شهدت السيارات الهجينة والمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات مؤخرًا نموًا سريعًا بسبب تركيز البلدان في جميع أنحاء العالم على مستقبل مستدام. تعمل العديد من الإلكترونيات ومكونات الطاقة معًا بشكل متزامن لتشغيل EV بنجاح. توجد وحدات الطاقة في مواقع مختلفة حول السيارة ، ويلزم إجراء قياسات الجهد والتيار المعزولة لهذه الوحدات في الوقت الفعلي للمراقبة المستمرة. تتضمن بعض الوحدات الرئيسية في السيارة الكهربائية أجهزة الشحن على متن الطائرة وأنظمة إدارة البطارية (BMS) وأنظمة HVAC ومحولات الجر ومحولات التيار المستمر / التيار المستمر. من الضروري مراقبة قيم التيار والجهد بدقة لضمان التشغيل السليم.
هذا المقال هو ملخص لخطاب قدمه جون ويلسون ، كبير مديري خط الإنتاج في Skyworks. أوضح ويلسون أهمية قياس ومراقبة الجهد والتيار بكفاءة في EV لضمان التشغيل الأمثل. بدأ ببناء أساس لكيفية أخذ القياسات في دوائر الجهد العالي.
القياس والغرض منه
لمراقبة الجهد عبر وحدة ما والتيار المتدفق من خلاله ، يتم وضع مستشعرات التيار والجهد في نقاط مناسبة في الدائرة. على سبيل المثال ، لقياس التيار المتدفق عبر حزمة بطارية ، تقوم أجهزة الاستشعار الحالية بقياس الجهد عبر مقاوم تحويل في الخط وتوليد إشارة خرج تتناسب مع حجم التيار المتدفق في الدائرة. وبالمثل ، لقياس الجهد عبر العبوة ، تكتشف مستشعرات الجهد الجهد عند النقطة وتولد خرجًا يتناسب مع الجهد. ثم يتم إرسال قراءات أجهزة الاستشعار هذه إلى نظام إدارة المباني ، والذي يتخذ بعد ذلك قرارات للتشغيل الفعال. تتطلب الوحدات المختلفة في السيارة قياسات من نقاط مختلفة في جميع أنحاء السيارة للحصول على ردود الفعل والتحكم والسلامة وتقييمات مستوى الشحن.
هناك تحديات مختلفة متضمنة أثناء استخدام المستشعرات لقياس المعلمات المختلفة المتعلقة بالطاقة في الدائرة. يتمثل التحدي الرئيسي في الحفاظ على العزل الكهربائي بين المستشعرات ودائرة الطاقة لمنع تأثير التقلبات في دائرة الطاقة على القياس. يساعد العزل الفعال أيضًا في الحفاظ على دقة القياس في دائرة التبديل عالية التردد ، والتي تكون شديدة التأثر بالضوضاء الناتجة عن مفاتيح التبديل عالية التردد عبر الحلقة الأرضية. كما أن انخفاض وقت الاستجابة ودرجات الحرارة المتقلبة يعيقان دقة القياس. تساعد العزلة أيضًا في تغيير المستوى ، والذي يعمل على مستويين منطقيين على نفس اللوحة أثناء العمل بشكل مستقل. يستخدم الاقتران السعوي القائم على CMOS في غالبية الوحدات النمطية لاقتران الإشارة عبر حدود العزل. تشمل المزايا الموثوقية للاستخدام طويل الأجل ، وتأخيرات الانتشار المنخفضة ، والحصانة العالية للضوضاء والمزيد من الكفاءة مقارنةً بالمقرنات البصرية.
لفهم عملية القياس بشكل أفضل ، قدم ويلسون BMS لمراقبة حزمة بطارية ليثيوم أيون ، مع اثنين من دوائر إدارة البطارية التي تراقب مستويات الجهد والتيار للخليتين. سمح نظام مراقبة الجهد والتيار الإضافي للنظام الكامل بالحفاظ على السلامة والتكرار. قام BMS الرئيسي بقياس جهد النظام من خلال دائرة مقسم الجهد ومستشعر الجهد ، كما هو موضح في الشكل 1. كما تم إرسال قياسات الخلايا الفردية إلى BMS لمزيد من المراقبة. تم عزل جميع أجهزة الاستشعار و BMSes الفردية.
عواقب الخطأ في القياس
تعد الدقة أثناء تحديد معلمات النظام المختلفة مهمة لتشغيل EV. يمكن أن تؤدي القياسات غير الدقيقة إلى الإزعاج وحتى تؤدي إلى وقوع مخاطر وحوادث. تتضمن بعض المشكلات الشائعة بسبب القياس غير الدقيق للجهد والتيار التقدير الخاطئ لنطاق القيادة ومستوى شحن البطاريات ، والتقدير الخاطئ للوقت المتبقي لشحن كامل ، وعدم التوافق بين درجة حرارة المقصورة الفعلية والمطلوبة ، والجهد الزائد أو الجهد المنخفض إلى وحدة بعد تحويل DC / DC. في حين أن بعض الميزات مثل مستويات الشحن المحجوزة و Guarbands يمكن أن تساعد في معالجة هذه المشكلات ، إلا أنها ليست حلولًا دائمة ، ومن الضروري معالجة السبب الجذري للمشكلة.
هناك نوعان أساسيان من الأخطاء التي يمكن أن تحدث: خطأ ثابت وخطأ ديناميكي. يحدث خطأ ثابت عندما يكون هناك فرق بين القيمة الفعلية والقيمة المقاسة لجهاز الاستشعار الذي يقيس معلمة ثابتة أو متغيرة ببطء. يحدث خطأ ديناميكي عندما يقيس المستشعر معلمة مشوهة أو عرضة للضوضاء. تتضمن الأخطاء الثابتة خطأ الكسب وخطأ الإزاحة وعدم الخطية. لقياس المكونات المختلفة للخطأ الثابت بكفاءة ، يجب تحويلها إلى وحدة قياسية ، والتي في حالة BMS الخاصة بـ EV هي نسبة مئوية كاملة من الحد الأقصى لشحن البطارية. يتم أخذ مجموع جذر من المربعات لهذه الأخطاء لتمثيل البيانات بطريقة دقيقة إحصائيًا.
الأنظمة الرئيسية الأخرى التي تتطلب قياسًا دقيقًا هي أنظمة الشحن على متن الطائرة ومحولات DC / DC ومحولات الجر وأنظمة HVAC. لكل من هذه الأنظمة ، يتم قياس معلمات القدرة في مراحل مختلفة من تحويل الطاقة للحفاظ على التكرار والدقة.
حلول Skyworks
قدم ويلسون بعض الحلول التي تقدمها Skyworks لضمان القياس الدقيق في جميع أنحاء EV (انظر الشكل 2). وقال: “تقدم Skyworks مجموعة منتجات مُحسّنة من حيث التكلفة والمساحة وتتميز ببنية ممتازة لدعم الجهد واستشعار التيار”. “إنها عائلة واسعة مع حلول محسّنة توفر واجهات تناظرية ورقمية. هذا هو الجيل الثاني من هذه المنتجات. ” اختتم ويلسون حديثه بذكر ثلاث ميزات لأجهزة استشعار التيار الكهربائي والجهد الكهربائي في Skyworks:
- أجهزة استشعار متكاملة للتيار والجهد يمكن استخدامها في جميع وحدات EV المختلفة
- يشتمل على عزل كلفاني لمقاومة وحماية أفضل للضوضاء
- مواصفات أفضل تتعلق بالأخطاء الثابتة للحصول على قياسات أكثر دقة
تشهد صناعة السيارات الكهربائية نموًا سريعًا ، لكن الحوادث الأخيرة المتعلقة بالأنظمة الإلكترونية المعيبة وضعت الشكوك في ذهن المستهلك. وبالتالي ، من الضروري أن يركز المصنعون على استخدام مستشعرات الجودة التي يمكن أن تمنع مثل هذه الحوادث.
