إذا لم يكن من الممكن أن يستمر شيء ما، فلن يحدث؛ يعد توفير المتطلبات الكهربائية الهائلة للسيارة من بطارية 12 فولت مثالاً على هذا الواقع.
تؤثر التغييرات الهيكلية على مصدر البطارية
نظرًا لمشاكل 12 فولت، فإن العديد من مركبات ICE الأحدث وجميع المركبات الكهربائية/الكهربائية الهجينة تقريبًا تحتوي أيضًا على بطارية 48 فولت. تخدم هذه البطارية الأحمال التي يتم تشغيلها بكفاءة أكبر من خلال الجهد العالي مع الاحتفاظ بمصدر 12 فولت لأحمال التيار المنخفضة.
عادةً ما يتم تصميم محول 48 فولت DC/DC للسماح للطاقة الكهربائية بالتدفق ثنائي الاتجاه من بطارية إلى أخرى حسب الحاجة، تحت إشراف إدارة البطارية المتطورة (BMS) لتحقيق التوازن الأمثل بين مصادر الطاقة مقابل طلب الحمل (الشكل 1).
أصبحت إدارة البطارية نظامًا معقدًا للغاية على الرغم من بساطته الواضحة في المخطط البياني عالي المستوى (الشكل 2).
ومع ذلك، فإن الفولتية الأساسية للبطارية ليست فقط هي التي زادت. دفعت متطلبات النظام المصممين إلى إعادة الهيكلة الأساسية لكيفية توزيع جهد البطارية والطاقة وتحويلها إلى قضبان الجهد المنخفض للإلكترونيات مع تقديم أيضًا جهدًا أعلى للأحمال ذات الطاقة الأعلى مثل المحركات الملحقة ومكبرات الصوت في عشرات ومئات الواط، وأكثر من ذلك.
يمكن أن تتراوح سعة طاقة البطارية في السيارة الكهربائية الحديثة من حوالي 30 كيلووات في الساعة في سيارة كهربائية صغيرة مثل Mini Cooper SE إلى أكثر من 200 كيلووات في الساعة في سيارة كهربائية كبيرة وقوية مثل شاحنة GMC Hummer EV. الشكل 3 يظهر التطور الفعلي وأين يتجه.
عندما أصبحت السيارات "إلكترونيات وأجهزة كمبيوتر" على عجلات (الصورة اليسرى)، استخدم المصممون طوبولوجيا موزعة مع عقدة مركزية. باستخدام هذه البنية، يمكنهم إضافة وظائف جديدة ببساطة عن طريق إضافة وحدات تحكم إلكترونية جديدة (ECUs). على مر السنين، توسعت هذه الإضافات إلى ما بين 50 و100 (أو أكثر) من وحدات التحكم الإلكترونية وما يصل إلى 4 كيلومتر (2.5 ميل) من مجموعة الأسلاك، وفي كثير من الأحيان أكثر.
هذا النهج بسيط ومباشر. ومع ذلك، لم تعد البنية الموزعة مناسبة بسبب الحجم الهائل للأسلاك، وعدم الكفاءة الكهربائية في توزيع الطاقة، واعتبارات الموثوقية (بما في ذلك الأمن السيبراني)، واعتبارات التكلفة والسلامة. كما تحتاج كل وظيفة مضافة إلى اتصالها بالشبكة بالإضافة إلى طاقة التيار المستمر الخاصة بها.
ومع إرهاق البنى الموزعة، يتحول المصممون إلى بنى "المجال" مع شبكة توزيع الطاقة اللامركزية جزئيًا (الصورة الوسطى). في هذا النهج، يتم تجميع وظائف مثل ADAS، والمعلومات والترفيه، وتكنولوجيا المعلومات بشكل منطقي، بحيث يكون لكل منها معالج خاص بها. على الرغم من أن هذا النهج المنطقي منطقي، إلا أنه يمكنه في الواقع زيادة كمية الأسلاك والتوصيلات، وبالتالي زيادة وزن السيارة، وفقدان الطاقة، والتكلفة. وعلى نحو يتعارض مع الحدس إلى حد ما، فإن هذه البنية هي في نهاية المطاف بالضرورة الطريقة الأكثر فعالية لتنظيم أنظمة توزيع الكهرباء والطاقة في المركبات.
وبالنظر إلى المستقبل لبضع سنوات أخرى، هناك تحول إلى هياكل "منطقية" مركزية بالكامل. باستخدام هذه البنية، يتم تجميع الأنظمة منطقيًا وفعليًا في مناطق يمكن تنظيمها بكفاءة. في كل منطقة، يدير معالج واحد قوي جميع الوظائف، ويتم تشغيل المنطقة بواسطة وحدة توزيع طاقة واحدة بدلاً من مجموعة من الوحدات المحلية للغاية؛ يوجد أيضًا اتصال شبكة واحد للمنطقة (إيثرنت وغيرها).
ومن خلال تقريب وحدة التحكم الإلكترونية من المحركات وأجهزة الاستشعار، ستكون هناك حاجة إلى أسلاك أقل وتوصيلات أقل، مع فوائد واضحة وغير واضحة. يتم تقصير أطوال تشغيل الكابلات بشكل كبير من خلال وضع الجهاز الأمثل، ويتم التخلص من بعض الكابلات من خلال التكامل الوظيفي. يمكن استخدام كابلات أرفع ومرنة للتيارات المنخفضة عند الفولتية العالية بدلاً من الكابلات الثقيلة والمستديرة ذات الأسلاك المجدولة. يؤدي ذلك إلى تقليل تكلفة قائمة مكونات الصنف (BOM)، وتبسيط تشغيل الكابلات، كما أنه أكثر ملاءمة للتعامل الآلي والتجميع والتركيب في الإنتاج (وهي ميزة يمكن التغاضي عنها بسهولة).
وتشمل الآثار المناطقية سهولة تنفيذ أنظمة الجهد العالي. في حين أن أنظمة الطاقة بجهد 12 فولت كانت هي القاعدة لعقود من الزمن، فإن معماريات المناطق تحتاج إلى 48 فولت لدعم استهلاك الطاقة العالي ومتطلبات التكرار. وهذا ليس تغييرًا جذريًا، حيث أن العديد من السيارات لديها بالفعل مجموعات بطاريات 12 فولت و48 فولت. توفر شبكة الطاقة 48 فولت فقدانًا أقل للطاقة وتتيح استخدام أسلاك أخف وزنًا (الشكل 4).
سوف يستكشف القسم التالي الآثار المترتبة على البنى المناطقية وكيف يمكن لمحولات التيار المستمر/التيار المستمر المتقدمة التخلص من بطارية 12 فولت وربما حتى بطارية 48 فولت.
محتوى EE العالمي ذو الصلة
الأسئلة المتداولة حول المغناطيس للطاقة والإشعال، الجزء الأول
الأسئلة المتداولة حول المغناطيس للطاقة والإشعال، الجزء الأول
الأسئلة الشائعة حول محركات الجر ، الجزء 1
الأسئلة الشائعة حول محركات الجر ، الجزء 2
الأسئلة الشائعة حول محركات الجر ، الجزء 3
تلبي مجموعة الموصلات الشاملة احتياجات الأنظمة الكهربائية للمركبات بجهد 48 فولت
تعزيز الأداء في توزيع الطاقة 48 فولت
مستقل تكنولوجياالتأثير المتزايد على تجديد الأنظمة الكهربائية للمركبات
تحسين شبكات توصيل الطاقة
المراجع الخارجية
أنظمة تصميم الإيقاع، "ما هي هندسة المناطق؟ ولماذا يقلب سلسلة توريد السيارات رأساً على عقب؟
شركة فيكور، "أنظمة 48 فولت: ما تحتاج إلى معرفته عندما يقول صانعو السيارات وداعًا لجهد 12 فولت"
شركة فيكور، "المركبات الكهربائية: 48 فولت هو 12 فولت الجديد"
شركة Vicor، "ستقوم شركة Tesla Cybertruck بالتخلص من المكونات الكهربائية بجهد 12 فولت"
TE Connectivity، "الاتصال في الجيل التالي من بنيات E/E للسيارات"
إنفينيون، "نظام توزيع الطاقة في السيارات"
كلور أوتوموتيف، "تطور بطارية السيارة"
أنظمة البطاريات القارية، "تطور بطارية السيارة - من التكنولوجيا القديمة إلى MIXTECH"
MDPI، "خصائص أنظمة إدارة البطاريات في المركبات الكهربائية مع مراعاة عملية موازنة الخلايا النشطة والسلبية"
ResearchGate، "نهج منهجي لتطوير بنيات نظام الطاقة الكهربائية للسيارات"
داخل المركبات الكهربائية “تسلا تؤكد التحول إلى نظام 48 فولت”
تكساس إنسترومنتس، "معالجة مزايا هندسة المناطق في السيارات"