Elektrikli Araçlarda Kablosuz Güç Transferi Sistem Tasarımı ve Elektromanyetik Alan Maruziyetinin Değerlendirilmesi

Elektrik, günümüzde birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Aydınlatma, elektronik, tarım ve motorlu sistemler gibi alanlarda tercih edilen elektrik, son zamanlarda ulaşımı sağlayan araçlarda da kullanılmaya başlanmıştır. Bazı büyük otomobil firmaları da bu alana öncülük etmiş, elektrikli araç sektörünün gelişmesi için çalışmalar geliştirmiştir. Elektrikli araç sektörü ilerledikçe, buna bağlı olarak yeni alanlar da ortaya çıkmıştır (Pashaei ve ark., 2016). Batarya teknolojisinde bu alana yönelik çalışmalar yapılması da bu durumu doğrulamaktadır. Kablolu şarjların yanı sıra kablosuz şarj çalışmaları da elektrikli araç sektöründe hız kazanmaya başlamıştır (Fincan, 2015). Elektrikli araçlarda kablosuz şarj, temelde KGT sistemine dayanmaktadır. KGT’de araştırmacılar tarafından incelenen birçok farklı yöntem bulunmaktadır (Tel ve Kuşdoğan, 2019). Lee ve Lorenz, 3,7 MHz’de 30 cm mesafeden %95 verim oranıyla 200 W değerinde elektriksel gücü kablosuz bir şekilde başarıyla iletmiştir (Lee ve Lorenz, 2011). Çalışmalarında kullandıkları bobin sarımları için dalga boyunu da dikkate almışlardır. Geleneksel çalışmaların aksine geliştirdikleri yöntemle frekans ve direnç değerlerine odaklanıp bobin sarımlarının iç direncini düşürmüşlerdir. Wen ve Huang, KGT’den kaynaklı insan vücuduna maruziyeti, verici bobin konumuna göre incelemiştir (Wen ve Huang, 2017). Sonlu elemanlar analizine göre akciğerlerdeki özgül soğurma oranı (ÖSO) dağılımı, vücudun diğer bölgelerine göre daha fazla elde edilmiştir. De Santis ve arkadaşları, dış kabuğu karbon fiber malzemeden oluşan elektrikli araçlarda KGT sisteminin etkilerini araştırmışlardır (De Santis ve ark., 2018). 7,7 kW çıkış gücünde, 85 kHz ile 150 kHz olmak üzere iki farklı frekansta çalışmalarını gerçekleştirmişlerdir. Bobinler arası yanlış hizalamanın, daha yüksek indüklenmiş alanlar yarattığı bilindiğinden, bu çalışmada bobinler arası merkezden 20 cm dışarıda olacak şekilde kabul edilmiştir. Elde edilen sonuçların, Uluslararası İyonlaştırıcı Olmayan Radyasyondan Korunma Komisyonu (ICNIRP) tarafından belirlenen sınırları hizalanmış durumda 1,3 dB ve hizalanmamış durumda ise 4,8 dB aştığı görülmüştür. Pinto ve arkadaşları, gerçekleştirdikleri çalışmada anatomik model üzerinde iki farklı KGT maruziyet senaryosu düşünmüştür (Pinto ve ark., 2017). Merkezi sinir sisteminde indüklenen elektrik alan değeri en fazla 0,05 V/m olarak bulunmuştur ve bu sonuç limit değerlere uygundur. Kafa üzerinde yapılan ikinci senaryoda ise, maksimum akım yoğunluğu değeri 30 mA/m2 elde edilmiştir ve standartlara uyduğu gözlenmiştir. Elektromanyetik alan maruziyeti konusu, günümüzde birçok araştırmacı ve kuruluş tarafından ele alınmaktadır. ICNIRP tarafından dokuda indüklenen elektrik alan değerleri ve manyetik alan maruziyet limitleri Tablo 1’de belirtilmiştir. Batarya teknolojileri, ülkemizde ve dünyada ele alınan başlıca araştırma konuları arasında bulunmaktadır (Ağçal ve Doğan, 2021). Elektrikli araçlar ve batarya uygulamaları da bu konular arasında gösterilebilir. Literatürde bu konuda kablolu veya kablosuz birçok çalışma olmasına rağmen farklı senaryolardan dolayı ideal bir çözüm sunulamamaktadır (Ağçal ve ark., 2016; Dergham ve ark., 2020). Bu çalışmada, elektrikli araçlar için seri – seri manyetik rezonans kuplaj özelliğine sahip kablosuz şarj sistemi uygulaması ve elektromanyetik maruziyet analizi gerçekleştirilmiştir. 40 kHz çalışma frekansı ve 10,3 V çalışma gerilimine sahip bir devre tasarlanmıştır. Ele alınan manyetik rezonans kuplaj yöntemi, literatürde bulunan diğer KGT uygulamalarına kıyasla daha verimli ve uygulamasının daha kolay olması sebebiyle tercih sebebidir (Fincan, 2015). Bu çalışma kapsamında kullanılan alıcı ve verici bobinler, Ansys HFSS üzerinde simüle edilmiştir. Ayrıca KGT esnasında oluşan elektromanyetik maruziyet, hem teorik hem de deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmanın ilerleyen kısımlarında KGT devresinin teorik altyapısı belirtilmiştir. Ardından bobinlerin tasarımı ve analizi sunulmuştur. Sonrasında simülasyon sonuçları ve deneysel ölçümler belirtilmiştir. Elde edilen sonuçlar, literatürdeki benzer uygulamalarla kıyaslanmıştır