أهمية النمذجة الكهروحرارية للمحركات ومحاكاة وحدة الطاقة

 

تمثل وحدات إلكترونيات القدرة المتكاملة (IPEMs) فئة جديدة من مجموعات إلكترونيات الطاقة التي جذبت الاهتمام مؤخراً في مجال التطبيقات الناشئة على الجر الهجين للسيارات الكهربائية نظراً لقدرتها على إدارة قدر كبير من الطاقة في أحجام محدودة نسبياً وأيضاً في الظروف البيئية القاسية، بحيث يتحمل مصنعو أجهزة السيليكون الذين ينتجون سلعاً في مجال تحويل الطاقة.

 

كذلك استثمارات كبيرة من حيث التسهيلات لتنفيذ وتأهيل خطوط تجميع (IPEM) جديدة من أجل جني الأرباح من الارتفاع المتوقع في أحجام السوق، ونظراً للتقدم في تقنيات تكامل أجهزة الطاقة، ومع تقليل أحجام القوالب النشطة، يتحرك اتجاه تصميم الجيل الأخير من (IPEM) نحو تقليل أحجام التجميع من خلال الحفاظ، مع ذلك على نفس إمكانات إدارة الطاقة.

 

ونظراً لأن سياقات مثل السيارات غالباً ما تنطوي على ظروف بيئية معاكسة للغاية، حيث تكون كمية الطاقة التي يجب إدارتها في حدود عشرات الكيلوواط ودرجات الحرارة يمكن أن تتجاوز (100) درجة مئوية؛ فإن تصميم الوحدات قادر على إدارة الكميات الحرارية بكفاءة وقوة، وذلك من أجل ضمان الاستقرار والعمر الطويل للأنظمة الكهربائية.

 

لذلك؛ فإن الجانب الأكثر أهمية في تصميم (IPEM) يتعلق بإدارة الحرارة الناتجة عن الأجهزة النشطة، وعادةً ما تكون وحدات (MOSFET) ذات الطاقة غير المعبأة أو “الترانزستورات” ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs) والصمامات الثنائية، وهي ملحومة مباشرة على النحاس الداخلي المباشر (DBC)، ومع ذلك؛ فإن منهجية النمذجة المقترحة عامة ولا تعتمد على هيكل مكدس وحدة الطاقة أو على تقنية (DBC).

 

 

كما يتم تنفيذ التصميم من خلال النظر في الحزمة التي تستضيف أجهزة الحالة الصلبة و (DBC) والأسلاك الرابطة، كما يجب أن يأخذ التصميم الناجح في الاعتبار بعض العوامل مثل مقدار الطاقة المُدارة وظروف التشغيل الكهربائي ونوع المشتت الحراري المستخدم والظروف الحدودية التي سيعمل فيها (IPEM).

 

بحيث يتسبب التصميم الخاطئ لتجميع (IPEM) في حدوث مشكلات في إدارة الحرارة ويولد قمم درجات حرارة غير مناسبة (نقاط ساخنة) داخل الأجهزة النشطة، وذلك في ظروف التشغيل الدورية، بحيث تؤثر الاختلافات العالية في درجات حرارة الوصلة بشكل كبير على عمر الجهاز، وذلك مع ما يترتب على ذلك من نقص في المتانة والموثوقية لنظام الطاقة بأكمله الذي يحتوي على الوحدة.

 

المجالات الكهربائية والحرارية للمحركات الكهربائية

 

طوبولوجيا الجسر ثلاثي الأطوار (IPEM)

 

حتى إذا كان (IPEM) قد يستضيف أنواعاً مختلفة من الحلول التخطيطية الكهربائية؛ فإن تلك المخصصة لتطبيقات المحرك الكهربائي ولها هيكل جسر ثلاثي الطور وتستوعب إما أجهزة (IGBT) أو (power-MOSFET) وفقاً لمواصفات التطبيق، وبينما تحتاج أجهزة (IGBT) إلى ثنائيات خارجية مضادة للتوازي، بحيث تستخدم وحدات (MOSFET) الطاقة ثنائيات الجسم الداخلية.

 

طبقات التجريد الخاصة بالمجالات الحرارية والكهربائية

 

من أجل تبسيط عملية التوليد للنموذج بأكمله، تم ابتكار طبقتين من التجريد تم تصنيعهما كقوائم شبكة (PSpice) لتمثيل السلوكين الكهربائي والحراري على التوالي حسب الشكل التالي، بحيث يسمح هذا النهج بتقليل مشكلة حرارية كهربائية متعددة المجالات إلى مجال كهربائي حراري وحيد المجال.

 

 

تأخذ الطبقة الكهربائية في الحسبان تأثيرات التوصيلات السلبية على فقد الطاقة بشكل أساسي بواسطة المحاثات الطفيلية، بينما تستنسخ الطبقة الحرارية تأثير انتشار الحرارة داخل الوحدة وفقاً لشروط حدودها، وعلاوة على ذلك، ترتبط درجات حرارة الوصلات للأجهزة النشطة بالقدرة التي تبددها الدائرة بأكملها وأيضاً مراعاة اختلافات المعطيات.

 

كما يتم بعد ذلك ربط الطبقتين معاً بواسطة النموذج الكبير للتسخين الذاتي لأجهزة الطاقة، والذي ينقل تبديد طاقتها إلى الطبقة الحرارية ويتلقى منها قيم درجة حرارة الوصلة التي يجب حسابها بواسطة الطبقة الكهربائية.

 

كما يتم تصنيع الطبقة الحرارية باستخدام دائرة (RC) من النوع (Foster)، بحيث يكون بها مجموعة من مولدات التيار التي يتم التحكم فيها حالياً والمستخدمة من أجل تمثيل تأثيرات التسخين الكهربائي المتقاطع، كما يتم استرداد معلمات (RC) تلقائياً باستخدام تدفق توليف مخصص قادر على معالجة نتائج محاكاة (FEM) واستخراج قائمة شبكة (PSpice) الكاملة للجزء الحراري.

 

أيضاً يتم اشتقاق الطبقة الكهربائية من خلال تحليل (FEM) الذي ينتج نتيجة نهائية دائرة (RLC) (قائمة الشبكة)، والتي تحتوي على جميع المساهمات السلبية بسبب أسلاك الربط والأشرطة والمسارات المعدنية والموصلات، بحيث اتضح أنه بتغير قيم (RLC) هذه بشكل طفيف مع درجة الحرارة، لذلك يجب أن يأخذ النموذج في الاعتبار الاختلافات في هذه المعلمات السلبية فيما يتعلق بدرجة الحرارة.

 

ومع ذلك، وفي نطاق درجة الحرارة تحديداً، قد يتم إهمال اختلافات الحث إذا ما قورنت بالاختلافات الأكثر أهمية، وبسبب درجة الحرارة التي تحدث في معطيات الأجهزة النشطة؛ فقد تتمثل الميزة القوية للنهج المقترح في القدرة على توليد كلتا الطبقتين وكذلك النموذج الكبير النشط بصرف النظر عن كونهما غير مرتبطين في مرحلة النمذجة.

 

آلية تعيين المجالات الحرارية والكهربائية في المحركات

 

يهدف النهج المستخدم إلى تقليل تعقيد مشكلة متعددة المجالات إلى مشكلة واحدة، وهو بادئ يهدف الى تقليل المجال تطبيق التناظر المعروف بين الأنظمة الحرارية والأنظمة الكهربائية، وفي هذا الصدد؛ فإنه تم اعتبار التقاطع ودرجات الحرارة المحيطة (Tj و Ta) بمثابة جهد عقدة والمقاومة الحرارية [Zth (t)] باعتبارها “كهربائية” وتبديد الطاقة [Pd (t)] كمولد مصدر حالي، وهي العلاقة التي تربط هذه الكميات لمكون واحد بواسطة:

 

 

المزايا الرئيسية للمنهجية المقترحة

 

من خلال التوليف المقترح؛ فقد يتميز النموذج الكهرو حراري بالمزايا والمستجدات التالية فيما يتعلق بأحدث التقنيات منها المناهج المتزامنة، بحيث تقترح استراتيجيات لا تولد (لوحدات الطاقة) نموذجاً كهربائياً حرارياً نهائياً مقسماً إلى طبقتين متميزتين ويتم تنفيذه بتنسيق (PSpice) خالص، كما تم تصميم طبقات (PSpice) فقط للسماح بالتنفيذ السهل لعمليات المحاكاة التكرارية لوحدات الطاقة.

 

بحيث تعد عمليات المحاكاة التكرارية إلزامية من أجل حساب تغيرات المعلمات للأجهزة النشطة مع درجة الحرارة وذلك للسماح بالمحاكاة الكهربائية والحرارية للأنظمة التي لها ثوابت زمنية تختلف بعدة أوامر من حيث الحجم مثل وحدات الطاقة.

 

كذلك قد تفعل حزم المحاكاة التجارية الشيء نفسه بسهولة للأجهزة الفردية، ولكن الطريقة الوحيدة لمواجهة عمليات محاكاة (IPEM) الكهرو حرارية تنحصر في وقت معقول دون عبء مفرط (غير مناسب) لوقت المحاكاة والبيانات التي سيتم تخزينها.

 

كما أن دوائر (Foster) أو (Cauer RC) معروفة ومطروحة جيداً في الدراسات، كما ويتم استخدامها لنمذجة الطبقة الحرارية في حالة وجود جهاز واحد، بحيث تم اقتراح طوبولوجيا كهربائية بديلة (مكونة من بعض دوائر Foster RC)، بحيث تسمح الدائرة بحساب تأثيرات التسخين المتقاطع التي تحدث في وحدات الطاقة، كذلك نموذج التسخين الذاتي للجهاز النشط هو نموذج ضخم نقي، وذلك على عكس الحلول التجارية الأخرى، وقد يعمل في أي بيئة متوافقة مع (PSpice).