مستقبل تصنيع المرشحات الأصلي (OEM) في عصر المركبات الكهربائية

تقسيم سوق مرشحات السيارات حسب نوع الدفع (المحركات ذات الاحتراق الداخلي مقابل المركبات الكهربائية)

ينقسم عالم مرشحات السيارات إلى شطرين مع محاولة الشركات المصنعة للسيارات التعامل في آنٍ واحد مع المحركات التقليدية التي تعمل بالبنزين والسيارات الكهربائية. أفاد تقرير Market Business Insights عام 2023 أن حوالي 8 من كل 10 سيارات تُباع حول العالم لا تزال تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي، ومع ذلك فإن سوق المرشحات المصممة خصيصًا للسيارات الكهربائية يشهد نموًا أسرع من أي قطاع آخر حاليًا. تحتاج شركات صناعة السيارات إلى أساليب مختلفة تمامًا لهذين السوقين. فعلى سبيل المثال، تتطلب السيارات التي تعمل بالبنزين تغييرات زيت دورية وتنظيف نظام الوقود وصيانة مدخل الهواء، في حين تطرح السيارات الكهربائية تحديات جديدة مثل الحفاظ على نقاء هواء المقصورة من ملوثات الطرق وإدارة التداخل الكهرومغناطيسي الذي قد يؤثر على الإلكترونيات الحساسة داخل المركبة.

انخفاض احتياجات الترشيح التقليدية للهواء والزيت في محركات الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEM)

يبدو أن الزيادة في شعبية المركبات الكهربائية ستؤدي إلى تقليل الطلب على فلاتر هواء المحرك بنسبة حوالي 34 بالمئة وفلاتر الزيت بنسبة نحو 29 بالمئة بحلول نهاية هذا العقد. إن شركات تصنيع السيارات تعيد بالفعل النظر في منشآتها الإنتاجية القديمة، حيث تحول بعض الشركات ما يقارب نصف ما تنفقه على أبحاث الفلاتر نحو تطوير تقنيات المركبات الكهربائية بدلاً من ذلك. إن انخفاض الحاجة إلى تلك الفلاتر التقليدية للمحرك يعني أن صناعة قطع غيار السيارات تغير اتجاهها بشكل دراماتيكي جداً. ما كان في السابق معدّاً قياسياً في كل سيارة أصبح الآن قديم الطراز مع تحول الصناعة نحو حلول النقل الأنظف.

الزيادة في الطلب على حلول جودة هواء مقصورة المركبات الكهربائية

الطبيعة الهادئة للمركبات الكهربائية تجعل ضجيج أنظمة التكييف أكثر وضوحًا، مما أدى إلى بعض التطورات المثيرة للاهتمام في تقنية مرشحات الهواء. كما أصبح الناس يهتمون أكثر بجودة الهواء الداخلي في سياراتهم هذه الأيام. وفقًا لاستطلاعات حديثة، فإن نحو ثلاثة أرباع الأشخاص الذين اشتروا مركبات كهربائية في عام 2023 وضعوا جودة هواء المقصورة في المرتبة نفسها مع السعر والأداء عند اتخاذ قرار الشراء. وتسرع شركات صناعة السيارات الكهربائية الفاخرة في مواكبة هذا الاتجاه، حيث تضم بالفعل ما يقارب 60٪ من الطرازات عالية المستوى مرشحات HEPA بالإضافة إلى عدادات جسيمات تعمل في الوقت الفعلي. وبما أن هذه الأنظمة المُحسّنة لا تساهم فقط في الحفاظ على صحة الركاب، بل إنها تحدث فرقًا كبيرًا أيضًا في الشعور العام بجودة السيارة. فالتحكم الأكثر هدوءًا واستجابة في المناخ الداخلي يخلق تلك التجربة الفاخرة التي يبحث عنها العديد من السائقين في سيارتهم القادمة.

تأثير معماريات المركبات الكهربائية العالية الجهد (مثل أنظمة 800 فولت) على احتياجات الترشيح

يُعد الانتقال إلى أنظمة 800 فولت أمرًا ينطوي على تحديات جسيمة فيما يتعلق بالتداخل الكهرومغناطيسي. إن هذه المشكلة بارزة لدرجة اضطر معها المهندسون إلى إعادة التفكير تمامًا في طريقة تصميم المرشحات لحماية المكونات الإلكترونية الحساسة. وما الذي يجعل الأمور أكثر تعقيدًا؟ إن هذه المنصات الجديدة تحتاج إلى مرشحات تستهلك مساحة أقل بنسبة 30 بالمئة تقريبًا في المركبة، ولكنها لا تزال قادرة على التعامل مع حرارة تزيد بنحو مرتين ونصف من تلك المطلوبة في الأنظمة القديمة البالغة 400 فولت. ولهذا السبب نشهد حاليًا تحولًا نحو هذه المرشحات المتقدمة التي تؤدي وظيفتين معًا، حيث تجمع بين درع التوافقية الكهرومغناطيسية والإدارة الفعالة للحرارة. بالنسبة لشركات تصنيع السيارات العاملة ضمن قيود ضيقة من حيث المساحة والحجم، فإن هذا النهج متعدد الوظائف يساعد في تلبية متطلبات الأداء الصارمة دون المساس بالموثوقية في أحدث تصميمات نظم الدفع.

تصميم مرشحات المصنّع الأصلي المتقدمة: التصغير، التكامل، وتحديات كثافة القدرة

التطورات التكنولوجية في تصنيع الفلاتر للتطبيقات الكهربائية

يتجه العديد من مصنعي المعدات الأصلية إلى استخدام أغشية الليف النانوي المقطوعة بالليزر جنبًا إلى جنب مع تقنيات التصنيع الإضافي لمعالجة المشكلات المحددة التي تأتي مع المركبات الكهربائية. أصبحت هياكل الفلاتر المصنوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تحتوي الآن على قنوات تبريد مدمجة تساعد في إدارة الحرارة بشكل أفضل في أنظمة البطاريات. بدلًا من الاعتماد على مواد السليلوز التقليدية، تتحول الشركات إلى ركائز خزفية عالية التردد. هذه المواد الجديدة تمتص حوالي 40 بالمئة أكثر من الجسيمات مقارنةً بالسابق، ويمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية دون أن تتفكك. هذا النوع من الأداء يجعلها ضرورية تمامًا لأنظمة الدفع المتقدمة الموجودة في السيارات الكهربائية الحديثة عالية الأداء.

اتجاهات التصغير والحلول المعيارية للفلاتر من أجل دمج مضغوط

لقد شهدنا تغييرًا كبيرًا في تصميم المركبات الكهربائية مؤخرًا، حيث قللت العمارة المدمجة من احتياجات مساحة الفلاتر بنسبة حوالي 35٪ منذ أوائل عام 2021. أصبحت شركات صناعة السيارات أكثر ذكاءً باستخدام وحدات قابلة للتراص تتميز بموصلات قياسية على نطاق واسع. وهذا يعني أنه يمكنها دمج فلاتر هواء المقصورة، والدرع الحراري، ومحثيات القمع الكهرومغناطيسي المزعجة تلك، جميعها في صندوق صغير جدًا يبلغ حجمه 200 مليمتر مكعب فقط. ما الذي يعنيه هذا على أرض الواقع في خطوط الإنتاج؟ توفر طواقم التجميع نحو 18 ساعة عمل لكل سيارة يتم بناؤها. علاوةً على ذلك، تأتي هذه الصناديق الصغيرة مزودة بمستشعرات إنترنت للأشياء (IoT) مدمجة تتيح للمهنيين مراقبة الأداء عن بُعد. والنتيجة؟ حدوث أعطال أقل على المدى الطويل وتخطيط أفضل للصيانة الدائمة لموزعي السيارات في كل مكان.

طلب الشركات المصنعة للمعدات الأصلية لأنظمة فلاتر مدمجة وصغيرة الحجم في منصات المركبات الكهربائية عالية الكثافة الطاقوية

يطلب مصنعو السيارات اليوم مرشحات هواء قادرة على احتجاز 99.97 بالمئة من الجسيمات بحجم 0.3 ميكرون، وكل ذلك مع استهلاك نصف المساحة تقريبًا مقارنةً بأجزاء محركات الاحتراق الداخلي القديمة. تأتي المركبات الكهربائية عالية المستوى مجهزة عادةً بأنظمة ترشيح متعددة المراحل في الوقت الراهن. وتشمل هذه الأنظمة المتقدمة عادة تقنية الترسيب الكهروستاتيكي إلى جانب طبقات من الكربون النشط، وأحيانًا حتى طلاءات مضادة للميكروبات كإضافة إضافية. وعندما يكون كل جرام مهمًا، يلجأ صنّاع السيارات إلى هياكل خاصة مصنوعة من بوليمرات مدعمة بالجرافين. تحافظ هذه المواد على القوة ولكنها تزن حوالي 1.2 كيلوجرام لكل وحدة، أي ما يعادل 55 بالمئة أقل من الوزن الذي يتم الحصول عليه باستخدام مكونات الألومنيوم العادية. وهذا أمر منطقي عند محاولة تقليل الكيلوجرامات غير الضرورية من تصاميم المركبات.

مرشحات التوافق الكهرومغناطيسي (EMC): أولوية متزايدة في أنظمة مصنعي المعدات الأصلية للمركبات الكهربائية

التوافقية الكهرومغناطيسية (EMC) في المركبات الكهربائية: عامل أداء حاسم

تُنتج المركبات الكهربائية تداخلًا كهرومغناطيسيًا (EMI) بنسبة 30٪ أكثر من المركبات ذات الاحتراق الداخلي بسبب بطاريات الجهد العالي والإلكترونيات القوية. ولهذا السبب تصبح مرشحات التوافقية الكهرومغناطيسية ضرورية لحماية أنظمة مساعدة القيادة المتقدمة (ADAS) وأنظمة المعلومات والترفيه وأنظمة التحكم. ومع ارتباط 72٪ من أعطال مكونات المركبات الكهربائية بالتداخل الكهرومغناطيسي (حسب دراسة MarketsandMarkets لعام 2024)، فإن الشركات المصنعة الأصلية (OEMs) بدأت الآن بإدراج اعتبارات التوافقية الكهرومغناطيسية في المرحلة الأولى من التصميم.

دمج مرشحات التوافقية الكهرومغناطيسية في أنظمة البطاريات ووحدات الدفع

تتطلب هياكل الجهد الحديثة البالغة 800 فولت تصفية متعددة المراحل لإدارة:

• الضوضاء عالية التردد الناتجة عن المحولات الكاربايد السيليكون (SiC) (200 ميغاهيرتز)
• التداخل بالنمط المشترك في محركات الجر
• تقلبات جهد رابط التيار المستمر تتجاوز 50 فولت/مايكروثانية

تقوم الشركات المصنعة الرائدة بدمج مرشحات التوافقية الكهرومغناطيسية مباشرة داخل وحدات البطارية، مما يقلل الانبعاثات المشعة بمتوسط 18 ديسيبل مقارنةً بالحلول الخارجية. ويقلل هذا الدمج من تأثير الرنين في الكابلات ويعزز موثوقية النظام بشكل عام.

الامتثال التنظيمي والمعايير الخاصة بمرشحات التوافق الكهرومغناطيسي في المركبات الكهربائية

تلتزم أسواق المركبات الكهربائية العالمية بلوائح صارمة للتوافق الكهرومغناطيسي:

تحديث معايير ISO 11452-8 يُلزم الآن باختبار الاهتزازات في ظروف العالم الحقيقي لموصلات الفلاتر، معالجةً 12٪ من حالات الأعطال الميدانية التي تم تحديدها في استدعاءات المركبات لعام 2022.

عوامل نمو سوق مرشحات EMC للبطاريات في المركبات الكهربائية والاتجاهات التنبؤية

من المتوقع أن ينمو سوق مرشحات EMC للمركبات الكهربائية بمعدل نمو سنوي مركب قدره 29.4٪ حتى عام 2030، مدفوعًا بما يلي:

1. اعتماد هياكل 800 فولت فأكثر في 67٪ من المركبات الكهربائية الجديدة بحلول عام 2027
2. توسيع أنظمة الشحن ثنائية الاتجاه
3. قواعد جديدة من لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) تحد من الإشعاع العريض النطاق المنبعث من شواحن التيار المستمر السريعة

ازداد تعقيد المرشحات 3.8 مرات منذ عام 2020، حيث تحتل المكونات المغناطيسية المدمجة الآن 15٪ من مساحة لوحة نظام إدارة البطارية (BMS) في المركبات الكهربائية الفاخرة.

موازنة أداء EMC مع التكلفة والوزن في الإنتاج الضخم

على الرغم من أن المرشحات القائمة على الجرافين توفر تقليلًا بنسبة 40٪ في التداخل الكهرومغناطيسي مقارنة باللب الحديدي، فإن تكلفتها البالغة 74 دولارًا لكل كيلوواط تحد من استخدامها في الإنتاج الضخم. وبدلاً من ذلك، يعتمد المصنعون الأصليون (OEMs) تصاميم هجينة تتضمن:

• أغلفة مركبة معدنية مصنوعة بالحقن ($0.18/سم³)
• مكثفات خزفية متعددة الطبقات بمقاومة تساوي 0.5 أوم
• أنظمة أوتوماتيكية لمطابقة المعاوقة تقلل وقت الضبط بنسبة 83٪

تحقق هذه الحلول امتثالاً بنسبة 92٪ لمتطلبات التوافق الكهرومغناطيسي من الفئة 3 مع الحفاظ على وزن الوحدة الفرعية أقل من 4.2 كجم في سيارات الدفع الكهربائي من الفئة C.

الابتكار في المواد والقدرات الذكية في مرشحات المصنع الأصلي (OEM) من الجيل التالي

اعتماد مواد جديدة لتعزيز المتانة الحرارية والكهربائية

يقوم المصنعون الأصليون (OEMs) بتطوير مواد مركبة مثل البوليمرات المحسّنة بالجرافين والركائز المطلية بالسيراميك، والتي تُظهر مقاومة حرارية أعلى بنسبة 40٪ مقارنة بالمرشحات التقليدية. وتتحمل هذه المواد درجات حرارة تزيد عن 150°م بالقرب من حزم البطاريات، وتحافظ على شدة العزل الكهربائي لأكثر من 25 كيلوفولت/مم—وهو أمر ضروري لمنع حدوث الشرر في الأنظمة التي تعمل بجهد 800 فولت.

الطلب المتزايد على المرشحات المتصلة ذات القدرات على المراقبة الفورية

أصبحت المرشحات الذكية ضرورية الآن للحفاظ على صحة المركبات الكهربائية. حوالي ثلثي مصنعي قطع السيارات جعلوا من المرشحات الذكية المزودة باتصال إنترنت أولوية رئيسية في خططهم التنموية حتى عام 2025. تأتي هذه المرشحات مزودة بمستشعرات مدمجة تراقب تراكم الغبار، وتغيرات الضغط، ومدى اهتراء المرشح، وترسل كل هذه المعلومات مباشرة إلى أنظمة صيانة المركبة. تشير الاختبارات الواقعية إلى أن هذه الأنظمة الذكية تقلل من الإصلاحات غير المتوقعة بنحو الثلث. بدأت شركات السيارات بتطبيق وحدات مجهزة بشبكات الجيل الخامس (5G) القادرة على إرسال بيانات الأداء إلى أنظمة الحاسوب في المصنع خلال أقل من نصف ثانية، مما يساعد الفنيين على معرفة الوقت الدقيق الذي تحتاج فيه القطع إلى صيانة قبل حدوث المشاكل.

التغلب على التحديات في تصنيع مرشحات المعدات الأصلية أثناء الانتقال إلى المركبات الكهربائية

التحديات المتعلقة بالتكلفة والتعقيد التقني وسلاسل التوريد في إنتاج مرشحات المركبات الكهربائية

يبلغ سعر أنظمة التصفية المتقدمة حوالي 47 بالمئة أكثر مقارنةً بالأنظمة العادية وفقًا لتقرير سلسلة التوريد في صناعة السيارات لعام 2024. وقد شهد العام الماضي نقصًا حادًا في أشباه الموصلات أدى إلى إبطاء الأمور بشكل كبير على نطاق واسع، مما تسبب في تأخير جداول الإنتاج ما بين ثمانية إلى اثني عشر أسبوعًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك مجموعة متنوعة من المشكلات الجيوسياسية التي تجعل من الصعب الحصول على المعادن النادرة اللازمة للمرشحات الفعالة. كما لا تزال التحديات التقنية تظهر باستمرار. فالمهندسون يواجهون صعوبات كبيرة في تصميم مكونات قادرة على التعامل مع أنظمة 800 فولت ومستويات التداخل الكهرومغناطيسي التي تفوق بثلاث مرات تلك الموجودة في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية. وإذا لم يكن هذا كافيًا، فإن اللوائح التنظيمية تتغير باستمرار لدرجة أن المصانع تحتاج الآن إلى نحو 22% من تشكيلات المرشحات الإضافية مقارنة بما كانت عليه قبل خمس سنوات فقط.

توسيع الإنتاج للوفاء بمعايير الترشيح المحددة للسيارات الكهربائية والتي تتطور باستمرار

تواجه صناعة السيارات تحديًا كبيرًا حيث تحتاج الشركات المصنعة للمعدات الأصلية إلى ترقية حوالي 60 بالمئة من خطوط الإنتاج الحالية للتعامل مع تصاميم الفلاتر الجديدة هذه، وفي الوقت نفسه الالتزام بلوائح السلامة الصارمة من الفئة ASIL-D. وفقًا لأحدث أبحاث السوق من قطاع التصنيع العالمي للسيارات الكهربائية، نحن نشهد نموًا ثلاثي الأرقام في تركيبات الفلاتر الذكية خلال السنوات القليلة المقبلة. ولماذا؟ لأن الجهات التنظيمية تُشدد باستمرار مواصفات التقاط الجسيمات لأنظمة تبريد البطاريات. وقد بدأت بعض الشركات الكبرى في القطاع بالفعل بتطبيق إعدادات التجميع الوحدوية التي تقلل تكاليف إعادة التجهيز بنحو الثلث تقريبًا. كما أنها تقوم بدمج الذكاء الاصطناعي في فحوصات الجودة لديها، مما يرفع معدل اكتشاف العيوب إلى أكثر من 99,9 بالمئة. وبالنظر إلى وجود ما يقارب خمسة عشر تصميمًا مختلفًا لمنصات المركبات الكهربائية في السوق بحلول منتصف العقد، فإن الشركات بحاجة ماسة إلى حلول مرنة يمكنها العمل عبر متطلبات جهد مختلفة وقيود المساحة الضيقة دون المساس بالأداء الفعلي في ظروف الاستخدام الحقيقي.