أصبحت السيارات الكهربائية الآن شائعة بسبب ميزاتها الصديقة للبيئة من حيث الجودة والبساطة الوظيفية وكفاءة الطاقة. الدفع الوظيفي مدفوع بمحرك كهربائي له هيكل بسيط مقارنة بمحرك احتراق داخلي. فيما يتعلق بكفاءة الطاقة ، فإن المقارنة بين سيارات الاحتراق والمركبات الكهربائية رمزية: تتمتع سيارات الاحتراق بكفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 16 في المائة ، بينما تتمتع السيارات الكهربائية بكفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 85 في المائة. تتمتع الطبيعة الكهربائية للدفع بميزة على الطبيعة تعتمد على الاحتراق - الطاقة المتجددة.
توفر الكهرباء قدرًا كبيرًا من المرونة ، بما في ذلك استخدام أشكال مختلفة من تجميع الطاقة التي تساعد في شحن البطارية ، وإطالة وقت تشغيل السيارة نفسها. لذلك ، فإن تكنولوجيا حصاد الطاقة هي احتمالية لحلول البحث والتطوير الخاصة بالمركبات الكهربائية.
يعكس استقلالية المركبات الكهربائية بشكل مباشر كفاءة أنظمة نقل الحركة وأنظمة إدارة الطاقة الخاصة بها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن البنية التحتية الضرورية ، مثل أنظمة الشحن السريع القوية التي تصل الآن إلى مئات الكيلوواط ، ضرورية أيضًا للامتثال لقيود صارمة للحجم والكفاءة المحددة مسبقًا. من خلال خصائصه الفيزيائية المحددة ، يمكن لكربيد السيليكون (SiC) الاستجابة بفعالية لاحتياجات السوق الجديدة هذه.
من بين المركبات الهجينة والكهربائية ، فإن أنظمة الطاقة الإلكترونية الرائدة هي محولات تعزيز التيار المستمر / التيار المستمر ومحولات التيار المستمر / التيار المتردد. تتراوح الأنظمة الإلكترونية المطورة للسيارات الكهربائية من مستشعرات درجة الحرارة والتيار والجهد إلى أشباه الموصلات القائمة على SiC ونيتريد الغاليوم (GaN).
كربيد السيليكون قوي
اليوم ، أصبح الاستقلالية وأوقات الشحن الطويلة عوائق مهمة أمام اعتماد السيارات الكهربائية. للشحن السريع ، يتطلب الأمر مزيدًا من الطاقة للشحن في وقت أقل. نظرًا للمساحة المحدودة المتوفرة في السيارة ، يجب أن توفر أنظمة شحن البطارية كثافة طاقة عالية. عندها فقط سيكون من الممكن دمج هذه الأنظمة في السيارة.
في وسط أي سيارة كهربائية (EV) أو مركبة هجينة تعمل بالكهرباء (HEV) ، يمكننا العثور على بطاريات الجهد العالي (200 إلى 450 VDC) وأنظمة الشحن الخاصة بها. توفر أجهزة الشحن على متن الطائرة (OBC) طريقة لشحن البطاريات من طاقة التيار المتردد في منزلك أو في محطة شحن عامة أو خاصة. من المحولات عالية الطاقة ثلاثية الطور 3.6 كيلوواط إلى 22 كيلو واط أحادية الطور ، يجب أن تتمتع OBCs اليوم بأعلى كفاءة وموثوقية ممكنة لضمان الشحن السريع وتلبية متطلبات المساحة والوزن المحدود.
تتطلب جميع أنظمة الشحن السريع محطة شحن مدمجة وفعالة ، وتسمح وحدات طاقة SiC الحالية بإنشاء أنظمة ذات كثافة وكفاءة الطاقة المطلوبة. لتحقيق أهداف طموحة فيما يتعلق بكثافة الطاقة وكفاءة النظام ، يجب استخدام ترانزستورات وثنائيات SiC.
تسمح قوة المجال الكهربائي الممتازة لركائز SiC عالية الصلابة باستخدام ركائز أرق. بالمقارنة مع طبقة السيليكون الفوقي ، يمكن أن يصل سمكها إلى عُشر سمك. الاتجاه السائد في البطاريات هو زيادة السعة ، وهذه الميزة مرتبطة بأوقات شحن أقصر. وهذا بدوره يتطلب OBC بقوة وكفاءة عالية ، مثل 11 كيلو واط و 22 كيلو واط.
مع تقديم سلسلة SCT3xHR ، تقدم ROHM الآن أوسع خط إنتاج في مجال SiC MOSFET المؤهل AEC-Q101 ، مما يضمن الموثوقية العالية المطلوبة لأجهزة الشحن على متن الطائرة ومحولات التيار المستمر / التيار المستمر لتطبيقات السيارات (الشكل 1). تمتلك STMicroelectronics أيضًا نطاقًا واسعًا من MOSFET المتوافقة مع AEC-Q101 ، وثنائيات السيليكون وكربيد السيليكون (SiC) ، و 32- وحدات التحكم الدقيقة للسيارات SPC5 التي توفر حلولًا قابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة وموفرة للطاقة لتنفيذ هذه المحولات الصعبة (الشكل 2).
مركبة على الشبكة
من المتوقع ظهور ملايين السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات على الطريق خلال العقد المقبل ، مما يشكل تحديًا كبيرًا للشبكة. مع توسع إنتاج الموارد المتجددة غير القابلة للبرمجة ، تزداد الحاجة إلى شبكات متوازنة.
عندما يتم توصيل بطاريات السيارات بالشبكة من خلال صناديق الشحن المنزلية أو محطات الشحن العامة أو الشركات ، تصبح إدارتها الذكية جذابة للغاية. يمكن استخدام البطاريات الموجودة على متن الطائرة لتشغيل الشبكة وكذلك سحب الطاقة ، اعتمادًا على الحاجة الفورية لامتصاص الطاقة.
يستخدم النظام جهاز التحكم عن بعد لتوفير عودة الطاقة المتراكمة في السيارة أو الاسترداد عبر الشبكة (إلى البطارية). التكنولوجيا الرئيسية لتنفيذ هذا النظام هي عاكس طاقة ثنائي الاتجاه مقترن مباشرة بالبطارية عالية الجهد (300 إلى 500 فولت) على الجانب التلقائي وعلى جانب شبكة الجهد المنخفض (الشكل 3).
تتمتع تقنية التوصيل بالشبكة (V2G) بالقدرة على جعل الشبكة أكثر توازنًا وكفاءة. مع زيادة الطلب على الكهرباء ، فإن تحقيق التوازن بين العرض والطلب أمر بالغ الأهمية.
الشحن اللاسلكي
بفضل نقاط الشحن الموجودة في المرائب أو مواقف السيارات العامة ، هناك منطقة مثيرة وهي الشحن اللاسلكي للسيارات الكهربائية. لا يلزم بالضرورة محاذاة نقطة الشحن بدقة مع جهاز الاستقبال الموجود أسفل السيارة. على المدى الطويل ، ستُبذل محاولة لتطوير نسخة ذات تحميل دقيق يمكنها دمج لوحات التحميل الطويلة والطرق العامة لتحميل المركبات الكهربائية / الثقيلة حتى أثناء القيادة ، ولكن هذا سيعتمد على عدد الصعوبات التي يتم مواجهتها على المستوى الوطني و المستويات الإدارية المحلية.
لكي تعمل تقنية V2G دون انقطاع ، وتوفر فوائد استقرار الشبكة والسماح للمركبات بالعمل كمولدات ومصادر بيانات ، يجب دمج تقنية الشحن اللاسلكي ليس فقط في السيارة نفسها ، ولكن أيضًا في البنية التحتية المنزلية والحضرية. السيارة مشحونة. هذا سيجعل السيارة قابلة للاستخدام بشكل كبير إذا لزم الأمر.
يسمح الشحن اللاسلكي القائم على تقنية الرنين المغناطيسي للسيارات الكهربائية ، بغض النظر عن نوعها أو حجمها ، أن يتم شحنها تلقائيًا وبأمان من خلال وضع ملفات مرنة على لوحة المصدر باستخدام مواد مثل الخرسانة والأسفلت. ستمكّن الطاقة اللاسلكية المركبات من الشحن بشكل مستقل وتنفيذ تقنية V2G التي تثير وتقلل باستمرار دون تدخل بشري (الشكل 4).
استنتاج
ستساعد تقنيات أشباه الموصلات ذات النطاق العريض ومحطات الشحن السريع التي تتيحها إمكانات الشبكة الرقمية في تسريع اعتماد المركبات الكهربائية. مع زيادة الطلب العالمي على السيارات الكهربائية ، تزداد أيضًا الحاجة إلى دعم البنية التحتية للشحن. يمكن أن تكون تقنيات الشحن المبتكرة للسيارات الكهربائية حافزًا للتغيير ، وتساعد في تعزيز اعتماد السيارات الكهربائية ، وتساهم كثيرًا في هدف تقليل انبعاثات الكربون.
يتم إثراء إلكترونيات الطاقة للمركبات الكهربائية بأجهزة طاقة SiC لتلبية احتياجات التحسين: كفاءة الطاقة في النظام ؛ قوة وكثافة قوة السيارات الكهربائية ؛ والتطبيقات عالية الطاقة التي تتطلب جهدًا وطاقة عاليين - مما يساهم بشكل كبير في أداء النظام والموثوقية على المدى الطويل. تضمن دوائر SiC MOSFETs وثنائيات حاجز SiC Schottky (SBDs) أعلى كفاءة تحويل عند الترددات العالية.