البطاريات

حزم بطاريات السيارات الكهربائية “EV” عالية الجهد.. الفوائد والتحديات

 

في عام 2020 ، سلمت بورش ما يزيد عن 20000 وحدة من طراز تايكان EV الفاخر؛ أول سيارة من شركة كبرى لصناعة السيارات تستخدم بطارية 800 فولت ، وهو ما يزيد عن ضعف الجهد الكهربيويبدو أن العديد من المركبات الكهربائية الأخرى ستتبع قريبًا في مسارات تايكان.

قالت شركة Delphi Technologies مؤخرًا إنها ستوفر محولات بقدرة 800 فولت لثلاثة من أكبر أربع شركات تصنيع سيارات عالمية في السنوات القليلة المقبلة. كما أصدرت كل من كيا وهيونداي تفاصيل حول معمارية 800 فولت القادمة ، وقالت جنرال موتورز إن سيارتها Hummer EV 2022 ستتمتع بقدرة فريدة على تبديل حزمة بطاريتها من 400 فولت إلى 800 فولت للشحن.

ويبدو أن تقنية كربيد السيليكون (SiC) يتم تبنيها بسرعة من قبل مصنعي السيارات الكهربائية. هذا لأن النوع هو الوحيد الذي يمكنه كبديل لأشباه الموصلات من  تصنيف VA كافٍ للاستخدام خاصة في عاكس الجر للسيارات EV هو IGBT ، و 1،200 / 1700 V IGBTs هي أجهزة بطيئة نسبيًا ، مما يحد من أقصى تردد PWMمطلوب . من المؤكد أن هذه ليست مشكلة كبيرة بالنسبة لعاكس الجر ، حيث يمكن إنتاج التيارات الجيبية عالية الجودة بترددات PWM منخفضة نسبيًا ، ولكن بالنسبة للشاحن وأي محولات طاقة أخرى تعمل بجهد الحزمة ، هناك دافع كبير لذلك دفع تردد التبديل أعلى بكثير ، لأن ذلك يقلل من حجم (وتكلفة) كل من المكونات المغناطيسية (المحولات والمحثات) ، وكذلك مكثفات تخزين الطاقة (على سبيل المثال لوصلة التيار المستمر ، ومرشحات الإخراج ، وما إلى ذلك).

كما هو الحال مع معظم الأشياء في الهندسة ، فإن الزيادة الكبيرة لجهد العبوة ليست شيئًا جيدًا بشكل لا لبس فيه ، وهذا حتى بدون استدعاء حجة الاختزال (على سبيل المثال إذا كانت 1 كيلو فولت أفضل من 100 فولت ، فإن 10 كيلو فولت أفضل من 1 كيلو فولت ، إلخ.). ومع ذلك ، هناك بعض الفوائد لزيادة جهد الحزمة ، وأكثرها وضوحًا هو أنه ستكون هناك حاجة إلى مساحة مقطع عرضي أقل في النحاس للتعامل مع نفس المقدار من الطاقة (يقابلها زيادة في سماكة العزل لتحمل الجهد العالي).

بالنظر إلى أن بعض أجهزة الشحن السريع التي تعمل بالتيار المستمر قد لجأت بالفعل إلى التبريد السائل لكابلات الشحن لتقليل ارتفاع درجة الحرارة بشكل يمكن التحكم فيه ، فإن زيادة الجهد لتعزيز الطاقة المقدمة بدلاً من التيار يبدو حلًا أكثر منطقية ، بل إنه يوفر نقطة مئوية أو اثنين في الكفاءة .

من المزايا الأقل وضوحًا لتشغيل جهد حزمة أعلى ، والتي يمكن القول إنها أكثر في عالم النظرية ، أنه يمكن دفع RPM لمحرك الجر إلى أعلى دون فقدان عزم الدوران . بالطبع ، ينطبق مبدأ “لا غداء مجاني” هنا أيضًا ، حيث أن خسائر التيار المتردد في المحرك – كل من النحاس (أي عدد اللفات) والحديد (أي الدائرة المغناطيسية) – تتزايد مع عدد الدورات في الدقيقة ، هناك أيضًا حد ميكانيكي لمدى الارتفاع الذي يمكنك دفعه لعدد الدورات في الدقيقة قبل أن “يتفكك الدوار ذاتيًا بسرعة”.

على الرغم من ذلك ، لكي نكون منصفين ، فإن عزم الدوران يتناسب مع التيار ، كما أن الخسائر المقاومة للملفات تتناسب بشكل كبير مع التيار (أي من I2R مرة أخرى) ، لذا فإن المطالبة بمزيد من عزم الدوران للحصول على مزيد من الطاقة من محرك معين يتعارض مع قانون التناقص. هذا هو السبب في أنه لا يمكنك استخراج قدر كبير من الطاقة بشكل تعسفي من محرك معين ، ولماذا قد تكون فوائد زيادة الجهد أو التيار في نفس المحرك نظرية أكثر منها فعلية.

ومع ذلك ، يمكن لمعظم المحركات تحمل الأحمال الزائدة المذهلة (3x-10x ، اعتمادًا على النوع) لفترات زمنية وجيزة ، وهي خاصية مثالية لتطبيقات جر المركبات الكهربائية.

قد لا يبدو أن زيادة جهد الحزمة سيكون لها تأثير كبير على العبوة نفسها ، ولكن هناك بعض المشكلات التي يجب أخذها في الاعتبار ، وأكثرها وضوحًا هو أن الجهد العالي من المرجح أن يتسبب في حدوث صعق كهربائي إذا لمس المرء عن غير قصد جزء من دائرة البطارية.

ومما يثير القلق أيضًا أن الفولتية العالية من المرجح أيضًا أن تحتاج قوسًا عازلا، وستتطلب الأقواس المذكورة مزيدًا من المسافة الفاصلة. هذا يؤثر بشكل رئيسي على بناءny الصمامات في دائرة البطارية .

هناك فائدة أخرى لجهد الحزمة الأعلى وهي تقليل طول وحجم الأسلاك اللازمة لكابل الشحن لمخرج طاقة معين (أي معدل الشحن). هذا ليس غير منطقي كما قد يبدو للوهلة الأولى ، لأن كابل الشحن يمكن أن يكون ثقيلًا بشكل غير متصوربمجرد أن تحتاج إلى توصيل أكثر من 125 أمبير أو نحو ذلك باستخدام شاحن سريع بقدرة 350 كيلوواط تيار مستمر كمثال ، يتطلب شحن حزمة 350 فولت  1000 أمبير ، في حين أن حزمة 800 فولت ستنخفض إلى حوالي 440 ألفًا لحمل 1 كيلو أمبير مع ارتفاع مقبول في درجة الحرارة يتطلب أسلاك بحجم 750 مليون متر مكعب على الأقل (750.000 ميل دائري ، أو 380 مم 2 في المساحة) ، يزن كل منها حوالي 3.7 كجم / م . وبالتالي كابل الشحن النموذجي بطول 5 أمتار لن يقل وزنه عن 37 كجم . ومن ثم ، فإن الذهاب إلى مشكلة التبريد السائل للسلك للتخلص من مقياس أصغر يبدأ في الظهور ، يمكن توصيل 440 أمبير اللازمة لتحقيق نفس مستوى الطاقة مع حزمة 800 فولت بأسلاك 4/0 (حوالي 107 مم 2 في المنطقة) التي تزن حوالي 1.2 كجم / م  لكل منها ، لذلك عندئذٍ يزن الكابل الذي يبلغ طوله 5 أمتار حوالي 12 كجم (~ 27 #).

حتى كابل 12 كجم / 27 # سيكون على الجانب غير العملي  37 كجم  سيكون من السهل التحكم فيه مثل الأناكوندا الحية! من الصحيح الآن أن الأسلاك الخاصة بكابل حزمة الجهد العالي ستحتاج إلى عزل أكثر سمكًا – هناك بالفعل تغيير تدريجي في معظم متطلبات وكالة السلامة عند 600 فولت ، ولكن التأثير النسبي هنا ضئيل ، حيث أن طبقة العزل هي عادةً ما يكون سمكها بضعة مم فقط ، والمواد المستخدمة – PVC ، EPDM ،  وهي حوالي 1/8 من كثافة النحاس.

يتم تحديد النوع الأمثل لمفاتيح التبديل والصمامات الثنائية أشباه الموصلات التي يتم استخدامها على مستوى العبوة 800 فولت بشكل أقل وضوحًا مقارنةً باختيار المكثف ، وسيعتمد الفائز النهائي بشكل كبير على تردد التبديل وتيار RMS ، أخيرًا ، من المرجح أن تكون زيادة جهد الحزمة من 350 فولت إلى 800 فولت خطوة تطورية إلى الأمام أكثر من كونها خطوة ثورية ، لكنها تبدو وكأنها تقدم منطقي بشكل عام.

 

إقرأ أيضا:

ثورة في قدرة البطارية الكهربائية.. تضاعفت ثلاث مرات بالكامل

المصدر

اظهر المزيد

اترك تعليقاً

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

زر الذهاب إلى الأعلى