ما العوامل التي تؤثر على سرعة شحن شاحن المركبات الكهربائية؟

نوع شاحن المركبات الكهربائية وإخراج الطاقة: فهم وحدات الكيلوواط والجهد والتيار

كيف يحدد تصنيف الكيلوواط (kW) مباشرةً سرعة الشحن

يؤثر تصنيف الطاقة لمُشحن المركبات الكهربائية المقاس بالكيلوواط (kW) تأثيرًا كبيرًا على سرعة الشحن. فالمُشاحن ذات التصنيفات الأعلى بالكيلوواط تقوم ببساطة بنقل الكهرباء إلى البطارية بشكل أسرع. خذ على سبيل المثال مُستخدمًا قياسيًا من المستوى 2 بقدرة 19.2 كيلوواط مقابل وحدة المستوى 1 الأساسية التي تُنتج حوالي 1.4 كيلوواط فقط. الفرق كبير جدًا — أي ما يقارب ضعف 13 مرة من الكهرباء التي تتدفق كل ساعة. ولهذا السبب يمكن لتلك المشاحن السريعة DC المتطورة التي تتراوح قدرتها من 50 إلى أكثر من 350 كيلوواط أن توفر للمركبات أكثر من 200 ميل من مدى القيادة خلال نصف ساعة فقط. ومقارنةً مع ذلك، فإن الشحن البطيء من المستوى 1 يضيف فقط من 3 إلى 5 أميال كل ساعة.

دور الجهد والتيار في توصيل الطاقة (kW = V × A)

تعتمد كمية الطاقة المتاحة للشحن على الجهد (الذي يُقاس بالفولت) والتيار (بالأمبير). تسير العملية الحسابية الأساسية كما يلي: الكيلوواط يساوي الفولت مضروباً بالأمبير مقسوماً على 1000. وعندما نتحدث عن أنظمة ذات جهد أعلى، فإنها في الواقع تخسر طاقة أقل أثناء النقل لأن المقاومة تكون أقل تأثيراً عليها. وهذا يعني أن التيار الكهربائي يتم توصيله بكفاءة أكبر بشكل عام. انظر إلى ما يحدث عندما يضاعف شخص ما الجهد من حوالي 400 فولت إلى نحو 800 فولت، مع بقاء التيار عند 300 أمبير. فجأة، بدلاً من الحصول على نحو 120 كيلوواط من النظام، نكون أمام ما يقارب ضعف هذا المقدار، أي حوالي 240 كيلوواط. ولهذا السبب يركز العديد من الشركات العاملة في مجال المركبات الكهربائية اهتمامًا كبيرًا حاليًا على ترقية قدراتها من حيث الجهد. إذ يريدون تحسين أداء الشحن دون الحاجة للتعامل مع تلك الكابلات السميكة والثقيلة التي تأتي مع متطلبات التيار الأعلى.

الشحن بالتيار المتردد مقابل التيار المستمر: الفروق في توصيل الطاقة والكفاءة

تعمل شواحن التيار المتردد القياسية من خلال استخدام المحول المدمج في السيارة لتحويل طاقة التيار المتردد إلى تيار مستمر لشحن البطارية، مما يحد من سرعة الشحن بحوالي 19.2 كيلوواط كأقصى حد. أما شواحن التيار المستمر السريعة فتتبع نهجًا مختلفًا تمامًا، حيث تتخطى خطوة التحويل الداخلي في السيارة وتوفر التيار المستمر مباشرة إلى البطارية، مما يسمح بمعدلات شحن أسرع بكثير يمكن أن تتجاوز 350 كيلوواط في بعض الموديلات. ما العيب؟ هذه الأنظمة تستهلك عادةً حوالي 10 إلى 15 بالمئة من طاقتها على شكل حرارة عند التشغيل بالقدرة القصوى. وفي المقابل، تحتفظ معظم شواحن التيار المتردد الجيدة بالكفاءة بنسبة تتراوح بين 85 إلى 90 بالمئة أثناء الاستخدام العادي دون دفع الأمور إلى الحد الأقصى. إذًا هناك بالتأكيد تنازل بين السرعة والكفاءة حسب نوع الشاحن الذي يحتاجه الشخص لعاداته اليومية في القيادة.

مقارنة واقعية: إخراج شاحن السيارة الكهربائية المنزلي مقابل العام

نوع الشاحن	نطاق الطاقة	الجهد الكهربائي	مدة الشحن الكامل النموذجية (بطارية 60 كيلوواط في الساعة)
المستوى 1 (منزلي)	1.4–1.9 كيلوواط	120 فولت تيار متردد	25–45 ساعة
المستوى 2 (منزلي/عام)	7.7–19.2 كيلوواط	208–240 فولت تيار متردد	4–10 ساعات
شاحن سريع تيار مستمر (عام)	50–350 كيلوواط	400–1000 فولت تيار مستمر	20–60 دقيقة (شحن 80٪)

أظهرت تحليلات حديثة أن شواحن التيار المستمر السريعة تمثل الآن 38٪ من المحطات العامة، مما يعكس الطلب المتزايد على الشحن عالي السرعة. ويظل المستوى 2 هو المسيطر على التركيبات المنزلية نظرًا لانخفاض تكاليف البنية التحتية وتوافقه مع معظم الأنظمة الكهربائية السكنية.

عوامل تتعلق بالمركبة: حدود الشاحن المدمج وخصائص البطارية

سعة الشاحن المحمول كعنق زجاجة في سرعات الشحن التيار المتردد

تأتي معظم المركبات الكهربائية مجهزة بشواحن محمولة تتراوح من حوالي 3.3 كيلو واط حتى 22 كيلو واط. تُعد هذه الوحدات المحمولة الحد الأقصى لسرعة شحن السيارة باستخدام التيار المتردد، بغض النظر عن نوع القابس أو محطة الشحن المستخدمة. خذ على سبيل المثال هذا السيناريو: إذا قام شخص ما بتوصيل مركبته الكهربائية بشاحن من المستوى الثاني بقوة 19.2 كيلو واط، ولكن سيارته تحتوي فقط على شاحن محمول بقدرة 7.4 كيلو واط، فسيحصل فقط على حوالي 30 ميلاً إضافية من المدى لكل ساعة شحن. وقد بدأت شركات تصنيع السيارات مؤخراً بتركيب شواحن محمولة أكبر، عادة ما تكون بين 19 و22 كيلو واط. يساعد هذا التغيير في تقليص مدة جلسات الشحن المنزلية الطويلة بنحو النصف، على الرغم من أن لا شيء يقارب سرعة محطات الشحن السريع بالتيار المستمر الموجودة في الأماكن العامة.

حالة شحن البطارية (SOC) وتأثيرها على كفاءة منحنى الشحن

نمط الشحن للبطاريات الليثيوم أيون ليس بسيطًا على الإطلاق. في الواقع، تستقبل هذه البطاريات أكبر قدر من الطاقة عندما تكون شبه فارغة، ولكن بمجرد تجاوزها لمستوى شحن يبلغ حوالي 80٪، تبدأ الأمور في التباطؤ بشكل ملحوظ. وعندما تقترب خلايا البطارية من الحد الأقصى للجهد الكهربائي لديها، والذي يدور حول 4.2 فولت، لا يكون أمام الشاحن خيار سوى تقليل تدفق التيار إلى ما بين النصف والثلثين تقريبًا، وذلك لمنع ارتفاع درجة حرارتها بشكل مفرط. انظر إلى ما يحدث في درجة حرارة الغرفة، ولنفترض أنها حوالي 20 درجة مئوية أو 68 فهرنهايت. يمكن أن تستقبل البطارية طاقة بقدرة 150 كيلوواط عندما تكون مشحونة بنسبة 20٪ فقط، لكن تنخفض هذه القدرة إلى 35 كيلوواط فقط عند وصولها إلى 85٪. وهذا يعني أن الجزء الأخير من عملية الشحن يستغرق وقتًا أطول بكثير مما يتوقعه الناس، مما قد يكون مصدر إحباط لأي شخص ينتظر شحن جهازه بالكامل.

تدهور صحة البطارية مع مرور الوقت وانخفاض معدلات الشحن القصوى

مع تقدم البطاريات في العمر بمرور الوقت، تميل إلى الاحتفاظ بالطاقة بشكل أقل وشحنها بوتيرة أبطأ. وفقًا لبحث نُشر من قبل المختبر الوطني في آيداهو عام 2023، فإن مجموعات بطاريات الليثيوم أيون تشهد عادةً انخفاضًا يتراوح بين 15 إلى 20 بالمئة في سرعة الشحن القصوى بعد حوالي ثماني سنوات من الاستخدام. يحدث هذا لأن عدة أمور تتعرض للخلل داخل خلايا البطارية. تزداد سماكة طبقة SEI، ويحدث ترسيب للليثيوم على الأقطاب الكهربائية، وتتراكم الإجهادات الميكانيكية الناتجة عن دورات الشحن المتكررة. وكل هذه المشكلات تجعل من الصعب على الأيونات التحرك عبر البطارية، ما يؤدي إلى ارتفاع المقاومة الداخلية مع انخفاض عدد الأيونات المتاحة. كيف يبدو هذا عمليًا؟ خذ شحن التيار المستمر السريع (DC fast charging) كمثال. قد تستغرق بطارية جديدة تمامًا 28 دقيقة فقط للشحن الكامل، ولكن بعد قيادة نحو 100,000 ميل، يمكن أن تمتد جلسات الشحن نفسها إلى 37 دقيقة أو أكثر حسب مدى التدهور الذي حدث.

اختلافات كيمياء البطارية: سلوك الشحن بين NMC وLFP

الخصائص	NMC	LFP
نطاق الجهد	3.0–4.2V	2.5–3.65V
معدل الشحن الأقصى	2–3C (أعلى)	1–2C (أقل)
الحساسية الحرارية	يتطلب تبريدًا نشطًا	يتحمل التبريد السلبي

بينما تدعم بطاريات NMC الشحن الأسرع في ظروف مثالية، تحافظ كيمياء LFP على 90% من سرعة شحنها الأصلية بعد 3000 دورة — متفوقةً بشكل كبير على نسبة الحفاظ البالغة 75% لـ NMC خلال نفس الفترة.

التأثيرات البيئية والبنية التحتية على أداء شحن المركبات الكهربائية

تأثير الطقس البارد على كفاءة البطارية وسرعة الشحن (ببطء يصل إلى 40%)

عندما تنخفض درجات الحرارة عن 50 درجة فهرنهايت (حوالي 10 مئوية)، يحدث شيء مثير للاهتمام داخل بطاريات الليثيوم أيون. حيث تزداد المقاومة الداخلية، ما يعني ببساطة أن الإلكترونات تواجه صعوبة أكبر في التحرك، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل سرعة الشحن بنسبة تتراوح بين 20 بالمئة تقريبًا وتصل إلى 40 بالمئة أبطأ. وفقًا لبحث نُشر العام الماضي في مجلة صناعية، تستغرق المركبات الكهربائية حوالي 30% أكثر من الوقت للوصول إلى النقطة المثالية وهي شحن 80% من سعتها عند تركها في الخارج في ظروف متجمدة، مقارنةً بالطقس الدافئ الجميل القريب من درجة حرارة الغرفة. لمكافحة هذه المشكلة، تبدأ أنظمة إدارة البطارية الحديثة فعليًا في الحد من كمية الطاقة التي تُضخ إلى الخلايا. ويقومون بذلك بسبب ظاهرة تُعرف باسم ترسيب الليثيوم، والتي تصبح مشكلة أكبر في الأجواء الباردة، ولا أحد يريد أن تتدهور حزمة بطاريته باهظة الثمن بشكل أسرع من اللازم.

استراتيجيات إدارة الحرارة وتكييف البطارية مسبقًا

للتصدي لقيود الطقس البارد، تستخدم المركبات الكهربائية الحديثة استراتيجيتين رئيسيتين:

1. إدارة حرارية نشطة : تقوم بتدوير سائل تبريد ساخن عبر حزمة البطارية للحفاظ على نطاق تشغيل مثالي يتراوح بين 68–95°فهرنهايت (20–35°مئوية)
2. التكييف المتكامل مع نظام الملاحة : يسخن البطارية تلقائيًا باستخدام بيانات المسار عند التوجه إلى شاحن سريع تيار مستمر (DC)

عند تفعيل هذه الأنظمة، فإنها تقلل من التأخيرات الناتجة عن البرودة بنسبة 50–70%، رغم أنها تستهلك 3–5% من إجمالي الطاقة أثناء التشغيل.

استقرار الشبكة الكهربائية، وحمل الدائرة، والإعداد الكهربائي المنزلي للشحن من المستوى 2 الأمثل

يعتمد أداء الشحن السكني على جهد الشبكة المستقر والقدرة الكافية للدائرة. من أجل تشغيل موثوق من المستوى 2:

المعلم الكهربائي	الحد الأدنى المطلوب	عتبة الأداء الأمثل
استقرار الجهد	228–252 فولت	235–245 فولت (±2%)
سعة الدائرة	40 أمبير	50 أمبير (سعة تحميل 20%)

إن تركيب نظام ذكي لإدارة الأحمال يمنع انخفاض الجهد خلال الفترات ذات الطلب العالي، ويحافظ على كفاءة شحن تتراوح بين 92–97% مقارنةً بـ 78–85% في الأنظمة غير المُدارة.

جودة الكابل وموثوقية التوصيل في نقل الطاقة

الكابلات الشاحنة التي لا يتم صيانتها بشكل صحيح تُعد مسؤولة فعليًا عن حوالي 12 إلى 18 بالمئة من جميع مشكلات الكفاءة في محطات الشحن العامة. هناك عدة مشكلات شائعة نراها بانتظام. فموصلات الكابلات تميل إلى الأكسدة مع مرور الوقت، مما يقلل من التوصيلية بنسبة تتراوح بين 15 و30%. كما تحدث شقوق في العزل، وعند حدوث ذلك يؤدي إلى هدر الحرارة. ولا ننسَ المشابك البالية التي لم تعد تقوم بالتوصيلات الكاملة بعد الآن. من ناحية أخرى، يمكن لكابلات الجودة العالية المزودة بموصلات مطلية بالذهب ومقبض تبريد سائل أن تحافظ على كفاءة نقل الطاقة فوق 99%، وهي نسبة ضرورية تمامًا لأنظمة الشحن السريع المستمرة (DC) ذات القدرة العالية 350 كيلوواط والتي أصبحت شائعة جدًا في الوقت الحاضر.

اتجاهات شبكات الشحن واستراتيجيات تحسين استخدام المستخدم

نمو شبكات الشحن السريع المستمر (DC) وتحسينات إمكانية الوصول

عالم شحن المركبات الكهربائية يتغير بسرعة هذه الأيام. يُقدّر الخبراء أن محطات الشحن السريع التيار المستمر (DC) قد تدفع قيمة السوق العالمية لتتجاوز 221 مليار دولار بحلول عام 2034. وعلى طول الطرق السريعة، نشهد ظهور هذه المحطات القوية في كل مكان الآن، وبعضها قادر على توفير ما بين 150 و350 كيلوواط. وهذا يعني أن السائقين يمكنهم إعادة شحن بطاريات مركباتهم خلال الرحلات الطويلة في غضون 15 إلى 20 دقيقة فقط بدلاً من الانتظار لساعات. كما أصبحت المدن أكثر ذكاءً في هذا الشأن. فمحطات الشحن DC على الأرصفة بدأت بالظهور في مراكز المدن، وتكون متصلة بتطبيقات الهواتف الذكية حيث يمكن للأشخاص حجز أماكن، ودفع تكاليف الشحن، والتحقق مما إذا كانت المحطة شاغرة عند وصولهم. وهذا منطقي تمامًا، إذ أن نحو نصف سكان الشقق (حوالي 43٪) لا يمتلكون مرائب خاصة، وبالتالي يحتاجون إلى خيارات شحن عامة معظم الوقت.

تعظيم سرعة الشحن: أفضل الممارسات للشحن المنزلي والعامة

لتحسين أداء الشحن والكفاءة من حيث التكلفة، ينبغي للسائقين أن:

• قم بجدولة الشحن المنزلي خلال الساعات غير الذروة (عادةً من الساعة 12 صباحًا إلى 6 صباحًا)، حيث تنخفض أسعار الكهرباء بنسبة 18–25٪
• استخدم التكييف المسبق للمركبة لتسخين أو تبريد البطارية قبل الشحن السريع بتيار مستمر
• حد من جلسات الشحن العامة ضمن نطاق شحن البطارية من 20٪ إلى 80٪، حيث تُحافظ على أعلى معدلات شحن

يمكن أن تقلل هذه الممارسات متوسط تكاليف الشحن بنسبة 30٪، مع دعم صحة البطارية على المدى الطويل.

النظرة المستقبلية: تطورات الشحن عالي السرعة ودمج المركبات مع الشبكة

تُجرى حاليًا اختبارات على أحدث طفرة من المحطات الفائقة الشحن التي تتراوح قدرتها بين 500 و900 كيلوواط، ويُزعم أنها تشحن مركبة كهربائية بما يكفي لقطع مسافة حوالي 200 ميل في أقل من عشر دقائق. وفي الوقت نفسه، تنتقل شركات صناعة السيارات إلى أنظمة كهربائية بجهد 800 فولت بدلاً من الالتزام بالمعيار القديم البالغ 400 فولت. ويقلل هذا التغيير من الطاقة المهدورة بشكل كبير، حيث يقلل الخسائر إلى نحو النصف مقارنة بما كان عليه سابقًا. ثم هناك ما يُعرف بتقنية المركبة إلـى الشبكة (V2G) التي بدأت تكتسب زخمًا. وما يجعلها مثيرة للاهتمام هو أن بطارية مركبة كهربائية واحدة يمكن أن تُبقي الإضاءة مشتعلة في منزل نموذجي لمدة تتراوح بين اثني عشر إلى ثمانية عشر ساعة في حال انقطاع التيار الكهربائي. ويقدّر بعض الخبراء أن هذه المركبات قد تدرّ على مالكيها ما بين 120 إلى 200 دولارًا إضافيًا سنويًا، فقط من خلال المساعدة في موازنة شبكة الكهرباء عند الحاجة. وكل هذه التطورات تعني أن المركبات الكهربائية لم تعد مجرد وسيلة نقل، بل أصبحت مصادر طاقة متنقلة تندرج بسلاسة ضمن مشهدنا المتغير للطاقة.

قسم الأسئلة الشائعة

ماذا تشير درجة الكيلوواط إلى شواحن المركبات الكهربائية؟

تشير درجة الكيلوواط لشواحن المركبات الكهربائية إلى سعة القدرة، وتؤثر بشكل مباشر على سرعة شحن مركبتك.

كيف تسهم الجهد والتيار في شحن المركبات الكهربائية؟

الجهد والتيار هما عاملان يحددان إجمالي توصيل الطاقة للشاحن، ويمكن حسابهما باستخدام الصيغة التالية: الكيلوواط يساوي الفولت مضروباً بالأمبير مقسوماً على 1000.

لماذا تختلف كفاءة الشواحن التيار المتردد والتيار المستمر؟

عادةً ما تكون الشواحن التي تعمل بالتيار المتردد أقل كفاءة من شواحن التيار المستمر السريعة، لأنها تعتمد على عمليات تحويل داخل السيارة تحد من سرعتها، في حين أن شواحن التيار المستمر تزود البطارية مباشرة بالطاقة.

كيف تؤثر الظروف الجوية على أداء شحن المركبات الكهربائية؟

يمكن أن تقلل الظروف الجوية الباردة من سرعة الشحن من خلال زيادة المقاومة الداخلية في بطاريات الليثيوم أيون، مما قد يبطئ عملية الشحن بنسبة تتراوح بين 20 و40%.

ما هو نظام الإدارة الحرارية في المركبات الكهربائية؟

تتضمن إدارة الحرارة في المركبات الكهربائية الأنظمة التي تنظّم درجة حرارة البطارية للحفاظ على الظروف المثلى وتجنب التأخير في الشحن.

كيف يمكنني تحسين سرعة الشحن في المنزل؟

حسّن سرعة الشحن في منزلك عن طريق جدولة الشحن خلال الساعات غير الذروة والتأكد من أن النظام الكهربائي في منزلك مهيأ بشكل صحيح للشحن من المستوى 2.