تقييم أداء محول طاقة جزئي متسلسل رفع/خفض لتطبيقات تخزين طاقة البطاريات

لماذا تهم شواحن البطاريات الأذكى

مع اعتماد المنازل والسيارات ومراكز البيانات بشكل متزايد على حزم بطاريات كبيرة، حتى التحسينات الصغيرة في الإلكترونيات المسؤولة عن شحن البطاريات وتفريغها يمكن أن توفر مالًا وطاقة. الدوائر التقليدية التي تربط البطارية بشبكة تيار مستمر (DC) يجب أن تتعامل مع كامل القدرة طوال الوقت، ما يجعلها ضخمة ومهدرة للطاقة. يستعرض هذا البحث نوعًا جديدًا من محولات الطاقة "الجزئية" التي تسمح لمعظم الطاقة بتجاوز المحول تمامًا، مما يقلل الخسائر ويصغر الأجهزة—مع الحفاظ على تحكم دقيق في كيفية شحن البطارية وتفريغها.

طريقة جديدة لتوجيه طاقة البطارية

في محول الطاقة الكامل التقليدي، يجب أن تمر كل واط يتدفق بين البطارية وحافلة DC عبر مكونات المحول. هذا يعني أن المفاتيح والملفات والمكثفات مصممة لتحمل القدرة الكاملة، وتحتك جميعها بالحرارة كلما تحركت الطاقة داخل البطارية أو خارجها. يركز المؤلفون بدلًا من ذلك على محول طاقة جزئي موصول على التوالي مع البطارية. في هذا الترتيب، تنتقل معظم الطاقة مباشرة بين البطارية وحافلة DC عبر مسار منخفض الفقد، بينما يمر جزء صغير فقط عبر المحول، الذي يضيف أو يطرح جهد "تعديل" إضافي فوق جهد البطارية. وبما أن المحول يرى جزءًا ضئيلًا من القدرة الإجمالية، فيمكن أن تكون مكوناته أصغر وأكثر كفاءة.

جعل الرفع والخفض يعملان في صندوق واحد

تحتاج أنظمة البطاريات الحقيقية إلى رفع وخفض الجهد مع تغيّر حالة الشحن وظروف الشبكة. تعامَلت العديد من التصاميم الجزئية السابقة مع اتجاه واحد فقط بشكل جيد: إما رفع أو خفض الجهد. تقترح الفريق محولًا جزئيًا رفعًا/خفضًا يمكنه التعامل السلس مع الحالتين. يجمع هذا الحل بين وحدتين داخل صندوق واحد: مرحلة رنانة LLC تعمل كمحوّل DC معزول عالي الكفاءة، ومرحلة جسر كامل تضبط بدقة جهد السلسلة المرصود من قبل البطارية. من خلال اختيار نسبة المحوِّل ونماذج التبديل بعناية، يمكن للمحول توليد إزاحة جهدية صغيرة موجبة أو سالبة، بحيث يساعد على شحن البطارية أو تفريغها عبر نطاقها الكامل 40–56 فولت مع إبقاء حافلة DC الرئيسية عند 48 فولت.

قياس الأداء بما تشعر به المكونات

العدّ ببساطة مقدار القدرة الفعالة التي تمر عبر المحول لا يروي القصة كاملة. الطاقة الداخلية المتأرجحة ذهابًا وإيابًا في المحاثات والمكثفات—المسماة الطاقة غير الفعالة—ما تزال تسخّن المكونات وتهدر طاقة. لذلك يقوم المؤلفون بتقييم كل من القدرة الفعالة والغير فعالة، ويعرّفون "عامل إجهاد المكوّن" الذي يجمع إجهاد الجهد والتيار في مقياس واحد للأداء. باستخدام محاكاة الدوائر، يقارنون الطوبولوجيا الجديدة لديهم مع محول باك‑بوست رباعي المفاتيح القياسي الذي يعالج القدرة الكاملة، ومع تصميم جزئي سابق يعتمد على جسر كامل بزاوية إزاحة طور. لنفس جهد البطارية والحافلة، يُظهِر المحول الجزئي الجديد رفعًا/خفضًا أدنى طاقة دائرية وأدنى إجهاد إجمالي على مفاتيحه وملفاته ومكثفاته.

من قواعد التصميم إلى الأجهزة الحقيقية

لجعل النهج قابلًا للاستخدام عمليًا، يضع البحث قواعد توصيل عامة لمتى وكيفية وضع المحولات الجزئية على التوالي مع البطاريات، اعتمادًا على ما إذا كان النظام يحتاج أساسًا إلى رفع الجهد أو خفضه أو كلاهما. ويوفّر أيضًا طريقة خطوة بخطوة لتحديد حجم المحول، والمحثات، والمكثفات، ومفاتيح القدرة بحيث يحافظ الدارة على تبديل ناعم وتماوج منخفض عبر نطاق التشغيل الكامل. ثم بنى المؤلفون نموذجًا مختبريًا بقدرة 1.1 كيلوواط يتم التحكم فيه بمعالج إشارة رقمي واختبروه مع نموذج بطارية ليثيوم‑أيون واقعي بقدرة 50 أمبير‑ساعة. تُظهر القياسات أثناء الشحن والتفريغ أنه عند الحمل الكامل، يمر عبر مكونات المحول فعليًا نحو 14.3% فقط من الطاقة الكلية؛ والباقي ينتقل مباشرة بين حافلة DC والبطارية.

ما الذي يعنيه هذا لأنظمة البطاريات المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، النتيجة الأساسية هي أنه بالسماح لمعظم الطاقة باتخاذ "اختصار" حول المحول وإجبار جزء تصحيحي صغير فقط على المرور عبر الإلكترونيات، يصبح النظام أصغر وأكثر كفاءة. يحقق النموذج الأولي كفاءة قصوى نحو 98.15%، ومتوسط كفاءة 98.6% خلال دورة شحن كاملة—أعلى من التصاميم الكاملة والجزئية المماثلة السابقة. يشير هذا إلى أن وحدات التخزين المنزلية المستقبلية، وشواحن السيارات الكهربائية، وأنظمة النسخ الاحتياطي لمراكز البيانات قد تقدم نفس القدرة مع أجهزة أقل وحرارة أقل وتكلفة محتملة أدنى إذا تبنّت محولات جزئية رفع/خفض مصممة بعناية.

الاستشهاد: Liu, Q., Jing, L., Xu, W. et al. Performance evaluation of a series-connected step-up/down partial power converter for battery energy storage applications. Sci Rep 16, 5577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35857-z

الكلمات المفتاحية: تخزين طاقة البطاريات, محول طاقة, معالجة جزئية للطاقة, شحن عالي الكفاءة, ميكروغريد DC