พลังงานที่อยู่เบื้องหลังยานพาหนะไฟฟ้า: สำรวจระบบควบคุม EV และหน่วยควบคุมยานพาหนะ (VCU)

ยานพาหนะไฟฟ้า (EVs) ได้เปลี่ยนจากแนวคิดแห่งอนาคตมาเป็นขบวนการทั่วโลกอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ชุดแบตเตอรี่และมอเตอร์ไฟฟ้าได้รับความสนใจมากที่สุดสิ่งที่นำ EV มาสู่ชีวิตอย่างแท้จริงคือระบบควบคุม EV ที่ซับซ้อน - การประสานงานที่ซับซ้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซอฟต์แวร์ฝังตัวและสติปัญญา หัวใจสำคัญของระบบนี้คือคอนโทรลเลอร์รถยนต์ EV ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่าหน่วยควบคุมยานพาหนะ (VCU) ในบล็อกนี้เราสำรวจโครงสร้างฟังก์ชั่นนวัตกรรมและอนาคตของระบบควบคุม EV และ VCUs

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีการควบคุม EV

การควบคุมรถยนต์ไฟฟ้าเทคโนโลยีควบคุมวิธีการจัดการพลังงานวิธีการที่รถตอบสนองต่อปัจจัยการขับเคลื่อนของผู้ขับขี่และวิธีการสื่อสารส่วนประกอบทั้งหมดแบบเรียลไทม์ จากการควบคุมการใช้แบตเตอรี่ไปจนถึงการซิงโครไนซ์แรงบิดมอเตอร์ระบบควบคุม EV มีบทบาทสำคัญในด้านความปลอดภัยของยานพาหนะประสิทธิภาพและประสบการณ์การขับขี่

การเปลี่ยนจากเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าต้องใช้กลไกการควบคุมชุดใหม่ทั้งหมด ซึ่งแตกต่างจากรถยนต์แบบดั้งเดิมซึ่งพึ่งพาส่วนประกอบเชิงกลอย่างมาก EVs ขึ้นอยู่กับการควบคุมและซอฟต์แวร์อิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำในการทำงาน การเปลี่ยนกระบวนทัศน์นี้ทำให้คอนโทรลเลอร์รถยนต์ EV จำเป็นสำหรับการทำงานของยานพาหนะ

ส่วนประกอบสำคัญของระบบควบคุม EV

ระบบควบคุม EV ประกอบด้วยโมดูลรวมหลายโมดูลที่ทำงานร่วมกันเพื่อควบคุมการทำงานของยานพาหนะทุกด้าน องค์ประกอบสำคัญ ได้แก่ :

. ชุดควบคุมยานพาหนะ (VCU)

สมองส่วนกลางของยานพาหนะที่ประสานงานระบบย่อยทั้งหมดประมวลผลข้อมูลเซ็นเซอร์และดำเนินการกลยุทธ์การควบคุม

ข. ชุดควบคุมมอเตอร์ (MCU)

ควบคุมการทำงานของแรงดึงรวมถึงความเร็วแรงบิดและการเบรกแบบปฏิรูป

ค. ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

จัดการชุดแบตเตอรี่รวมถึงการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์การควบคุมอุณหภูมิและการประมาณค่าสถานะ (SOC)

d. หน่วยกระจายพลังงาน (PDU)

ควบคุมการกระจายพลังงานจากแบตเตอรี่ไปยังส่วนประกอบต่างๆ

ก. เครื่องชาร์จออนบอร์ด (OBC)

จัดการกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่เมื่อเสียบเข้ากับแหล่งภายนอก

f. อินเทอร์เฟซเครื่องจักรของมนุษย์ (HMI)

เชื่อมต่อระบบยานพาหนะกับคนขับโดยทั่วไปผ่านหน้าจอแดชบอร์ดและแผงควบคุม

แต่ละส่วนประกอบสื่อสารกับ VCU ผ่านเครือข่ายการสื่อสารทั่วทั้งยานพาหนะโดยทั่วไปใช้โปรโตคอล CAN (เครือข่ายพื้นที่คอนโทรลเลอร์)

ทำความเข้าใจกับชุดควบคุมยานพาหนะ (VCU)

ชุดควบคุมยานพาหนะทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมหลักของ EV ได้รับข้อมูลจากเซ็นเซอร์และ ECU อื่น ๆ (หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์) และประมวลผลเพื่อทำการตัดสินใจแบบเรียลไทม์ ฟังก์ชั่นหลัก ได้แก่ :

• การคำนวณความต้องการแรงบิด
• การจัดการพลังงาน
• การควบคุมโหมดไดรฟ์
• การประสานการเบรกแบบปฏิรูป
• การตรวจสอบความปลอดภัยและการวินิจฉัย
• การสื่อสารกับระบบคลาวด์หรือ telematics

ซึ่งแตกต่างจากชุดควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ในยานพาหนะทั่วไป VCU ใน EV จะต้องจัดการกับความแตกต่างของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าการจัดการความร้อนและการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้แบตเตอรี่

ตัวควบคุมรถยนต์ EV ทำงานอย่างไร

คอนโทรลเลอร์รถยนต์ EV ทำงานผ่านซอฟต์แวร์แบบฝังตัวที่ตั้งโปรแกรมไว้ใน VCU นี่คือวิธีการทำงานโดยทั่วไป:

ขั้นตอนที่ 1: การรวบรวมอินพุต

เซ็นเซอร์ให้ข้อมูลเกี่ยวกับความเร็วของยานพาหนะตำแหน่งเหยียบสภาพแบตเตอรี่อุณหภูมิมอเตอร์และอื่น ๆ

ขั้นตอนที่ 2: การประมวลผลสัญญาณ

VCU วิเคราะห์สัญญาณเหล่านี้และเปรียบเทียบกับเกณฑ์การปฏิบัติงานล่วงหน้าหรือคำสั่งไดรเวอร์

ขั้นตอนที่ 3: การตัดสินใจ

ขึ้นอยู่กับอินพุต VCU กำหนดจำนวนพลังงานที่มอเตอร์ควรส่งมอบหรือจำเป็นต้องใช้การเบรกแบบปฏิรูป

ขั้นตอนที่ 4: การแจกแจงคำสั่ง

คำสั่งจะถูกส่งไปยังหน่วยควบคุมมอเตอร์ระบบการจัดการแบตเตอรี่และส่วนประกอบอื่น ๆ เพื่อดำเนินการตามที่จำเป็น

ขั้นตอนที่ 5: ข้อเสนอแนะและการปรับเปลี่ยน

VCU ตรวจสอบข้อเสนอแนะของระบบอย่างต่อเนื่องและทำการปรับแบบเรียลไทม์เพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุด

กระบวนการควบคุมวงปิดนี้ช่วยให้ EVs สามารถเร่งความเร็วได้อย่างราบรื่นเบรกที่แม่นยำและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง

การออกแบบและสถาปัตยกรรมของระบบควบคุม EV

การออกแบบระบบควบคุม EV ต้องใช้การผสมผสานระหว่างฮาร์ดแวร์และวิศวกรรมซอฟต์แวร์ สถาปัตยกรรมของระบบมักจะมีการกระจายโดยมีการเชื่อมต่อ ECU หลายครั้งผ่านรถบัสสื่อสารความเร็วสูง โครงสร้างทั่วไปรวมถึง:

• VCU กลาง: หน่วยการตัดสินใจหลัก
• การกระจายอำนาจ ECUs: สำหรับการลากแบตเตอรี่สภาพภูมิอากาศและการควบคุมสาระบันเทิง
• อาร์เรย์เซ็นเซอร์: เซ็นเซอร์ความเร็วล้อเซ็นเซอร์อุณหภูมิตัวเร่งความเร็ว ฯลฯ
• เครือข่ายการสื่อสาร: โดยปกติ CAN-FD, LIN หรือ Flexray
• แหล่งจ่ายไฟซ้ำซ้อน: เพื่อให้แน่ใจว่ามีการทนต่อความผิดพลาด

ซอฟต์แวร์ได้รับการพัฒนาโดยใช้เครื่องมือออกแบบแบบจำลองเช่น MATLAB/Simulink และปฏิบัติตามมาตรฐานเช่น Autosar และ ISO 26262 สำหรับฟังก์ชั่นความปลอดภัยที่สำคัญ

การรวมและการสื่อสารในระบบ EV

การรวมเป็นหนึ่งในแง่มุมที่ท้าทายที่สุดของระบบควบคุม EV มันเกี่ยวข้องกับการรวมฮาร์ดแวร์ทั้งการเชื่อมต่อโมดูลทางกายภาพ - และการรวมซอฟต์แวร์ - การทำให้ ECUs ที่แตกต่างกันสามารถแบ่งปันและประมวลผลข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โปรโตคอลการสื่อสาร

• Can Bus: ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสื่อสารแบบเรียลไทม์ที่แข็งแกร่ง
• Lin Bus: โดยทั่วไปจะใช้สำหรับแอปพลิเคชันความเร็วต่ำ
• อีเธอร์เน็ต: ใช้มากขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันข้อมูลสูงเช่น ADAS
• การอัปเดต Over-the-Air (OTA): อนุญาตให้ VCU ได้รับการปรับปรุงซอฟต์แวร์จากระยะไกล

การรวมฟังก์ชั่น

ระบบทั้งหมด - จากแบตเตอรี่ถึงเบรก - ต้องทำงานอย่างกลมกลืน VCU ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการดำเนินการประสานงานเช่นการซิงค์การเบรกแบบปฏิรูปด้วยเบรกแรงเสียดทานหรือการปรับเอาต์พุต HVAC ตามอุณหภูมิของแบตเตอรี่

คุณสมบัติและนวัตกรรมขั้นสูงในเทคโนโลยี VCU

VCU ที่ทันสมัยกำลังพัฒนาเพื่อรองรับการควบคุมยานพาหนะ แต่ยังรวมถึงการเชื่อมต่อระบบอัตโนมัติและการรวม AI นวัตกรรมรวมถึง:

. อัลกอริทึมการควบคุม AI ที่ใช้ AI

รูปแบบการเรียนรู้ของเครื่องเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานการวางแผนเส้นทางและการบำรุงรักษาทำนาย

ข. การวินิจฉัยที่เชื่อมต่อกับคลาวด์

การส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์ช่วยให้การวินิจฉัยระยะไกลและการอัปเดตเฟิร์มแวร์

ค. เวกเตอร์แรงบิด

VCUs สามารถควบคุมแรงบิดของล้อแต่ละตัวเพื่อการจัดการและความปลอดภัยที่ดีขึ้น

d. การรวมเข้ากับ ADAS

ระบบการช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูงเช่นการควบคุมความเร็วคงที่และการช่วยรักษาเลนในขณะนี้สื่อสารกับ VCU เพื่อเพิ่มพลวัตการขับขี่

ก. แพลตฟอร์ม VCU แบบแยกส่วน

บริษัท กำลังเคลื่อนไปสู่ ​​VCU แบบแยกส่วนที่สามารถปรับแต่งได้ตามแพลตฟอร์มยานพาหนะลดเวลาและค่าใช้จ่ายในการพัฒนา

ความท้าทายในการออกแบบระบบควบคุม EV

แม้จะมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี แต่การพัฒนาระบบควบคุม EV ที่แข็งแกร่งนำเสนอความท้าทายที่สำคัญ:

. ความปลอดภัยและความซ้ำซ้อน

ฟังก์ชั่นความปลอดภัยที่สำคัญจะต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้เงื่อนไขทั้งหมด การบรรลุการปฏิบัติตาม ISO 26262 ต้องมีการตรวจสอบอย่างเข้มงวดและซ้ำซ้อน

ข. การจัดการความร้อน

คอนโทรลเลอร์ EV จะต้องจัดการความร้อนที่เกิดจากพลังงานอิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็วและการขับขี่ที่โหลดสูง

ค. ความซับซ้อนของซอฟต์แวร์

VCUs มีรหัสหลายล้านบรรทัด การสร้างความมั่นใจในการรักษาความปลอดภัยประสิทธิภาพและการดำเนินงานที่ปราศจากข้อผิดพลาดเป็นงานด้านวิศวกรรมที่สำคัญ

d. การรวมค่าใช้จ่าย

การรวมส่วนประกอบใหม่หรือคุณสมบัติซอฟต์แวร์โดยไม่รบกวนฟังก์ชั่นที่มีอยู่นั้นซับซ้อน

ก. ข้อ จำกัด แบบเรียลไทม์

ระบบควบคุม EV จะต้องทำงานแบบเรียลไทม์ด้วยเวลาแฝงต่ำเพื่อให้แน่ใจว่าความปลอดภัยและการตอบสนองของผู้ขับขี่

แนวโน้มในอนาคตในคอนโทรลเลอร์ EV และการพัฒนา VCU

ในขณะที่เทคโนโลยี EV เติบโตขึ้นอนาคตของตัวควบคุมรถยนต์ EV และ VCUS กำลังมุ่งหน้าสู่ระบบที่ฉลาดขึ้นปรับตัวได้มากขึ้นและเชื่อมต่อมากขึ้น

. ตัวควบคุมโดเมนและ Zonal

แทนที่จะเป็น ECU จำนวนมากสถาปัตยกรรมในอนาคตจะรวมการควบคุมไว้ในตัวควบคุมโซนเพื่อลดการเดินสายและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ข. คอมพิวเตอร์ส่วนกลาง

OEM กำลังเคลื่อนไปสู่แพลตฟอร์มการประมวลผลยานพาหนะส่วนกลางที่สามารถจัดการทุกอย่างตั้งแต่ระบบส่งกำลังไปจนถึงสาระบันเทิง

ค. AI และการควบคุมการทำนาย

VCUS จะใช้ AI สำหรับการจัดการพลังงานที่ทำนายได้พฤติกรรมการเรียนรู้ของคนขับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานแบตเตอรี่

d. โฟกัสความปลอดภัยทางไซเบอร์

ด้วยการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นการรักษาความปลอดภัยระบบควบคุม EV จากภัยคุกคามไซเบอร์เป็นสิ่งสำคัญที่สุด

ก. การสื่อสาร V2X

การสื่อสารระหว่างยานพาหนะทุกอย่าง (V2X) จะช่วยให้รถยนต์สามารถแบ่งปันข้อมูลกับโครงสร้างพื้นฐานเพิ่มความปลอดภัยและการไหลเวียนของการจราจร

บทสรุป

ในขณะที่การปฏิวัติรถยนต์ไฟฟ้ายังคงได้รับแรงผลักดันความสำคัญของระบบควบคุม EV ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีไม่สามารถพูดเกินจริงได้ ที่ศูนย์กลางของความมหัศจรรย์ทางเทคโนโลยีนี้อยู่ที่คอนโทรลเลอร์รถยนต์ EV หรือชุดควบคุมยานพาหนะทำหน้าที่เป็นสมองด้านหลังเครื่อง จากการจัดการการไหลของพลังงานไปจนถึงการสร้างประสบการณ์การขับขี่ที่ไร้รอยต่อ VCU เป็นแรงที่ทำให้อายุไฟฟ้า

ความก้าวหน้าในอนาคตใน AI การเชื่อมต่อและสถาปัตยกรรมส่วนกลางจะช่วยเพิ่มความสามารถของระบบเหล่านี้เท่านั้นที่สามารถฉลาดขึ้นปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในขณะที่วิศวกรและผู้ผลิตรถยนต์ยังคงผลักดันขอบเขตอย่างต่อเนื่องสิ่งหนึ่งที่ชัดเจน: พลังงานที่อยู่เบื้องหลังยานพาหนะไฟฟ้าไม่เพียง แต่อยู่ในแบตเตอรี่ แต่ในความฉลาดที่ควบคุมมัน