تكامل شبكة الجهد الكهربائي المتوسط لمحطات الشحن

أدى التركيز على التقنيات النظيفة والخضراء للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بسبب الزراعة القائمة على الوقود الأحفوري إلى التحول نحو التنقل الكهربائي، ونظراً لأن السيارات الكهربائية على الطرق (EVs)؛ فقد أظهرت نمواً هائلاً على مدار العقد الماضي.

أهمية تكامل شبكة الجهد الكهربائي المتوسط لمحطات الشحن

أدى الاعتماد على الوقود الأحفوري إلى زيادة كبيرة في “تركيز غازات الدفيئة” (GHG) في الغلاف الجوي، مما أدى إلى الاحتباس الحراري والاضطرابات البيئية المتعددة، ومع زيادة الترتيبات التوعوية؛ فقد أصبحت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) والارتفاع المستمر في متوسط ​​درجة الحرارة العالمية نقاطاً مركزية للقلق المتزايد في المجتمع الدولي.

وتحت مظلة هذه الاتفاقية؛ عملت العديد من المنظمات على جبهات متعددة، وذلك بدءاً من إعادة التحريج إلى استحداث تقنيات متجددة ومستدامة ذات الحد الأدنى من انبعاثات غازات الدفيئة، وعلاوة على ذلك تم تحديد قطاع النقل كواحد من أكثر المجالات الواعدة التي يمكن أن تساهم بشكل كبير في تحقيق هدف صافي الانبعاثات الصفرية (NZE).

وعلى الرغم من أن الإنتاج التجاري للمركبات الكهربائية (EVs) بدأ في عام (1996)م، كذلك مبادرة (EVI)، وهي منتدى متعدد الحكومات للسياسات تم تأسيسها في عام (2010)م، ومع ذلك فقد أدى اعتماد اتفاقية باريس إلى تسريع الانتقال نحو التنقل الكهربائي (e- التنقل) بهدف ملهم هو تحقيق (30٪) من حصة المبيعات من المركبات الكهربائية بحلول عام (2030)م.

الاتجاهات الحالية والحوافز الاقتصادية لحفظ البنية التحتية الكهربائية

بدأ العصر الحديث للمركبات الكهربائية مع الإنتاج الضخم لشركة جنرال موتورز في عام (1996) وإطلاق طراز (Tesla Inc. Model III)، كما أنه فتح آفاقاً جديدة للسيارات الكهربائية، وفيما يلي نظرة عامة على بعض الاتجاهات والمبادرات والتطورات التكنولوجية الحديثة:

الاتجاهات الفورية

بعد عقد من النمو السريع، بحيث تجاوزت المركبات الكهربائية نظيراتها التقليدية من حيث التكلفة الإجمالية للملكية، كما تجاوز عدد المركبات الكهربائية على الطريق (10) ملايين في عام (2020)/، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تصدرت الصين السوق بـ (5.4) مليون مركبة كهربائية، تليها الاتحاد الأوروبي (EU) والولايات المتحدة على التوالي.

تقنية البطاريات الكهربائية

بدأت الرحلة نحو التنقل الإلكتروني باستخدام بطاريات الرصاص الحمضية، وفي الوقت الحاضر؛ تهيمن بطاريات (Li-ion) على السوق، من بينها يعتبر أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) أحد أكثر التقنيات نضجاً مع أعلى كثافة طاقة حجمية، ومع ذلك؛ فإنه يصبح خياراً مكلفاً نظراً لانخفاض كثافة الطاقة وعمر الخدمة والاعتماد على عناصر الكوبالت الثمينة.

معايير المغذيات والشواحن الخاصة بالسيارات الكهربائية

يتحكم شاحن المركبات الكهربائية عادةً في التيار الكهربائي ويعالجها للمساعدة في تدفق الطاقة إلى بطارية السيارة الكهربائية، كما نشأت متطلباتها نتيجة لتوفر طاقة التيار المتردد من الشبكة الكهربائية، بينما تتطلب المركبات الكهربائية طاقة تيار مستمر، بحيث يتكون بشكل أساسي من محول (AC / DC) يحول طاقة التيار المتردد إلى طاقة التيار المستمر المطلوبة.

وفيما بعد تم أيضاً دمج محول (DC / DC) لتحسين تحويل الطاقة من أجل الشحن السريع، كما يتم تصنيف شواحن (EV) إلى شواحن (AC) و (DC) (خارج اللوحة)، بحيث تُعرف شواحن التيار المتردد أيضاً باسم أجهزة الشحن البطيئة، بينما تتمتع شواحن التيار المستمر عادةً بتصنيف طاقة أعلى من نظيراتها التي تعمل بالتيار المتردد وتنقسم أيضاً إلى أجهزة شحن سريعة وشواحن (UF).

آلية العمل التقني لشواحن المركبات الكهربائية

تقوم أجهزة الشحن السريع المتطورة بالتيار المستمر بتحويل إمدادات التيار المتردد ثلاثية الطور (3-ϕ) إلى مصدر التيار المستمر المطلوب عبر مرحلتين للتحويل:

• مرحلة تحويل التيار المتردد الى التيار المستمر مع (PFC).

• مرحلة تحويل (DC / DC) لتنظيم جهد الخرج الوسيط (DC) إلى المستوى المطلوب لشحن (EV).

الدوافع والتحديات التي تواجه UFCS

لقد أدى الطلب على مسافة قيادة قريبة من سيارات البنزين إلى تطوير المركبات الكهربائية، وأغلب السيارات الكهربائية في الوقت الحاضر لديها نطاق قيادة يزيد عن (200) ميل، بحيث تم تلخيص بعض أفضل السيارات الكهربائية مبيعاً، وبالنسبة الى نطاق القيادة للمركبات الكهربائية المتاحة في السوق كافٍ في معظم سيناريوهات القيادة.

ومع ذلك؛ فإن هناك حاجة ماسة إلى بنية تحتية لـ (UFCS) قادرة على تجديد بطارية (EV) بمعدل مماثل لإعادة تعبئة البنزين من أجل اعتماد المركبات الكهربائية على نطاق واسع وتحقيق هدف (NZE)، بحيث يستغرق الشاحن الذي تبلغ سعته (7.2) كيلو وات من المستوى (2) أكثر من (500) دقيقة لتوسيع نطاق المركبة الكهربائية بمقدار (200) ميل، وذلك مع استهلاك يقدر بـ (0.3) كيلو واط في الساعة / ميل.

وبالمثل؛ فغنه يمكن لشاحن سريع بقدرة (50) كيلو وات وشاحن تسلا فائق بقدرة (135) كيلو وات إنجاز نفس المهمة في (75) و (27) دقيقة على التوالي، وعلاوة على ذلك؛ فإن شاحن (UF) بقوة (350) كيلو واط الذي تم اقتراحه مؤخراً يقلل من وقت إعادة التعبئة إلى أقل من (10) دقائق ويجعله أكثر قابلية للمقارنة مع وقت إعادة التزود بالوقود لمركبات الوقود الأحفوري.

الاتجاهات المستقبلية المستندة إلى UFCS

تعتبر عملية شحن السيارة الكهربائية باستخدام أجهزة الشحن السريع التي تعمل بالتيار المستمر أسرع بكثير من عمليات الشحن التي تعمل بالتيار المتردد، ولكنها لا تزال أبطأ من عملية إعادة تعبئة السيارة التي تعمل بالبنزين، بحيث أن الشحن بشكل أكبر دون انتهاك معايير (OSHA) و (SAE) و (IEEE) و (IEC) التي تحدد وزن الكابل والحدود الحالية لمستويات الشحن والموصلات المختلفة.

وإلى جانب (UFCSs)؛ سيؤدي التحول إلى الجهد الكهربائي العالي إلى تقليل حجم ووزن مجموعة نقل الطاقة الكهربائية، وذلك كما هو موضح في القسم الأول مع زيادة عدد المركبات الكهربائية بشكل كبير، بحيث تزداد متطلبات الشحن وعمليات نشر (EVSE) المقابلة، ومع ذلك؛ فإن توفير مرافق الشحن من شبكة الجهد المنخفض سيؤثر سلباً على شبكة التوزيع.

وأخيراً وبغض النظر عن الزيادة الهائلة في عدد المركبات الكهربائية على الطرق وفوائدها البيئية؛ فإن عدم وجود بنية تحتية كافية للشحن لتوفير مرافق شحن سريعة وموثوقة أثناء الرحلات الطويلة يشكل تحديات أمام التشغيل السلس للمركبات الكهربائية، ولمعالجة هذه المشكلة دون المساس باستقرار وموثوقية نظام الطاقة بسبب الوصول غير المتوقع ومتطلبات الشحن الاندفاعية للمركبات الكهربائية؛ فإن (UFCS) مع (RESs) و (ESSs) المدمجة ذات منحنيات الحمل المسطحة والحد الأدنى من النفقات التشغيلية هي حاجة الساعة.

كما تم اعتماد تصميم ناقل التيار المتردد القياسي بواسطة (UFCSs) الحديثة، ونظراً لتقنية مقوم التيار المتردد / التيار المستمر الناضجة والمعايير الراسخة لأنظمة توزيع التيار المتردد والمعايير المطورة بشكل منفصل لـ (UFCS) لناقل التيار المتردد وطرق الحماية الموحدة، وبالإضافة إلى متطلبات طاقة التيار المستمر للمركبات الكهربائية؛ فإن طبيعة (DC) المتأصلة في(RESs ، ESS) تزيد من عدد مراحل التحويل في بنية ناقل التيار المتردد وتقلل من الكفاءة.