حلول نظام بطاريات بورشه لسباقات السيارات وإنتاج السلسلة

حلول نظام بطاريات بورشه لسباقات السيارات وإنتاج السلسلة

تقوم شركة بورش إنجينيرنج بتطوير حلول لأنظمة بطاريات عالية الأداء لسباقات السيارات والإنتاج التسلسلي لأكثر من 20 عاماً. تتمثل مهمة نظام إدارة البطارية (BMS) في تقييم حالة البطارية، وتحديد حدود التشغيل الحالية، وضمان التشغيل ضمن تلك الحدود.

في السيارات الكهربائية التي تعمل بطاريةً (BEVs)، يلعب نظام إدارة البطارية (BMS) دوراً مركزياً. وهو يتألف من وحدة التحكم في إدارة البطارية (BMC) وحدات التحكم في وحدة الخلايا (CMCs). تدمج وحدات CMCs مباشرة في وحدات بطارية الجهد العالي وتزود وحدة BMC بقيم مقاسة مثل جهد الخلية ودرجة الحرارة. وهي مسؤولة أيضاً عن موازنة الخلايا: تتكون بطاريات الجهد العالي من عدد كبير من خلايا البطارية منخفضة الجهد الفردية. ومع ذلك، تؤدي التفاوتات إلى امتلاك الخلايا لخصائصها الفيزيائية الفردية الخاصة، مما قد يسبب مشكلات عند استخدام النظام. لمنع ذلك، تقوم وحدات CMCs بموازنة حالة شحن الخلايا - إما بشكل سلبي عن طريق مقاومات متصلة على التوازي، أو بشكل نشط عن طريق نقل الشحنة من الخلايا الأضعف إلى الخلايا الأقوى. تعد وحدة BMC العنصر المركزي لنظام BMS وتستخدم مستشعرات التيار الخاصة بها بالإضافة إلى القيم المقاسة من وحدات CMCs. إحدى وظائفها هي ضمان عمل البطارية بأمان. فبعد أن تحتوي أنظمة البطاريات على كميات كبيرة من الطاقة وقادرة على إطلاق هذه الطاقة بسرعة كبيرة، يجب منع أي إطلاق غير مرغوب فيه أو غير مقصود بأي ثمن. بالإضافة إلى ذلك، يجب على وحدة BMC ايجاد حل وسط أمثل بين عمر البطارية وأدائها، لأن التشغيل خارج المعلمات المحددة يمكن أن يسبب ضرراً للنظام. تشمل الأسباب النموذجية التي تؤدي إلى ذلك: التيارات العالية بشكل مفرط؛ ودرجات الحرارة العالية أو المنخفضة بشكل مفرط، والتي تلحق الضرر بالمنحل بالكهرباء أو تؤدي إلى حساسية أعلى للتيار؛ والجهد الزائد أو الجهد المنخفض، والذي يمكن أن يلحق الضرر بالمنحل بالكهرباء أو المواد النشطة.

ولمنع حدوث ذلك، يُستخدم نظام إدارة البطارية (BMS) لتغيير حدود التيار، أو تقييد أوضاع التشغيل، أو ضبط التبريد وفقاً لحالة البطارية. يوضح لوكاس مورير، مدير مشروع وظائف البطاريات عالية الجهد في شركة بورش إنجينيرينغ: “بناءً على القيم المقاسة من مستشعرات عديدة للحرارة والتيار والجهد، يستنتج نظام إدارة البطارية ثلاثة معايير بالغة الأهمية للبطارية: حالة الشحن (SoC) والسعة، اللتان تحددان المدى المتبقي، والمقاومة الداخلية التي تحدد الأداء”. وأضاف: “وهو مسؤول أيضاً عن وظائف الأمان مثل إيقاف التشغيل عند زيادة التيار واكتشاف الاصطدام، بالإضافة إلى الاتصال بوحدات التحكم الأخرى في السيارة.”

Image Credit: Porsche Media

أكثر من 20 عاماً من الخبرة
طورت بورش إنجينيرنغ بالفعل أنظمة إدارة بطاريات متنوعة نيابة عن العملاء ويمكنها تولي جميع المهام التي تنشأ فيما يتعلق بنموذج حرف V - بدءاً من دراسات المتطلبات وحتى اختبارات المركبات. يقول مورير: “بصفتنا شركة، نحن نشيطون في هذا المجال منذ أكثر من 20 عاماً، ولقد شاركت شخصياً في أنظمة إدارة البطاريات لمدة ست سنوات”. وعلى الرغم من كل الخبرة المكتسبة على مدار العديد من المشاريع، يظل تطوير نظام إدارة البطاريات مهمة مليئة بالتحديات حتى بالنسبة للمطورين ذوي الخبرة: فالبرمجيات معقدة بشكل استثنائي، مما يفرض العديد من التحديات على كل من الهندسة وإدارة المشاريع. لذلك تولي بورش إنجينيرنغ أهمية كبيرة لعملية صارمة وشفافة. يبدأ الأمر بإدارة المتطلبات، وهو أمر يولي له الخبراء اهتماماً خاصاً. يؤكد أختيم أولب، مدير المشروع في بورش إنجينيرنغ: “ولا يتعلق الأمر فقط وضع الأسس التقنية - بل هنا أيضاً يتم تحديد المسار المستقبلي للمشروع”.

التحقق من المواصفات
يجب تحديد المشكلات المحتملة والقضاء عليها من خلال مراجعة مجموعة جديدة من المواصفات بمجرد صياغتها. تشير أولب (Olpp) إلى ‘قاعدة العشرة’. ومع كل مرحلة من مراحل تطوير البرمجيات، تزداد تكاليف تصحيح الأخطاء بمعامل قدره 10. كما يزداد الجهد المرتبط بذلك مع كل خطوة من خطوات العملية، حيث يجب مراجعة العمل الذي تم إنجازه مسبقاً وإعادة إجرائه بدءاً من النقطة التي نشأ فيها الخطأ. وعلاوة على ذلك، يجب ‘اكتشاف’ الأخطاء اللاحقة مجدداً. وهذا ما يعرض الجداول الزمنية الضيقة غالباً للخطر بشكل شبه تلقائي، لا سيما في حالة البرمجيات التي تتوفر بإصدارات مختلفة مخصصة لعملاء متعددين.

من أجل منع هذا النوع من العمل الإضافي، أثبتت جودة النهج القائل بأن يقوم كاتب مواصفات متطلبات البرمجيات، وتحت إشراف مهندس المتطلبات، بدعوة جميع المشاركين في المشروع لعقد ‘مراجعة’ للمواصفات المقدمة من قبل العميل، أنه نهج جيد. يوضح أولب: “يجتمع الجميع حول الطاولة، بما في ذلك معماريو البرمجيات والمطورون وكذلك المبرمجون والمختبرون والعميل”. “إنها طريقة أفضل بكثير لفهم المتطلبات الناشئة عن المواصفات وتحديد الحلول المحتملة للمواصفات بشكل أكثر منهجية. وعندما يكون هناك عدة عملاء، توفر المراجعة فرصة للتوفيق بين المصالح المختلفة”. وعلى الرغم من أن هذا يزيد من عبء العمل قليلاً في البداية، إلا أنه يجلب توفيراً كبيراً في الوقت على المدى الطويل. ويستند تخطيط نطاقات العمل على هذه الأساس المتين. يذكر أولب: “نعقد ورشة عمل للقدرات قبل أسبوعين من كل دورة إطلاق للبرمجيات لم مطابقة احتياجات العميل مع الموارد المتاحة”. “بهذه الطريقة، نعرف بالضبط ما يمكن انجازه في الوقت المتاح. ويمكن للعميل إعطاء الأولوية لحزم العمل حيثما كان ذلك مناسباً”.”

صورة واضحة للقدرات يمكن أن تساعد إدارة القدرات الدقيقة أيضاً في منع ‘زحف النطاق’ المخيف. وهذا يحدث عندما تتغير متطلبات المنتج باستمرار وبشكل عشوائي أثناء تطويره، مما يؤدي غالباً إلى حدوث تأخيرات. يقول أولب: “إذا حددت قدراتك بوضوح، يمكنك أيضاً فهم وتنسيق آثار ديناميكيات المتطلبات من هذا النوع بشكل أفضل”. وعند استخدام أجزاء البرمجيات المنقولة لعدة طرازات وعلامات تجارية بشكل خاص، يجب توخي الحذر الشديد خلال هذه الخطوة. يمكن أن تعرض النطاقات المدمجة بشكل غير صحيح للخطر عدة سلسلة مركبات في نفس الوقت بسبب الجدول الزمني المعياري. كما يواجه مهندسو البرمجيات تحديات عديدة أثناء تطوير نظام إدارة البطارية (BMS). من بين أمور أخرى، يجب عليهم أخذ حقيقة أن كيمياء الخلايا وتصميم البطاريات يتطوران باستمرار بعين الاعتبار.

“A modified battery cooling system has an impact on thermal management, among other things,” explains Mäurer. “The temperature of the individual battery cells cannot be completely determined using sensors. For example, if 60 sensors are used to determine the temperature for 200 cells, the software architecture must support different sensor installation positions and different cooling concepts such as multi-sided cooling plates.” This is why BMS functions must be developed so that they are easy to adapt to such changes, he says. When it comes to software architecture, the use of software carry-over parts also leads to additional challenges. They necessitate modular structures that meet the requirements of a specific vehicle, but do not result in disadvantages in other models.

التكيف مع الموارد
تتبع خطوة تطوير البرمجيات تعريف هندسة البرمجيات وتهدف إلى جعل الحلول من مرحلة ما قبل التطوير ملائمة للإنتاج التجاري. وتتمثل إحدى المهمات النموذجية، على سبيل المثال، في تكييف الخوارزميات مع الموارد المحدودة من حيث قوة المعالجة وسعة الذاكرة لوحدات التحكم في المركبات -دون المساس بجودة النتائج. يقول مورر: “في مرحلة ما قبل التطوير، عادةً ما تتم مراقبة خلية واحدة فقط باستخدام أجهزة الاستشعار؛ أما في المركبة، فهناك عدة عشرات منها”. و“لكن لا يمكنك ببساطة تشغيل الخوارزمية المستخدمة للنموذج الأولي عشرات المرات على التوالي في الإنتاج التجاري، لأن ذلك سيجعل قوة المعالجة المطلوبة عالية للغاية”. تستخدم المركبات الكهربائية التي تعمل بطارية (BEVs) أيضاً العديد من الوظائف المبتكرة، على سبيل المثال للشحن السريع. وغالباً ما تعمل هذه المركبات عند حدود ما هو ممكن تقنياً في الوقت الحالي. وخلال الانتقال من مرحلة النموذج الأولي إلى مرحلة الإنتاج، يجب جعل هذه الوظائف قوية بما يكفي لتسير دون مشكلات في جميع الظروف. يقول مورر: “في حالة الشحن السريع، يمكن تحقيق ذلك من خلال تنفيذ خوارزميات تحكم تحد من تيار الشحن في حالة حدوث ارتفاع وشيك في درجة الحرارة أو تجاوز في الجهد الكهربائي”.

If the customer is also pursuing a software carry-over part strategy, developers must also ensure a high degree of adaptability of their functions, for example to adapt to different cell chemistries or hardware concepts. “Software development for series production is a transfer service for which Porsche Engineering, among others, is particularly well suited,” as Mäurer sums up. “We have gained a lot of experience in BMS development, from motor racing to large-scale production. Our solutions are present in all brands within the Volkswagen Group, but also in the 919 Hybrid, Porsche’s Le Mans winner.” In addition, Porsche Engineering also has its own cell and battery expertise, as well as experience with new technologies such as 800-volt networks in vehicles. The experts evaluate how well the software that was developed meets the requirements for the first time during the module test. In this test, the smallest units of the programs—for example, for calculating residual capacity—are fed with defined input values. If they deliver the expected results, the algorithm is, basically, working correctly. Otherwise, the software developers have to edit the program code. “As the first verification step, the module test offers a lot of potential to save time and money,” says Mäurer. “After all, anything found here would require significantly more effort to fix later in the project.”

مبدأ الرقابة الثنائية أثناء الاختبار
في بورشه إنجينيرينغ، يُطبق مبدأ الرقابة المزدوجة في اختبار الوحدات: حيث يتم البرمجة والاختبار بواسطة موظفين مختلفين. وفي النهاية تماماً، ينضم ممثل عن ضمان الجودة ليقوم، بالإضافة إلى النتيجة، بالتحقق من صحة مراحل التطوير التي اكتملت مسبقاً. وهذا يضمن أن الخطوات التالية في نموذج حرف V -التكامل، وبرمجيات، واختبارات السيارة- يمكن أن تبنى على أساس متين. فبعد كل شيء، تنطبق نصيحة مدير المشروع أولب على عملية التطوير بأكملها: “بدون عمليات راسخة، يكون مشروع نظام إدارة البطارية (BMS) مثل ناطحة سحاب بلا أساس متين.”

… notes from SP