وتستلزم أجهزة تكييف الطاقة للمركبات المستقلة توازنا صارما في الأداء والموثوقية والسلامة الوظيفية، وهذه المكونات تشكل العمود الفقري للوصلات بين أجهزة الاستشعار، ومرسلات الاتصالات، وأجهزة التحويل، مما يؤثر مباشرة على قدرة المركبة على تصور بيئتها واتخاذ قرارات منقسمة إلى ثانية، حيث أن تكنولوجيا القيادة المستقلة ذاتيا تتحول من نظم متقدمة للمساعدة على السائقين إلى مستويات عالية من التواؤم مع المستويات 4 و 5 من الاستقلال الذاتي.

دور أجهزة تقوية الطاقة في نظم المركبات المستقلة

تعتمد المركبات المستقلة على مجموعة متنوعة من النظم الفرعية الإلكترونية التي تتطلب تصعيداً خطياً وكفؤاً في الطاقة، سواء كان تعزيز عمليات إعادة أجهزة الاستشعار، أو الحفاظ على سلامة وصلات الاتصالات، أو قيادة المُصَوِّدين الحرجين، فإن أداء مضخِّم الطاقة يؤثر تأثيراً مباشراً على دقة النظام وعلى هوامش الأمان.

أجهزة تحديد الاشارات

وتولد أجهزة الاستشعار السائلة والرادارية والكاميرا إشارات متماثلة ضعيفة يجب أن تُضخ قبل التحويل المشابه للرقم، فعلى سبيل المثال، تستخدم سلسلة استقبال الليدار جهازاً لتصنيع المسافات، يتبعه مرحلة كمبلورة فولتية لمعالجة أجهزة التصوير المنخفضة المستوى، وفي 77 وحدة من وحدات الرادارات، يجب أن تؤدي أجهزة التضليل الكهربية في مراحل الإنتاج العالية.

الاتصالات

وتتطلب نظم الاتصالات من المركبات إلى كل شيء، بما في ذلك C-V2X و DSRC، أجهزة لتضخم الطاقة القادرة على معالجة ارتفاع معدلات القوة من الذروة إلى المتوسط في نطاقات الطيف المكتظة، ويجب أن تحتفظ هذه المضخات بالامتثال للقناعات الطيفية وبحجم الخطأ مع العمل على نطاق درجات الحرارة الممتدة، ويعود الاعتماد على الاتصالات ذات النطاق الترددي إلى الحد الأقصى.

محرك محركات

ويخضع المضخمون الذين يحوّلون إشارات القيادة المنخفضة الحركة إلى نواتج عالية السرعة، ويجب أن تعمل هذه المضخات بأقل قدر من التشوهات في الوقت المميت والكفاءة العالية في إدارة الإجهاد الحراري، ويجب الكشف عن الظروف الافتراضية، مثل الدائرة القصيرة في الريح المتحركة، والعزلة في غضون ثواني صغيرة، لمنع فقدان السيطرة على الإجهاد الحراري.

Harsh Environmental requirements and Their Impact on Design

ويجب أن تنجو عناصر الصفات الآلية من ظروف أكثر حدة بكثير من تلك الموجودة في أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية، إذ تتعرض مضخمات الطاقة في المركبات المستقلة للتدوير الحراري، والإجهاد الميكانيكي، والمرور الكهربائي، والعمر التشغيلي الطويل الذي يمكن أن يتجاوز 15 عاما.

المرحلة القصوى

ويمكن أن تشهد المواقع المتدرجة تحت الغطاء والنباتات درجة حرارة مرتفعة من - 40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، مع ارتفاع درجات الحرارة المحلية فوق 175 درجة مئوية أثناء الحمل الثقيل، وتواجه المضخات القائمة على السليكون تقلّصاً في الحركة وزيادة التسرب عند درجات الحرارة العالية، والكسب المهين والكفاءة، ويجب على المهندسين أن يصمموا مسارات الارتفاع الحراري، وحزماً مناً مُحدّة من الحرارة.

اليقظة والصدم

وتفرض عمليات تصفية المركبات من المحرك، وصعوبة الطرق، وحركة التعليق ضغوطا ميكانيكية على مفاصل المبيعات وسندات الأسلاك، كما يجب أن تُصدر أجهزة تكرير السلطة التي تستهدف المواقع المزروعة قرب آبار العجلات أو التهاب العجلات صوراً للتشهير تحدد في معايير مثل IEC 60068-2-6.

النواة الكهربائية والمرور

بيئة السيارات الكهربائية تشمل مضخات نفايات حمولة (حتى 40 V)، وبطاقات البطارية تمزق من المتناوبين، والانبعاثات المشعّة من محركات الحركة الكهربائية، وأجهزة توليد الطاقة يجب أن تتعامل مع تغيرات في حجم الإمدادات دون تشوه أو تمزق في الإنتاج، وأجهزة الحماية المتكاملة، وحماية البطارية العكسية، ومرشحات أجهزة تكييف الطاقة الكهربائية هي سمات قياسية في أجهزة التشريح الحساسة

المعايير والتصديقات المتعلقة بالقابلية للاعتماد على السيارات

والامتثال لمعايير صناعة السيارات شرط لا يمكن التفاوض بشأنه لأي عنصر يستخدم في نظم مستقلة حرجة للسلامة، ويجب أن تبين تصميمات توسيع السلطة التقيد بعمليات السلامة الوظيفية، ومؤهلات موثوقية الأجهزة، والحدود القصوى للتوافق الكهرومغناطيسي.

ISO 26262 Functional Safety

ويحدد المعيار الدولي للتوحيد القياسي 26262 إطاراً قائماً على المخاطر للنظم الإلكترونية الآلية، ويُخصص عادة مضخمات السلطة المستخدمة في توجيه أو محركات الإبراز (مستوى السلامة البيئية دال)، وهو أعلى مستوى من التصلب، ويتطلب ذلك من المكثف كشف الإخفاقات - مثل الدوائر القصيرة في الإنتاج أو أكثر من التصميم - والانتقال إلى دولة آمنة في غضون فترة زمنية محددة من الزمن.

AEC-Q100 and AEC-Q101

معايير مؤهلات مجلس الإلكترونيات الآلية للدوائر المتكاملة (AEC-Q100) وشبه الموصلات المفصّلة (AEC-Q101) تحدد الاختبارات لحياة التشغيل العالية درجة الحرارة، والشرط، والتحيز الرطوبة، والتقلبات الحرارية، وتخضع وثائق تضخّم الطاقة التي تمرّ بموردي AEC-Q100 Grade 1 لفحص قياسي في حجم الثقة يبلغ 125 درجة مئوية.

معايير الحركة الأوتوماتيكية

ويجب على المكبرات أن تمتثل لشرط المقياس 25 من حقوق السحب الخاصة بالانبعاثات المشعّة، كما أن المعيار إيزو 11452 المتعلق بالحصانة من الحقول الكهرومغناطيسية، بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للمضخمين المرتفعة التردد فوق 1 جيهرتز، تستخدم أساليب اختبار محددة مثل الخلية الكهرومغناطيسية المعبرة والخطوط الرطبية، ويجب أن يتحكم التصميم في التناسق والانبعاثات التطهيرية عن طريق الإنهاء السليم، والتصفية، والخسائر، وتدفاع.

وضع استراتيجيات لتحقيق موثوقية عالية

تم بناء الموثوقية في تصميم مضخم للطاقة من مرحلة المفاهيم الأولية، لا إعادة تجهيزها بعد الاختبار، وهناك عدة استراتيجيات رئيسية تستخدم لضمان التشغيل المتسق على مدى عمر المركبة.

العنصر

ويختار كل عنصر سلبي ونشط بهوامش الفولط والحاضر وتفكك الطاقة، فعلى سبيل المثال، يمكن تقدير المكثف بمرتين أقصى فولتات متوقعة لتسديد المنافذ والانجرافات العائمة، ويختار الموصلات بمعاملات درجة الحرارة المنخفضة وبتقديرات عالية للطاقة، ويجب أن تكون لدى المحرضات المستخدمة في شبكات مطابقة النواتج ذروتها الدنيا ودرجة عالية من الضمان الذاتي(92).

الإدارة الحرارية المتقدمة

إزالة الحرارة الفعالة أمر حاسم للحفاظ على درجات الحرارة أقل من 125 درجة مئوية (لأجهزة الوصل القياسية) أو أعلى لشبه الموصلات ذات النطاق الواسع، وتشمل الحلول مواصفات النحاس المباشر، وأجهزة التحلل الحراري، والتبريد القسري للهواء، ودمج قنوات التبريد السائلية في وحدات مثبتة قرب نظام إدارة المركبات الحراري.

إعادة التوحيد وكشف الخزنة

وكثيرا ما تتضمن أجهزة الاستنشاق الحرجية للسلامة هياكل ذاتية مزدوجة التعاطف حيث يمكن للمضخم الأولي والثانوي أن يقود الحمولة بصورة مستقلة، وفي حالة الفشل في المسار الأولي، يُستولى المضخم الثانوي دون انقطاع، وتقوم دوائر الكشف عن الفشل برصد البارامترات مثل مخزون العرض، وفولاذ الناتج، ودرجة حرارة الحالات، ويمكن لشاشة تشخيصية أن تُرسل إلى المركز من خلال وصلة رقمية (eBI)

تصميم القابلية للصنع

ويتطلب الإنتاج الكبير تصميمات قوية لمعالجة التباينات في نسيج وتجمع شبه الموصلات، ويجري محاكاة الشركة لضمان استيفاء المضخم للمواصفات عبر زوايا العمليات والفولت ودرجات الحرارة، وتشمل التغطية الاختبارية أثناء التصنيع اختبارات شبه قياسية لتحقيق الربح، والتسلسل (مثلاً، برنامج OIP3 بالنسبة لمضخات الترددات الترددية)، والكفاءة في مراقبة إنتاج العمليات الإحصائية.

Emerging Semiconductor Technologies

وتتحول المواد ذات النطاق الواسع إلى قدرات مضخمة للطاقة بالنسبة للمركبات المستقلة، مما يوفر كفاءة أعلى، وكثافة أكبر للطاقة، وأداء أعلى درجة من الحرارة العالية، وهذه التكنولوجيات محددة بشكل متزايد في الجوارب التي تحد فيها السيلكون التقليدي.

غاليو نيتريد (GaN)

GaN high-electron-mobility transistors (HEMTs) exhibit extremely low on-resistance and fast shifting speeds, enabling power amplifiers with higher efficiency and bandwidth compared to silicon LDMOS. In automotive Radio, GaN power amplifiers can deliver high top power at millimeter-wave frequencies (e Ggity 77-81)

سيليكون كاربيد (سي سي)

وعلى الرغم من أن نظام سي سي سي سي إم في تي وموسيات الطاقة يناسب بشكل جيد المركبات ذات الحركة العالية، والمحركات المتحركة العالية السرعة في المركبات المستقلة كهربائيا، وهي تعمل في درجات حرارة تصل إلى 175 درجة مئوية دون تدهور كبير في الأداء، مما يقلل من احتياجات التبريد، وفي حالات تكرير الطاقة للشحنات المتحركة، يمكن لمفاتيح السيك أن تعمل على مستويات أعلى من مستويات الادخار في أجهزة التبديل، مما هو عليه في أجهزة الإيغ.

التعبئة المسبقة

كما أن عمليات التغليف، مثل القتل العمد وقطع الطرود على مستوى الوفرة، تخفض من المولد الطفيلي وتحسن الانتشار الحراري، كما أن هذه المواد التي تباع في إطارها أجهزة تقوية القوة، وأجهزة الارتداد بالنحاس، وتجمعات التفريغ، تخفف من الخسائر المشتركة بين الشبكات وتتيح تشغيلها على نحو أكثر تواترا.

بروتوكولات الاختبار والتقييم

فالتحقق من أن مضخم الطاقة يفي بمعايير الموثوقية يتطلب نظاماً شاملاً للاختبار يتجاوز بكثير المصادقة على درجة تجارية نموذجية، وتحفز الاختبارات سنوات من الاستخدام في إطار زمني مضغط وتضغط على الجهاز إلى حدوده.

اختبار الحياة المعجل

اختبارات التشغيل العالية درجة الحرارة، التي تجرى عادة عند 125 درجة مئوية أو 150 درجة مئوية مع التحيز الكهربائي المستمر، وتسريع آليات الفشل مثل القذف بالكهرباء، وحقن الناقلات الساخنة، والتحلل الديكلي الذي يعتمد على الوقت (TDDB). ويُحدد حجم العينة ومدة الاختبار وفقاً لمعدل النيتروز (الضعف في الوقت) الذي يقل كثيراً عن 50 درجة مئوية بالنسبة للعناصر الآلية(ج).

الرصد والتنبؤ

ويعزز الموثوقية في الحقول عن طريق إدماج رصد الصحة الافتراضية في النظام الفرعي للمضخم، إذ تقوم أجهزة الاستشعار عند الشبوط بقياس الصرف الحالي، وتسرب البوابات، ودرجة الحرارة، وتنتقل هذه البيانات إلى الجهة المسؤولة عن مراقبة النطاقات، التي تقارن القيم الحالية بالقياس إلى نماذج خط الأساس، وعندما يكتشف التدهور، مثل زيادة تسرب البوابات التي تشير إلى انهيار مبكر، يمكن للنظام أن يقلل نقطة التشغيل المبلدة أو الصيانة المحددة زمنيا.

الاتجاهات والاستنتاجات المستقبلية

وسيستمر تطور تصميم أجهزة تقوية الطاقة للمركبات المستقلة حيث أن تكنولوجيا شبه الموصلات قد تنضج وزيادات التكامل على مستوى المنظومة، وتشمل الاتجاهات اعتماد هياكل عينات مباشرة تقلل من عدد مراحل التضخيم الناقص، واستخدام خطوط المعلومات الاستخبارية الرقمية لتصفيص أجهزة الاستعلام الواسعة النطاق، ووضع نماذج متكاملة جدا للنموذج الأمامي للنموذج تجمع بين النطاقات المتعددة.

ويجب على المهندسين أيضاً أن ينظروا في أثر 800 هيكل بطارية V الذي أصبح معياراً في الجيل القادم من المركبات ذات الاستقلالية الكهربائية، إذ أن مضخمات الطاقة العاملة من هذه السكك الحديدية ذات الحركة العالية تتطلب تقنيات العزل واستراتيجيات تقدير الفولط التي لا تزال قيد التنقيح، فالتعاون بين حركة السيارات، وموردي حركة تيير-1، ومؤسسات شبه موصلة، أمر أساسي لوضع إجراءات موحدة للتكييف تواكب الابتكار.

وفي الختام، فإن تصميم أجهزة لتصنيع الطاقة للمركبات المستقلة يشكل تحديا متعدد التخصصات يتطلب فهما عميقا للفيزياء شبه الموصلية، والعلوم الحرارية، والهندسة الموثوقة، والسلامة الوظيفية، وبتطبيق اختيار قوي، والإدارة الحرارية المتقدمة، والهيكلات الزائدة عن الحاجة، وبروتوكولات التصديق المعجلة، يمكن للمهندسين أن يقدموا مكبرات تلبي المطالب القصوى للسيارات المستقلة، وأن يستحدثوا في نهاية المطاف تكنولوجيات موثوقة ومبتكرات معززة للأداءات.

الموارد الخارجية: ]