اتجاهات تطوير أجهزة التحكم ذات الجهد العالي لمركبات الطاقة الجديدة

الكهرباء تعيد تشكيل صناعة السيارات. تدعو السيارات الكهربائية (EVs) إلى الاستخدام المكثف ليس فقط للبطاريات لتوفير الطاقة ولكن أيضًا إلكترونيات الطاقة لشحن مخزن البطارية وتحقيق الاستخدام الأكثر كفاءة للطاقة وحصاد الطاقة من الكبح، وغيرها من الفرص لإطالة عمر البطارية. إن الانتقال من محرك الاحتراق الداخلي (ICE) إلى الجر الكهربائي لا يتطلب فقط إلكترونيات طاقة أكثر شمولاً، بل يتطلب أيضًا أجهزة قادرة على العمل بجهد كهربائي أعلى بكثير من تلك المستخدمة في الماضي.

ترقية هندسة مركبات الطاقة الجديدة (NEVs) ذات الجهد العالي

تمتد الأنظمة الكهربائية في المركبات الكهربائية إلى جميع أجزاء السيارة، حيث يقوم نظام الشحن والتوزيع كما هو موضح في الشكل 1 بتزويد البطارية بالطاقة عند توصيل السيارة بمصدر الإمداد الرئيسي. أثناء الحركة، يوفر نظام الشحن والتوزيع الطاقة لنظام القيادة الكهربائية والمحركات بالإضافة إلى الأنظمة الفرعية الأخرى، مثل الإدارة الحرارية. قامت الأجيال السابقة من المركبات الكهربائية بتوصيل هذه الأنظمة الفرعية باستخدام قضبان طاقة 400 فولت. ومع ذلك، فإن الاتجاه الآن نحو منصات 800 فولت للاستفادة من تقنيات الشحن السريع والكفاءة الأكبر لمجموعات نقل الحركة عند عزم الدوران العالي أو السرعة عند مستوى الجهد هذا. أشارت أبحاث السوق إلى أنه بحلول بداية عام 2025، ستصل مبيعات المركبات المعتمدة على معماريات 800 فولت إلى حوالي مليون وحدة وتتضاعف بحلول نهاية ذلك العام.

تكمن ميزتان رئيسيتان وراء الانتقال إلى 800 فولت. أحدهما هو أنه عند 800 فولت، يمكن شحن البطاريات بسرعة أكبر، مما يخفف من القلق بشأن مدى السيارة والوقت الذي تستغرقه إعادة الشحن. وهناك ميزة أخرى، تضيف إلى النطاق الفعال، وهي أن منصات 800 فولت تتمتع باستهلاك أقل للطاقة عند مستويات إنتاج الطاقة العالية.

هناك مجموعة متنوعة من حلول الترقية لمنصات 800 فولت. الاتجاه هو استخدام الجهد العالي للنظام بأكمله لضمان أن الجهد للنظام بأكمله مستقر وموحد. بالإضافة إلى ذلك، لكي تكون متوافقة مع أكوام الشحن الحالية بمنصة 400 فولت، تمت إضافة وحدة معززة، مع دمج وحدات التعزيز الأكثر شيوعًا حاليًا في نظام القيادة الكهربائية واستخدام نفس جهاز الطاقة مثل وحدة التحكم في المحرك، مما يساعد على تقليل التكاليف .

الوضع الحالي والاتجاهات التكنولوجية لوحدة التحكم الرئيسية في العاكس

وفي الوقت نفسه، ولتلبية احتياجات السوق، يجب تصنيع الأنظمة الفرعية الكهربائية بتكلفة منخفضة مع توفير أداء عالٍ وحجم صغير ووزن منخفض. أدت هذه المطالب إلى الاتجاه نحو مستويات أعلى من التكامل في المحركات وأجهزة التحكم ومخفضات السرعة والمكونات الأخرى. نظرًا لتكامل الأجزاء، يمكن تحقيق التوفير في العبوات والتركيبات، بالإضافة إلى الكابلات عالية الجهد. يميل التكامل أيضًا إلى تحسين التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، مع تقليل الحاجة إلى الحماية بشكل عام.

هناك عدة مستويات من التكامل. تمثل أنظمة القيادة الكهربائية المتكاملة تكاملاً ثنائيًا بين المحركات وأجهزة التحكم أو المحركات. تطور هذا تدريجيًا إلى تصميم ثلاثي في ​​واحد مع محرك مدمج، ووحدة تحكم، وبنية مخفض السرعة، مما أدى في النهاية إلى تركيبها جميعًا في حاوية واحدة.

يتكون عاكس الجر من وحدة تحكم ذات جهد منخفض ومرحلة طاقة ذات جهد عالي. تشتمل وحدة التحكم ذات الجهد المنخفض على وحدة التحكم في المحرك (MCU)، وجهاز الإرسال والاستقبال CAN، ومحرك البوابة، ودوائر كشف الإشارة، وSBC/PMIC، أو بعض دوائر إمداد الطاقة. تتكون مرحلة الطاقة ذات الجهد العالي في المقام الأول من أجهزة الطاقة، مثل وحدات الطاقة أو المنفصلة. لضمان سلامة الجهد العالي والمنخفض، يجب استخدام شرائح معزولة ذات عزل معزز بين وحدة التحكم في الجهد المنخفض ومرحلة الطاقة ذات الجهد العالي.

حل عزل عالي التكامل

يتم استخدام optocoupler على نطاق واسع في السوق الصناعية نظرًا لخصائصه منخفضة التكلفة، ولكنه نادر نسبيًا في تطبيقات السيارات بسبب مشكلة تسوس الضوء. تستفيد العزلة السعوية من تأثيرات الاقتران التي تواجهها المجالات الكهربائية لتمرير الإشارات عبر العازل. إنها تستخدم تكنولوجيا معالجة أشباه الموصلات، مما يزيل مشكلة تسوس الضوء. لا يمكن للعوازل الرقمية تقليل الحجم من خلال التكامل متعدد القنوات فحسب، بل توفر أيضًا CMTI أعلى وعمرًا أطول، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في تطبيقات السيارات.

تسمح الطبيعة الرقمية للعزل السعوي باستخدام تقنيات قمع الضوضاء لمنع ارتفاع الجهد من تعطيل مدخلات أجهزة الاستشعار إلى معالجات التحكم عالية التردد. على سبيل المثال، تستخدم شركة NOVOSENSE Microelectronics نموذجًا تكيفيًا من مفاتيح التشغيل والإيقاف (OOK) للتعامل مع الاتصال بين جانبي أجهزة عزل السعة الخاصة بها. من خلال التكيف مع الضوضاء المتولدة على الجانب عالي الجهد، يمكن للبروتوكول تحقيق مناعة عالية للعابرين في الوضع المشترك التي يمكن أن تكون مزعجة لمكونات العزلة التقليدية. يمكن لتقنية العزل الخاصة بـ NOVOSENSE تحقيق مناعة عابرة للوضع المشترك تصل إلى 200 كيلو فولت/ميكروثانية.

نظرًا لأنه يمكن دمج العناصر السعوية بسهولة في دوائر متكاملة مفردة، فإن هذا الشكل من أدوات الاقتران يوفر حماية عزل عالية لقنوات متعددة داخل نفس الحزمة وبمعدلات اتصال عالية. وهذا بدوره يدعم أعداد القنوات العالية المطلوبة في تصميمات السيارات. تدعم التكنولوجيا أيضًا تكامل الوظائف الأخرى مثل محركات البوابة المستخدمة للتحكم في ترانزستورات الطاقة.

يعد محرك البوابة المعزول مكونًا رئيسيًا لعاكس الجر وأنظمة OBC. هناك حاجة إلى السلامة الوظيفية، خاصة في تطبيقات عاكس الجر، وتحتاج أيضًا إلى مستوى أعلى من CMTI للتعامل مع بيئات النظام المعقدة. في منصة 800 فولت، يكون dv/dt أكبر، مما سيؤثر على EMI للنظام؛ ولذلك، فإن التصميم الجيد لمحرك الأقراص يمكن أن يقلل من dv/dt لتحسين EMI. يمكن أن يوفر NSI6602 الذي صنعته NOVOSENSE عزل 5700Vrms في حزمة SOP16 (300mil) أو SOP14 (300mil). يتم دعم متانة نظامها بواسطة مناعة عابرة نموذجية ذات الوضع المشترك (CMTI) بقدرة 150 كيلو فولت/الولايات المتحدة. ونتيجة لذلك، يتم استخدامه على نطاق واسع في نظام OBC.

يعد أخذ عينات التيار والجهد ضروريًا للحفاظ على التشغيل الطبيعي للنظام. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مضخم معزول ومستشعر تيار القاعة. مكبر الصوت المعزول هو مضخم تشغيلي (op amp) مع عزل كلفاني، مثل NSI1311 المصنوع بواسطة NOVOSENSE، والذي يستخدم على نطاق واسع لاستشعار التيار المعزول في عاكس الجر وتطبيقات OBC. يتضمن ذلك نسبة CMTI عالية لضمان قدرة المكون على تقديم نتائج قياس دقيقة وموثوقة، حتى عند العمل جنبًا إلى جنب مع المفاتيح عالية الطاقة الموجودة في تطبيقات محولات الجر. يمكن لمستشعر تيار Hall، الذي يمكنه اكتشاف المجال المغناطيسي الناتج عن الموجات الحاملة باستخدام تأثير Hall، تقديم دقة عالية، مع أخطاء إخراج تصل إلى 2% كحد أقصى ومع عدم خطية تبلغ 0.2% فقط. في حالة أجهزة استشعار تأثير Hall التي تصنعها شركة NOVOSENSE، يمكن أن يصل الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي إلى 2 ميجاهرتز.

وبالمثل، توفر دوائر الواجهة اللازمة لاتصال CAN فرصة أخرى للعزل المتكامل. ومن الأمثلة على ذلك NSI1050 وNSI1042-Q1 من NOVOSENSE. يجمع NSI1050 بين عازل ثنائي القناة يعتمد على تقنية سعوية، مما يوفر ما يصل إلى 5 كيلو فولت في الثانية من الحماية، مع جهاز إرسال واستقبال CAN قادر على دعم معدلات بيانات تصل إلى 1 ميجابايت/ثانية. يعمل NSI1042-Q1 على زيادة الحد الأقصى لمعدل البيانات إلى 5 ميجا بايت/ثانية ويمكن توفيره في شكل يلبي شهادة AEC-Q100 الصارمة.

ظهرت اتجاهات تطوير أجهزة التحكم عالية الجهد لمركبات الطاقة الجديدة لأول مرة على أخبار إلكترونيات الطاقة.