تعزيز أداء المركبات ذات التهوية الأقل: تحليل مقارن لتقنيات عاكس نظام نقل الحركة

أصبحت السيارات الكهربائية الخفيفة ذات شعبية متزايدة في العديد من المدن في جميع أنحاء العالم، وخاصة في المناطق التي يشكل فيها تلوث الهواء مشكلة كبيرة. يختار الأفراد سيارات LEV كبديل أكثر صداقة للبيئة وفعالية للسيارات التقليدية التي تعمل بالبنزين.

أدى التقدم في المحركات الكهربائية والبطاريات والبنية التحتية للشحن الأكثر قوة وكفاءة إلى جعل المركبات الكهربائية ذات التهوية الأقل أكثر جدوى ويمكن الاعتماد عليها للاستخدام اليومي. ويتوقع المحللون أن يشهد سوق المركبات الكهربائية منخفضة الطاقة معدل نمو سنوي مركب يبلغ 10.6% خلال الإطار الزمني المتوقع. ومن المتوقع أن ترتفع القيمة السوقية من 98.2 مليار دولار في عام 2024 إلى 268.0 مليار دولار بحلول عام 2034.

أحد المكونات الحاسمة في سيارات LEV هو عاكس نظام نقل الحركة، الذي يحول البطارية DC إلى تيار متردد بكفاءة لتشغيل المحرك الكهربائي. هذه المقالة مبنية على محاضرة¹ يستكشف المؤتمر، المنعقد في منتدى التعاون الاقتصادي لآسيا والمحيط الهادئ (APEC 2024)، إمكانات أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع (WBG)، وخاصة كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم، لتعزيز كفاءة وكثافة الطاقة لمحولات نظام نقل الحركة LEV مقارنة بالتصميمات التقليدية القائمة على السيليكون.

الهدف هو كفاءة أعلى

إن السعي الحثيث للحصول على مركبات LEV عالية الأداء يستلزم محولات ذات كفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى. حددت وزارة الطاقة الأمريكية هدفًا طموحًا يتمثل في تحقيق كثافة طاقة عاكسة تبلغ 100 كيلووات/لتر بحلول عام 2025، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى التقنيات الثورية. في حين أن بعض صانعي السيارات الكهربائية قد أظهروا تقدمًا كبيرًا في كثافة طاقة العاكس من خلال اعتماد SiC، إلا أن معظم الشركات المصنعة للمعدات الأصلية الرائدة لا تزال تتعامل مع العاكسات في نطاق 15-20 كيلو واط / لتر.

تمتلك أشباه الموصلات WBG خصائص مادية متفوقة مقارنة بالسيليكون، مما يمكنها من العمل بجهد ودرجات حرارة أعلى مع انخفاض خسائر التبديل والتوصيل. ويترجم هذا إلى مكاسب كبيرة في الكفاءة وإمكانية التصغير، مما يؤدي إلى تصميم عاكس أكثر كثافة.

لا يوجد بحث يحدد على وجه التحديد فوائد استخدام محولات نظام نقل الحركة المستندة إلى WBG لمركبات LEV. يهدف البحث المقدم في هذه المقالة إلى قياس هذه الفوائد لتطبيقات LEV.

متطلبات التصميم

بالنسبة للمركبات الكهربائية منخفضة الطاقة، يُفضل استخدام طوبولوجيا العاكس التقليدية ذات الستة مفاتيح نظرًا لموثوقيتها العالية وقلة صيانتها وبساطتها وفعاليتها من حيث التكلفة وصغر حجمها. لهذه الأسباب، لا يُفضل استخدام محولات التعزيز، في حين يتم استخدام تعديل عرض النبضة ذات الاتجاه الفضائي غالبًا بسبب الاستخدام الفعال لجهد وصلة التيار المباشر وتقليل تشويه تيار/جهد المحرك في محولات الجر.

بالنسبة لتصفية وصلة التيار المستمر، يعد اختيار المكثف جانبًا حاسمًا. عادة، يتم تفضيل المكثفات الخزفية ذات الأغشية والمكثفات الخزفية متعددة الطبقات على نظيراتها الإلكتروليتية نظرًا لكثافة سعتها العالية وملاءمتها لتطبيقات السيارات.

نظرًا لأن الإدارة الحرارية تؤثر على كفاءة العاكس وكثافة الطاقة، فإن نظام التبريد الفعال، مثل التبريد السائل، هو الخيار المفضل لتدفق حرارة جهاز أشباه الموصلات أعلى من 500 واط / سم² وأجهزة الطاقة WBG ذات مساحة سطح اتصال منخفضة من الهيكل إلى المبدد الحراري.

قدمت الأبحاث منهجيات مفصلة لنمذجة خسائر العاكس وحجمه. بناءً على ذلك، يتم حساب الكفاءة وكثافة الطاقة الحجمية، مع دمج الأخيرة لعامل استخدام الحجم لمراعاة ضغط التغليف. يأخذ تقدير التكلفة في الاعتبار التكلفة المجمعة لأشباه الموصلات والمشتتات الحرارية والمكثفات والمحركات وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة.

المحاكاة والتحقق التجريبي

تم استخدام أدوات PLECS لتطوير نماذج محاكاة عاكسة مفصلة، ​​تتضمن نماذج حرارية تعتمد على البيانات من الشركات المصنعة للأجهزة. تم إجراء عمليات محاكاة لعاكس مجموعة نقل الحركة بقدرة 10 كيلو فولت أمبير باستخدام WBG (SiC/GaN) المتطورة والأجهزة القائمة على السيليكون عبر ثلاثة مستويات جهد لوصلة التيار المستمر (72 فولت، و150 فولت، و300 فولت)، كما هو موضح في الجدول 1. يتم التحقق من صحة عمليات المحاكاة مقابل النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها من النماذج الحرارية المقدمة من الشركة المصنعة.

تم وصف نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها لمحولات مجموعة نقل الحركة المعتمدة على SiC والسيليكون بقدرة 10 كيلو فولت أمبير عند جهد وصلة تيار مستمر 300 فولت في المقالة [1]. يوضح الشكل 1، على سبيل المثال، نتائج المحاكاة لعاكس مجموعة نقل الحركة القائم على GaN بقدرة 10 كيلو فولت أمبير عند جهد وصلة تيار مستمر 150 فولت.

تظهر نتائج المحاكاة انخفاضًا كبيرًا في خسائر أشباه الموصلات (حوالي 50%) عند الانتقال من السيليكون إلى أجهزة WBG (SiC أو GaN). علاوة على ذلك، فإن زيادة جهد وصلة التيار المستمر يمكن أن تقلل من خسائر التوصيل، بشرط توفر حزم بطاريات متوافقة ويمكن للمحرك توليد عزم دوران كافٍ عند التيارات المنخفضة.

تطوير النموذج الأولي والأداء

لمقارنة الأداء النظري الذي تنتجه النماذج مع النتائج التجريبية، تم إعداد نموذجين أوليين للعاكس: أحدهما يستخدم وحدة SiC MOSFET تعمل بجهد وصلة تيار مستمر 300 فولت والآخر يستخدم GaN HEMT عند جهد 150 فولت تيار مستمر. – ربط الجهد .

حقق النموذج الأولي SiC MOSFET كفاءة بنسبة 98.75% وكثافة طاقة تتجاوز 40 كيلووات/لتر. يقدم GaN نتائج واعدة أيضًا، حيث من المتوقع أن يوفر النموذج الأولي لوصلة التيار المستمر بقدرة 150 فولت كفاءة بنسبة 98.9% وكثافة طاقة تتجاوز 45 كيلووات/لتر (الشكل 2). تعمل هذه النتائج على ترسيخ إمكانات تقنيات WBG لتحقيق كفاءة فائقة وكثافة طاقة في محولات نظام نقل الحركة LEV.

العمل المستقبلي

وإليك لمحة عن التطورات المستقبلية المحتملة:

• تقنيات التبديل الناعم: بينما يركز البحث على طبولوجيا التبديل الصعب، فإن استكشاف تقنيات التبديل الناعم مثل تبديل الجهد الصفري أو تبديل التيار الصفري يمثل فرصة لمزيد من تحسينات الكفاءة. ومع ذلك، فإن تحقيق التبديل الناعم الكامل عبر نطاق التشغيل بأكمله قد لا يكون ضروريًا أو عمليًا، ويتطلب نظام تعديل مثاليًا يزيد من الكفاءة إلى الحد الأقصى خلال دورة محرك LEV النموذجية.
• التغليف والتكامل المتقدم: يمكن لحلول التغليف المبتكرة ذات الطفيليات المنخفضة والتوصيل الحراري العالي أن تزيد من تعزيز أداء العاكس. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي دمج دوائر التشغيل ومحركات البوابة على نفس الشريحة مثل أجهزة الطاقة إلى تصميم أكثر إحكاما وكفاءة.
• تطوير مواد WBG: تعد الأبحاث الجارية في ركائز GaN وهياكل cascode لـ GaN HEMTs بقدرات جهد أعلى ومقاومة أقل، مما يحتمل أن يتيح التشغيل عند جهد كهربائي أعلى لوصلة التيار المستمر لتحقيق المزيد من مكاسب الكفاءة.
• التحسين على مستوى النظام: يمكن أن يؤدي تحسين نظام نقل الحركة LEV بأكمله، بما في ذلك العاكس والمحرك والبطارية، إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة. قد يتضمن ذلك التصميم المشترك للعاكس والمحرك للاستفادة من نقاط القوة في أجهزة WBG واستكشاف إمكانيات مثل سرعات تشغيل المحرك الأعلى.
• استراتيجيات خفض التكلفة: على الرغم من أن أجهزة WBG تقدم فوائد كبيرة في الأداء، إلا أن تكلفتها الأولية يمكن أن تكون أعلى من تكلفة السيليكون. سيكون استكشاف استراتيجيات خفض التكلفة من خلال التقدم في عمليات التصنيع وعلوم المواد أمرًا بالغ الأهمية لاعتمادها على نطاق أوسع في تطبيقات المركبات ذات التهوية الأقل من حيث التكلفة.

توضح نتائج التقييم المقترح المزايا الكبيرة لاعتماد أجهزة WBG من حيث تحقيق كفاءة أعلى وكثافة طاقة أعلى بكثير في محولات مجموعة نقل الحركة ذات الجهد المنخفض، مع الحد الأدنى من الزيادة في التكلفة.

من خلال الاستفادة من تكنولوجيا WBG واستكشاف السبل المذكورة أعلاه، يمكن للباحثين والمهندسين إنشاء جيل جديد من محولات LEV عالية الكفاءة وصغيرة الحجم وقوية، مما يمهد الطريق لمستقبل نقل أكثر استدامة وكهرباء.

مرجع

¹مانوهار، س.س. (2024). “التقييم المقارن لمحولات مجموعة الحركة المعتمدة على SiC/GaN/Si للمركبات الكهربائية الخفيفة.” مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

تم نشر المقالة تعزيز أداء المركبات ذات التهوية الأقل: تحليل مقارن لتقنيات عاكس نظام نقل الحركة لأول مرة على Power Electronics News.