أجهزة الاستشعار الحالية لشواحن السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية

أحد المعلمات الحيوية المهمة لأي نظام كهربائي هو التيار. تحتاج أنظمة شحن المركبات الكهربائية والطاقة الشمسية إلى استشعار مقدار التيار من أجل التحكم ومراقبة تحويل الطاقة والشحن والتفريغ. تقوم أجهزة الاستشعار الحالية بقياس تدفق التيار من خلال مراقبة انخفاض الجهد عبر مقاومة التحويل، أو المجالات المغناطيسية الناتجة عن تدفق التيار عبر الموصل.

تستخدم أنظمة التحكم MOSFET معلومات التدفق الحالي للتحكم في عملية العاكس الشمسي أو لمراقبة التدفق الحالي على مدخلات أو مخرجات التيار المتردد لحماية المكونات من أحداث التيار الزائد أو الأعطال. هناك العديد من أجهزة الاستشعار الحالية المتاحة، ولكل تقنية مزاياها وعيوبها. يعتمد نوع المستشعر الحالي الأنسب لتطبيق معين على عدة عوامل، بما في ذلك تصنيف طاقة النظام والدقة المقصودة والتكلفة. سأتحدث خلال هذا المقال عن الأجهزة المناسبة لاستشعار التيار في شواحن السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية.

الاستشعار الحالي في شواحن EV

في شواحن السيارات الكهربائية، تقوم المستشعرات الحالية بقياس تدفق التيار في مواقع مثل مصدر طاقة التيار المتردد ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر وطاقة الخرج للتأكد من أن الشاحن يقوم بتوصيل طاقة التيار المتردد بشكل صحيح إلى نظام الشاحن الموجود على متن السيارة الكهربائية أو طاقة التيار المباشر مباشرة إلى البطاريات . تتجه بطاريات 400 فولت اليوم نحو 800 فولت وأكثر للمساعدة في تسخير المزيد من الطاقة وتمكين الشحن السريع.

في أجهزة الشحن من المستوى 1 و2، يقوم الشاحن بتوصيل طاقة التيار المتردد إلى شاحن موجود داخل السيارة الكهربائية، والذي يقوم بعد ذلك بتحويل الطاقة الواردة إلى مستويات الجهد والتيار الأكثر ملاءمة لشحن بطاريات السيارات الكهربائية. عادةً لا يحتاج الاستشعار الحالي في أجهزة الشحن السكنية من المستوى 1 و2 إلى دقة عالية جدًا، حيث لا يتم إصدار فاتورة للمستخدم. ومع ذلك، فإن معلومات التدفق الحالي تمنح المستخدمين مقدارًا تقريبيًا لاستهلاك التيار والطاقة من خلال تطبيق أو واجهة مستخدم على الشاحن. يوضح الشكل 1 شاحني EV من المستوى 2 وشاحنين EV في ساحة انتظار السيارات.

28.09.2023

26.09.2023

26.09.2023

في شاحن المركبات الكهربائية من المستوى 3، تعمل البنية التحتية للشاحن على تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر لتمكين التوصيل السريع لطاقة التيار المستمر مباشرة إلى البطاريات، وتجاوز الشاحن التقليدي الموجود على متن السيارة وتمكين شحن المركبات الكهربائية بسرعة فائقة في محطات الشحن. تساعد زيادة سعة الطاقة في أجهزة شحن وبطاريات السيارات الكهربائية على تلبية احتياجات الشحن السريع والنطاق الممتد. يساعد الاستشعار الحالي في التحكم في عملية الشحن، مما يضمن شحن البطارية بشكل آمن وعلى النحو الأمثل وعدم الشحن الزائد، وبالتالي زيادة العمر الإنتاجي لبطاريات السيارات الكهربائية وأنظمة البطاريات.

تتراوح إشارات التبديل داخل أجهزة الشحن من المستوى 3 من 50 كيلو هرتز إلى 100 كيلو هرتز، مما يتطلب مستشعر تيار لا يقل عن 250 كيلو هرتز للحصول على القياسات المناسبة. يعد تأخير الانتشار أيضًا مهمًا جدًا لأنه أثناء تبديل الإشارات، يجب أن يكون المستشعر الحالي قادرًا على الاستجابة للتغيير بسرعة. يوفر جهاز مثل TMCS1123 من شركة Texas Instruments (TI) الحد الأقصى للخطأ بنسبة ±1.75% عبر درجة الحرارة والعمر بدون معايرة، مع معايرة نقطة واحدة تبلغ ±1.00% عبر درجة الحرارة والعمر.

نظرًا للدقة العالية والسرعة التي يتمتع بها TMCS1123 فيما يتعلق بمعلومات التدفق الحالي، توفر مواصفات الدقة والسرعة هذه القدرة على إزالة مكثفات حجب التيار المستمر في محول DC/DC معزول، مما يساعد مهندسي النظام على توفير التكلفة عند تصميم شواحن المستوى 3.

الاستشعار الحالي في العاكسات الشمسية

في أنظمة عاكس الطاقة الشمسية، تقوم أجهزة الاستشعار الحالية بقياس التيار المتدفق في عدة تكوينات – مثل مدخلات التيار المتردد والتيار المستمر للعاكسات، وتعزيز التيار المستمر/التيار المستمر، ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر، ومخرجات الشبكة – للمساعدة في مراقبة عملية تحويل الطاقة والتحكم فيها. . قد تصل مستويات الجهد على قضبان الطاقة حيث يتم استشعار التيار في محولات الطاقة الشمسية السكنية إلى 1000 فولت_{العاصمة} ولكن عادة ما تكون حوالي 500-600 فولت_{العاصمة} على المدخلات الكهروضوئية وبارتفاع يصل إلى 400 فولت_تكييف لمدخلات ومخرجات الشبكة. يساعد الاستشعار الحالي على تحسين أنظمة عاكس الطاقة الشمسية من خلال ضمان التوصيل الموثوق والمناسب لمستويات الطاقة والترددات على مخرجات الشبكة بحيث تكون جميع الأحمال في منطقة التشغيل الآمنة (SOA).

تشبه إشارات التبديل في محولات الطاقة الشمسية تلك الموجودة في شواحن السيارات الكهربائية، عند 50 كيلو هرتز إلى 100 كيلو هرتز. بالإضافة إلى ذلك، من الممكن أيضًا استخدام أجهزة الاستشعار الحالية في التشخيص؛ على سبيل المثال، من خلال مراقبة الألواح الشمسية بحثًا عن الأعطال التي قد تشير إلى توصيلات مفكوكة أو ألواح مكسورة. يوفر TMCS1123 ±1,100 فولت_{العاصمة} من جهود العمل المعززة، وهو خيار رائع للغالبية العظمى من محولات السلسلة. يوضح الشكل 2 عدة أمثلة لاستشعار التيار والجهد المستخدم في محولات السلسلة أحادية الطور، الموضحة باللون الأحمر.

اعتبارات تصميم الاستشعار الحالي

دعونا نراجع بعض الاعتبارات الأساسية عند اختيار جهاز استشعار حالي لشحن المركبات الكهربائية وأنظمة عاكس الطاقة الشمسية:

• تصنيف الطاقة: يجب أن يكون المستشعر الحالي (سواء كان يعتمد على المغناطيسية أو على التحويلة أو أي تقنية أخرى) قادرًا على التعامل مع مستويات التيار والجهد التي يعمل بها النظام. باعتبارك المصمم، يتعين عليك تحديد التكنولوجيا المناسبة بناءً على مدخلات النظام حتى يتمكن التيار من التدفق إلى النظام دون انقطاع طوال عمره.
• الدقة: يجب أن يكون المستشعر الحالي دقيقًا بدرجة كافية لتوفير إمكانات التحكم والمراقبة المقصودة حتى يعمل النظام على النحو المنشود ضمن SOA. تساعد الدقة في الحفاظ على مستويات عالية الكفاءة مع تقليل عدد المكونات بالإضافة إلى أي توافقيات قد يتم حقنها مرة أخرى في الشبكة بسبب أنظمة التبديل المزعجة.
• عرض النطاق الترددي: السرعة هي معلمة مهمة في أنظمة التبديل. يوفر TMCS1123 عرض نطاق ترددي للإشارة يبلغ 250 كيلو هرتز وتأخير نشر قدره 600 نانوثانية، مما يوفر سرعة كافية للنظام لإجراء القياسات المناسبة. لدى TI أجهزة إضافية عالية السرعة قيد التطوير بأبعاد ميكانيكية مماثلة. لقد لاحظنا باستخدام أجهزتنا أنه كلما زاد عرض النطاق الترددي، انخفض الانتشار.
• التكلفة: يجب تبرير تكلفة المستشعر الحالي من خلال الفوائد التي يوفرها. تقتصر مستشعرات تأثير هول المضمنة بشكل عام على نطاق تيار محدد، في حين تتمتع الأنظمة القائمة على التحويلة بمرونة أكبر، حيث يمكنك اختيار قيمة مقاومة التحويل بناءً على معلمات النظام.

تقنيات الاستشعار الحالية القائمة على التحويلة

تعد أجهزة استشعار التيار القائمة على تأثير هول والتحويل من بين أكثر أنواع التقنيات شيوعًا المستخدمة في شحن المركبات الكهربائية وأنظمة العاكس الشمسي والأنظمة الأخرى التي تتطلب استشعار التيار.

تعد أجهزة الاستشعار الحالية المعتمدة على التحويلة أكثر دقة بشكل عام من أجهزة الاستشعار الحالية ذات تأثير هول عبر النطاق الحالي بأكمله. إن استخدام تقنيات مكبر الصوت المستقر أو المحولات التناظرية إلى الرقمية ومقاومات التحويل الدقيقة يمكن أن يتيح دقة أفضل من 1% على نطاق القياس الحالي الكامل ودرجة الحرارة والعمر. قد تكون الحلول المعتمدة على التحويلة بسيطة مثل مضخم التشغيل، أو مضخم تحسس التيار المصمم خصيصًا لهذا الغرض (مثل TI’s INA241A)، أو مضخم معزول للجهد العالي (مثل TI’s AMCS1300B) أو مُعدِّلات سيجما-دلتا ذات مخرج رقمي (مثل TI’s AMCS1300B). مثل AMCS1306 من TI). تقوم هذه المضخمات بشكل عام بمراقبة انخفاض الجهد عبر مقاومة التحويل وتوفر خرج جهد متناسب. يتمتع كل حل بقدرات مختلفة فيما يتعلق بجهود التشغيل والإزاحة والانجراف وعرض النطاق الترددي وسهولة الاستخدام. وكما هو الحال مع حلول تأثير هول المضمنة في العبوة، فإن أجهزة الاستشعار المعتمدة على التحويل هي تقنيات غازية حيث توجد مقاومة، ويشكل تبديد الطاقة مصدر قلق كبير للتصميم العام.

تقنيات الاستشعار الحالية بتأثير هول

تحظى أجهزة استشعار التيار ذات تأثير هول المضمنة بشعبية كبيرة في أنظمة الجهد العالي، حيث توفر مستويات عزل معززة أو مزدوجة. ومع ذلك، فإن أجهزة استشعار تيار تأثير هول معروفة بالانجراف عبر درجة الحرارة والعمر. في TI، قمنا بتقليل خطأ الانجراف لـ TMCS1123 بشكل كبير إلى ±0.5%. يحتوي الجهاز على استشعار تفاضلي لتأثير هول، مما يقلل بشكل كبير من تداخل المجال المغناطيسي أو الحديث المتبادل، بالإضافة إلى العديد من الميزات الأخرى، مثل اكتشاف التيار الزائد، ومرجع الجهد الدقيق ووظيفة تنبيه المستشعر (انظر الشكل 3). مع الحلول المضمنة في العبوة، يتدفق التيار عبر العبوة الموجودة على إطار الرصاص، مما يضع مقاومة إطار الرصاص وقيودًا حرارية لقالب السيليكون مما يحد من مقدار التيار الذي يمكن للجهاز التعامل معه. تتيح مجموعة الأجهزة TMCS1123 75 أمبير_rms عند 25 درجة مئوية.

تشمل الحلول الأخرى أجهزة استشعار تأثير هول المحيطة أو أجهزة استشعار بوابة التدفق (مثل DRV401 الخاصة بشركة TI)، والتي قد تتطلب أنواعًا مختلفة من النوى أو الدروع أو التصميمات الميكانيكية لتعمل بشكل مناسب والتي قد تعاني أيضًا من أخطاء الإزاحة حيث يتحرك الجهاز أو اللوحة أثناء التصنيع أو الاستخدام النشط، مما قد يغير دقة القياس.

هناك العديد من تحديات التصميم في التطبيقات ذات الجهد العالي والتي تجعل الأنظمة أكثر صعوبة وأكثر تكلفة في التصميم. بفضل محفظة TI ومواردها، يمكنك معالجة مشكلات التصميم بشكل فعال وبسرعة وبالسعر المناسب، مما يمكّن التقدم التكنولوجي من الوصول إلى الجماهير وإحداث تأثير أكبر على حياتنا.

كايل ستون هو مهندس تسويق المنتجات لخط الإنتاج الحالي واستشعار الموضع في شركة Texas Instruments.