المرشح ثلاثي الطور لتطبيقات شحن المركبات الكهربائية

يقدم هذا البحث مفهوم محول جديد لشحن السيارة الكهربائية خارج اللوحة (EV)، والذي يعتمد على نهج التصحيح غير القابل للطي، حيث يتبع نظام فتح الملف القائم على المقوم من نوع (VRU) ثلاثي الأطوار بمحولان متطابقان معزولان لمصدر التيار (CSC) في تكوين موازٍ لإخراج سلسلة الإدخال.

تحليل المرشح ثلاثي الطور لتطبيقات شحن المركبات الكهربائية

يوافق سوق التنقل الكهربائي التطورات الأخيرة لتكنولوجيا تصنيع بطاريات (Li-ion)، كما ومن المتوقع أن تنمو المبادرات الحكومية المختلفة بسرعة في العقد التالي، ومن أجل تلبية توقعات مستخدم السيارة الكهربائية (EV) وجعل تجربة الملكية قابلة للمقارنة مع تلك التي تعمل بالوقود التقليدي، بحيث يجب تحسين توافر البنية التحتية للشحن.

كما تتمتع معظم أجهزة الشحن الإلكترونية ذات طاقة التيار المتردد بتصنيفات طاقة أقل من (25) كيلو واط، وهو ما قد لا يكون مناسباً جداً في مواقف معينة؛ خاصة لبطاريات السيارات ذات سعة الطاقة العالية، لذلك يجب أن تتضمن شبكة الشحن نقاطاً كافية مع إمكانية الشحن السريع للطاقة العالية إذا قرر مالك السيارة الكهربائية استخدام هذا الخيار.

كما أنه يكون هذا الشحن ممكناً مع حلول الشحن السريع للتيار المستمر خارج اللوحة (يشار إليها أيضاً بالشحن الفائق السرعة حسب الشكل 1)، كما تم تطوير العديد من المعايير لقوى الشحن التي تتجاوز (350) كيلو واط، والتي يمكن اعتبارها في الوقت الحاضر دليلاً على المستقبل، وذلك نظراً لأن المركبات الكهربائية الحالية لا تسمح حتى الآن بالشحن بمستويات الطاقة.

التعامل مع مستويات الطاقة الكهربائية في أجهزة شحن المركبات

تعتمد أنظمة الطاقة الإلكترونية في أجهزة الشحن التي تهدف إلى التعامل مع مستويات الطاقة هذه، مثل الحلول من (ABB Porsche ،Tesla)، وبشكل عام على بنية معيارية، وفي الوقت الحاضر يعتبر المعيار الصناعي لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر ثلاثي الأطوار هو شاحن يتألف من مقوم شبكة مع وظيفة تصحيح عامل القدرة (PFC) ومرحلة (DC-DC) موصولة عبر وصلة (DC).

كذلك يمكن توفير العزلة بواسطة محول تردد خط ضخم (LF) حسب الشكل (2-a) أو بمحول تردد عالٍ أكثر إحكاما (HF) في مرحلة (DC-DC) في الشكل (2-b)، كذلك يمكن أن تكون مرحلة المعدل عبارة عن جسر ثنائي سلبي، وهناك يكون متبوعاً بدائرة (PFC) أو دائرة نشطة، وذلك بناءً على مفاتيح تبديل أشباه الموصلات التي يتم التحكم فيها.

كما تعتمد مرحلة (DC-DC) المعزولة عادةً على طوبولوجيا (LLC) أو جسر كامل متغير الطور (PSFB) أو جسر نشط مزدوج (DAB)، وعلى الرغم من وجود خصائص مرضية؛ فإن التحسينات الإضافية لمثل هذه التكوينات محدودة بسبب العديد من الحواجز التكنولوجية، والتي تكمن في الوقت الحاضر في الغالب في خصائص أشباه الموصلات ومتطلبات المكونات السلبية.

دور أشباه الموصلات في عملية شحن المركبات الكهربائية

لمعالجة هذه القضايا، تركز المزيد من التطورات على الأساليب البديلة التي تستخدم أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة (GaN) والتكوينات ذات العدد المنخفض من خطوات تحويل الطاقة أو محولات الطاقة الجزئية، وعلى ما يبدو؛ فإن كل من هذه الأساليب لها فوائدها وقيودها، بحيث يمكن أن توفر المحولات من نوع المصفوفة ذات العزل المغلفن للوظائف المطلوبة.

ومع ذلك؛ فهي تتطلب تحكماً متطوراً وعادة ما يكون لها نطاق جهد إخراج محدود، بحيث يتم تمثيل نهج آخر تم فحصه في التجارب من خلال العديد من المفاهيم شبه أحادية المرحلة التي تستخدم نهج التصحيح المتكشف، بحيث تم اشتقاق مجموعة واحدة من هذه الهياكل من المقوم الكهربائي، بينما تستند المجموعة الثانية إلى مفاهيم فتح المجلد ثلاثي المستويات المقترحة لمحولات التيار المتردد المعزولة.

لذلك يعتبر الجوهر هو تطبيق مرحلة (AC-DC) بتردد كهربائي منخفض (“محدد مرحلة الإدخال” أو “فتح مجلد ثلاثي المستويات”) ومحولين معزولين لتصحيح عامل القدرة (PFC) محولات (DC-DC) في تكوين موازٍ لإخراج سلسلة الإدخال، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، وبهذه الطريقة يتم حذف مكثف ارتباط التيار المستمر، كما ويتميز مقوم الشبكة بخسائر تحويل ضئيلة، بينما تكون محولات (DC-DC) المسؤولة عن معظم الوظائف، بما في ذلك تشكيل أشكال موجة التيار الجيبية عالية الجودة و تنظيم الجهد الناتج (DC).

النطاق الفني لعمل شواحن المركبات الكهربائية

يمكن للأنظمة ذات العدد المنخفض من مراحل التحويل عالية التردد لتطبيقات الشحن ثلاثي المراحل (TPC) أن تتجاوز مستوى الحلول القياسية فيما يتعلق بحجم النظام الكهربائي والتكلفة بسبب انخفاض متطلبات المكونات السلبية، ومع ذلك ينبغي النظر في العديد من التحديات، بما في ذلك ظروف التشغيل المعقدة لمحولات (DC-DC) وتصميم نظام التحكم.

كذلك يمكن أن يتميز تكوين (TPC) لدراسة الحالة في الشكل السابق (3) بمرحلة (AC-DC) المدخلات غير المعزولة مع مقومات مصدر التيار المتوازي (CS)، ولكن في معظم الحالات يتم النظر في الهياكل ثلاثية المستويات من نوع الجهد كذلك هناك نقطة محايدة مثبتة محول أو مقوم فيينا الأكثر شيوعاً، وبغض النظر عن الهيكل؛ فإن مرحلة الكشف عن التيار المتردد (AC-DC) بتردد منخفض تربط ثلاث مراحل من شبكة التيار المتردد بمدخلات محولات (DC-DC) المعزولة المتصلة بالسلسلة.

كما ينتهي هذا بجهد إدخال متغير زمنياً وظروف تشغيل صعبة لاثنين من (DC-DC)، والتي تكون غالباً على غرار محولات (PFC)، وعندها يجب أن تقوم بتجميع المكونات المناسبة لتيارات التيار المتردد، وبالتالي؛ فإن الخسائر الإجمالية تهيمن عليها مرحلة (DC-DC) المعزولة كلياً وأداء الهيكل المطبق أمر بالغ الأهمية للنظام بأكمله.

كما تم اقتراح المحولات الأمامية البسيطة والتحقق من صحتها تجريبياً لتزويد الطائرات، ولسوء الحظ يحتاج المحول الأمامي إلى تعديل إضافي لإزالة المغناطيسية من المحول، مما يؤدي إلى زيادة ضغوط الجهد عبر الترانزستورات، علاوة على ذلك؛ فإن المرشح المطلوب يقدم نظام تحكم أكثر تعقيداً، والذي قد يكون هو المشكلة أثناء زيادة الطاقة وتطبيق التصميم المعياري.

وأخيراً تركز الأعمال الهندسية على طوبولوجيا الجسر الكامل المتحولة الطور مع مقوم مشترك في جانب البطارية، ومرة أخرى يلزم وجود خوارزمية تحكم مناسبة للحفاظ على عملية التبديل الناعم والتعويض عن التوافقيات منخفضة التردد الكهربائي، بحيث يقترح المهندسون استخدام طوبولوجيا الجسر النشط المزدوج المتسلسل، والتي تكون بالإضافة إلى خوارزمية التحكم المعقدة ويمكن أن تواجه مشاكل بالقرب من نقاط الجهد الصفري، حيث تفقد عملية التبديل الناعم.

كذلك يستخدم التحكم الكهربائي الإشرافي لتوفير نتائج التشغيل المطلوبة في الحاجة إلى إشارات دخل إضافية لمحولات (DC-DC)، وهكذا تشير الأعمال التالية من هذه المجموعة إلى طوبولوجيا الجسر الكامل غير المتماثل ذي المستويات الثلاثة أو الجسر النشط المزدوج النشط ذو السلسلة الرنانة، ومع ذلك؛ فإن استراتيجيات التحكم ليست مهملة أيضاً ولم يتم التحقق من صحة تشغيل هذه المفاهيم في نظام (TPC) الكامل.