Elektrikli araç şarj sistemleri için kaçak akım sensörü tasarımı ve gerçeklemesi

Abstract

Artan elektrikli araç kullanımı ile şarj istasyonu altyapısı da genişlemektedir, Bununla birlikte DA ve AA şarj istasyonlarının da yaygınlaşması gözlenmektedir. Temelde akım akan tüm iletkenlerin bağlantısını kesen bir röle ve control ve pilot sinyallerinden oluşan AA şarj istasyonları aynı zamanda standartlar gereği bir de kaçak akım sensörü barındırmaktadırlar. Bu kaçak akım sensörleri 30 mA AA, 6 mA DA ve üzeri kaçak akım oluştuğunda şebekenin araçla bağlantısını kesme işlevine sahiptirler. Bu kaçak akımları algılayabilmek için 'flux-gate' tipi sensörler kullanılmaktadır. Bu donanımlar yüksek lineerlik, yüksek hassasiyet ve doğruluk ile ölçüm yapabilmelerine karşın yüksek akım tüketimine de sahiptirler. Bu sensörler doyumlu bir endüktansın toroidal bir manyetik çekirdek üzerine yerleştirilmesi ve bir sinyal işleme devresinden oluşmaktadırlar. Kaçak akım sensörünün en önemli özelliği düşük satürasyon akımı, düşük endüktans ve yüksek geçirgenlik ile küçük hacimli boyuta sahip olmalarıdır. Özellikle nano-kristalin yumuşak çekirdek materyali çok yüksek geçirgenliğe ve düşük güç kaybına sahip olduğu için 'flux-gate' tipi sensörler öne çıkmaktadır. Literatürde ve pazarda farklı tipte algılama devreleri yer almaktadır. Çoğunlukla firmaların kendi çiplerini vee işlemcilerini tasarlaması sebebiyle uygun bir toroid tasarımı ve gelişmiş bir sinyal işleme devresine olan ihtiyaç tespit edilmiştir. Bu sebeple tez kapsamında kendinden osilasyonlu bir devreye, yüksek hassasiyetli ve akımdaki bozulmaları tespit eden bir osilatör devresine sahip bir sensör geliştirilmiştir. Toroid tasarımı ANSYS Maxwell ile geliştirilmiş ve sonlu elemanlar metodu ile analiz edilmiştir. Toroidin B-H eğrisine ve endüktans değerine analiz sonucunda ulaşılmıştır. Sinyal işleme devresi için mikroişlemciye sahip bir osilatör devresi Altium ile tasarlanmıştır. Geliştirilen kaçak akım sensörü elektrikli bir araç üzerinde test edilmiştir. Testler sonucunda 6 mA DA, 30 mA AA kaçak akım uygulanarak geliştirilen sistem doğrulanmıştır.With the increasing use of electric vehicles, the infrastructure of charging stations has also expanded. As a result, it is observed that direct current (DC) and alternative current (AC) charging stations are also becoming widespread. AC charging stations (or equipment), which consist of a relay that disconnects the circuit, and a signal called a control pilot, also contain a residual current sensor (RCD) as per the automotive regulations and standards. These residual current sensors connect the grid from the vehicle when a residual current of 30 mA AC, 6 mA DC using flux gate type sensors. Although this equipment can measure with high linearity, sensitivity, and accuracy, they also have high current consumption. They consist of a saturated inductance placed on a toroidal magnetic core and a signal processing circuit. The most important feature of the residual current sensor is that they have low saturation current, low inductance value, high permeability, and small volume size. Flux gate type sensors come to the fore, especially since the nano-crystalline softcore material has very high permeability and low power loss. Various types of sensing circuits have been seen in the literature and the market. As most companies design their integrated circuits (IC) and microcontrollers (MCU), the need for a suitable toroid design and an advanced signal processing circuit has been identified. For this reason, a sensor with a self-oscillating circuit, high sensitivity, and an oscillator circuit that detects imbalances in the flowing current has been developed within the thesis's scope. In this thesis, the toroid is designed and analyzed using ANSYS Maxwell for appropriate B-H curve and inductance value. An oscillator circuit with a microprocessor is designed and implemented for the signal-processing circuit using Altium. The prototyped sensor has been performed on commercial electric vehicle. As a result of the experimental studies, the developed system is verified for 6 mA DC, 30 mA AC residual current.