كيف يجعل بروتوكول CAN شحن المركبات الكهربائية فعالاً وأكثر أمانًا

أصبحت السيارات الكهربائية شائعة لأنها بديل أنظف للمركبات التي تعمل بالوقود النفطي والتي تنتج انبعاثات الكربون، وسوف تصبح موجودة في كل مكان في حياتنا اليومية في المستقبل القريب. ومع ذلك، لا تزال هناك عقبات يجب التغلب عليها. وبما أن المركبات الكهربائية مرادفة للتنقلات الصديقة للبيئة ووسائل النقل المستقبلية، فإن المخاوف المتزايدة بشأن كفاءة شحن المركبات الكهربائية أمر لا مفر منه.

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون بشكل شائع في المركبات الكهربائية. تصاحب بعض المخاوف المتعلقة بالسلامة استخدامها في المركبات الكهربائية. يمكن أن تشكل هذه البطاريات مخاطر، مثل ارتفاع درجة الحرارة، والانفلات الحراري، ومخاطر الحريق المحتملة، خاصة في ظل ظروف التشغيل غير الطبيعية مثل الشحن الزائد أو التفريغ الزائد، وكذلك مع تقدم العمر والتآكل. واستجابة لذلك، يقوم المصنعون/مصنعو المعدات الأصلية بدمج أنظمة إدارة البطارية (BMSes) داخل المركبات الكهربائية لمراقبة أداء بطارياتهم.

تتمتع أنظمة إدارة المباني ببنية متطورة تتكون من أجهزة استشعار ووحدات تحكم دقيقة (MCUs) وموازنات البطاريات والمفاتيح والعديد من المكونات الأخرى المسؤولة عن التشغيل الآمن والفعال لبطاريات السيارات الكهربائية. تقوم أجهزة الاستشعار بمراقبة معلمات السلامة الهامة، مثل الجهد الكهربي ومستويات التيار ودرجة الحرارة، والتي توفر بيانات في الوقت الفعلي إلى وحدة MCU، التي تعمل كوحدة المعالجة المركزية لنظام إدارة المباني. تلعب وحدة MCU دورًا محوريًا في جمع وتحليل بيانات المستشعر، وتنظيم عمليات البطارية بناءً على المعلومات المجمعة. من خلال العمل جنبًا إلى جنب مع وحدة MCU، يتم نشر موازنات البطارية للحفاظ على الشحن والتفريغ الموحد عبر الخلايا الفردية داخل حزمة البطارية. وهذا لا يعزز عمر البطارية فحسب، بل يخفف أيضًا من الضرر المحتمل. علاوة على ذلك، تقوم المفاتيح الموجودة داخل نظام إدارة المباني بإدارة تدفق الكهرباء من وإلى البطارية، مما يوفر وسيلة حاسمة لفصل البطارية في حالات الطوارئ أو سيناريوهات الأعطال.

التواصل بين BMS ومحطة الشحن

إلى جانب القدرة على جمع البيانات واتخاذ القرارات، يمكن لأنظمة إدارة المباني أيضًا إنشاء اتصال مع محطة الشحن – وهي خطوة معززة نحو سلامة وكفاءة شحن السيارة. هناك بعض المزايا الغريبة لهذا:

• أمان محسّن: يسمح بالاتصال في الوقت الفعلي بين نظام إدارة المباني ومحطة الشحن للكشف عن العيوب ومعالجتها أثناء الشحن
• الشحن الأمثل: يمكّن محطات الشحن من ضبط المعلمات بناءً على بيانات نظام إدارة المباني، مما يضمن بروتوكولات شحن فعالة ومصممة خصيصًا
• قدرات التشخيص: تسهل تبادل البيانات للصيانة الاستباقية واستكشاف الأخطاء وإصلاحها، وتحسين موثوقية النظام بشكل عام
• التكامل مع الشبكات الذكية: يتيح الاتصال ثنائي الاتجاه لميزات مثل الاستجابة للطلب وجداول الشحن المحسنة بناءً على ظروف الشبكة

يمكن استخدام بروتوكول شبكة منطقة التحكم (CAN) – وهو معيار اتصال يستخدم على نطاق واسع في تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية – لإنشاء اتصال بين نظام إدارة المباني (BMS) الخاص بالمركبة الكهربائية ومحطة الشحن/الشحن. وقد أظهرت دراسة حديثة أجريت في مختبر البحث والتطوير في المعهد الدولي لتكنولوجيا المعلومات في بنغالور ذلك.

تنفيذ بروتوكول CAN للاتصال بين شاحن المركبات الكهربائية ونظام إدارة المباني

يتضمن إعداد البنية وحدات التحكم الدقيقة TMS320F28069U Piccolo من شركة Texas Instruments للاتصال بين نظام إدارة المباني والشاحن. يتم اختيار وحدات MCU هذه نظرًا لكفاءة وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة المحمولة وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) والأجهزة الطرفية المتنوعة للمنافذ التسلسلية، بما في ذلك وحدات CAN المحسنة. نظرًا لأن هذا الإعداد بدأ كتجربة، فقد امتنع الباحثون عن استخدام بطارية فعلية واختاروا محاكاة أو تكرار مواصفات بطارية ليثيوم أيون 12 فولت 100 أمبير في وحدة التحكم، بما في ذلك شحن وتفريغ الجهد التشغيلي، والحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل، والحد الأقصى للشحن والتفريغ الحالي.

تم بعد ذلك توصيل وحدات MCU بوحدة التحكم CAN، التي تحتوي على الإطار الموضح في الشكل 1. ومع ذلك، فإن وحدة التحكم CAN هي وحدة CAN المحسنة، والتي تعد جزءًا من وحدة التحكم الدقيقة Piccolo. يوفر وظائف بروتوكول CAN الإصدار 2.0B. يحتوي إطار بيانات CAN الإصدار 2.0B على تنسيق قياسي بمعرف أساسي 11 بت وتنسيق موسع بمعرف أساسي 29 بت. يمثل هذا المعرف الأساسي تعريفًا فريدًا لكل رسالة في إطار البيانات. وهي تشتمل على وحدة تحكم في الرسائل، ونواة بروتوكول أو مكدس اتصالات، وجهاز إرسال واستقبال CAN. تتكون نواة البروتوكول من مخزن مؤقت للاستقبال ومخزن مؤقت للإرسال، الذي يستقبل ويرسل الرسائل على ناقل CAN.

يحكم بروتوكول CAN، وتحديدًا الإصدار 2.0B، كيفية إرسال البيانات واستقبالها داخل شبكة من الأجهزة الإلكترونية. في هذا البروتوكول، يتم تنظيم البيانات في إطارات، يحتوي كل منها على معلومات حول الرسالة التي يتم إرسالها. تحتوي هذه الإطارات على تنسيق موحد يتكون من حقول مختلفة تساعد في تحديد البيانات وتفسيرها.

أحد الجوانب المهمة لبروتوكول CAN هو المعرف، الذي يعمل بمثابة تسمية فريدة لكل رسالة داخل إطار البيانات. في الإصدار 2.0B، هناك معرفان: قياسي وموسع. يبلغ طول المعرف القياسي 11 بت، بينما يبلغ طول المعرف الموسع 29 بت. تسمح هذه المعرفات للأجهزة الموجودة داخل الشبكة بالتمييز بين الرسائل المختلفة وتحديد أهميتها. استخدم الباحثون الطريقة الموسعة، مما يعني أنها يمكن أن تستوعب عددًا أكبر من الرسائل الفريدة داخل الشبكة، مما يسمح بسيناريوهات اتصال أكثر تعقيدًا وتنوعًا. نظرًا لأن وحدات MCU الموجودة على الشاحن ونظام BMS تقوم بتشفير الرسائل لمشاركة المعلومات بشكل موثوق، فإن هذا المعرف ضروري للاتصال السريع والشامل بين الشاحن ونظام إدارة المباني في السيارة الكهربائية.

يسهل بروتوكول CAN الاتصال بين الأجهزة من خلال نظام ناقل ثنائي الأسلاك يتكون من دبابيس CAN العالية والمنخفضة. تعمل هذه المسامير كواجهة مادية يتم من خلالها إرسال البيانات واستقبالها.

أثناء الاتصال، يحمل الدبوس العالي CAN عادةً إشارة منطقية عالية متنحية، بينما يحمل الدبوس المنخفض CAN إشارة منطقية منخفضة سائدة. يسمح هذا الترتيب القطبي بتشفير البيانات الثنائية، حيث يمثل المنطق المتنحي المرتفع “1” المنطقي والمنطق السائد المنخفض يمثل “0” منطقيًا.

تكمن أهمية الحفاظ على الجهد التفاضلي بين دبابيس CAN العالية والمنخفضة في ضمان اتصال موثوق وقوي. يعتمد بروتوكول CAN على نظام الإشارات التفاضلية، حيث يتم استخدام فرق الجهد بين دبابيس CAN العالية والمنخفضة لتمثيل البيانات المرسلة.

في ناقل CAN الذي يعمل بشكل صحيح، من المتوقع أن يصل الدبوس العالي CAN إلى مستوى جهد قريب من جهد الإمداد (عادة حوالي 5 فولت)، بينما ينخفض ​​الدبوس المنخفض CAN إلى مستوى جهد أقل (عادة حوالي 0 فولت). يعد فرق الجهد بين هذه الأطراف، والمعروف باسم الجهد التفاضلي، أمرًا بالغ الأهمية للتمييز بين الحالات المنطقية العالية والمنطقية المنخفضة.

على سبيل المثال، أثناء الاتصال، إذا وصل طرف CAN العالي إلى 3.75 فولت وانخفض طرف CAN المنخفض إلى 1.25 فولت، فإن الجهد التفاضلي الناتج سيكون 2.5 فولت. ويسمح فرق الجهد هذا باكتشاف موثوق للبيانات المرسلة، حتى في وجود أسلاك كهربائية الضوضاء أو التداخل (الشكل 2).

مع الأحكام المذكورة أعلاه في وحدة التحكم CAN، يمكن لنظام إدارة المباني، الذي يحتوي على وحدة MCU التي تجمع البيانات حول معلمات السلامة الحرجة، الإبلاغ عن أي تقلبات مثيرة للقلق في مستويات الجهد والتيار ودرجة الحرارة وإغلاق الشاحن عند الحاجة لمنع وقوع الحوادث. في حالة التجربة، كانت المواصفات المشفرة لبطارية السيارة الكهربائية هي السماح بحد أقصى للجهد يبلغ 15 فولت. وبمجرد أن وجد نظام إدارة المباني أن جهد الشحن التشغيلي يبلغ 15 فولت، أرسل رسالة إيقاف تشغيل الشاحن إلى الشاحن ، وتجنب خطر الحريق المحتمل بشكل فعال.

الآثار المترتبة على استخدام بروتوكول CAN

في المواقف الحرجة، مثل الذروة المفاجئة في الفولتية والتيار أو ارتفاع درجة الحرارة، كما تمت مناقشته سابقًا، يتم إيقاف تشغيل الشاحن على الفور لمنع أي ضرر لبطارية Li-ion. ولكن الأهم من ذلك هو أن بروتوكول CAN يتيح تبادل البيانات بين الشاحن ونظام إدارة المباني بمعدل 1 ميجابت في الثانية تقريبًا، وهو ما يعد سريعًا في مثل هذه الظروف. وهذا يجعل البروتوكول لا غنى عنه عندما يتعلق الأمر بتحسين سرعات الشحن.

وتسهل سرعة الاتصال التي يتيحها البروتوكول التبادل في الوقت الفعلي لمعلمات البطارية، مثل الجهد والتيار ودرجة الحرارة. يمكن للشاحن ضبط أي تقلبات من الشبكة بدقة وسرعة لضمان شحن السيارة الكهربائية بأسرع معدل وأكثر كفاءة. علاوة على ذلك، يدعم CAN الاتصال ثنائي الاتجاه، مما يمكّن محطة الشحن من توفير تحديثات الحالة والمعلومات التشخيصية لنظام إدارة المباني من أجل المراقبة والتحكم الشاملين.

يمكن لنظام إدارة المباني ومحطة الشحن أيضًا تنفيذ خوارزميات الشحن التكيفية. تقوم هذه الخوارزميات بتحليل البيانات في الوقت الفعلي من البطارية وضبط معلمات الشحن ديناميكيًا لزيادة سرعات الشحن إلى أقصى حد مع ضمان سلامة البطارية وطول عمرها. وبالتالي، يمكن لبروتوكول CAN أن يجعل شحن المركبات الكهربائية أكثر مثالية على الرغم من دوره الذي يبدو تافهًا.

المنشور كيف يمكن لبروتوكول CAN أن يجعل شحن المركبات الكهربائية فعالاً وأكثر أمانًا ظهر لأول مرة على Power Electronics News.