تعد اختبارات التشغيل الموسعة على وحدات الطاقة بمثابة نعمة لمصممي عاكسات السيارات الكهربائية

يشهد سوق وحدات الطاقة العالمية (PM) نموًا ملحوظًا، مدفوعًا بالطلب على السيارات الكهربائية (EV)، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS)، والبنية التحتية للشحن، وأنظمة الطاقة المتجددة مثل توربينات الرياح ومزارع الطاقة الشمسية. ويعتمد أداء المركبات الكهربائية إلى حد كبير على عاكس الجر الذي أصبح دوره حاسماً. وقد تسبب هذا في تعديل وزاري في سلسلة التوريد التي تشمل مصنعي المعدات الأصلية للسيارات، والطبقة الأولى، والطبقة الثانية أيضًا. من ناحية، تتطلع الشركات المصنعة للمعدات الأصلية إلى الاحتفاظ بالسيطرة من خلال جلب تصميم وتطوير المحركات الكهربائية، وفي نهاية المطاف، وحدة العاكس نفسها.

وبالتالي، أصبح العاكس كتلة وظيفية ذات وظائف يمكن الوصول إليها لإنتاج بيانات توصيف إضافية لإجراء تقييم مسبق أكثر قوة قبل بدء إنتاج نماذج السيارات الجديدة. هذه العملية، رغم أنها تدريجية، يصعب تنفيذها بالنسبة للشركات المصنعة القديمة التي تحتاج إلى نقل الموارد من أنشطتها التاريخية في محركات الاحتراق الداخلي (ICE).

تتوقع مجموعة Yole Group، وهي إحدى شركات أبحاث السوق والاستشارات الأكثر رسوخًا في وحدات الطاقة المستخدمة أيضًا في بناء العاكسات، نموًا من 8 مليارات دولار أمريكي في عام 2023 إلى 16 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2029، مع معدل نمو سنوي مركب مماثل (CAGR) يبلغ 12.1٪ ، مدفوعًا في الغالب بالطلب المتزايد على المركبات الكهربائية. يوضح الشكل 1 كيفية تقسيم سوق الوحدات حسب التطبيق. سوف تنمو وحدات الطاقة المعتمدة على الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) من كربيد السيليكون (SiC) بوتيرة أسرع فيما يتعلق بوحدات IGBTs السيليكونية نظرًا لكفاءتها التشغيلية المتأصلة.

لماذا استخدام وحدات الطاقة

أصبحت وحدات الطاقة أجهزة أساسية في أنظمة الطاقة متوسطة إلى عالية المستوى بسبب عملية تصميم النظام المبسطة التي تدمج مكونات متعددة في مبيت واحد مع انخفاض عدد المكونات مما يؤدي إلى تحسين الموثوقية. يعد الوصول إلى السوق بشكل أسرع ميزة أخرى لأن وحدات الطاقة تتضمن مكونات مؤهلة مسبقًا تتطلب دورات تطوير أقصر. تسمح قابلية التوسع والمرونة بتصنيفات طاقة عاكسة مختلفة تتطلب الحد الأدنى من إعادة التصميم. أخيرًا، تساعد وحدات الطاقة في الحفاظ على قدرة حلول العاكس على المنافسة بسبب التصميمات والاختبارات ومتطلبات الاعتماد المبسطة بشكل كبير.

من العاكسات الزائفة إلى محولات التشغيل الكامل

قامت شركة STMicroelectronics مؤخرًا بإنشاء معمل متقدم (مختبر اختبار الموثوقية التطبيقية لنظام الطاقة والوحدة النمطية) في موقعها الرئيسي لتصنيع ترانزستور الطاقة في كاتانيا، إيطاليا. يربط المختبر بين التوصيف الأساسي لوحدة طاقة السيارات (AQG-324) مع اختبارات وتقييمات جديدة تضعها في السياق الكامل لبيئة تطبيق العاكس في الظروف القاسية. يمكن للبيانات الإضافية التي يتم إنتاجها بهذه الطريقة أن تكمل نتائج توصيف المستخدمين النهائيين، مما يضيف المزيد من المعلومات بين وحدات الطاقة والعاكس في ظروف التشغيل الحقيقية.

وكما يوضح مدير المختبر، أليساندرو تومينيا من شركة STMicroelectronics، “مع النهج المبتكر، فإن وحدة الطاقة ليست صندوقًا أسود مزودًا بإشارات رقمية، ولكنها عبارة عن غلاف شبه شفاف به نقاط وصول متعددة تعزز مجموعة بيانات التوصيف وتضعها بالقرب من خطوة التحقق النهائية داخل نظام العاكس. ومن خلال الاستجابة لاحتياجات العملاء، يمثل هذا النهج أيضًا عامل تمايز وميزة تنافسية لشركة ST.

يتكون عاكس الجر الكامل من الأجزاء التالية:

• رابط العاصمة
• وحدات الطاقة
• نظام التبريد
• سائقي البوابة
• لوحة التحكم
• أجهزة الاستشعار الحالية

يشتمل النشاط المعملي في منشأة ST على بناء عاكس زائف، وهو شبه عاكس حيث يتم استبدال لوحة التحكم في طاولة اختبار التوصيف بنموذج المحاكاة الخاص به، والذي يعمل في هدف في الوقت الفعلي. يسمح هذا بإجراء مجموعة من القياسات على كائن يكرر بشكل وثيق العاكس النهائي، باستخدام أدوات مثل Simulink Real-Time وMATLAB لإنشاء وتشغيل تطبيقات في الوقت الفعلي على أجهزة مخصصة.

وهذا مفيد بشكل خاص للتحقق من النماذج الأولية واختبار الأجهزة، ودعم تطوير واختبار أنظمة التحكم في السيارات. تعتمد جميع الاختبارات خلال هذه المرحلة على ملفات تعريف المهام المقدمة من العملاء. في صناعة السيارات، يحدد ملف تعريف المهمة مختلف الظروف والضغوط التي ستتحملها مكونات السيارة طوال دورة حياتها. قد تتضمن هذه المعلومات نطاقات درجة الحرارة والرطوبة، والاهتزاز، والضغوط الكهربائية، وعمر التشغيل، والتعرض للغبار أو المواد الكيميائية، وأنماط القيادة. إذا اكتشف العميل وجود خطأ أو خلل في العاكس، فيمكن إعادة إنتاج نفس ظروف العمل بدقة تامة في هذا المختبر لتحديد السبب الجذري بسرعة واستخلاص الحل المناسب.

مقاعد التوصيف والتحمل

قامت شركة ST بتطوير منصة توصيف مبتكرة ومتعددة الاستخدامات للمحولات الزائفة. ومن خلال الوصول إلى المزيد من الإشارات، يمكن للمهندسين الآن قياس المقاومة الحرارية، وتشغيل دورة الطاقة، وتبديل الأداء، والتحقق من الأشكال الموجية الرئيسية. ثم تتبع هذه المجموعة من القياسات اختبارات باستخدام مقعد التحمل. في حين أن التوصيف الأول يتضمن تطويرًا أوليًا لتحديد كفاءة الهدف، فإن اختبار التحمل يسمح باستخدام جميع المكونات الأخرى، مثل وحدات التحكم الدقيقة ومحركات البوابة، لتقييم موثوقيتها في وقت واحد. في هذه المرحلة، يكون العاكس في مبيته النهائي مع لوحة التحكم الحقيقية. ويشير أليساندرو تومينيا إلى أن ST تقدم اليوم أكثر من 80% من المنتجات لنظام العاكس الكامل. ويعطي الشكل 2 لمحة سريعة عن تدفق نشاط المختبر في مخطط عريض.

باختصار، يعمل المقعدان في تزامن كامل. في البداية، يعمل مقعد التوصيف على التحقق من الكفاءة الحرارية والتحويلية، بالإضافة إلى تنفيذ ملف تعريف المهمة من خلال تصور الأشكال الموجية الحرجة. بعد ذلك، تنتقل الوحدة إلى منصة التحمل حيث يتم التحقق من صحة العاكس من خلال مراقبة التقدم في السن. وهذا يعني أنه يمكن إيقاف اختبار التقادم، ويتم إرجاع الوحدة إلى طاولة التوصيف لتقييم تأثير التقادم من حيث المعلمات الرئيسية التي تم قياسها في الخطوة الأولى.

بمعنى آخر، لاستخدام كلا المقعدين بكفاءة، ليس من الضروري الانتظار حتى الانتهاء من اختبار الحياة، والذي يمكن أن تصل مدته إلى 1000 ساعة. في هذا المثال، بعد مرور 300 ساعة على سبيل المثال، يمكن إعادة وحدة العاكس إلى طاولة التوصيف لإعادة قياس أداء التحويل والمقاومة الحرارية. وبهذه الطريقة، يمكن أن يؤدي تدفق الاختبار هذا إلى التحقق الرسمي من التصميم.

الأنشطة الفرعية

تم تجهيز مختبر ST، الذي تم إنشاؤه باستخدام موردين إيطاليين بشكل أساسي، بأدوات خاصة مثل المبردات لاختبار تماسك دائرة التبريد والتحقق من أن انخفاض الضغط يتوافق مع المضخة المحددة التي تقوم بتدوير سائل التبريد. يحتوي المختبر على جميع الأجهزة اللازمة لتوصيل وحدات الطاقة بالمبردات، دون الحاجة إلى استخدام مرافق مخصصة أخرى.

تعد اختبارات التشغيل الموسعة على وحدات الطاقة بمثابة نعمة لمصممي عاكسات السيارات الكهربائية ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.