تعمل محولات الحالة الصلبة على تعزيز كفاءة شحن السيارات الكهربائية
هذه المقالة جزء من سلسلة IEEE Journal Watch الحصرية بالشراكة مع IEEE Xplore.
البناء السريع ل محطات الشحن السريع للسيارات الكهربائية يختبر حدود شبكة الكهرباء اليوم. ومع أجهزة الشحن الفردية التي تستهلك ما بين 350 إلى 500 كيلووات (أو أكثر)، مما يجعل أوقات شحن المركبات الكهربائية الآن تعادل وظيفيًا وقت التعبئة لسيارة تعمل بالبنزين أو الديزل، يمكن لمواقع الشحن الكاملة أن تصل إلى مستوى الطلب بالميجاوات. هذا يكفي للتوتر شبكات توزيع الجهد المتوسط - جزء من الشبكة التي تربط خطوط نقل الجهد العالي مع خطوط الجهد المنخفض التي تخدم المستخدمين النهائيين في المنازل والشركات.
تميل محطات الشحن السريع DC إلى التجمع في المراكز الحضرية، على طول الطرق السريعة، وفي مستودعات الأسطول. ونظرًا لأن الحمل لا ينتشر بالتساوي عبر الشبكة، فإن محطات فرعية معينة تكون مثقلة بالعمل – حتى عندما يتم تصنيف سعة الشبكة الإجمالية لاستيعاب الحمل. إن التغلب على هذه المشكلة مع ظهور المزيد من محطات الشحن، مع زيادة الطلب على الطاقة، يتطلب إلكترونيات طاقة ليست فقط مدمجة وفعالة، ولكنها أيضًا قادرة على إدارة التخزين المحلي والمدخلات المتجددة.
واحدة من أكثر التقنيات الواعدة لتحديث الشبكة حتى تتمكن من مواكبة متطلبات كهربة المركبات وتوليد الطاقة المتجددة هي محولات الحالة الصلبة (SST). يؤدي المحول SST نفس الوظيفة الأساسية التي يؤديها المحول التقليدي، وهو رفع الجهد لأعلى أو لأسفل. ولكنها تفعل ذلك باستخدام أشباه الموصلات، والتحويل عالي التردد باستخدام مفاتيح كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم، والتحكم الرقمي، بدلاً من الاقتران المغناطيسي السلبي وحده. يسمح إعداد SST لها بالتحكم في تدفق الطاقة ديناميكيًا.
لعقود من الزمن، تم الاعتماد على البنية التحتية للشحن محولات التردد الخطي (LFTs) – مجموعات ضخمة من الحديد والنحاس تعمل على خفض التيار المتردد ذي الجهد المتوسط إلى التيار المتردد ذي الجهد المنخفض قبل أو بعد التحويل الخارجي من التيار المتردد إلى التيار المباشر الذي تتطلبه بطاريات السيارات الكهربائية. يمكن أن يحتوي LFT النموذجي على ما يصل إلى بضع مئات من الكيلوجرامات من اللفات النحاسية وبضعة أطنان من الحديد. كل هذا المعدن مكلفة ويصعب الحصول عليها على نحو متزايد. هذه الأنظمة موثوقة ولكنها ضخمة الحجم وغير فعالة، خاصة عندما تتدفق الطاقة بين وحدات التخزين المحلية والمركبات. تعد طائرات SST أصغر حجمًا وأخف وزنًا بكثير من طائرات LFTs التي تم تصميمها لتحل محلها.
“يحقق حلنا نفس عدد أجهزة أشباه الموصلات كمحول أحادي المنفذ مع توفير العديد من مخرجات التيار المباشر التي يتم التحكم فيها بشكل مستقل.” – شاشيدهار ماتاباتي، دلتا للإلكترونيات
لكن معظم المنافذ SST المتعددة المنافذ التي تم تطويرها حتى الآن كانت معقدة للغاية أو مكلفة (ما بين خمسة وعشرة أضعاف التكلفة الأولية لـ LFTs). يفسر هذا الاختلاف – بالإضافة إلى اعتماد SSTs على بنوك البطاريات المساعدة التي تضيف المزيد من النفقات وتقلل الموثوقية – لماذا لم تتحقق الفوائد الواضحة للحالة الصلبة حتى الآن تحفيز التحول إلى التكنولوجيا من LFTs.
Surjakanta Mazumder، وSaichand Kasicheyanula، وHarisyam PV، وKuushik Basu يحملون النموذج الأولي لطائرة SST في المختبر.هاريسيام بف، سايتشاند كاسيتشيانولا، وآخرون.
كيفية جعل محولات الحالة الصلبة أكثر كفاءة
في دراسة نشرت في 20 أغسطس في معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقةاقترح باحثون في المعهد الهندي للعلوم وشركة دلتا للإلكترونيات الهندية، وكلاهما في بنجالورو، ما يسمى بالجسر H المتتالي (CHB) متعدد المنافذ المعتمد على SST والذي يلغي تلك التنازلات. يقول شاشيدهار ماثاباتي، المدير التنفيذي للتكنولوجيا في شركة Delta Electronics: “يحقق الحل الذي نقدمه نفس عدد أجهزة أشباه الموصلات كمحول أحادي المنفذ مع توفير العديد من مخرجات التيار المستمر التي يتم التحكم فيها بشكل مستقل”. “وهذا يعني عدم وجود تخزين إضافي للبطاريات، ولا أجهزة إضافية لأشباه الموصلات، ولا يوجد عزل إضافي للجهد المتوسط.”
قام الفريق ببناء نموذج مختبري بقدرة 1.2 كيلووات للتحقق من صحة التصميم، وتحقيق كفاءة بنسبة 95.3 بالمائة عند الحمل المقدر. كما قاموا بتصميم نظام واسع النطاق بقدرة 11 كيلو فولت و400 كيلووات مقسم إلى منفذين بقدرة 200 كيلووات.
يوجد في قلب النظام محول متعدد اللفات يقع على جانب الجهد المنخفض للمحول. يتجنب هذا التكوين الحاجة إلى عزل متوسط الجهد مكلف وضخم ويسمح بموازنة الطاقة بين المنافذ بدون بطاريات مساعدة. وكتب المؤلفون في ورقتهم البحثية: “كانت التصميمات السابقة متعددة المنافذ المعتمدة على CHB تحتاج إلى العديد من بطاريات البطاريات أو شبكات المكثفات لتوزيع الحمل”. “لقد أظهرنا أنه بإمكانك تحقيق نفس النتيجة باستخدام ترتيب محولات أبسط وأخف وزنًا وأكثر موثوقية.”
تحافظ إستراتيجية التعديل والتحكم الجديدة على عامل طاقة موحد في واجهة الشبكة، مما يعني أنه لا يضيع أي من التيار القادم من الشبكة عن طريق التأرجح ذهابًا وإيابًا بين المصدر والحمل دون القيام بأي عمل. يسمح SST الذي وصفه المؤلفون أيضًا لكل منفذ DC بالعمل بشكل مستقل. ومن الناحية العملية، فإن كل مركبة متصلة بالشاحن ستكون قادرة على استقبال الجهد والتيار المناسبين، دون التأثير على المنافذ المجاورة أو إزعاج اتصال الشبكة.
وباستخدام مفاتيح كربيد السيليكون المتصلة على التوالي، يستطيع النظام التعامل مع مدخلات الجهد المتوسط مع الحفاظ على الكفاءة العالية. سيتطلب توصيل الشبكة بقدرة 11 كيلو فولت 12 وحدة متتالية لكل مرحلة، وهو ما يقرب من نصف عدد تصميمات المحولات المعيارية متعددة المستويات. يعني عدد أقل من الوحدات في النهاية تكلفة أقل وتحكمًا أبسط وموثوقية أكبر.
وعلى الرغم من أن التصميم لا يزال في مرحلة المختبر، إلا أنه يمكن أن يتيح جيلًا جديدًا من محاور الشحن السريع المدمجة والفعالة من حيث التكلفة. ومن خلال إزالة الحاجة إلى تخزين متوسط للبطاريات – مما يضيف التكلفة والتعقيد والصيانة – يمكن للهيكل المقترح أن يطيل العمر التشغيلي لمحطات شحن السيارات الكهربائية.
وفقًا للباحثين، فإن هذا المحول ليس مخصصًا لشحن السيارات الكهربائية فقط. يمكن أن يستفيد أي تطبيق يحتاج إلى تحويل الجهد المتوسط إلى الجهد المنخفض متعدد المنافذ – مثل مراكز البيانات، أو التكامل المتجدد، أو شبكات التيار المستمر الصناعية.
بالنسبة للمرافق ومقدمي الشحن الذين يواجهون طلبًا على نطاق ميجاوات، يمكن أن يساعد محول الحالة الصلبة المبسط هذا في جعل ثورة السيارات الكهربائية أكثر ملاءمة للشبكة، وأسرع للسائقين الذين ينتظرون الشحن.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
