تأثير تقنية العاكس على نمو سوق السيارات الكهربائية
ويشهد سوق السيارات الكهربائية نموا سريعا، مدفوعا بالحاجة إلى تلبية الطلب المتزايد على إزالة الكربون والمساهمة في تحقيق عالم أنظف وأكثر استدامة. في مقابلة مع بن ديلاند، مدير هندسة الأجهزة الكهربائية في GKN Automotive، يستكشف Power Electronics News سبب تحديد تكنولوجيا العاكس كمفتاح لنمو سوق السيارات الكهربائية.
تقنية العاكس EV
التركيز الأساسي للعاكس في نظام القيادة الكهربائية هو أخذ جهد التيار المستمر من البطارية كمدخل وعكس ذلك إلى مخرج تيار متردد، مما يدفع محرك الجر لإنتاج عزم الدوران للمركبة. نظام الشحن الموجود على اللوحة، والذي يعمل كمقوم لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، له تأثير أكبر على أوقات الشحن. ويتفاعل نظام الشحن الموجود على متن السيارة مع شاحن المستوى 1 أو المستوى 2، والذي يتم توصيله بالسيارة لتوفير خدمة الشحن من التيار المتردد إلى التيار المستمر.
في بعض الحالات، يتم دمج الشاحن والعاكس الموجودين على متن الطائرة في نظام واحد للاستفادة من كفاءات الهندسة المعمارية ذات الجهد العالي. في هذه البنية، تسمح الإدارة الحرارية لأنظمة الشحن بإخراج طاقة أكبر مما يؤدي إلى شحن أسرع.
وفقًا لديلاند، فإن مجالات التركيز الرئيسية في الصناعة لتقليل أوقات الشحن هي التالية:
- زيادة مستويات جهد بطارية السيارة إلى 800 فولت (من 400 فولت) وما بعدها. وهذا يسمح بتقليل التيار للوصول إلى نفس مستوى توليد الطاقة مع تقليل الخسائر.
- مقدمة لشواحن التيار المستمر من المستوى 3. نظرًا لأنه يتم إجراء تصحيح التيار المتردد إلى التيار المستمر خارج السيارة، يمكن توصيل المزيد من الطاقة إلى البطارية أثناء عملية الشحن.
وقال ديلاند: “مهمتنا في GKN Automotive هي قيادة عالم أكثر استدامة، ويُنظر إلى تحسين الكفاءة على أنه أمر بالغ الأهمية لنجاحنا”. “نريد الابتكار في المساحات التي تسمح لمكاسب الكفاءة هذه بتحسين النطاق للعملاء النهائيين واستهلاك طاقة أقل من الشبكة.”
كما أوضح DeLand، هناك تركيز إضافي ينصب على تسخير خبرة الشركة الواسعة في نظام الدفع الرباعي (AWD) للتمييز بين أنظمة القيادة الكهربائية لعملائها. يمكن تطبيق منتجات الديناميكيات الجانبية من أنظمة الدفع الرباعي في المركبات ذات محركات الاحتراق مباشرة على المركبات الكهربائية لتعزيز استقرار المركبات وجرها وخفة حركتها.
جوانب التكامل
في العديد من السيارات الكهربائية من الجيل الأول، يتم وضع العاكس بشكل منفصل عن محرك الجر، ويعتمد على حزام كابل ثقيل لتوصيل خرج التيار المتردد إلى المحرك. من خلال دمج العاكس في وحدة القيادة الكهربائية (EDU)، يتم استبدال مجموعة الكابلات بقضبان توصيل، والتي تقوم بإجراء اتصال داخلي بين مخرج العاكس ومدخل محرك الجر.
يؤدي ذلك إلى تحسين الكفاءة عن طريق إزالة كتلة النظام بشكل كبير بالإضافة إلى تقليل المقاومة بين العاكس ومحرك الجر، مما يؤدي إلى تقليل الخسائر الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون الوحدة الإجمالية أكثر إحكاما، حيث يمكن تصميم العاكس ليتناسب مع الملامح الطبيعية لمحرك الجر وعلبة التروس. وأخيرًا، يمكن مشاركة نظام التبريد بين العاكس ومحرك الجر بسهولة أكبر، مما يزيل التكرار المحتمل الآخر.
نظرًا لأن ما يقرب من 50% من السيارات الجديدة في جميع أنحاء العالم تتميز بأنظمة GKN Automotive، فيجب معالجة العوامل الرئيسية مثل التوافق والتكامل بين تقنية العاكس عبر المركبات المختلفة.
قال ديلاند: “أعتقد أن هيكلنا الهندسي يتطلع إلى الأمام تمامًا”. “لدينا هيكل عالمي تمامًا يتماشى مع المسؤولية الوظيفية بدلاً من المنطقة أو الموقع.
وأضاف: “إن محفظتنا موحدة حول البنية الأساسية، مع ربط العناصر الأساسية بالميزات المختلفة التي نبيعها”. “تمنح الوحدات النمطية لشركات صناعة السيارات المرونة في اختيار واختيار مكونات eDrive التي يرغبون في استخدامها مع الحفاظ على الاتساق عبر تلك الميزات المحددة.”
وقال ديلاند: “نحن فخورون بجميع الابتكارات التي قمنا بها في هذا المجال لدفع الصناعة إلى الأمام”. “على وجه الخصوص، مكننا تراثنا الميكانيكي القوي من تقديم عبوات مبتكرة تلبي جميع المعايير المذكورة. فهو يتيح لنا العثور على الاهتزاز الأمثل، EMC [electromagnetic compatibility] والحلول البيئية ذات الحجم المناسب لتلبية احتياجات عملائنا.
استخدام أشباه الموصلات واسعة النطاق
إن قدرات التحويل والتردد الأعلى لكربيد السيليكون، مقارنةً بـ IGBTs السيليكونية، تتيح استخدام محركات عالية السرعة. وهذا بدوره يؤدي إلى محركات جر أصغر حجمًا وانخفاض إجمالي في حجم نظام الدفع الكهربائي. مع سرعات المحرك الأعلى، يمكن زيادة نسبة تخفيض التروس في علبة التروس لترجمة تلك السرعات الأعلى إلى عزم الدوران اللازم. ونتيجة لذلك، يلزم توليد عزم دوران أقل في المحرك، مما يسمح بتصغير حجمه. إن المفاضلة مع هذه الهيكلية هي أن علبة التروس ستكون أكبر وستواجه تحديات أكبر في الضوضاء والاهتزاز والخشونة. الميزة الأخرى للمحرك الأصغر هي أن هناك حاجة إلى تيار أقل لتشغيله، مما يؤدي إلى مرحلة طاقة أكثر فعالية من حيث التكلفة داخل العاكس.
ستؤدي ترددات التبديل الأعلى إلى خلق المزيد من فقدان الطاقة في العاكس في هذه الهيكلية بسبب خسائر التبديل، ولكن يمكن تعويض ذلك من خلال التخفيض الإجمالي للتيار للمحرك الأصغر. تعد وحدات SiC MOSFETs مقارنةً بوحدات IGBTs السيليكونية الكلاسيكية بنفس تردد التحكم أكثر كفاءة نظرًا لمعدل دوران التحويل الأسرع لـ SiC، مما يقلل من التأثير السلبي لفقد التبديل.
وكما أوضح ديلاند، فإن أكبر مقايضة لمكاسب الكفاءة التي تقدمها SiC هي تكلفتها العالية، نظرًا لعملية الإنتاج المكثفة التي تنطوي عليها هذه التكنولوجيا. من المحتمل أن يكون هذا هو المكان الذي يمكن أن تتألق فيه وحدات طاقة نيتريد الغاليوم. GaN قادر على توفير ترددات تحويل أعلى بكثير من SiC، مما يؤدي أيضًا إلى انخفاض خسائر التحويل بسبب معدلات الدوران العالية.
“من المتوقع أن يكون إنتاج GaN أكثر فعالية من حيث التكلفة من SiC؛ ومع ذلك، فإن GaN لديها حاليًا قيود على مستويات الجهد والطاقة التي نسعى إليها، حيث يعمل موردو وحدات الطاقة الآن فقط على مشاريع تطوير متقدمة لزيادة تمكين هذه التكنولوجيا.
توسعة شركة GKN للسيارات
أعلنت شركة GKN Automotive مؤخرًا عن توسيع عملياتها في الولايات المتحدة من خلال مستودع جديد لخدمات ما بعد البيع في دالاس فورت وورث.
وفقًا لديلاند، فإن وجود فريق عاكس في الولايات المتحدة يعد أمرًا في غاية الأهمية لتلبية احتياجات سوق أمريكا الشمالية. هناك ظروف قيادة فريدة وتوقعات العملاء التي تحدد متطلبات أداء العاكس، ويتمتع عملاء أمريكا الشمالية بأسلوب تطوير مختلف.
في الولايات المتحدة، كان هناك بالفعل أساس قوي بسبب العدد الكبير من أنظمة الدفع الرباعي التي تم تصميمها وإطلاقها هناك. لقد سمح التآزر بين منتجات الدفع الرباعي ومنتجات eDrive بالانتقال إلى السيارات الكهربائية بشكل طبيعي. تتم مشاركة الترس التفاضلي والقوابض وأنظمة التشحيم والمحركات بين خطوط الإنتاج، وتوفر وحدة التحكم الإلكترونية في نظام الدفع الرباعي الأساس للوحة التحكم داخل العاكسات.
وقال ديلاند: “من خلال الاستثمار في معدات الجهد العالي اللازمة للتطوير وزيادة مهارات تصميم إلكترونيات الطاقة، تمكنا من البدء في العمل بسرعة”.
الخطوات التالية
يعتقد DeLand أن تطوير محولات وحدات EDU أمر مثير لأن التكنولوجيا أمامها الكثير لتقطعه للوصول إلى أي مستوى من التقييس. هناك تحسينات سريعة جارية داخل GKN Automotive لتحقيق المزيد من مكاسب الكفاءة وتقليل التكاليف وتحسين استدامة المنتج.
ترى GKN Automotive العديد من الاتجاهات القادمة في العقد القادم والتي يجب أن تخدمها محولات الجر:
- استمرار الطلب على زيادة الكفاءة
- إجراءات أكثر صرامة للأمن السيبراني
- تصميم EMC أكثر تحديًا بسبب زيادة الكفاءة
- مزيد من التكامل، وخاصة الوحدات الفرعية داخل العاكس
