المعادلة القائمة على المحولات المطبقة بخلايا السعة العالية

ضرورة الإشارة الى معادلة محولات خلايا السعة العالية

تتمتع الأجهزة ذات السعة العالية مثل المكثفات الفائقة أو المكثفات الهجينة بكثافة طاقة عالية وعمر دورة مقارنة بتقنية البطارية، كما تعد تقنية (Supercapacitor) مرشحاً ممتازاً لمحركات الدفع الهجينة، إما باستخدام محرك الاحتراق الداخلي أو محطات توليد الطاقة بخلايا الوقود، خاصةً في السيارات الكهربائية لأنها يمكن أن توفر الاستجابة الديناميكية العالية المطلوبة للتسارع الجيد والفرملة المتجددة.

إلى جانب المركبات الكهربائية؛ فقد تم اقتراح المكثفات الفائقة في تطبيقات المحركات الكهربائية العامة وكذلك معدات تحريك التربة والتوليد المتجدد ومترو الأنفاق وتطبيقات الشبكة الذكية، وحتى الشبكة الصغيرة.

وكما هو الحال مع تقنية (supercapacitor)، بحيث ينتج عن تفاوتات التصنيع تباين في معلمات هذه الخلايا مثل السعة والمقاومة التسلسلية من خلية إلى أخرى. بالنسبة لاتصال سلسلة من الخلايا (مطلوب لتحقيق الفولتية على مستوى النظام)، كما ستؤدي هذه المعلمات غير المتطابقة إلى جهود غير متساوية عبر مجموعة الخلايا.

أيضاً يمكن أن يؤدي تشغيل الخلايا خارج نطاق جهدها إلى فشل الخلايا مع تقييد الشحن عندما تصل خلية واحدة إلى أقصى جهد لا يستخدم إمكانات تخزين الطاقة للمكدس بكفاءة، بينما توجد بعض الأنظمة البسيطة لتفريغ الخلايا المقاومة لتحقيق التعادل؛ فإن هذه التقنيات غير فعالة للغاية للعديد من التطبيقات ولا يتم أخذها في الاعتبار هنا.

محولات مخطط التكافؤ المطبقة على خلايا السعة العالية

لاحقاً تم اقتراح عدد من محولات مخطط التكافؤ في الدراسات (محث أقل، دفعة باك ثنائية الاتجاه، قائمة على المحولات) وذلك من الناحية النظرية، وهي أكثر كفاءة بكثير من طرق التفريغ المقاومة، يعتبر الفحص التفصيلي لهذه المحولات أكثر موثوقية، ومع ذلك؛ فإنه يمكن العثور على تحليل لعينة تمثيلية لخطط المعادلة الحالية في منشور آخر بواسطة المختصين.

يظهر الشكل التالي (1) دائرتان من أكثر دوائر موازنة الجهد الكهربائي القائمة على المحولات شيوعاً، كذلك ويظهر الشكل 1 (a) محول (flyback) مع اللفات الثانوية الموزعة ويوضح الشكل 1 (b) المحول الأمامي مع اللفات الأولية الموزعة.

لذلك تم تقديم كلا المحولين في الأصل لأغراض معادلة الجهد الكهربائي، كما وأظهروا مزايا أداء مهمة مقارنة بأداء مخططات بدون محث ودوائر موازنة “باك-دفعة ثنائية الاتجاه”، وفي دوائر موازنة الجهد القائمة على المحولات؛ فإنه يوفر المحول عزلاً تلقائياً، وهو أمر ضروري لنقل الطاقة بين الخلايا غير المتجاورة.

كما يعمل محول (flyback) ذو اللفات الثانوية الموزعة حسب الشكل 1 (a)، وذلك عن طريق انحراف تيار الشحن من المكدس إلى الملف الأولي وتوزيع التيار في مستويات مختلفة، وذلك وفقاً للتشتت في جهد الخلايا، كما ستشهد الخلية ذات الجهد المنخفض أعلى تيار شحن.

كذلك تتمثل ميزة هذه الدائرة في أنها تتطلب مفتاحاً واحداً فقط، ومع ذلك؛ فإن العيب هو أنه خلال الفترة التي يكون فيها المفتاح في حالة التشغيل، كما يمر التيار عبر جميع خلايا المكثف، وبالتالي؛ فإنه ينتج عنه خسائر في كل خلية مكثف أثناء المغنطة من الملف الأساسي.

لذلك يعمل المحول الأمامي ذو اللفات الأولية الموزعة حسب الشكل 1 (b)، وذلك عن طريق اختيار الخلية التي سيتم تفريغها وشحنها، وأثناء نقل الطاقة؛ فإنه يخزن المحول الطاقة ويطلقها اعتماداً على المفاتيح المختارة، بحيث تتطلب هذه الدائرة الكهربائية عدداً أكبر من المفاتيح مقارنةً بمحول (flyback)، ولكنها تتيح قدراً أكبر من المرونة في التحكم.

أيضاً يتمثل الجانب السلبي الأساسي للدائرتين والدوائر المماثلة القائمة على المحولات الكهربائية؛ أن المحول يتطلب ملفات منفصلة لكل خلية مكثف، وذلك في كومة بها العديد من الخلايا (قد تحتوي الأنظمة النموذجية على مئات من خلايا مكثف متصلة بالسلسلة).

لذلك يصبح تصميم المحول مرهقاً ومعقداً في البناء، لذلك؛ فإن استبدال محول متعدد اللفات بمحول تقليدي ذو ملفين من شأنه أن يبسط بشكل كبير تعقيد المكون المغناطيسي، لذلك تم اقتراح طوبولوجيا محول جديدة باستخدام محول متعدد اللفات مع لفتين فقط.

طوبولوجيا المحول المقترح وعملية التشغيل

يوضح الشكل التالي 2 (a) محول التعادل المقترح لعدد (n) من المكثفات ويظهر الشكل 2 (b) الدائرة لخمسة مكثفات، بحيث يتكون المحول من ثلاثة أجزاء، وهي مُضاعِف (MOSFET) ذو قدرة صلبة ومحول قياسي بملفين ودائرة محددة، كما يشتمل مُضاعِف (MOSFET) ذو الحالة الصلبة على (n + 1) أزواج (MOSFET) (S1 إلى Sn + 1)، حيث أن (n) هو عدد خلايا المكثف.

أيضاً يتم توصيل الدوائر (MOSFET) في كل زوج في ترتيب “طومي قطبي”، كما ويتم التحكم فيها بواسطة إشارة تحكم واحدة، وبالتالي؛ فإن كلا من (MOSFETs) إما في وضع التشغيل أو إيقاف التشغيل في نفس الوقت، بحيث يتمثل دور مُضاعِف قدرة (MOSFET) في توصيل الخلايا التي تحتاج إلى تفريغها وشحنها ببقية دائرة المعادلة.

أيضاً؛ فإن الجزء الثاني من الدائرة هو المحول نفسه، بحيث يتم استخدام محول ذو ملفين كلاسيكيين مع ملفات سلكية في قطبية متعارضة. الجزء الثالث هو دائرة التحديد التي تتكون من أربعة مفاتيح (MOSFET)، وهي (ST1a)، (ST2a)، (ST1b)، (ST2b).

كما يتم توصيل (ST1a) و (ST1b) بترتيب قطبي، بحيث يشير “1” إلى أن كلا من (MOSFETS) متصل بالملف (1) وكذلك (ST2a) و (ST2b)، كما يشير (2) إلى أن كلا (MOSFETs) متصلان بالملف (2)، ويتم التحكم في كل(MOSFETs) محدد بشكل مستقل.

أيضاً؛ فإن مفاتيح المحدد مطلوبة لتطبيق الملف الصحيح [الملف (1) أو الملف (2)]، وذلك على خلية المكثف من أجل عملية التنشيط وإزالة الطاقة، وكما يوضح الشكل (2) أن كل محدد (MOSFET) يحتوي أيضاً على ثنائيات مضادة للتوازي مضافة، بحيث تتم إضافة هذه الثنائيات لأن لديها جهداً أقل في الحالة من ثنائيات الجسم في “الدوائر الترانزستورية” الفلورية.

كما سيكون من الممكن استبدال المحول والمحدد بترتيب (H-bridge)، بحيث يتم إزالة الملف الثاني، ومع ذلك؛ فإن هيكل معدد الإرسال يعني أن كل محول للجسر (H) يجب أن يكون ثنائي الاتجاه وأن الخسائر ستكون أعلى، وبالتالي لم يتم النظر في هذا المفهوم مرة أخرى.

كما يعمل مخطط المعادلة في أربع فترات متميزة، وذلك من أجل التبسيط، بحيث يتم شرح العملية على محول الخلايا الخمس مكثفات، وذلك حسب الشكل 2 (b) مكثف الشحن (C3) من المكثف (C1)، بافتراض أن الجهد (C1) أعلى من (C3).

كما أن الفترات الأربع المتميزة هي فترة المغنطة، وذلك حسب الشكل التالي 3 (a) و الشكل 4 (a)، وفترة إزالة المغناطيسية، حسب الشكل 3 (c) و 4 (c)، وهي مفصولة بفترة الوقت الميت في الشكل 3 (b) و 4 (b)، بعد فترة إزالة المغناطيسية؛ فإنه يتم تطبيق فترة عدم التوصيل.