تحليل تسخين المحاثات الكهربائية وحلولها في أنظمة الطاقة للمركبات الكهربائية

المقدمة

في المركبات الكهربائية (EV)، تعتبر المحاثات الكهربائية عنصرًا حاسمًا لتحويل الطاقة الكهربائية بكفاءة لتلبية احتياجات الأنظمة المختلفة على متن المركبة. يؤثر أداؤها بشكل مباشر على كفاءة المركبة العامة، توصيل الطاقة، والسلامة. مع تقدم تقنية المركبات الكهربائية وزيادة الطلب في السوق، أصبحت تعزيز أداء المحاثات الكهربائية على متن المركبة أمرًا ضروريًا.
في التطبيقات العملية، يولد المكثفات الكهربائية حرارة أثناء تحويل الطاقة، وإذا لم يتم إدارتها بشكل صحيح، يمكن أن تقلل من الكفاءة وتقلل من عمر التشغيل، وما إلى ذلك. لذلك، أصبح معالجة التقادم الحراري للمكثف موضوعًا مهمًا في صناعة المكونات الإلكترونية.

الجزء الأول: أسباب التقادم الحراري للمحولات الكهربائية

1. زيادة الحمل الكهربائي

زيادة الحمل الكهربائي هي سبب رئيسي لتسخين المحولات الكهربائية. عندما يتجاوز التيار السعة المحددة، فإن المقاومة تحوّل الطاقة الكهربائية إلى حرارة، خاصة في الحالات ذات الطلب العالي مثل التسارع أو الصعود. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي زيادة الحمل الكهربائي إلى تدهور الخصائص المغناطيسية، مما يؤدي إلى الأضرار الدائمة، تكاليف الصيانة الأعلى وزيادة معدلات الفشل.

2. خصائص المادة

تؤثر خصائص المواد المستخدمة في المحولات بشكل كبير على التسخين. تعتبر النفاذية المغناطيسية لمواد النواة والمقاومة الكهربائية لمواد التدوير عوامل أساسية. في التطبيقات ذات التردد المنخفض (50 هرتز / 60 هرتز)، يمكن للمواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية تقليل خسائر النحاس. ومع ذلك، عند الترددات الأعلى (100 كيلوهرتز إلى 500 كيلوهرتز أو أكثر)، قد تتجاوز خسائر النواة خسائر النحاس إذا تم استخدام مواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية.
لذلك، يجب تحسين اختيار المواد وفقًا للتطبيقات المحددة. في التطبيقات ذات التردد المنخفض، التركيز يكون على قدرة النواة على التعامل مع التيار المستمر، بينما في التطبيقات ذات التردد العالي، من المهم تحقيق توازن بين خسائر النواة وخسائر النحاس. اختيار المواد المناسبة وتحسين أدائها أمر حاسم لضبط الحرارة في المحولات الكهربائية.

عوامل التصميم

يؤثر تصميم المحول، بما في ذلك هيكله وأبعاده، بشكل مباشر على القضايا الحرارية. العوامل مثل تخطيط ملفات التدوير، وشكل النواة والحجم تؤثر على توزيع الحقل المغناطيسي ومسارات التيار. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تصميم ملفات التدوير المدمجة إلى عرقلة تبديد الحرارة، بينما قد يؤدي استخدام نوى غير ملائمة الحجم إلى التشبع المغناطيسي وزيادة إنتاج الحرارة. لذلك، فإن التصميم المتزن ضروري لتقليل الحرارة مع تحقيق متطلبات الأداء.

4. الظروف البيئية

تؤثر الظروف البيئية أيضًا على القضايا الحرارية للمحولات. يمكن أن تقلل درجات الحرارة المرتفعة من كفاءة التبريد وزيادة التسخين، بينما يمكن أن تغير الرطوبة العالية خصائص المواد. يمكن أن يؤدي تدفق الهواء السيء إلى قصر إطلاق الحرارة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة التشغيلية. وبالتالي، فإن العامل البيئي مهم لتقليل التسخين.

الجزء الثاني: تأثيرات التسخين على أنظمة السيارات

1. انخفاض الكفاءة

التقدم الحراري في المحولات الكهربائية يؤثر تأثيرًا سلبيًا على كفاءة محولات DC-DC في المركبات الكهربائية. الزيادة في المقاومة نتيجة للحرارة تؤدي إلى فقدان الطاقة على شكل حرارة بدلاً من تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام. هذا الفقدان يقلل ليس فقط من كفاءة التحويل ولكن أيضًا يضع ضغطًا إضافيًا على البطارية، مما يقلل من عمرها الافتراضي ومدى قدرتها.

2. اختصار العمر الافتراضي

العرض المستمر للحرارة العالية يسرع من التقدم في المحولات، مما يؤدي إلى أعطال مثل تدهور العزل وفقدان الخصائص المغناطيسية. الأعطال المبكرة تزيد من تكاليف الصيانة والاستبدال ويمكن أن تُخل بتوازن النظام الكهربائي، مما قد يؤدي إلى مشاكل أمان.

3. مخاطر الأمان

المتحولات الساخنة جدًا تمثل مخاطر أمان كبيرة، بما في ذلك احتمالية حدوث حرائق أو انفجارات، خاصة عند وجودها بالقرب من مكونات عالية الطاقة مثل البطاريات. التأكد من أن المتحولات تعمل ضمن حدود درجة حرارة آمنة أمر حاسم لمنع الحوادث الخطيرة.

الجزء الثالث: الحلول

1. تحسين المواد

اختيار المواد المناسبة هو أمر أساسي لمعالجة تسخين المحول. تعتبر مواد النواة ذات كثافة تدفق التشبع العالي، والخسائر المنخفضة، والموثوقية العالية ضرورية. في التطبيقات الترددية العالية، تكون المواد مثل حديد السيليكون الألمنيوم والمغنتيت فعالة في تقليل الخسائر. يمكن أن يؤدي تحسين مواد الأسلاك، مثل استخدام سلك litz أو سلك مسطح، إلى تقليل المقاومة والحرارة بشكل أكبر.

2. تحسين الهيكل

تحسين هيكل المحول يعزز من الأداء الحراري. يمكن أن تحسن التصاميم المفتوحة أو إضافة مبردات حرارية التبادل الحراري. يمكن أن تساعد تقنيات التدوير الابتكارية التي تقلل Kopling الحراري بين الطبقات في خفض درجات الحرارة المحلية.

3. تقنيات التبريد

استخدام طرق التبريد النشط، مثل التبريد المدعوم بالمحركات أو التبريد السائل، يمكن أن يدير درجات حرارة المحول بكفاءة، خاصة في التطبيقات عالية الطاقة. تعتبر هذه التقنيات ضرورية لضمان التشغيل المستقر.

4. تعديل استراتيجيات التحكم

تنفيذ استراتيجيات التحكم الذكية يمكن أن يُحسّن من توزيع التيار في أنظمة الطاقة لمركبات EV. إدارة التيار الديناميكية تقوم بتعديل مستويات التيار بناءً على الحمولة والحرارة الفعلية، مما يقلل من إنتاج الحرارة. يمكن لأنظمة مراقبة درجة الحرارة تفعيل التعديلات لمنع ارتفاع الحرارة المفرط.

الجزء الرابع: تصميم مكثف سلسلة VSBX و التطبيقات

أطلقت شركة CODACA Electronics سلسلة VSBX من المكثفات ذات التيار العالي الخاصة بقطاع السيارات، والمصممة لتلبية متطلبات التطبيقات السيارات. تُقلل سلسلة VSBX بكفاءة من مشاكل التسخين من خلال استخدام مواد مبتكرة ومبادئ تصميم متقدمة.

تستخدم سلسلة المحاثات الكهربائية ذات التيار العالي من الدرجة السياراتية VSBX مواد نواة ذات Bs مرتفعة، والتي توفر أداءً ممتازًا لانحياز DC ومقاومة التشبع، مما يضمن الاستقرار تحت ظروف التيار العالي مع تقليل الخسائر وتوليد الحرارة. بناؤها المدمج باستخدام أسلاك مسطحة يقلل الحجم ويقلل التسخين عن طريق زيادة مساحة السطح وتسهيل التخلص الأفضل من الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم درع المغناطيسية المُحسَّن في سلسلة VSBX يقاوم بفعالية الإشارات المزعجة للإلكترومغناطيسية (EMI). تتوافق المحاثات مع المعيار الدولي AEC-Q200 الدرجة 0، مما يضمن الاستقرار والموثوقية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة (-55°C إلى +155°C).

خاتمة

النظام الكهربائي محاثات الطاقة ذات التيار العالي من الدرجة السياراتية سلسلة VSBX من CODACA يمثل تكنولوجيا متقدمة في مجال إلكترونيات السيارات، مما يعزز أداء وسلامة المركبات الكهربائية. من خلال معالجة تحديات التسخين بفعالية، تسهم هذه المحولات بشكل كبير في كفاءة وموثوقية أنظمة الطاقة الخاصة بالمركبات الكهربائية بشكل عام.