الشحن اللاسلكي للسيارات والعبّارات واقعًا قريبا.. التكنولوجيا الجديدة تسهل نقل الطاقة العالية عبر الهواء

طور الباحثون تقنية الحث التي تتيح شحن البطارية دون مساعدة ذراع بشرية أو آلية، كما أن التكنولوجيا كاملة للغاية بحيث يمكن تقديمها قريبًا للصناعة.

نوع جديد من أشباه الموصلات يعتمد على كربيد السيليكون، وسلك نحاسي مطور حديثًا ، رقيق مثل شعرة الإنسان، هذه بعض العوامل التي جعلت فجأة نقل الطاقة العالية عبر الهواء أكثر واقعية.

تحريض الشحن هو الشيء الجديد

كانت فراشي الأسنان الكهربائية تفعل ذلك منذ عقود، في السنوات الأخيرة، التقطت الهواتف المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية المحمولة التكنولوجيا، ولكن بالنسبة للطاقة العالية المطلوبة لشحن البطاريات في سيارة كهربائية، يبدو أن الخيار اللاسلكي حتى الآن معقد للغاية وغير فعال.

يبدو أن الشحن بمساعدة التعريفي يواجه الآن تقدمًا كبيرًا حتى في حالة المركبات التي تعمل بالبطاريات – وقبل كل شيء عند الحاجة إلى الشحن كثيرًا وحيث تكون البيئة متطلبة، على سبيل المثال، لعبارة المدينة الكهربائية.

اشحن بدون ذراع بشرية أو آلية

وهذا يعني أن العبّارات الكهربائية في حركة المرور العادية عبر الممرات المائية في المدن، والتي يمكن العثور عليها في جوتنبرج وستوكهولم، لا تحتاج إلى مساعدة شخص أو ذراع آلية لشحن البطاريات، الأمر نفسه ينطبق على حافلات المدينة أو المركبات الكهربائية ذاتية القيادة المستخدمة في الصناعة والتعدين والزراعة.

يوجينج ليو، أستاذ الطاقة الكهربائية في قسم الهندسة الكهربائية في تشالمرز، يركز بشكل خاص على تحويل الطاقة المتجددة وكهربة نظام النقل، ويضيف ” يمكن أن يكون لديك نظام مدمج في رصيف الميناء يشحن العبّارة في بعض المحطات، في نفس الوقت الذي يصعد فيه الركاب وينزلون منه، يمكن أن يتم الشحن تلقائيًا ومستقلًا تمامًا عن الطقس والرياح، 30-40 مرة في اليوم، هذا ربما يكون التطبيق الأكثر وضوحًا”.

وأوضح “حتى بالنسبة لشاحنات المستقبل التي تعمل بالطاقة الكهربائية، ربما يكون هناك تطبيق محتمل، ثم الدافع هو بالأحرى أنه يجب شحنها بهذه الطاقة العالية، بحيث يصبح كابل الشحن سميكًا وثقيلًا جدًا وبالتالي يصعب التعامل معه.”

إمكانيات جديدة بفضل تطوير المواد

وفقًا لـيوجينج ليو، فإن التطور السريع لعدد قليل من المكونات والمواد في السنوات الأخيرة هو الذي فتح إمكانيات جديدة، كما يقول “العامل الرئيسي هو أننا نتمتع الآن بإمكانية الوصول إلى أشباه موصلات عالية الطاقة تعتمد على كربيد السيليكون، ما يسمى بمكونات SiC، كمنتجات إلكترونية للطاقة، لم يتم طرحها إلا في السوق لبضع سنوات، إنها تسمح لنا باستخدام جهد أعلى، درجة حرارة أعلى، وتردد تبديل أعلى بكثير، مقارنة بالمكونات الكلاسيكية القائمة على السيليكون”.

هذا مهم، لأن تردد المجال المغناطيسي هو الذي يحدد الحد الأقصى لمقدار الطاقة التي يمكن نقلها بين ملفين بحجم معين.

أربعة أضعاف الترددات

يشرح يوجينج ليو،” الأنظمة السابقة للشحن اللاسلكي للمركبة كانت تستخدم ترددات تبلغ حوالي 20 كيلوهرتز، مثل الموقد العادي إلى حد كبير، أصبحت ضخمة ولم يكن نقل الطاقة فعالاً للغاية، والآن نحن نعمل بترددات أعلى بأربع مرات، ثم يصبح الحث فجأة جذابًا”.

ويضيف أن مجموعته البحثية على اتصال وثيق مع الشركات المصنعة الرائدة لوحدات SiC في العالم، وهما شركتان مقرهما في الولايات المتحدة وألمانيا على التوالي، “معهم ، يحدث التطوير السريع للمنتج نحو التيارات والجهود والتأثيرات الأعلى، يتم إطلاق إصدارات جديدة كل سنتين أو ثلاث سنوات، والتي يمكنها تحمل المزيد، هذه الأنواع من المكونات هي” عوامل تمكين “مهمة مع مجموعة واسعة من التطبيقات، على سبيل المثال، المركبات الكهربائية، لذلك ليس فقط للشحن الاستقرائي “.

قفزة تكنولوجية

قفزة تكنولوجية حديثة أخرى تتعلق بالأسلاك النحاسية في الملفات التي ترسل، وتستقبل على التوالي المجال المغناطيسي المتذبذب الذي يشكل الجسر الفعلي لتدفق الطاقة عبر فجوة الهواء، الهدف هنا هو استخدام أعلى تردد ممكن.

يقول يوجينج، بعد ذلك لا يعمل مع الملفات الملتفة بأسلاك نحاسية عادية، سيؤدي ذلك إلى خسائر كبيرة جدًا عند التردد العالي، بدلاً من ذلك، تتكون الملفات الآن من “حبال نحاسية” مضفرة، تتكون من ما يصل إلى 10000 ألياف نحاسية، يتراوح سمك كل منها بين 70 و100 ميكرومتر فقط، يشبه إلى حد كبير خصلة من الشعر.

مثل هذه الضفائر، من ما يسمى بسلك litz ، والتي تم تكييفها مع التيار والترددات العالية ، لم تكن متوفرة تجاريًا إلا في السنوات القليلة الماضية.

المثال الثالث الذي يبرزه يوجينج، هو نوع جديد من المكثفات التي تُستخدم لإضافة القوة التفاعلية التي تعد شرطًا أساسيًا للملف ليكون قادرًا على بناء مجال مغناطيسي قوي بدرجة كافية.

يؤكد يوجينج، أن شحن السيارات الكهربائية يحتوي على عدة خطوات تحويل- بين التيار المباشر والتيار المتردد وبين مستويات الجهد المختلفة، مضيفا “لذلك، عندما نقول إننا حققنا كفاءة بنسبة 98 % من التيار المباشر في محطة الشحن إلى البطارية، فإن هذا الرقم قد لا يعني الكثير إذا لم تحدد بدقة ما يتم قياسه”.

وأوضح يوجينج، “ولكن يمكنك أيضًا وضعها على هذا النحو: تحدث الخسائر سواء كنت تستخدم الشحن العادي أو الموصل أو الشحن بمساعدة الاستقرا، تعني الكفاءة التي حققناها الآن أن الخسائر في الشحن الاستقرائي يمكن أن تكون منخفضة تقريبًا مثل الشحن الموصّل النظام، الفارق ضئيل لدرجة أنه من الناحية العملية لا يكاد يذكر، فهو حوالي واحد أو اثنين في المائة “.

الأرقام تجذب الانتباه

ويضيف، أن النتائج التي نشرتها مجموعته البحثية جذبت الكثير من الاهتمام، “ربما نكون من بين الأفضل في العالم من حيث الكفاءة في فئة الطاقة هذه، بين 150 و 500 كيلوواط.”

لا يعتقد يوجين، أن الشحن التعريفي سيحل في النهاية محل الشحن بكابل، موضحا “أنا أقود سيارة كهربائية بنفسي، ولا أرى أنه سيكون لدي أي فائدة في الشحن التعريفي في المستقبل، أقود السيارة للمنزل، وأقوم بتوصيل الكهرباء.. لا توجد مشكلة.”

هل الشحن اللاسلكي تقنية أكثر استدامة من الشحن بالطريقة المعتادة؟

كما يقول يوجينج “ربما لا ينبغي للمرء إن يدعي أن التكنولوجيا نفسها أكثر استدامة، ولكن يمكن أن تجعل من السهل كهربة المركبات الكبيرة، وبالتالي تسريع التخلص التدريجي، على سبيل المثال، من العبارات التي تعمل بالديزل”.

حقائق حول الشحن التعريفي

-يعني الشحن باستخدام الحث أنه يمكن نقل التيار عبر مسافة قصيرة، على سبيل المثال من خلال الهواء والماء والمواد غير المعدنية الأخرى، دون أي اتصال أو موصل.

-المبدأ هو نفسه المستخدم في المواقد الحثية الموجودة في العديد من المطابخ. ينتج تيار متناوب عالي التردد عبر ملف مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا.

-ولكن على عكس الطهي، حيث يكون تطور الحرارة هو النقطة المهمة، فإن الشحن الاستقرائي يعني أن الملف الثاني، الموجود على متن السيارة، يلتقط الطاقة في المجال المغناطيسي ويحولها إلى تيار متناوب مرة أخرى – والذي بعد التصحيح، يمكنه إعادة شحن البطاريات.

-تعني الحرارة المتولدة في العملية فقدان جزء من الطاقة المراد نقلها، لذلك يعد تقليل التسخين إلى أقصى حد ممكن هدفًا مهمًا لتطوير التكنولوجيا.