“على مر السنين ، واجهت شركات صناعة السيارات تحديًا مستمرًا بسبب الحاجة إلى قوة أكبر. في الأيام الأولى ، كانت السيارات تعمل ببطاريات 6 فولت حتى منتصف الخمسينيات ، عندما تطورت أنظمة السيارات إلى مصدر طاقة بجهد 12 فولت لتلبية الحاجة الدائمة لمزيد من الطاقة. لا يحتاج صانعو السيارات فقط إلى توقع طلبات الطاقة الجديدة للنوافذ وأنظمة التوجيه والمقاعد ، ولكن المزيد من الطاقة ضروري أيضًا للمحركات الجديدة عالية الجهد.
“
“إذا كنت تشعر بأنك مسيطر ، فأنت لست سريعًا بما يكفي.” – ماريو أندريتي
على مر السنين ، واجهت شركات صناعة السيارات تحديًا مستمرًا بسبب الحاجة إلى قوة أكبر. في الأيام الأولى ، كانت السيارات تعمل ببطاريات 6 فولت حتى منتصف الخمسينيات ، عندما تطورت أنظمة السيارات إلى مصدر طاقة بجهد 12 فولت لتلبية الحاجة الدائمة لمزيد من الطاقة. لا يحتاج صانعو السيارات فقط إلى توقع طلبات الطاقة الجديدة للنوافذ وأنظمة التوجيه والمقاعد ، ولكن المزيد من الطاقة ضروري أيضًا للمحركات الجديدة عالية الجهد.
في الآونة الأخيرة ، في CO2 مدفوعًا بالامتثال للانبعاثات ، يتعين على مصنعي المعدات الأصلية إعادة التفكير في كيفية تشغيل سياراتهم مرة أخرى. بينما تطرح الشركات المصنعة للمعدات الأصلية المركبات الكهربائية لتلبية هذه المعايير ، لا توجد حاليًا طريقة موحدة لتشغيل المحرك الكهربائي وجميع الأنظمة الفرعية للمركبة.
الزيادة الهائلة في الطلب على الطاقة تجعل هذا النقص أكثر وضوحًا. عادة ما يكون مصدر الطاقة لمركبات محرك الاحتراق الداخلي بين 600W و 3kW. تتطلب السيارات الكهربائية الجديدة والمركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية الهجينة الموصولة بالكهرباء (xEVs) من 3 كيلوواط إلى أكثر من 60 كيلوواط من الطاقة ، و 5 إلى 20 مرة أكثر من ذي قبل.
ستضع الزيادة من 5 إلى 20 ضعفًا ضغطًا هائلاً على حجم ووزن وتعقيد شبكة إمداد الطاقة للمركبة (PDN). سيكون لهذه المطالب تأثير سلبي على كفاءة الطاقة والموثوقية وحتى الراحة والأمان ، حيث تؤدي زيادة الحجم والوزن إلى تنازلات في خصائص السيارة. إذا استمر صانعو السيارات في استخدام طرق توصيل الطاقة التقليدية ، فلن يكون هناك ببساطة مساحة كافية لجميع الاحتياجات الكهربائية. لمواجهة هذا التحدي ، احتاجوا إلى إيجاد حل خفيف الوزن وصغير الحجم لا يخفف فقط من الزيادة الواضحة في حجم مصدر الطاقة ، بل كان مرنًا بما يكفي لإعادة استخدامه عبر خط الإنتاج.
بالإضافة إلى التحديات التقنية الرئيسية ، تضغط الشركات المصنعة للمعدات الأصلية أيضًا على نفسها للالتزام بالكهرباء الكاملة لمنتجاتها في غضون السنوات العشر القادمة (الشكل 1) ، على الرغم من أن تفاصيل كيفية تحقيق ذلك تظل سؤالًا مفتوحًا. في سوق السيارات الكهربائية ككل ، لا يوجد مسار واضح لتوحيد الكهربة. لذلك ، بينما قد يكون لمصنعي المعدات الأصلية نفس الأهداف ، فإن تصميمات PDN الخاصة بهم ستكون مختلفة تمامًا.
الشكل 1: بحلول عام 2030 ، ستشكل المركبات الكهربائية النقية (BEVs) 45٪ من إجمالي xEVs
تأجيج زخم الكهرباء
لسنوات عديدة ، كان إنتاج السيارات الكهربائية أقل من 1٪ من إجمالي إنتاج السيارات العالمي. سترتفع هذه النسبة من 11٪ في عام 2020 إلى 62٪ في عام 2030 ، مع وصول مبيعات السيارات العالمية إلى 63 مليون سيارة ، وفقًا لبيانات من فريق مركز كريدي سويس العالمي لأبحاث السيارات. ومن المتوقع أن يكون ما يقرب من نصفهم (29 مليون) مكهربًا بالكامل.
الشكل 2: وضعت الشركات المصنعة للمعدات الأصلية أهدافًا صارمة لكهربة خطوط منتجاتها. هذه الأهداف هي محفزات لبناء منصة xEV عالمية المستوى.
ما الذي يدفع انفجار السيارات الكهربائية؟ بينما بدأ الامتثال للانبعاثات والحوافز الحكومية العملية ، فإن رغبة المستهلك هي التي تدفع هذا الطلب الهائل ، مما يدفع مصنعي المعدات الأصلية إلى دفع المركبات الكهربائية من المكانة المتخصصة إلى الاتجاه السائد. هذه الشركات المصنعة للمعدات الأصلية تقدم الآن وعودًا جريئة. (الشكل 2)
تعمل الشركات المصنعة للمعدات الأصلية الآن على إمداد بعض السيارات المرغوبة في كل مكان بالكهرباء. همر جنرال موتورز ، وماك إي الجديد (موستانج الكهربائية) من فورد ، والآن الشاحنة الخفيفة F150 الرائدة (لايتنينج) ، كلها أشياء مثيرة للإعجاب. تجذب هذه النماذج انتباه عامة الناس بسبب التحسينات المثيرة في الأداء والتصميمات الأنيقة.
تعد هذه المركبات الجديدة ، المزودة بتقنية شحن سريع أفضل وتكاليف صيانة وإصلاح أقل ، محفزات لزيادة طلب المستهلك وزيادة اعتماد المركبات الكهربائية. يرى المستهلكون القيمة ، وبالتالي فإن النمو يكتسب زخمًا.
تحديات كهربة عالية الأداء وعالية المخاطر
يضيف عدد منصات المركبات وخيارات المستهلك وهياكل توليد القوة المختلفة واختيار البطارية وتكوينات الشحن جميعها إلى تعقيد كهربة السيارة التي يجب على مصممي مجموعة نقل الحركة معالجتها.
لتحسين كهربة السيارة ، تحتاج الشركات المصنعة للمعدات الأصلية إلى زيادة مستويات الطاقة وتقليل حجم ووزن شبكة إمداد الطاقة وتوفير إدارة حرارية أفضل وقابلية إعادة الاستخدام. يجب أن تنتقل الأساليب التقليدية لتصميم أنظمة الطاقة من تصميمات منفصلة مخصصة ومعقدة إلى حلول معيارية أصغر وأكثر مرونة وأسهل في الاستخدام وأعلى كثافة.
تسريع وتيرة الكهرباء
لتحقيق أهداف كهربة قوية ، يجب على مصنعي المعدات الأصلية إعادة التفكير في خيارات بنية توصيل الطاقة الخاصة بهم. بالإضافة إلى إيجاد حلول فعالة ، هناك ثلاثة متطلبات رئيسية يجب الوفاء بها لتسريع الكهرباء وتحسينها.
1.كثافة الطاقة: سواء كنت تصمم سيارة رياضية سريعة أو شاحنة خفيفة أو سيارة عائلية ، فإن مصنعي المعدات الأصلية بحاجة إلى توفير أكبر قدر ممكن من الطاقة في مساحة محدودة. تتطلب السيارات حلول طاقة مدمجة وفعالة.
2.المرونة / قابلية التوسع: تستخدم العديد من المركبات في كل سلسلة سيارات نفس المنصة ، لذلك عند تعديل مصدر الطاقة للسيارات والشاحنات الصغيرة وسيارات الدفع الرباعي التي تشترك في نفس المنصة ، يعد توسيع الطاقة المريح أمرًا مهمًا للغاية.
3.إعادة الاستخدام: لتزويد مجموعة المركبات بالكامل بالكهرباء ، يجب أن يكون مصنعي المعدات الأصلية قادرين على إعادة استخدام تصميمات إمداد الطاقة عبر الطرز لتسريع وقت الوصول إلى السوق.
كثافة الطاقة
يرتبط حجم ووزن إلكترونيات الطاقة المستخدمة في منصات xEV المختلفة ارتباطًا مباشرًا بأداء السيارة وكفاءة الطاقة ونطاق البطارية. للمضي قدمًا بشكل أسرع ، تعمل الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) على تقليل حجم ووزن إلكترونيات الطاقة الخاصة بهم بشكل كبير وتشجيع فرق البحث والتطوير على تقليل وزن السيارة.
الشكل 3: يعد تقليل حجم ووزن شبكة إمداد الطاقة عاملاً رئيسيًا في الجيل الجديد من منصات xEV. على سبيل المثال ، فإن 2.5kW Vicor BCM6135 يناسب راحة يدك.
تزن وحدة محول الحافلات الصغيرة الفعالة بنسبة 98٪ (BCM6135) من Vicor 68 جرامًا فقط ويمكن دمجها بسهولة مع مرشح EMI والهيكل الحراري الأصغر والمبيت لاستبدال بطارية 25 كجم 48 فولت. هذا لا يحرر الكثير من المساحة ووزن الحمولة فحسب ، بل يوفر أيضًا 125 إلى 250 يورو من تكاليف تطوير تقليل الوزن. تقوم وحدة الطاقة عالية الكثافة بتحويل البطارية الرئيسية من 400 إلى 800 فولت إلى 48 فولت في حزمة صغيرة من 61 × 35 × 7 مم ، مما يوفر أكثر من 2 كيلو وات من الطاقة مع كثافة طاقة تزيد عن 4.3 كيلو وات / بوصة3(الصورة 3)
المرونة / قابلية التوسع
يقوم مصممو OEM بتوحيد الأنظمة الفرعية المدمجة في المركبات حيثما أمكن ذلك لتوفير الوقت والمال والموارد. ومع ذلك ، سيكون كل نظام فرعي مختلفًا قليلاً لأن المستويات المختلفة من التصميمات الداخلية للسيارة تتطلب تصميمات مختلفة. مع تقدم كهربة المركبات ، تواجه فرق تصميم أنظمة الطاقة التحدي المتمثل في تغيير متطلبات إمدادات الطاقة. يتيح نهج Vicor المرن والقابل للتطوير والمعياري لتصميم نظام الطاقة للمصممين تنفيذ حلول موحدة عبر مجموعة متنوعة من مجموعات نقل الحركة مثل سيارات الدفع الرباعي أو الشاحنات الصغيرة أو الشاحنات الخفيفة.
على سبيل المثال ، قد تحتاج الشاحنة إلى طاقة تبلغ 5 كيلو وات ، ولكن قد يتطلب الأمر 10 كيلو وات لتشغيل شاحنة خفيفة بأضواء الحظيرة ، وسحب ومحراث ، ومولد تيار متردد. باستخدام نفس النظام الأساسي ومساحة إضافية صغيرة ، يمكن للمهندسين إضافة المكونات المؤهلة مسبقًا أو إزالتها بسرعة من المصفوفة لزيادة الطاقة أو تقليلها.
بالإضافة إلى ذلك ، يتيح التصميم المعياري إمكانية توزيع بنية الطاقة من خلال ناقل 48 فولت ، مما يوفر قدرًا أكبر من المرونة. يمكن وضع وحدات الطاقة في مواقع مناسبة للتحويل المحلي 48 فولت / 12 فولت ، إما خلف حجرة التخزين أو بالقرب من صندوق السيارة أو بجوار كل عجلة. لا يوفر نشر حل معياري مرونة في التصميم فحسب ، بل يوفر أيضًا طريقة أفضل لتحسين اختلافات الطاقة وعمليات التصنيع.
الشكل 4 يتضح تأثير النموذجية بشكل أفضل من خلال حقيقة أنه يمكن الجمع بين أربع وحدات ذات كثافة عالية القدرة معًا بأكثر من 300 طريقة مختلفة لدعم متطلبات الطاقة المختلفة وعدد كبير من أنواع الأحمال المختلفة.
إعادة الاستخدام
من أكثر حالات التأخير شيوعًا في تطوير السيارة الموافقة على المكونات الإلكترونية المستخدمة في السيارة. في بعض الأحيان ، قد تستغرق هذه العملية ما يصل إلى سنتين إلى ثلاث سنوات لتمرير عملية الموافقة على جزء الإنتاج لمكون واحد. عادةً ما تجد فرق البحث والتطوير طرقًا لإعادة استخدام المكونات الحالية لتوفير وقت التطوير والموافقة وتوفير الموارد القيمة.
على سبيل المثال ، قد يتكون PDN التقليدي المستند إلى تصميم محول DC-DC منفصل من أكثر من 200 مكون ضخم ، بينما توفر تقنية Vicor المتقدمة وحدة طاقة واحدة عالية الكثافة فقط. بالنسبة لفريق التصميم الهندسي ، يعد توفير الوقت في اعتماد وحدة واحدة مقابل اعتماد أكثر من 200 مكون فردي لتحقيق نفس الوظيفة أمرًا مهمًا.
بالإضافة إلى ذلك ، يسمح نهج Vicor المعياري للمهندسين بتنفيذ ما يقرب من 300 مجموعة إمداد بالطاقة باستخدام ثلاثة إلى أربعة أنواع مختلفة من وحدات البناء القابلة للتطوير. (الشكل 4) بشكل إجمالي ، يمكن لنهج التصميم هذا توفير مئات الساعات من الوقت والموارد ، مما يساعد مصنعي المعدات الأصلية على البقاء في صدارة سباق الكهرباء.
العدو النهائي
تواجه الشركات المصنعة للمعدات الأصلية تحديًا كبيرًا ليس فقط لعبور خط النهاية بالكهرباء ، ولكن أيضًا لإكمال تصميم عائلة xEV بفوائد طويلة الأجل. يوفر اعتماد نهج تصميم نظام الطاقة المعياري ميزة تنافسية في هذه المنافسة الهامة في حصة السوق. الابتكار مطلوب الآن في شكل معماريات وطوبولوجيا جديدة تمامًا لا تقدم فقط أعلى أداء اليوم ، ولكن يمكن إعادة استخدامها وإعادة تشكيلها لاحقًا.
لا يتوفر هذا المستوى من المرونة وسهولة الاستخدام في تصميمات مصادر الطاقة التقليدية. بالنسبة إلى مصنعي المعدات الأصلية لتحقيق أهداف كهربة قوية ، من الأفضل اتباع نهج معياري لا يوفر فقط أعلى أداء على عدة مستويات مهمة ، ولكنه يساعدهم أيضًا على تلبية متطلبات طاقة xEV الأكثر تعقيدًا.
________________________________________________________________________________________
YS Jun (YS Jun) هو حاليًا مدير تطوير أعمال السيارات APAC في شركة Vicor.بريد [email protected]
تظل شركة Vicor ، الشركة الرائدة في وحدات الطاقة عالية الأداء ، ملتزمة بحل أصعب تحديات الطاقة لعملائنا ، ومساعدتهم على الابتكار وزيادة أداء النظام. توفر وحدات الطاقة سهلة الاستخدام الخاصة بنا كثافة وكفاءة عالية للغاية ، مما يتيح لشبكات توصيل الطاقة المتقدمة من المصدر إلى نقطة التحميل. يقع مقرها الرئيسي في أندوفر ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية ، تقدم شركة Vicor تقنيات تحويل الطاقة وتوصيل الطاقة لا مثيل لها للعملاء في جميع أنحاء العالم.
The Links: FZ2400R17KE3_B2 1MBI600UB-120