اختيار مكونات الشاحن السريع للتيار المستمر: مطابقة متطلبات التبديل والحماية وتحويل الطاقة

يبدأ اختيار المكونات بالبنية الكهربائية للشاحن

يحتوي الشاحن السريع بالتيار المستمر على عدة مراحل كهربائية بدلاً من دائرة طاقة واحدة.

قد يشمل المسار الكهربائي، بحسب تصميم الشاحن، ما يلي:

مدخل التيار المتردد ← تقويم/تصحيح معامل القدرة ← وصلة التيار المستمر ← تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر ← تبديل الخرج ← بطارية السيارة

يحيط بمسار الطاقة الرئيسي هذا مصادر الطاقة المساعدة، ودوائر التحكم، وواجهات الاتصال، ودوائر الاستشعار، ووظائف الحماية.

يفرض كل قسم متطلبات مختلفة على مكوناته.

على سبيل المثال، يتم تقييم أشباه الموصلات المستخدمة في مرحلة تصحيح معامل القدرة بشكل مختلف عن تقييم المرحل المستخدم في دائرة مساعدة. كما أن مكثف وصلة التيار المستمر له متطلبات مختلفة عن موصل الإخراج أو مستشعر التيار.

لهذا السبب، يكون اختيار المكونات أكثر فائدة عندما يبدأ بوظيفة كل دائرة بدلاً من فئة منتجات عامة.

أشباه الموصلات الكهربائية: قم بمطابقة الجهاز مع مرحلة التبديل

تُعد أشباه الموصلات الكهربائية من بين أهم المكونات في الشاحن السريع للتيار المستمر.

اعتمادًا على البنية ومستوى الطاقة، قد يستخدم الشاحن ترانزستورات IGBT أو ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون أو ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون أو الثنائيات أو وحدات الطاقة المتكاملة.

تُستخدم أجهزة كربيد السيليكون (SiC) بشكل متزايد في الشحن عالي الطاقة نظرًا لقدرتها على دعم كفاءة وكثافة طاقة أعلى بفضل خصائص التبديل والتوصيل التي تتمتع بها. وتشمل التصاميم المرجعية الصناعية حاليًا مراحل تصحيح معامل القدرة (PFC) ومراحل تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر القائمة على كربيد السيليكون للشحن السريع بالتيار المستمر.

لكن اختيار جهاز SiC لمجرد أن الشاحن "عالي الطاقة" ليس كافياً.

يحتاج المهندسون عادةً إلى تقييم ما يلي:

• جهد الحجب
• التيار المستمر والتيار الذروي
• تردد التبديل
• فقد التوصيل
• خسارة التبديل
• متطلبات تشغيل البوابة
• المقاومة الحرارية
• قدرة الدائرة القصيرة
• متطلبات التغليف والتركيب

يعتمد الجهاز الصحيح على بنية التبديل المحددة ونقطة التشغيل.

قد لا يكون الجهاز المختار لمرحلة DC-DC عالية التردد هو الخيار الأفضل لجزء آخر من الشاحن.

مكثفات وصلة التيار المستمر: الإجهاد الكهربائي مهم

يقع مكثف وصلة التيار المستمر بين مراحل التحويل الرئيسية ويساعد على استقرار ناقل التيار المستمر الوسيط.

إن اختيارها يتطلب أكثر من مجرد قياس السعة.

قد تشمل المعايير المهمة ما يلي:

• الجهد المقنن
• تيار التموج
• ESR
• تصنيف درجة الحرارة
• حياة
• تفاوت السعة
• الأبعاد الميكانيكية
• طريقة التركيب

يمكن أن يؤدي تيار التموج العالي إلى زيادة التسخين الداخلي، في حين أن ارتفاع درجة حرارة التشغيل يمكن أن يؤثر على عمر المكثف.

يصبح هذا الأمر بالغ الأهمية بشكل خاص في وحدات الشحن المدمجة عالية الطاقة حيث تتزايد كثافة الطاقة.

قد يظل المكثف ذو الجهد الاسمي المناسب غير مناسب إذا لم تتطابق قدرته على تحمل تيار التموج أو عمره الحراري مع ظروف التشغيل الفعلية.

المحاثات والمكونات المغناطيسية: نظرة تتجاوز الحث

تُستخدم المحاثات في عدة أجزاء من نظام الشحن، بما في ذلك تصحيح معامل القدرة، والترشيح، وتحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر.

إن قيمة الحث الاسمي ليست سوى جزء واحد من عملية الاختيار.

قد يحتاج المهندسون أيضًا إلى مراعاة ما يلي:

• تيار التشبع
• التيار الفعال
• خسارة أساسية
• فقدان النحاس
• تردد التبديل
• ارتفاع درجة الحرارة
• مقاومة التيار المستمر
• الحجم الميكانيكي

مع ازدياد تردد التبديل وكثافة الطاقة، تصبح الخسائر المغناطيسية والسلوك الحراري ذات أهمية متزايدة.

ولهذا السبب أيضاً ينبغي تقييم المكونات السلبية جنباً إلى جنب مع أجهزة التبديل المختارة بدلاً من التعامل معها كأجزاء مستقلة.

تتطلب مكونات التبديل والحماية معايير اختيار مختلفة

يحتاج الشاحن السريع للتيار المستمر إلى تحكم دقيق في عملية التبديل بالإضافة إلى الحماية من الأعطال.

هذه الوظائف مترابطة، لكنها ليست قابلة للتبادل.

يمكن استخدام جهاز التبديل لتوصيل أو فصل الدائرة أثناء التشغيل العادي، في حين أن المصهر أو جهاز الحماية الآخر قد يكون الغرض منه قطع التيار في حالات التيار غير الطبيعية.

بالنسبة لمكونات التبديل بالتيار المستمر، قد يحتاج المهندسون إلى تقييم ما يلي:

• جهد النظام
• التيار المستمر
• تيار التبديل
• خصائص الحمل
• ظروف التدفق المفاجئ
• تردد التبديل
• التحمل الكهربائي
• متطلبات العزل
• الظروف البيئية

أما بالنسبة لمكونات الحماية، فقد يركز التقييم بدلاً من ذلك على ما يلي:

• الجهد المقنن
• التيار المقنن
• القدرة على المقاطعة
• تيار العطل المتاح
• خصائص ما قبل التقوس
• التنسيق مع المكونات اللاحقة
• درجة حرارة التركيب

وبالتالي فإن نفس التصنيف الاسمي للتيار لا يعني أن المكونين قابلان للتبديل.

يدعم استشعار التيار والجهد نظام التحكم

تعتمد الشواحن السريعة على القياس للتحكم في تحويل الطاقة ومراقبة ظروف التشغيل.

يمكن لأجهزة استشعار التيار والجهد توفير معلومات مرجعية لما يلي:

• التحكم في تحويل الطاقة
• تنظيم الإنتاج
• كشف التيار الزائد
• مراقبة الأعطال
• قياس الطاقة
• التواصل مع وحدة تحكم الشاحن

ينبغي أن يراعي اختيار المستشعر نطاق القياس الفعلي، والدقة، ووقت الاستجابة، ومتطلبات العزل، وبيئة التشغيل.

بالنسبة لأنظمة التيار المستمر عالية الطاقة، يجب أن يتناسب المستشعر أيضًا مع الترتيب المادي والكهربائي لمسار التيار.

قد يتسبب مكون ذو دقة قياس جيدة على الورق في حدوث مشاكل في التكامل إذا لم تتطابق طريقة تركيبه أو عزله أو سلوكه الحراري مع تصميم الشاحن.

تُعد مكونات العزل والتحكم جزءًا من نظام الطاقة

مرحلة الطاقة ليست سوى جزء واحد من شاحن التيار المستمر السريع.

تحتاج لوحات التحكم إلى التواصل مع أجهزة الطاقة مع الحفاظ على العزل الكهربائي المطلوب.

قد يحتوي النظام، بحسب بنيته، على ما يلي:

• محركات البوابات المعزولة
• العوازل الرقمية
• أجهزة اقتران ضوئية
• المرحلات
• أجهزة تكييف الإشارة
• دوائر متكاملة للواجهة
• المتحكمات الدقيقة
• مكونات الاتصال

قد لا تحمل هذه المكونات مئات الأمبيرات، لكن موثوقيتها تؤثر بشكل مباشر على التحكم في دائرة الطاقة العالية.

مع ازدياد سرعة أجهزة التبديل، يصبح توقيت تشغيل البوابة وأداء العزل وسلامة الإشارة أكثر أهمية أيضاً.

لا ينبغي إغفال مصادر الطاقة المساعدة

يحتوي الشاحن السريع للتيار المستمر أيضًا على العديد من الدوائر التي تعمل خارج مسار الطاقة الرئيسي.

قد توفر الطاقة الاحتياطية ما يلي:

• لوحات التحكم
• أنظمة التبريد
• الموصلات والمرحلات
• وحدات الاتصال
• شاشات العرض
• أجهزة الاستشعار
• دوائر الحماية

غالباً ما تعمل هذه الدوائر بفولتيات منخفضة، لكنها تحتاج إلى أن تظل مستقرة بينما يقوم الشاحن الرئيسي بتحويل كميات كبيرة من الطاقة.

لذلك قد يشمل اختيار المكونات دوائر الطاقة المتكاملة، وموسفتات، والمحولات، والثنائيات، والمكثفات، والموصلات، ومكونات الحماية.

هذا أحد المجالات التي يمكن أن تكون فيها القدرة الواسعة على توريد المكونات الإلكترونية مفيدة: فالتصميم لا يتطلب بالضرورة نوعًا واحدًا من المكونات من مورد واحد.

تغييرات التصميم الحراري واختيار المكونات

تتحول خسائر الطاقة في النهاية إلى حرارة.

وهذا يجعل الظروف الحرارية معيارًا مهمًا للاختيار في جميع أجهزة الشحن.

قد تتضمن طريقة التبريد ما يلي:

• التبريد بالهواء القسري
• أطباق باردة
• التبريد السائل
• مشتتات الحرارة
• هياكل تبريد متكاملة

يجب تقييم الأداء الحراري للمكون جنبًا إلى جنب مع نقطة تشغيله الكهربائية.

على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تقليل خسائر أشباه الموصلات إلى تقليل متطلبات التبريد، ولكن قد يؤدي تردد التبديل الأعلى إلى خسائر مختلفة في أماكن أخرى من النظام.

وينطبق الأمر نفسه على المكثفات والمحاثات والموصلات ومكونات التبديل.

لذا ينبغي أن يأخذ اختيار المكونات في الاعتبار المسار الحراري الكامل بدلاً من درجة الحرارة المقدرة للمكون فقط.

تسلسل اختيار عملي

بالنسبة لمصنعي الشواحن، يمكن أن تبدأ عملية الاختيار المفيدة بمتطلبات النظام ثم تنتقل نحو المكونات الفردية.

يساعد هذا التسلسل على تجنب اختيار الأجزاء الفردية قبل أن تتضح المتطلبات الكهربائية للشاحن الكامل.

لماذا يجب أن يتبع اختيار المكونات وظيفة الدائرة؟

قد يحتوي الشاحن السريع للتيار المستمر على مئات أو آلاف المكونات الإلكترونية، ولكن ليس جميعها يواجه نفس الإجهاد الكهربائي.

تتعرض أشباه الموصلات الكهربائية لخسائر التبديل.

يتعرض المكثف لإجهاد الجهد والتيار المتموج.

يتعرض المحث للإجهاد المغناطيسي والحراري.

يراعي الموصل أو المرحل متطلبات التبديل والتحمل.

يستشعر الجهاز متطلبات القياس والعزل.

تواجه أجهزة التحكم وأجهزة الربط ظروف إشارة واتصال مختلفة تمامًا.

إن التعامل مع كل هذه المكونات كفئة واحدة "مكون شاحن السيارة الكهربائية" يجعل عملية الاختيار صعبة بلا داع.

يتمثل النهج الأفضل في رسم خريطة لوظيفة الدائرة → الظروف الكهربائية → الظروف الحرارية → متطلبات الموثوقية → معلمات المكونات .

كما أن هذا النهج يجعل تقييم الموردين أكثر جدوى لأن المهندسين يمكنهم مقارنة المكونات وفقًا للتطبيق الفعلي بدلاً من وصف المنتج العام.

بناء مجموعة المكونات المناسبة لشاحن التيار المستمر السريع

يعتمد مزيج المكونات المطلوبة للشاحن على بنيته ومستوى طاقته والتطبيق المستهدف.

قد تستخدم شاحن التيار المستمر لسيارات الركاب، ونظام الشحن التجاري عالي الطاقة، ومنصة الشحن من فئة الميغاواط، مجموعات مختلفة من أجهزة الطاقة، ومكونات التبديل، والمكونات المغناطيسية، وأجهزة الاستشعار، والإلكترونيات الخاصة بالتحكم.

النقطة المهمة هي أن اختيار المكونات يجب أن يتطور مع التصميم الكهربائي.

بالنسبة لمصنعي الشواحن وفرق الهندسة، يمكن لهذا أن يبسط عملية التوريد. فبدلاً من البحث عن مكونات منفصلة واحدة تلو الأخرى، يمكن مراجعة البنية الكهربائية الكاملة لتحديد الخيارات المناسبة في دوائر تحويل الطاقة والحماية والاستشعار والتحكم والدوائر المساعدة.

تدعم ESHINE مصادر المكونات الإلكترونية والاختيار التقني لشحن المركبات الكهربائية وإلكترونيات الطاقة وغيرها من التطبيقات عالية الطاقة، مع خيارات المكونات التي تتناسب مع متطلبات الدائرة الفعلية.