لنفهم طريقة عمل السيارات الكهربائية Electrical Vehicles سنتعرف أولًا على كيفية عمل السيارات التقليدية Conventional Vehicles ويصطلح أحيانًا عليها Gasoline Vehicles ، حيث ان السيارات التقليدية تستخدم الوقود البنزين – Petrol الديزل – Diesel الغاز المضغوط – Gasoline لتزويد المحرك بالطاقة اللازمة للعمل.
تتميز السيارات التقليدية بأدائها المتميز وملاءمتها للظروف البيئية المختلفة الا انه على النقيض الاخر فان احتراق الوقود داخل محرك السيارة ينتج عنه انبعاثات غاز ثاني اوكسيد الكربون CO2 Emissions
تتشارك السيارات الكهربائية والتقليدية نفس مبادئ الحركة والميكانيكا ولكن تختلفان في مصدر الطاقة الذي ينتج هذه الحركة، حيث تستخدم السيارات الكهربائية الكهرباء كمصدر اساسي للطاقة عوًضا عن المشتقات البترولية في التقليدية.
انواع السيارات الكهربائية:
1- السيارات الكهربائية الكاملة – All-Electric Vehicles:
تحتوي السيارات الكهربائية الكاملة على محرك كهربائي عوضًا عن محرك الاحتراق الموجود في التقليدية مما يعني انه لا يوجد عملية احتراق لتوليد الطاقة بل يوجد انتقال للطاقة من الحالة الكهربائية الى الحركية وهذا يفسر عدم وجود عوادم طاردة لغازات الاحتراق كما الحال في التقليدية الامر الذي قاد وكالة حماية البيئة الامريكية U.S. Environmental Protection Agency الى تصنيف جميع السيارات الكهربائية الكاملة بانها سيارات بلا انبعاثات كربونية.
ومجملًا يعتبر الطلب على السيارات الكهربائية في تزايد مستمر حول العالم وهذا ما قد يفسره تطور البنية التحتية للسيارات الكهربائية حيث وصل عدد السيارات الكهربائية إلى ما يقارب 10.2 مليون سيارة كما في شكل التالي.
تتميز السيارات التقليدية بأدائها المتميز وملاءمتها للظروف البيئية المختلفة الا انه على النقيض الاخر فان احتراق الوقود داخل محرك السيارة ينتج عنه انبعاثات غاز ثاني اوكسيد الكربون CO2 Emissions
يتزايد ضرر هذه الانبعاثات على البيئة بمرور الوقت ، حيث وصلت لما يقارب من 35 مليار طن بحلول عام 2019 . شكل (2)
المصدر Global Carbon Project & Our World in Data
كيف تعمل السيارات الكهربائية؟
السيارات الكهربائية Electrical Vehicles هي أحد الخيارات البديلة والتي تستخدم الكهرباء كمصدر طاقة رئيسي حيث ازدهر في العقد الاخير قطاع الابحاث والتصنيع في هذا المجال ومن أبرز الشركات المصنعة للسيارات الكهربائية:
Tesla ومؤخراً بدأت بقية الشركات بتصنيع السيارات الكهربائية
تتشارك السيارات الكهربائية والتقليدية نفس مبادئ الحركة والميكانيكا ولكن تختلفان في مصدر الطاقة الذي ينتج هذه الحركة، حيث تستخدم السيارات الكهربائية الكهرباء كمصدر اساسي للطاقة عوًضا عن المشتقات البترولية في التقليدية.
انواع السيارات الكهربائية:
1- السيارات الكهربائية الكاملة – All-Electric Vehicles:
تحتوي السيارات الكهربائية الكاملة على محرك كهربائي عوضًا عن محرك الاحتراق الموجود في التقليدية مما يعني انه لا يوجد عملية احتراق لتوليد الطاقة بل يوجد انتقال للطاقة من الحالة الكهربائية الى الحركية وهذا يفسر عدم وجود عوادم طاردة لغازات الاحتراق كما الحال في التقليدية الامر الذي قاد وكالة حماية البيئة الامريكية U.S. Environmental Protection Agency الى تصنيف جميع السيارات الكهربائية الكاملة بانها سيارات بلا انبعاثات كربونية.
- حزمة البطاريات – Battery Pack :
- محرك السحب الكهربائي – Electric Traction Motor:
- متحكم الطاقة الالكتروني – Power Electronics Controller:
- ناقل الحركة الكهربائي – Transmission (electric):
- منفذ الشحن – Charge Port:
- محول التيار المستمر – DC/DC Convertor:
- البطارية الثانوية – Auxiliary Battery:
- الشاحن الموضعي – Onboard Charger:
- النظام الحراري (التبريد) – Thermal System (cooling):
- حزمة البطاريات – Battery Pack:
مكونات السيارة الكهربائية الهجينة
3- السيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن – Plug-in Hybrid Electric Vehicles :
تختلف عن النوع السابق في امكانية شحن حزمة البطاريات مباشرة من مصدر خارجي مما يجعل حجم البطاريات اكبر لان امكانية الشحن اصبحت متاحة، ونتيجة لذلك فان الاعتماد على المحرك الكهربائي سيصبح اكبر.
تحمل السيارات الهجينة القابلة للشحن نفس مكونات الكهربائية الهجينة وتزيد عليها في مكونين فقط وهما كما في شكل 7 :
3- السيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن – Plug-in Hybrid Electric Vehicles :
تختلف عن النوع السابق في امكانية شحن حزمة البطاريات مباشرة من مصدر خارجي مما يجعل حجم البطاريات اكبر لان امكانية الشحن اصبحت متاحة، ونتيجة لذلك فان الاعتماد على المحرك الكهربائي سيصبح اكبر.
تحمل السيارات الهجينة القابلة للشحن نفس مكونات الكهربائية الهجينة وتزيد عليها في مكونين فقط وهما كما في شكل 7 :
- منفذ الشحن – Charge Port:
- الشاحن الموضعي – Onboard Charger:
مكونات السيارة الكهربائية الكاملة
2- السيارات الكهربائية الهجينة – Hybrid Vehicles:
تدمج بين خواص السيارات التقليدية والكهربائية حيث تعمل بشكل رئيسي عن طريق محرك احتراق داخلي بجانب محرك كهربائي يستخدم الطاقة الموجودة في حزمة البطاريات.
البطاريات الموجودة في هذه السيارات لا يتم شحنها مباشرة عن طريق مصدر خارجي بل يتم شحن البطارية عن طريق اعادة استخدام الطاقة المهدرة الناتجة من ضغط المكابح وكذلك عن طريق محرك الاحتراق الداخلي اثناء عمله.
الطاقة الكهربائية الاضافية التي يزودها المحرك الكهربائي والقادمة من البطاريات تزود السيارة بكمية بسيطة من الطاقة لكي تعمل.
يمكن للبطارية أيضًا تشغيل الأحمال الإضافية وتقليل تباطؤ المحرك عند التوقف. تؤدي هذه الميزات معًا إلى توفير أفضل للوقود دون الاخلال بالأداء.
تختلف السيارات الكهربائية الهجينة عن الكهربائية الكاملة في انها لا تحتوي على منفذ الشحن والشاحن الموضعي وكذلك تحتوي على المكونات الاضافية التالية
2- السيارات الكهربائية الهجينة – Hybrid Vehicles:
تدمج بين خواص السيارات التقليدية والكهربائية حيث تعمل بشكل رئيسي عن طريق محرك احتراق داخلي بجانب محرك كهربائي يستخدم الطاقة الموجودة في حزمة البطاريات.
البطاريات الموجودة في هذه السيارات لا يتم شحنها مباشرة عن طريق مصدر خارجي بل يتم شحن البطارية عن طريق اعادة استخدام الطاقة المهدرة الناتجة من ضغط المكابح وكذلك عن طريق محرك الاحتراق الداخلي اثناء عمله.
الطاقة الكهربائية الاضافية التي يزودها المحرك الكهربائي والقادمة من البطاريات تزود السيارة بكمية بسيطة من الطاقة لكي تعمل.
يمكن للبطارية أيضًا تشغيل الأحمال الإضافية وتقليل تباطؤ المحرك عند التوقف. تؤدي هذه الميزات معًا إلى توفير أفضل للوقود دون الاخلال بالأداء.
تختلف السيارات الكهربائية الهجينة عن الكهربائية الكاملة في انها لا تحتوي على منفذ الشحن والشاحن الموضعي وكذلك تحتوي على المكونات الاضافية التالية
- منفذ الوقود – Fuel Filler:
- خزان الوقود البترولي – Fuel Tank (Gasoline) :
- نظام التفريغ – Exhaust System:
- محرك الاحتراق الداخلي (اشتعال) – Internal Combustion Engine (spark ignited) :
- المولد الكهربائي – Electric Generator:
4 – السيارات الهيدروجينية – Hydrogen Fuel Cell:
تتشابه السيارات الهيدروجينية مع الكهربائية الكاملة في الية العمل فكلاهما يستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للطاقة ولكن الاختلاف يكمن في ان السيارات الهيدروجينية تنتج الطاقة الكهربائية داخليًا في السيارة عن طريق خلية وقود هيدروجينية تسمى Hydrogen Fuel Cell حيث تتزود بالهيدروجين من مصدر خارجي ويتم حدوث تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والاكسجين لإنتاج الطاقة الكهربائية واستخدامها داخل السيارة، لذلك هي تحمل نفس مكونات الكهربائية الكاملة وتزيد عنها في المكونات التالية كما في شكل 8 :
و طريقة عمل خلية الوقود كالتالي :
1- تمتد إلى خلية الوقود أنبوبين أحدهما قادم من الخزان لإدخال الهيدروجين (Hydrogen) وأحدهما قادم من منفذ هواء خارجي لإدخال الاوكسجين (Oxygen)
2- يدخل الهيدروجين إلى الخلية ويعبر القطب الموجب (أنود) حيث يقوم المحفز Catalyst الموجود في هذا القطب بإحداث تفاعل كيميائي ينتج عنه انفصال جزيئات الهيدروجين إلى ايونات موجبة (بروتونات) و إلكترونات ذات شحنة سالبة
3- يقوم الكهرل PEM Polymer Electrolyte Membrane – بتمرير الايونات الموجبة فقط إلى القطب السالب (Cathode) اما الإلكترونات ذات الشحنات السالبة (الكهرباء) فتذهب عبر دائرة خارجية لتزويد المحرك بالطاقة
4- عندما تصل الايونات الموجبة الى القطب السالب (Cathode) يتم إدخال عليها عنصرين :
– الأكسجين عبر الانبوب الخاص به
– الإلكترونات ذات الشحنات السالبة بعد أن تخرج من المحرك
تتحد هذه العناصر الثلاث مكونة الماء – في الحالة الغازية – ويتم اخراجه عبر منفذ منفصل إلى خارج السيارةشكل 8 : مكونات السيارة الهيدروجينية ، الصورة الأصلية بواسطة U.S Department of Energy – AFDC مترجم بواسطة وليد الكودري
و لفهم طريقة عمل خلية الوقود أنظر إلى شكل التالي حيث يمكن استبدال المصباح بمحرك السيارة في حالتنا هنا
تتشابه السيارات الهيدروجينية مع الكهربائية الكاملة في الية العمل فكلاهما يستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للطاقة ولكن الاختلاف يكمن في ان السيارات الهيدروجينية تنتج الطاقة الكهربائية داخليًا في السيارة عن طريق خلية وقود هيدروجينية تسمى Hydrogen Fuel Cell حيث تتزود بالهيدروجين من مصدر خارجي ويتم حدوث تفاعل كيميائي باستخدام الهيدروجين والاكسجين لإنتاج الطاقة الكهربائية واستخدامها داخل السيارة، لذلك هي تحمل نفس مكونات الكهربائية الكاملة وتزيد عنها في المكونات التالية كما في شكل 8 :
- خزان الهيدروجين:
- خلية الوقود:
و طريقة عمل خلية الوقود كالتالي :
1- تمتد إلى خلية الوقود أنبوبين أحدهما قادم من الخزان لإدخال الهيدروجين (Hydrogen) وأحدهما قادم من منفذ هواء خارجي لإدخال الاوكسجين (Oxygen)
2- يدخل الهيدروجين إلى الخلية ويعبر القطب الموجب (أنود) حيث يقوم المحفز Catalyst الموجود في هذا القطب بإحداث تفاعل كيميائي ينتج عنه انفصال جزيئات الهيدروجين إلى ايونات موجبة (بروتونات) و إلكترونات ذات شحنة سالبة
3- يقوم الكهرل PEM Polymer Electrolyte Membrane – بتمرير الايونات الموجبة فقط إلى القطب السالب (Cathode) اما الإلكترونات ذات الشحنات السالبة (الكهرباء) فتذهب عبر دائرة خارجية لتزويد المحرك بالطاقة
4- عندما تصل الايونات الموجبة الى القطب السالب (Cathode) يتم إدخال عليها عنصرين :
– الأكسجين عبر الانبوب الخاص به
– الإلكترونات ذات الشحنات السالبة بعد أن تخرج من المحرك
تتحد هذه العناصر الثلاث مكونة الماء – في الحالة الغازية – ويتم اخراجه عبر منفذ منفصل إلى خارج السيارةشكل 8 : مكونات السيارة الهيدروجينية ، الصورة الأصلية بواسطة U.S Department of Energy – AFDC مترجم بواسطة وليد الكودري
و لفهم طريقة عمل خلية الوقود أنظر إلى شكل التالي حيث يمكن استبدال المصباح بمحرك السيارة في حالتنا هنا
إن السيارات الكهربائية في الوقت الحالي لديها مدى قيادة اقل (لكل فترة شحن كاملة) مقارنة بالسيارات التقليدية (لكل تعبئة وقود كاملة) مما يرجح الكفة في الأداء للسيارات التقليدية . كذلك هناك تحديات تتعلق بملائمة السيارات الكهربائية لمختلف الظروف البيئية فمثلًا في ارتفاع درجة الحرارة يتطلب تبريد اكبر للبطاريات مما يزيد من استهلاكها للطاقة .
الجدير بالذكر أن السيارات الكهربائية قد تكون اكثر كفاءة للإستخدام داخل المدينة عن الطرق السريعة نظرًا لوجود ظروف توقف مختلفة كإشارات المرور و بوابات الرسوم والتي تساعد على توليد طاقة من ضغط المكابح – ولكن هذه الخاصية غير متوفرة في جميع الأنواع
اما على الجانب الاخر فانتشار السيارات الكهربائية يعتمد على مدى توفر البنية التحتية المناسبة كمنصات الشحن و محطات الكهرباء سريعة الشحن، و اسعار الكهرباء وكذلك مدى الابحاث و الدراسات حول كفاءة البطاريات و تحسين تجربة القيادة و الذي يبدو انه يحقق تقدم منذ السنوات العشر الاخيرة كما في شكل التالي.
الجدير بالذكر أن السيارات الكهربائية قد تكون اكثر كفاءة للإستخدام داخل المدينة عن الطرق السريعة نظرًا لوجود ظروف توقف مختلفة كإشارات المرور و بوابات الرسوم والتي تساعد على توليد طاقة من ضغط المكابح – ولكن هذه الخاصية غير متوفرة في جميع الأنواع
اما على الجانب الاخر فانتشار السيارات الكهربائية يعتمد على مدى توفر البنية التحتية المناسبة كمنصات الشحن و محطات الكهرباء سريعة الشحن، و اسعار الكهرباء وكذلك مدى الابحاث و الدراسات حول كفاءة البطاريات و تحسين تجربة القيادة و الذي يبدو انه يحقق تقدم منذ السنوات العشر الاخيرة كما في شكل التالي.
ومجملًا يعتبر الطلب على السيارات الكهربائية في تزايد مستمر حول العالم وهذا ما قد يفسره تطور البنية التحتية للسيارات الكهربائية حيث وصل عدد السيارات الكهربائية إلى ما يقارب 10.2 مليون سيارة كما في شكل التالي.
عدد السيارات الكهربائية حول العالم ، المصدر International Energy Agency & Statista
Tags:
كهرباء