بنية طاقة الشحن بالتيار المستمر: من مدخل التيار المتردد إلى بطارية السيارة

غالباً ما يُنظر إلى الشاحن السريع للتيار المستمر على أنه نظام لتحويل الطاقة: يدخل التيار المتردد إلى الشاحن، ويتم إنتاج طاقة التيار المستمر، وتستقبلها بطارية السيارة من خلال موصل الشحن.

في الواقع، يكون التصميم الداخلي أكثر تعقيدًا. إذ يجب أن تعمل جميع وظائف تحويل الطاقة، وتوزيع التيار المستمر، والتحويل، والحماية، والاستشعار، والتحكم، والطاقة المساعدة، والاتصالات بتناغم تام. وقد يؤثر أي خلل في جزء واحد من النظام على أداء مسار الشحن بأكمله.

بالنسبة لاختيار المكونات، هذا يعني أنه يجب اعتبار الشاحن بمثابة بنية كهربائية كاملة بدلاً من كونه مجموعة من الأجزاء الفردية.

مسار الطاقة الرئيسي داخل شاحن التيار المستمر

يمكن النظر إلى نظام الشحن بالتيار المستمر النموذجي من خلال مسار الطاقة التالي:

مدخل التيار المتردد ← تحويل طاقة التيار المتردد/المستمر ← ناقل التيار المستمر ← توزيع التيار المستمر ← التبديل والحماية ← واجهة الشحن ← بطارية المركبة

لكل مرحلة وظيفة كهربائية مختلفة.

تستقبل مرحلة إدخال التيار المتردد الطاقة من الشبكة وتوفر الظروف اللازمة لنظام التحويل. وتعمل وحدات الطاقة وأشباه الموصلات الكهربائية والمكونات المغناطيسية ودوائر التحكم معًا لتحويل الطاقة الواردة وتنظيمها.

يتم بعد ذلك تجميع طاقة التيار المستمر الناتجة على ناقل التيار المستمر قبل توزيعها على مخرج الشحن. ومن هناك، تتحكم مكونات التبديل والحماية في مسار الطاقة وتوفر اتصالاً آمناً بالمركبة.

يُعد موصل الشحن الواجهة الكهربائية النهائية بين الشاحن والمركبة. ولذلك فهو جزء من بنية الطاقة وليس مجرد وصلة ميكانيكية.

مدخل التيار المتردد يتجاوز بداية مسار الطاقة

تحدد مرحلة إدخال التيار المتردد ظروف التشغيل لكل شيء في المراحل اللاحقة.

في مرحلة التحويل، تتولى وحدات الطاقة وأجهزة أشباه الموصلات عملية تحويل الطاقة الرئيسية، بينما تدعم المحاثات والمكونات المغناطيسية الأخرى عمليات الترشيح وتخزين الطاقة والتحكم في التيار. وتتولى دوائر الطاقة المتكاملة ودوائر التحكم عمليات التبديل والتنظيم.

لا تعمل هذه المكونات بشكل مستقل. تؤثر خصائصها الكهربائية على الكفاءة، والسلوك الحراري، واستقرار التحكم، والمتطلبات المفروضة على ناقل التيار المستمر في اتجاه التيار.

ولهذا السبب أيضاً لا يمكن فصل اختيار المكونات في المرحلة الأمامية تماماً عن متطلبات خرج التيار المستمر. فالجهد والتيار وظروف التبديل ومستوى الطاقة في مرحلة التحويل تؤثر جميعها على بقية بنية الشاحن.

لماذا تُعدّ حافلات العاصمة مهمة؟

بعد تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، يصبح ناقل التيار المستمر النقطة المركزية لنظام توزيع الطاقة الخاص بالشاحن.

في الشاحن المعياري، قد تغذي عدة وحدات لتحويل الطاقة نفس ناقل التيار المستمر. ثم يقوم الناقل بتوزيع الطاقة إلى مخرج شحن واحد أو أكثر، وقد يغذي أيضًا الدوائر المساعدة داخل الشاحن.

وهذا يستدعي مراعاة عدة اعتبارات تصميمية.

يجب أن يتحمل ناقل التيار المستمر الحمل الكهربائي المتوقع مع الحفاظ على استقرار الجهد المناسب. ويجب اختيار قضبان التوصيل والموصلات والعناصر الموصلة الأخرى وفقًا للتيار الفعلي والظروف البيئية. كما يؤثر التصميم على المقاومة الكهربائية وتوليد الحرارة وسهولة الصيانة.

لذا، فإن ناقل التيار المستمر ليس مجرد وصلة بين وحدة الطاقة والمخرج، بل هو جزء مهم من كيفية جمع الطاقة وتوزيعها والتحكم بها داخل الشاحن.

لا يعني نظام الطاقة المعياري مسارات طاقة مستقلة

تستخدم العديد من أجهزة الشحن بالتيار المستمر وحدات طاقة متعددة لتوفير سعة طاقة مرنة أو لدعم تكوينات إخراج مختلفة.

ومع ذلك، تتفاعل الوحدات في نهاية المطاف من خلال نفس البنية الكهربائية. يجب تنسيق مخرجاتها، ويجب أن يستوعب ناقل التيار المستمر ظروف التشغيل المشتركة.

يصبح هذا الأمر بالغ الأهمية في أجهزة الشحن ذات المخارج المتعددة. فقد يلزم توزيع الطاقة بين المركبات المختلفة مع الحفاظ على الحماية والتحكم المناسبين لكل مخرج.

لذا، يجب أن تراعي البنية كلاً من ناقل التيار المستمر المشترك ومسارات الإخراج الفردية. وتصبح الموصلات ومكونات التبديل وأجهزة الحماية وعناصر الاستشعار جميعها جزءًا من بنية التوزيع هذه.

للتحويل والحماية وظائف مختلفة

غالباً ما تتم مناقشة التبديل والحماية معاً، لكنهما يؤديان وظائف مختلفة.

يوفر موصل التيار المستمر اتصالاً كهربائياً وعزلاً متحكماً بهما. ويمكن استخدامه لإنشاء أو فصل مسار تيار مستمر عالي وفقًا لتسلسل تشغيل الشاحن.

يؤدي المصهر وظيفة مختلفة. فهو يوفر الحماية من التيار الزائد ويساعد في الحد من عواقب حدوث عطل في مسار الطاقة.

يعتمد اختيارهم على معايير النظام الفعلية، بما في ذلك جهد التشغيل والتيار المستمر وظروف الأعطال ومتطلبات التبديل وخصائص الحمل.

تزداد أهمية هذا التمييز مع ازدياد اعتماد تصميم الشاحن على الوحدات النمطية. ينبغي مراعاة الحماية في النقاط المناسبة من مسار الطاقة بدلاً من اعتبارها خياراً لمكون واحد للشاحن بأكمله.

يحتوي الشاحن أيضًا على جانب منخفض الجهد

لا تذهب كل الطاقة الكهربائية الموجودة داخل شاحن التيار المستمر مباشرة إلى السيارة.

تتطلب لوحات التحكم، ودوائر الاتصال، وأجهزة المراقبة، وأنظمة التبريد، والمرحلات، والأحمال المساعدة الأخرى مصادر طاقة خاصة بها.

يمكن لمحول التيار المستمر إلى التيار المستمر استخلاص الطاقة المطلوبة ذات الجهد المنخفض من ناقل التيار المستمر الرئيسي. وهذا يُنشئ مسارًا كهربائيًا ثانويًا داخل الشاحن.

ناقل التيار المستمر ← تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر ← التحكم / الاتصالات / الاستشعار / الأحمال المساعدة

من السهل إغفال هذا الجانب ذي الجهد المنخفض عند النظر فقط إلى مسار الشحن الرئيسي، ولكنه ضروري لتشغيل الشاحن.

تدعم دوائر الطاقة المتكاملة ومكونات التحكم الأخرى تنظيم الجهد وإدارة الطاقة، بينما يقوم نظام التحكم بتنسيق سلوك مرحلة الطاقة الرئيسية والدوائر المساعدة.

والنتيجة هي شاحن مزود بنظامين كهربائيين متصلين بشكل وثيق: مسار الطاقة العالية الذي ينقل الطاقة إلى السيارة، ونظام الجهد المنخفض الذي يمكّن الشاحن من مراقبة هذه العملية والتحكم فيها.

يقوم نظام الاستشعار بتوصيل مسار الطاقة بنظام التحكم

لا يستطيع نظام الشحن التحكم فيما لا يستطيع قياسه.

يمكن جمع معلومات الجهد والتيار ودرجة الحرارة في نقاط مختلفة في الشاحن لمراقبة ظروف التشغيل ودعم قرارات الحماية والتحكم.

تُعدّ مراقبة درجة الحرارة ذات أهمية خاصة حول وصلات التيار العالي، ومكونات تحويل الطاقة، وغيرها من المناطق التي قد تتولد فيها الحرارة موضعياً. ولا تُعتبر نقطة القياس المفيدة دائماً هي المكون الأكثر سخونة ظاهرياً، بل يعتمد ذلك على البنية الكهربائية والحرارية للنظام.

ثم تقوم إلكترونيات التحكم بمعالجة بيانات المستشعر. وبحسب تصميم الشاحن، يمكن لوحدة التحكم الدقيقة (MCU) ودوائر التحكم المرتبطة بها استخدام هذه المعلومات لضبط توصيل الطاقة، وإدارة حالات التشغيل، وتفعيل إجراءات الحماية، أو الإبلاغ عن حالة النظام.

وهذا يخلق علاقة مباشرة بين مكونات الاستشعار ومسار الطاقة الرئيسي:

مسار الطاقة ← الظروف الكهربائية/الحرارية ← الاستشعار ← التحكم ← ضبط الطاقة أو الحماية

وبالتالي فإن قيمة المستشعر لا تعتمد فقط على نطاق قياسه، ولكن أيضًا على مكان تركيبه وكيفية استخدام بياناته.

يجب أن تعمل كل من عملية توصيل الطاقة والتحكم في الشحن معًا.

تحدد مكونات الطاقة الرئيسية كيفية تدفق الطاقة، لكن نظام التحكم يحدد متى وتحت أي ظروف يجب أن تتدفق تلك الطاقة.

قد تتضمن عملية الشحن التواصل مع السيارة، والتحقق من حالة النظام، وتفعيل أجهزة التبديل، والتحكم في تحويل الطاقة، ومراقبة عملية الشحن.

وبالتالي، تقع إلكترونيات التحكم بين البنية الكهربائية ومنطق الشحن.

تُشكّل وحدات التحكم الدقيقة، ومكونات الاتصال، ودوائر الاستشعار، ودوائر الطاقة المتكاملة، ومصادر الطاقة المساعدة، هذه الطبقة الداعمة. قد لا تحمل هذه المكونات تيار الشحن الرئيسي، لكن موثوقيتها تؤثر بشكل مباشر على تشغيل النظام عالي الطاقة.

هذا أحد الأسباب التي تجعل من غير المناسب تقييم شاحن التيار المستمر فقط من خلال أكبر مكوناته التي تحمل التيار.

مخرج الشحن هو واجهة كهربائية أخرى

المرحلة الأخيرة من مسار الطاقة تربط نظام التيار المستمر الداخلي للشاحن بالمركبة.

يجب أن يستوعب موصل الشحن المتطلبات الكهربائية للتطبيق مع تلبية المتطلبات الميكانيكية والبيئية ومتطلبات الخدمة.

في هذه المرحلة، لم يعد تصميم الشاحن يقتصر على توصيل الطاقة فقط. بل يحتاج الشاحن إلى تنسيق وظائف التوصيل الكهربائي والاتصال والحماية المرتبطة بواجهة السيارة.

وبالتالي فإن مسار الإخراج يربط عدة فئات مختلفة من المكونات معًا: التوصيلات الموصلة، وأجهزة التبديل والحماية، وعناصر الاستشعار، وموصل الشحن نفسه.

تضيف أجهزة الشحن متعددة المخارج طبقة أخرى من التوزيع

في الشاحن ذي المخرج الواحد، تكون العلاقة بين ناقل التيار المستمر وواجهة السيارة مباشرة نسبياً.

مع وجود منافذ متعددة، يصبح التصميم أكثر تعقيدًا لأنه قد يتعين توزيع الطاقة المتاحة بين عدة قنوات شحن.

قد يتطلب كل مخرج ترتيبات خاصة به للتبديل والحماية والاستشعار، في حين يجب أن يستوعب ناقل التيار المستمر المشترك التغييرات في الحمل الكلي.

لذا، لا يقتصر السؤال التصميمي على مقدار الطاقة التي يمكن للشاحن إنتاجها فحسب، بل يتعلق بكيفية توزيع هذه الطاقة ومراقبتها والتحكم بها عندما تعمل عدة مخارج في ظل ظروف مختلفة.

لا يزال الشحن بجهد أعلى يعتمد على نفس البنية

تُغيّر أنظمة الشحن ذات الجهد العالي المتطلبات الكهربائية المفروضة على المكونات والعزل وأجهزة التبديل والحماية والوصلات. ومع ذلك، يبقى التصميم الأساسي مألوفًا.

لا يزال النظام بحاجة إلى مسار مُتحكم به من تحويل الطاقة إلى ناقل التيار المستمر، ومن الناقل إلى المخرج، وأخيراً إلى المركبة.

يكمن الاختلاف الرئيسي في أن اختيار المكونات وتصميم النظام يصبحان أكثر حساسية لتصنيف الجهد، ومتطلبات العزل، وسلوك التبديل، والظروف الحرارية، والاستجابة للأعطال.

للحصول على مناقشة أوسع حول كيفية تأثير طاقة الشحن الأعلى على تصميم نظام التيار المستمر، انظر ماذا تعني طاقة الشحن الأعلى لأنظمة التيار المستمر للسيارات الكهربائية .

تصميم الشاحن حول مسار الطاقة الكامل

يسهل تقييم شاحن التيار المستمر عندما يتم النظر في مكوناته وفقًا لمكان وجودها في النظام والوظيفة التي تؤديها.

يمكن النظر إلى مسار الطاقة الرئيسي على النحو التالي:

مدخل التيار المتردد
↓
تحويل الطاقة من التيار المتردد إلى التيار المستمر
↓
حافلة التيار المستمر
↓
توزيع التيار المستمر
↓
التبديل والحماية
↓
واجهة الشحن
↓
بطارية السيارة

وفي الوقت نفسه، يوجد مسار داعم يمتد بمحاذاته:

حافلة التيار المستمر
↓
مصدر طاقة مساعد DC-DC
↓
وحدة التحكم الدقيقة / التحكم / الاتصالات / الاستشعار / التبريد

يرتبط هذان المساران ارتباطًا وثيقًا. ينقل المسار الرئيسي الطاقة، بينما تقيس الإلكترونيات الداعمة الظروف، وتدير حالات التشغيل، وتوفر الطاقة المساعدة، وتحدد كيفية استجابة النظام.

توضح هذه البنية أيضًا سبب وجوب البدء في اختيار المكونات بناءً على معايير التطبيق بدلاً من فئة منتج واحدة. فالجهد والتيار وتردد التبديل والظروف البيئية والمتطلبات الحرارية واستراتيجية التحكم وبنية النظام كلها عوامل تؤثر في اختيار المكونات المناسبة.

لذا، يُفهم شاحن التيار المستمر بشكل أفضل على أنه نظامان متصلان يعملان معًا: مسار طاقة رئيسي يزود المركبة بالطاقة، ونظام إلكتروني داعم يقيس ويتحكم ويحمي ويزود الشاحن نفسه بالطاقة. إن النظر إلى كلا الجانبين معًا يوفر أساسًا عمليًا أكثر لاختيار المكونات وتكامل النظام والموثوقية على المدى الطويل.