تكتسب السيارات الكهربائية مساحة أكبر وأكثر في سوق السيارات ، بينما يستمر الطلب على الطاقة واستهلاكها في جميع أنحاء العالم في النمو. يتناسب الانتشار السريع للسيارات الكهربائية بشكل مباشر مع النمو في الطلب على إلكترونيات الطاقة ، مدفوعًا بشكل أساسي بشواحن على متنها (OBCs) ، ووحدات طاقة ، ومحولات ، ومحولات DC / DC ، وأشباه موصلات طاقة السيارات ذات فجوة الحزمة العريضة (WBG) (كربيد السيليكون ونتريد الغاليوم).
تتوقع تحليلات سوق السيارات الكهربائية معدل نمو سنوي مركب بنسبة 25٪ على مستوى العالم خلال السنوات القليلة المقبلة. يتمثل أحد الشركاء الآخرين لثورة الطاقة في هندسة السيارات في تقليل المكونات والأجزاء المتحركة لأنظمة الدفع الكهربائية مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي. يتركز اهتمام المصممين اليوم في المقام الأول على مجموعة الدفع لضمان الكفاءة العالية لدورة القيادة. وبهذا المعنى ، فإن إلكترونيات الطاقة والبطاريات ومحركات الجر WBG ستقدم بلا شك مساهمة مهمة في تطوير الكهربة.
النقاط الرئيسية في إلكترونيات الطاقة لكهربة المركبات
يعكس السياق الحالي لكهربة المركبات مجالًا مهمًا للتقدم والإمكانات طويلة الأجل لإلكترونيات الطاقة. على أساس التقنيات الناشئة لإلكترونيات الطاقة الكهربائية ، توجد مواد شبه موصلة مبتكرة وحزم متطورة جديدة وإدارة حرارية محسّنة. إذا سيطرت الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة بالسيليكون (IGBT) على نطاق الأجهزة ذات الطاقة المتوسطة والعالية لمدة 20 عامًا تقريبًا ، بما في ذلك إلكترونيات الطاقة الكهربائية ، فإن هذه الحلول تفسح المجال اليوم لجيل جديد من مواد WBG المبتكرة: SiC و GaN .
في الوقت نفسه ، يتجه البحث التكنولوجي نحو مواد جديدة للتغليف بالإضافة إلى كثافة طاقة أعلى ووحدات نمطية أصغر بشكل متزايد قادرة على العمل في درجات حرارة أعلى. كل هذا سيكون له تأثير كبير على تصميم أجهزة الطاقة الجديدة لتطبيقات الكهرباء.
يتزايد الاعتماد الواسع النطاق لـ SiC MOSFETs بسرعة ، مع اختلاف الجداول الزمنية للتبني حسب نوع الجهاز الفردي. تعمل كل من محولات OBCs و DC / DC بقدرات تشغيل أقل بكثير من المحولات. ومع ذلك ، تقدم أشباه الموصلات WBG أيضًا العديد من المزايا في هذا النوع من الأجهزة: فهي تزيد من كثافة الطاقة الإجمالية ، وتضمن كفاءة أكبر وتؤدي إلى شحن أسرع للبطارية من OBC. يضاف إلى ذلك انخفاض فقدان الطاقة عند إعادة شحن البطارية ذات الجهد المنخفض عبر المحول ، مما يؤدي إلى زيادة الاستقلالية.
هناك جانب آخر يقدم فيه البحث مساهمة كبيرة وهو دراسة المواد المبتكرة للحزم وتحسين الإدارة الحرارية من خلال تقنيات تبريد إلكترونيات الطاقة والمبددات الحرارية المتكاملة. تم تصميم أحدث جيل من الحزم المدمجة ذات الكفاءة العالية للتعامل مع كثافة طاقة أعلى بكثير ودرجات حرارة تشغيل.
تكنولوجيا الجهد العالي
تعد الابتكارات في تقنيات الجهد العالي أساسية لضمان مستقبل أكثر استدامة ، لأنها تمكن المصممين من تطوير حلول أكثر كفاءة تجعل كهربة المركبات من الجيل التالي وتطبيقات الطاقة المتجددة في متناول الجميع ، مما يساهم في إزالة الحواجز التي تحول دون الاعتماد. تزداد أهمية إدارة الطاقة مع زيادة الاستهلاك العالمي للطاقة ، مما يعني الحاجة إلى تحسين استخدام الطاقة بشكل مسؤول. هذا هو السبب في أن الابتكارات في تقنيات الجهد العالي مهمة للغاية لاستدامة الطاقة والتطور التكنولوجي. هذا أيضًا له علاقة كبيرة بأداء المركبات الكهربائية. في الواقع ، مع زيادة متطلبات الطاقة التي أصبحت أكثر صرامة ، يجب أيضًا زيادة الفولتية بشكل متوازٍ لتقليل فقد الطاقة بسبب الحرارة.
لنفكر ، على سبيل المثال ، في مقدار شحن البطارية المطلوب للسماح بتسريع EV. عادةً ما يتطلب نقل الطاقة من البطارية إلى عاكس الجر في السيارة الكهربائية جهدًا أعلى لضمان زيادة الكفاءة. تمثل أنظمة الجهد العالي لتصميم السيارات اليوم طريقة أكثر فاعلية لتخزين وتوزيع الطاقة من أنظمة الجهد المنخفض من خلال خطوط النقل والكابلات والأسلاك تحت أنواع مختلفة من الأحمال.
من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون تصميم هذه الأنظمة أيضًا مكلفًا ومعقدًا للغاية. من خلال تقنيات الاستشعار والمراقبة لأنظمة الجهد العالي ، فهي تساعد المهندسين على قياس الجهد بدقة مع تحسين السلامة والموثوقية وتمكين المصممين من تقليل التكاليف وتقليل هوامش التصميم باستخدام مفاتيح الطاقة إلى السعة الكاملة. تتيح تقنيات التحكم في الوقت الحقيقي بزمن وصول منخفض تحكمًا موثوقًا وآمنًا لأنواع إمداد الطاقة المعقدة باستخدام مفاتيح GaN أو IGBT ، مما يزيد من قوة الأنظمة عالية الجهد وكثافتها.
مع انتشار الكهرباء على مستوى العالم ، أصبحت أكثر شيوعًا ويمكن الوصول إليها ، يتفاعل المزيد والمزيد من المستخدمين حول العالم مع أنظمة الجهد العالي كل يوم. تعمل المركبات الكهربائية على حزم بطاريات 400 أو 800 فولت وتستخدم تصميمات عالية الجهد تعمل على تحسين أوقات الشحن بشكل كبير وتوسيع نطاق القيادة. توفر أنظمة الجهد العالي كفاءة طاقة متزايدة ليس فقط في المركبات الكهربائية ولكن أيضًا في مجموعة واسعة من التطبيقات الوظيفية ، مثل الأجهزة المنزلية ومحولات طاقة التيار المتردد / التيار المستمر وأنظمة الاتصالات. تعتبر مواد WBG مثل GaN و SiC هي الحل الأمثل لتحويل الطاقة بكفاءة. في الواقع ، إنها تقلل من فقد الطاقة وتزيد من الكفاءة في أنظمة الجهد العالي ، مع تقليل خسائر التبديل وتردد تحويل أعلى. تؤدي زيادة درجات حرارة التشغيل إلى تقليل وزن وحجم وتكلفة وتعقيد أنظمة الإدارة الحرارية.
مثال على التطبيق هو محركات البوابة المعزولة التي تتزاوج مع مفاتيح SiC داخل EV OBCs ومحولات الجر ، بهدف زيادة الكفاءة وتقليل الوزن الإجمالي ولكن أيضًا حجم النظام وإهدار الطاقة في نظام القيادة. تساعد مواد أشباه الموصلات في توفير الطاقة وتبسيط تصميم تطبيقات الجهد العالي للمركبات الكهربائية. بالنسبة للمصممين ، فإن إحدى المعلمات الرئيسية في تصميم أنظمة جديدة موفرة للطاقة هي بالتأكيد كثافة الطاقة. تشير معلمة التصميم هذه إلى إمكانية تعبئة سعة أكبر لتوصيل الطاقة بأحجام أصغر بكثير. سمحت التطورات في تكنولوجيا أشباه موصلات الطاقة للمهندسين بتحقيق أداء أفضل مع طاقة أقل ، وذلك ببساطة عن طريق استخدام مواد متقدمة مثل GaN لتقليل حجم المحث ، مما أدى إلى تحسين كفاءة وموثوقية الأجهزة الإلكترونية.
التحديات التكنولوجية المستقبلية
قاد التقدم التكنولوجي لإلكترونيات الطاقة أداء أجهزة أشباه موصلات الطاقة إلى ما وراء الحدود النظرية للسيليكون. أصبحت SiC و GaN ، إلى جانب مواد WBG الأخرى ، محور جهود البحث والتطوير لأشباه موصلات الطاقة لتحسين التصميم من حيث الوزن والحجم والكفاءة والأداء والتكلفة الإجمالية للنظام الفرعي الإلكتروني.
يعتبر SiC عمومًا مادة أشباه الموصلات ذات الخصائص الواعدة لتحل محل السيليكون في الأنظمة الإلكترونية المستقبلية. يمر التطور في كهربة السيارات الكهربائية حتماً من خلال تطوير أنظمة إلكترونيات طاقة السيارات القادرة على تحسين الكفاءة وتقليل فقد الطاقة. تعد إلكترونيات الطاقة نوعًا من إلكترونيات الحالة الصلبة لتحويل الطاقة والتحكم فيها. الاتجاه الحالي لصناعة السيارات مدفوع بالانتقال من السيليكون IGBTs إلى SiC MOSFETs ، والتي تستمر سلسلة التوريد الخاصة بها في النمو بشكل كبير من خلال توسيع قدرتها الإنتاجية لمواكبة الطلب المتزايد.
بالنسبة إلى OBCs ، فإن الاتجاه الرئيسي هو نحو تشغيل طاقة أعلى من 6 إلى 10 كيلو واط ، مدفوعًا بزيادة سعة البطارية والطلب على شحن أسرع. تعمل كفاءة الطاقة المحسّنة على تحسين نطاق السيارة دون التأثير على سعة البطارية. تشهد إلكترونيات طاقة السيارات اليوم صعودًا لـ IGBTs من السيليكون ، ولكن هناك انتقال إلى جيل جديد من أجهزة أشباه الموصلات و MOSFETs وترانزستورات الحركة الإلكترونية العالية (HEMTs). تمثل أشباه الموصلات WBG تغييرًا جذريًا ، لأنها تجعل الأجهزة الإلكترونية للطاقة أكثر كفاءة وبكثافة طاقة عالية ولكنها أيضًا قادرة على العمل في درجات حرارة تشغيل أعلى. على مستوى التصميم ، تعد هذه فائدة كبيرة للتحسينات على مستوى النظام لتحسين نطاق المركبات الكهربائية وتقليل التكاليف.
تعمل محولات أشباه الموصلات ذات النطاق العريض على تعزيز التشغيل الفعال للجهد العالي في نطاق 800 إلى 1000 فولت ، مما يوفر العديد من مزايا الشحن السريع. نقطة واحدة يجب ملاحظتها هي أن تطبيقات السيارات حساسة للغاية لتكاليف المكونات ، على عكس الصناعات الأخرى. يركز البحث نحو نماذج تصميم جديدة للمركبات الكهربائية بشكل خاص على التغلب على الحواجز التقنية والاقتصادية لتقنية SiC و GaN ، من أجل الاعتماد الكامل في المستقبل القريب وللتسويق على نطاق واسع.
مراجع
1جير ، إل ، وإدموندسون ، ج. (فبراير 2023). “إلكترونيات القوى للمركبات الكهربائية 2023-2033”. بحوث IDTechEx.
2Shen، Z.، & Omura، I (أبريل 2007). “أجهزة أشباه موصلات الطاقة للمركبات الهجينة والكهربائية وخلايا الوقود.” وقائع IEEE ، المجلد. 95 ، رقم 4 ، ص 778-789.
