سلامة بطارية xEV: حل متكامل تمامًا لسائق موصل الجهد العالي

ثاني أكسيد الكربون العالمي (CO₂ومما لا شك فيه أن خفض الانبعاثات يمثل التحدي العالمي الأكثر أهمية في هذا القرن. إن هدف تحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050 والحد من الزيادة طويلة المدى في متوسط ​​درجة الحرارة العالمية إلى 1.5 درجة مئوية ظل دون تغيير منذ التوقيع على اتفاق باريس التاريخي في عام 2015.

ويتطلب تحقيق هذا الهدف النبيل من قطاع الطاقة إعطاء الأولوية للطاقة المتجددة على الوقود الأحفوري.

ويتعلق جزء كبير من هذا التغيير بمجال السيارات، مما يدفع صانعي السيارات نحو تقليل إنتاج مركبات محرك الاحتراق الداخلي (ICE). كما هو مبين في الشكل 1، تستحوذ مشاريع IHS على السيارات الكهربائية (EV) على حصة متزايدة من قطاع السيارات وسوف تتفوق على محركات الاحتراق الداخلي اعتبارًا من عام 2026.

يتضمن تقدير إنتاج المركبات الكهربائية هذا المركبات الكهربائية النقية، والمركبات الكهربائية الهجينة (HEVs)، والمركبات الهجينة القابلة للشحن (PEVs). يتم تشغيل السيارة الكهربائية النقية حصريًا من خلال المحركات الكهربائية، وتجمع السيارة الكهربائية الهجينة بين نظام ICE التقليدي ونظام الدفع الكهربائي، والسيارة الكهربائية الكهربائية هي أي مركبة يمكن إعادة شحنها من أي مصدر خارجي للكهرباء.

18.09.2023

14.09.2023

09.12.2023

تمكين كهربة المركبات ورقمنتها

ونظرًا لأن طاقتها مخزنة في البطاريات، فإن الخصائص الرئيسية للمركبات الكهربائية xEV ترتبط بالكفاءة والسلامة والموثوقية.

من خلال تحسين التكنولوجيا لتقديم أداء أفضل وميزات جديدة وتصغير الحجم، فإن جميع الأجهزة المصممة بتقنية VIPower من شركة STMicroelectronics هي عوامل تمكين لكهربة المركبات ورقمنتها، مما يوفر مفاتيح طاقة ذكية لقيادة الأحمال العالية والمنخفضة الجوانب والمحركات الكهربائية مع خسائر منخفضة للغاية ودقة الإحساس الحالية العالية.

في المركبات الكهربائية، تلعب جميع الأجهزة الإلكترونية دورًا أساسيًا. ونتيجة لذلك، يؤدي التحسين إلى زيادة الجودة والموثوقية: من معدل فشل فعلي يبلغ 0.08 جزء في المليون (الشكل 2)، فإن الهدف التالي لشركة VIPower هو أن تكون تكنولوجيا خالية من العيوب.

الجهد العالي على xEV: خطر على سلامة الركاب؟

قد تتسبب الأعطال في الأجهزة الإلكترونية للسيارة والبنية التحتية للشحن في حدوث مشكلات كبيرة تتعلق بالسلامة لكل من الركاب والأطراف الثالثة. وفقًا لذلك، يتعين على جميع المركبات الكهربائية أن تكون إلكترونيات الطاقة متصلة بشكل آمن بالبطارية ذات الجهد العالي.

بالنسبة لهذه التوصيلات، يستخدم المصنعون موصلات الجهد العالي (الشكل 3). إنها مفاتيح كهروميكانيكية مثالية للاتصال بأحمال التيار العالي والجهد العالي. على عكس المرحلات، تم تصميم موصلات الجهد العالي لتحمل الأحمال الحالية المنخفضة.

يتم استخدام موصلين رئيسيين وموصل شحن مسبق في جميع المركبات الكهربائية، بدءًا من السيارات الكهربائية الهجينة الأساسية وحتى السيارات الكهربائية النقية. يتم استخدام الموصلات الرئيسية لتوصيل أو فصل حزمة البطارية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. يمكنهم قطع الاتصال بسرعة كبيرة في حالة وقوع حادث. هناك حاجة إلى موصل ثانٍ – موصل شحن مسبق – قبل إغلاق الموصل الرئيسي لشحن مكثف وصلة DC المفرغة في البداية، وتجنب التيار المتدفق الذي يمكن أن يؤدي إلى تلف البطارية والأحمال.

تستخدم المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs) موصلات الاستفادة في كل من شحن التيار المتردد/التيار المستمر وفي معدات الشحن السريع للتيار المستمر/التيار المستمر، وكذلك في مجال الملحقات (الشكل 3).

باختصار، يوجد في المتوسط ​​8 موصلات في المركبات الكهربائية الجديدة: 8 في المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية، و5 في المركبات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن (PHEV)، و3 في المركبات الهجينة الكهربائية.

الجودة والموثوقية: أجهزة VIPower كمحرك موصل عالي الجهد لزيادة قوة النظام

يتكون الموصل، كما هو موضح في الشكل 4، من قلبين من الحديد. أحد النواة ثابت ومحاط بملف نحاسي معزول والآخر متحرك. يخلق جهد التحكم المطبق على الملف مجالًا مغناطيسيًا يجذب النواة الحديدية المتحركة إلى النواة الثابتة، ويربط خطوط الطاقة بالحمل.

لإغلاق الموصل، يوضح الشكل 5 ملف التيار النموذجي في ثلاث مراحل:

• مرحلة الالتقاط: التيار كبير بدرجة كافية ويتم الحفاظ عليه لفترة كافية لضمان إغلاق الموصل. هذه المرة عادةً ما تكون في حدود مئات المللي ثانية.
• مرحلة التثبيت: التيار أقل من اللازم في مرحلة الالتقاط ويقلل من استهلاك الطاقة مع إبقاء الموصل مغلقًا بكفاءة. يمكن أن تستمر هذه المرحلة لفترة غير محددة، تصل إلى ساعات.
• الاضمحلال السريع: ينخفض ​​التيار بسرعة كبيرة، على مدى حوالي 10 مللي ثانية، لضمان فتح سريع يزيد من موثوقية الموصل وعمره.

يوضح الشكل 6 طوبولوجيا الدائرة النموذجية التي تم تنفيذها لتشغيل موصل الجهد العالي. إنه حل منفصل تم إنشاؤه من برامج التشغيل عالية الجانب وبرامج التشغيل منخفضة الجانب، استنادًا إلى تقنية VIPower التي توفر التحكم والحماية والتشخيص.

يقوم برنامج التشغيل ذو الجانب العلوي بمراقبة الوضع الحالي لتشغيل موصل الجهد العالي بشكل صحيح، بينما يتم تشغيل برنامج التشغيل ذو الجانب المنخفض باستخدام PWM لتعديل ملف تعريف التحميل الحالي.

هناك حاجة إلى كل من برامج التشغيل ذات الجانب العالي والمنخفض لحماية موصل الجهد العالي من ماس كهربائى مقابل GND والبطارية ولتحقيق مستويات السلامة المناسبة.

VNH7100BAS: حل متكامل تمامًا أيضًا لموصلات الجهد العالي

يعد VNH7100BAS بمثابة جسر كامل لسائقي محركات التيار المستمر. تم تصميمه باستخدام تقنية VIPower، وهو يتضمن مفتاحًا مزدوجًا مترابطًا عالي الجانب ومفتاحين منخفضي الجانب في حزمة SO-16N على إطار رصاصي معزول كهربائيًا. يشتمل VNH7100BAS على العديد من أدوات التشخيص (الاستشعار الحالي، والتشخيص في حالة التوقف عن العمل، ومراقبة درجة الحرارة) جنبًا إلى جنب مع دوائر الحماية (الحد من الطاقة، والحد من التيار، ودرجة الحرارة الزائدة، والحماية من التيار المتقاطع). يتيح الجمع بين دوائر التشخيص والحماية هذه للمصممين تقديم تطبيقات حساسة وآمنة بمستوى عالٍ من الموثوقية والتصغير.

علاوة على ذلك، فإن VNH7100BAS مناسب كحل جديد ومبتكر لقيادة موصلات الجهد العالي (الشكل 7).

في هذه الحالة، يشتمل VNH7100BAS على جميع الوظائف للتحكم بشكل صحيح في موصل الجهد العالي ومراقبته وحمايته، بما في ذلك ميزات إعادة تدوير التيار أثناء PWM وإزالة المغناطيسية السريعة، في دائرة متكاملة واحدة.

يمكن تنفيذ المراحل الثلاث لملامح تيار موصل الجهد العالي في الشكل 5 على النحو التالي:

• مرحلة الالتقاط: قيادة الجهاز في اتجاه عقارب الساعة، وتشغيل HSA وLSB.
• مرحلة الانتظار: تمكين PWM على LS.
• الاضمحلال السريع: قلب قطبية الملف، وضبط HSB فقط على التشغيل.

ولذلك، فإن VNH7100BAS يقلل عدد PN في التطبيق النهائي، مما يؤدي إلى بصمة PCB أصغر. علاوة على ذلك، تعمل وظائف المراقبة والحماية المدمجة على تعزيز السلامة والموثوقية.

مهندس تسويق فني جونيور، شركة STMicroelectronics