يختلف تصميم وهيكل المركبة الكهربائية بالكامل عن تصميم وهيكل المركبة التقليدية التي تعمل بمحرك احتراق داخلي. كما أنها تمثل نظامًا هندسيًا معقدًا، يتطلب دمج تقنيات بطاريات الطاقة، وتقنيات محركات الدفع، وتقنيات السيارات، ونظريات التحكم الحديثة لتحقيق عملية تحكم مثلى. وفي خطة تطوير علوم وتكنولوجيا المركبات الكهربائية، تواصل الدولة التزامها بنهج البحث والتطوير القائم على ثلاثة محاور رئيسية وثلاثة محاور فرعية، مع التركيز بشكل خاص على البحث في التقنيات الرئيسية المشتركة للمحاور الفرعية الثلاثة، وذلك وفقًا لاستراتيجية التحول التكنولوجي للمركبات الكهربائية بالكامل، أي البحث في محرك الدفع ونظام التحكم الخاص به، وبطارية الطاقة ونظام إدارتها، ونظام التحكم في مجموعة نقل الحركة. ويقوم كل مصنّع رئيسي بصياغة استراتيجية تطوير أعماله الخاصة بما يتماشى مع استراتيجية التنمية الوطنية.
يُصنّف المؤلف التقنيات الرئيسية في عملية تطوير نظام نقل الحركة بالطاقة الجديدة، موفراً أساساً نظرياً ومرجعاً لتصميم واختبار وإنتاج هذا النظام. ينقسم الكتاب إلى ثلاثة فصول لتحليل التقنيات الأساسية للقيادة الكهربائية في أنظمة نقل الحركة للسيارات الكهربائية بالكامل. سنبدأ اليوم بشرح مبدأ وتصنيف تقنيات القيادة الكهربائية.
الشكل 1: الروابط الرئيسية في تطوير مجموعة نقل الحركة
في الوقت الحالي، تشمل التقنيات الأساسية الرئيسية لأنظمة نقل الحركة في المركبات الكهربائية بالكامل الفئات الأربع التالية:
الشكل 2: التقنيات الرئيسية الأساسية لمجموعة نقل الحركة
تعريف نظام محرك القيادة
بحسب حالة بطارية السيارة ومتطلبات الطاقة، يقوم النظام بتحويل الطاقة الكهربائية الناتجة عن جهاز تخزين الطاقة الموجود على متنها إلى طاقة ميكانيكية، ثم تُنقل هذه الطاقة إلى عجلات القيادة عبر جهاز النقل. عند استخدام المكابح، يُحوّل جزء من الطاقة الميكانيكية للسيارة إلى طاقة كهربائية ويُعاد إلى جهاز تخزين الطاقة. يتكون نظام القيادة الكهربائية من محرك، وآلية نقل، ووحدة تحكم بالمحرك، ومكونات أخرى. تشمل المعايير الفنية لتصميم نظام القيادة الكهربائية بشكل أساسي القدرة، وعزم الدوران، والسرعة، والجهد، ونسبة التخفيض، وسعة مصدر الطاقة، وقدرة الخرج، والجهد، والتيار، وغيرها.
1) وحدة التحكم في المحرك
يُطلق عليه أيضًا اسم العاكس، وهو يحوّل التيار المستمر المُدخل من بطارية الطاقة إلى تيار متردد. المكونات الأساسية:
◎ IGBT: مفتاح إلكتروني للطاقة، مبدأ عمله: من خلال وحدة التحكم، يتم التحكم في ذراع جسر IGBT لإغلاق مفتاح بتردد وتسلسل محددين لتوليد تيار متردد ثلاثي الأطوار. وبإغلاق المفتاح الإلكتروني للطاقة، يتم تحويل الجهد المتردد. ثم يتم توليد جهد التيار المتردد عن طريق التحكم في دورة التشغيل.
◎ سعة الفيلم: وظيفة الترشيح؛ مستشعر التيار: الكشف عن تيار الملف ثلاثي الأطوار.
2) دائرة التحكم والتشغيل: لوحة تحكم الكمبيوتر، ووحدة تشغيل IGBT
تتمثل وظيفة وحدة التحكم في المحرك في تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، واستقبال كل إشارة، وإخراج القدرة وعزم الدوران المناسبين. تتكون المكونات الأساسية من: مفتاح إلكتروني للطاقة، ومكثف غشائي، ومستشعر تيار، ودائرة تحكم لفتح مفاتيح مختلفة، وتشكيل تيارات في اتجاهات مختلفة، وتوليد جهد متردد. بالتالي، يمكننا تقسيم التيار المتردد الجيبي إلى مستطيلات. يتم تحويل مساحة كل مستطيل إلى جهد بنفس الارتفاع. يُحقق المحور السيني التحكم في الطول من خلال التحكم في دورة التشغيل، وبالتالي تحقيق التحويل المكافئ للمساحة. بهذه الطريقة، يمكن التحكم في قدرة التيار المستمر لإغلاق ذراع جسر IGBT بتردد معين، ثم يتم التبديل عبر وحدة التحكم لتوليد طاقة تيار متردد ثلاثية الأطوار.
في الوقت الحالي، تعتمد المكونات الرئيسية لدائرة القيادة على الواردات: المكثفات، وأنابيب التبديل IGBT/MOSFET، وDSP، والرقائق الإلكترونية والدوائر المتكاملة، والتي يمكن إنتاجها بشكل مستقل ولكن بقدرة ضعيفة: الدوائر الخاصة، وأجهزة الاستشعار، والموصلات، والتي يمكن إنتاجها بشكل مستقل: مصادر الطاقة، والثنائيات، والمحاثات، ولوحات الدوائر متعددة الطبقات، والأسلاك المعزولة، والمشعات.
3) المحرك: يحول التيار المتردد ثلاثي الأطوار إلى طاقة ميكانيكية
◎ الهيكل: أغطية أمامية وخلفية، وأغلفة، وأعمدة، ومحامل
◎ الدائرة المغناطيسية: قلب الجزء الثابت، قلب الجزء الدوار
◎ الدائرة: ملفات الجزء الثابت، موصل الجزء الدوار
4) جهاز الإرسال
تقوم علبة التروس أو المخفض بتحويل عزم الدوران الناتج عن المحرك إلى السرعة وعزم الدوران المطلوبين للمركبة بأكملها.
نوع محرك القيادة
تنقسم محركات القيادة إلى أربع فئات رئيسية. حاليًا، تُعدّ محركات الحثّ التيار المتردد ومحركات التزامن ذات المغناطيس الدائم أكثر أنواع محركات المركبات الكهربائية الحديثة شيوعًا. لذا، سنركز على تقنية محركات الحثّ التيار المتردد ومحركات التزامن ذات المغناطيس الدائم.
| محرك تيار مستمر | محرك حثي يعمل بالتيار المتردد | محرك متزامن بمغناطيس دائم | محرك التردد المتغير | |
| ميزة | تكلفة أقل، متطلبات منخفضة لنظام التحكم | تكلفة منخفضة، تغطية طاقة واسعة، تقنية تحكم متطورة، موثوقية عالية | كثافة طاقة عالية، كفاءة عالية، حجم صغير | بنية بسيطة، متطلبات منخفضة لنظام التحكم |
| العيوب | متطلبات صيانة عالية، سرعة منخفضة، عزم دوران منخفض، عمر افتراضي قصير | مساحة صغيرة فعالة، كثافة طاقة منخفضة | تكلفة عالية، قدرة ضعيفة على التكيف مع البيئة | تذبذب كبير في عزم الدوران، ضوضاء تشغيل عالية |
| طلب | مركبة كهربائية صغيرة أو مصغرة منخفضة السرعة | المركبات الكهربائية التجارية وسيارات الركاب | المركبات الكهربائية التجارية وسيارات الركاب | مركبة تعمل بالوقود المختلط |
1) محرك حثي غير متزامن يعمل بالتيار المتردد
يعتمد مبدأ عمل المحرك الحثي غير المتزامن للتيار المتردد على مرور الملفات عبر فتحة الجزء الثابت (الساكن) والجزء الدوار (الدوار)، المصنوع من صفائح فولاذية رقيقة ذات موصلية مغناطيسية عالية. يمر التيار الكهربائي ثلاثي الأطوار عبر هذه الملفات. ووفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، يتولد مجال مغناطيسي دوار، وهو ما يُفسر دوران الجزء الدوار. تتصل ملفات الجزء الثابت الثلاثة بفواصل 120 درجة، ويُولد الموصل الحامل للتيار مجالات مغناطيسية حولها. عند تطبيق مصدر طاقة ثلاثي الأطوار على هذا الترتيب، تتغير المجالات المغناطيسية في اتجاهات مختلفة بتغير التيار المتردد في لحظة معينة، مما يُولد مجالًا مغناطيسيًا ذو شدة دوران منتظمة. تُسمى سرعة دوران المجال المغناطيسي بالسرعة التزامنية. بافتراض وجود موصل مغلق داخل هذا الترتيب، ووفقًا لقانون فاراداي، نظرًا لتغير المجال المغناطيسي، فإن الحلقة ستستشعر القوة الدافعة الكهربائية، مما يُولد تيارًا كهربائيًا فيها. يشبه هذا الوضع حلقةً تحمل تيارًا كهربائيًا في مجال مغناطيسي، مما يُولّد قوةً كهرومغناطيسيةً على الحلقة، فيبدأ هوان جيانغ بالدوران. باستخدام آلية مشابهة لقفص السنجاب، يُولّد تيار متردد ثلاثي الأطوار مجالًا مغناطيسيًا دوارًا عبر الجزء الثابت، ويُستحث التيار في قضيب قفص السنجاب المُقصر بواسطة الحلقة الطرفية، فيبدأ الدوار بالدوران، ولهذا يُسمى هذا المحرك بالمحرك الحثي. وبمساعدة الحث الكهرومغناطيسي، بدلًا من توصيله مباشرةً بالدوار لاستحثاث الكهرباء، تُملأ رقائق حديدية عازلة في قلب الدوار، بحيث يضمن صغر حجم الحديد الحد الأدنى من فقد التيار الدوامي.
2) محرك متزامن يعمل بالتيار المتردد
يختلف دوار المحرك التزامني عن دوار المحرك غير التزامني. يُركّب المغناطيس الدائم على الدوار، وينقسم إلى نوعين: سطحي ومدمج. يُصنع الدوار من صفائح الفولاذ السيليكوني، بينما يكون المغناطيس الدائم مدمجًا فيه. يتصل الجزء الثابت (الساكن) بتيار متردد بفارق طور 120 درجة، يتحكم في مقدار وطور موجة التيار المتردد الجيبية، بحيث يكون المجال المغناطيسي المتولد من الجزء الثابت معاكسًا للمجال المتولد من الدوار، مما يؤدي إلى دوران المجال المغناطيسي. بهذه الطريقة، ينجذب الجزء الثابت إلى المغناطيس ويدور مع الدوار. وتتولد دورات متكررة نتيجة امتصاص الجزء الثابت والدوار.
الخلاصة: أصبحت محركات الدفع للمركبات الكهربائية هي السائدة، لكنها ليست أحادية النوع بل متعددة. لكل نظام محرك مؤشراته الشاملة الخاصة به، ويُستخدم كل نظام في محركات المركبات الكهربائية الحالية. معظمها محركات غير متزامنة ومحركات متزامنة بمغناطيس دائم، بينما يحاول البعض الآخر استخدام محركات التردد المتغير. تجدر الإشارة إلى أن محركات الدفع تدمج تقنيات إلكترونيات الطاقة، والإلكترونيات الدقيقة، والتقنيات الرقمية، وتقنيات التحكم الآلي، وعلوم المواد، وغيرها من التخصصات، مما يعكس آفاق التطبيق والتطوير الشاملة لهذه التخصصات المتعددة. إنها منافس قوي في سوق محركات المركبات الكهربائية. ولكي تحتل مكانة في مستقبل المركبات الكهربائية، لا بد لجميع أنواع المحركات من تحسين بنية المحرك، واستكشاف الجوانب الذكية والرقمية لنظام التحكم باستمرار.
تاريخ النشر: 30 يناير 2023
