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.

“يوضح مورر قائلاً: ”إن نظام تبريد البطارية المعدل له تأثير على الإدارة الحرارية، من بين أمور أخرى“. ”لا يمكن تحديد درجة حرارة خلايا البطارية الفردية بشكل كامل باستخدام المستشعرات. على سبيل المثال، إذا تم استخدام 60 مستشعراً لتحديد درجة حرارة 200 خلية، يجب أن تدعم بنية البرمجيات مواضع تركيب المستشعرات المختلفة ومفاهيم التبريد المختلفة مثل لوحات التبريد متعددة الجوانب". ولهذا السبب، يضيف أنه يجب تطوير وظائف نظام إدارة البطارية (BMS) بحيث يسهل تكييفها مع مثل هذه التغييرات. وعندما يتعلق الأمر ببنية البرمجيات، فإن استخدام أجزاء البرمجيات المنقولة يفرض أيضاً تحديات إضافية؛ فهي تتطلب هياكل وحدوية تلبي متطلبات مركبة معينة، ولكنها لا تؤدي إلى عيوب في النماذج الأخرى.

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”.

إذا كان العميل يتبع أيضاً استراتيجية أجزاء البرمجيات المنقولة، فيجب على المطورين أيضاً ضمان درجة عالية من القابلية للتكيف لوظائفهم، على سبيل المثال للتكيفกับ كيميائيات الخلايا المختلفة أو مفاهيم الأجهزة. وكما يخلص مورر قائلاً: “إن تطوير البرمجيات للإنتاج التسلسلي هو خدمة نقل تتميز بها شركة بورشه إنجينيرینگ (Porsche Engineering) بشكل خاص، من بين أمور أخرى”. لقد اكتسبنا خبرة كبيرة في تطوير أنظمة إدارة البطاريات (BMS)، بدءاً من سباقات السيارات وحتى الإنتاج واسع النطاق. إن حلولنا موجودة في جميع العلامات التجارية داخل مجموعة فولكس فاجن، ولكنها موجودة أيضاً في سيارة 919 هايبرد، الفائزة بسباق لومان من بورشه. بالإضافة إلى ذلك، تمتلك بورشه إنجينيرینگ أيضاً خبرتها الخاصة في مجال الخلايا والبطاريات، فضلاً عن الخبرة في التقنيات الجديدة مثل شبكات 800 فولت في المركبات. يقوم الخبراء بتقييم مدى استيفاء البرمجيات المُطورة للمتطلبات للمرة الأولى خلال اختبار الوحدات. في هذا الاختبار، يتم تغذية أصغر وحدات البرامج -على سبيل المثال، لحساب السعة المتبقية- بقيم إدخال محددة. وإذا كانت تقدم النتائج المتوقعة، فإن الخوارزمية تعمل بشكل صحيح أساساً. وإلا، سيتعين على مطوري البرمجيات تعديل كود البرنامج. يقول مورر: “باعتباره خطوة التحقق الأولى، يقدم اختبار الوحدات إمكانيات كبيرة لتوفير الوقت والمال”. “ففي نهاية المطاف، فإن أي خطأ يتم اكتشافه هنا يتطلب جهداً أكبر بكثير لإصلاحه لاحقاً في المشروع”.“

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.”

... ملاحظات من إس بي