السيارات الكهربائية Electrical Vehicles

لنفهم طريقة عمل السيارات الكهربائية Electrical Vehicles سنتعرف أولًا على كيفية عمل السيارات التقليدية Conventional Vehicles ويصطلح أحيانًا عليها Gasoline Vehicles ، حيث ان السيارات التقليدية تستخدم الوقود ‏البنزين – Petrol ‏الديزل – Diesel ‏الغاز المضغوط – Gasoline لتزويد المحرك بالطاقة اللازمة للعمل.

تتميز السيارات التقليدية بأدائها المتميز وملاءمتها للظروف البيئية المختلفة الا انه على النقيض الاخر فان احتراق الوقود داخل محرك السيارة ينتج عنه انبعاثات غاز ثاني اوكسيد الكربون CO2 Emissions

يتزايد ضرر هذه الانبعاثات على البيئة بمرور الوقت ، حيث وصلت لما يقارب من 35 مليار طن بحلول عام 2019 . شكل (2)
المصدر Global Carbon Project & Our World in Data
كيف تعمل السيارات الكهربائية؟

السيارات الكهربائية Electrical Vehicles هي أحد الخيارات البديلة والتي تستخدم الكهرباء كمصدر طاقة رئيسي حيث ازدهر في العقد الاخير قطاع الابحاث والتصنيع في هذا المجال ومن أبرز الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية:
Tesla ومؤخراً بدأت بقية الشركات بتصنيع السيارات الكهربائية


تتشارك السيارات الكهربائية والتقليدية نفس مبادئ الحركة والميكانيكا ولكن تختلفان في مصدر الطاقة الذي ينتج هذه الحركة، حيث تستخدم السيارات الكهربائية الكهرباء كمصدر اساسي للطاقة عوًضا عن المشتقات البترولية في التقليدية.
انواع السيارات الكهربائية:
1- السيارات الكهربائية الكاملة – All-Electric Vehicles:
تحتوي السيارات الكهربائية الكاملة على محرك كهربائي عوضًا عن محرك الاحتراق الموجود في التقليدية مما يعني انه لا يوجد عملية احتراق لتوليد الطاقة بل يوجد انتقال للطاقة من الحالة الكهربائية الى الحركية وهذا يفسر عدم وجود عوادم طاردة لغازات الاحتراق كما الحال في التقليدية الامر الذي قاد وكالة حماية البيئة الامريكية U.S. Environmental Protection Agency الى تصنيف جميع السيارات الكهربائية الكاملة بانها سيارات بلا انبعاثات كربونية.
  • حزمة البطاريات – Battery Pack :
مجموعة من البطاريات متصلة ببعضها البعض و تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية ليتم استخدامها من قبل محرك السحب الكهربائي
  • محرك السحب الكهربائي – Electric Traction Motor:
باستخدام الطاقة الكهربائية الموجودة في حزمة البطاريات يقوم هذا المحرك بتحريك عجلات السيارة . بعض السيارات الكهربائية تستخدم محركات مولدة تقوم بتحريك السيارة واعادة توليد جزء من الطاقة في نفس الوقت
  • متحكم الطاقة الالكتروني – Power Electronics Controller:
تقوم هذه الوحدة بالتحكم بعبور الطاقة الكهربائية الناتجة من حزمة البطاريات الرئيسية الى المحرك الكهربائي مما يؤدي الى تحكم بسرعة دوران المحرك والعزم الناتج عنه
  • ناقل الحركة الكهربائي – Transmission (electric):
يقوم بنقل الطاقة الميكانيكية من محرك السحب الكهربائي لتدوير العجلات
  • منفذ الشحن – Charge Port:
يتيح هذا المنفذ عملية توصيل البطارية الرئيسية بنظام الشحن الخارجي
  • محول التيار المستمر – DC/DC Convertor:
تتغذى السيارة الكهربائية من مصدر طاقة كهربائي ذو تردد مستمر وبجهد مرتفع، ويقوم هذا الجهاز بتخفيض جهد هذه الطاقة الى جهد اقل من اجل شحن البطارية المساعدة وتغذية المكونات الالكترونية داخل السيارة مثل شاشة الملاحة وانظمة الصوت وعداد المسافة
  • البطارية الثانوية – Auxiliary Battery:
مهمتها تزويد معدات السيارة الالكترونية بالطاقة اللازمة للعمل مثل
  • الشاحن الموضعي – Onboard Charger:
في حال تم تغذية السيارة من مصدر طاقة كهربائية ذو تيار متردد AC Power Supply فان الشاحن الموضعي يقوم بتحويلها الى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر DC Power ليتم تغذية حزمة البطاريات الرئيسية بها. كذلك يقوم الشاحن الموضعي بالاتصال بمعدات الشحن ومراقبة خواص حزمة البطاريات الرئيسية كالجهد، كمية التيار الناتجة عنها، درجة الحرارة وحالة الشحن
  • النظام الحراري (التبريد) – Thermal System (cooling):
يقوم هذا النظام بضبط درجة الحرارة لتوفير درجة مناسبة لعمل مكونات السيارة المختلفة
  • حزمة البطاريات – Battery Pack:
مجموعة من البطاريات متصلة ببعضها البعض تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية ليتم استخدامها من قبل محرك السحب الكهربائي

مكونات السيارة الكهربائية الهجينة

3- السيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن – Plug-in Hybrid Electric Vehicles :

تختلف عن النوع السابق في امكانية شحن حزمة البطاريات مباشرة من مصدر خارجي مما يجعل حجم البطاريات اكبر لان امكانية الشحن اصبحت متاحة، ونتيجة لذلك فان الاعتماد على المحرك الكهربائي سيصبح اكبر.
تحمل السيارات الهجينة القابلة للشحن نفس مكونات الكهربائية الهجينة وتزيد عليها في مكونين فقط وهما كما في شكل 7 :
  • منفذ الشحن – Charge Port:
يتيح هذا المنفذ عملية توصيل البطارية الرئيسية بنظام الشحن الخارجي
  • الشاحن الموضعي – Onboard Charger:
في حال تم تغذية السيارة من مصدر طاقة كهربائية ذو تيار متردد AC Power Supply فان الشاحن الموضعي يقوم بتحويلها الى طاقة كهربائية ذات تيار مستمر DC Power ليتم تغذية حزمة البطاريات الرئيسية بها. كذلك يقوم الشاحن الموضعي بالاتصال بمعدات الشحن ومراقبة خواص حزمة البطاريات الرئيسية كالجهد، كمية التيار الناتجة عنها، درجة الحرارة وحالة الشحن


مكونات السيارة الكهربائية الكاملة 

2- السيارات الكهربائية الهجينة – Hybrid Vehicles:

تدمج بين خواص السيارات التقليدية والكهربائية حيث تعمل بشكل رئيسي عن طريق محرك احتراق داخلي بجانب محرك كهربائي يستخدم الطاقة الموجودة في حزمة البطاريات.
البطاريات الموجودة في هذه السيارات لا يتم شحنها مباشرة عن طريق مصدر خارجي بل يتم شحن البطارية عن طريق اعادة استخدام الطاقة المهدرة الناتجة من ضغط المكابح وكذلك عن طريق محرك الاحتراق الداخلي اثناء عمله.
الطاقة الكهربائية الاضافية التي يزودها المحرك الكهربائي والقادمة من البطاريات تزود السيارة بكمية بسيطة من الطاقة لكي تعمل.
يمكن للبطارية أيضًا تشغيل الأحمال الإضافية وتقليل تباطؤ المحرك عند التوقف. تؤدي هذه الميزات معًا إلى توفير أفضل للوقود دون الاخلال بالأداء.
تختلف السيارات الكهربائية الهجينة عن الكهربائية الكاملة في انها لا تحتوي على منفذ الشحن والشاحن الموضعي وكذلك تحتوي على المكونات الاضافية التالية
  • منفذ الوقود – Fuel Filler:
يقوم هذا المنفذ بنقل الوقود البترولي الى خزان السيارة
  • خزان الوقود البترولي – Fuel Tank (Gasoline) :
يقوم بتخزين الوقود البترولي لتزويد المحرك به عند الحاجة
  • نظام التفريغ – Exhaust System:
يقوم هذا النظام بتفريغ الانبعاثات الكربونية الناتجة عن احتراق الوقود داخل المحرك الى خارج السيارة عبر الأنابيب (العادم)
  • محرك الاحتراق الداخلي (اشتعال) – Internal Combustion Engine (spark ignited) :
يخلط الوقود مع الهواء ويتم حقنه داخل المحرك بشرارة اشتعال
  • المولد الكهربائي – Electric Generator:
يقوم هذا المولد بتوليد طاقة كهربائية باستخدام حركة دوران العجلات نتيجة ضغط المكابح وإرسالها الى حزمة البطاريات لإعادة شحنها، هناك بعض السيارات الكهربائية الهجينة تستخدم طاقة المولد -في نفس الوقت – لتزويد السيارة بالحركة

4 – السيارات الهيدروجينية – Hydrogen Fuel Cell:

تتشابه السيارات الهيدروجينية مع الكهربائية الكاملة في الية العمل فكلاهما يستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للطاقة ولكن الاختلاف يكمن في ان السيارات الهيدروجينية تنتج الطاقة الكهربائية داخليًا في السيارة عن طريق خلية وقود هيدروجينية تسمى Hydrogen Fuel Cell حيث تتزود بالهيدروجين من مصدر خارجي ويتم حدوث تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والاكسجين لإنتاج الطاقة الكهربائية واستخدامها داخل السيارة، لذلك هي تحمل نفس مكونات الكهربائية الكاملة وتزيد عنها في المكونات التالية كما في شكل 8 :
  • خزان الهيدروجين:
يقوم بتخزين الوقود الهيدروجيني لتزويد خلية الوقود به عند الحاجة
  • خلية الوقود:
تتكون خلية الوقود من قطبين احدهما موجب (أنود) و الاخر سالب (كاثود) و يتوسطهم كهرل (Electrolyte) . حيث ان الكهرل عبارة عن مادة ناقلة للكهرباء مصنوعة من غشاء البوليمرات PEM Polymer Electrolyte Membrane –
و طريقة عمل خلية الوقود كالتالي :
1- تمتد إلى خلية الوقود أنبوبين أحدهما قادم من الخزان لإدخال الهيدروجين (Hydrogen) وأحدهما قادم من منفذ هواء خارجي لإدخال الاوكسجين (Oxygen)
2- يدخل الهيدروجين إلى الخلية ويعبر القطب الموجب (أنود) حيث يقوم المحفز Catalyst الموجود في هذا القطب بإحداث تفاعل كيميائي ينتج عنه انفصال جزيئات الهيدروجين إلى ايونات موجبة (بروتونات) و إلكترونات ذات شحنة سالبة
3- يقوم الكهرل PEM Polymer Electrolyte Membrane – بتمرير الايونات الموجبة فقط إلى القطب السالب (Cathode) اما الإلكترونات ذات الشحنات السالبة (الكهرباء) فتذهب عبر دائرة خارجية لتزويد المحرك بالطاقة
4- عندما تصل الايونات الموجبة الى القطب السالب (Cathode) يتم إدخال عليها عنصرين :
– الأكسجين عبر الانبوب الخاص به
– الإلكترونات ذات الشحنات السالبة بعد أن تخرج من المحرك
تتحد هذه العناصر الثلاث مكونة الماء – في الحالة الغازية – ويتم اخراجه عبر منفذ منفصل إلى خارج السيارةشكل 8 : مكونات السيارة الهيدروجينية ، الصورة الأصلية بواسطة U.S Department of Energy – AFDC مترجم بواسطة وليد الكودري

و لفهم طريقة عمل خلية الوقود أنظر إلى شكل التالي حيث يمكن استبدال المصباح بمحرك السيارة في حالتنا هنا



إن السيارات الكهربائية في الوقت الحالي لديها مدى قيادة اقل (لكل فترة شحن كاملة) مقارنة بالسيارات التقليدية (لكل تعبئة وقود كاملة) مما يرجح الكفة في الأداء للسيارات التقليدية . كذلك هناك تحديات تتعلق بملائمة السيارات الكهربائية لمختلف الظروف البيئية فمثلًا في ارتفاع درجة الحرارة يتطلب تبريد اكبر للبطاريات مما يزيد من استهلاكها للطاقة .
الجدير بالذكر أن السيارات الكهربائية قد تكون اكثر كفاءة للإستخدام داخل المدينة عن الطرق السريعة نظرًا لوجود ظروف توقف مختلفة كإشارات المرور و بوابات الرسوم والتي تساعد على توليد طاقة من ضغط المكابح – ولكن هذه الخاصية غير متوفرة في جميع الأنواع 
اما على الجانب الاخر فانتشار السيارات الكهربائية يعتمد على مدى توفر البنية التحتية المناسبة كمنصات الشحن و محطات الكهرباء سريعة الشحن، و اسعار الكهرباء وكذلك مدى الابحاث و الدراسات حول كفاءة البطاريات و تحسين تجربة القيادة و الذي يبدو انه يحقق تقدم منذ السنوات العشر الاخيرة كما في شكل التالي.



ومجملًا يعتبر الطلب على السيارات الكهربائية في تزايد مستمر حول العالم وهذا ما قد يفسره تطور البنية التحتية للسيارات الكهربائية حيث وصل عدد السيارات الكهربائية إلى ما يقارب 10.2 مليون سيارة كما في شكل التالي.

عدد السيارات الكهربائية حول العالم ، المصدر International Energy Agency & Statista

إرسال تعليق

يسعدنا مشاركتك معنا

أحدث أقدم

اعلان بداية المقال

اعلان اخر المقال