düşümü değeri. Bu, ana devredeki seri dirençle birlikte kapatıldığında ana kontaktörden geçen ani akımı belirleyecektir.
Preşarj Sonrası Ana Kontaktördeki Ani AkımIm​Im=Vd​(T)/R2Preşarj tamamlandıktan sonra, bu, ana kontaktörün kapatıldığında maruz kalacağı ani akımdır.

GIGAVAC DC kontaktörleri ürünlerimizi incelemek için burayı tıklayabilirsiniz. EV elektrikli araç uygulamalarında kullanıcıya çeşitli avantajlar sunacak akıllı kontaktör serilerine EV GigaFuse ürününe ise buradan ulaşabilirsiniz.