Elektrikli araçlar son yıllarda hayatımızın vazgeçilmez unsurlarından biri haline geldi. 2010’dan bu yana motor sürücüleri ve şarj cihazları üzerine çalışan biri olarak, bugün alışageldiğimiz bu araçların dönüşümünü yakından takip etme fırsatı edindim. Başlarda çoğu kişi için bir hayal ve alay konusu olan fikirlerin bugün gerçeğe dönüşmesinde şüphesiz Tesla’nın payı çok büyük. Elektrikli araçların yaygınlaşmasında öncülük eden, bunun için gerektiğinde patentlerini dahi açan Tesla, bugün alışıldık hale gelen pek çok elektrik sisteminin de temellerini attı. Milyonlarca insanın güvenle kullanacağı, otomotiv standardına uygun bir sistem kurmak kolay olmasa da Tesla bunu kendi araçlarında standart haline getirmeyi başardı ve geldiğimiz noktada sektöre yön veren bir marka haline geldi.

Tesla’nın Temelini Attığı Standart
Elektrikli araçlar bataryada depolanmış enerjiyi, elektrik motorları sayesinde harekete çeviren makineler olarak gözükse de bir otomobili genel olarak 9 ana bölümden oluşur. Bunlar;
1) Powertrain – Güç Aktarım Organları
2) Batarya Sistemi
3) Şarj ve Şarj Yönetim Sistemi
4) Isıl Yönetim Sistemi
5) ADAS – Gelişmiş Sürücü Destek Sistemleri
6) Genel Mekanik, Şasi ve Süspansiyon Sistemleri
7) Bilgi-Eğlence ve Bağlantı Sistemleri
8) Araç Kontrol ve Merkezi Sistem Birimi
9) Güvenlik SistemleriYukarıda renklerle ayırmaya çalıştığım her bir bölüm son dönemde çok fazla gelişim göstermiş kendi içerisinde uzmanlık isteyen alanlardan oluşmaktadır. Bu uzmanlık alanlarının başında ise “Donanım ve Güç Elektroniği” gelmektedir. Elektrikli araçların elektronik bakımından en önemli parçası motor sürücü ya da araç bilgisayarı olsa da bunların aksine elektronik yoğunluğun en çok olduğu kısım OBC yani araç üzeri şarj birimidir. OBC birimi, şarj soketi ile birlikte herhangi bir elektrikli aracın dış dünya ile bağlantı kurduğu tek kısım olduğu için hataya açık, güvenlik riski en yüksek parçalarından biridir.Yukarıda, elektrikli bir aracı şarj edebilmek için kullanılan temel sistemleri görebilirsiniz. Bu sistemler arasında en yüksek hız DC şarj ünitelerinde olsa da, fiyat/performans dengesine bakıldığında AC şarj sistemleri öne çıkar. Özellikle dünya genelinde satış yapan bir elektrikli araç için, minimum özelliklerde; 1 faz ve 3 faz destekleyen, 90-265V AC gerilim aralığında çalışan, tek fazda en az 3.3kW, üç fazda ise 11kW şarj kapasitesi sunabilmek bir standart haline gelmiştir. İşte bu gereksinimleri karşılamak için Tesla ve diğer üreticiler, farklı mimarilerde OBC tasarımları geliştirmiştir.

Milyonlarca adet üretilecek bir ürün için hem güvenilir, hem maliyet etkin hem de uzun ömürlü bir tasarım yapmak, malzeme ve donanım mühendisliği açısından önemli zorluklar barındırır. Bu nedenle OBC tasarımları, güç elektroniği mühendisleri için her zaman en güncel teknolojilerin kullanıldığı, sektörün sınırlarının zorlandığı bir alan olmuştur. Biz de bu bölümde Tesla’nın geliştirdiği üç farklı OBC tasarımını inceleyerek, bu teknolojilerin nasıl evrildiğini ve geliştikçe hangi çözümlerin tercih edildiğini anlamaya çalışacağız.

1) Tesla Model S/X GEN2 Charger
Tesla’nın kendi tasarımı olan GEN2 Charger serisi, 2016 ile 2021 yılları arasında Model S ve Model X araçlarında kullanıldı. Çıkış yılı göz önüne alındığında, bu tasarımda yarı iletken olarak SiC elemanların kullanılması olağan gözükse de o dönem için otomotivde bunu görmek şaşırtıcı sayılır. (buradan detayını okuyabilirsiniz) Cihaz giriş gerilim ve frekansı olarak Tesla, 85-300Vrms ve 45-65Hz aralığını vermiştir. Bu aralık oldukça geniş aralığı kapsar ki bu da cihazın dünyanın her ülkesinde çalışabileceği anlamı taşımaktadır. 1 faz ve 3 faz şehir şebekesi ile çalışabilecek cihazın giriş akımı 16Arms ile sınırlıyken çıkış gerilimi 50-430V DC gibi oldukça geniş bir alanı kapsar. Çıkış akımı ise 45A DC olarak verilmiştir. 1 fazda 3.3kW ve 3 fazda 10kW verecek şekilde su soğutmalı olarak tasarlanmıştır. Cihazın iç yapısı aşağıda ve yukarıda görülebilir, üzerlerine tıklarsanız büyüyecektir. Cihaz içerisinde 3 ayrı güç katmanı birbirine ile aynı fakat ayrık şekilde durmaktadır. Yukarıda görülebilecek 1 adet kontrol kartı ise bu güç birimleri ile araç VCU’su (Araç Kontrol Birimi) arasındaki köprü görevini görerek OBC’yi kontrol etmektedir. Cihaz bu açıdan bakıldığında toplam 4 karttan oluşmaktadır.Yine fotoğraflardan görebileceğiniz üzere kablo kelepçeleri dikkat çekmektedir. AC giriş direkt şarj soketine gitse de ve DC çıkışlar dışarıda paralel bağlanmaktadır.Yukarıda, Tesla Gen2 OBC için açık kaynaklardan derlediğim topolojik şemayı görebilirsiniz. Şemanın üzerine tıklayarak detaylı incelemenizi öneririm.

Topolojiye baktığımızda, girişte bir köprü diyot yapısı kullanıldığını görüyoruz. Tesla mühendisleri burada klasik köprü diyotlar yerine EMC performansını artırmak amacıyla STM üretimi hızlı diyot tercih etmişler. Hemen ardından 2 adet paralel bağlı PFC boost dönüştürücü karşımıza çıkıyor. Büyük olasılıkla interleaved (kademeli) çalışan bu bölümde güç anahtarları için silikon MOSFET’ler, diyotlar için ise SiC tercih edilmiş. Bu tercih, otomotiv sektöründeki maliyet baskısının ne kadar belirleyici olduğunu bizlere net şekilde gösteriyor. LLC rezonans katında ise transformatörü daha verimli kullanmak adına full bridge topoloji tercih edilmiş ve burada da hızlı anahtarlama ihtiyacından dolayı SiC mosfetler kullanılmış. Çıkış katında yine SiC diyotlarla güç dönüşümü tamamlanmış. Bu tip PFC yapılarının oluşturduğu common-mode parazitleri fazla olduğundan, bunu baskılamak için girişte çift katmanlı EMI filtre tasarlanmış. Çıkışta da klasik olarak EMI katıyla tasarım sonlanmış.

Ancak kartı üretim açısından değerlendirdiğimizde, oldukça zahmetli bir tasarıma sahip olduğu görülüyor. Özellikle çok sayıda elle yerleştirilmesi gereken komponent bulunması üretim sürecini zorlaştırıyor. EMI filtrelerin ve LLC’deki Lr bobininin konumlandırılması da oldukça sıra dışı. Elektrolitik kapasiteler her ne kadar kaliteli bir marka olan Nippon Chemicon seçilmiş olsa da ömürlü bir malzeme olduğu unutulmamalı. Bu haliyle tasarlanan OBC, daha çok standart endüstriyel ya da telekom PSU’larına benzese de tasarlandığı yıllarda elektrikli araçların emekleme çağında olduğu ele alındığında (2013~2016) bunun gayet normal olduğu söylenebilir.

2) Tesla Model Y Charger
Otomotiv sektöründe değişmeyen tek gerçek satış adetleridir. Üretim perspektifinden bakıldığında, adetlerin artması; tasarlanan ürün için daha rekabetçi bileşen fiyatları elde etmeyi mümkün kılar. Öte yandan, yüksek üretim adetleri otomasyon yatırımlarını da anlamlı hale getirir. Her iki unsur da doğrudan ürünün nihai maliyetine etki eder. Tesla’nın ilk nesil OBC tasarımına baktığımızda ise, üretim açısından karmaşık ve zorlayıcı bir yapı olduğu açıkça görülmektedir.

Elektrikli araçların ilk dönemlerinde, geleneksel içten yanmalı araçlardan miras kalan 12V düşük gerilim mimarisi temel alınmıştır. Bu yaklaşım, araç içinde yüksek gerilimden 12V elde etmek için DCDC dönüştürücüler kullanımını zorunlu kılmıştır. İçten yanmalı araçlardaki alternatör yapısını taklit eden bu sistem, 2-3 kW güç seviyelerine ve 200-300A gibi yüksek akımlara kadar çıkmaktadır. Ayrıca bu dönüştürücüler, maliyetli enerji ve data kabloları ile pahalı soketlere ihtiyaç duymaktadır.

Tesla, geliştirdiği yeni nesil OBC mimarisiyle bu iki temel sorunu çözmeyi hedeflemiştir: birincisi, üretim sürecini sadeleştirmek ve maliyeti düşürmek; ikincisi ise DCDC dönüştürücüyü OBC ile entegre ederek hem kablo hem de soket maliyetlerini ortadan kaldırmak.Yukarıda Model Y tipi OBC’nin üstten görünüşü görülebilir. Sağ kısımda 3 faz giriş ve filtre bloğu bulunmaktadır. Buranın yekpare şekilde olması ve ayrı mekanik shield içerisine alınması EMC/EMI açısından faydalı gözükmektedir. Sonrasında ise büyük bir kart üzerinde OBC ile DCDC dönüştürücüler yerleştirilmiş ve tek bir işlemci tarafından kontrolleri sağlanmıştır. İlk tasarımdan esintiler taşıyan bu OBC’de de yine 3 paralel bölüm göze çarpmaktadır. Su ile soğutulan cihazda ise üretimi kolaylaştırmak adına üstten soğutmalı yarıiletkenler seçilmiştir. OBC’nin temel topolojisi ise aşağıda görülebilir, büyütmek için üzerine tıklamanızı öneririm.Topolojiyi incelediğimizde Tesla tasarımcılarının maliyeti ne kadar ön planda tuttuğu görülebilir. PFC kısmında klasik totam pole boost yapısı kullanılsa da düşük frekanslı kısımda tristör kullanıldığını görebilirsiniz. Normalde yarı iletken üreticilerin uygulama notlarında dahi bu kısımda tristör kullanıldığını çok az rastlarız. Her bir bölüm için 3x330uF kapasite kullanılmış ki bu da 1 faz için oldukça yeterli değerler olarak görülebilir. Totem-pole yapılarında DC bara kapasitesi float olduğundan fazlaca common mode gürültü yayılımı yaparlar. Dolayısı ile bu OBC’nin de girişinde 3 katlı filtre görmekteyiz. PFC sonrasında OBC bölümü bir 3 adet paralel LLC katı ile tamamlanmıştır. Tesla’nın bu ürünü oldukça fazla zamandır piyasada olduğu için kullanılan yarı iletkenler gayet iyi bilinmekte hatta tamir kitleri internette satılmaktadır.

Tesla’nın tasarladığı bu OBC’nin en dikkat çeken noktası ise üzerinde dahili DCDC dönüştürücü bulundurmasıdır. DCDC topolojisine baktığımızda ise bir adet LLC dikkatimizi çekmektedir. 200-300A gibi değerlere ulaşan bu dönüştürünün OBC üzerinde oldukça az fiziksel alan kaplaması övgüyü hak eder. İlk tasarıma nazaran bu versiyonda manyetiklerin oldukça özgün tasarım olduğu göze çarpar. Tesla gibi satış hedeflerine ulaşmış bir firma ve bu firmaya ürün sağlayan üreticiler gözünden bakılırsa bu da oldukça normaldir.

3) Tesla Cybertruck PCS2 Charger
Şu ana kadar incelediğimiz OBC tasarımları, dünya genelinde üretilen elektrikli araçların büyük çoğunluğunda standart kabul edilen topolojiler üzerine kuruludur. Ancak bu yaygın tasarımların, çözülmesi gereken bazı temel problemleri de bulunmaktadır. Bunlardan ilki, zorunlu olarak kullanılan PFC DC barası kapasitörleriyle ilgilidir. Bir faz ve üç faz şarj desteği sunan OBC’lerde, yüksek enerji sığasına ihtiyaç duyulduğundan bu kısımda genellikle elektrolitik kapasitörler tercih edilir. Ancak bu tip kapasitörler; sıcaklık, titreşim ve yaşlanma gibi dış etkenlere oldukça duyarlıdır. Hesaplanan MTBF (Ortalama Arıza Öncesi Süre) değerleri uzun görünse de, zorlu çevresel koşullar ve otomotiv dünyasında kaçınılmaz olan titreşim nedeniyle bu kapasitörlerin zamanla değiştirilmesi gerekebilir.

İkinci önemli sorun ise maliyet tarafında ortaya çıkar. OBC tasarımlarında manyetik bileşenler (bobinler, trafolar, filtreler) en yüksek maliyet kalemlerinden biridir. Yüksek güç seviyeleri gerektiren bu tasarımlarda kullanılan sargılı bileşenler, genellikle dar toleranslarda üretilemez. Özellikle yumuşak anahtarlama kullanılan OBC yapılarında, common ve differential mode filtre bobinleri ile rezonant trafoların toleransları sıkı tutulmak zorunda olduğundan bu durum maliyetleri ciddi şekilde artırır.

Daha önce de belirttiğimiz gibi, otomotiv sektöründe maliyet optimizasyonu en kritik unsurdur. Özellikle pandemi döneminde yaşanan silisyum krizi nedeniyle, o dönemde birçok tasarım aktif elemanları azaltıp işi pasiflere yükleyen topolojilere yönelmişti. Ancak pandemi sonrası SiC (Silisyum Karbür) gibi gelişmiş yarı iletkenlerin fiyatlarının düşmeye başlamasıyla birlikte, Tesla bu alanda ezber bozan bir tasarımla öne çıktı: PCS2 Charger.

Bu tasarım, Tesla’yı OBC alanında, benim düşünceme göre, adeta “kral” konumuna getirdi.
Yukarıda fotoğrafını görebileceğini (tıklarsanız daha detaylı görebilirsiniz) Tesla’nın geliştirmiş olduğu yeni OBC, elektrikli araçların geleceği olarak kabul edilen 800V mimarisi için tasarlanmıştır. Girişinde 1-3 faz kabul eden gerilimleri kabul eden 11kW gücündeki OBC, ayrıca içerisinde 48V çıkışa sahip devrimsel DCDC dönüştürücünü de barındırmaktadır. Daha önceki bölümde DCDC dönüştürücülerin 2-3kW güçlerinde olması gerektiğinden bu yüzden de çıkış akımının 200-300A gibi değerlere ulaştığından bahsetmiştik. Bu da kablo ve soket maliyetlerini artırırken, OBC içerisinde sıcaklık problemi de oluşturmaktadır. Tesla gerilim seviyesini 4 kat artırarak kendine yeni bir standart oluşturarak maliyetleri oldukça optimize etmiştir.Tek PCB üzerine tasarlanan OBC’deki tüm manyetik bileşenlerin ‘planar’ yapıda olduğu dikkat çeker. Öyle ki common mode filtreler dahi “flat wire” sarılarak parazitik kapasiteler azaltılmaya çalışılmıştır. Tasarlanan OBC’deki en büyük yenilik ise seçilen topoloji gereği herhangi bir DC bara kapasitesinin olmamasıdır. Böylelikle OBC’nin çok daha uzun ömürlü olması hedeflenmiştir. Cihazın topolojisini incelediğimizde ise karşımıza aşağıdaki yapı çıkar. Şemanın üzerine tıklayıp büyük halini görebilirsiniz.Seçilen topolojiyi incelediğimizde 50’den fazla anahtar kullanılmasıyla cihazın silikon, özellikle de SiC üzerine kurulduğunu söylemek doğru olur. Topolojiye dikkatlice bakıldığında Tesla’nın OBC’yi iki paralel ‘matrix converter’ üzerine oturttuğu görülür. Matrix dönüştürücüler, kontrolleri oldukça karmaşık fakat AC->DC dönüşümünde herhangi bir DC baraya ihtiyacı olmayan topolojilerdendir. Anahtarlamalarında “ideal anahtar” istediğinden tasarımda bolca “back-to-back” mosfet grubu görürüz. Batarya çıkışının 800V olmasından dolayı DCDC dönüştürücünün girişinde multilevel anahtar yapısı kullanılmıştır. 2 adet paralel olacak şekilde tasarlanan DCDC dönüştürücü, yine planar olarak tasarlanmıştır.

Bu haliyle bakıldığında şu ana kadar gördüğüm en iyi OBC tasarımı unvanını rahatlıkla Tesla’nın PCS2 Charger adlı tasarımı alıyor. Yapı bilinen topolojilerden olduğundan ve herhangi bir patent sorunu yaşanmayacağından yakında Çinli üreticilerden de benzerini görmemiz sürpriz olmayacaktır.

Bitirirken: Elektrikli Araçlar ve OBC Hakkında
Bu yazıda dünyada elektrikli aracı popüler hale getiren, geliştirdiği teknolojilerle rakiplerini de sürükleyen Tesla’nın OBC tasarımlarını incelemeye çalıştık. Elektrikli araçlar her ne kadar performanslı ve teknolojik aletler olsalar da çevreci yapıları ile de bir çok kişinin tercihi olmaktadır. Yalnız bir güç elektronikçi olarak OBC ve motor sürücüler her ne kadar ilgimi çekse de maalesef ben, haftada 1-2 kez kullanılacak OBC gibi bir cihazın sürekli aracın üzerinde olmasından rahatsızlık duyanlardanım. Özellikle araç maliyetine etkisi, otomotiv standartlarında tasarlanmak zorunda oluşu, sürekli titreşime ve sıcaklığa maruz kalması bunun yanında dış dünyadaki elektrik hattının merhametine bağlı olması beni bu düşünceye iten ana etmenlerden olmuştur. Özellikle bir evde 2-3 elektrikli araç varsa, her birinde OBC bulunması fiyat/performans açısından verimsiz hale gelmektedir. Bunun yerine endüstriyel tarzda tasarlanmış düşük güçlü DC şarj cihazları kullanılabilir. Bu hem arızalandığında kişinin aracını hareketsiz bırakmaz, hem 2-3 araç olduğunda daha verimli bir kullanım olur hem de araç maliyetlerini düşüreceğinden elektrikli araçların daha da yaygınlaşmasına katkı sağlayabilir. ABB gibi bir çok firma bu konuda ürünler sunmaktadır. Dolayısı ile benim gibi kişiler için de OBC’siz elektrikli araç alabilmenin önü üreticilerce açılmalıdır.Bir elektrikli aracı evinizdeki AC hat ile şarj edebilmeniz için zorunlu olarak EVSE kullanmanız gerekmektedir. Yalnız üzülerek söylemeliyim ki 2025 için EVSE fiyatları oldukça uçuktur ve çoğu kullanıcı bu cihazların asıl şarj cihazı olduğunu sandığından fiyatlarını normal karşılar. Oysa EVSE’ler şarj işlemi gerçekleşecek AC hattan ne kadar akım çekilebileceğini OBC’ye söylerken bunun yanında kaçak akım gibi elektriksel korumaları da sağlarlar. Sadece bu işlemi yapan, yukarıda elektronik kartını göreceğiniz EVSE’lerin fiyatlarını araştırırsanız gördüklerinize inanamayabilirsiniz; adeta hücumda en çok parayı kazma kürek satanların kazanması gibi. EVSE’lerin elektrikli araç ile haberleşme tarafına gelince, protokolü inceleyen biri olarak şunu rahatlıkla söyleyebilirim ki; kim bu protokolü yazdıysa, gerçekten teknolojiyle fena halde kavgalıymış. 2025’te bluetooth, Wi-Fi, 5G, IoT konuşulurken şebeke toprağına güvenen, 1970’lerden kalma metotla çalışan bu “sözde akıllı” protokollerin hâlâ elektrikli araç sektöründe kullanılıyor olması üzücü değil adeta komik.

Yazımın sonuna gelirken, bir zamanlar elektrikli araç sektöründe çalışmış biri olarak, “iyi ya da kötü” hiç bir “Türk” üreticinin elektrikli araçları hakkında yorum yapmayacağımı bildirmek isterim.
Geri kalan tüm sorularınızı yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese iyi çalışmalar dilerim!

Kaynaklar:
https://x.com/YamamotoPELab/status/1451378294985658376