أخبار التكنولوجيا

الشحن اللاسلكي: تمهيد الطريق للتكامل السلس للمركبات الكهربائية



يعد الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية (EVs) تقنية ناشئة، ولكنها تقنية طالما حلمت بها البشرية، والتي تتيح لنا تغيير طريقة شحن المركبات الكهربائية تمامًا. ومن خلاله، من الممكن إعادة شحن سيارتك بالكامل تلقائيًا ودون الحاجة إلى أي توصيل للكابلات أو المقابس الكهربائية.

مقدمة

إنه إجراء مناسب تمامًا والمبدأ الذي يعتمد عليه نظام الشحن اللاسلكي هو مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. يتم توصيل دائرة الشحن، الموجودة عادة تحت الأرض، بالشبكة الكهربائية. إذا تم وضع سيارة مصممة لهذا النوع من الشحن فوق الدائرة، يتم إنشاء مجال مغناطيسي يولد تيارًا كهربائيًا في دوائر السيارة، ويعيد شحن بطاريتها. معها ليست هناك حاجة للكابلات الكهربائية، وهذا يجعل العملية أسهل وأكثر أمانا.

يتم أيضًا تقليل مخاطر ارتفاع درجة الحرارة وتلف البطارية إلى الحد الأدنى. ومع ذلك، ما لم تكن الملفات قريبة جدًا من بعضها البعض ومتوافقة بشكل صحيح، فإن طريقة نقل الطاقة هذه ليست فعالة على النحو الأمثل. لزيادة الكفاءة على مسافات أكبر بين المصدر والمستقبل، مع محاذاة غير مثالية، يتم تنفيذ الرنين المغناطيسي. في الوقت الحاضر، أصبحت معظم الأنظمة اللاسلكية ذكية وتكتشف حالة البطارية، وتوقف الشحن تلقائيًا عندما لا تكون هناك حاجة إليها. علاوة على ذلك، يتم تقليل الصيانة إلى الحد الأدنى حيث لا توجد أجزاء ميكانيكية عرضة للتآكل. تعمل التكنولوجيا على زيادة كفاءة أنظمة الشحن اللاسلكي، حتى لو كانت التكاليف مرتفعة. علاوة على ذلك، ليست كل السيارات الكهربائية متوافقة مع نظام الشحن هذا، كما أن الطاقة المستخدمة في الدوائر أقل حتى من أنظمة الشحن بالكابلات الكهربائية.

يمكن أن تتم عملية إعادة الشحن في الوضع الثابت عندما تكون السيارة متوقفة على دعامة الشحن، أو أثناء تحركها. وفي هذا الوضع الثاني، يتم وضع دوائر الشحن على الطريق أو بالقرب من إشارات المرور، باستخدام أسفلت خاص قادر على توليد تيار كهربائي. وفي المستقبل، قد تكون هناك طرق ذات ممرات خاصة مخصصة خصيصًا لشحن المركبات الكهربائية أثناء النقل العادي.

الشحن اللاسلكي بالتفصيل

يعد شحن السيارة لاسلكيًا طريقة شحن تلغي الحاجة إلى الاتصال الجسدي بين السيارة ومصدر الطاقة وهي تحظى بالفعل بشعبية كبيرة. تستغل هذه الطريقة الحث الكهرومغناطيسي والرنين المغناطيسي، حيث يمكن تحريض تيار كهربائي من خلال مجال مغناطيسي. تعتبر المسافة التي تفصل السيارة عن نظام الشحن أمرًا بالغ الأهمية، وغالبًا ما يكون الاختلاف ببضعة سنتيمترات كافيًا لتقليل الطاقة المنقولة بشكل كبير.

لذلك يجب أن يكون ركن السيارة دقيقاً جداً ويجب وضع الملفين (Tx وRx) على مسافة قصيرة جداً. يحدث مرور الطاقة من خلال توليد مجال مغناطيسي يحفز التيار الكهربائي. ومن الناحية العملية، هناك وجود ملفين كهربائيين، أحدهما موجود أسفل المركبة والآخر في حاوية خاصة على الأرض. وإذا كان الملفان قريبان جداً من بعضهما البعض، يتم إحداث تيار كهربائي من الملف الأول إلى الملف الثاني، بحيث يمكن إعادة شحن بطارية السيارة تماماً كما لو كان النظام متصلاً عبر كابل كهربائي عادي. تعتبر أنظمة الشحن اللاسلكي، من الناحية النظرية، بسيطة للغاية ولكنها تستحق الكثير من الاهتمام لأنها ستشكل بالتأكيد طرق المستقبل لاستعادة الطاقة في البطاريات والمكثفات الفائقة.

يتكون النظام عادة من قسمين، المرسل والمستقبل (انظر الرسم البياني العام في الشكل 1). يقوم المرسل بتحويل جهد الدخل إلى تدفق مغناطيسي، ويقوم جهاز الاستقبال بتحويل هذا التدفق المغناطيسي إلى جهد خرج تيار مستمر. لتحريض تيار بين المحرِّض الأول والثاني، هناك حاجة إلى إشارة متناوبة، لا يهم شكلها ولكن الإشارة الجيبية هي الأكثر كفاءة. يتضمن نقل الطاقة دون توصيل كهربائي مادي وجود دائرة تبديل، غالبًا بتردد عالٍ. لهذا السبب، غالبًا ما تصدر أنظمة الشحن اللاسلكي مجالات كهرومغناطيسية في المنطقة المجاورة مباشرة.

الشكل 1: المخطط العام لنظام الشحن اللاسلكي.
الشكل 1: المخطط العام لنظام الشحن اللاسلكي

عندما تكون الدائرتان متقاربتين بدرجة كافية، تتم عملية التعرف بين الجزأين، يرسل المرسل الإشارة من ملفه الذي يستقبلها ملف الاستقبال، فيمر المجال المغناطيسي عبر الملفين، حتى لو لم يكونا فيزيائيين متصل. خلال هذا الإجراء، من الطبيعي تمامًا فقدان جزء صغير من الطاقة. يقوم ملف الاستقبال بتجميع المجال المغناطيسي وينتج تيارًا متناوبًا يصل، من خلال مقوم الطاقة، إلى البطارية المراد شحنها، هذه المرة كتيار مباشر. ولزيادة المجال المغناطيسي، يمكن زيادة التيار في دائرة الإرسال أو زيادة حجم الملفات، أو يمكن تقليل المسافة بينهما.

يعد الشحن اللاسلكي تقنية قيمة للغاية تزيد من قيمتها بالتآزر مع بطاريات الليثيوم. ومع التكنولوجيا الحالية، يعد هذا النوع من الشحن أقل كفاءة وأبطأ من الشحن التقليدي، ولكن يتم تحقيق خطوات كبيرة كل يوم من قبل الشركات. لتعظيم الطاقة المنقولة، يجب أن تكون أبعاد الملفات كبيرة جدًا، مع وجود كتلة غير مرغوب فيها لا مفر منها. لهذا السبب، من الضروري إجراء محاذاة مثالية بين الملفين لتعظيم نقل التيار. توفر أحدث الأنظمة مراقبة مرئية ومسموعة تحذر المستخدمين من طرق المحاذاة الجارية. علاوة على ذلك، يعمل الشحن اللاسلكي بشكل مستقل عن العلامة التجارية للبطارية، لذلك يمكن إعادة شحن الأجهزة من مختلف العلامات التجارية دون مشاكل. علاوة على ذلك، نظرًا لعدم وجود اتصال مادي مباشر، فإن جميع الأجزاء الكهربائية والإلكترونية مقاومة للماء ومحكم الإغلاق ولا توجد مشكلة في أكسدة نقاط الاتصال.

التشغيل الأساسي للدائرة

يوضح الشكل 2 الرسم التخطيطي العام لنظام شحن لاسلكي بسيط. الجزء الأيسر يشكل جهاز الإرسال، في حين أن الجزء الأيمن يشكل جهاز الاستقبال. ينتج جهاز الإرسال جهدًا متناوبًا، والذي يتم تعزيزه بواسطة جهاز طاقة ويمر عبر محث النقل. يوجد بالقرب منه مغوٍ مستقبلي يحتوي على نفس الإشارة المرسلة، مطروحًا منه نسبة صغيرة من الخسائر. يتم تصحيح الإشارة وتسويتها لتكون متاحة لشحن البطارية. ويمثل هذا الحل الاستقرائي في الواقع محولاً افتراضياً لأنه يتمتع بنفس خصائص المحول التقليدي ولكنه عادة لا يزيد أو ينقص الجهد وينقل الطاقة لاسلكياً فقط.

المبدأ المطبق هو مبدأ الحث المتبادل بين اثنين من المحاثات التي يتم وضعها بالقرب من بعضها البعض. عادةً ما يكون لتردد إشارة التيار المتردد قيمة عالية إلى حد ما لإنتاج المجال الكهرومغناطيسي اللازم لنقل الإشارة. كما يمكن فهمه، يحتاج جهاز الإرسال إلى مذبذب تمت معايرته بشكل مناسب من حيث التردد والجهد.

الشكل 2: نظام الشحن اللاسلكي العام.
الشكل 2: نظام الشحن اللاسلكي العام

ومن المثير للاهتمام ملاحظة استجابة الدائرة لمعاملات الاقتران المختلفة. في كثير من الأحيان، لا يتم وضع السيارات بالضبط في أفضل نقطة للشحن، وبالتالي فإن الإشارة التي يلتقطها جهاز الاستقبال ليست الحد الأقصى. كما ذكرنا من قبل، يمكن أن يؤدي تغيير بسيط في موضع السيارة بالنسبة للوحة الشحن إلى تغيير مستوى جهد الشحن، حتى بمقدار كبير. يوضح الرسم البياني الموضح في الشكل 3 مستوى الجهد الذي تم تصحيحه بواسطة جهاز الاستقبال، فيما يتعلق بمعامل اقتران الملفين، وهو اقتران يمكن أن يتغير بناءً على موضع السيارة بالنسبة للوحة الاستقبال. تمت إضافة نسبة صغيرة من التموج عمدا إلى الرسم البياني، وذلك على وجه التحديد لتسليط الضوء على أن هذا التيار يأتي من مصدر متناوب ومن ثم تصحيحه.

الشكل 3: المسافة بين TX وRX أمر بالغ الأهمية.
الشكل 3: المسافة بين TX وRX أمر بالغ الأهمية

يستغرق الكثير من القوة

يتطلب الشحن اللاسلكي للسيارات الكهربائية تشغيلًا عالي الطاقة. وتوجد، على سبيل المثال، محطات كهربائية لشحن الحافلات الكهربائية بقدرة تصل إلى 200 كيلوواط قادرة على إعادة شحنها في بضع دقائق لرحلات تصل إلى مئات الكيلومترات. ويهدف البحث إلى تطوير تقنيات جديدة تهدف إلى تداول المركبات عديمة الانبعاثات. منذ بعض الوقت، تمت تجربة الشحن اللاسلكي بنجاح كبير، والذي لا يتضمن استخدام الكابلات ويتم الإجراء دون اتصال مادي بين البنية التحتية للشحن والمركبة (الشكل 4). عندما يتم وضع السيارة فوق لوحة الشحن، يكتشف جهاز الإرسال وجودها ويبدأ في حث التيار الكهربائي باستخدام مجال مغناطيسي.

تبدأ لوحة الاستقبال في التقاط التيار المستحث، وذلك باستخدام الطاقة الكهربائية لإعادة شحن البطارية. وتتمثل مهمة السائق الوحيدة في وضع السيارة فوق لوحة الشحن وتبدأ العملية تلقائيًا. يمكن أن تكون القوى المعنية عالية جدًا، في حدود عشرات أو مئات كيلووات، اعتمادًا على النظام المستخدم. أحد العوامل المهمة التي يجب أخذها في الاعتبار هو أن الشحن اللاسلكي، في الوقت الحالي، لا يُستخدم ليحل محل شحن الكابلات التقليدي للسيارات الكهربائية تمامًا، ولكن كوسيلة مساعدة للإجراء، لتنفيذ عمليات إعادة شحن أقصر وأكثر تكرارًا أثناء الرحلات البرية. ولعمليات إعادة شحن أكبر، يمكن إعادة شحن المركبات عبر صناديق الحائط المنزلية أو محطات الشحن الكهربائية. وفقًا للدراسات الحديثة، في الوقت الحالي، تتيح عملية نقل الطاقة اللاسلكية الشحن التلقائي للسيارات الكهربائية بكفاءة عالية جدًا تصل إلى 93٪ تقريبًا.

الشكل 4: شحن السيارة دون الحاجة إلى استخدام الكابلات الكهربائية (المصدر: مطبعة جامعة كامبريدج).
الشكل 4: شحن السيارة دون الحاجة إلى استخدام الكابلات الكهربائية (المصدر: مطبعة جامعة كامبريدج)

خاتمة

تحرز التكنولوجيا تقدمًا مهمًا في مجال الشحن اللاسلكي للمركبات، وفي السنوات القادمة ستكون أكثر تواجدًا على الطرق. العامل الأكثر أهمية، كما ذكرنا سابقًا، هو الوضع الصحيح لـ TX وRX، لالتقاط الكمية اللازمة من الطاقة بكفاءة. ومن ثم، يمكن لشاحن البطارية أن يعمل بشكل مستقل من حيث الإدارة والتحكم والأتمتة. هناك فائدة كبيرة لعمليات إعادة الشحن القصيرة وهي زيادة عمر البطارية، حيث أن دورات الشحن المنخفضة تحافظ على البطاريات وتطيل متوسط ​​عمرها.

وظيفة الشحن اللاسلكي: تمهيد الطريق للتكامل السلس للمركبات الكهربائية ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *