كيف تعمل السيارات الكهربائية؟

قراءة في 3 دقيقة

تعمل السيارات الكهربائية، المعروفة أيضاً باسم المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs)، بالطاقة الكهربائية المخزنة في حزمة بطارية كبيرة مدمجة بدلاً من حرق البنزين. وبدلاً من محرك الاحتراق الداخلي، تستخدم محرك جر كهربائي لتدوير العجلات. يجب توصيل المركبة بمصدر طاقة لإعادة شحن البطارية من الشبكة الكهربائية. ولا يوجد بها أنبوب عادم، أو خزان وقود، أو نظام عادم تقليدي [1].

الأجزاء الرئيسية للسيارة الكهربائية ووظائفها

تعمل عدة مكونات رئيسية معاً لجعل السيارة الكهربائية تتحرك:

• حزمة البطارية: تخزن الطاقة الكهربائية على شكل طاقة كيميائية داخل خلايا ليثيوم-أيون. وتزود بقية النظام بتيار كهربائي مستمر (DC)، وهي بمثابة "خزان الوقود" للمركبة [1][2].

• محرك الجر الكهربائي: يحول الطاقة الكهربائية من البطارية إلى حركة ميكانيكية لتدوير العجلات. كما تستخدم العديد من الأنظمة المحرك كمولد أثناء الكبح [1][2].

• المحول/العاكس (إلكترونيات الطاقة): يحول التيار المستمر (DC) من البطارية إلى تيار متردد (AC) تحتاجه معظم المحركات. كما يتحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران لضمان تسارع سلس [3, 4].

• الشاحن المدمج: يحول التيار المتردد (AC) من مأخذ الحائط أو محطة الشحن إلى تيار مستمر (DC) لإعادة شحن البطارية. كما يراقب درجة حرارة البطارية، والجهد، والتيار، وحالة الشحن لضمان الشحن الآمن [1].

• نظام الكبح المتجدد: عندما يبطئ السائق سرعته، يتحول المحرك إلى وضع المولد. يقوم هذا النظام بإبطاء السيارة مع تحويل الطاقة الحركية للمركبة مرة أخرى إلى كهرباء تعيد شحن البطارية. تستعيد هذه العملية الطاقة التي كانت ستُفقد على شكل حرارة في المكابح التقليدية [2, 5].

تتم إدارة العملية بأكملها بواسطة نظام تحكم متطور يضمن توصيل الطاقة بكفاءة ويحمي البطارية [3].

كيف تخزن بطاريات الليثيوم-أيون الطاقة ولماذا تتدهور

تخزن بطاريات الليثيوم-أيون الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية عكسية. أثناء الشحن، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب (الكاثود) إلى القطب السالب (الأنود) عبر مادة إلكتروليتية. وعندما تقود السيارة، تتدفق الأيونات في الاتجاه المعاكس، مما يطلق إلكترونات تخلق تياراً كهربائياً لتشغيل المحرك [2].

تتدهور البطاريات بمرور الوقت لأن عمليات الشحن والتفريغ المتكررة تسبب تغييرات فيزيائية وكيميائية صغيرة داخل الخلايا. وتشمل هذه التغييرات نمو طبقة بينية من الإلكتروليت الصلب، وفقدان الليثيوم النشط، والإجهاد الميكانيكي على الأقطاب. يمكن أن تؤدي الحرارة، والشحن السريع، وحالات الشحن المرتفعة جداً أو المنخفضة جداً إلى تسريع هذا التآكل، مما يقلل تدريجياً من سعة البطارية ومداها [2].

مستويات وأوقات الشحن

تعتمد سرعة الشحن على مستوى المعدات المستخدمة:

• المستوى 1 (مأخذ كهربائي منزلي قياسي): الخيار الأبطأ، حيث يضيف عادةً ما بين 3 إلى 5 أميال من المدى لكل ساعة. قد يستغرق الشحن الكامل من 20 إلى 40 ساعة حسب حجم البطارية.

• المستوى 2 (شاحن منزلي أو عام بجهد 240 فولت): شائع للشحن الليلي. يضيف من 10 إلى 60 ميلاً من المدى لكل ساعة. وتصل معظم المركبات إلى الشحن الكامل في غضون 4 إلى 10 ساعات.

• الشحن السريع بالتيار المستمر (DC) (المستوى 3): أعلى محطات الطاقة العامة. يمكنها إضافة من 100 إلى 200 ميل في غضون 20 إلى 40 دقيقة. تتباطأ عملية الشحن تلقائياً مع اقتراب البطارية من الامتلاء لحمايتها.

تختلف الأوقات الفعلية حسب حجم بطارية السيارة، ودرجة الحرارة، وقوة الشاحن. يتحكم الشاحن المدمج ونظام إدارة البطارية في المعدل الآمن لكل جلسة شحن [1][5].

هل السيارات الكهربائية أفضل للبيئة؟

عند النظر في دورة الحياة الكاملة —بما في ذلك إنتاج البطارية— تظهر الدراسات عموماً أن السيارات الكهربائية تنتج انبعاثات غازات دفيئة أقل من مركبات البنزين على مدار عمرها الافتراضي. يتطلب تصنيع البطاريات طاقة ومواد خام، ولكن غياب الانبعاثات من العادم والتحسن المستمر في نظافة شبكة الكهرباء يؤديان عادةً إلى فائدة صافية واضحة. تعتمد الميزة الدقيقة على مصدر الكهرباء المستخدم في الشحن وكيفية تعدين مواد البطارية وإعادة تدويرها [1][5].

تستمر المركبات الكهربائية في التحسن من خلال بطاريات أفضل، ومحركات أكثر كفاءة، وزيادة في إعادة التدوير، مما يجعلها خياراً مستداماً بشكل متزايد للنقل.