كان نمو صناعة السيارات الكهربائية على مر السنين فلكيًا ، مع عدم وجود علامات على التباطؤ. تتنبأ بعض التقارير بأن السيارات الكهربائية ستستحوذ على 75٪ على الأقل من سوق السيارات بحلول عام 2040. مع استمرار توجه تصاميم السيارات نحو الكهربة ، أصبحت إلكترونيات الطاقة عالية القوة حاسمة بالنسبة لأنظمة القيادة الإلكترونية الجديدة وأنظمة البطاريات ، والتي تعتبر حيوية في السماح السيارة للانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب.
ومع ذلك ، فإن التشغيل بهذه الفولتية العالية يؤدي أيضًا إلى مخاطر حدوث طفرات في الطاقة يمكن أن تلحق الضرر بالإلكترونيات في السيارة أو تسبب صدمة قاتلة للأشخاص بداخلها. بسبب هذه المخاطر ، لا تزال العزلة تقنية مهمة في النهوض بسوق السيارات الكهربائية المتنامية.
أهمية العزلة في EV
العزلة هي صناعة جديدة نسبيًا وسريعة الظهور ، حيث لم تكن موجودة إلا خلال العقود القليلة الماضية ، وأصبحت حيوية للعديد من التطبيقات. في السيارة ، تعتبر العوازل ذات قيمة لأن وحدات التحكم الرقمية ذات الجهد المنخفض يجب أن تتواصل مع الأجهزة الإلكترونية عالية القوة الكهربائية وتديرها. تسمح عوازل CMOS لوحدات التحكم الرقمية بالتفاعل بأمان مع أنظمة الجهد العالي للمركبة الكهربائية الحديثة. للعمل بشكل صحيح ، يجب أن تكون وحدات التحكم ذات الجهد المنخفض والدوائر المتكاملة معزولة كهربائيًا عن أنظمة الطاقة العالية مثل المحرك ، وإلا فقد تواجه أخطاء أو فشل تشغيلي كامل.
أصبحت اللوائح صارمة بشكل متزايد في صناعة السيارات ، حيث كانت السلامة دائمًا في المقدمة. هذا صحيح بشكل خاص بالمقارنة مع مركز البيانات أو تطبيقات الاتصالات ، التي تعمل في بيئات ظاهريا أقل قسوة. تعتبر المخاطر أكبر في صناعة السيارات لأن أي نوع من فشل الأجهزة أو البرامج أو تدهور المكونات يمكن أن يؤثر بشكل ضار على أداء السيارة نفسها ، مما يعرض السائقين والركاب والمشاة للخطر.
تعد المناعة ضد الضوضاء أيضًا تحديًا متزايدًا ينمو مع تقدم المركبات الكهربائية. عندما تصبح الأنظمة داخل المركبات الكهربائية أكثر إحكاما ، يتم وضع المكونات الموجودة بداخلها بالقرب من بعضها البعض ، مما يعني أنها تتداخل بطبيعتها مع بعضها البعض على لوحة الدائرة. ستولد أي دائرة كهربائية مستخدمة في EV ضوضاء وتوصيلها إلى النظام. في بيئات عالية–عابر الجهد ، مثل تلك المذكورة سابقًا في السيارات ، يتم تضخيم توليد الضوضاء هذا.
لأجهزة مثل المحولات التناظرية إلى الرقمية ، وأجهزة الاستشعار ومنخفضة جدا–متحكمات الجهد الدقيقة في المركبات ، يمكن أن تساهم هذه الضوضاء في قياسات منحرفة وتوليد الحرارة الزائدة وغيرها من المشكلات التي تؤثر سلبًا على الوظائف. تقضي العوازل على الضوضاء بسبب الحلقات الأرضية لأنها توفر فصلًا كلفانيًا بين نطاقي الدائرة. يؤدي قطع الحلقة الأرضية ببساطة إلى تحسين الأداء بشكل كبير للدوائر الحساسة وتقليل مستوى الضوضاء الكلي للنظام.
حيث يلزم العزلة
هناك عدة مناطق للمركبة الكهربائية تتطلب عزلًا للوظيفة والسلامة.
BMS
للحفاظ على القدرة التنافسية مع المركبات ذات المحركات ذات الاحتراق الداخلي التقليدي ، تتطلب البطاريات المستخدمة في المركبات الكهربائية كثافة تخزين طاقة عالية جدًا ، وتيار تسرب ذاتي منخفض للغاية (قريب من الصفر) وقدرة على الشحن بسرعة. تراقب أنظمة إدارة البطارية (BMS) خلايا البطارية وتديرها لضمان الكفاءة العالية والسلامة.
يتحكم نظام إدارة المباني (BMS) في جوانب مختلفة من عمر البطارية الفردي ، بما في ذلك مراقبة الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة والتكييف وتسوية التآكل والصحة العامة للبطارية. وظيفة رئيسية أخرى للنظام هي إدارة الطاقة المخزنة على ارتفاع على متن الطائرة–بطارية الجهد الكهربائي وتوصيل الطاقة لبقية السيارة. تتطلب كل وظيفة من هذه الوظائف عزلًا كلفانيًا ، والذي يفصل منخفضًا–أنظمة الجهد من ارتفاع–مجالات الجهد وهو أمر بالغ الأهمية لضمان السلامة.
OBCs
يعد العزل مفيدًا داخل أجهزة الشحن الموجودة على متن الطائرة (OBCs) لعدة أسباب ، أبرزها تسهيل قدرة النظام على تحويل الطاقة. لشحن حزمة بطارية EV ، هناك حاجة إلى OBCs لتحويل 120 فولت أو 240 فولت تيار متردد من مقبس الحائط أو شاحن الحائط إلى شاحن عالي–ناقل الجهد DC مع توفير تصحيح عامل الطاقة. تتيح محركات البوابة المعزولة تعديل إشارة التيار المستمر الناتجة في موجة مربعة لقيادة محول ، والذي ينتج بعد ذلك جهد الخرج المطلوب للتيار المستمر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن مراقبة النظام بأكمله والتحكم فيه بواسطة ناقل شبكة منطقة التحكم (CAN) المعزول بعوازل رقمية.
محولات DC / DC
تُستخدم محولات DC / DC ذات الجهد العالي إلى المنخفض في EV لتحويل جهد التيار المستمر من مجال جهد إلى آخر ، مما يؤدي إلى تشغيل أنظمة مساعدة متعددة. يقومون بتحويل طاقة التيار المستمر من بطارية السيارة ذات الجهد العالي (200-800 فولت) إلى الفولتية المنخفضة في شبكة 12 فولت أو 48 فولت الداخلية. يوفر هذا الطاقة لملحقات السيارة ، بما في ذلك محركات المساحات والنوافذ والمصابيح الأمامية ومصابيح السيارة الداخلية والمراوح والمضخات ، من بين العديد من أنظمة السيارات الأخرى.
في حالة الاستخدام هذه ، كما هو الحال مع BMS ، يلزم عزل كلفاني لإنشاء فصل بين أنظمة التحكم ومجالات الجهد العالي. بالإضافة إلى ذلك ، كما هو الحال مع نظام OBC ، يمكن أيضًا تنظيم هذا النظام بحافلة آلية ، مثل CAN المعزول مع العوازل الرقمية.
محولات الجر
تُستخدم محولات الجر ، التي تشغل مجموعة نقل الحركة في المركبات الكهربائية وهي مصدر ذلك “فروم” الذي يمكن التعرف عليه ، لتحويل الجهد العالي المخزن بالتيار المستمر من بطارية إلى طاقة تيار متردد لقيادة محرك الجر. يقوم عاكس الجر بتحويل طاقة التيار المستمر من ارتفاع على متن الطائرة–بطارية الجهد إلى طاقة التيار المتردد لتشغيل المحرك (المحركات) الرئيسي للمركبة الكهربائية.
لا تقوم العواكس بتشغيل المحرك الكهربائي فحسب ، بل تستخدم أيضًا في وظائف مثل الكبح المتجدد ، وحماية المفتاح ، وزيادة الجهد وإعادة الطاقة غير المستخدمة إلى البطارية. تتطلب كل وظيفة من هذه الوظائف عزلًا لتوفير حاجز بين أنظمة التحكم والجهود العالية: نظرًا لأن محولات الجر تتحرك بين بطارية 400-V و 800-V ، فمن الأهمية بمكان عزل الفولتية الخطرة التي قد تؤدي إلى حدوث صدمة كهربائية.
خاتمة
لهذه الأسباب ، يتم تنفيذ المزيد من المعايير التي تتطلب شكلاً من أشكال العزل بين المكونات الإلكترونية للسيارات المختلفة ، بالإضافة إلى تلك بين الإلكترونيات والمستهلكين. فيما يتعلق بعوازل CMOS ، على سبيل المثال ، يتطلب الامتثال IEC 60747-17 اختبار انهيار عازل يعتمد على الوقت لتحديد معدل الفشل المتراكم على العازل على مدار حياته ، مما يشير في النهاية إلى متانة الحاجز. من أجهزة التحكم في الشبكة إلى أجهزة الاستشعار المرحلية ، يجب أن تلتزم إلكترونيات السيارات ببعض من أعلى معايير الموثوقية لضمان سلامة السيارة طوال حياتها.
مع استمرار تقدم المركبات الكهربائية وتطورها ، وتصبح اللوائح الخاصة بصناعة السيارات أكثر صرامة ، فإن العزلة ستكون بمثابة تقنية أساسية لتلبية متطلبات الجودة والسلامة. كقطعة مهمة لتمكين عدة أنواع من أنظمة السيارات ، يعالج العزل مشكلة الضوضاء في الأنظمة المدمجة بشكل متزايد عن طريق قطع الحلقة الأرضية لتوفير الفصل بين الدوائر. علاوة على ذلك ، تعتبر العوازل جانبًا مهمًا لضمان السلامة على الرغم من الفولتية العالية ، لكل من الممتلكات والأشخاص.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
