أخبار التكنولوجيا

ابتكارات نظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية



أدى النمو السريع للسيارات الكهربائية إلى تحفيز الابتكارات في العديد من الأجزاء الرئيسية لنظام توصيل الطاقة، بما في ذلك الشاحن الموجود على متن السيارة (OBC) والشاحن الموجود خارج السيارة لشحن البطارية، والعاكسات المستخدمة لقيادة المحرك الكهربائي، وتكنولوجيا البطاريات، نظام إدارة البطارية (BMS). يشكل نظام إدارة المباني وحدة أساسية تضمن الأداء الأمثل والآمن للبطارية.

في هذه المقالة، سنسلط الضوء على عرض تقديمي قدمه صامويل وونغ، نائب الرئيس والمدير العام لنظام إدارة المباني في شركة Texas Instruments (TI)، في منتدى تكنولوجيا السيارات الذي عقد في مارس 2024.

العوامل الرئيسية لتحسين اعتماد السيارات الكهربائية

في حين أن السيارات الكهربائية تشكل جزءًا كبيرًا من مبيعات السيارات الجديدة، إلا أنها لا تزال تمثل جزءًا صغيرًا من إجمالي حركة السيارات على مستوى العالم. تتطلب زيادة ثقة العملاء لتحويل المركبات الحالية التي تعمل بالبنزين إلى المركبات الكهربائية حلولاً للعديد من التحديات، بما في ذلك:

  • نطاق القيادة: على الرغم من أن القيادة داخل المدينة يمكن عادةً استيعابها من خلال البطارية الحالية وتقنية الشحن، إلا أن الاستخدام على المدى الأطول يعد خطوة مهمة نحو اعتمادها على نطاق أوسع. هذه مشكلة متعددة الأوجه تتضمن زيادة الكفاءة والقوة في أنظمة تحويل الطاقة والتحكم، وتحسين تكنولوجيا البطاريات عالية السعة والمراقبة، من بين أشياء أخرى كثيرة.
  • شحن المركبات الكهربائية: يمكن أن يؤدي الشحن السريع بجهد كهربائي أعلى إلى تقليل أوقات الشحن لتكون قريبة من الأوقات القياسية للتزود بالوقود بالبنزين، في حين يمكن أن تلعب طبولوجيا OBC المحسنة والبطاريات وشحن/مراقبة البطارية دورًا مهمًا.
  • التكلفة: يمكن استبدال التكلفة الإجمالية للنظام بالعاملين المذكورين أعلاه، ولكن تخفيضات التكلفة من تصنيع كميات كبيرة من أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، والبطاريات الأرخص التي يمكن إعادة تدويرها، وإنشاء أجهزة وطوبولوجيات مؤهلة لصناعة السيارات يمكن استخدامها بمرونة عبر مختلف يمكن لأحجام ونطاقات المركبات الكهربائية وكيمياء خلايا البطارية خفض تكاليف التصنيع. علاوة على ذلك، فإن تقليل حجم ووزن وحجم مكونات النظام والأسلاك يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في تحسين كفاءة النظام وبالتالي تقليل التكلفة.
  • السلامة: يعد تحسين الموثوقية والإدارة الحرارية والسلامة الكهربائية أمرًا حيويًا. تحتاج محولات الجر إلى الأداء الجيد على مدار العمر المتوقع الذي يزيد عن 1e11 دورة تبديل للسيارة الكهربائية. تحتاج تقنية البطاريات المعتمدة على الليثيوم إلى نظام إدارة المباني (BMS) المزود بتقنية المراقبة الحرارية والكهربائية وتقنية الإغلاق التي يمكنها الاستجابة بسرعة في حالة حدوث أعطال. يوفر معيار مستوى سلامة سلامة السيارات D (ASIL-D) ضمن ISO 26262 أعلى تصنيف للسلامة الوظيفية وهو مطلوب للعديد من أنظمة ومكونات السيارات.

اتجاهات BMS

يوضح الشكل 1 مخططًا أساسيًا لنظام إدارة المباني الذي يمكن استخدامه في السيارة الكهربائية.

رسم تخطيطي مبسط لنظام إدارة المباني (BMS) يوضح بعض مكونات النظام.
الشكل 1: رسم تخطيطي مبسط لنظام إدارة المباني (BMS) يوضح بعض مكونات النظام (المصدر: Texas Instruments)

عادةً ما تكون خلايا البطارية متصلة بشكل متسلسل بوحدات النموذج. يمكن بعد ذلك ربط الوحدات بسلسلة ديزي لتوليد الجهد والتيار اللازمين. تحتاج كل خلية في الوحدة إلى مراقبة معلماتها الرئيسية، مثل الجهد والتيار، بواسطة وحدة مشرف الخلية (CSU). يوفر صندوق توصيل البطارية (BJB) وظائف توزيع الطاقة والسلامة الأساسية، بالإضافة إلى بعض القياسات عالية المستوى. يتواصل كل من CSU وBJB مع المتحكم الدقيق (MCU) من خلال جسور الاتصال، وتشكل هذه معًا وحدة إدارة البطارية (BMU).

بعض الاتجاهات التي شوهدت داخل هذه الأنظمة المختلفة هي:

  • تحسين دقة مراقبة الخلايا لتمكين الاعتماد على نطاق واسع على كيمياء بطارية فوسفات حديد الليثيوم (LFP) الأكثر فعالية من حيث التكلفة
  • بنية BJB الذكية، التي تدعم القياسات المحلية ومراقبة الحزم المتعددة، مما يجعل الاتصالات مع BMU أكثر كفاءة أو حتى لاسلكية
  • خيارات قابلة للتحويل لدعم مجموعة من خيارات الجهد الكهربي، مثل 400 فولت و800 فولت، وربما 1500 فولت من أنظمة تخزين الطاقة مثل محولات الطاقة الشمسية

دعونا نلقي نظرة على ثلاثة منتجات من TI يمكن استخدامها في وحدات CSU وBJB.

شاشة خلية البطارية BQ79718-Q1

BQB79718-Q1 هو جهاز مؤهل وفقًا لـ AEC-Q100 ومتوافق مع السلامة الوظيفية، مع قدرة الأجهزة التي تصل إلى أهداف ASIL-D. تتضمن بعض الميزات الرئيسية لهذا الجهاز ما يلي:

  • محولات تناظرية إلى رقمية مخصصة ومتطورة (ADCs) لكل خلية يصل عددها إلى 18 خلية
  • دقة عالية تبلغ ± 1 مللي فولت في قياسات ADC هذه
  • تتم مزامنة قياسات جهد الخلية وتيار حزمة البطارية مع 64 ميكروثانية
  • ADC زائدة عن الحاجة للظروف القاسية بدقة 10 مللي فولت

تؤثر دقة قياسات الخلية بشكل مباشر على نطاق قيادة السيارة الكهربائية، كما هو موضح في الشكل 2. بالنسبة لحزمة LFP، التي تحتوي على ملف تعريف تفريغ جهد مسطح، يمكن أن يترجم الفرق بين دقة 10 مللي فولت مقابل دقة 1 مللي فولت إلى نطاق متزايد 63 ميلاً لحزمة بطارية 300 ميل.

دقة قياسات الخلايا في نظام إدارة المباني (BMS) التي تؤثر على نطاق قيادة السيارة الكهربائية.
الشكل 2: دقة قياسات الخلايا في نظام إدارة المباني التي تؤثر على نطاق قيادة السيارة الكهربائية (المصدر: شركة Texas Instruments)

يتيح التكرار في قياسات الخلية ثقة أعلى في القياسات، حيث يمكن قياس المسارات الرئيسية والزائدة عن الحاجة ومقارنتها بالأخطاء المتبقية. ومن ثم، يمكن استخدام تصميم نظام أقل تحفظا.

يؤدي تزامن قياسات الجهد والتيار أيضًا إلى تقليل الأخطاء في تحديد الحالة الصحية لحزمة البطارية.

برنامج تشغيل الموصل DRV3946-Q1

توفر الموصلات الموجودة في BJB الوظيفة الأساسية لتوصيل طاقة البطارية إما بالعاكسات التي تقود المحرك الكهربائي أثناء ظروف القيادة أو OBC أثناء الشحن. يظهر الشكل 3 رسمًا تخطيطيًا لـ BJB. إن DRV3946-Q1 هو محرك الملف اللولبي. يمكن لهذا الجهاز تشغيل ملفين لولبيين من مرحلة طاقة منخفضة المقاومة مع ذروة قابلة للتكوين وتيارات ثابتة باستخدام واجهة SPI. القدرة على خفض التيار في الانتظار تمكن من تحسين الكفاءة. دائرة التفريغ السريع المتكاملة تمنع اللحام بالتلامس. يتضمن الاختبار الذاتي المدمج تشخيصات داخل وخارج الحالة، وبالتالي يزيد من قوة النظام.

مخطط كتلة BJB الأساسي.
الشكل 3: مخطط الكتلة الأساسي لـ BJB (المصدر: Texas Instruments)

برنامج تشغيل الصمامات الحرارية DRV3901-Q1

يعد فصل البطارية في ظل ظروف الخطأ ميزة أمان أساسية في السيارة الكهربائية. هناك طريقتان شائعتان هما إما استخدام فتيل ذوبان، والذي يتم تشغيله بناءً على الظروف الحرارية للتيار الزائد، أو فتيل حراري، والذي يتم تشغيله بواسطة محرك إلكتروني. توفر صمامات Pyro موثوقية أعلى ونشرًا أسرع وتستخدم على نطاق واسع في أنظمة الوسادة الهوائية المزعجة. غالبًا ما يكون لمحرك الأقراص هذا حلول منفصلة. كما هو موضح في الشكل 4، يحقق برنامج التشغيل المصهر الحراري DRV3901-Q1 وقت استجابة سريعًا باستخدام واجهة جهاز مباشرة ثنائية السن يمكن ربطها مباشرة مع مستشعر UIR خارجي (الجهد والتيار والمقاومة)، وبالتالي تجاوز واجهة SPI وإزالة الحاجة إلى تدخل MCU.

وظائف دبوس برنامج تشغيل الصمامات الحرارية DRV3901-Q1.
الشكل 4: وظائف الدبوس لمشغل الصمامات الحرارية DRV3901-Q1 (المصدر: Texas Instruments)

يمكن تكوين تسلسل الإطلاق من خلال واجهة SPI لاستيعاب ملفات تعريف الصمامات المختلفة. توفر مضخة الشحن المدمجة الحد الأدنى من الانخفاض في جهد الخرج. يمكن توفير الطاقة الاحتياطية بواسطة مكثف خزان خارجي في ظل ظروف عدم توفر مصدر الإمداد الرئيسي من البطارية. يقوم DRV3901-Q1 بمراقبة تيار التفريغ للمكثف لضمان التشغيل العادي. يعد منع حدوث خلل أمرًا مهمًا في هذه الأجهزة، ويتم ضمان ذلك من خلال فحوصات التكرار الدورية على واجهة SPI، والدبابيس المتكررة لتشغيل الأجهزة المباشر وبرامج التشغيل المحمية المنفصلة ذات الجانب العلوي/المنخفض.

إن التحسينات في نظام إدارة المباني، إلى جانب التطورات الموازية في تحويل الطاقة ووحدات البطارية، ستمكن المركبات الكهربائية من القيادة لمسافة أبعد بشحنة واحدة. يمكن تعزيز ثقة العملاء من خلال زيادة السلامة والموثوقية، في حين أن تخفيض التكاليف من خلال تحسينات الكفاءة سيضمن اعتماد السيارات الكهربائية على نطاق أوسع.

التدوينة ابتكارات نظام إدارة بطارية السيارة الكهربائية ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *