سیستم برق ۱۲۰۰ ولتی خودروهای برقی؛ شارژ سریع در چند دقیقه

پایان دوران معماری‌های ۴۰۰ و ۸۰۰ ولتی؛ ضرورت جهش به پلتفرم‌های ۱۲۰۰ ولت

در سال‌های آغازین گذار به حمل‌ونقل الکتریکی، معماری‌های استاندارد ۴۰۰ ولتی برای اتومبیل‌های شهری کافی به نظر می‌رسیدند. بعدها معرفی پلتفرم‌های ۸۰۰ ولتی توسط برندهای پیشرو، سرعت شارژ را بهبود بخشید. با این حال، امروزه و با ورود به عصر پک‌های باتری با ظرفیت بالای ۱۲۰ کیلووات‌ساعت، محدودیت‌های فیزیکی ۸۰۰ ولت به ویژه در زمینه جریان‌های بالای شارژ (بیش از ۵۰۰ آمپر) و افزایش تصاعدی تلفات گرمایی ژول (I^2 * R) نمایان شد.

قانون اهم به وضوح نشان می‌دهد که با افزایش ولتاژ نامی سیستم به ۱۲۰۰ ولت، می‌توان توان الکتریکی یکسانی را با جریان آمپراژ بسیار کمتری انتقال داد. این امر ضخامت و قطر کابل‌های مسی فشار قوی را بیش از ۵۰ درصد کاهش داده، از وزن کل دسته سیم‌های خودرو تا ۳۵ کیلوگرم می‌کاهد و راندمان کلی پلتفرم را در شرایط شتاب‌گیری‌های پیاپی بهبود می‌بخشد.

این جهش ولتاژی با ورود نسل جدید باتری‌های حالت جامد با الکترولیت سولفیدی کاملاً همسو است؛ باتری‌هایی که قادر به تحمل جریان‌های شارژ پیوسته بدون پدیده تشکیل دندریت‌های لیتیوم هستند و مکمل بی‌نقصی برای پلتفرم‌های ولتاژ فوق‌بالا به شمار می‌آیند.

انقلاب نیمه‌هادی‌های شکاف‌باند عریض (WBG)؛ تلفیق نبوغ‌آمیز SiC و GaN

قلب تپنده هر پیشرانه الکتریکی، اینورتر کششی (Traction Inverter) است که وظیفه تبدیل جریان مستقیم (DC) باتری به جریان متناوب چندفاز (AC) برای چرخش موتورهای مغناطیس دائم را بر عهده دارد. در اینورترهای قدیمی مبتنی بر IGBTهای سیلیکونی، فرکانس سوئیچینگ به ندرت از ۲۰ کیلوهرتز فراتر می‌رفت و تلفات سوئیچینگ به شکل حرارت شدید هدر می‌رفت.

امروزه طراحان به سمت ادغام ترانزیستورهای ماسفت کاربید سیلیکون (SiC MOSFETs) نسل ششم و ماسفت‌های نوین گالیوم نیترید (GaN HEMT) حرکت کرده‌اند. کاربید سیلیکون به دلیل مقاومت دی‌الکتریک ۱۰ برابری و رسانایی گرمایی ۳ برابری نسبت به سیلیکون، امکان تحمل ولتاژ معکوس تا ۲۰۰۰ ولت را فراهم می‌آورد.

همزمان، بهره‌گیری از ترانزیستورهای فوق سریع GaN در مدارهای راه‌انداز گیت و سیستم‌های DCDC کمکی، فرکانس کاری را به بیش از ۱۵۰ کیلوهرتز رسانده است. این سوییچینگ با فرکانس بالا شکل موج سینوسی جریان موتور را کاملاً صاف کرده، هارمونیک‌های مزاحم را حذف نموده و بازده تبدیل انرژی اینورتر را به عدد خیره‌کننده ۹۸.۵ درصد رسانده است.

مهندسی حرارتی میکروکانالی؛ دفع صدها وات گرما از مساحت یک تمبر

سوییچ کردن مقادیر عظیم انرژی در ابعاد مینیاتوری نیازمند مدیریت حرارتی بی‌نقص است. روش‌های خنک‌کاری متداول که مبتنی بر صفحات خنک‌شونده سطحی آب-گلیکول بودند، نمی‌توانستند شارهای حرارتی فراتر از ۳۰۰ وات بر سانتی‌متر مربع را در ماژول‌های SiC مهار کنند.

در پیشرانه‌های دوران کنونی از صفحات حرارتی خردکانالی با چاپ سه‌بعدی مستقیم لیزری (Direct-Bonded Copper with Microchannel Geometry) استفاده شده است. درون این هیت‌سینک‌ها، صدها کانال میکروسکوپی با عرض کمتر از ۲۰۰ میکرومتر تعبیه شده که جریان سیال خنک‌کننده دی‌الکتریک را مستقیماً از زیر دای‌های سیلیکونی عبور می‌دهند.

این ساختار مقاومت گرمایی را تا ۶۰ درصد کاهش داده و دمای محل اتصال پیوند (Junction Temperature) ترانزیستورها را حتی در پیست‌های سرعت مسابقه‌ای زیر ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد تثبیت می‌کند. این ایمنی حرارتی، قابلیت اطمینان لازم برای سیستم‌های حیاتی نظیر فرمان‌پذیری تمام‌سیمی و سیستم‌های ترمز الکترومکانیکی را دوچندان می‌سازد.

پذیرش جهانی استاندارد شارژ مگاواتی (MCS)؛ ۸۰۰ کیلومتر در ۸ دقیقه

شاید ملموس‌ترین اثر معماری ۱۲۰۰ ولت برای خریداران خودروهای برقی، دگرگونی کامل تجربه شارژ در ایستگاه‌های بین‌شهری باشد. در حالی که شارژرهای نسل گذشته CCS حداکثر توان ۳۵۰ کیلووات را ارائه می‌دادند، سیستم‌های نوین از استاندارد شارژ مگاواتی (Megawatt Charging System یا MCS v1.2) بهره می‌گیرند.

این استاندارد که ابتدا برای کامیون‌های برقی طراحی شده بود، اکنون با اصلاح کانکتورهای سبک و کابل‌های خنک‌شونده با مایع، توان شارژ تا سقف ۱.۲ مگاوات (۱۲۰۰ ولت با جریان ۱۰۰۰ آمپر) را برای خودروهای سواری لوکس و تجاری میسر ساخته است. با چنین قدرتی، شارژ یک باتری از ۱۰ تا ۸۰ درصد تنها به ۸ دقیقه زمان نیاز دارد؛ عددی که عملاً تفاوتی با زمان پر کردن باک بنزین ندارد.

فرآیند هدایت خودرو به سمت جایگاه شارژ و تنظیم زاویه کابل هوشمند به صورت کاملاً خودکار و با اتکا به سامانه رانندگی خودران انتها-به-انتها با مدل‌های جهان انجام می‌شود و وضعیت باتری مستقیماً روی عینک‌های واقعیت افزوده موج‌بر MicroLED راننده به نمایش درمی‌آید.

کاهش هزینه تمام‌شده و تولید انبوه خودروهای ۱۲۰۰ ولتی

در سال‌های اولیه ظهور نیمه‌هادی‌های کاربید سیلیکون، قیمت گران ویفرهای ۸ اینچی SiC استفاده از آن را تنها به خودروهای سوپراسپرت میلیاردی محدود می‌کرد. اما امروزه راه‌اندازی کارخانه‌های جدید ریخته‌گری ویفر در آسیا و اروپا و افزایش نرخ بازده تولید (Yield Rate) به بیش از ۸۵ درصد، قیمت ماژول‌های SiC را به سطح رقابتی با نیمه‌هادی‌های سنتی نزدیک کرده است.

علاوه بر این، صرفه‌جویی حاصل از کاهش وزن کابل‌های مسی، کوچک‌تر شدن رادیاتورهای خنک‌کننده و حذف سیستم‌های بوست ولتاژ، هزینه نهایی تولید خودرو را در سطح کلی پلتفرم حتی ارزان‌تر از سیستم‌های ۸۰۰ ولتی گذشته کرده است. پیش‌بینی می‌شود تا اوایل سال ۲۰۲۷، بیش از ۶۰ درصد خودروهای برقی میان‌رده نیز از این معماری بهره‌مند شوند.

جمع‌بندی؛ پیشرانه آینده، چابک‌تر و کارآمدتر از همیشه

انقلاب ۱۲۰۰ ولت گامی بلند به سوی کمال فنی خودروهای الکتریکی است. ترکیب راندمان شگفت‌انگیز ۹۸.۵ درصدی، نیمه‌هادی‌های نوین WBG، خنک‌کاری پیشرفته میکروکانالی و زیرساخت‌های شارژ مگاواتی، آخرین تردیدهای خریداران سنتی نسبت به مسافت پیمایش و زمان شارژ را به خاطره‌ها می‌سپارد.

صنعت خودرو امروزه نه تنها جایگزینی پاک برای سوخت‌های فسیلی یافته، بلکه استانداردی از بازده، قدرت و یکپارچگی مهندسی را به نمایش گذاشته که در تاریخ مهندسی مکانیک بی‌سابقه است.