توليد الحرارة في محطات شحن المركبات الكهربائية

يعد توليد الحرارة أثناء عملية شحن محطات شحن السيارات الكهربائية (EV) ظاهرة فيزيائية لا مفر منها. لفهم هذه المشكلة ، من الضروري أولاً فهم مبدأ العمل الأساسي لـ شاحن إيف. في الأساس ، محطة الشحن هي جهاز تحويل الطاقة الكهربائية الذي يحول التيار المتردد (AC) من الشبكة إلى تيار مباشر (DC) يمكن لبطارية السيارة تخزينه. عملية التحويل هذه ليست فعالة بنسبة 100 ٪ ، ويتم فقد جزء من الطاقة الكهربائية كحرارة. وفقًا لقانون جول (H = IRt) ، تتناسب الحرارة المتولدة في الموصل مع مربع التيار ، مما يعني أنه كلما زاد التيار ، زادت الحرارة المتولدة.

الطاقة هي عامل رئيسي يؤثر على توليد الحرارة. تحدد الطاقة ، المقاسة بالكيلوواط (kW) ، مقدار الطاقة التي يمكن لمحطة الشحن توصيلها إلى البطارية في وقت معين. ومع ذلك ، فإن الطاقة الأعلى تولد أيضًا مزيدًا من الحرارة. على سبيل المثال ، ينتج شاحن المنزل البطيء بحوالي 3.3 كيلو واط حرارة أقل بكثير من شاحن سريع 50 كيلو واط أو أعلى لأن تيار الشحن البطيء أصغر ، مما يؤدي إلى فقدان حرارة أقل. يتطلب الشحن السريع تيارات كبيرة لنقل طاقة كبيرة بسرعة ، مما يولد المزيد من الحرارة.

الحديث شواحن EV عموما كفاءة التحويل من 85 ٪ إلى 95 ٪. وهذا يعني أنه بالنسبة لمحطة الشحن بكفاءة 90 ٪ ، يتم نقل 90 ٪ من الطاقة الكهربائية إلى البطارية ، بينما يتم تحويل الـ 10 ٪ المتبقية إلى حرارة. على الرغم من أن هذه النسبة قد تبدو صغيرة ، إلا أنه في سيناريوهات الشحن عالية الطاقة ، يمكن أن تظل الحرارة المتراكمة كبيرة.

توليد الحرارة في محطات الشحن ليس عشوائيًا ؛ يتأثر بعوامل متعددة. يساعد فهم هذه العوامل المستخدمين والمشغلين على إدارة عملية الشحن بشكل أفضل ومنع مخاطر ارتفاع درجة الحرارة. على وجه التحديد ، تشمل العوامل الرئيسية ما يلي:

تحدد قوة الشحن مباشرة حجم توليد الحرارة. تتعامل أجهزة الشحن السريعة (فوق 120 كيلو واط) مع مئات الأمبيرات أثناء التشغيل ، والتي تنتج كمية كبيرة من الحرارة وفقًا لقانون جول. في المقابل ، يحتوي الشاحن البطيء للمنزل بقدرة 7 كيلو واط على تيار أصغر ، ويمكن التحكم في الحرارة المتولدة نسبيًا.

تعمل محطات الشحن عالية الكفاءة على تحويل المزيد من الطاقة الكهربائية المدخلة إلى طاقة قابلة للاستخدام للبطارية ، مما يقلل من فقد الحرارة. يعد اختيار معدات الشحن عالية الكفاءة هو الإجراء الأساسي للتحكم في الحرارة. تبلغ كفاءة أجهزة الشحن السائدة الحالية حوالي 90 ٪ ، ويمكن أن تصل المنتجات عالية الجودة إلى أكثر من 95 ٪.

تؤثر درجة الحرارة المحيطة الخارجية بشكل مباشر على تبديد الحرارة. في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ، ينخفض الفرق في درجة الحرارة بين محطة الشحن والمناطق المحيطة ، مما يقلل من كفاءة التبريد ويزيد من درجات الحرارة الداخلية. خلال فترات الصيف الحارة ، يجب أن تعمل مراوح التبريد بشكل مستمر ، ومع ذلك يظل من الصعب الحفاظ على درجة الحرارة ضمن نطاق آمن.

تولد مقاومة كابل الشحن الحرارة أيضًا. تفقد الكابلات عالية المقاومة المزيد من الطاقة كحرارة أثناء النقل ، لذلك من الضروري استخدام كابلات منخفضة المقاومة وعالية الجودة. على سبيل المثال ، يمكن لكابلات الشحن J1772 إلى 6 2196-2 16A EV وكابلات الشحن AC ثلاثية الطور من النوع 2 16A أن تقلل بشكل فعال من توليد الحرارة أثناء الشحن.

تؤدي الفترات الطويلة من الشحن المستمر عالي الطاقة إلى تراكم الحرارة. إذا كانت محطة الشحن تعمل بحمل كامل لأكثر من أربع ساعات ، فإن درجة حرارة المكونات الداخلية تستمر في الارتفاع ، مما قد يؤدي إلى تشغيل آلية الحماية من ارتفاع درجة الحرارة.

نظرًا لأن توليد الحرارة هو نتيجة ثانوية لا مفر منها للشحن ، يجب أن تكون محطات الشحن مجهزة بأنظمة تبريد فعالة. حاليًا ، تنقسم حلول التبريد الرئيسية إلى تبريد سلبي وتبريد نشط.

تبريد الهواء هو الطريقة الأكثر استخدامًا ، وهو مناسب بشكل خاص لأجهزة الشحن ذات الطاقة المتوسطة والمنخفضة التي تقل عن 60 كيلو واط.

• مبدأ العمل: يفرض نظام تبريد الهواء تدفق الهواء بمروحة لحمل الحرارة بعيدًا عن المكونات الداخلية لمحطة الشحن. يتم سحب الهواء من اللوحة الأمامية ، ويمر عبر مكونات غرفة التبريد والتدفئة ، ويتم تفريغه من الجزء الخلفي من الوحدة ، مما يشكل تبادلًا حراريًا مستمرًا.
• المزايا: بنية بسيطة ، سهلة التركيب ؛ انخفاض التكلفة ، صيانة مريحة ؛ التكنولوجيا الناضجة ، وموثوقية عالية.
• القيود: تتأثر كفاءة التبريد بشدة بدرجة الحرارة المحيطة ؛ كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة الحرارة تقلل الكفاءة بحوالي 15 ٪ -20 ٪ ؛ قد لا تفي بمتطلبات التبريد في سيناريوهات الطاقة العالية ، مما يتطلب تقليل طاقة الشحن ؛ ضوضاء المروحة مرتفعة نسبيًا ؛ عادةً ما يصل تصنيف الحماية إلى IP54 أو IP55 فقط.

في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ، قد تحتاج محطات الشحن المبردة بالهواء إلى تقليل الطاقة. تظهر الاختبارات الفعلية أن شاحن 60 كيلوواط قد ينخفض إلى 45 كيلوواط في درجات الحرارة المرتفعة للتحكم في درجة الحرارة الداخلية.

مع تطور تقنية الشحن السريع ، أصبح التبريد السائل تدريجياً الحل السائد لمحطات الشحن التي تزيد عن 120 كيلو واط.

• مبدأ العمل: تستخدم أنظمة التبريد السائل سائل تبريد مصمم خصيصًا (مثل محلول جلايكول الإيثيلين) يدور في أنابيب محكمة الغلق ، ويتدفق عبر مكونات عالية الحرارة مثل وحدات الشحن والكابلات والموصلات. بعد امتصاص الحرارة ، يدخل المبرد ويبدد الحرارة في البيئة الخارجية من خلال مبادل حراري.
• المزايا الأساسية: كفاءة التبريد هي 3-5 أضعاف كفاءة تبريد الهواء ، مما يوفر تبديدًا أقوى للحرارة في نفس الحجم ؛ يمكن أن تحافظ على درجات حرارة المكونات الأساسية أقل من 50 درجة مئوية ، مع الحفاظ على خرج الطاقة الكامل حتى في بيئات 40 درجة مئوية ؛ تصميم مغلق بالكامل ، تصنيف حماية يصل إلى IP65 ، عزل الغبار بشكل فعال ، رذاذ الملح ، وبخار الماء ؛ الضوضاء أقل من 55 ديسيبل ، مناسبة للبيئات الحضرية ؛ يمكن أن تكون كابلات الشحن أرق وأخف وزناً ، مما يحسن تجربة المستخدم.
• التصنيف الفني: يغطي التبريد السائل الكامل نظام الشحن بالكامل ، ويتم تبريد جميع مكونات توليد الحرارة الأساسية عبر حلقات سائلة ، مما يدعم خرج طاقة فائق المستوى على مستوى ميغاواط ؛ يركز التبريد السائل Endpoint على مسدس الشحن ونهايات الكابلات ، وتحقيق التوازن بين الأداء والتكلفة ؛ التيار الرئيسي حاليا في السوق

يمكن لأجهزة الشحن المبردة بالسائل التعامل مع التيارات التي تصل إلى 600 أمبير ، مع سرعات شحن أسرع عدة مرات من أجهزة الشحن التقليدية. حاليًا ، وصلت القوة التصميمية لأجهزة الشحن فائقة السرعة المبردة بالسائل إلى 900 كيلو واط ، وهي قادرة نظريًا على الشحن الكامل لسيارة تسلا موديل 3 في خمس دقائق.

• التأثير على محطة الشحن: يمكن أن تتسبب درجات الحرارة الزائدة في تدهور مكونات محطة الشحن بمرور الوقت ، مما يقلل من الكفاءة ، ويولد المزيد من الحرارة ، ويطيل وقت الشحن. في الحالات القصوى ، قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى عطل في الشاحن أو فشل كامل. تعمل درجة الحرارة العالية على المدى الطويل على تسريع تقادم المكونات الإلكترونية ، مما يقلل من متوسط الوقت بين حالات الفشل (MTBF) بنسبة 30 ٪ -40 ٪.
• التأثير على بطاريات المركبات: بطاريات ليثيوم أيون حساسة للغاية لدرجة الحرارة. تعمل الحرارة العالية على تسريع التفاعلات الكيميائية الداخلية ، مما يؤدي إلى تدهور البطارية بشكل أسرع ، وانخفاض السعة ، وعمر افتراضي أقصر. إذا أصبحت درجة حرارة البطارية مرتفعة للغاية أثناء الشحن ، فقد يقلل نظام الإدارة الحرارية للمركبة من طاقة الشحن أو حتى يتوقف الشحن مؤقتًا.
• مخاطر السلامة: على الرغم من أن حرائق شاحن EV نادرة نسبيًا ، إلا أنه عند حدوثها ، يمكن أن يكون الضرر الذي يلحق بالبنية التحتية وتعطيل العمليات شديدًا. قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى إتلاف المكونات الرئيسية مثل المكثفات أو وحدات IGBT ، وفي الحالات القصوى ، قد يؤدي إلى دخان أو حريق.

وفقًا لتجربة الصناعة ، عادةً ما يحدث ارتفاع درجة حرارة محطة الشحن بسبب العوامل التالية:

• فشل نظام التبريد: يمكن أن تتسبب المراوح المحظورة بالأوراق أو الغبار أو الحطام في ارتفاع درجة حرارة المكونات الداخلية. يمكن أن يقلل سمك الغبار الذي يتجاوز 2 مم من كفاءة التبريد بنسبة 30 ٪. إذا توقفت المراوح عن العمل ، ترتفع الحرارة الداخلية بسرعة ، وهو أمر خطير للغاية.
• الشيخوخة المكون أو الفشل: قد تتسبب المكونات التالفة ، مثل المكثفات المعيبة ، في حدوث تشوهات وظيفية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. بمرور الوقت ، تزداد الشيخوخة سوءًا ، مما يزيد من المخاطر.
• عملية الزائد: قد يؤدي استخدام الشاحن مع المركبات التي تتجاوز سعة الطاقة الآمنة إلى زيادة التحميل. على الرغم من أن أجهزة الشحن الحديثة لديها آليات تفاوض الطاقة ، إلا أن المواقف غير الطبيعية قد لا تزال تسبب الحمل الزائد.
• تركيب غير لائق: قد يؤدي التثبيت الرديء الجودة أو الأسلاك غير الصحيحة إلى تراكم المقاومة ، مما يولد الحرارة بمرور الوقت. محطات فضفاضة خلق مقاومة الاتصال ، مما يؤدي إلى التدفئة المحلية.
• قضايا البرمجيات أو البرامج الثابتة: قد تؤدي الأخطاء أو الثغرات الأمنية في البرامج أو البرامج الثابتة إلى إجهاد الآليات الداخلية. على سبيل المثال ، قد تتسبب أخطاء البرامج الثابتة في حلقات تشغيل مستمرة ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة.
• نقص الصيانة: يمكن أن يؤدي عدم إجراء الصيانة الدورية إلى ارتفاع درجة الحرارة الشديد. يتضمن ذلك التنظيف المادي لإزالة الغبار والأوساخ ، بالإضافة إلى الفحص البصري لتحديد الشقوق أو التوصيلات السائبة أو الكابلات التالفة.

نظرًا لأن ارتفاع درجة حرارة محطة الشحن ينطوي على العديد من المخاطر ، فإن الإدارة الحرارية الفعالة وتدابير السلامة ضرورية. تشمل أفضل الممارسات المثبتة ما يلي:

• أنظمة التبريد النظيفة: تحقق بانتظام من وجود فتحات منع الغبار أو الحطام ، وقم بتنظيف الغبار من المبددات الحرارية. يطيل التنظيف الفعال عمر الشاحن ويقلل من فقد الطاقة ، مما يحسن الكفاءة.
• فحص الموصلات: تحقق من الكابلات والموصلات بحثًا عن التلف أو الرخاوة ، مما يضمن إحكام المحطات.
• اختبار وظائف السلامة: اختبار بانتظام المقاطعات خطأ الأرض وغيرها من أجهزة السلامة.
• تحقق من تشغيل المروحة: تأكد من أن مراوح التبريد تعمل بشكل طبيعي دون ضوضاء أو توقف غير طبيعي.

قم بتركيب أجهزة الشحن في مناطق جيدة التهوية ، بعيدًا عن مصادر الحرارة.

تجنب أشعة الشمس المباشرة ؛ استخدم هياكل التظليل إذا لزم الأمر.

ضمان مساحة كافية حول الشاحن لتدفق الهواء.

في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ، يفضل الشحن في الصباح الباكر أو في المساء.

يمكن لأجهزة الشحن الحديثة مراقبة درجات حرارة المكونات في الوقت الفعلي وضبط معدلات الشحن وفقًا لذلك.

عندما تتجاوز درجة الحرارة عتبة محددة مسبقًا (عادةً 60-70 درجة مئوية) ، يقلل البرنامج تلقائيًا من طاقة الشحن أو يوقف الشحن مؤقتًا للحفاظ على درجات حرارة تشغيل آمنة.

يمكن لبعض أنظمة الذكاء الاصطناعي المتقدمة اكتشاف درجات الحرارة المرتفعة وإيقاف جميع جلسات الشحن المستمرة تلقائيًا ، مما يمنع بدء الجلسات الجديدة.

• أجهزة الشحن المنزلية البطيئة (7-11 كيلو واط): تبريد الهواء كافٍ وفعال من حيث التكلفة.
• أجهزة الشحن السريع التجارية (60-120 كيلو واط): اختر تبريد الهواء أو السائل حسب تردد الاستخدام والبيئة.
• الشواحن الفائقة (120 كيلو واط +): يوصى بالتبريد السائل لإخراج طاقة عالية وموثوقية طويلة المدى.

للمشغلين الذين لديهم أساطيل EV ، قم بتنفيذ أدوات لاكتشاف ومنع ارتفاع درجة الحرارة ، بما في ذلك:

• تركيب أجهزة استشعار مراقبة درجة الحرارة
• تكوين أنظمة المراقبة عن بعد
• تطوير إجراءات الاستجابة المحموم

تجهيز معدات مكافحة الحرائق (على الرغم من أن خطر الحريق منخفض ، إلا أن الخسائر المحتملة مرتفعة)

تولد محطات شحن المركبات الكهربائية حرارة ، وتعتمد الكمية على مستوى الطاقة وكفاءة الشحن ومعدل الشحن ودرجة الحرارة المحيطة ومقاومة الكابلات. على الرغم من أن توليد الحرارة أمر لا مفر منه ، إلا أن أنظمة التبريد المناسبة وبرامج الإدارة الحرارية والتركيب الاستراتيجي يمكنها التحكم بفعالية في درجات الحرارة ، مما يضمن التشغيل الآمن وعمر المعدات الطويل.

بالنسبة للمستخدمين العاديين ، فإن فهم كيفية توليد محطات الشحن للحرارة والصيانة الأساسية يمكن أن يساعد في حماية المعدات والمركبات أثناء الاستخدام اليومي. بالنسبة للمشغلين ومديري الأساطيل ، يعد الاستثمار في أنظمة الإدارة الحرارية المتقدمة والصيانة الدورية أمرًا أساسيًا لضمان التشغيل المستقر طويل الأجل للبنية التحتية للشحن.

مع التقدم التكنولوجي المستمر ، ستصبح محطات الشحن المستقبلية أكثر كفاءة وأمانًا وهدوءًا ، مما يوفر أساسًا قويًا للبنية التحتية لاعتماد السيارات الكهربائية على نطاق واسع.