لماذا يتم تصميم الشاحن المدمج (Onboard Charger) بشكل صغير عن قصد؟

سرعة شحن السيارة الكهربائية في المنزل تحددها وحدة الشحن المدمجة داخلها وليس الجهاز المثبت على الحائط، حيث تتراوح سعتها بين 7-22 كيلوواط.
سرعة شحن السيارة الكهربائية في المنزل تحددها وحدة الشحن المدمجة داخلها وليس الجهاز المثبت على الحائط، حيث تتراوح سعتها بين 7-22 كيلوواط.

شارك هذه الصفحة

ما يحدد سرعة الشحن بالتيار المتردد (AC) للسيارة الكهربائية في المنزل ليس وحدة الشحن على الحائط، بل الشاحن الداخلي (onboard charger) الموجود داخل السيارة؛ إذ يُصمم هذا الجهاز عمداً ضمن نطاق 7-22 كيلوواط، أي ضمن نطاق قدرة ضيق، لأن العبء الأساسي للشحن السريع تتولاه محولات التيار المستمر (DC) في جانب المحطة. في هذا المقال نشرح على مستوى إلكترونيات القدرة ما يفعله الشاحن الداخلي (OBC)، ولماذا يُصمم صغير الحجم، وكيف يتجاوزه الشحن السريع بالتيار المستمر.

أبرز النقاط

  • في الشحن بالتيار المتردد، تكون القدرة الواصلة إلى البطارية هي الأصغر بين القدرة القصوى للمحطة وقدرة الشاحن الداخلي للسيارة وهي الأصغر منهما.
  • فئات قدرة الشاحن الداخلي النموذجية 7 كيلوواط و11 كيلوواط و22 كيلوواط مرتبة على هذا النحو.
  • يُصمم الشاحن الداخلي عادةً بحيث يكون أخف من 5 كجم ومضغوطاً في حجمه.
  • في الشحن السريع بالتيار المستمر، يتم تحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر في المحطة؛ يخرج الشاحن الداخلي من الدائرة ويتدفق التيار المستمر مباشرة إلى البطارية.
  • في الشحن السريع بالتيار المستمر، تتراوح القدرات القصوى بين 50 كيلوواط و250 كيلوواط أو أكثر .

ما هو الشاحن الداخلي (Onboard Charger) بالضبط وما وظيفته؟

وحدات الحائط المعروفة شعبياً باسم "شاحن" ليست تقنياً شواحن؛ بل تُسمى معدات شحن المركبات الكهربائية، أي EVSE. الشاحن الحقيقي موجود داخل السيارة: الشاحن الداخلي يحوّل قدرة التيار المتردد القادمة من الشبكة إلى قدرة تيار مستمر قابلة للتخزين في البطارية. وإلى جانب هذه المهمة، ينظّم الجهد، ويتواصل مع معدات الشحن، ويراقب البطارية باستمرار.

دور وحدة الحائط أكثر تواضعاً: تتواصل مع السيارة، وتحدد أقصى تيار يمكن أن يمر عبر الكبل وأقصى تيار يمكن للشاحن الداخلي قبوله، وتقطع القدرة إذا لم يكن الكبل موصولاً، وتغلق الدائرة عند حدوث خلل. أي أن الصندوق الموجود على الحائط وحدة سلامة واتصال؛ أما مهمة التحويل فتتولاها السيارة. هذا التمييز هو نقطة الانطلاق لكل النقاشات حول سرعة الشحن.

لماذا تحدد السيارة سرعة الشحن بالتيار المتردد؟

الشاحن الداخلي هو العامل المحدد الرئيسي لسرعة الشحن بالتيار المتردد. فهو يحدد بنفسه الفولت والأمبير المُرسلين إلى البطارية وينظّمهما بنفسه. ومهما كانت القدرة التي تقدمها محطة الشحن، فإن الشاحن الداخلي لا يقبل أبداً قدرة تتجاوز قدرته الاسمية: السيارة ذات القدرة الاسمية 7.2 كيلوواط، حتى وهي موصولة بمحطة قادرة على تقديم 19.2 كيلوواط بتيار 80 أمبير، تظل تشحن بقدرة 7.2 كيلوواط فقط.

عملياً، تتشكل قدرة الشحن بالتيار المتردد وفق الحد الأدنى من أربعة حدود: الكبل، والشاحن الداخلي للسيارة، وعدد الأطوار الواصلة إلى المقبس، والتغذية. أما حساب القدرة فبسيط: الفولت × الأمبير. 240 فولت × 30 أمبير تعادل تقريباً 7.2 كيلوواط؛ وبتيار 48 أمبير ترتفع هذه القيمة إلى نطاق 11.5 كيلوواط. ولكل سيارة قيمتا قدرة مختلفتان: قدرة تيار متردد أقل وقدرة تيار مستمر أعلى. والفرق بين هاتين القيمتين نتيجة مباشرة لتقسيم البنية إلى مساري تحويل منفصلين.

فئات القدرة: لماذا نطاق 7 و11 و22 كيلوواط بهذا الشائع؟

تتجمع فئات قدرة التيار المتردد في السوق ضمن ثلاث درجات. 7 كيلوواط هي المعيار للبيئة المنزلية أحادية الطور، و11 كيلوواط هي الخيار المفضل للمنازل والمنشآت الصغيرة ثلاثية الطور، بينما تمثل أسرع خيار تيار متردد يوفره الاتصال ثلاثي الطور. وعلى أساس القدرة وحدها، فإن 11 كيلوواط أسرع بنحو %57 من 7 كيلوواط؛ وهذا الفارق يعني توفيراً في الوقت يبلغ حوالي ثلاث إلى أربع ساعات عند الشحن الليلي.

فئة القدرةالبيئةزمن الشحن الكامل (تقريبي)
7 kWمنزل أحادي الطورطوال الليل
11 kWمنزل ثلاثي الطور / منشأة صغيرة5-6 ساعات
22 kWثلاثي الطور، أسرع تيار متردد2,5-3 ساعات

تجاوز هذه الحدود ممكن وفق اختيار الشركة المصنعة: في موديلات شائعة مثل Nissan LEAF يُعتبر شاحن OBC بقدرة 7,2 كيلوواط كافياً، بينما تتجاوز Lucid Air هذا النطاق بشاحن مدمج بقدرة 19,2 كيلوواط. لكن انتشار محطات التيار المتردد بقدرة 22 كيلوواط يبقى محدوداً بسبب متطلبات البنية التحتية ثلاثية الطور والموافقات الرسمية؛ أي أن البنية التحتية هي أيضاً من يحدد السقف الأقصى.

كيف يتجاوز الشحن السريع بالتيار المستمر الشاحن المدمج؟

Hızlı şarj istasyonları devasa konverterlerle dönüşümü üstlenirken araç, o ağır donanımı her kilometrede yanında taşıma cezasından kurtulur.

في الشحن السريع بالتيار المستمر (DCFC) يتم تحويل التيار من متردد إلى مستمر في المحطة وليس في السيارة. ويُغذّى التيار المستمر المحوّل البطارية مباشرة دون المرور بالشاحن المدمج؛ وفي هذا الوضع تدير السيارة العملية عبر نظام إدارة البطارية (BMS). ومعدات الشحن بالتيار المستمر المصنفة كـ Mode 4 هي بالضبط ما تقوم به هذه المهمة.

لذلك فإن مستوى القدرة في الشحن السريع بالتيار المستمر محدود في معظمه بالمحطة وحدها: حيث تتراوح السرعات القصوى من 50 كيلوواط إلى قيم تتجاوز 250 كيلوواط. وهنا يكمن المنطق المعماري لعدم نقل التحويل إلى السيارة: إلكترونيات المحولات في المحطات يمكن أن تكون أكبر وأقوى بكثير مما تستطيع السيارة حمله. فالسيارة لا تضطر لحمل معدات التحويل الثقيلة معها في كل مرة.

لماذا يُصمَّم الشاحن المدمج صغيراً عمداً؟

في السيارة الكهربائية، حمولة الحجم والوزن محدودة؛ وعادة ما يُصمَّم الشاحن المدمج ليكون أخف من 5 كغ ويتم تصميمه ليكون مدمجاً. تجاوز هذا الحد يزيد ثلاث تكاليف في آن واحد:

  • التكلفة: الشاحن المدمج بسعة أعلى يرفع تكلفة السيارة مباشرة.
  • الوزن والحجم: كل كيلوغرام إضافي هو عقوبة مباشرة من حيث المدى والتوزيع الداخلي.
  • الإدارة الحرارية: القدرة العالية تعني حرارة أكبر يجب إدارتها؛ وتُصمَّم الشواحن المدمجة بأنظمة تبريد بالمراوح أو بالسائل، والتبريد الجيد حاسم للتحكم في الحرارة.

وعلى الجانب الهندسي توجد طرق لتصغير الحجم: في الشواحن متعددة الوظائف تقلّص المشاركة المشتركة في المبدّل الحراري الحجم الكلي. ويمكن لتقنيات أنصاف الموصلات المتقدمة تحسين المفاضلة بين كثافة القدرة والكفاءة، لكن ثمن ذلك يتطلب تصميم تحكم البوابة، ومسارات حرارية أكثر عناية، ومكونات مغناطيسية متقدمة. أي أن التصغير ليس "مجانياً"؛ فكل مكاسب تتطلب دفعاً في مجال هندسي آخر.

هل تغيّر معمارية 800V هذا المشهد؟

معمارية 800V قرار نظامي يشمل حزمة البطارية ومحولات DC-DC والشواحن المدمجة؛ فهي تتيح قدرة شحن أعلى بتيارات أخفض، مما يسهّل الشحن فائق السرعة ويمكن أن تُنزل نطاق 10-80% إلى أقل من 20 دقيقة. ويُذكر أنه يمكن الوصول إلى حوالي 80% في 20-30 دقيقة بقدرات تتجاوز 200 كيلوواط في المحطات المناسبة؛ وتدعم المعمارية سرعات شحن تصل إلى 350 كيلوواط.

النقطة الدقيقة التي يجب الانتباه إليها هي أن السرعة التي توفرها 800 فولت تقع في جانب التيار المستمر. الشحن بالتيار المتردد والمنزلي لا يوفر بنية 800 فولت أي ميزة؛ لأن الحد الأقصى في جانب التيار المتردد يحدده todavía القدرة الاسمية لشاحن OBC. بل إن بعض وحدات الشحن المنزلي ثنائية الاتجاه قد تدير بطارية 400 فولت تيار مستمر لكنها قد لا تتمكن من إدارة 800 فولت. وأن سيارة 400 فولت تُقيَّد بخرج 400 فولت عند اتصالها بمحطة 800 فولت هو وجه آخر لنفس المنطق: الحد دائماً هو الجانب الأضيق.

هل الشحن البطيء بالتيار المتردد ألطف على البطارية؟

لا ينبغي اعتبار صغر حجم OBC عيباً. الشحن بالتيار المتردد بطيء، لكن هذا البطء يساعد في الحفاظ على صحة البطارية طوال عمر السيارة؛ فالشحن المنزلي الليلي هو النمط الذي تتعرض فيه البطارية لأقل ضغط. ميزة السرعة في الشحن السريع بالتيار المستمر لا تُناقش وهي لا غنى عنها للرحلات الطويلة، لكن في الاستخدام اليومي فإن كفاية جانب التيار المتردد أمر مسلَّم به.

كما من المفيد معرفة أن الشحن بقدرة منخفضة له حد عملي: بعض السيارات تستهلك 100-200 واط في الساعة لإبقاء النظام قيد التشغيل أثناء الشحن. هذا الاستهلاك يبطئ الشحن المضبوط على قدرة منخفضة جداً بشكل غير متناسب؛ أي أن الحد الأدنى لـ OBC يحدد شكل التدفق بقدر ما يفعله الحمل الثابت للسيارة نفسها.

الخلاصة: OBC صغير، توزيع صحيح لحمل العمل

صغر حجم الشاحن الداخلي ليس نقصاً بل قرار معماري. في الشحن بالتيار المتردد يحدد السيارة الحد الأقصى، وفي الشحن بالتيار المستمر تُنقل عملية التحويل إلى المحطة بينما تحتفظ السيارة فقط بجانب البيانات والتحكم للبطارية. أما OBC في نطاق 7-22 كيلوواط فيحافظ على الوزن والتكلفة والحمل الحراري ضمن حدود معقولة؛ بينما تلبي المحولات الضخمة في جانب البنية التحتية الحاجة الفعلية للسرعة. وهذا التقسيم تحديداً هو سبب رؤيتنا رقمن منفصلين عند قراءة قيم شحن السيارة الكهربائية: واحدة لوحدة صغيرة تعمل باستمرار داخل السيارة، والأخرى لقدرة كبيرة في المحطة لا تُحمل أبداً داخل السيارة.

المصادر