חיישן מיקום המנוע הוא מכשיר המזהה את מיקום הרוטור (חלק מסתובב) במנוע ביחס לסטטור (חלק קבוע). זה ממיר את המיקום המכני לאות חשמלי לשימוש על ידי בקר המנוע כדי להחליט מתי לשנות את כיוון ועוצמתו של המנוע הנוכחי, ובכך לשלוט על מהירות הסיבוב והמומנט של המנוע.
ברכבי אנרגיה חדשים, השליטה המדויקת של המנוע קשורה ישירות לבטיחות הנסיעה ויציבות הרכב, ולעבודה המדויקת של המיקום. פותר חיישן יכול להבטיח את התגובה הנכונה של המנוע ברגעים קריטיים כגון בלימת חירום, האצה או היגוי. זה חשוב במיוחד עבור מנועים סינכרוניים מגנטים קבועים (PMSM), שאין להם קומוטטורי מגע פיזיים ולכן מסתמכים על מידע המיקום שמספק החיישן כדי להחליט מתי להחליף את כיוון הזרם ולהבטיח פעולה חלקה של המנוע.
נכון לעכשיו, ישנם שני סוגים של חיישני מיקום מנוע בשימוש נפוץ ברכבי אנרגיה חדשים, חיישני זרם מערבולת ושנאים סיבוביים (חיישנים סיבוביים).
01.
ההבדל בין זרמים מסתחררים למערבולת נובע מהעיקרון הבסיסי שלהם
למרות שחיישני זרם מערבולת ושנאים סיבוביים יכולים לעמוד בדרישות של זיהוי מיקום מנוע, בשל המכונות השונות להפקת אותות ושיטות עיבוד אותות, יהיו הבדלים ביישומי מוצר ספציפיים בהתאם לדרישות שונות.
הבחירה בסוג חיישן מיקום המנוע צריכה להתחשב גם בגורמים אחרים, כגון עלות, דרישות דיוק, התאמה סביבתית, אמינות ומורכבות אינטגרציה של המערכת, הקשורים קשר הדוק למנגנון ייצור ועיבוד האותות הבסיסיים.
קחו את החיישן הסיבובי הנפוץ ביותר כדוגמה, עקרון העבודה שלו מבוסס על עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית. העיקרון של יצירת האותות הוא שבקר המנוע מספק אות עירור AC בתדר קבוע לסליל העירור (סליל A), ואות עירור זה יוצר שדה מגנטי לסירוגין בתוך החיישן הסיבובי. כאשר הרוטור מסתובב, השדה המגנטי שנוצר על ידי סליל העירור נחתך, וכתוצאה מכך אינדוקציה של מתח AC בסליל הסינוסואיד B ובסליל הקוסינוס C. על ידי מדידת הפרש הפאזות והמשרעת של שני האותות הללו, ניתן לחשב במדויק את המיקום המוחלט וכיוון הסיבוב של רוטור המנוע.
◎ בעיבוד אותות, בקר המנוע קולט ומנתח את אותות הסינוס והקוסינוס של החיישן הסיבובי, ומחשב את מידע הזווית המדויק באמצעות אלגוריתם תוכנה (בדרך כלל אלגוריתם ניתוח המקודד הסיבובי). על מנת להגיע לעיבוד אותות טוב יותר, לרוב יש צורך להפעיל שבב פענוח מיוחד, המותקן בבקר המנוע, וכמובן, ניתן להשיג זאת גם על ידי פענוח תוכנה.
לכן, בצורה הספציפית של חיישן הסיבוב, הוא מורכב בדרך כלל מסליל מלהיב (סליל ראשוני, סליל A), שני סלילי מוצא (סליל סינוס B וסליל קוסינוס C) ורוטור מתכת בעל צורה לא סדירה. הרוטור קואקסיאלי עם הרוטור של המנוע ומסתובב עם סיבוב המנוע.
חיישן זרם המערבולת משתמש בעקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית כדי לשדר ולקבל את אות ה-AC המושרה עם הסליל המתאים בקצה המשדר ובקצה המקבל, כדי לחשב את מיקום גלגל המטרה. גלגל המטרה קבוע על הציר המסתובב ומסתובב יחד עם הרוטור. ניתן למדוד את המיקום היחסי של רוטור המנוע והסטטור על ידי זיהוי המיקום של גלגל המטרה.
◎ במונחים של עיבוד אותות, כאשר חיישן זרם המערבולת מופעל, החיישן המשדר סליל יוצר שדה מגנטי מלהיב, ולוחית המטרה עוקבת אחר המנוע כדי לסובב ולחתוך את השדה המגנטי המרגש, כך שהסליל המקבל יוצר מתח סליל, ומודול החיישן מפוטר ומעובד מתח הסליל המתאים כדי לקבל את אות המתח של הסליל המתאים. בשונה מהחיישן הסיבובי, שבב עיבוד האותות של חיישן זרם המערבולת משולב עם החיישן, וניתן להוציא את האות הדיגיטלי ישירות.
לכן, חיישן זרם המערבולת מורכב בדרך כלל ממספר אונות מטרה התואמות למספר זוגות הקטבים של המנוע. קבוצת הסלילים מורכבת מסליל שידור וסליל קליטה, המקובעים על סטאטור המנוע, וחיישן זרם המערבולת מסודר בדרך כלל ישירות ב-PCB, ושבב עיבוד האותות משולב.
02.
עקרונות שונים מובילים למיקוד טכני שונה
ניתן לראות שההבדלים העיקריים בין חיישן הסיבוב לחיישן זרם המערבולת טמונים באופן עקרוני במצב העירור, מנגנון יצירת האותות ומורכבות עיבוד האות. היתרונות של החיישן הסיבובי הם בעיקר ביציבות אות העירור ובסובלנות של סביבת העבודה, אך החסרונות הם שהשפעת השינוי של ערכת המנוע גדולה יותר ותאימות הפלטפורמה ירודה. היתרון של חיישן זרם מערבולת הוא מידת האלקטרוניזציה הגבוהה שלו, קל לענות על צורכי הפלטפורמה ויכולת אנטי-EMC חזקה. החיסרון הוא שהוא מעט חלש יותר מהחיישן הסיבובי מבחינת סבילות סביבתית, והעלות גבוהה יותר מהחיישן הסיבובי בחלק מהסצנות.
תאימות הפלטפורמה באה לידי ביטוי לראשונה ברמת המהירות, 'מפת הדרכים 2.0 של כלי רכב לחיסכון באנרגיה ואנרגיה חדשה' שהוכנה על ידי האגודה הסינית להנדסת רכב ציינה כי עד 2025, מהירות העבודה המרבית של חיישן המיקום היא 20,000 r/min, ורוחב הפס של המפענח הוא > 2.5kHz. עד 2030, מהירות העבודה המרבית של חיישן המיקום היא 25,000 r/min, ורוחב הפס של המפענח הוא > 3.0kHz. ניתן לראות שיש אתגרים מסוימים בחיישן הסיבובי במהירות גבוהה.
הסיבה לכך היא שתדירות העירור של החיישן הסיבובי קשורה קשר הדוק למצב המהירות הנחשב כאשר הוא מתוכנן, ובדרך כלל תואמת את מצב המהירות הנוכחי. ככל שהמהירות עולה, נדרשת תדירות עירור גבוהה יותר למדידה מדויקת, מה שמצריך שינוי בעיצוב החיישן הסיבובי.
לחיישני זרם מערבולת אין בעיה זו. Effie Automotive אמר ל-NE Time שהעיצוב של חיישן זרם המערבולת יכול להתאים טוב יותר למגמת הפיתוח של המהירות הגבוהה הזו. מגוון רחב של תמיכה, תגובה מהירה וביצועים טובים יותר בעיבוד אותות בתדר גבוה פירושם שחיישני זרם מערבולת יכולים להיות 'תואמים כלפי מעלה' עבור יישומים עתידיים במהירויות גבוהות יותר. לכן, פתרון הפלטפורמה יכול להתממש טוב יותר במוצרי המנוע במהירויות שונות. למעשה, זה אחד הגורמים שלקוחות מנוע נוכחיים בוחרים בפתרונות זרם מערבולת,
בנוסף, בשל מגוון חיישני זרם מערבולת, כמו סוג הפיר, קצה הפיר דומה, וניתן לחלק את הפיר לסוג O ו-C (חלקם נקראים גם עיגול מלא וחצי עיגול). לכן, הוא יחסית גמיש יותר בהתאמת סכימות עיצוב מנוע של לקוחות.
03.
עקרונות שונים מובילים לאתגרי הפחתת עלויות שונים
העלות של חיישנים סיבוביים מגיעה בעיקר מחומרים וחומרה, לרבות חומרים מגנטיים (כגון יריעות סיליקון), סלילים וכדומה. לכן, העלות הכוללת נקבעת לפי גודלה, לרוב ככל שהגודל גדול יותר, כך העלות גבוהה יותר.
עלות הליבה של חיישן זרם מערבולת טמונה בעיקר ברכיבים האלקטרוניים שלו, שבבי עיבוד וכו', עלות החלקים האלקטרוניים קבועה יחסית, כך שעלות הליבה של חיישן זרם מערבולת אינה עולה באופן ליניארי עם הגודל.
לכן, העלות של חיישני זרם מערבולת נמוכה מזו של חיישנים סיבוביים עבור יישומים בקנה מידה גדול. עם זאת, בסכימות מנוע בגודל קטן, לחיישנים סיבוביים יש יתרונות עלות מסוימים. כמובן, כשמדובר בסכימת היישום הספציפית, מכיוון ששבב עיבוד האותות של החיישן הסיבובי לרוב אינו כלול בחישוב העלויות, להשוואת העלויות הספציפית יש גם כמה הבדלים.
בנוסף להשוואת העלויות הנוכחית, יש לשים לב גם למרחב הפחתת העלויות העתידי. נכון לעכשיו, מכיוון שרוב שבבי חיישני זרם המערבולת מגיעים ממפעלים זרים, ניתן להוזיל עוד יותר את העלות עם הרחבת קנה המידה והבשלות של מפעלי שבבים מקומיים בשלב מאוחר יותר. עם זאת, החלל היורד של החיישן הסיבובי מוגבל יחסית.
לכן, כשעומדים בפני דרישות עלות עתידיות, חיישני זרם מערבולת הם ללא ספק יתרון יותר. בשנים האחרונות נתח השוק של חיישני זרם מערבולת עלה משמעותית, ובשוק המקומי, חברות הרכב, לרבות Geely ומספר כוחות חדשים, בחרו בסכימת חיישני זרם מערבולת.
04.
תעשיית חיישני זרם המערבולת עדיין צריכה לצמוח
למרות שהפופולריות של יישומי חיישני זרם מערבולת גוברת, החיישנים הנפוצים ביותר הם עדיין חיישנים סיבוביים, כולל מובילי המכירות BYD וטסלה. הסיבה לכך היא שמצד אחד חיישני זרם מערבולת מיושמים מאוחר בתחום הרכב, ומצד שני אין הרבה ספקים שיכולים לספק חיישני זרם מערבולת, וחברות בודדות כמו אפי וסנסטה יכולות לספק אותם בתעשייה.
עבור חיישני זרם מערבולת, ישנם שלושה אתגרים עיקריים:
למעשה, חיישני זרם מערבולת יושמו בתחום התעשייתי, אך בתחום הרכב, הדבר הראשון שצריך לעמוד בו הוא דרישות רמת מד הרכב, במיוחד דרישות הבטיחות התפקודית. קח את Effie Automobile כדוגמה, על מנת להבטיח יישום יציב של חיישן זרם מערבולת, תהליך הפיתוח הוא בהחלט בהתאם לתהליך ISO26262 כדי להבטיח את הדרישות של רמת הבטיחות התפקודית.
◎ האתגר של השבב, השבב חייב לא רק לעמוד בדרישות הפונקציונליות, אלא גם לעמוד ברמת מד המכונית. בתור מפעל חיישני זרם מערבולת, יש צורך להקים תקן אימות שבב כדי להעריך את זמינות השבב, שהוא חיוני גם ליישום הבא של שבבים מקומיים. דרך שנים של שיתוף פעולה עם יצרני שבבים עולמיים לביסוס תהליך אימות מלא, אפי אוטומוטיב חשף שהכנסת שבבים מקומיים תוכננה, כמובן, הנחת היסוד היא לעמוד בסטנדרטים.
אתגרי אמינות, חיישן זרם מערבולת עקב מיקום ההתקנה, תהליך העבודה מועד להלם תרמי במנוע, התזת שמן קירור ועוד אתגרים, שגדולים במיוחד עבור השבב. הפתרון של Effie Automotive הוא יישום טיפול דבק על מיקום השבב, תוך הגדלת דרישות הטמפרטורה של השבב עצמו. לשפר את ההסתגלות לסביבה ולשפר את האמינות.
בעתיד, עדיין לא ידוע אם זרם המערבולת יכול להחליף לחלוטין את החיישן הסיבובי. לחיישנים סיבוביים יש גם נתיב שדרוג מוצר משלהם כדי להתמודד עם הצרכים החדשים של המנוע. עם זאת, תנופת הצמיחה של חיישני זרם מערבולת היא מהירה יותר מזו של חיישנים סיבוביים, וכמובן, הבסיס של חיישני זרם מערבולת נמוך.
