ماذا تعني طاقة الشحن الأعلى لأنظمة التيار المستمر للسيارات الكهربائية؟

يتجه شحن السيارات الكهربائية نحو مرحلة تتطلب طاقة أعلى.

تتوسع البنية التحتية العامة لشحن السيارات الكهربائية، بينما تستحوذ أجهزة الشحن السريع وفائق السرعة على حصة أكبر من عمليات التركيب الجديدة. كما تتجه منصات السيارات الكهربائية الأحدث نحو استخدام بطاريات ذات جهد أعلى، حيث دخلت السوق بنى بجهد 800 فولت وحتى 1000 فولت.

بالنسبة لمعدات الشحن، يطرح هذا التطور سؤالاً بسيطاً إلى حد ما: ما الذي يتغير عندما ترتفع طاقة الشحن؟

الحل ليس مجرد محول طاقة أكبر.

يتحرك الجهد والتيار معًا

تعتمد قدرة الشحن على كل من الجهد والتيار. فزيادة جهد النظام تُمكّن من توصيل نفس القدر من الطاقة بتيار أقل.

على سبيل المثال، يتطلب توصيل 350 كيلوواط عند 400 فولت تيارًا نظريًا يبلغ حوالي 875 أمبير. عند 800 فولت، ينخفض ​​التيار إلى حوالي 438 أمبير.

هذا الأمر مهم لأن التيار الكهربائي يؤثر بشكل مباشر على فقد الطاقة في الموصلات وتوليد الحرارة. لذا، عند استخدام نفس مستوى الطاقة، يمكن أن يساعد الجهد العالي في تقليل الفقد في مسار الشحن.

لكن خفض التيار لا يزيل التحديات الكهربائية. لا يزال نظام الشحن مضطرًا للتعامل مع جهد تيار مستمر أعلى عبر مسار الطاقة، بما في ذلك أجهزة التبديل ومكونات الحماية وقضبان التوصيل والموصلات وأنظمة العزل.

يصبح مسار الطاقة المستمر أكثر أهمية

يحتوي الشاحن عالي الطاقة على عدد من المكونات بين مرحلة تحويل الطاقة والمركبة.

قد يشمل مسار التيار قضبان التوصيل، والكابلات، والموصلات، والموصلات الكهربائية، والصمامات، وغيرها من أجهزة الحماية أو التبديل. ولا يمكن النظر إلى تصنيفاتها بشكل منفصل لأن ظروف تشغيل جزء من النظام قد تؤثر على متطلبات جزء آخر.

على سبيل المثال، يحتاج موصل التيار المستمر المستخدم في نظام شحن المركبات الكهربائية إلى العمل بالجهد والتيار المطلوبين مع التعامل أيضًا مع ظروف التبديل الفعلية للتطبيق.

وينطبق الأمر نفسه على مصهرات التيار المستمر. يُعد التيار المقنن مهمًا، ولكنه ليس سوى جزء من عملية الاختيار. يجب أيضًا مراعاة جهد النظام، وتيار العطل المتاح، وقدرة القطع، ودرجة الحرارة، وظروف التركيب.

تزداد أهمية هذا الأمر مع اتجاه معدات الشحن نحو مستويات طاقة أعلى.

لا تزال إدارة الحرارة مهمة

يمكن أن يساعد الجهد العالي للنظام في تقليل التيار لمستوى طاقة معين، لكن الحرارة تظل عاملاً مهماً يجب مراعاته.

تحدث خسائر الطاقة في جميع أنحاء نظام الشحن، بما في ذلك عند نقاط التوصيل والموصلات ومكونات التبديل ومراحل تحويل الطاقة. ويمكن أن يؤدي التشغيل المستمر عالي الطاقة إلى زيادة هذه الخسائر، لا سيما داخل معدات الشحن الصغيرة.

وهذا أيضاً هو السبب في أن التبريد أصبح جزءاً مهماً من تصميم الشحن عالي الطاقة.

في بعض التطبيقات، يتطلب كابل الشحن نفسه تبريدًا فعالًا للتعامل مع التيار العالي جدًا دون أن يصبح الكابل ثقيلًا جدًا أو يصعب استخدامه. داخل الشاحن، تحتاج إلكترونيات الطاقة والمكونات الأخرى المولدة للحرارة أيضًا إلى العمل ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد لها.

لذلك يجب أن يأخذ اختيار المكونات البيئة الحرارية الفعلية في الاعتبار، بدلاً من النظر فقط إلى تصنيفات الجهد والتيار الاسمية.

تتغير متطلبات الحماية بتغير النظام

تتطلب أنظمة التيار المستمر ذات القدرة العالية أيضًا دراسة متأنية لحماية الأعطال.

يجب أن يستجيب نظام الشحن بشكل مناسب لحالات قصر الدائرة الكهربائية وغيرها من الظروف غير الطبيعية مع عزل الدائرة المتضررة. كما يجب أن تعمل المصهرات والموصلات وأجهزة الحماية الأخرى ضمن نطاق جهد النظام وظروف الأعطال.

يُعد هذا الأمر ذا أهمية خاصة بالنسبة للهياكل ذات الجهد العالي لأن انقطاع التيار المستمر يصبح أكثر تطلبًا مع زيادة جهد النظام.

لذلك، يجب النظر في تصميم الحماية جنبًا إلى جنب مع البنية الكهربائية، بدلاً من التعامل معه كخطوة منفصلة لاختيار المكونات.

ما يزيد عن 800 فولت

لقد أصبح جهد 800 فولت نقطة مرجعية مهمة لمنصات السيارات الكهربائية عالية الأداء، لكن الصناعة تتجاوز ذلك بالفعل.

تدخل منصات السيارات الكهربائية للركاب بجهد 1000 فولت إلى السوق، في حين يجري أيضًا تطوير الشحن فائق السرعة وعلى نطاق الميغاواط للتطبيقات التي يكون فيها تقليل وقت الشحن أمرًا بالغ الأهمية.

بالنسبة لمركبات الركاب، سيعتمد أداء الشحن بشكل متزايد على مدى جودة عمل المركبة والبنية التحتية للشحن معًا.

أما بالنسبة للمركبات التجارية والشاحنات الكهربائية، فقد تكون المتطلبات أكثر صرامة. ويجري تطوير أنظمة شحن بقدرة ميغاواط لتطبيقات الخدمة الشاقة، حيث يمكن أن يكون لتقليل أوقات الشحن تأثير مباشر على استخدام المركبة.

مع تطور هذه الأنظمة، سيحتاج مسار الطاقة المستمر إلى استيعاب جهد أعلى، وتيار مستمر عالي، وظروف حرارية أكثر تطلبًا، ومتطلبات حماية متطورة بشكل متزايد.

تصميم نظام التيار المستمر ككل

إن التوجه نحو شحن أسرع للسيارات الكهربائية يغير أكثر من مجرد تصنيف طاقة الشاحن.

يرتبط مستوى الجهد والتيار والظروف الحرارية وأداء التبديل والحماية من الأعطال ارتباطًا وثيقًا. يجب اختيار مكونات مثل موصلات التيار المستمر والصمامات وفقًا لظروف التشغيل الفعلية لنظام الشحن، وليس بناءً على التصنيف فقط.

بالنسبة لمصنعي شواحن السيارات الكهربائية، سيصبح هذا النهج على مستوى النظام ذا أهمية متزايدة مع استمرار ارتفاع طاقة الشحن.