تقنيات الشحن اللاسلكي وتبديل البطارية للسيارات الكهربائية

تعاني السيارات الكهربائية من بعض المشاكل، من ضمنها استغراق وقت طويل لشحنها (من 20 دقيقة وتصل إلى أكثر من 8 ساعات) وقلة محطات الشحن في العديد من الدول، وكذلك مشكلة ارتفاع الحرارة أثناء الشحن. ولحل هذه المشاكل، يتم شحن السيارات لاسلكيا عبر وقوفها في أماكن مخصصة أو عبر السير في مسارات معينة على الطريق أو عن طريق استبدال البطارية في محطات تبديل البطارية (Battery swapping station (BSS.

يتم نقل الطاقة لاسلكيا بين لوحة الإرسال (Transmitter) المثبتة في الأرض ولوحة الإستقبال (Receiver) المثبتة في السيارة ويمكن تلخيص أنواع الشحن اللاسلكي في ثلاثة أنواع [1]:

1- الشحن اللاسلكي السعوي (Capacitive wireless charging):

ويتم ذلك عن طريق إزاحة التيار الناجم عن اختلاف المجال الكهربائي واستخدام المكثفات لنقل الطاقة لاسلكيا بدلاً من المغناطيس. بحيث يتم إعطاء جهد متردد لدائرة تصحيح عامل القدرة (power factor) لتحسين الكفاءة والحفاظ على مستوى الجهد. ثم يتم نقله إلى H-bridge لتوليد جهد عالي التردد ويتم تطبيقه على لوحة الإرسال والتي تتسبب في توليد مجال كهربائي متردد والذي يؤدي لإزاحة التيار إلى لوحة الاستقبال عن طريق الحث الكهربائي الساكن، وبعد ذلك يتم تحويل الجهد المتردد في ملف الإستقبال إلى جهد مستمر DC لتغذية البطارية بواسطة المقوم (rectifier) ودوائر الترشيح (filter circuits). ويتراوح تردد التشغيل ما بين 100 إلى 600 كيلوهرتز.

الشكل 1: نموذج الشحن اللاسلكي السعوي [3]

2- الشحن اللاسلكي بالمغناطيسي الدائم (Permanent magnetic gear wireless charging):

يتكون كل من ملف الإرسال والإستقبال على مغناطيس دائم داخل الملف. يعمل الجزء المرسل بطريقه تشبه عمل المحرك، بحيث يتم تطبيق التيار المتردد على لوحة الإرسال والذي يؤدي الى دوران المغناطيس بسبب وجود التيار الكهربائي داخل الحقل المغناطيسي. ويعمل الجزء المستقبل بطريقه تشبه عمل المولد، حيث أن المجال المغناطيسي في الجزء المرسل يؤدي إلى دوران المغناطيس باتجاه معاكس في الجزء المستقبل، وبالتالي يتم توليد التيار المتردد بسبب وجود الطاقة الحركية داخل الحقل المغناطيسي، وبعد ذلك يتم شحن البطارية بعد تقويم وترشيح التيار من خلال محولات الطاقة.

الشكل 2: نموذج الشحن اللاسلكي بالمغناطيس الدائم [3]

3- الشحن اللاسلكي الحثي (Inductive wireless charging):

ويعتمد بشكل أساسي على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. حيث يتم نقل الطاقة لاسلكيا بواسطة الحث المتبادل للمجال المغناطيسي بين ملف الإرسال والإستقبال. يتم تطبيق تيار متردد على ملف الإرسال والذي ينتج مجال مغناطيسي متردد يتسبب في تحرك الإلكترونات عند ملف الإستقبال، والذي بدورها تنتج طاقة تيار متردد، وبعد ذلك يتم تقويم وترشيح التيار المتردد لشحن البطارية. تعتمد كمية الطاقة المرسلة على التردد والحث المتبادل والمسافة بين الملفين. ويتراوح تردد التشغيل ما بين 19 إلى 50 كيلوهرتز.

الشكل 3: نموذج الشحن اللاسلكي الحثي [3]

لازالت تقنية الشحن اللاسلكي للسيارات الكهربائية قيد التطوير والاختبارات ومن أبرز الشركات التي طورت هذه التقنية هي BMW و Volvo. ولكن من عيوب الشحن اللاسلكي هو الوقت الطويل للشحن الذي يتجاوز النصف ساعة في أحسن الظروف. ومن أجل التغلب على هذه المشكلة، تلجأ بعض الشركات لإنشاء محطات خاصة لتبديل البطارية [2].

يوضح الشكل 2 نموذج محطة تبديل البطارية، والتي يمكنها الاسترداد السريع لطاقة البطارية عن طريق استبدالها في زمن قياسي يتراوح بين 3 إلى 5 دقائق. بحيث أن العميل يمتلك السيارة ويستأجر البطارية من محطات التبديل، وهذا يقلل بشكل كبير من تكلفة شراء السيارة الكهربائية حيث تمثل البطاريات حوالي 40٪ من التكلفة الإجمالية للسيارة. كما أن هذه المحطات تلعب دورا مهما في تقليل الحمل على الشبكة الكهربائية، حيث من السهل إدارة البطاريات والتحكم في أحمال الشحن الخاصة بها.

الشكل 4: نموذج محطة تبديل البطارية [2]

ومع هذه المميزات فإنها لاتخلو من بعض المشاكل والتحديات ومن ضمنها:

تكلفة استثمار بناء عالية، وتكاليف البطاريات العالية، وقلة عدد البطاريات التي لا يمكنها تلبية طلب العملاء.
ضغط على الشبكة الكهربائية بسبب الشحن المضطرب للبطاريات، حيث أن الشحن البطيء والسريع كلاهما يسبب ضغط أحمال على الشبكة.

تعتبر شركة نيو الصينية من أوائل الشركات المستثمرة في محطات تبديل البطارية ولديها اكثر من 830 محطة استبدال في الصين ويظهر المقطع التالي عملية استبدال البطارية لإحدى طرازات سياراتها الكهربائية.