هل ترغب في تسريع الانتقال إلى السيارات الكهربائية؟ 🤔 بناء بنية تحتية قوية لشحن السيارات الكهربائية العامة هو المفتاح! رغم التركيز الإعلامي على أداء السيارات ومداها، إلا أن المستهلكين يبحثون عن أداء مُشابه لسياراتهم الحالية، بما في ذلك الرحلات الطويلة ليلاً. 🚗💨
لمن لا يملك سيارة كهربائية، قد تبدو البنية التحتية غير مهمة. لكن الدراسات تُظهر أن الشحن المنزلي يمثل 90% تقريبًا من الشحن في الأسواق المتقدمة. 💡 ومع ذلك، فإن النسبة المتبقية من الشحن بالمحطات العامة هامة جدًا! سائقي الشاحنات، سائقي التاكسي، سكان المباني، الطلاب، العائلات في إجازة.. جميعهم يواجهون صعوبة في قيادة السيارات الكهربائية بسبب ندرة أو عدم موثوقية نقاط الشحن العامة. 😥 في عام 2022، أشارت دراسة لـ مجلة فوربس إلى أن 62% من مالكي السيارات الكهربائية قلّلوا من خطط سفرهم بسبب مخاوفهم من مدى السيارة الكهربائية. 😟
وكالة الطاقة الدولية تؤكد أهمية الاستثمار في بنية تحتية الشحن، 📈 حيث يُعتبر الاستثمار في الصين في هذا المجال أربع مرات أكثر فعاليةً من دعم مشتَري السيارات الكهربائية مالياً. 💰 منذ عقود، نعمل على حلول كهذه. في عام 1992، أسسنا شركة AC Propulsion، التي ابتكرت سيارة tZero. تُعد هذه السيارة ذات الأداء العالي نقطة انطلاق لتكنولوجيا السيارات الكهربائية، وقد تم دمج تقنياتها وتصميمها الأساسي لاحقًا في سيارة تسلا رودستر الأصلية. 🏎️
صورة سيارة رودستر صفراء ☀️ تمثل سيارة AC Propulsion TZero الابتكارية عام 1997، التي تضمنت تقنيات تم دمجها لاحقًا في سيارة تسلا رودستر. مصدر الصورة: ويكيبيديا
تحدّ البنية التحتية المُتوافرة حاليًا من انتشار السيارات الكهربائية، وخصوصًا محطات الشحن السريع العامة. أشار مشغلو محطات الشحن إلى ارتفاع تكلفة المعدات، حيث تصل تكلفة محطة شحن سريعة بتيار مستمر ذات أربعة منافذ إلى ما بين 470,000 و725,000 دولار أمريكي. 💸 إذا انخفضت التكلفة، سيزداد انتشار محطات الشحن وبالتالي السيارات الكهربائية. 🤔
هل يمكننا تحسين شحن السيارات الكهربائية اقتصاديًا وكفاءة؟ 📈 هل هناك طريقة لتقليل تعقيد محطات الشحن السريع وخفض تكاليفها، مُحافظين على السلامة؟ ✅
كيف يعمل شحن السيارات الكهربائية؟
محطة الشحن هي موقع يحتوي على منفذ أو أكثر للشحن. كل منفذ يحتوي على موصلات لدعم معايير سيارات كهربائية مختلفة. 🔌 وظيفة المنفذ هي تحويل الطاقة المتناوبة إلى مستقيمة لتشغيل البطارية. 🔋 يجب التحكم في تيار الشحن لضمان: عدم تجاوز جهد خلايا البطارية الحد الأقصى، عدم تجاوز درجات حرارة خلايا البطارية الحد المسموح به، عدم تجاوز التيار المُستمد من المُؤسسة الكهربائية الحد الأقصى. 🌡️ إذا تم تجاوز هذه الحدود، فقد تتلف الخلايا أو تشتعل فيها النيران! 🔥
يُوضّح هذا الشكل أهمية وصلة العزل في محطات الشحن، التي تُفصل بين طاقة الشبكة الكهربائية وبطارية السيارة. مصدر الصورة: كريس فيلبوت
يجب أن تحمي محطات الشحن المستخدمين من الصدمات الكهربائية. ⚡️ وهذا ليس بالأمر السهل دائمًا. تُستخدم محطات الشحن في بيئات قاسية، قد تُعرّض المعدات للتلف أو التخريب. 🛠️ والمُهم هنا هو استخدام التوصيل الأرضي. 🔌 التوصيل الأرضي يُوفر مسارًا للتيار الكهربائي ليتجه إلى الأرض مباشرةً، مُجنباً أي شخص قريب من السيارة. في السيارة الكهربائية قيد الشحن، يُستخدم السلك الأرضي الأخضر في كابل الشحن كمُسار للأرض. (لا يمكن للسيارة نفسها أن تعمل كمُسار للأرض بسبب الإطارات المطاطية). 🤔
ماذا يحدث إذا لم يكن هناك مسار توصيل للأرض؟ في هذه الحالة، يُستخدم العزل الجلفاني كحل احتياطي. في العزل الجلفاني، لا يسمح بوجود مسار توصيل مباشر بين أجزاء معينة من النظام الكهربائي.
إذا لم يكن لشاحن الشحن الكهربائي وصلة عزل، وانقطع دائرة الأرض، وإذا وجدت مسارًا كهربائيًا بين البطارية وهيكل السيارة، فقد يتعرض الشخص الذي يلمس السيارة لصدمة كهربائية محتملة مميتة. 🏥 لكن باستخدام دائرة “الأرض المزدوجة” البسيطة، يُؤكد النظام سلامة الأرض قبل إغلاق المحولات التي تُمكن من تدفق التيار الكهربائي.
يُعَدّ المحول مكون عزل الجهاز الكهربائي في الشاحن “رابط العزل” الذي يفصل ماديًا وكهربائيًا بين دائرتين: شبكة الكهرباء وبطارية السيارة ودوائرها. 🛡️
في حالة تسرب سائل البطارية، وهو موصل، يمكنه توليد مسار تيار كهربائي بين دائرة البطارية وهيكل السيارة. بدون عزل، سيكون هيكل السيارة بـ جهد كهربائي مرتفع. لذا، قد يتعرض الشخص الذي يلمس السيارة وهو واقف على الأرض لصدمة كهربائية محتملة مميتة. 🏥 لكن مع العزل، لا يوجد خطر الصدمة لأنه لا يوجد مسار تيار من الشبكة الكهربائية إلى هيكل السيارة.
المحول المُستخدَم في محطات الشحن أصغر حجمًا بكثير من المحولات المُستخدمة في الشبكات، لأنه يحوّل الطاقة المباشرة إلى تيار متردد عالي التردد، ويُطبقها على مُحول صغير يُوفّر العزل الجلفاني. 🔄 ثم يتم تغيير خرج المحول مرة أخرى إلى تيار مباشر بواسطة دارة تصحيح عالية التردد. 🔄
تكلفة العزل الكهربائي مرتفعة
تتضمن جميع سيارات الكهرباء تقريبًا شاحنًا مُدمجًا (OBC) يُحول التيار المتردد إلى التيار المستمر عند الشحن المنزلي. 🔌 شاحن المدمج داخل السيارة، وقادر على توفير مستويات طاقة تتراوح من 5 إلى 22 كيلوواط حسب نوع السيارة. 🔋 هذه معدلات شحن منخفضة مقارنةً بالشحن السريع، والذي يتوفر فقط في محطات الشحن العامة، ويبدأ من 50 كيلوواط ويمكن أن يصل إلى 350 كيلوواط. 🚀
اليوم، جميع الشاحنات (المركبة والمتصلة خارجيًا) مُعزولة كهربائيًا. يُدمج العزل الكهربائي في أجهزة تحويل الطاقة، سواء كانت في السيارة أو في محطة الشحن العامة. 📦
يشتمل منفذ واحد بسعة 300 كيلوواط في محطة شحن عامة على حوالي 90,000 دولار أمريكي من الإلكترونيات القوية، حيث يمثل رابط العزل حوالي 54,000 دولار منها.
مُحولات التيار المتردد في شواحن السيارات الكهربائية هي نسخ أكبر وأعلى قوة من المُحولات المُستخدمة في الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة. 📱💻 بالنسبة للسيارات الكهربائية، يحدث تحويل الطاقة في أربع مراحل. 🔄
مرحلة تحويل الطاقة الأولى: تحويل الطاقة المُتبادلة (أحادية الطور أو ثلاثية الطور) إلى تيار مستمر. 🔄
مرحلة تحويل الطاقة الثانية: تحويل التيار المُستمر إلى موجة مربعة بتردد عالٍ. 🔄
مرحلة تحويل الطاقة الثالثة: تحويل الموجة المربعة إلى جهد مختلف. 🔄
مرحلة تحويل الطاقة الرابعة: تحويل التيار المتردد ذو التردد العالي مرة أخرى إلى تيار مستمر لإرسال الطاقة إلى بطارية السيارة. 🔄
تمثل مراحل تحويل الطاقة هذه رابط العزل، الذي يوفر عزلًا كهربائيًا. 🛡️
رابط العزل مكلف، حيث يمثل حوالي 60% من تكلفة الإلكترونيات في سيارة كهربائية نموذجية، ومسؤول عن حوالي 50% من فقدان طاقة الشاحن. 💲 نُقدّر تكلفة مواد البناء والتركيب لميناء شحن معزول كهربائياً بـ 300 دولار لكل كيلوواط. لذا، فإن ميناء شحن واحد بسعة 300 كيلوواط يتضمن حوالي 90,000 دولار من الإلكترونيات، حيث تُمثل حوالي 54,000 دولار منها رابط العزل.
هذا يعني أن محطة شحن تضم أربعة منافذ تتضمن تقريبًا 360,000 دولار في إلكترونيات الطاقة، حيث تزيد تكلفة العزل الكهربائي عن 200,000 دولار منها.
في حالة الشاحن المدمج للسيارة الكهربائية، لا يُضيف رابط العزل التكلفة فحسب، بل يُضيف الحجم أيضًا. كلما زادت قدرة الشحن، زادت تكلفة ونوعية نظام العزل. لذلك، لا يمكنك أبدًا إجراء شحن سريع باستخدام وحدة الشحن المدمجة داخل السيارة.
هذا هو أحد أهم الأسباب التي تُدفعنا لاقتراح التخلص من العزل الكهروكيميائي. 🔋 يمكن توفير مليارات الدولارات من النفقات الرأسمالية وتكاليف الطاقة. ستُحسّن موثوقية الأجهزة لأن الشواحن ستستخدم حوالي نصف عدد المكونات. 🛠️ ستقلل إزالة العزل أيضًا بشكل كبير من حجم شواحن المركبات المدمجة وتُمكنها من التعامل مع الشحن السريع (مستوى 3 من الطاقة). ⚡️
تُوضّح الصورة سيارة تسلا رودستر الكهربائية. مصدر الصورة: جلن كونيغ/لوس أنجلوس تايمز/غيتي إيماجز
مع إزالة رابط العزل، يمكننا جعل المحول في المركبة يُزود المحرك بالطاقة للقيادة، وكذلك البطاريات للشحن. من خلال جعل محوّل السيارة يؤدي وظيفتين، سنخفض التكاليف المتبقية إلى النصف مرة أخرى. 💰
استخدمت سيارة تسلا رودستر الأصلية (عام 2008) وجميع منتجات AC Propulsion شحنًا مُتكاملًا غير معزول كهربائيًا، حيث تم تنفيذ وظيفة إعادة الشحن بواسطة المحول. 🚗
هل يمكن إزالة العزل الكهربائي؟
لا تتطلب إزالة رابط العزل تعقيدًا أو تكلفة كبيرة. فقط نقطتان مهمتان: خطر الصدمة الكهربائية وتوافق الجهد الكهربائي للشبكة مع جهد البطارية. ⚡️
الخطوة الأولى: لننظر إلى خطر الصدمة الكهربائية. الصعق يمكن أن يحدث إذا كانت السيارة غير مؤرضة، وتم تطبيق الطاقة على السيارة غير المؤرضة، وتشكل مسار تسرب التيار (انظر التوضيح “خطر الصدمة”). يمكن أن يُنشأ مسار تسرب إذا، على سبيل المثال، بدأ إلكتروليت البطارية يتسرب، مشكلاً مسارًا بين البطارية وهيكل السيارة. لكن نظرًا لأن جميع أنظمة شحن المركبات الكهربائية تتضمن اتصالًا أرضيًا، فإن مسار التسرب يُشكّل مشكلة فقط إذا كان اتصال الأرض مكسورًا أو تالفًا. 🔧
تتضمن جميع أنظمة الشحن (المثبتة على متن السيارة أو خارجها) مكونات تُسمى مُلامسات السلامة، التي تُطبق الطاقة على البطارية فقط بعد إجراء العديد من الاختبارات الإلكترونية، بما في ذلك التحقق من الأرض. ✅ إذا كان اتصال الأرض مفقودًا أو معطوبًا، فلن تُطبق طاقة الشحن على البطارية.
في حالة الشحن بمستوى 2 (مثل الشحن المنزلي)، توجد مُلامِساتُ الأمان في وحدة معدات تزويد المركبات الكهربائية بالطاقة. وفي حالة الشحن السريع، تكون مُلامِساتُ الأمان جزءًا لا يتجزأ من الأجهزة.
هذا يعني أن إزالة العزل الجلفاني لن تُشكّل خطرًا كهربائيًا. إذا تسبب التسرب في ارتفاع جهد هيكل المركبة، فإنّ التيار الناتج سيُسبّب فوريًا انقطاعًا في المُحافظات في مُزوّد الشحن.
هل يمكن الوثوق في التحقق الأرضي بأنه آمن تمامًا؟ ✅ نعم، بإضافة تعديل بسيط لدائرة الشاحن، يمكن ضمان السلامة إذا انقطع أو تالف اتصال الأرض. 🔄
يمكن توفير مثل هذا المستوى من السلامة بواسطة تربة مزدوجة مُعززة بالكشف عن استمرارية الأرض. 🔄 إذا انقطع أحد أسلاك الأرض، فإن السلك الآخر يضمن أن تكون المركبة لا تزال موصولة بالأرض. 🔄
كشف استمرارية سلك الأرض ليس مكلفًا ولا معقدًا. 👨🔧
يُصبح الشحن آمنًا مضاعفًا! 💯 بالإضافة إلى ذلك، إذا كان احتمال عطل أرضي فردي هو P، فإن احتمال فشلهما معًا هو P2.
هناك أيضًا مشكلة عدم التوافق بين جهد التيار المتردد من مصدر الطاقة وجهد بطارية السيارة الكهربائية. 🚧 الحل هو جهاز يُسمّى منظم خفض الجهد (أو محول خفض الجهد). يُخفّض جهد التيار المتردد إلى مستوى جهد البطارية. مقارنةً برابط عزل بنفس القدرة، ستكون تكلفة منظم خفض الجهد أقل من 10%، وسيكون فقدان الطاقة أقل من 20%. 💲
مستقبل شحن السيارات الكهربائية العامة
يُعدّ نهج تحويل الطاقة المباشر (DPC) أكثر فعاليةً من حيث التكلفة، 💵 ويُحسّن كفاءة الطاقة بنسبة اثنين إلى ثلاثة في المئة. 🔋 هذا سيزيد جاذبية السيارات الكهربائية للكثيرين. 🚀
حان الوقت لتبسيط عملية إعادة شحن المركبات الكهربائية وجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة. 💪 دع المناقشة حول إزالة رابط العزل تبدأ! 🗣️
المصدر: رابط المقال الأصلي