معماری ۱۲۰۰ ولت کاربید سیلیکون و خنک‌کاری غوطه‌وری باتری
خداحافظی با توقف‌های طولانی در ایستگاه‌های شارژ؛ فناوری ولتاژ ۱۲۰۰ ولت و خنک‌کاری غوطه‌وری مستقیم دوران کنونی باتری خودروهای الکتریکی را در کمتر از ۸ دقیقه به شارژ ۸۰ درصدی می‌رساند.
- تحلیل موشکافانه و تخصصی جهش پلتفرم‌های الکتریکی خودروها امروزه با ظهور معماری‌های ولتاژ فوق‌بالای ۱۲۰۰ ولت مبتنی بر نیمه‌هادی‌های کاربید سیلیکون (SiC) و سامانه‌های خنک‌کاری غوطه‌وری مستقیم (Direct Immersion Cooling). بررسی گذر از پلتفرم‌های ۸۰۰ ولتی مرسوم، کاهش چشمگیر جریان آمپراژ عبوری، حذف سیم‌کشی‌های سنگین مسی و شارژ فوق‌سریع در توان‌های ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلووات؛ تشریح نقش سیالات دی‌الکتریک غیررسانای فلوروکربنی در تماس مستقیم ۳۶۰ درجه با سلول‌های باتری استوانه‌ای و منشوری، حذف کامل نقاط داغ حرارتی (Hotspots) و تضمین سلامت باتری برای بیش از ۲ میلیون کیلومتر پیمایش در شرایط آب‌وهوایی نامساعد.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
عبور از سد پلتفرم‌های ۸۰۰ ولتی؛ چرا ولتاژ ۱۲۰۰ ولت استانداردی گریزناپذیر شد؟
در سالیان گذشته، گذار صنعت خودرو از پلتفرم‌های ۴۰۰ ولت به ۸۰۰ ولت به عنوان پیشرفتی شگرف جشن گرفته شد که امکان شارژ ۳۵۰ کیلوواتی را در خودروهایی چون پورشه تایکان و هیوندای آیونیک میسر ساخت. با این حال، افزایش ظرفیت باتری‌ها به ارقام بالای ۱۲۰ کیلووات‌ساعت برای دستیابی به پیمایش‌های جاده‌ای فراتر از ۸۰۰ کیلومتر، پلتفرم‌های ۸۰۰ ولت را به حداکثر مرزهای فیزیکی خود رساند. طبق قانون توان الکتریکی (P = V × I)، برای تزریق توان‌های ۶۰۰ کیلووات در ولتاژ ۸۰۰ ولت، جریان عبوری باید از ۷۵۰ آمپر فراتر رود که نیازمند کابل‌های ضخیم، دوشاخه‌های شارژ مایع‌خنک فوق‌سنگین و اتلاف شدید انرژی به صورت گرمای ژول (Joule Heating) است.
پاسخ پیشروترین مهندسان خودرو امروزه جهش به معماری ولتاژ نامی ۱۲۰۰ ولت است. با رساندن ولتاژ به ۱۲۰۰ ولت، جریان لازم برای انتقال ۶۰۰ کیلووات توان الکتریکی به کمتر از ۵۰۰ آمپر کاهش می‌یابد. این کاهش آمپراژ به نوبه خود امکان استفاده از کابل‌های منعطف‌تر، کاهش ۵۰ درصدی قطر سیم‌کشی‌های داخلی خودرو و صرفه‌جویی خیره‌کننده ۳۵ کیلوگرمی در وزن دسته سیم‌ها (Wiring Harness) را فراهم آورده است.
همان‌طور که در واکاوی باتری‌های حالت جامد سدیم-یون در خودروهای برقی بررسی کردیم، شیمی سلول‌ها به تنهایی ضامن موفقیت نیست؛ بلکه معماری الکترونیک قدرت است که پتانسیل حداکثری ذخیره‌سازی انرژی را آزاد می‌سازد.
نیمه‌هادی‌های کاربید سیلیکون نسل پنجم؛ سوئیچینگ بدون اتلاف در فرکانس‌های مگاهرتزی
تحقق ولتاژ ۱۲۰۰ ولت بدون پیشرفت‌های شگرف در الکترونیک قدرت ناممکن بود. ترانزیستورهای سنتی سیلیکونی (Si IGBT) در این سطوح ولتاژ با تلفات حرارتی شدید و پدیده شکست بهمنی (Avalanche Breakdown) روبه‌رو می‌شدند. امروزه ماژول‌های قدرت ماسفت مبتنی بر کاربید سیلیکون (SiC MOSFET) نسل پنجم با گاف انرژی عریض (Wide Bandgap) جایگزین قطعات قبلی شدند.
این اینورترهای پیشرفته می‌توانند در ولتاژ شکست فراتر از ۱۷۰۰ ولت با فرکانس‌های سوئیچینگ بالای ۱۰۰ کیلوهرتز عمل کنند. این امر راندمان اینورتر محرک موتورها را در دورهای بالا به عدد خارق‌العاده ۹۹.۴ درصد رسانده است. تلفات حرارتی سوئیچینگ تا ۷۰ درصد کاهش یافته و ابعاد اینورتر خودرو به اندازه یک جعبه کفش کوچک فشرده شده است.
همانند فناوری‌های بررسی‌شده در تکامل ماژول‌های مستقل چهارچرخ e-Corner و گشتاور برداری، ادغام اینورترهای فشرده ۱۲۰۰ ولت در کنار هر چرخ، امکان کنترل میلی‌ثانیه‌ای گشتاور را با دقتی بی‌سابقه در خودروهای برقی نسل جدید پدید آورده است.
خنک‌کاری غوطه‌وری مستقیم؛ حمام مایع دی‌الکتریک و پایان خفگی حرارتی باتری
با وجود کاهش آمپراژ در ولتاژ ۱۲۰۰ ولت، تزریق ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلووات انرژی در دقایق اولیه شارژ سریع، حجم عظیمی از گرما را در درون ساختار متراکم سلول‌های باتری آزاد می‌کند. صفحات خنک‌کننده سنتی که مایع آب و گلیکول را در زیر یا میان سلول‌ها به گردش درمی‌آوردند، به دلیل مقاومت حرارتی چسب‌ها و لایه‌های عایق، قادر به دفع یکنواخت این گرما نبودند و پدیده اختلاف دمای سلول‌ها به پیری زودرس باتری می‌انجامید.
راهکار انقلابی خودروسازان پیشرو امروزه خنک‌کاری غوطه‌وری مستقیم (Direct Immersion Cooling) است. در این ساختار، سلول‌های باتری استوانه‌ای یا تیغه‌ای مستقیماً در یک سیال فلوروکربنی مصنوعی شفاف، غیرقابل اشتعال و نارسای الکتریسیته (Dielectric Fluid) غوطه‌ور هستند. مایع با دبی بالا مستقیماً به دور تا دور تمام قطب‌های مثبت و منفی و پوسته هر سلول پمپاژ می‌شود.
ضریب انتقال حرارت در این سیستم ۳.۵ برابر بیشتر از صفحات سرد سنتی است. در تست‌های سخت‌گیرانه شارژ از ۱۰ تا ۸۰ درصد در مدت زمان شگفت‌انگیز ۷ دقیقه و ۴۵ ثانیه با شارژرهای مگاواتی، اختلاف دمای داغ‌ترین و خنک‌ترین سلول در کل پک باتری ۱۲۰ کیلووات‌ساعتی زیر ۱.۲ درجه سانتی‌گراد باقی مانده است. این تعادل بی‌نظیر پدیده فرار حرارتی (Thermal Runaway) را به صفر رسانده است.
پیمایش زمستانه پایدار، شارژ دوسویه و افق آینده هایپرکارها تا ۲۰۲۷
مزیت پنهان خنک‌کاری غوطه‌وری در اقلیم‌های سردسیر خودنمایی می‌کند. در زمستان‌های منجمد زیر ۲۰ درجه سانتی‌گراد، سیال دی‌الکتریک می‌تواند توسط پمپ گرمایی اختصاصی در عرض چند دقیقه گرم شود و گرمای یکنواخت را مستقیماً به بطن مواد فعال سلول منتقل سازد؛ امری که افت ظرفیت زمستانه باتری‌های برقی را به طور کامل خنثی می‌نماید.
همچنین، با پشتیبانی ذاتی معماری ۱۲۰۰ ولت از پروتکل‌های شبکه‌های شارژ دوسویه خودرو به شبکه V2G، خودروهای برقی مجهز به این فناوری می‌توانند در ساعات اوج مصرف، انرژی الکتریکی ذخیره‌شده خود را با راندمانی فراتر از ۹۶ درصد مستقیماً به شبکه برق شهری تزریق نمایند و به عنوان استوریج‌های پرقدرت ملی عمل کنند.
هایپرکارهای دوران کنونی از شرکت‌هایی چون ریماک، پورشه و زیکر نشان داده‌اند که دوران نگرانی از مسافت پیمایش (Range Anxiety) و فرسایش زودهنگام باتری به پایان رسیده است؛ باتری‌هایی که پس از سال‌ها رانندگی پرشتاب و هزاران چرخه شارژ فوق‌سریع، همچنان بیش از ۹۵ درصد سلامت اولیه خود را حفظ می‌کنند.
بیشتر از خودرو
