ما كفاءة الشحن لمُشغِّل سيارات كهربائية (EV) المحمول من النوع 2؟

كفاءة الشحن في الاستخدام الفعلي لمُشغِّل سيارات كهربائية محمول من النوع 2

كيف تُقاس كفاءة التيار المتناوب لمُشغِّلات السيارات الكهربائية المحمولة من النوع 2

عند تقييم كفاءة شواحن المركبات الكهربائية المحمولة من النوع ٢ (Type 2)، فإننا نقيس أساسًا كمية الطاقة التي تصل فعليًّا إلى بطارية السيارة مقارنةً بالطاقة المستخلصة من منفذ الحائط. وهناك عدة عوامل تُقلِّل من هذه الكفاءة، ومنها الفقد الناتج عن نظام الشاحن الداخلي الخاص بالسيارة، والمقاومة الكهربائية في الكابلات، والحرارة الناتجة أثناء التشغيل. كما تُجرى الاختبارات المخبرية لهذه الشواحن في ظروف صارمة جدًّا — وعادةً ما تكون عند درجة حرارة الغرفة (حوالي ٢٥ درجة مئوية)، مع تدفق كهربائي ثابت، وبطاريات مشحونة بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٨٠٪ لتفادي التأثير على دقة النتائج. فلننظر في الأرقام: فعلى سبيل المثال، يستمد شخصٌ ما ١٠ كيلوواط ساعة من منفذ كهرباء منزله، لكنه يلاحظ أن ٨٫٨ كيلوواط ساعة فقط هي التي تصل فعليًّا إلى البطارية. وهذا يعني أن كفاءة الشاحن تبلغ نحو ٨٨٪. وتُساعد هذه الاختبارات في المقارنة العادلة بين شواحن مختلفة، وتُظهر بوضوح مدى الفرق الذي تحدثه الهندسة الجيدة في الأداء الفعلي للشاحن على أرض الواقع.

نطاق الكفاءة النموذجي: ٨٥–٩٢٪ — مُقاسٌ مقابل وحدات الشحن المنزلية (Wallboxes) ووحدات الشحن السريع التيار المستمر (DC fast chargers)

عادةً ما تحقق شواحن الـ Type 2 المحمولة كفاءة تتراوح بين ٨٥٪ و٩٢٪ — وهي أقل قليلًا من كفاءة وحدات الشحن المنزلية المثبتة بشكل دائم (٨٨–٩٤٪)، وأقل بكثير من كفاءة وحدات الشحن السريع التيار المستمر (٩٢–٩٦٪). ويُعزى هذا الفارق إلى ثلاثة قيود هندسية:

• القيود الحرارية : تقيّد الهياكل المدمجة من تبدّد الحرارة، ما يزيد الخسائر المقاومية عند التيارات الأعلى
• التجاوُزات المتعلقة بالكابلات : تتميز الشواحن المحمولة عادةً بكابلات أطول وأكثر مرونة، ما يُدخل مقاومةً أكبر مقارنةً بالتركيبات الثابتة
• هندسة التحويل : على عكس وحدات الشحن السريع التيار المستمر، تعتمد وحدات الشحن المحمولة التيار المتناوب (AC) بالكامل على وحدة التحكم في الشحن onboard charger (OBC) الخاصة بالمركبة، ما يؤدي حتمًا إلى خسائر في عملية تحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر

وفي الظروف المثلى — مثل شاحن محمول من نوع Type 2 يعمل بتيار ٣٢ أمبير وفولتية ٢٤٠ فولت — يمكن أن تصل الكفاءة إلى ٩٢٪، مما يقلّل الفارق مع وحدات الشحن المنزلية. وتوفّر هذه الأداء ٣٠–٣٥ ميلًا من المدى لكل ساعة شحن، مع الحفاظ في الوقت نفسه على ميزة التنقّل التي تُعدّ حاسمةً للرحلات البرية أو السكن المؤقت أو المنازل التي تضم أكثر من مركبة.

العوامل الرئيسية التي تقلل الكفاءة في شاحن المركبات الكهربائية المحمول من النوع 2

قيود شاحن المركبة الداخلي (OBC) باعتبارها العقبة الرئيسية

عندما يتعلق الأمر بمعدل شحن السيارات الكهربائية فعليًّا في الاستخدام العملي، فإن الشاحن المدمج (OBC) يلعب الدور الأكبر على الإطلاق. فمعظم المركبات الكهربائية العادية تأتي مزوَّدة بشواحن مدمجة تصل سعتها القصوى إلى ما بين ٧ و١١ كيلوواط تقريبًا. ومع ذلك، يمكن لبعض الطرازات الفاخرة أن تصل سعتها إلى نحو ١٩ كيلوواط. والآن تخيل أن لديك شاحنًا محمولًا من نوع ٢ بقدرة ٧,٦ كيلوواط متصلًا بسيارةٍ يقتصر شاحنها المدمج (OBC) على التعامل مع ٣,٦ كيلوواط فقط. فماذا يحدث؟ حسنًا، يُهدَر نحو نصف تلك الكهرباء على هيئة حرارة بدلًا من أن تُوجَّه إلى البطارية. ولذلك قد تختلف أداء شاحرتين محمولتين ظاهريًّا متماثلتين اختلافًا كبيرًا. فعلى سبيل المثال، تشحن سيارة كيا EV6 بمعدل يقارب ٤٠ كيلومترًا في الساعة عند توصيلها بالشاحن، بينما تكاد سيارة نيسان ليف الأساسية تصل إلى ٢٥ كم/ساعة فقط في ظروف مماثلة. وعادةً ما تركز شركات تصنيع السيارات على خفض التكاليف وتقليل وزن المركبة بدلًا من زيادة سعة الشاحن المدمج (OBC)، وبالتالي تظل هذه القيود غير قابلة للتفادي إلى حدٍّ كبير في جميع أنظمة الشحن التيار المتناوب (AC).

قيود مصدر الطاقة: جهد الدائرة (120 فولت/240 فولت)، والشدة الكهربائية (16 أمبير–32 أمبير)، وجودة المنفذ

تنخفض كفاءة الشاحن المحمول بشكل حاد عندما لا يلبي مصدر الطاقة المواصفات المطلوبة:

• تقلبات الجهد : تُقلّل الدوائر ذات الجهد 120 فولت الكفاءة بنسبة 12–18% مقارنةً بالدوائر ذات الجهد 240 فولت، وذلك بسبب متطلبات التيار الأعلى ومدة التشغيل الأطول، ما يؤدي إلى تراكم الخسائر الحرارية
• نقص الشدة الكهربائية : تشغيل شاحن بسعة 32 أمبير على دائرة بسعة 16 أمبير يُضيّع 7–9% من الطاقة نتيجة المدة الأطول للشحن وزيادة مقاومة النحاس
• تدهور حالة المنفذ : قد تتسبب المنافذ البالية في انخفاض الجهد بمقدار يصل إلى 8 فولت دون القيمة القياسية، ما يرفع الخسائر الناجمة عن المقاومة بنسبة 15% مقارنةً بالمنافذ الصناعية عالية الجودة

تتفاعل هذه القيود مع حدود وحدة الشحن المدمجة (OBC) — لا سيما عند الشحن من مصادر طاقة سكنية أو مؤقتة أو غير منضبطة — ما يجعل التحقق من مصدر الطاقة شرطًا مسبقًا لتحقيق كفاءة موثوقة.

تصميم موصل النوع 2 ودوره في كفاءة شواحن المركبات الكهربائية المحمولة

لماذا يُعرَّف التشغيل أحادي الطور معظم نماذج شواحن المركبات الكهربائية المحمولة من النوع 2 — وما تبعاته على الكفاءة

تُستخدم شواحن المركبات الكهربائية المحمولة من النوع 2 عادةً مع التشغيل أحادي الطور، نظرًا لحاجتها إلى العمل مع ما هو متوفر في معظم المنازل والأماكن العامة هذه الأيام. فبالفعل، لا يتوافر التيار ثلاثي الطور عادةً في مرائب المنازل أو المقاهي. وعلى الرغم من أن الدبابيس السبعة الموجودة في موصل النوع 2 قادرة على التعامل مع كلا التكوينين (أحادي وثلاثي الطور)، فإن النماذج المحمولة تقتصر على التشغيل أحادي الطور ليتمكن المستخدمون العاديون من توصيلها ببساطة في أي مكان يوجد فيه منفذ كهربائي مناسب. ويبلغ مدى كفاءة التشغيل أحادي الطور حوالي ٨٥ إلى ٩٢٪، وهي نسبة جيدةٌ جدًّا في الواقع، بالنظر إلى أنها تقل عن كفاءة التشغيل ثلاثي الطور عند الأحمال الثقيلة. لكن الأمر هنا لا يتعلق أساسًا بعدم الكفاءة بحد ذاتها. فالقضايا الرئيسية تنبع في المقام الأول من درجة توازن الأطوار، وبعض المقاومة الإضافية أثناء نقل التيار. وما يساعد في هذا الصدد هي دبابيس الاتصال المدمجة داخل الموصل نفسه، والتي تتيح للشاحن ضبط التيار ديناميكيًّا، مما يقلل من الطاقة المهدرة عند تقلبات الجهد أو ارتفاع حرارة المكونات. وبالتالي، فقد اتخذ المصنعون قرارًا متعمَّدًا بالتخلي عن قدرٍ ضئيل من الكفاءة لصالح أمرٍ أكثر أهميةٍ عمليًّا: إمكانية الاستخدام الشامل. إذ يمكن للسائقين شحن مركباتهم بأمانٍ وكفاءةٍ تقريبًا في أي مكان يوجد فيه منفذ كهربائي متوافق، وهذا خيرٌ بكثيرٍ من امتلاك معدات فائقة الكفاءة لا يمكن لأحدٍ في الواقع استخدامها في المنزل.

تحسين الكفاءة: مطابقة شاحن المركبات الكهربائية المحمول من النوع 2 مع معدلات قبول الشحن الخاصة بالمركبة

كيف يتطابق إخراج الجهد ٢٤٠ فولت/٣٢ أمبير (٧,٦ كيلوواط) مع معدلات شحن التيار المتردد الشائعة للمركبات الكهربائية (مثل تسلا، فولكس فاجن ID.4، كيا EV6)

يعتمد تحقيق أقصى استفادة ممكنة من عملية الشحن اعتمادًا كبيرًا على ضمان توافق الشاحن المحمول مع القدرة التي يمكن أن تتحملها المركبة الكهربائية عبر وحدة الشحن الداخلية (OBC). فعلى سبيل المثال، تأتي المركبات الكهربائية الحديثة مثل طرازي تسلا موديل ٣ وY، وفولكس فاجن ID.4، وكيا EV6 عمومًا بوحدات شحن داخلية تتراوح قدرتها بين ٧ كيلوواط و١١ كيلوواط. ولتحقيق أفضل النتائج، يُوصى باختيار وحدة شحن محمولة تزود بجهد ٢٤٠ فولت عند تيار ٣٢ أمبير، ما يُنتج قوةً تبلغ نحو ٧,٦ كيلوواط. وهذه القيمة تقع ضمن النطاق الذي تتوقعه هذه المركبات، وبالتالي تنقل الطاقة بكفاءة عالية دون إثقال مكونات التحويل الداخلية بشكل مفرط.

عندما يتطابق إخراج الشاحن مع معدل قبول الشحن — كما هو الحال بالنسبة لأكثر من ٨٥٪ من المركبات الكهربائية الحالية — تظهر ميزتان رئيسيتان تتعلقان بالكفاءة:

• تحسين عملية التحويل يعمل جهاز الشحن على متن المركبة (OBC) بالقرب من نطاق حِمله المثالي، مما يقلل إلى أدنى حدٍّ الطاقة المهدرة الناتجة عن الاستخدام دون الطاقة التصميمية أو خفض القدرة التشغيلية.
• أداء حراري مستقر تعمل المكونات عند درجات حرارة أقل، ما يقلل الخسائر المرتبطة بالمقاومة.

عندما تعمل جميع المكونات معًا بشكل سليم، فإننا نصل إلى كفاءة تتراوح بين ٩٢ و٩٥ في المئة تقريبًا، بدءًا من شبكة الكهرباء ووصولًا مباشرةً إلى البطارية. وهذه النسبة تتفوق على أنظمة الشحن غير المتناسقة بنسبة تبلغ نحو ٨ إلى ١٢ نقطة مئوية وفقًا لبيانات المركبات الكهربائية (EV) الحديثة لعام ٢٠٢٣. فعلى سبيل المثال، عندما يحاول شخصٌ ما استخدام شاحن محمول كبير بقدرة ٢٢ كيلوواط مع شاحن على متن المركبة بقدرة ٧ كيلوواط فقط، ماذا يحدث؟ إن النظام يضطر حينها إلى خفض قدرته التشغيلية بشكل كبير، ما يعني فقدان نحو ١٥ إلى ٢٠ في المئة من إجمالي الطاقة الداخلة على هيئة حرارة مهدورة. ومن الجهة المقابلة، فإن استخدام شاحن صغير جدًا يجعل عملية الشحن تستغرق وقتًا طويلاً جدًا، بينما تظل معظم القدرات التي يمكن للمركبة التعامل معها غير مستغلة. ويبدو أن القدرة البالغة ٧,٦ كيلوواط هي النقطة التي تتوافق فيها الأمور حقًا؛ فهي توفر درجة جيدة من التنقُّل دون التضحية كثيرًا بالأداء الفعلي في ظروف القيادة اليومية العادية.

الأسئلة الشائعة

ما العوامل التي تؤثر في كفاءة شاحن المركبات الكهربائية المحمول من النوع 2؟

تتأثر الكفاءة بالقيود المفروضة على الشاحن المدمج في المركبة، والقيود المفروضة على مصدر الطاقة مثل الجهد والتيار، ومقاومة الكابل، والقيود الحرارية. ويمكن أن تؤدي هذه العوامل إلى خسائر في الطاقة مما يقلل من الكفاءة.

كيف يمكن تحسين الكفاءة في شواحن النوع 2 المحمولة؟

يُحسَّن الشحن الفعّال من خلال مواءمة إخراج الشاحن مع معدلات قبول المركبة الكهربائية (EV)، وإعطاء الأولوية للدوائر الكهربائية ذات الجهد 240 فولت، والتحقق من تصنيفات قواطع الدائرة، واستبدال المنافذ القديمة التي تسبب خسائر ناتجة عن المقاومة.