هندسة الأنظمة الإلكترونية في السيارة الكهربائية

تمثل السيارة الكهربائية (EV) حدود التنقل المستدام. تدمج المركبات الكهربائية بنية إلكترونية معقدة ومتطورة، وتخطو التكنولوجيا خطوات عملاقة كل يوم مع اكتشاف مواد وحلول جديدة لأشباه الموصلات. وفي هذا المقال سيتم استكشاف أهم المكونات وترابطاتها التي تمكن من تشغيل المركبات الكهربائية.

مقدمة

يتطور اعتماد السيارات الكهربائية بشكل مطرد، كما تتغير جميع قطاعات سلسلة التوريد أيضًا. ويغطي المواد الخام والمواد الكيميائية المستخدمة لصنع قطع غيار السيارات الكهربائية والبطاريات والمكونات المختلفة. وفي الوقت نفسه، يشمل الأمر أيضًا البنى التحتية لشحن المركبات، والتي تمر بمرحلة تاريخية مع إعادة تصميم جذرية. ويمثل كهربتها، إلى جانب اللوائح الحكومية، تحديًا لتصميم شبكات السيارات الجديدة وتطوير البرمجيات. هندسة الأنظمة الإلكترونية هي التكوين الهيكلي لجميع المكونات والوحدات والشبكات الإلكترونية داخل السيارة وتحدد تركيبها الكهربائي والإلكتروني. وعلى وجه الخصوص، تم دمج الأجهزة الإلكترونية ونظام اتصالات الشبكة والبرمجيات وأسلاك جميع الدوائر لتعزيز التحكم في وظائف السيارة بجميع جوانبها.

السيارة الكهربائية ليست مجرد وسيلة نقل بمحرك كهربائي؛ بل إنه مجهز بأجهزة طرفية متطورة للغاية إلى جانب إلكترونيات محسنة، والتي تمكن من تنفيذ عدة أنواع من التطبيقات. السيارة الكهربائية عبارة عن نظام معقد من التقنيات التي تعتمد في تشغيلها على أسس فيزيائية وكيميائية وكهربائية وإلكترونية. وهي مجهزة ببطارية إمداد طاقة مستقلة وهناك دوائر مختلفة مخصصة للقيام بوظائف مختلفة. يجب أن تأخذ الهندسة المعمارية الجيدة في الاعتبار متطلبات الطاقة والمعلومات لجميع الأجهزة الكهربائية العاملة في السيارة. إذا كان الجانب الميكانيكي البحت مشابهًا تقريبًا لمركبات الاحتراق الداخلي التقليدية، مثل العجلات أو الإطار، فإن الجزء الكهربائي بعيد تمامًا، ويحتوي على اختلافات جوهرية وحديثة التصميم. وهي تتعلق بنظام البطارية المستخدم في الجر، والمحرك الكهربائي، ودوائر تنظيم الطاقة، وتلك المخصصة لشحن البطارية. كما هو موضح في الشكل 1، يتكون التكوين الأولي للمركبة الكهربائية من بطارية واحدة أو أكثر، ومحول طاقة، ومحرك كهربائي، ومكون ناقل الحركة، والنظام التفاضلي الذي يتحكم في العجلات.

هناك أنظمة أكثر فعالية، بدون الترس التفاضلي، والتي تتضمن الدفع من خلال محركين، واحد لكل عجلة قيادة. في هذه الحالة، يلزم وجود نظامي تحويل منفصلين ومستقلين، على الرغم من أنه لا يمكن أن يكون هناك سوى مصدر طاقة بطارية واحد. مع التقدم التكنولوجي في الآونة الأخيرة، أدت البنى الجديدة إلى تحسين كفاءة الأنظمة واتصالها، كما قامت أيضًا بدمج بروتوكولات الاتصال مثل CAN وLIN وFlexRay وEthernet. اليوم، مع زيادة استخدام المكونات الإلكترونية في المركبات، أصبح من الضروري وجود بنية جيدة التصميم لتعزيز الموثوقية والسلامة أثناء القيادة، فضلاً عن تحسين الكفاءة نتيجة لانخفاض استهلاك الطاقة والوزن والتكاليف (انظر الشكل 2). ). بفضل استراتيجيات الاتصال المحسنة واستخدام البوابات المحلية السريعة، أصبحت السيارات الكهربائية الجديدة قابلة للتكوين وذكية. في الوقت الحالي، من الممكن إنشاء تطبيقات جديدة، لم يكن من الممكن تصورها من قبل، وذلك بفضل توفر دوائر متكاملة جديدة ومتطورة للغاية وحلول إلكترونية لا يمكن تحقيقها إلا من خلال المكونات الإلكترونية الجديدة.

المركبات التي تعمل بالكهرباء ليست جميعها متكافئة؛ بل يتبعون أنواعًا مختلفة من التصميم. ومع ذلك، فإن الميزة الرئيسية تتضمن نسبة مئوية من الطاقة الكهربائية المخصصة للدفع. بعض المركبات تستخدم الكهرباء فقط للحركة، والبعض الآخر يستخدمها بالتزامن مع أشكال أخرى من الطاقة، تُعرف باسم “الهجينة”. بشكل عام، يستخدم الأول الطاقة الدافعة التي يتم توفيرها بالكامل من مصدر كهربائي مثل البطارية أو خلية الوقود. يستخدم الأخير مصادر طاقة دافعة مختلفة، واحد منها على الأقل كهربائي. يهدف تصميم السيارات الكهربائية في الغالب إلى استقلاليتها وزيادة سرعتها وتسارعها. كما يتبين من الشكل السابق، يتكون نظام الجر الكهربائي من كتل وظيفية مختلفة: يعمل المحرك الكهربائي مع محول الطاقة، ويتصل عبر الأسلاك. ترتبط الدائرة بنظام تخزين الطاقة مدعوماً بنظام شحن من مصدر خارجي. يتم التحكم في الجر بواسطة عدة أجهزة. وبطبيعة الحال، هناك أنظمة تبريد سائلة مساعدة ضرورية للحفاظ على النظام عند مستوى حراري آمن.

البطارية ونظام إدارة المباني

إحدى المكونات الأساسية للسيارة الكهربائية هي البطارية التي تشكل، جنبًا إلى جنب مع دوائر تحسين الأداء، الوقود الدافع للسيارة. تقوم البطارية بتخزين الطاقة الكهربائية التي تشغل المحرك وجميع المكونات الأخرى للسيارة. حاليًا، تعد بطاريات الليثيوم أيون هي التقنية السائدة، حيث توفر توازنًا إيجابيًا بين كثافة الطاقة والمتانة والوزن. مع وجود مثل هذه القوى، من الضروري تنفيذ أنظمة أمان متطورة، وتوفير الحماية من الظروف الحرارية القاسية، وزيادة الإلكتروليتات، للصمامات التي لا مفر منها، والتهوية لتسرب الغاز، وموازنة الشحن، أثناء الشحن والتفريغ، العناصر الفردية من تميل البطارية إلى أن تكون لها إمكانات كهربائية مختلفة، مما يؤدي إلى مشاكل في التوازن. تتم إدارة المكونات من خلال نظام التحكم والإشراف، BMS (نظام إدارة البطارية)، الذي ينظم أوامر الشحن والتفريغ، والتحكم الحراري والطاقة، مما يضمن أقصى قدر من الكفاءة على الإطلاق.

ويمكن القول أن نظام إدارة المباني (BMS) يعمل بمثابة عقل السيارة الكهربائية، حيث يراقب باستمرار جميع الأنظمة الإلكترونية والبطارية والمحرك والطاقة والأجهزة المساعدة، مما يضمن التشغيل الآمن والأمثل للمركبة. يوضح الشكل 3 بطارية ليثيوم بقدرة 48 فولت 2.4 كيلووات في الساعة من PYLONTECH مع عاكس. يتطلب وجود نظام إدارة المباني (BMS) لكي يعمل بشكل صحيح. يجب أيضًا تصميم الأسلاك بين المكونات الإلكترونية بعناية. تتطلب مستويات الطاقة الهائلة تخطيطًا دقيقًا، خاصة فيما يتعلق بمقاطع الكابلات التي تؤثر بالتأكيد على وزن النظام وأبعاده. تعد تقديرات مبيعات السيارات الكهربائية الجديدة على المدى الطويل واعدة، مع توقع نمو بنسبة بضع عشرات بالمائة في السنوات المقبلة، حيث يهدف القطاع بأكمله إلى تقليل الكربون بشكل كبير في جميع الأنشطة.

المحرك الكهربائي

يقوم المحرك الكهربائي (انظر الشكل 4) بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، مما يؤدي إلى تحريك عجلات السيارة. هناك أنواع مختلفة، مثل المحركات الحثية غير المتزامنة، والمحركات ذات المغناطيس الدائم، ولكل منها نقاط القوة والضعف. يعتمد اختيار المحرك على عوامل مختلفة مثل الأداء والكفاءة والتكاليف. في السيارة الكهربائية، يقع المحرك بشكل عام بالقرب من العجلات ويتم تشغيله بواسطة مجموعة من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. عند الضغط على دواسة الوقود، يسحب المحرك الكهربائي الطاقة من مجموعة البطارية وينقل الحركة إلى العجلات. ويتميز بعزم القيادة الفوري والثابت، لتحقيق تسارع سلس وصامت للغاية. عادة، يتكون المحرك الكهربائي من الجزء الدوار، الجزء الدوار، والجزء الثابت، الجزء الثابت.

في قلب المحركات الكهربائية، توجد إلكترونيات الطاقة، التي تلعب دورًا حاسمًا في إدارة الطاقة. يقوم بتحويل جهد البطارية إلى المستويات المناسبة للمحرك عبر أجهزة DC-DC و DC-AC. تهدف أحدث الأبحاث إلى استعادة الطاقة من الأحداث الجسدية مثل استعادة طاقة الكبح. أثناء الكبح، يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، والتي يتم بعد ذلك تخزينها في البطارية. تعمل هذه العملية على زيادة نطاق السيارة قليلاً. جميع مكونات السيارة الكهربائية لا تعمل بمعزل عن غيرها بل تتواصل وتتبادل البيانات والمعلومات بشكل مستمر من خلال شبكات الاتصال. يسمح هذا المفهوم الجديد بتبادل البيانات في الوقت الفعلي حول حالة النظام، وتفعيل استراتيجيات التحكم الذكية على جميع أجزاء السيارة، وتنسيق التشغيل الجماعي للمكونات المختلفة.

خاتمة

أول ما تلاحظه في السيارة الكهربائية هو صمت النظام، والذي لا يساهم فقط في تقليل مستويات تلوث الهواء ولكن التلوث الضوضائي أيضًا. من المؤكد أن بنية الأنظمة الإلكترونية في السيارة الكهربائية هي قطاع معقد للغاية نظرًا لوجود العديد من المكونات المؤثرة. ويركز في المقام الأول على الحاجة إلى تقليل التأثير البيئي قدر الإمكان، مع الأخذ في الاعتبار سلسلة التوريد بأكملها، بدءًا من إنتاج المواد الخام وحتى شحن بطارية المستخدم. تتطور الأنظمة الإلكترونية في السيارات الكهربائية باستمرار، وستهتم الابتكارات ذات الصلة أيضًا بالقيادة الذاتية والمساعدة في القيادة، بمساعدة الذكاء الاصطناعي لمزيد من الأمان والراحة. يعد التصميم الخالي من العيوب للهندسة المعمارية الممتازة أمرًا ضروريًا لتطوير هذه التكنولوجيا الثورية وتطورها المستقبلي.

التدوينة هندسة الأنظمة الإلكترونية في السيارة الكهربائية appeared first on أخبار إلكترونيات الطاقة.