نظرة عامة على التحكم في المحركات في المركبات الكهربائية

نما الطلب العالمي على السيارات الكهربائية بشكل كبير مؤخرًا. ترتبط الأسباب التي أدت إلى الانتشار التدريجي للسيارات الكهربائية بالقرار المشترك للمؤسسات الحكومية ومصنعي السيارات بتحويل إنتاج سيارات الاحتراق الداخلي إلى سيارات كهربائية وهجينة في غضون سنوات قليلة. جعلت التطورات التكنولوجية ، مثل تطوير تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون ، وتوافر وموثوقية محولات مجموعة نقل الحركة عالية الكفاءة ، والتطورات التي حققتها المحركات الكهربائية والتحكم في المحرك ، من الممكن إتاحة تكنولوجيا المركبات الكهربائية وتقليل عدد المستخدمين. قلق النطاق. تطلبت النتائج التكنولوجية التي حصلت عليها المحركات الكهربائية والبطاريات تطوير أنظمة تحويل الطاقة وتقنيات التحكم في المحركات القادرة على تعظيم الكفاءة والموثوقية. اليوم ، تم دمج كل هذه الميزات في وحدة التحكم في المحرك (MCU) ، أو عاكس الجر.

AC مقابل محرك DC

بشكل أساسي ، يتم استخدام نوعين من المحركات في السيارات الكهربائية:

• AC موتورز. يتم تشغيل محرك التيار المتناوب بواسطة التيار المتردد ، وهو بشكل عام محرك ثلاثي الأطوار يعمل عند 240 فولت. نظرًا لميزة التجدد ، يمكن أيضًا استخدام محركات التيار المتردد كمولد يوفر الطاقة مرة أخرى إلى بطارية السيارة الكهربائية. تشمل المزايا الأخرى لهذا المحرك العمل بسلاسة أكبر على الأراضي الوعرة وزيادة التسارع. العيب الرئيسي هو التكلفة ، وهي أعلى من محركات التيار المستمر.
  يمكن تقسيم محركات التيار المتردد إلى فئتين رئيسيتين: محرك غير متزامن (أو محرك تحريضي) ومحرك متزامن. المحركات الحثية سهلة التحكم وفعالة من حيث التكلفة وموثوقة (لا تتطلب صيانة عالية). من ناحية أخرى ، توفر المحركات المتزامنة العديد من المزايا ، بما في ذلك الكفاءة العالية وكثافة الطاقة العالية وعزم الدوران المنخفض السرعة وعامل الشكل الصغير والوزن المنخفض.

• بي إل دي سي موتورز. توفر هذه المحركات مزايا كبيرة مقارنة بمحركات التيار المتردد ، مثل نطاقات السرعة العالية ، والتشغيل الصامت ، والاستجابة الديناميكية السريعة ، والمزيد. نسبة عزم الدوران بالنسبة للحجم عالية جدًا ، مما يجعلها حلاً جيدًا للسيارات الكهربائية ، التي تتطلب كثافة طاقة عالية ولكن عوامل الشكل الخفيفة والصغيرة.
  تتطلب محركات BLDC أيضًا تحكمًا معقدًا للغاية على مستوى الأجهزة والبرامج. تتطلب محركات التيار المتردد عاكسًا مناسبًا للتيار المتردد – التيار المتردد ، ولكن يمكنها استعادة الطاقة من الكبح وإعطائها عند التسارع. يسمح ذلك باستعادة طاقة البطارية ذات الصلة أثناء عملية القيادة العادية. يمكن لبعض أنظمة التيار المستمر أيضًا القيام بذلك ، مما يجعلها أكثر تكلفة وتعقيدًا. يعد الرجوع في محركات BLDC أكثر تعقيدًا مما هو عليه في محركات التيار المتردد ، والتي يمكن إدارتها بسهولة عن طريق تبديل تسلسل مرحلتين في العاكس.

تعد محركات AC و BLDC حلولًا جيدة لتشغيل المركبات الكهربائية ، على الرغم من أن محركات التيار المتردد مفضلة عندما يكون الأداء والمدى الطويل من المتطلبات الصارمة. كما هو الحال في العديد من تطبيقات الإلكترونيات الأخرى ، يعتمد الاختيار على إيجاد الحل الوسط المناسب بين الأداء والتكلفة.

خوارزميات التحكم في المحركات

على الرغم من وجود أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية ، فإننا سنركز على تلك التي يتم تثبيتها عادةً على المركبات الكهربائية ، مثل محركات BLDC / PMSM DC ومحركات التيار المتردد. لذلك ستعتمد خوارزميات التحكم في المحرك المستخدمة في المركبات الكهربائية على نوع المحرك والتحكم (حلقة مفتوحة أو مغلقة). يتطلب الأخير بالضرورة وجود أجهزة استشعار قادرة على تحديد موضع المحرك بدقة في أي لحظة. يمكن تلخيص هذه المعلومات في الجدول التالي:

يعد التحكم شبه المنحرف أحد أبسط أنواع التحكم في محرك BLDC. حتى لو كانت شائعة جدًا وفعالة من حيث التكلفة ، فإنها تعاني من مشكلة تموج عزم الدوران أثناء التخفيف.

يعتبر التحكم الجيبي عادةً الخطوة التالية من التحكم شبه المنحرف. تشمل الفوائد الرئيسية لعنصر التحكم هذا انخفاض مستوى الضجيج المسموع ، وتحسين عزم الدوران عند السرعات المنخفضة ، وتشغيل أكثر دقة وسلاسة. يتم تحقيق هذه النتائج من خلال قيادة لفات المحرك الثلاثة بثلاثة تيارات تتغير بسلاسة وجيوب الأنفية أثناء دوران المحرك. مطلوب قياس دقيق لموضع الدوار (باستخدام أجهزة تشفير أو محللات) لتوفير تعديل جيبي سلس للتيارات الحركية أثناء دوران المحرك.

على الرغم من أن التحكم الجيبي فعال للغاية في السرعات المنخفضة للمحرك ، إلا أنه يعاني من قيود على سرعات المحرك العالية بسبب الزيادة في تردد الإشارة الجيبية. عند السرعات العالية ، ينتج عزم دوران أقل وتقل الكفاءة.

تم تطوير Vector Control (المعروف أيضًا باسم FOC ، وهو اختصار لـ Field Orientation Control) في البداية لمحركات التيار المتردد ، وهو حاليًا أكثر طرق التحكم المتاحة تقدمًا. في المحرك الكهربائي ، يختلف عزم الدوران مع مجالات الجزء الثابت والدوار ، ويصل إلى أقصى حد له عندما يكون المجالان متعامدين.

يهدف نهج FOC إلى إعادة إنتاج العلاقة المتعامدة في محرك AC أو BLDC. FOC هو مكون ثنائي متعامد ، تحكم بالتردد المتغير للجزء الثابت في محرك ثلاثي الطور. أحد المكونات هو التدفق المغناطيسي الناتج عن الجزء الثابت ، والآخر هو عزم الدوران كما تحدده سرعة المحرك ، والذي يعتمد على موضع الدوار.

يستخدم التحكم الميداني الموجه تقنيتين للتحكم في عزم الدوران والتدفق بشكل منفصل:

• FOC المباشر: من تقدير أو قياس التدفق ، يتم حساب زاوية تدفق الجزء المتحرك مباشرة

• FOC غير المباشر: يتم حساب زاوية تدفق الجزء المتحرك بشكل غير مباشر بناءً على السرعة المتاحة وحسابات الانزلاق.

عند استخدام نموذج ديناميكي لتحريض التيار المتردد أو محرك BLDC ، يمكن حساب التحكم في المتجهات باستخدام خوارزميات معقدة من معرفة التيار الطرفي والجهد. ومع ذلك ، تتطلب هذه التقنية موارد حسابية عالية لتنفيذها.

تعد القدرة على التحكم في العديد من محركات AC أو PM-AC أو BLDC باستخدام نفس المخطط ميزة مضمنة للتحكم في المحرك المستند إلى المتجه. يمكن تحقيق كفاءة تصل إلى 95٪ باستخدام محركات بدون فرش باستخدام تقنية FOC ، والتي تتميز بالكفاءة حتى أقصى مدى للسرعة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تقليل سرعة المحرك إلى ما يقرب من صفر دورة في الدقيقة نظرًا لدقته وتحكمه الدقيق.

يوضح الشكل 1. مخطط نموذجي للتحكم في محرك BLDC ثلاثي الأطوار. يتم تشغيل المراحل الثلاث بواسطة ثلاثة جسور نصفية ، ليصبح المجموع 6 ترانزستورات طاقة. يتم تنشيطها عادةً بواسطة ثلاث إشارات PWM ، يتم التحكم في توقيتها وتسلسلها بواسطة MCU أو محرك IC متكامل. توفر ثلاثة مستشعرات هول ردود فعل للمتحكم الدقيق.

رسم تخطيطي مشابه ، موضح في الشكل 2 ، ينطبق على التحكم في محرك تحريضي التيار المتردد. هنا ، يتم توفير ملاحظات الموقف من خلال واجهة تشفير دقيقة.

التحكم في المحرك المستشعر مقابل التحكم في المحرك غير المستشعر

تتطلب محركات BLDC معرفة موضع الدوار وآلية تبديل المحرك لأنها ليست ذاتية التبديل ، مما يجعل إدارتها أكثر صعوبة. يعد قياس سرعة المحرك و / أو تيار المحرك وإشارة PWM للتحكم في سرعة المحرك وقوته ، معيارين إضافيين للتحكم في سرعة الحلقة المغلقة.

تستخدم محركات BLDC مستشعرات موضع محدد لاستشعار موضع الدوار ، مما يوفر استشعارًا مطلقًا للموضع. ينتج عن هذا مزيد من الأسلاك وتكاليف أعلى. يلغي التحكم في BLDC غير المستشعر الحاجة إلى مستشعرات الموضع ، باستخدام قوة المحرك الخلفية (القوة الدافعة الكهربائية) بدلاً من ذلك لتقدير موضع الدوار. يعد التحكم غير المستشعر ضروريًا لتطبيقات السرعة المتغيرة منخفضة التكلفة مثل المراوح والمضخات. تتطلب الثلاجات وضواغط تكييف الهواء أيضًا تحكمًا غير مستشعر عند استخدام محركات BLDC.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مستشعرات الموضع:

• مستشعر تأثير القاعة: يبسط التصميم ويكون منخفض التكلفة. ومع ذلك ، فإن دقتها منخفضة مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى
• أجهزة التشفير: غالية الثمن وتتطلب معالجة رقمية
• أدوات الحل: غالية الثمن وتتطلب معالجة رقمية ، لكنها توفر أعلى دقة.

تُستخدم أجهزة التحليل والتشفير (الشكل 3) عادةً في تطبيقات صناعية وتطبيقات آلية محددة تتطلب تحكمًا عالي الدقة في المحرك.

وحدة التحكم في المحرك

وحدة التحكم في المحرك (MCU) هي وحدة إلكترونية تعمل بين البطاريات (مصادر طاقة التيار المستمر) والمحرك (التيار المتردد أو BLDC). وتتمثل مهمتها الرئيسية في التحكم في سرعة EV وتسارعها بناءً على مدخلات الخانق.

الأنشطة الرئيسية التي تقوم بها MCU هي كما يلي:

• التحكم في عزم دوران المحرك وسرعته
• ابدأ / أوقف المحرك
• عكس المحرك
• التجدد الكبح. أثناء الكبح ، يعمل المحرك كمولد ، نظرًا لأن قوة الدفع الخلفية المتولدة في المحرك أعلى من جهد إمداد التيار المستمر إلى MCU. ينتج عن هذا الاختلاف في الجهد نقل التيار من المحرك إلى البطارية عبر MCU.
• حماية. لحماية مكونات المركبات الكهربائية ، يتم اعتماد تدابير حماية مختلفة بواسطة MCU ، بما في ذلك:
  • الجهد الزائد: يحدث هذا عندما يتجاوز جهد بطارية الإدخال حدوده
  • انخفاض الجهد: إذا عملت وحدة MCU أقل من الحد الأدنى للجهد ، فإنها ستسحب تيارات أعلى من البطارية ، مما يؤدي إلى هروب حراري مع تدهور محتمل في الأداء أو تلف دائم للخلايا
  • التيار الزائد: تراقب MCU المستوى الحالي بشكل مستمر ، وبمجرد اكتشاف زيادة التيار ، فإنها تغلق إمداد البطارية
  • درجة الحرارة الزائدة: مثل السابقة ، عندما تتجاوز درجة الحرارة الداخلية لوحدة التحكم في المحرك قيمة آمنة.