تحليل متعمق للمركبات الكهربائية: مبادئ العمل الكاملة من المكونات الأساسية إلى الأنظمة الذكية
باعتبارها المحور الرئيسي لتحول وتطوير صناعة السيارات، تُعيد المركبات الكهربائية تشكيل مشهد النقل بفضل مزاياها الصديقة للبيئة، من كفاءة عالية وذكاء صناعي. من حشية برغي صغيرة إلى نظام قيادة ذكي مُعقد، يُشكل العمل التعاوني لكل مُكوّن تجربة تشغيل سلسة للمركبة الكهربائية. انطلاقًا من المبادئ الأساسية، تُحلل هذه المقالة بشكل منهجي آليات عمل المكونات الأساسية والتقنيات الذكية للمركبات الكهربائية، مما يُتيح لك فهمًا شاملًا للمنطق الداخلي للمركبات الكهربائية.
I. قلب الطاقة: مبدأ عمل محركات المركبات الكهربائية
يُعدّ المحرك "قلب" السيارة الكهربائية، وكفاءته في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية تُحدد مباشرةً الأداء الديناميكي للسيارة. بدءًا من ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي البسيطة ووصولًا إلى محركات الحث ثلاثية الطور الصناعية، ركّز تطوير محركات السيارات الكهربائية دائمًا على ثلاثة أهداف رئيسية: "كفاءة عالية، عزم دوران عالٍ، وثبات عالٍ".
(I) الحث الكهرومغناطيسي: الأساس الفيزيائي الأساسي للمحركات
ينبع جوهر عمل المحرك من التفاعل بين الحث الكهرومغناطيسي والقوة الكهرومغناطيسية. ويمكن فهم جوهره المنطقي من خلال مجموعة من التجارب البسيطة.
التفاعل الكهرومغناطيسي الأساسي: عند تقريب قضيب معدني دوار من مغناطيس، يدور القضيب المعدني باتجاه المغناطيس. إذا استُبدل القضيب المعدني بقرص حديدي وحُرّك بمغناطيس على شكل حرف U، يدور القرص مع المغناطيس، بل ويُنتج دورانًا ذاتيًا. للوهلة الأولى، تُعزى هذه الظاهرة إلى قوة جذب المغناطيس، ولكن عند استبدال القرص الحديدي بقرص من الألومنيوم (مادة غير مغناطيسية حديدية)، فإن تحريك المغناطيس لا يزال يدفع القرص إلى الدوران، مما يكشف عن الدور الأساسي للحث الكهرومغناطيسي.
التآزر بين الحث الكهرومغناطيسي والقوة الكهرومغناطيسية: يتدفق المجال المغناطيسي لمغناطيس على شكل حرف U من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. عندما يتحرك المغناطيس، يقطع مجاله المغناطيسي القرص (الموصل). وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي، يتم توليد تيار مستحث على القرص. يمكن تحديد اتجاه التيار المستحث بقاعدة اليد اليمنى التي تشير إلى مركز القرص. يمكن لقاعدة اليد اليسرى تحديد اتجاه القوة المؤثرة على القرص - أشر بإصبع السبابة في اتجاه المجال المغناطيسي والإصبع الأوسط في اتجاه التيار والإبهام إلى القوة الكهرومغناطيسية التي تدفع القرص إلى الدوران. النقطة الأساسية هي أنه يجب أن يكون هناك فرق في سرعة الدوران بين المغناطيس والقرص. إذا كانت سرعات الدوران هي نفسها، فلا يمكن أن يحدث الحث الكهرومغناطيسي وسيفقد القرص قدرته على الدوران الذاتي.
(II) تكرار بنية المحرك: من الأجهزة البسيطة إلى التصميم الصناعي
لتحقيق إنتاج طاقة مستمر ومستقر، خضع هيكل المحرك لجولات متعددة من التحسين والترقية.
تحسين الهيكل الأساسي: استبدال قرص الألومنيوم بأسطوانة حديدية، ومغناطيس حرف U بمغناطيسين قضيبيين. عند دوران المغناطيس، تدور الأسطوانة وفقًا لذلك. بناءً على تحليل القوة، يتدفق المجال المغناطيسي من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. عندما يتحرك المغناطيس لأسفل بالنسبة للأسطوانة، فإن الأسطوانة تُعادل حركتها لأعلى. يُولّد تيار مستحث وفقًا لقاعدة اليد اليمنى، ثم تُحدد اتجاهات القوة على جانبي الأسطوانة (أحدهما لأسفل والآخر لأعلى) وفقًا لقاعدة اليد اليسرى، مما يدفع الأسطوانة في النهاية إلى الدوران.
تطبيقات المغناطيسات الكهربائية: يُولّد الملف مجالًا مغناطيسيًا عند تنشيطه. يتميز هذا النوع من المغناطيسات الكهربائية، الذي يكون مغناطيسيًا عند تنشيطه وغير مغناطيسي عند فصله، بقدرة تحكم أكبر من المغناطيسات الدائمة التقليدية، حيث يُمكن لزيادة الجهد أن تُعزز قوة المجال المغناطيسي، ويُؤدي تغيير اتجاه التيار إلى عكس الأقطاب المغناطيسية. بناءً على هذه الخاصية، تُرتّب ملفات متعددة حول الأسطوانة. بتغيير اتجاه التيار باستمرار، يُمكن تكوين مجال مغناطيسي دوار، ويمكن تشغيل الأسطوانة للدوران باستمرار دون الحاجة إلى تدوير المغناطيس ميكانيكيًا، وهو جوهر تصميم المحرك.
(III) التيار المتناوب ثلاثي الطور: طريقة تنفيذ المجال المغناطيسي الدوار
تعتمد المركبات الكهربائية بشكل عام على محركات حثية ثلاثية الطور ويكمن جوهرها في توليد مجال مغناطيسي دوار مستقر من خلال تيار متناوب ثلاثي الطور.
توليد تيار متردد ثلاثي الطور: عند دوران مغناطيس حول ملف، يؤدي تغير المجال المغناطيسي إلى توليد تيار متردد في الملف (شكل موجة التيار المتردد أحادي الطور هو منحنى جيبي). إذا رُتبت ثلاثة ملفات تدور بزاوية 120 درجة، فسيولد المغناطيس ثلاث مجموعات من التيار المتردد بفارق طور قدره 120 درجة، وهو تيار متردد ثلاثي الطور. يُوصل أحد طرفي الملفات الثلاثة ليشكل خطًا محايدًا، بينما يمتد الطرف الآخر كخطوط ثلاثية الطور. الجهد بين خطوط الطور هو 380 فولت، والجهد بين خط الطور وخط الحياد هو 220 فولت. يمكن لطرق التوصيل المختلفة تلبية احتياجات استهلاك الطاقة المختلفة.
لفّ الملف وتكوين المجال المغناطيسي: يتكون المحرك من جزء ثابت وجزء دوار، ويُلفّ الملف في فتحات الجزء الثابت. طريقة اللفّ المحددة هي: يدخل الملف من المنفذ أ ويخرج في الاتجاه المعاكس من المنفذ أ؛ يدخل من المنفذ ب بزاوية 120 درجة ويخرج في الاتجاه المعاكس من المنفذ ب؛ وبالمثل، يُكمل لفّ الملف عند المنفذ ج، وأخيرًا، يُوصل الأسلاك المُعادة في الاتجاه المعاكس معًا، ويربط خطوط التيار المتردد ثلاثي الأطوار بالتيار المتردد ثلاثي الأطوار.
توليد مجال مغناطيسي دوار: يتغير شكل موجة التيار المتردد ثلاثي الأطوار دوريًا مع مرور الوقت. في لحظات مختلفة، تختلف قطبية التيار ومقدار خطوط الأطوار الثلاثة. على سبيل المثال، في لحظة معينة، يكون طور R موجبًا وطورا S وT سالبين؛ وفي اللحظة التالية، يكون طورا R وS موجبين وطور T سالبًا. يؤدي هذا التغيير إلى تحول مستمر في اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن ملف الجزء الثابت. وفقًا لقاعدة أمبير، يتغير اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن كل ملف (مع عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) مع التيار. بعد تراكب المجالات المغناطيسية لعدة ملفات، يتشكل مجال مغناطيسي دوار باستمرار، وترتبط سرعة دوران المجال المغناطيسي ارتباطًا إيجابيًا بتردد التيار المتردد.
(IV) بنية وتصنيف المحركات الحقيقية
تم تحسين محركات المركبات الكهربائية الصناعية بدقة بناءً على المبادئ الأساسية وتنقسم بشكل أساسي إلى فئتين: المحركات الحثية (المحركات غير المتزامنة) والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم.
المحركات الحثية (المحركات غير المتزامنة):
الهيكل الأساسي: يتكون من عضو ثابت ودوار. يحتوي العضو الثابت على أخاديد داخلية لتثبيت ملفات اللف. أما العضو الدوار فهو هيكل على شكل قفص سنجابي، مصنوع من صفائح حديد معزولة ذات أخاديد داخلية وقضبان موصلة مدمجة في الأخاديد.
خصائص العمل: عند مرور تيار متردد عبر ملف الجزء الثابت، يتولد مجال مغناطيسي دوار. تقطع قضبان التوصيل في الجزء الدوار خطوط المجال المغناطيسي لتوليد تيار مستحث، ثم تُدفع للدوران بقوة كهرومغناطيسية. ولأن سرعة الجزء الدوار تكون دائمًا أقل من سرعة المجال المغناطيسي (مع وجود معدل انزلاق)، يُسمى هذا المحرك محركًا غير متزامن.
تحسين الملفات: في الإنتاج الصناعي، عادةً ما تحتوي مجموعة ملفات اللف على مئات أو آلاف اللفات. بعد لفّها بواسطة آلة، تُطلى بطلاء عازل، مما يُحسّن أداء العزل، ويعزز التوصيل الحراري أيضًا. لحل مشكلة عدم تساوي المجالات المغناطيسية، يُزاد عدد أخاديد الجزء الثابت (مثل 12 و24)، وتُوصل الملفات على التوالي وتُطوى لتشكيل هياكل مجال مغناطيسي مختلفة، مثل ثنائي القطب ورباعي القطب. تتميز محركات المجال المغناطيسي ثنائية القطب بسرعة عالية وعزم دوران كبير، كما يُحسّن تصميم الأخاديد المتعددة استقرار المجال المغناطيسي وكفاءة المحرك.
المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم:
تحسين هيكلي: ثُبّتت مغناطيسات دائمة على شكل قوس خارج الدوار (لتحل محل الدوار ذي القفص السنجابي). تُولّد المغناطيسات الدائمة مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا يتفاعل مع المجال المغناطيسي الدوار الناتج عن ملف الجزء الثابت.
المزايا الأساسية: تتزامن سرعة الدوار مع سرعة المجال المغناطيسي للجزء الثابت دون فقدان الطاقة الناجم عن التيار المستحث (فقدان الطاقة في محركات الحث هو حوالي 3٪ -4٪) ولها عزم دوران كبير وأداء ممتاز في السرعات المنخفضة.
المشاكل الموجودة: أثناء القيادة بسرعة عالية، تكون القوة الدافعة الكهربائية الخلفية التي يولدها المغناطيس الدائم معاكسة لاتجاه القوة الدافعة الكهربائية للمحرك مما يؤثر على كفاءة المحرك؛ وفي الوقت نفسه، سوف يتسبب المغناطيس الدائم في ظهور تيارات إيدي مما يؤدي إلى فقدان إضافي للطاقة.
محركات الممانعة المتزامنة ذات المغناطيس الدائم:
تصميم هجين: من خلال الجمع بين مزايا السرعة المنخفضة وعزم الدوران العالي للمحركات المغناطيسية الدائمة والاستقرار عالي السرعة لمحركات التردد المتزامنة، يتم تضمين المغناطيسات الدائمة في أخاديد محركات التردد المتزامنة لتشكيل هيكل مركب.
تحسين الأداء: بتعديل الزاوية بين المجال المغناطيسي الدوار والمجال المغناطيسي الدائم، يُمكن إضعاف القوة الدافعة الكهربائية العكسية أو حتى تعويضها، مما يُمكّن المحرك من العمل بكفاءة في السرعات المنخفضة والعالية. أثناء بدء التشغيل، يُمكن تحقيق أقصى عزم دوران من خلال الحفاظ على زاوية المجال المغناطيسي الدوار عند حوالي 50 درجة.
II. مصدر الطاقة: مبدأ عمل بطاريات الليثيوم وتصميم حزمة البطاريات
تُستمد قوة المحرك من الطاقة الكهربائية، وتُعتبر بطاريات الليثيوم العنصر الأساسي لتخزين الطاقة في المركبات الكهربائية. وقد أصبحت بطاريات الليثيوم وسيلة تخزين الطاقة المُفضلة في المركبات الكهربائية بفضل مزاياها المتمثلة في كثافة الطاقة العالية، وعمرها الافتراضي الطويل، وقدرتها على الشحن السريع.
(I) البنية الأساسية ومبدأ عمل بطاريات الليثيوم
تعتمد عملية تحويل الطاقة في بطاريات الليثيوم على التداخل والإزالة لأيونات الليثيوم، ويشتمل الهيكل الأساسي على قطب موجب وطبقة إلكتروليت وقطب سالب.
مواد الأقطاب الكهربائية:
القطب السالب: يتكون بشكل رئيسي من طبقات من الجرافيت. يتميز الجرافيت ببنية طبقية بلورية توفر مساحة لتداخل أيونات الليثيوم.
القطب الموجب: أكاسيد معدنية تحتوي على الليثيوم (مثل أكاسيد النيكل والكوبالت والمنجنيز للبطاريات الليثيوم الثلاثية وفوسفات الحديد الليثيوم للبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم).
الإلكتروليت: محلول ملح الليثيوم العضوي المغطى على الفاصل مما يسمح للأيونات الليثيوم بالمرور ولكن يمنع الإلكترونات.
عملية الشحن والتفريغ:
الشحن: عند توصيل مصدر طاقة خارجي، يجذب القطب الموجب لمصدر الطاقة إلكترونات ذرات الليثيوم في مادة القطب الموجب. تتدفق الإلكترونات على طول السلك، وتفقد ذرات الليثيوم إلكتروناتها لتتحول إلى أيونات ليثيوم تتدفق إلى القطب السالب عبر طبقة الإلكتروليت، وتتداخل في البنية البلورية الطبقية للجرافيت حتى تتداخل جميع أيونات الليثيوم وتُشحن البطارية بالكامل.
التفريغ: عند توصيل الدائرة بحمل (مثل محرك)، تعود أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب عبر طبقة الإلكتروليت لاستعادة حالة الاستقرار. تتدفق الإلكترونات عبر السلك إلى القطب الموجب، وتتحد مع أيونات الليثيوم لتشكل تيارًا لتزويد الحمل بالطاقة.
آليات الحماية الرئيسية:
حماية السلامة: يتم توفير طبقة عازلة في منتصف الإلكتروليت لمنع حدوث ماس كهربائي بين الأقطاب الموجبة والسالبة (ستؤدي الدوائر القصيرة إلى جفاف الإلكتروليت والتسبب في الحرائق).
تكوين غشاء SEI: خلال أول عملية شحن لبطارية الليثيوم، تتدفق أيونات الليثيوم إلى القطب السالب عبر طبقة الإلكتروليت. تتفاعل بعض الإلكترونات مع جزيئات المذيب والجرافيت لتكوين غشاء صلب بين الطور الإلكتروليتي (غشاء SEI). يمنع غشاء SEI التلامس بين جزيئات المذيب الإلكتروليتي والقطب السالب، مما يمنع تحلل الإلكتروليت. على الرغم من أنه يستهلك حوالي 5% من أيونات الليثيوم النشطة، إلا أن فوائده الإجمالية تفوق عيوبه. يواصل العلماء تحسين أداء البطاريات من خلال تحسين سمك غشاء SEI وخصائصه الكيميائية.
(II) أنواع بطاريات الليثيوم وتصميم حزمة البطاريات
أنواع شائعة من بطاريات الليثيوم:
بطاريات الليثيوم الثلاثية: يتكون القطب الموجب من خليط متناسب من النيكل والكوبالت والمنجنيز. تتميز بكثافة طاقة عالية وأداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة، وهي مناسبة للطرازات التي تركز على المدى والطاقة.
بطاريات فوسفات حديد الليثيوم: مادة القطب الموجب هي فوسفات حديد الليثيوم. تتميز هذه البطاريات بسلامة عالية وعمر افتراضي طويل وتكلفة منخفضة، وهي مناسبة للطرازات التي تركز على الاستقرار والكفاءة.
تكوين ونظام تبريد مجموعات البطاريات:
تصميم معياري: بطارية ليثيوم واحدة ذات جهد وسعات محدودة. تجمع حزمة بطاريات السيارة الكهربائية آلاف بطاريات الليثيوم متصلة على التوالي وبالتوازي (على سبيل المثال، تحتوي بعض الطرز على أكثر من 7000 بطارية ليثيوم) لتكوين حزمة بطاريات عالية الجهد.
نظام إدارة الحرارة: تُولّد البطاريات حرارة أثناء التشغيل. درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة جدًا تؤثر على الأداء والسلامة. حزمة البطارية مُجهزة بنظام تبريد. يدور سائل التبريد عبر أنابيب معدنية لخفض درجة حرارة البطارية؛ وفي الوقت نفسه، يُمكن لنظام إدارة الحرارة مراقبة درجة حرارة البطارية وتسخينها عند درجات حرارة منخفضة. تصميم عدة بطاريات صغيرة يُتيح توزيعًا متساويًا لدرجة الحرارة، مما يُقلل من نقاط السخونة ويطيل عمر البطارية.
التخطيط الهيكلي: يتم عادةً تثبيت حزمة البطارية أسفل الهيكل مع اعتماد تصميم متكامل معياري لا يوفر المساحة الداخلية فحسب، بل يخفض أيضًا مركز ثقل السيارة مما يحسن استقرار القيادة.
ثالثًا. تحويل الطاقة: الوظائف الأساسية وآليات عمل نظام التحكم الإلكتروني
يُعد نظام التحكم الإلكتروني في السيارة الكهربائية بمثابة "العقل" المسؤول عن تنسيق عمل المكونات الأساسية، مثل البطاريات والمحركات. وتشمل وظائفه الأساسية تحويل طاقة التيار المستمر والمتردد، والتحكم في خرج الطاقة، وإدارة الحرارة، وهما عنصران أساسيان لضمان كفاءة تشغيل السيارة.
(I) بنية تكوين نظام التحكم الإلكتروني
إن نظام التحكم الإلكتروني عبارة عن مجموعة معقدة من الأنظمة الفرعية المتعددة والتي تشمل بشكل أساسي:
نظام إدارة الحرارة: يراقب درجة حرارة البطاريات والمحركات والضوابط الإلكترونية والمكونات الأخرى ويحافظ على كل مكون ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل المثلى من خلال أنظمة التبريد أو التدفئة.
وحدة التحكم في المحرك: القلب هو العاكس الذي يكون مسؤولاً عن تحويل خرج التيار المستمر من البطارية إلى تيار متناوب مطلوب من قبل المحرك والتحكم في تردد التيار المتناوب لضبط سرعة المحرك وتحقيق تسارع السيارة وتباطؤها.
وحدة توزيع الطاقة ذات الجهد العالي: تقوم بتوزيع الطاقة الكهربائية على مكونات الجهد العالي مثل ضواغط تكييف الهواء ووحدات تسخين البطاريات ومحولات التيار المستمر.
محول التيار المستمر: يحول التيار المستمر عالي الجهد لحزمة البطارية إلى تيار مستمر منخفض الجهد (مثل 12 فولت) لشحن بطارية الرصاص الحمضية التي تزود بعد ذلك المكونات ذات الجهد المنخفض بالطاقة مثل مصابيح السيارة والمساحات وأجهزة الاستشعار.
(II) العاكس: جوهر تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد
العاكس هو جوهر وحدة التحكم في المحرك. مبدأ عمله هو تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد ذي موجة جيبية سلسة عن طريق التبديل السريع لمفاتيح الدائرة.
تبديل الدوائر الأساسية: تتضمن دائرة العاكس البسيطة أربع مجموعات من المفاتيح. بالتحكم في تشغيل وإيقاف المفاتيح، يتغير اتجاه تدفق التيار. على سبيل المثال، عند تشغيل S1 وS4، يتدفق التيار في اتجاه واحد؛ وعند تشغيل S2 وS3، يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس. يمكن أن يؤدي التبديل المستمر للمفاتيح إلى توليد تيار متردد ذي موجة مربعة.
التبديل عالي السرعة وتحسين شكل الموجة: تُستخدم الترانزستورات كعناصر تبديل، يمكنها التبديل آلاف المرات في الثانية، مُلبيةً بذلك متطلبات المحرك لتردد التيار المتردد (عادةً 50 هرتز، مما يتطلب 100 تبديل في الثانية). مع ذلك، يتغير جهد التيار المتردد ذي الموجة المربعة فجأةً، ويحتاج إلى تحويله إلى موجة جيبية سلسة. بأخذ القيمة المتوسطة لنبضات الموجة المربعة، يتشكل منحنى قريب من الموجة الجيبية، ثم يُضاف مُرشِّح سلبي لضبط تردد الإشارة، للحصول في النهاية على التيار المتردد ذي الموجة الجيبية الذي يحتاجه المحرك.
تصميم حماية الدائرة: لمنع حدوث دوائر قصيرة، يتم وضع دائرة بوابة NOT في الدائرة للتأكد من إمكانية فتح مفتاح واحد فقط من كل مجموعة من المفاتيح؛ وفي الوقت نفسه، يتم استخدام مقارن لمقارنة الموجة الجيبية بالموجة المثلثية لتوليد منحنى موجة مربع محدد لتحسين نعومة الشكل الموجي بشكل أكبر.
رابعًا: نقل الطاقة: تبسيط نظام النقل وتصميمه بكفاءة
بالمقارنة مع علب التروس المعقدة متعددة السرعات في مركبات الوقود، يُعد نظام نقل الحركة في المركبات الكهربائية أبسط. فهو يعتمد بشكل أساسي على علبة تروس أحادية السرعة، ويحقق نقلًا فعالًا للطاقة من خلال تصميم مُحسّن.
(I) الهيكل الأساسي لنظام النقل
مسار نقل الطاقة: عند الضغط على دواسة الوقود، تنقل البطارية الطاقة الكهربائية إلى وحدة التحكم في المحرك. يحول العاكس التيار المستمر إلى تيار متردد وينقله إلى المحرك. يحرك دوران دوار المحرك عمود الإدارة. يتداخل ترس الإدارة على عمود الإدارة مع ترس خرج الطاقة عبر ترس التخفيض، وينقل الطاقة أخيرًا إلى العجلات.
آلية التباطؤ وزيادة عزم الدوران: يتكون ترس التخفيض من ترسين، أحدهما كبير والآخر صغير. يتداخل الترس الكبير مع ترس القيادة، بينما يتداخل الترس الصغير مع ترس الإخراج. بفضل تصميم نسبة التروس، يتم تقليل السرعة وزيادة عزم الدوران لتلبية متطلبات قوة السيارة أثناء القيادة.
تنفيذ ترس الرجوع للخلف: لا حاجة لترس عكسي إضافي. يعكس جهاز التحكم اتجاه دوران المحرك بناءً على أمر ترس الرجوع للخلف لتحقيق رجوع السيارة للخلف.
(II) التفاضل: مكون رئيسي لحل اختلافات سرعة العجلات
عند دوران السيارة، تقطع العجلة الخارجية مسافة أطول من العجلة الداخلية. إذا كانت السرعة متساوية، ستنزلق العجلة الداخلية. وظيفة الترس التفاضلي هي ضبط سرعة العجلتين الداخلية والخارجية.
مبدأ العمل: يتكون الترس التفاضلي من ترس حلقي وتروس كوكبية وتروس محور العجلة. تنتقل الطاقة من عمود الإدارة إلى الترس الحلقي، مما يدفع التروس الكوكبية للدوران. تتداخل التروس الكوكبية مع تروس محور العجلة على كلا الجانبين في نفس الوقت. عند الدوران، تدور التروس الكوكبية حول محاورها، مما يزيد من سرعة ترس محور العجلة الخارجي ويقلل من سرعة ترس محور العجلة الداخلي، مما يحقق ضبطًا ديناميكيًا لسرعة العجلة.
تحسين الهيكل: تعتمد المركبات الكهربائية غالبًا على تروس تفاضلية مفتوحة. بفضل التشابك الدقيق للتروس، يتم ضمان استمرارية واستقرار نقل الطاقة، وتجنب انزلاق العجلات أثناء الدوران.
(III) نصف العمود والمفصل العالمي: ضمان التوصيل لنقل الطاقة
يعتبر نصف العمود مسؤولاً عن نقل عزم الدوران الناتج من المحرك إلى العجلات ومكونه الأساسي هو المفصل العالمي ذو السرعة الثابتة.
هيكل المفصل العالمي ثابت السرعة: يتكون من كرات، قفص كروي، مسار داخلي، ومسار خارجي مزود بغطاء خارجي للحماية من الغبار. يتصل المسار الداخلي بعمود الدفع عبر دبابيس. يوضع قفص الكرات داخل المسار الخارجي، وتُركّب الكرات بين القفص والمسارين الداخلي والخارجي.
المزايا الأساسية: بغض النظر عن تغير الزاوية بين العمودين، تبقى سرعات دوران عمود القيادة وعمود الدفع ثابتة (نقل السرعة الثابتة). يتميز بكفاءة نقل عالية ودقة عالية وقدرة عالية على تعويض الزوايا، كما ينقل عزم دوران المحرك بكفاءة عالية، مما يُحسّن كفاءة قيادة السيارة.
V. استقرار القيادة: نظام التعليق وتصميم الهيكل
يُعدّ نظام التعليق والشاسيه أساسًا لاستقرار القيادة وراحة المركبات الكهربائية. وقد تم تحسين تصميم شاسيه المركبات الكهربائية استنادًا إلى المركبات التقليدية، وذلك للتكيف مع احتياجات تكامل البطاريات والمحركات.
(I) نظام التعليق: امتصاص الصدمات وتثبيت هيكل السيارة
الوظيفة الأساسية لنظام التعليق هي تحمل وزن هيكل السيارة، وامتصاص قوة الصدمات الناتجة عن الطرق غير المستوية، وتقليل اهتزاز هيكل السيارة. ينقسم نظام التعليق بشكل رئيسي إلى نظام تعليق مستقل، ونظام تعليق غير مستقل، ونظام تعليق شبه مستقل. تعتمد السيارات الكهربائية في الغالب على نظام تعليق عظم الترقوة المزدوج ضمن أنظمة التعليق المستقلة.
هيكل نظام التعليق المزدوج: يتكون من عظم ترقوة سفلي، وعظم ترقوة علوي، وممتص صدمات مفصل التوجيه، وقضيب مانع للانقلاب. يتصل عظما الترقوة العلوي والسفلي بمفصل توجيه عجلة القيادة عبر وصلات كروية. يتحكم عجلة القيادة بذراع التوجيه لدفعها للدوران، بينما يُستخدم قضيب مانع للانقلاب للتحكم في مدى انقلاب السيارة عند الانعطاف.
مبدأ عمل ممتص الصدمات: يتكون ممتص الصدمات من زنبرك ومخمد. يمتص الزنبرك طاقة الصدمة من سطح الطريق ويقلل اهتزاز هيكل السيارة؛ بينما يكبت المخمد التذبذب الناتج عن ارتداد الزنبرك، مما يُسرّع من تخفيف الاهتزاز. يحتوي المخمد على أسطوانة عاملة وأسطوانة خزان بداخلها. يتم التحكم في حركة المكبس من خلال تدفق الزيت الهيدروليكي. عند تحرك المكبس لأسفل، يُضغط الزيت الهيدروليكي في أسطوانة الخزان؛ وعند تحرك المكبس لأعلى، يعود الزيت الهيدروليكي إلى أسطوانة العمل، مما يُبقيها مملوءة بالزيت الهيدروليكي لضمان امتصاص الصدمات. يُقلل النيتروجين السائل القابل للتمدد والمُعبأ في أسطوانة الخزان من فجوات المقاومة وانقطاعاتها.
التأثير التآزري لقضيب منع الانقلاب: يتطلب الاعتماد كليًا على ممتص الصدمات للتحكم في التدحرج استخدام نوابض شديدة الصلابة ومخمدات ذات معامل تخميد مرتفع، مما يؤثر سلبًا على قدرة امتصاص اهتزازات الطريق. يعمل قضيب منع الانقلاب بتآزر مع ممتص الصدمات، مما يُمكّنه من التحكم بفعالية في مدى تدحرج السيارة عند الانعطاف دون التأثير على امتصاص الاهتزازات، مما يُحسّن ثبات القيادة.
(II) هيكل لوح التزلج: تصميم مبتكر للتكامل المعياري
تعتمد المركبات الكهربائية بشكل عام على تصميم هيكل لوح التزلج والذي يدمج المكونات الأساسية مثل المحركات والبطاريات وأدوات التحكم الإلكترونية وأنظمة النقل والتعليق على الهيكل لتشكيل هيكل مشابه للوح التزلج.
المزايا الأساسية:
التطوير المعياري: يُفصل هيكل السيارة عن الشاسيه. وتُقلل الوصلات الميكانيكية من خلال أنظمة القيادة السلكية. ويمكن تطوير هيكل السيارة بشكل مستقل في وحدات. ويمكن ربط هياكل سيارات مختلفة بالشاسيه نفسه، مما يُختصر دورة تطوير النموذج ويُقلل تكاليف الإنتاج.
تحسين المساحة: يتم وضع البطارية بشكل مسطح على الهيكل مما يوفر المساحة الداخلية ويحسن راحة القيادة؛ وفي الوقت نفسه، تعمل على خفض مركز ثقل السيارة مما يقلل الاهتزاز أثناء القيادة ويحسن الاستقرار.
اختيار المواد: يجب أن يتحمل الهيكل وزن جسم السيارة بالكامل، وعادةً ما يُستخدم الفولاذ عالي القوة وسبائك الألومنيوم. يتميز الفولاذ بالقوة والمتانة، بينما تتميز سبائك الألومنيوم بخفة الوزن، مما يُحقق تصميمًا خفيف الوزن للهيكل ويزيد من مدى القيادة.
سادسا. التحكم الذكي: تطبيق وتوسيع تقنية القيادة السلكية
تُعدّ تقنية القيادة السلكية أساس ذكاء المركبات الكهربائية. فهي تُمكّن من التحكم بالطاقة عبر الأسلاك أو الإشارات الإلكترونية، مُستبدلةً بذلك التوصيلات الميكانيكية التقليدية، لتحقيق تشغيل إلكتروني دقيق. وتُستخدم على نطاق واسع في أنظمة مثل دواسات التسارع والفرامل والتوجيه.
(أ) تخطيط الأسلاك وتصنيف الجهد
تُقسّم المكونات الكهربائية للمركبات الكهربائية إلى مكونات عالية الجهد (مثل البطاريات والمحركات والمحولات وغيرها، بجهد يتراوح بين 250 و750 فولت)، ومكونات منخفضة الجهد (مثل مصابيح السيارة والمساحات وأجهزة الاستشعار وغيرها، بجهد أقل من 250 فولت). كما تُقسّم الأسلاك المقابلة إلى فئتين:
كابلات الجهد العالي: برتقالية اللون في القطر مع قدرات مضادة للتداخل الكهرومغناطيسي تربط مكونات الجهد العالي مثل منافذ الشحن والشواحن الموجودة على متن الطائرة ومجموعات البطاريات والمحركات ووحدات توزيع الطاقة ذات الجهد العالي.
الأسلاك ذات الجهد المنخفض: الأسلاك الصفراء التي تربط مكونات الجهد المنخفض وتعمل بواسطة بطاريات الرصاص الحمضية.
(II) تنفيذ الأنظمة الأساسية عن طريق التوصيل السلكي
مسرع القيادة بالسلك:
في المركبات التي تعمل بالوقود التقليدي، يتم توصيل دواسة الوقود بالمحرك عبر كابل فولاذي لا يتحكم بدقة في كمية الهواء الداخلة. أما في المركبات الكهربائية، فيُستبدل النابض الميكانيكي بمستشعر. عند الضغط على الدواسة، يُرسل المستشعر إشارة كهربائية إلى وحدة التحكم في المحرك، التي تضبط سرعة المحرك وفقًا لقوة الإشارة، مما يُحقق تحكمًا دقيقًا في سرعة السيارة.
فرامل القيادة السلكية:
هيكل فرامل الأقراص التقليدي: يتكون من مجموعة محور الفرامل، وفرجار الفرامل، والنظام الهيدروليكي. عند الضغط على دواسة الفرامل، تنتقل القوة الميكانيكية إلى أسطوانة الفرامل الرئيسية عبر قضيب دفع الفرامل، دافعةً الزيت الهيدروليكي إلى المكبس الهيدروليكي للعجلة، مما يدفع فرامل الفرامل لتثبيت قرص الفرامل وتحقيق الكبح.
تحسين نظام الفرامل السلكي: يُزال الوصل الميكانيكي بين دواسة الفرامل والأسطوانة الرئيسية. يُركّب مستشعر على الدواسة، ويُغيّر فرجار الفرامل إلى نوع يُدار بمحرك. عند الضغط على الفرامل، يُرسل المستشعر إشارة كهربائية إلى وحدة التحكم التي تُشغّل الفرجار، مما يُحقق فرملة إلكترونية أسرع استجابةً وتحكمًا أكثر دقة.
نظام الكبح المساعد:
نظام منع انغلاق المكابح ABS: رُكِّبت حساسات على العجلات. عند استشعار اقتراب العجلات من الانغلاق، تُحرِّر وحدة مُعَدِّل نظام منع انغلاق المكابح (ABS) تيل الفرامل بشكل متقطع، مما يُجنِّب انزلاقها، ويُتيح للسائق الحفاظ على سيطرته على السيارة، خاصةً أثناء الكبح المفاجئ.
نظام مساعدة بدء التشغيل على المنحدرات: يستشعر ضغط الفرامل من خلال مستشعر ضغط الأسطوانة الرئيسية، ويقيس ميل الطريق من خلال مستشعر التسارع الطولي. عند رفع السائق قدمه عن دواسة الفرامل، يُحافظ النظام على ضغط الفرامل لبضع ثوانٍ، مما يُتيح وقتًا للانتقال إلى دواسة الوقود لمنع السيارة من التراجع، وهو مناسب للصعود والنزول.
التوجيه عن طريق الأسلاك:
يربط نظام التوجيه التقليدي عجلة القيادة بالرف عبر عمود ميكانيكي، معتمدًا على نظام توجيه إلكتروني معزز لتقليل مقاومة التوجيه؛ أما نظام التوجيه السلكي، فيزيل هذا الاتصال الميكانيكي. عند دوران عجلة القيادة، يرسل المستشعر إشارة كهربائية إلى وحدة التحكم التي تُشغّل المحرك الكهربائي على الرف للتحكم في توجيه العجلة. يُعد هذا النظام أكثر ملاءمة للتصميم المعياري للهيكل المنفصل وهيكل السيارة، مع دقة توجيه أعلى.
(III) مبادئ عمل مكونات القيادة السلكية الأخرى
مساحات الزجاج الأمامي:
كانت مساحات الزجاج الأمامي الميكانيكية القديمة تُدار بمحركات تيار مستمر لتدوير الدواسات والتروس، ولم تكن قادرة على ضبط سرعتها تبعًا لهطول الأمطار؛ أما مساحات الزجاج الأمامي السلكية فتعتمد على دوائر تحكم ترانزستورية مُدمجة مع مكثفات ومقاومات لتحقيق عمل متقطع. تستشعر هذه المساحات هطول الأمطار من خلال مستشعر المطر الموجود على السقف، وتضبط تردد المسح تلقائيًا لضمان وضوح الرؤية.
الوسائد الهوائية:
تعتمد الوسائد الهوائية التقليدية على مستشعرات كروية بالقصور الذاتي. أثناء الاصطدام، تتحرك الكرة لتوصيل الدائرة، مما يُشعل أزيد الصوديوم لتوليد النيتروجين اللازم للنفخ، ولكن هناك مخاطر انبعاث غازات سامة وتفعيل خاطئ. أما الوسائد الهوائية الحديثة التي تعمل بالتحكم عن بُعد، فتستخدم نترات الصوديوم كمادة لتوليد الغاز، إلى جانب مستشعرات مامز الموزعة حول هيكل السيارة، لرصد شدة الاصطدام وموقعه بدقة، وإكمال عملية النفخ في غضون 30 ميلي ثانية لحماية سلامة السائقين والركاب.
٧. ضمان الراحة: مبادئ التدفئة والتبريد في نظام تكييف الهواء
لا تحتوي المركبات الكهربائية على محركات، ولا يمكنها استخدام الحرارة المُهدرة للمحرك للتدفئة مثل المركبات التي تعمل بالوقود. تضمن أنظمة تكييف الهواء فيها درجة حرارة داخلية مريحة من خلال أجهزة تدفئة وتبريد مصممة خصيصًا.
(I) نظام التبريد: آلية عمل تكييف الهواء في السيارات
جوهر التبريد هو نقل الحرارة عبر تغير طور المُبرِّد. تشمل المكونات الرئيسية ضاغطًا، ومكثفًا، ومجففًا، وصمام تمدد، ومُبخِّرًا.
عملية العمل:
بعد أن يبدأ الضاغط في العمل، فإنه يضغط المبرد الغازي منخفض الضغط إلى مبرد غازي عالي الحرارة والضغط والذي يتم نقله إلى المكثف عبر خطوط الأنابيب؛
يقوم المكثف بتبديد الحرارة من خلال الأنابيب والزعانف، كما تعمل المروحة على تسريع تبديد الحرارة وتحويل المبرد الغازي عالي الحرارة والضغط إلى مبرد سائل عالي الضغط؛
يقوم المبرد السائل بفصل الغاز والسائل من خلال المجفف ويدخل إلى صمام التمدد حيث ينخفض الضغط بشكل حاد ليصبح مبردًا منخفض الحرارة؛
يتدفق سائل التبريد منخفض الحرارة إلى المبخر الموجود خلف لوحة العدادات. يمتص المبخر حرارة الهواء الساخن داخل السيارة لتبريده، بينما يدفع المنفاخ الهواء البارد إلى داخل السيارة.
بعد امتصاص الحرارة، يتحول المبرد إلى الحالة الغازية ويعود إلى الضاغط لإكمال الدورة.
تبديل درجة الحرارة: يتم التحكم في اتجاه تدفق الهواء بواسطة مخمد الخلط. عند إغلاق أنبوب المبخر، يمر الهواء عبر المبادل الحراري (جهاز التسخين) لتوليد هواء ساخن فقط؛ وعند إغلاقه، يمر الهواء عبر المبخر لتوليد هواء بارد فقط.
(II) نظام التدفئة: نظام سخان PTC ومضخة الحرارة
سخان PTC:
مبدأ العمل: باستخدام مواد PTC (مقاومات حرارية ذات معامل حرارة موجب) مثل سبيكة النيكل والكروم، يتحول التيار الكهربائي المتدفق عبرها إلى طاقة حرارية بفضل المقاومة. تزداد مقاومة مواد PTC مع ارتفاع درجة الحرارة، وتبقى درجة حرارة السطح مستقرة بعد الوصول إلى قيمة معينة، مما يوفر إمدادًا حراريًا ثابتًا.
موضع التركيب: داخل أنبوب الهواء الدافئ. بعد مرور الهواء عبر المدفأة، يُسخّن، ثم يُرسل إلى السيارة عبر أنبوب التهوية.
المميزات والعيوب: هيكل بسيط وسرعة تسخين سريعة ولكنها تستهلك طاقة البطارية وتقلل من مدى السيارة.
نظام المضخة الحرارية:
مبدأ العمل: يشبه "مكيف الهواء العكسي"، إذ يستخدم حرارة الهواء لتدفئة داخل السيارة. يعمل المكثف الخارجي كمبخّر في وضع التدفئة، حيث يمتص الحرارة من الهواء الخارجي ويحوّل سائل التبريد الداخلي من الحالة السائلة إلى الغازية. يتدفق سائل التبريد إلى الضاغط، حيث يُضغط ليتحول إلى غاز عالي الحرارة والضغط، ثم يُرسل إلى المكثف داخل لوحة العدادات. يدفع المنفاخ الهواء عبر المكثف لامتصاص الحرارة، ثم يرسله إلى داخل السيارة لتحقيق التدفئة.
المزايا الأساسية: لا يستهلك الطاقة الكهربائية مباشرةً لتوليد الحرارة، بل ينقلها من الهواء. يتميز بكفاءة طاقة أعلى، مما يُقلل من فقدان الطاقة، وهو مناسب للاستخدام في البيئات منخفضة الحرارة.
ثامناً: إمدادات الطاقة: نظام الشحن وإدارة البطاريات
تعتمد كفاءة الشحن وسلامة البطارية في المركبات الكهربائية على العمل التعاوني بين نظام الشحن ونظام إدارة البطارية (BMS) لضمان الشحن والتفريغ الفعال للبطارية ضمن نطاق آمن.
(أ) طرق الشحن: الشحن البطيء بالتيار المتردد والشحن السريع بالتيار المستمر
الشحن البطيء للتيار المتردد:
آلية العمل: تُخرج وحدة الشحن تيارًا مترددًا، يُوصل بالشاحن المدمج عبر منفذ شحن السيارة. يُحوّل الشاحن المدمج التيار المتردد إلى تيار مستمر لشحن البطارية.
المميزات: سرعة شحن بطيئة (عادة ما يستغرق الشحن الكامل عدة ساعات) ولكن تكلفة المعدات منخفضة وفقدان البطارية صغير ومناسب لسيناريوهات الاستخدام المنزلي.
الشحن السريع DC:
آلية العمل: تقوم كومة الشحن بإكمال عملية التحويل من التيار المتناوب إلى التيار المستمر داخليًا وتشحن مجموعة البطارية مباشرة دون مشاركة الشاحن الموجود على متن الطائرة.
المميزات: سرعة شحن سريعة (يمكن شحنها إلى 80% من الطاقة في نصف ساعة) ولكن تكلفة المعدات عالية وفقدان البطارية معين مناسب لسيناريوهات محطة الشحن السريع العامة.
(II) الوظائف الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS)
موازنة البطارية:
تتكون حزمة البطاريات من آلاف البطاريات الصغيرة المتصلة على التوالي والتوازي. تختلف حالة الشحن وقوة كل بطارية. يتم ضبط نظام إدارة البطارية (BMS) بطريقتين: الموازنة النشطة والموازنة السلبية.
التوازن النشط: باستخدام مكونات مثل المكثفات والمحولات، يتم نقل الشحنة الزائدة من البطاريات ذات الطاقة الكافية إلى البطاريات ذات الطاقة غير الكافية لتحقيق توازن الطاقة.
الموازنة السلبية: باستخدام الأحمال الوهمية مثل المقاومات، يتم استهلاك الطاقة الزائدة في شكل حرارة لجعل طاقة كل بطارية تميل إلى أن تكون متسقة.
إدارة درجة الحرارة:
يراقب هذا النظام درجة حرارة البطارية. عند ارتفاعها أو انخفاضها بشكل كبير، يُفعّل نظام التحكم الحراري، ويُسخّن البطارية أو يُبرّدها باستخدام سائل التبريد لضمان عملها ضمن نطاق درجة الحرارة الأمثل (عادةً 20-40 درجة مئوية)، مما يُجنّب حرائق السخونة الزائدة أو انخفاض الأداء بسبب البرودة الزائدة.
حماية السلامة:
يراقب النظام جهد البطارية وتيارها وحالتها في الوقت الفعلي لمنع أي حالات طارئة، مثل الشحن الزائد والتفريغ الزائد وقصر الدائرة. أثناء الشحن، في حال رصد خطر الشحن الزائد، يقطع النظام تلقائيًا مصدر الطاقة عن وحدة الشحن؛ وأثناء التفريغ، في حال كان التيار كبيرًا جدًا، يضبط النظام خرج الطاقة في الوقت المناسب لحماية عمر البطارية وضمان سلامة الاستخدام.
IX. استعادة الطاقة: مبدأ عمل نظام الكبح المتجدد
يعد نظام الكبح المتجدد وظيفة مميزة للسيارات الكهربائية حيث يمكنه تحويل الطاقة الحركية أثناء الكبح إلى طاقة كهربائية للاسترداد والتخزين مما يؤدي إلى زيادة المدى.
(I) المبدأ الأساسي: التحويل ثنائي الاتجاه بين المحرك والمولد
العمل الأمامي (وضع التشغيل): يقطع المجال المغناطيسي الدوار الناتج عن ملف الجزء الثابت الجزء الدوار، مما يُولّد تيارًا مُستحثًا وقوة كهرومغناطيسية تدفع الجزء الدوار إلى الدوران. يُحوّل المحرك الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
العمل العكسي (وضع توليد الطاقة): أثناء الكبح، يدفع قصور المركبة العجلات إلى الدوران، مما يدفع دوار المحرك إلى الدوران. في هذه الحالة، يتم التحكم في العاكس لضبط تردد التيار المتردد بحيث تكون سرعة الدوار أكبر من سرعة المجال المغناطيسي الدوار. يقطع الدوار المجال المغناطيسي لتوليد تيار مستحث عكسي، وينعكس عزم الدوران لتحقيق التباطؤ. يتحول المحرك إلى مولد يحول الطاقة الحركية إلى تيار متردد.
(II) عملية استعادة الطاقة
يقوم العاكس بتصحيح التيار المتناوب الذي يولده المولد إلى تيار مستمر؛
يقوم محول التيار المستمر بتحويل التيار المستمر إلى جهد يطابق جهد البطارية؛
تُخزَّن الطاقة الكهربائية المُحوَّلة في حزمة البطارية. هذه العملية تُمكِّن من زيادة مدى السيارة بأكثر من ١٠٪.
X. طاقة متعددة: المركبات الهجينة والكهربائية ذات المدى الممتد
بالإضافة إلى المركبات الكهربائية النقية، تعد المركبات الكهربائية الهجينة والمركبات الكهربائية ذات المدى الطويل نماذج مهمة في المرحلة الانتقالية التي تجمع بين مزايا الوقود والكهرباء.
(أ) المركبات الكهربائية الهجينة (المركبات الكهربائية الهجينة)
الهيكل الأساسي: مزود بمحرك ومجموعتين من المولدات (MG1 و MG2) وعاكس وحزمة بطارية ليثيوم مع آلية تروس كوكبية كنواة.
أوضاع العمل:
القيادة بسرعات منخفضة: لا يتم تشغيل المحرك ويقوم MG2 بتحريك العجلات لتحقيق القيادة الكهربائية النقية مما يقلل من استهلاك الوقود.
القيادة المتسارعة: تُزوّد البطارية MG1 وMG2 بالطاقة. تُشغّل MG1 المحرك، بينما تُشغّل MG2 العجلات معًا لتوفير قوة كبيرة.
القيادة بسرعات عالية: المحرك هو المحرك الرئيسي وMG1 يعمل كمولد لشحن البطارية وMG2 يحافظ على طاقة البطارية.
الكبح/التباطؤ: تتحول MG2 إلى وضع المولد لتحويل الطاقة الحركية للعجلات إلى طاقة كهربائية لشحن البطارية.
المزايا: لا داعي للقلق بشأن المدى صديق للبيئة مع الكهرباء النقية عند السرعات المنخفضة كفاءة عالية للمحرك عند السرعات العالية مناسب لظروف الطريق المعقدة.
(II) المركبات الكهربائية ذات المدى الموسع
الهيكل الأساسي: مُجهّز ببطارية ومولد كهربائي. لا يُشغّل المحرك العجلات مباشرةً، بل يُشغّل المولد الكهربائي فقط لتوليد الكهرباء.
مبدأ العمل:
عندما تكون طاقة البطارية كافية، يقوم المحرك بتحريك العجلات لتحقيق القيادة الكهربائية الخالصة؛
عندما تكون طاقة البطارية غير كافية، يبدأ المحرك بتشغيل المولد لتوليد الكهرباء. تُزوّد الطاقة الكهربائية المحرك بالطاقة أو تشحن البطارية، ويكون المحرك مسؤولاً دائمًا عن تحريك العجلات.
الجوهر: ينتمي إلى فئة المحركات الكهربائية الخالصة. يعمل المحرك كـ "بنك طاقة" فقط، مما يُخفف من مشكلة مدى السيارات الكهربائية الخالصة، وتجربة القيادة تُقارب تجربة السيارات الكهربائية الخالصة.
الحادي عشر. الترقية الذكية: تحليل فني لنظام القيادة الذكية
القيادة الذكية إحدى الكفاءات الأساسية للسيارات الكهربائية. فمن خلال تضافر ثلاثة أنظمة رئيسية: الإدراك واتخاذ القرار والتنفيذ، تُحقق وظائف القيادة المساعدة، أو حتى القيادة الذاتية، مما يُحسّن سلامة القيادة وراحتها.
(أ) نظام الإدراك: "عيون وآذان" المركبات الكهربائية
يتألف نظام الإدراك من أجهزة استشعار مختلفة تعمل على جمع البيانات البيئية المحيطة لتوفير أساس لاتخاذ القرار:
الكاميرات: تحدد المعلومات البصرية مثل خطوط المسارات وعلامات المرور والمشاة والمركبات وتعتمد على الخوارزميات لتحليل المخاطر المحتملة ولكنها تتأثر بشكل كبير بالضوء.
رادار الموجات المليمترية: يكتشف مسافة السرعة واتجاه الأجسام من خلال الموجات الراديوية بمسافة اكتشاف طويلة (أكثر من عشرات الأمتار) لا تتأثر بالضوء والطقس مما يعوض عيوب الكاميرات.
رادار الموجات فوق الصوتية: يستخدم موجات صوتية عالية التردد لقياس مسافة الأشياء القريبة ويستخدم بشكل أساسي لمساعدة السائق على ركن السيارة وتجنب الاصطدام بسرعات منخفضة.
ليدار: يصدر أشعة الليزر لمسح البيئة المحيطة وإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد بدقة عالية في اكتشاف الأشياء ويمكنه تحديد ظروف الطرق المعقدة بدقة ولكن التكلفة عالية.
(II) نظام اتخاذ القرار والتحكم: "عقل" المركبات الكهربائية
معالجة البيانات: دمج وتحليل البيانات متعددة المصادر التي تم جمعها بواسطة نظام الإدراك وإزالة المعلومات المكررة واستخراج الميزات الرئيسية (مثل مواقع العوائق ومعلومات المسار وإشارات المرور).
صياغة الاستراتيجية: صياغة استراتيجيات القيادة وفقًا للقواعد والخوارزميات المحددة مسبقًا (مثل نماذج التعلم العميق) بما في ذلك تعليمات التشغيل مثل التسارع والتباطؤ والتوجيه وتغيير المسار ومواقف السيارات.
التفاعل بين الإنسان والآلة: عندما لا يتمكن النظام من التعامل مع حالات الطوارئ، فإنه يذكر السائق بضرورة السيطرة على السيارة من خلال الصوت والضوء لضمان سلامة القيادة.
(III) نظام التنفيذ: تحويل التعليمات إلى أفعال
يستقبل نظام التنفيذ تعليمات اتخاذ القرار، ويتحكم في تسارع المركبة، وكبحها، وتوجيهها، وغيرها من الإجراءات عبر تقنية التحكم السلكي. ويعتمد بشكل أساسي على أنظمة التحكم السلكي المذكورة سابقًا، مثل نظام التسارع والكبح والتوجيه، لضمان دقة وسرعة تنفيذ التعليمات.
(IV) معايير تصنيف القيادة الذكية
وفقًا لتصنيف جمعية مهندسي السيارات (SAE)، يتم تقسيم القيادة الذكية إلى مستويات من 0 إلى 5:
المستوى 0: لا يوجد أتمتة يتم تشغيلها يدويًا بالكامل بواسطة السائق دون أي وظائف مساعدة.
المستوى 1: القيادة المساعدة: يوفر النظام أتمتة محدودة (مثل تحذير مغادرة حارة السير التكيفي) ويحتاج السائق إلى التحكم في السيارة في جميع الأوقات.
المستوى 2: القيادة الذاتية الجزئية حيث يستطيع النظام التحكم في التسارع والتوجيه في وقت واحد (مثل مساعدة الحفاظ على المسار ومساعدة الازدحام المروري) ويحتاج السائق إلى الحفاظ على الانتباه والاستعداد لتولي القيادة في أي وقت.
المستوى 3: القيادة الذاتية المشروطة حيث يكمل النظام معظم عمليات القيادة في بيئات محددة (مثل الطرق السريعة) ولا يحتاج السائق إلى مراقبتها في جميع الأوقات ولكنه يحتاج إلى تولي زمام الأمور عندما يذكره النظام بذلك.
المستوى 4: القيادة الذاتية عالية المستوى حيث يتولى النظام كافة مهام القيادة في المناطق التي تغطيها خرائط عالية الدقة دون تدخل السائق (مثل الملاحة الحضرية ومواقف السيارات الأوتوماتيكية).
المستوى 5: القيادة الذاتية الكاملة تحقيق القيادة الذاتية في جميع الأحوال الجوية وجميع التضاريس حيث لا يحتاج السائق إلى أي عملية ويمكنه التركيز على شؤون أخرى.
حاليًا، لا تزال القيادة الذكية للسيارات الكهربائية السائدة في مرحلة القيادة المساعدة المتقدمة من المستوى الثاني. أما القيادة الذاتية من المستوى الثالث فما فوق، فلا تزال في مرحلة الاختبار والترويج. ولا تزال القيادة الذاتية الكاملة (المستوى الخامس) بحاجة إلى تجاوز العديد من العقبات، مثل التكنولوجيا واللوائح.
١٢. ملخص: الجوهر التقني واتجاهات تطوير المركبات الكهربائية
إن تشغيل المركبات الكهربائية هو نتيجة العمل التعاوني للمكونات الأساسية: يوفر المحرك الطاقة باعتباره "القلب"، وتخزن بطارية الليثيوم الطاقة الكهربائية باعتبارها "مصدر الطاقة"، وينسق نظام التحكم الإلكتروني ويتحكم باعتباره "الدماغ"، ويضمن نظام التعليق وناقل الحركة استقرار القيادة، وتعمل أنظمة القيادة السلكية والذكية على تحسين تجربة التحكم، كما تحل أنظمة الشحن والكبح المتجدد مشكلة إمدادات الطاقة.
من منظور التطور التكنولوجي، تتطور المركبات الكهربائية نحو اتجاه "أكثر كفاءة وأمانًا وذكاءً وصديقة للبيئة": ستعمل المحركات على تحسين كفاءة الطاقة وكثافة الطاقة بشكل أكبر، وستتطور بطاريات الليثيوم نحو كثافة طاقة أعلى وسرعة شحن أسرع وعمر أطول، وستتطور القيادة الذكية تدريجيًا من القيادة المساعدة إلى القيادة الذاتية عالية المستوى، وستعزز تقنية الهيكل المعياري والقيادة بالسلك توحيد وتنويع البحث والتطوير النموذجي.
تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من تزايد تطور تكنولوجيا المركبات الكهربائية، إلا أنه لا تزال هناك حاجة إلى أخذ قضايا السلامة على محمل الجد، سواءً تعلق الأمر بإدارة حرارة البطارية، أو موثوقية القيادة الذكية، أو استقرار أنظمة القيادة السلكية، والتحسين المستمر. ينبغي على المستهلكين، أثناء استمتاعهم بالراحة التي توفرها المركبات الكهربائية، الحفاظ على وعيهم بالسلامة، خاصةً في وضع القيادة الذكية، والاستعداد للسيطرة على المركبة في أي وقت لضمان سلامة السفر.
لم يُغيّر ظهور المركبات الكهربائية أسلوب النقل فحسب، بل ساهم أيضًا في تحوّل هيكل الطاقة والارتقاء بالصناعة. ومع التقدم التكنولوجي المتواصل، ستصبح المركبات الكهربائية المستقبلية أقرب إلى احتياجات المستخدمين، لتصبح الخيار الأساسي للسفر المستدام، وتُرسي أسس بناء منظومة نقل ذكية وصديقة للبيئة.
