شعبية EV تتأثر بـ WBG وتكنولوجيا البطارية
تعمل المنتجات ذات الفجوة الواسعة مثل كربيد السيليكون، وقريبا نيتريد الغاليوم، على تمكين نشر المركبات الكهربائية على نطاق واسع. تعتبر وحدات SiC MOSFET فعالة في تشغيل محولات الجر مع مكاسب كبيرة في الكفاءة فيما يتعلق بـ IGBTs المصنوعة من السيليكون السائدة. وتستفيد الأنظمة الأخرى داخل السيارة الكهربائية أيضًا من ظهور تقنيات WBG، مثل محولات وأجهزة الشحن DC/DC. ولكن لا يمكن التغاضي عن الأدوار التي تلعبها المنتجات الأخرى. وتشمل هذه أنظمة إدارة البطاريات وبطاريات الليثيوم أيون.
أصبحت القضايا البيئية والاحتباس الحراري اليوم موضوعًا للمناقشات العامة حيث تحاول الصناعات والحكومات على حد سواء، على الرغم من ضعف التنسيق، معالجة الحد من الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون2 الناتجة عن الوقود الأحفوري.
الشركة السنوية2 بدأت الانبعاثات في الزيادة بعد الثورة الصناعية، وهي في ارتفاع منذ ذلك الحين. بافتراض أن خط الأساس يبلغ 6 مليارات طن في عام 1950 (وفقًا لعالمنا في البيانات)، فإن الكمية السنوية لثاني أكسيد الكربون2 تضاعفت الانبعاثات أربع مرات تقريبًا في عام 1990، واليوم تبلغ حوالي 34 مليار طن. وتمثل أوروبا والولايات المتحدة 85% من ثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات حتى النصف الأول من القرن الماضي. وقد تم عكس هذا الاتجاه حيث أصبحت آسيا (وخاصة الصين) الآن المساهم الأكبر في الاستجابة لأنماط التصنيع الناشئة. ولذلك، ليس من المستغرب أن تقود الصين سوق السيارات الكهربائية اليوم في محاولة لإزالة الكربون من اقتصادها، بدءا بالنقل البري. يولد قطاع النقل العالمي 8 مليارات طن من ثاني أكسيد الكربون2بنسبة 45% للركاب، و30% للشحن، والباقي يمثل الطيران والنقل البحري، بحسب بيانات 2018.
تمثل المركبات الكهربائية اليوم استجابة ملموسة للطلب على التنقل الإلكتروني، خاصة بعد ظهور عائلة جديدة من أشباه موصلات الطاقة، وهي ذات فجوة النطاق الواسعة. يوضح الشكل أدناه الكتل الرئيسية التي تشكل EV.
قلب أي مركبة كهربائية هو عاكس الجر الرئيسي الذي يولد شكل موجة الجهد الجيبي من مصدر التيار المستمر (البطارية) لتغذية المحرك الكهربائي. يتم وضع محول DC/DC بين النظامين الفرعيين لتنظيم الجهد العالي للبطارية. اليوم، تستخدم معظم الموديلات حافلة بقدرة 400 فولت، لكن 800 فولت يكتسب زخمًا، مما يجعل من السهل زيادة الطاقة. يمكن شحن بطاريات السيارة في وضعين: استخدام شاحن داخلي يتم تغذيته من مصدر تيار متردد، وهي عملية بطيئة، ومن خلال مصدر تيار مستمر من محطات الشحن للشحن بشكل أسرع.
ووصل عدد أجهزة الشحن المتاحة للجمهور على مستوى العالم إلى ما يقرب من 1.8 مليون في عام 2021، منها 30% عبارة عن شواحن سريعة وسريعة. وقد قامت الصين، باعتبارها الشركة الرائدة بلا منازع في مجال السيارات الكهربائية، بتركيب 85% من أجهزة الشحن السريع في العالم و55% من نقاط الشحن البطيء. يتم تصنيف الشواحن عادةً بـ 3 كيلووات (بطيء، يُستخدم في المنزل ومكان العمل)، ومن 7 كيلووات إلى 22 كيلووات (سريع، متوفر في مواقف السيارات ومحلات السوبر ماركت والأماكن العامة) وأكثر من 43 كيلووات (سريع، مثبت في الطرق السريعة ومحطات التزود بالوقود). ). يستغرق الشحن الكامل من أربع إلى ست ساعات لشاحن بقدرة 7 كيلووات، في حين يمكن لوحدة بقدرة 22 كيلووات القيام بالمهمة خلال ساعتين. وأخيرًا، يمكن للشاحن السريع أن يشحن البطارية إلى 80% من سعتها خلال 30 دقيقة.
تستفيد مثل هذه الكتل اليوم من توفر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) من كربيد السيليكون في فئتي 600 فولت و1200 فولت. يتم استخدام هذا الأخير ليس فقط في محولات الجر التي يتم تغذيتها من بطاريات 800 فولت ولكن أيضًا في أجهزة الشحن عالية الطاقة والسريعة خارج اللوحة والتي أصبحت أكثر انتشارًا في كل مكان. ما سبب أهمية أشباه الموصلات الجديدة؟ لأنها تسمح بتحسين الكفاءة بشكل منهجي.
مزايا أشباه الموصلات WBG في المركبات الكهربائية
دعونا نلقي نظرة على الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات WBG عند مقارنتها بالسيليكون. أولاً، تظهر فجوة نطاق واسعة، والتي تمثل الطاقة اللازمة للإلكترون للانتقال من نطاق التكافؤ (حيث ترتبط بالذرات) إلى نطاق التوصيل (حيث يكون حرًا في التدفق كتيار). تُترجم هذه الميزة إلى قدرة جهد حجب أعلى، حتى مع انخفاض المقاومة، مما يؤدي إلى تحسين خسائر التوصيل. الخاصية المهمة الأخرى هي القدرة المتزايدة على التبديل بشكل أسرع، مما يؤدي إلى انخفاض خسائر التبديل. يمكن لهذه المواد أيضًا أن تعمل بشكل أكثر أمانًا في درجات حرارة أعلى من السيليكون، مما يقلل من عبء تصميمات التغليف والمبدد الحراري.
على سبيل المثال، دعونا نفكر في عاكس بقدرة 210 كيلووات يعمل بسرعة 10 كيلو هرتز باستخدام بطاريات 800 فولت. نحن مهتمون بمحاكاة الكفاءة، والتي تم تعريفها على أنها صخارج ÷ (صخارج + صخسائر). من خلال تشغيل العاكس باستخدام وحدات MOSFET من SiC 1200 فولت بدلاً من IGBTs السيليكونية ذات الثنائيات المضادة للتوازي، فإننا نخفض إجمالي مساحة أشباه الموصلات بمقدار 5 × وتبديل الخسائر بعامل 4. وبالتالي، يتم تعريف الكفاءة كدالة للحمل على أنها ترتفع نسبة طاقة خرج العاكس الفعلية إلى قيمتها القصوى لتتجاوز 98٪. يكون منحنى الكفاءة “أكثر انبساطًا” على نطاق حمل كبير. وهذا مفيد للغاية، خاصة عند الأحمال المنخفضة والمتوسطة، حيث تقضي السيارة الكهربائية معظم وقتها في نمط القيادة القياسي.
اعتبارًا من اليوم، تمثل دوائر SiC MOSFET حلولًا لا مثيل لها في محولات المركبات الكهربائية. تهدف بعض الجهود إلى استخدام HEMTs من نيتريد الغاليوم في العاكسات، لكن قدرتها على الجهد 600 فولت تفرض اعتماد طبولوجيا متعددة المستويات. سوف تستفيد أجهزة الشحن ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر من GaN لأنه يمكن تشغيل هذه الأجهزة بترددات أعلى بكثير مع مزيد من التخفيض في حجم ووزن المكونات السلبية.
هناك فئتان رئيسيتان من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SiC MOSFETs) – المستوية والخندقية – ولكل منهما إيجابيات وسلبيات. من الواضح أن المعضلة التي يواجهها بائعو SiC هي ما إذا كان من المنطقي القفز مباشرة إلى الخندق، والذي يوفر على الورق مقاومة أقل على حساب بساطة العملية. من ناحية أخرى، لا يزال SiC MOSFET المستوي يُظهر هوامش كافية للتحسين دون إحداث ثورة في هيكله. يتم تقديم وحدات MOSFET المستوية SiC من قبل موردين مثل STMicroelectronics وWolfspeed وonsemi، في حين اختارت Rohm Semiconductor وInfineon Technologies خيار الخندق. توجد أيضًا SiC JFETs، والتي يتم تقديمها في حل cascode (UnitedSiC)، والتي يتم تشغيلها بشكل طبيعي.
يعد الطلب القوي على المركبات الكهربائية هو القوة الدافعة وراء نمو سوق SiC. وفقًا لشركة Strategy Analytics، سيكون معدل النمو السنوي المركب لإصدارات محركات الاحتراق الداخلي التقليدية -3% بين عامي 2022 و2027. وهذا مقارنة بـ 18% من السيارات الكهربائية xEV (بما في ذلك السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية والمتغيرات الهجينة). وتتوقع شركة Yole، وهي شركة أخرى لأبحاث السوق، أن يصل سوق SiC إلى 6.3 مليار دولار في عام 2027، ارتفاعًا من مليار دولار في عام 2021. وتمثل منتجات SiC 90٪ من إجمالي السوق، بما في ذلك البنية التحتية للشحن.
واستجابة لمعدلات النمو المرتفعة هذه، طالب مشترو أشباه الموصلات والمستخدمون النهائيون بجعل سلاسل التوريد أكثر أمانا وأكثر مرونة على نحو متزايد. ولتحقيق هذه الغاية، يحقق بعض الموردين التكامل الرأسي، حيث يتم التحكم داخليًا في جميع خطوات التصنيع بدءًا من المادة الأساسية وحتى المنتج النهائي. ووقع آخرون اتفاقيات توريد استراتيجية مع بائعي الركيزة. تهدف كل هذه الجهود إلى حماية شركات صناعة السيارات وعملاء المستوى الأول من أي انقطاع محتمل بسبب نقص المواد/المنتج الناجم عن التوترات الجيوسياسية. ويمكن قياس المكافأة من خلال العدد المتزايد باستمرار من تصميمات منصات المركبات الكهربائية.
تسير الكفاءة أيضًا جنبًا إلى جنب مع المكونات الأصغر حجمًا والأخف وزنًا، بالإضافة إلى مبددات الحرارة الأقل تطلبًا والأقل حجمًا، وكلها ميزات تحتاجها السيارة الكهربائية بشدة. ولكن ماذا يحدث للبطاريات، من وجهة نظر أشباه الموصلات؟ كيف يتم التعامل مع البطاريات داخل السيارة الكهربائية؟
أنظمة إدارة المباني
دعونا نفهم وظيفة أشباه الموصلات المهمة الأخرى التي يتمثل دورها في جعل بطاريات السيارات الكهربائية الحالية تعمل بشكل صحيح. ويتم ذلك عن طريق نظام إدارة بطاريات السيارات (BMS) الذي يمكن اعتباره “العقل” لحزمة بطارية السيارة الكهربائية، ويؤثر أدائه بقوة على نطاق القيادة وعمر البطارية للسيارة الكهربائية. وبالتالي فإن نظام إدارة المباني هو عبارة عن دائرة إلكترونية تتحكم في بطارية قابلة لإعادة الشحن (خلية أو خلايا متعددة) بهدف تعظيم أدائها الإجمالي من حيث تخزين الطاقة وعمر البطارية. يحمي نظام BMS البطارية من التفريغ العميق والجهد الزائد، والذي قد يحدث بسبب الشحن السريع للغاية وتيار التفريغ العالي للغاية. كما أنه يوفر وظائف موازنة الخلايا في حالة وجود خلايا متعددة، ويراقب صحة الخلايا ويبلغ حالة البطارية إلى الأنظمة ذات المستوى الأعلى مثل وحدات MCU. وتضمن جميع هذه الوظائف الاستخدام الأمثل للطاقة المتبقية الموجودة في البطارية.
درجة الحرارة هي معلمة حاسمة لرصدها بعناية. في حين أن درجات الحرارة المرتفعة تعمل على تقوية التفاعلات الكيميائية داخل البطارية، مما يعزز الأداء ويزيد سعة التخزين، فإن ذلك يأتي بتكلفة تتمثل في انخفاض دورة الحياة بمرور الوقت. عند درجة حرارة أعلى من 30 درجة مئوية لفترة طويلة، يتم تقليل عمر الخدمة بنسبة 20%. ومن ناحية أخرى، عند درجات الحرارة المنخفضة، تزداد المقاومة الداخلية للبطارية، مما يعني بذل المزيد من الجهد لشحنها، وهو ما يترجم إلى فقدان فعال للسعة. لولا الوظيفة الأساسية لنظام إدارة المباني، لن يتم استخدام البطارية بكفاءة وسيكون أداء السيارة الكهربائية مخيباً للآمال.
خاتمة
إن فوائد المركبات الكهربائية لا جدال فيها، لأنها يمكن أن تساعد في تسريع تحول الطاقة والتنقل الإلكتروني، مما يسمح ببيئة أنظف واقتصاد خالي من الكربون إذا تم استخدامها على نطاق واسع. وقد استجابت شركات أشباه الموصلات على الفور من خلال تقديم مكونات طاقة جديدة لمجموعة WBG والتي يؤدي اعتمادها إلى تحسينات هائلة في الكفاءة. استعدادًا لتكنولوجيا البطاريات المحسنة التي يمكن أن تغير قواعد اللعبة في جعل المركبات الكهربائية أكثر جاذبية وبأسعار معقولة، تتوفر أيضًا منتجات محددة للتعامل مع حزم البطاريات. تعد أنظمة إدارة المباني (BMSes) من المنتجات المهمة التي تدير بطاريات الليثيوم أيون للمركبات الكهربائية لضمان السلامة والكفاءة من خلال مراقبة معلمات معينة لحزمة البطارية وخلاياها الفردية.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
