اختيار المحث الكهربائي للتحويلة ثنائية الاتجاه تيار مستمر-تيار مستمر في أنظمة التخزين المنزلية

مع التطور السريع للطاقة الموزعة، أصبحت أنظمة تخزين الطاقة المنزلية مهمة بشكل متزايد في تحسين كفاءة استخدام الطاقة وتعزيز استقرار إمدادات الكهرباء. وباعتبارها مكونًا أساسيًا في أنظمة تخزين الطاقة المنزلية، تؤدي المحولات ثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى التيار المستمر دورًا حيويًا في تحقيق تدفق طاقة ثنائي الاتجاه بكفاءة ومرونة بين البطاريات والشبكة أو الأحمال. ومن بين مختلف مكونات هذه المحولات، تلعب المحاثات الكهربائية عالية التيار دورًا بالغ الأهمية، حيث يؤثر أداؤها مباشرة على الكفاءة الشاملة والاستقرار والموثوقية للمحولات.

1- نظرة عامة على مبدأ عمل المحولات الثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى التيار المستمر في الرئيسية أنظمة تخزين الطاقة

يمكن لمحوّلات التيار المستمر ثنائية الاتجاه نقل الطاقة بين مستويات مختلفة من جهد التيار المستمر. في وضع الشحن، تقوم بتحويل الجهد العالي القادم من الشبكة أو المصادر الفوتوفولطية إلى جهد منخفض مناسب لشحن البطارية وتخزين الطاقة. وفي وضع التفريغ، تقوم برفع جهد البطارية المنخفض إلى جهد أعلى يلبي متطلبات الحمل أو يمكن إرجاعه إلى الشبكة. وعلى سبيل المثال الشائع لمحوّل التيار المستمر ثنائي الاتجاه من النوع Buck-Boost، في وضع خفض الجهد (Buck)، عندما يكون مفتاح الطاقة (MOSFET) مغلقًا، تزود مصدر الطاقة المدخلات بالطاقة للحمل عبر المحث، ما يؤدي إلى زيادة تيار المحث وتخزين الطاقة فيه. وعندما يكون المفتاح مفتوحًا، يستمر تيار المحث في التدفق نحو الحمل عبر ديود الدوران الحر (أو مستقيم متزامن)، مما يُطلق الطاقة المخزنة فيه، وبالتالي تحقيق إمداد مستمر بالطاقة للحمل أثناء فترات فتح المفتاح. وفي وضع رفع الجهد (Boost)، عندما يكون المفتاح مغلقًا، يقوم مصدر الطاقة المدخل بشحن المحث، حيث يتم تخزين الطاقة فيه. وعندما يكون المفتاح مفتوحًا، يعمل المحث مع مصدر الطاقة المدخل معًا لزيادة جهد الخرج.

الشكل 1. مخطط سيناريو تطبيق تخزين الطاقة السكني

2- دور المحاثات الكهربائية في المحولات ثنائية الاتجاه التيار المستمر إلى التيار المستمر

تلعب المحاثات الكهربائية دورًا حيويًا في المحولات ثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى التيار المستمر باعتبارها مكونات رئيسية لتخزين ونقل الطاقة. خلال مرحلة تشغيل المفتاح، يزداد تيار المحث تدريجيًا، وتُخزن الطاقة الكهربائية في المحث على شكل طاقة مغناطيسية. وعند إيقاف المفتاح، ينخفض تيار المحث، وتتحول الطاقة المغناطيسية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية، مما يضمن استمرارية التيار في الدائرة ويحقق تحويل الجهد إما بالرفع أو بالخفض. وبما أن المحاثات الكهربائية في المحولات ثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى التيار المستمر تعمل أساسًا في بيئات ذات تيار متذبذب عالي، فإن ذلك يؤدي إلى خسائر كبيرة، ويمكن للحد من مقاومة التيار المستمر (DCR) للمحث وزيادة تردد التشغيل أن يساعدا في التحكم بهذه الخسائر في ظل ظروف التيار المتذبذب العالي.

3- تأثير المحاثات الكهربائية على المحولات ثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى التيار المستمر

3.1 قيمة الحث

تؤثر قيمة الحث تأثيراً مباشراً على نسبة تحويل الجهد، وموجة تموج التيار، وسرعة الاستجابة الديناميكية للمحول. عندما تكون قيمة الحث كبيرة، يكون تموج التيار صغيراً، مما يجعل جهد الخرج أكثر سلاسة، وبالتالي يُحسّن كفاءة واستقرار المحول. ومع ذلك، قد يؤدي ذلك إلى إبطاء استجابة المحول ديناميكيًا، ما يجعله غير قادر على تعديل جهد الخرج بسرعة عند تغير الحمل. وعندما تكون قيمة الحث صغيرة جدًا، فإن الاستجابة الديناميكية تكون سريعة رغم ذلك، لكن تموج التيار يكون كبيرًا، مما يزيد من خسائر الجهاز الكهربائي ويقلل كفاءة المحول، وقد يتسبب حتى في حدوث اهتزازات في الدائرة، مما يؤثر على التشغيل الطبيعي للنظام. في التصميم العملي، يجب أخذ نمط تشغيل المحول وخصائص الحمل ومتطلبات الأداء بعين الاعتبار بشكل شامل لاختيار قيمة الحث بدقة.

3.2 تيار الاشباع (Saturation Current)

عندما يصبح التيار المار عبر المحث كبيرًا جدًا، تصل كثافة التدفق المغناطيسي في القلب إلى القيمة التشبعية، ويدخل المحث في حالة تشبع مغناطيسي، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في قيمة الحث. في المحولات ثنائية الاتجاه تيار مستمر-تيار مستمر، يمكن أن يؤدي التشبع المغناطيسي للمحث إلى فقدان السيطرة على التيار، وزيادة كبيرة في الموجة المتذبذبة (Ripple)، وتلف أجهزة التبديل الكهربائية بسبب مرور تيار زائد، ما يؤثر بشكل بالغ على التشغيل الطبيعي للمحول. ولتجنب التشبع المغناطيسي، من الضروري تصميم مادة القلب وحجمه بشكل مناسب لضمان ألا يدخل المحث في حالة تشبع عند أقصى تيار تشغيل للمحول. وفي الوقت نفسه، يمكن اعتماد طرق مثل زيادة الفجوات الهوائية لتوسيع نطاق التشغيل الخطي للمحث وتحسين موثوقية المحول. كوداكا طورت بشكل مستقل عدة سلاسل من المحاثات ذات النواة المسحوقة المغناطيسية عالية التيار، وتستخدم نوى مسحوقة مغناطيسية بتركيبة براءة اختراع لتحسين خصائص التشبع للمحاثات.

3.3 المقاومة المستمرة (DCR)

يشير مقاومة التيار المستمر إلى المقاومة الداخلية لملف المحث في ظل ظروف التيار المستمر. كلما كانت قيمة DCR أقل، قلّ الفقد في القدرة عند مرور التيار، مما يحسن الكفاءة الإجمالية.

عند الاختيار، يجب إعطاء الأولوية للمنتجات ذات خصائص DCR المنخفضة لتقليل فاقد التوصيل وتحسين كفاءة المحول.

3.4 التردد التشغيلي

يمكن أن يؤدي زيادة تردد التبديل في المحولات ثنائية الاتجاه من التيار المستمر إلى تقليل حجم المكونات السلبية مثل الحثيات والمكثفات، مما يعزز كثافة الطاقة وسرعة الاستجابة الديناميكية للمحول. ومع ذلك، عندما تعمل الحثيات عند ترددات عالية، فإن تأثير المعاملات الشاذة يتزايد، حيث يؤدي تأثير الجلد وتأثير القرب إلى زيادة كبيرة في خسائر الحثية. قد لا تفي المواد المغناطيسية التقليدية بالمتطلبات، مما يفاقم المشكلات مثل التسخين الناتج عن فقدان القلب. لذلك، يُعد اختيار منتجات الحثية للتطبيقات ذات التردد العالي خطوة حاسمة لضمان التشغيل المستقر للنظام.

3.5 درجة حرارة التشغيل

تعمل أنظمة تخزين الطاقة المنزلية في بيئات معقدة، مما يتطلب من محثوطات الطاقة امتلاك خصائص فيزيائية ممتازة وقدرة على التكيف مع البيئة. يجب أن تلبي أبعاد ووزن المحث متطلبات التصميم المدمج لمعدات تخزين الطاقة المنزلية. في البيئات القاسية مثل درجات الحرارة والرطوبة العالية، ينبغي أن يحافظ المحث على أداء مستقر، مع مواد لب لا تتأثر بسهولة بالحرارة والرطوبة، ويُظهر أداءً جيدًا في التبريد إلى جانب مقاومة الرطوبة والعفن والتآكل. عند الاختيار، يُفضّل اختيار محثوطات تعمل بدرجة حرارة عالية ولها خصائص منخفضة بالنسبة للتغيرات في درجة الحرارة والانحياز المستمر، مثل منتجات اللب الفيريتية عالية التيار.

4- حلول كوداكا لمحولات التيار المستمر ثنائي الاتجاه لأنظمة تخزين الطاقة المنزلية

وفرت شركة كوداكا حلولاً متعددة لمحثات مُعدَّلة لأنظمة المحولات ثنائية الاتجاه التيار المستمر-التيار المستمر للمنازل، من خلال البحث والتطوير المستقل والابتكار التكنولوجي، مما ساهم في التنمية الخضراء وذات الكربون المنخفض. أطلقت كوداكا عدة طرازات من المحاثات الكهربائية عالية التيار، وتقدم خيارات متنوعة من الخصائص الكهربائية وتصاميم الحِزم لتلبية المتطلبات العالية الأداء للمحثات في هذا التطبيق. ومن بينها، يمتاز محث الطاقة عالي التيار الذي طورته كوداكا بشكل مستقل مع قلب من مسحوق مغناطيسي بتيار تشبع عالٍ، وفقدان منخفض، وكفاءة تحويل عالية، ودرجة حرارة تشغيل مرتفعة، ما يستوفي متطلبات نظام المحول ثنائي الاتجاه للمنزل من حيث التيار التشغيلي العالي، والخسائر المنخفضة، والكثافة العالية للقدرة.

الشكل 2. محث كوداكا عالي التيار

تُعد المحاثات الكهربائية المكون الأساسي في المحولات ثنائية الاتجاه المستخدمة في المنازل، وتؤدي دورًا لا يمكن الاستغناء عنه في تخزين الطاقة وتحويلها، وكذلك في قمع تذبذب التيار. ويؤثر أداؤها بشكل مباشر على كفاءة هذه المحولات واستقرارها وموثوقيتها. ومع التقدم المستمر لتكنولوجيا تخزين الطاقة المنزلية، أصبحت متطلبات الأداء للمحاثات الكهربائية أكثر صرامة باستمرار، حيث برزت اتجاهات رئيسية للتطوير مثل الكثافة العالية للقدرة والتشغيل بتردد عالٍ والدمج المتكامل. استجابةً لهذه التحديات، تقوم شركة Codaca Electronics بأبحاث معمقة في مجالات مثل تطوير مواد القلب المغناطيسي وتحسين التصميم الهيكلي، بهدف تعزيز أداء المحاثات الكهربائية باستمرار، مما يوفر دعماً قوياً لتحسين الأداء والابتكار التكنولوجي في المحولات ثنائية الاتجاه DC-DC المستخدمة في المنازل. ويساهم هذا بدوره في تمكين تطبيقات أوسع وأكثر كفاءة لأنظمة تخزين الطاقة المنزلية في مجال الطاقة الموزعة.