في منتدى Fortronic للإلكترونيات الأخير ، كانت الكهرباء والطاقة المتجددة من بين الموضوعات التي تم التركيز عليها. هذا المقال يسلط الضوء على اثنين من العروض [1,2] بواسطة Andreas Mangler ، مدير التسويق الاستراتيجي في Rutronik Electronics Worldwide ، بخصوص الابتكارات في أنظمة تخزين البطاريات.
نظام تخزين الطاقة الهجين
بينما ينتقل العالم إلى مستقبل أكثر خضرة مع اعتماد أكبر على السيارات الكهربائية ، فإن بعض التحديات الرئيسية لزيادة التبني تشمل:
- زيادة نطاق المركبات الكهربائية مع الحفاظ على أصغر تكلفة ممكنة ووزنها وحجمها. تتضمن طرق تحقيق ذلك استخدامًا أكبر لإلكترونيات الطاقة ذات فجوة الحزمة العريضة الأكثر كفاءة في تحويل الطاقة ، فضلاً عن التحسينات في تكنولوجيا البطاريات لتحقيق كثافة طاقة أكبر.
- القدرة على الشحن السريع. يتضمن ذلك زيادة جهد البطارية وكثافة الطاقة لمحطات الشحن والإلكترونيات الموجودة على متن الطائرة.
- إنشاء حلول أكثر كفاءة وأرخص للمركبات الحضرية ذات المدى المنخفض. هنا ، ينصب التركيز على تعظيم الكفاءة والأداء في أصغر وزن وحجم ممكنين.
في السيارات التي تعمل بالبنزين والمركبات الكهربائية ، يمكن تقسيم الطاقة المطلوبة لقيادة السيارة إلى مكونين مختلفين. يتطلب تسريع السيارة وبدء تشغيلها عادةً طاقة عالية لمدة قصيرة ، على سبيل المثال ، لتشغيل محرك بدء التشغيل. يتطلب هذا كثافة طاقة عالية (W / kg). يتطلب الانطلاق بسرعات متوسطة كميات صغيرة من الطاقة لفترات أطول ، وبالتالي يحتاج إلى كثافة طاقة عالية (Wh / kg). يمكن للمركبات الكهربائية أن تستخدم نوعين من أجهزة تخزين الطاقة: البطاريات والمكثفات الفائقة ، كما هو موضح في الشكل 1.
المكثفات الفائقة ، التي تم تسويقها عمليًا لأول مرة في أواخر السبعينيات من القرن الماضي للحصول على طاقة احتياطية ، تعتمد عادةً على مجال كهربائي مزدوج تم إنشاؤه في واجهة الكربون المنشط ، والأقطاب الكهربائية في منطقة السطح العالية ومكان الإلكتروليت بينهما ، مثل حمض الكبريتيك.3 يمكن إنتاج مكثفات عالية الكثافة بقيم تصل إلى 1 درجة فهرنهايت ، مع مزايا كثافة الطاقة في نطاق 1000 – 10000 واط / كجم ، بالإضافة إلى أوقات الشحن والتفريغ السريعة ، مقارنة بالبطاريات. ومن ثم ، فهي مناسبة بشكل مثالي لدعم متطلبات ذروة القيادة من المركبات الكهربائية.
يوضح الشكل 2 متوسط عملية الشحن / التفريغ للسكوتر الإلكتروني أثناء بدء التشغيل / التسارع ووضع الرحلات / السرعة المنخفضة. كما هو موضح ، يمكن للمكثف الفائق أن يوفر قدرًا كبيرًا من طاقة الذروة أثناء التسارع ، بينما يمكن استعادة الشحنة المفقودة أثناء وضع الانطلاق.
يكمن التحدي المتمثل في تكامل المكثف الفائق / البطارية هذا في تصميم حلقة التحكم لضمان زمن انتقال منخفض ، وتبديل سريع بين المصدرين أثناء الشحن والتفريغ. صممت Rutronik وحدة معالجة تناظرية / مختلطة للإشارة عالية السرعة حاصلة على براءة اختراع والتي توفر تحكمًا تنبئيًا في معدل الحمل الحالي (di / dt) مع الكشف بسرعة تصل إلى بضع نانو ثانية ، مما يتيح تجاوز حلقة التحكم الرقمية. يظهر في الشكل 3. مخطط كتلة لمحول تيار مستمر / تيار مستمر متشابك ثلاثي الأطوار بجهد صفري – تبديل ثنائي الاتجاه معزز باك – يستخدم لهذا التطبيق. يمكن ، على سبيل المثال ، أن تستخدم لسكوتر إلكتروني. يمكن أن توفر اللوحة الموضحة في الشكل 4 1.1 كيلوواط من ذروة الطاقة ، مع تصميم ثلاثي الطور قابل للتطوير يمكن أن يقترب من عدة كيلووات. إنها قادرة على التعامل مع التيارات العكسية. تشمل مزايا نظام تخزين الطاقة الهجين (HESS) الحد من تفريغ البطارية بحيث لا يترك النطاق الأمثل والحفاظ على درجة حرارة البطارية الداخلية أقل. يمكن أن تساعد هذه الفوائد في إطالة العمر الافتراضي المتبقي للبطارية.
تشخيص التسرب في أنظمة إدارة البطارية الحرارية
يمكن أن يساعد الكشف عن الغازات السامة والقابلة للاشتعال والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs) من بطاريات Li-ion أثناء الهروب الحراري في إنشاء تحذير مبكر ومنع حدوث أعطال كارثية. يمكن لاستشعار الغاز أن يكتشف تسرب الإلكتروليت ، على سبيل المثال من السداد التالف أو من سيناريو الضغط الزائد داخل مبيت الخلية من الشوائب.4 يمكن لمثل هذا الاستشعار أن يكمل الجهد والتيار ودرجة حرارة الخلية التي تكون عادةً جزءًا من أنظمة إدارة البطارية. تتكون كيمياء طرد الغاز هذا في الغالب من مركبات الكربون (C) والأكسجين (O) والهيدروجين (H). ومن ثم ، يمكن استخدام مستشعر أكسيد فلز VOC قياسي ، حيث يتم قياس المقاومة عبر سطح الأكسيد هذا. يمكن استخدام لوح تسخين مدمج على مستشعر المركبات العضوية المتطايرة هذا للتحكم في النطاق الديناميكي ؛ على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي تسخينه إلى زيادة التوصيل الأساسي. يمكن تصميم مستشعرات المركبات العضوية المتطايرة هذه كمجموعة متوازية من المقاومات والمكثفات.
كان نهج Rutronik هو إنشاء أنف إلكتروني بناءً على القياسات التي تم إجراؤها على مستشعر المركبات العضوية المتطايرة عندما يتم تعديل عملية الأكسدة والاختزال من خلال التحفيز الضوئي.
يتم استخدام مرشح ثاني أكسيد التيتانيوم جنبًا إلى جنب مع مصدر ضوء UVA LED لإنشاء عملية التحفيز الضوئي هذه. يمتص ثاني أكسيد التيتانيوم الأشعة فوق البنفسجية ، والتي يمكن أن تعدل أكسدة أي كربون و / أو مركب أكسيد الهيدروجين.
يوضح الشكل 5 مخططًا مبسطًا لإعداد اكتشاف المركبات العضوية المتطايرة.
كانت أهداف إنشاء هذا الأنف الإلكتروني:
- الاستشعار المبكر لمركبات المركبات العضوية المتطايرة بحساسية عالية ونطاق ديناميكي قابل للتعديل
- البيانات ومعالجتها على متحكم مضمن
- القدرة على استخدام أجهزة استشعار قياسية منخفضة التكلفة
- استخدام التعلم الآلي لتحسين خوارزمية الاكتشاف حتى باستخدام 10 مجموعات بيانات فقط
تم توضيح هذه الأهداف في مجموعة أدوات التطوير المدمجة التي أنشأتها Rutronik ، والتي تظهر في الشكل 6.
وترد أمثلة على البيانات التي تم الحصول عليها من مجموعة الاختبار هذه في الشكل 7. الشكل 7 (أ) هو المنحنى المرجعي مع الهواء. المحور y هنا هو الموصلية ، أو مقلوب قيمة المركبات العضوية المتطايرة ، كما تم الحصول عليها من مستشعر SGP 40. تميل قيم المركبات العضوية المتطايرة في التشغيل العادي إلى الخروج عن النطاق (أي الاستمرار في الزيادة) ويمكن أن يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى خفض هذه القيمة مرة أخرى. يوضح الشكل 7 (ب) البيانات التي تم الحصول عليها عندما يتعرض المستشعر إلى 0.05 مل من مركب الإيثانول في غرفة 30 لتر. يتم إظهار الحساسية العالية ، حيث يُظهر المنحنى زيادة المقاومة (انخفاض التوصيل) في وقت استرخاء معين ، وهو قابل للتعديل مع وجود أو عدم وجود إشارة UVA. نظرًا للتأثير القوي لعملية الأكسدة ، كانت 10 مجموعات بيانات كافية لتعلم الآلة للتعرف على مركبات المركبات العضوية المتطايرة.
مجموعة اختبار المركبات العضوية المتطايرة Rutronik’s VOC في انتظار براءة الاختراع. يمكن استخدام متحكم قياسي لهذا التطبيق ، مع اتصال Bluetooth قادر على نقل البيانات مباشرة إلى الهاتف الذكي للمستخدم. يمكن تنفيذ التعلم الآلي القائم على جدول البحث البسيط مباشرة على وحدة التحكم الدقيقة ، مما يجعل استخدام أي حوسبة سحابية غير ضروري.
مراجع
1مانجلر ، أ. (أبريل 2023). “نظام تخزين الطاقة الهجين HESS.” منتدى الإلكترونيات فورترونيك.
2 مانجلر ، أ. (أبريل 2023) ، “تشخيص التسرب في أنظمة إدارة البطارية الحرارية.” منتدى الإلكترونيات فورترونيك.
3Sanada et al. (1982). “تحسين في خاصية التفريغ الذاتي لمكثف كهربائي مزدوج الطبقة.” إنتلك.
4فينجر وآخرون. (2014). “التحقيق في استشعار الغاز في أنظمة بطاريات أيونات الليثيوم الكبيرة للكشف المبكر عن الأخطاء وتحسين السلامة.” IECON.
