تلبية متطلبات السلامة الوظيفية للسيارات من خلال برامج تشغيل البوابة المتوافقة مع ASIL-D

في السنوات الأخيرة، أحدثت الزيادة في عدد الأنظمة الإلكترونية والميزات المتقدمة في السيارات ثورة في راحة القيادة والسلامة (فكر، على سبيل المثال، في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة). وفي الوقت نفسه، كان هناك إدراك لكيفية أن تؤدي هذه القدرات إلى مشاكل تتعلق بسلامة المستخدم النهائي بسبب التفاعلات غير الصحيحة بين الأنظمة الإلكترونية، أو خلل في الأجهزة أو الاستخدام غير الصحيح للوظائف من قبل المستخدم. ولهذه الأسباب، تم نشر المعيار الدولي ISO 26262 في عام 2011، والذي قدم مفهوم السلامة الوظيفية للمركبات المخصصة للإنتاج المتسلسل.

يتم قياس المخاطر المحتملة الناجمة عن فشل الأنظمة الإلكترونية داخل السيارة في سيناريوهات مختلفة من خلال معلمة مستوى سلامة سلامة السيارات (ASIL). ASIL-D يتوافق مع الحد الأقصى لمستوى إدارة المخاطر.

هذه المقالة مبنية على محاضرة¹ تم تقديمه في حدث APEC 2024 الذي عقد في فبراير، ويركز على برامج تشغيل بوابة السيارات الكهربائية المتوافقة مع ASIL-D والتي طورتها شركة Power Integrations والتقنيات التي تستخدمها سلسلة الأجهزة هذه لتلبية متطلبات السلامة الوظيفية.

مقياس EV

إن برامج تشغيل البوابة من سلسلة Scale EV عبارة عن برامج تشغيل ثنائية القناة تعمل بالتوصيل والتشغيل وتفي بمعايير تأهيل السيارات. هذه اللوحات متوافقة مع كل من MOSFETs من كربيد السيليكون وIGBTs من السيليكون. يمكن للمركبات الكهربائية والهجينة وخلايا الوقود، مثل الحافلات والشاحنات، وكذلك معدات البناء والتعدين والزراعة، الاستفادة من استخدام محولات السيارات والجر عالية الطاقة. تتمتع اللوحات بجاهزية ASIL، مما يجعلها مناسبة لتصميم وتنفيذ محولات الجر ASIL-D.

اعتبارات السلامة لمحركات BEV

تشمل المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs) عددًا متزايدًا باستمرار من المركبات، بدءًا من الدراجات الرباعية الصغيرة إلى المركبات التجارية الكبيرة، المجهزة بفولتية بطارية تتراوح من 48 فولت إلى 800 فولت وما فوق.

يمكن تقسيم مشكلات السلامة الأكثر أهمية المتعلقة بمحرك BEV إلى أربع فئات:

• حظر محرك الأقراص
• تسارع غير مقصود
• التباطؤ غير المقصود
• فقدان عزم الدوران

يجب معالجة كل من قضايا السلامة الوظيفية هذه من خلال تحليل المخاطر المتبقية وتقليلها إلى مستوى مقبول من خلال تنفيذ وظيفة السلامة المناسبة. تتضمن أمثلة وظائف السلامة إيقاف عزم الدوران والسرعة المحدودة الآمنة وعزم الدوران المحدود الآمن.

دعونا الآن نفكر في الرسم التخطيطي لعاكس الجر النموذجي BEV، كما هو موضح في الشكل 1. يُظهر الجانب العلوي من الرسم التخطيطي مجموعات فرعية للسلامة الوظيفية مصنفة حسب ASIL، والتي تتضمن وحدة إمداد الطاقة وكتلة التحكم في المحرك ومحركات البوابة.

يتم عرض كتل الطاقة (البطارية، مرشح الإدخال، العاكس ثلاثي الطور ثنائي المستوى، المراقبة الحالية والمحرك ثلاثي الطور) في الجزء السفلي من الشكل 1. يمكن تنفيذ العاكس باستخدام مفاتيح الطاقة IGBT أو SiC.

متطلبات السلامة لها تأثير على موثوقية وعمر أشباه موصلات الطاقة. وينطبق هذا بشكل خاص على سائقي البوابات، حيث يؤدي الحجم والوزن والتكلفة وتوصيل الطاقة المتوقع لأجهزة الطاقة إلى الإجهاد الحراري، وبالتالي تقليل العمر الإجمالي لنظام القيادة. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى مراقبة دقيقة لكل عملية لأشباه موصلات الطاقة لتجنب السلوك غير المتوقع الذي قد يؤثر على أهداف السلامة الوظيفية.

تحديات السلامة الوظيفية في المركبات الكهربائية بالبطارية

سوف تصف الفقرات التالية التحديات الرئيسية التي تؤثر على السلامة الوظيفية للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية. ولكل منهم، سنرى كيفية التخفيف من مخاطرها لتحقيق مستوى الأمان المطلوب.

إضعاف المجال

للحفاظ على عزم الدوران الناتج عند السرعات العالية، وتوسيع نطاق تشغيل المحرك وتحسين الأداء العام للمركبة، عادة ما يتم اعتماد تقنية إضعاف المجال. يُستخدم إضعاف المجال في محركات السيارات الكهربائية، وخاصة في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs)، لتوسيع نطاق سرعة المحرك بما يتجاوز سرعته المقدرة.

إن سرعة دوران PMSM مقيدة بالقوة الدافعة الكهربائية الخلفية (EMF) التي تنتجها المغناطيس الدائم. مع تسارع المحرك، يرتفع المجال الكهرومغناطيسي الخلفي بالمثل، ويصل في النهاية إلى عتبة حيث يساوي جهد الإمداد. هذه الظاهرة تجعل المحرك غير قادر على إنتاج عزم الدوران وتحقيق سرعته القصوى بشكل فعال.

تستلزم عملية إضعاف المجال تقليل قوة المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم داخل المحرك بشكل متعمد. يتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق تقليل التيار المقدم إلى اللفات الميدانية للمحرك. من خلال تخفيف المجال المغناطيسي، يتم تقليل المجال الكهرومغناطيسي الخلفي، مما يتيح للمحرك العمل بسرعات مرتفعة دون مواجهة القيد الذي يوفره المجال الكهرومغناطيسي الخلفي.

ومع ذلك، فإن فقدان التحكم أثناء إضعاف المجال من شأنه أن يسمح للمحرك بأن يصبح مولدًا، مع ما يترتب على ذلك من نقل غير متحكم فيه للطاقة إلى البطارية وعزم دوران سلبي لا يمكن التنبؤ به يطبق على العجلات. هذا هو التحدي الأول للسلامة الوظيفية.

للتخفيف من المخاطر الناجمة عن اعتماد إضعاف المجال، يتم تطبيق تقنية تسمى الدائرة القصيرة النشطة (ASC) في محركات بوابة Scale EV. أثناء تشغيل السيارة، سيقوم PMSM بتوليد الطاقة الكهربائية وتزويدها إلى رابط DC دون أي تحكم نشط. نظرًا لأن ثنائيات جسم MOSFET تعمل كدائرة مقوم لجهد EMF الناتج عن المحرك، يجب على مصممي النظام التأكد من بقاء جهد وصلة التيار المستمر ضمن الحدود المقبولة لمنع أي تلف أو فشل محتمل في النظام.

يوفر ASC طريقًا منظمًا وغير مقيد للتيار الناتج عن جهد EMF. في العاكس ثلاثي الطور، يتم استخدام ASC الموجود على محرك البوابة لتوصيل المحرك إما بالطرف الموجب أو السالب للتيار المستمر عن طريق تنشيط إما جميع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) العلوية أو جميع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) السفلية.

إلغاء تنشيط حافلة DC

أثناء أو بعد وقوع حادث، أو لأغراض الصيانة، يجب تفريغ ناقل الطاقة الرئيسي المتصل بالبطارية في أسرع وقت ممكن إلى حالة آمنة. توفر برامج تشغيل بوابة EV الخاصة بشركة Power Integrations ميزة التفريغ النشط، والتي تم تطويرها خصيصًا لهذا الغرض.

من خلال هذه التقنية، سيتم تبديد الطاقة المتبقية في ناقل DC-link بسرعة عبر أشباه موصلات الطاقة العاكسة، مما يوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة وموثوقًا. لحماية الميكانيكيين العاملين في السيارة أثناء الصيانة أو الإصلاح، ولحماية عمال الطوارئ في مواقع الحوادث، يجب تفريغ الطاقة الموجودة في مكثفات خزان وصلة التيار المستمر خلال خمس ثوانٍ من إيقاف التشغيل أو حدوث خطأ كارثي.

نظرًا لأن مكثفات وصلة التيار المستمر المثبتة في المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية كبيرة الحجم وتخزن قدرًا كبيرًا من الطاقة، فإن الحل النموذجي لتلبية هذه الحاجة يتكون من دوائر مكونة من مجموعة من المقاومات لتفريغ المكثف. يظهر الشكل 2 مثالاً لدائرة التفريغ النشطة. لاحظ أن هذا العاكس 400 فولت يتكون من 85 مكونًا إلكترونيًا.

ومع ذلك، بالنسبة لعائلة منتجات Scale EV، اعتمدت شركة Power Integrations تقنية مختلفة، حيث يتم استخدام IGBTs في الجانب العلوي كمسار تفريغ. يتم تشغيل IGBT العلوي، بينما يتم تشغيل الجهاز المنخفض بواسطة إشارة PWM. توفر هذه الطريقة عملية زائدة ثلاثية، حيث تشارك جميع IGBTs الثلاثة في وقت واحد في وظيفة التفريغ النشط¹.

مراقبة المعلمات الحيوية والكفاءة

تم تصميم محولات الجر الخاصة بالسيارات لدمج العديد من الميزات وقدرات المراقبة للحفاظ على سلامة وموثوقية النظام. تشمل هذه الميزات:

• مراقبة الجهد الزائد الأولي والثانوي (OV)/الجهد المنخفض (UV)/التيار الزائد (OC)/مراقبة درجة الحرارة: محولات الجر مجهزة بأنظمة مراقبة أولية وثانوية للجهد الزائد والأشعة فوق البنفسجية وOC ودرجة الحرارة. تعتبر أنظمة المراقبة هذه ضرورية لضمان التشغيل الآمن والفعال للعاكس ضمن نطاقات الجهد ودرجة الحرارة المحددة.
• رابط البيانات الأولية والثانوية: يشتمل العاكس على أنظمة ربط البيانات الأولية والثانوية لتسهيل الاتصال وتبادل البيانات داخل النظام. ويضمن ذلك نقل المعلومات الهامة واستقبالها بشكل موثوق، مما يساهم في السلامة العامة وسلامة النظام.
• مراقبة البوابة: هذه ميزة أساسية لمحولات الجر في السيارات. يتضمن المراقبة المستمرة لإشارات البوابة لضمان حسن سير العمل والتحكم في أجهزة أشباه موصلات الطاقة داخل العاكس.
• مراقبة درجة الحرارة: تتم مراقبة درجة حرارة أجهزة أشباه موصلات الطاقة وكذلك البيئة المحيطة لمنع ارتفاع درجة الحرارة وضمان ظروف التشغيل المثلى للعاكس.
• إزالة التشبع/حماية التيار الزائد: تُستخدم هذه الآليات لاكتشاف وتخفيف الأخطاء المحتملة المتعلقة بظروف عدم التشبع والتيار الزائد.

يمكن أيضًا تحسين كفاءة العاكس باستخدام تقنية التحكم في الجهد الزائد المقاوم المتقدم (AROC)، والتي تؤدي إلى إيقاف تشغيل ناعم يتم التحكم فيه استجابة لأي فشل خطير. يقوم AROC بضبط محرك البوابة للحد بأمان من الجهد الزائد أثناء حدوث ماس كهربائي. أثناء التشغيل العادي، يكون التبديل أسرع بكثير، وبالتالي زيادة الكفاءة إلى الحد الأقصى. أثناء حالة الطوارئ، يتم الحفاظ على الجهد ضمن حدود السلامة.

مراجع

¹كريمر، م. (2024). “ASIL-D جاهز للتوصيل والتشغيل المتوافق مع السيارات، برنامج تشغيل البوابة عالي الأداء.” تكامل الطاقة، مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهر المنشور تلبية متطلبات السلامة الوظيفية للسيارات مع برامج تشغيل البوابة المتوافقة مع ASIL-D لأول مرة على Power Electronics News.