أخبار التكنولوجيا

شواحن MW للمركبات الكهربائية الثقيلة التي تستخدم الثايرستور


يساهم النقل الشخصي والتجاري حاليًا في ما يقرب من ثلث انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. تتضمن بعض العقبات التي تحول دون الاعتماد الأوسع للسيارات الكهربائية (EVs) نطاق البطارية ووقت الشحن والبنية التحتية للشحن.

تم الآن تحديد معايير مركبات الركاب الكهربائية (EVs) بشكل أفضل ، مع قيام فريق عمل مبادرة واجهة الشحن (CharIN) بتطوير مواصفات نظام الشحن المشترك (CCS) ، والذي يسمح بشحن سريع للتيار المستمر (DCFC) عند مستويات طاقة تصل إلى 350 كيلو واط عند تبلغ الفولتية للحافلات 800 فولت. مستويات الطاقة هذه مناسبة لمعظم سيارات الركاب ذات المحركات في نطاق 100 كيلو وات وبطارية سعتها من 50 إلى 100 كيلو وات في الساعة.

عادة ما تستهلك الشاحنات الثقيلة للنقل التجاري حوالي 2 كيلو واط في الساعة / كم ويمكن أن يكون لها قدرة بطارية تبلغ حوالي 500 كيلو واط في الساعة. هذا يؤدي إلى متطلبات مستويات شحن ميجاوات. نظام الشحن Megawatt Charging System (MCS) هو معيار متطور لشحن المركبات الثقيلة وعالي القوة والحافلة EV تم إنشاؤه بواسطة CharIN. ستسلط هذه المقالة الضوء على عرض تقديمي بعنوان “MW-Chargers for Heavy-duty EVs” قدمه الدكتور Martin Schulz ، مهندس التطبيق الرئيسي العالمي ، Littelfuse في مؤتمر PCIM Europe 2023.

معايير الشحن

لا تزال مسودة معايير MCS لمستويات الطاقة وأنماط الموصل ومتطلبات التبريد وما إلى ذلك في حالة تدفق ، على الرغم من أن الإرشادات الأولية تسرد أقصى جهد يبلغ 1250 فولت والمستوى الحالي 3000 أمبير (تيار مستمر). يوضح الشكل 1 مستويات جهد CCS و MCS الحالية والمستويات الحالية لشحن EV.


08.10.2023

كهربة المركبات التي تسير على الطرق الوعرة

08.10.2023

يؤدي الطلب على التطبيقات الطبية الذكية إلى توفير فرص عمل جديدة لرقائق الذاكرة

08.09.2023

الشكل 1: معايير شحن المركبات الكهربائية (من M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023).
الشكل 1: معايير شحن المركبات الكهربائية (المصدر: M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023)

شواحن كهربائية تقليدية

تحتاج أنظمة الشحن إلى عزل كلفاني من أجل السلامة وقد أخذ النهج التقليدي مصدر الطاقة الوارد من خلال مرحلة تصحيح معامل القدرة (PFC). يمكن أن يتبع ذلك محول DC-DC معزول مثل جسر نشط مزدوج أو مرحلة LLC ، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2: نظام الشحن التقليدي (من M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023).
الشكل 2: نظام الشحن التقليدي (المصدر: M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023)

يوفر كربيد السيليكون (SiC) العديد من المزايا مقارنة بـ IGBTs التقليدية القائمة على السيليكون في مراحل تحويل الطاقة ، مثل الخسائر الأقل بكثير عند تصنيف طاقة معين ، والقدرة على التبديل بشكل أسرع وبالتالي تقليل حجم العناصر المغناطيسية ، وتحسين درجة الحرارة العالية عملية. يمكن أن توفر كل وحدة شاحن موضحة في الشكل 2 بشكل نموذجي 60 إلى 100 كيلو واط وستحتاج إلى تكديسها لتحقيق متطلبات الطاقة الصافية وتكرار النظام. تم الإبلاغ عن الكفاءات في نطاق 97-98٪. في حين أن شواحن SiC تتيح كثافات مدمجة وعالية الطاقة للركاب EV DCFC ، فإن السؤال هو ما إذا كانت ستناسب أيضًا القوى الأعلى المطلوبة لـ MCS.

الثايرستور

الثايرستور عبارة عن أجهزة ذات أربع طبقات ، وثلاث أطراف ، وثنائية الأقطاب ، ويتم التحكم فيها حاليًا في الأسواق لأول مرة في عام 1958. وقد سمح التوصيل الممتاز للتيار ثنائي القطب بتحقيق معدلات للتيار والجهد تصل إلى 6000 أمبير و 12000 فولت في الثايرستور Si1. المقومات التي تعتمد على الثايرستور هي مكونات أساسية في تطبيقات مثل التحليل الكهربائي. تستخدم محركات الجهد المتوسط ​​العاكسات القائمة على الثايرستور لتبديل الأحمال في تطبيقات مثل الضواغط ومحركات الأقراص البحرية بقدرات تصل إلى 100 ميجاوات. تُستخدم المحولات عالية الطاقة القائمة على الثايرستور في أنظمة التيار المباشر عالية الجهد (HVDC) وأنظمة نقل التيار المتردد المرنة (FACTS) ، حيث يتم التبديل عند تردد الخط من 50-60 هرتز. تسمح قدرتهم على حجب الجهد ثنائي الاتجاه بتبديل الخط. الموثوقية العالية ، والكفاءة ، والحمل الزائد ، وقدرة التيار الزائد تمنحهم مزايا لا مثيل لها في مثل هذه التطبيقات.

شواحن MW للمركبات الكهربائية الثقيلة التي تستخدم الثايرستور

اقترح Littelfuse نظام شاحن EV للشاحنة الثقيلة قادر على MW يعتمد على الثايرستور. يوضح الشكل 3 نظرة عامة على النظام. هنا ، تحقق محولات الجهد المتوسط ​​التي تستقبل طاقة التيار المتردد MV الواردة عزلًا كلفانيًا. هذا يلغي المحول ومرحلة محول LLC ويؤدي إلى طبولوجيا أبسط.

الشكل 3: نظرة عامة على شاحن شاحنة MW للخدمة الشاقة استنادًا إلى الثايرستور (من M. Schulz ، Littelfuse في PCIM 2023).
الشكل 3: نظرة عامة على شاحن شاحنة MW للخدمة الشاقة استنادًا إلى الثايرستور (المصدر: M. Schulz ، Littelfuse في PCIM 2023)

الثايرستور N1718NC200 المستخدم في طوبولوجيا B12H أو B12C للثايرستور له تصنيف 1718 A و 2000 V. يوضح الشكل 4 منظرًا علويًا لهذا الجزء في حزمة Press-pack ، بالإضافة إلى بعض حسابات الكفاءة في هذا التطبيق. من المتوقع أن تتراوح زاوية إطلاق هذا التطبيق عالي الجهد بين 0-30 درجة ، مما يؤدي إلى توليد طاقة منخفضة التفاعل.

الشكل 4: الثايرستور N1718NC200 من Littelfuse وتصوير تقدير الكفاءة لكل جسر عند مستوى تحويل 1000A (من M. Schulz ، Littelfuse في PCIM 2023).
الشكل 4: الثايرستور N1718NC200 من Littelfuse وتصوير تقدير الكفاءة لكل جسر عند مستوى تحويل 1000A (المصدر: M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023)

مقارنة بشاحن MW القائم على SiC

سيكون للنظام القائم على الثايرستور الموضح في الشكل 3 خسارة قدرها 2212 واط لكل جسر ، مما يؤدي إلى خسارة إجمالية قدرها 4423 واط في الترتيب B12. هذا يعادل كفاءة 99.8٪ لإجمالي 2.5 ميجاوات. تؤدي مقارنة شاحن مشابه تم إنشاؤه باستخدام SiC MOSFETs في النظام الموضح في الشكل 2 إلى أن كل وحدة 60 كيلوواط قد تحتاج إلى 44 قالبًا. سيحتاج الشاحن 2.5 ميجاوات إلى إجمالي 1600 SiC MOSFET يموت. فيما يتعلق بمتطلبات التبريد ، عند مستوى كفاءة 97٪ ، فإن الشاحن 2.5 ميغاواط سيحدث خسارة قدرها 75 كيلو واط. ومن ثم فإن ذلك يحتاج إلى مبرد سائل (مبرد) يستهلك حوالي 25 كيلو وات من الطاقة ، مما يؤدي إلى خسارة صافية قدرها 100 كيلو وات. مع خسارة أقل بكثير ، يمكن تبريد الشاحن القائم على الثايرستور بالهواء ، والذي يستهلك حوالي 600 واط فقط لتشغيل المراوح. وبالتالي فإن الخسارة الإجمالية تبلغ حوالي 5 كيلو واط (4.4 كيلو واط + 0.6 كيلو واط). يوضح الشكل 5 الميزة الكبيرة التي يتمتع بها النظام القائم على الثايرستور من حيث الحجم والحجم.

الشكل 5: مقارنة بين أبعاد الشاحن 2.5 ميجاوات باستخدام SiC المبرد بالسائل وثايرستور مبرد بالهواء (من M. Schulz ، Littelfuse في PCIM 2023).
الشكل 5: مقارنة بين أبعاد الشاحن 2.5 ميغاواط باستخدام SiC المبرد بالسائل وثايرستور مبرد بالهواء (المصدر: M. Schulz، Littelfuse في PCIM 2023)

يسرد الشكل 6 مقارنات التكلفة التشغيلية بين شواحن MW القائمة على SiC MOSFET والقائمة على الثايرستور. يتم تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة والتكلفة من خلال النهج القائم على الثايرستور. حتى إذا تمت إضافة التكرار N + 1 إلى الدائرة ، أي استخدام 24 ثايرستور بدلاً من 12 ، فستظل الكفاءة التشغيلية ومزايا التبريد.

الشكل 6: مقارنة بين تكاليف التشغيل لشواحن 2.5 ميجاوات باستخدام كربيد كربيد سائل المبرد وثايرستور مبرد بالهواء (المصدر: 2).
الشكل 6: مقارنة بين تكاليف التشغيل لشواحن 2.5 ميجاوات باستخدام كربيد كربيد سائل المبرد وثايرستور مبرد بالهواء (المصدر: 2)

خاتمة

يمكن أن تتمتع الثايرستور بالعديد من مزايا تحويل الطاقة في تردد الخط وتطبيقات الطاقة العالية. يعد MCS للمركبات الكهربائية شديدة التحمل مثالًا رئيسيًا حيث يمكن استخدام خسارة التوصيل المنخفضة ، وتصنيف الطاقة العالية ، والأداء القوي والموثوق والمثبت لأجهزة Si هذه بشكل كبير.

في مقابلة في PCIM 2023 ، علق Martin Schulz ، “الثايرستور لها تاريخ طويل من التشغيل الموثوق به للغاية. يمتد الثايرستور Littelfuse على مستويات طاقة مختلفة ويستخدم في تطبيقات مختلفة من حماية تحويل المخل إلى تحويل الطاقة للتحليل الكهربائي. يمكنهم توفير بديل أكثر كفاءة ل SiC في تطبيق شحن MW EV للمركبات الثقيلة المستخدمة في النقل التجاري. “

مراجع

1A. Huang ، “أجهزة أشباه الموصلات للطاقة للشبكة الذكية وأنظمة الطاقة المتجددة ،” وقائع IEEE ، 2017.
2M. Schulz، D، Hoffmann and M. Ketterer ، “إحياء GTOs و Thyristors كمكونات أساسية في تطبيق شاحن MW وتجديد السكك الحديدية / التعدين ،” PCIM 2022.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *