السيارة الكهربائية الجديدة

 السيارة الكهربائية 

(Electric Car)   السيارة الكهربيــة 

المقـدمـة

التطور في صناعة السيارة الكهربائية سبق مثيلة في السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي. حيث قام توماس دافينورت (Thomas Davenport)  بصناعة أول سيارة كهربائية في الولايات المتحدة عام 1835 ومن الأسباب آلتي ساعدت على هذا السبق سهولة تشغيل المحركات الكهربية وسهولة التحكم بها ولكن التوصل إلي اكتشاف بادي الحركة (المارش) أدى إلي تحول الاهتمام بالتطوير من السيارة الكهربائية إلي السيارة ذات محركات الاحتراق الداخلي ، فاقتصر استخدام السيارة الكهربائية داخل المدينة وفى أشكال محدودة ، من أمثلتها شاحنات توزيع البريد في مدينة نيويورك وقد استمر ذلك لعشرات السنين.

إن زيادة استخدام سيارات الاحتراق الداخلي أدت إلى تلوث الجوى. وزيادة التلوث الجوى أعاد الاهتمام من جديد بتطوير السيارة الكهربائية وذلك في أوائل الستينات. ولكن هذا الاهتمام بدا يقل من جديد وتحولت إلى السيارات ذات الاحتراق الداخلي حيث اخذ المصنعون في حسبانهم  الحرص على تقليل الآنبعاثات الضارة . وفى أوائل السبعينات عندما امتنعت الدول العربية على تصدير بترولها إلي الغرب ،اتجهت أنظار الصناع مره أخري إلى السيارة الكهربائية وزاد الاهتمام بتطويرها. وكانت المشكلة الأساسية لهذه السيارة هي المسافة الصغيرة آلتي تقطعها بالمقارنة مع السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي،حيث أن كثافة الطاقة في الوقود العادي اكبر من مثيلها في البطاريات التي تستخدم في السيارات الكهربائية في تلك الآونة بمقدار  20 %    

دوافـع استخدام المركبات الكهربائية   ((Motivation to Use Electric Vehicles

الغرض الرئيسي لاستخدام السيارات الكهربائية هو منع  أي التلوث جوى. والتلوث الجوى الناتج من محركات الاحتراق الداخلي في المدن الكبيرة قد وصل إلى مستويات حرجه. وهذه المستويات من التلوث الجوي يمكن تقليلها في محركات الاحتراق الداخلي. واستخدام المركبات ذات القدرة الكهربية يحدث انخفاض في مستويات الانبعاثات، ولكن يصاحب ذلك زيادة في الاستهلاك الكهربي. الدافع الثاني لاستخدام المركبات الكهربية هو تقليل الاعتمادية على البترول المستورد. وهناك دافع أخر هو شحن المركبات أثناء الليل مما يؤدي إلى الاستفادة بالطاقة الكهربية المتولدة من وحدات التوليد مما يؤدي إلى تقليل التكلفة.

إن زيادة استخدام سيارات الاحتراق الداخلي أدت إلى تلوث الجوى. وزيادة التلوث الجوى أعاد الاهتمام من جديد بتطوير السيارة الكهربائية وذلك في أوائل الستينات. ولكن هذا الاهتمام بدا يقل من جديد وتحولت إلى السيارات ذات الاحتراق الداخلي حيث اخذ المصنعون في حسبانهم  الحرص على تقليل الآنبعاثات الضارة . وفى أوائل السبعينات عندما امتنعت الدول العربية على تصدير بترولها إلي الغرب ،اتجهت أنظار الصناع مره أخري إلى السيارة الكهربائية وزاد الاهتمام بتطويرها. وكانت المشكلة الأساسية لهذه السيارة هي المسافة الصغيرة آلتي تقطعها بالمقارنة مع السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي،حيث أن كثافة الطاقة في الوقود العادي اكبر من مثيلها في البطاريات التي تستخدم في السيارات الكهربائية في تلك الآونة بمقدار  20 %   

أساسيات كهربائية (Electric drive fundamentals)

المحرك الكهربي هو ماكينة تقوم بتحويل الطاقة الكهربية إلى طاقة ميكانيكية ويعتمد في عملة علي النظرية التي تقول انه عند وضع موصل يمر به تيار كهربي داخل مجال مغناطيسي فأنة يتولد قوة ميكانيكية والتي يعطي اتجاهها بقاعدة فليمنج لليد اليمني وتعطي قيمة هذه القوة بالنيوتن. وفيما يلي شرح للعوامل التي ينم اختيار المحرك وكذلك انو أعه المختلفة.

العوامل التي يتم علي أساسها اختيار المحرك:

1-    الكفاءة العالية

2-    العزم الخارج من المحرك

3-    التكلفة

      4-    الصيانة

محركات التيار المستمر DC

  سرعة هذا المحرك تتناسب مع الجهد الداخل،مما يبسط من دائرة التحكم.ولكن كفاءته اقل من المحرك الحثي(محرك التيار المستمر)،تركيبه اكثر تعقيدا بسبب وجود عاكس التيار(Commutator)هذا النوع من المحركات يتطلب عمليات صيانة دورية وهو حساس للأحمال الزائدة والتسارع.

  السرعة القصوى لهذا المحرك اقل من مثلها ف محرك التيار المتردد،وهو يستلزم وجود صندوق سرعات ميكانيكي في السيارة للحصول على عزوم مختلفة.

العضو الثابت عبارة عن أقطاب. وملفات العضو الدوار متصلة على التوالي ونهاية كل ملف متصلة بقسم

(Segment ) من أقسام عاكس التيار (Commutator ). وتزود لفات العضو الدوار بالتيار المستمر عن طريق فرش مثبتة على عاكس التيار.

       ونظرية عمل هذا المحرك تقوم على أساس أن مصدر التيار المستمر يزود لفات المجال على العضو الثابت و كذلك لفات العضو الدوار .وكلا منهما يولد مجالا مغناطيسيا ،تداخل هذين المجالين يولد العزم الذي يحاول وضعها في اتجاه واحد .وللتأكد من استمرار الدوران فان عاكس التيار يغير اتجاه التيار في الملف عندما يمر في نقطة التعادل.

       معظم محركات التيار المستمر مزودة بأقطاب مساعدة تستمد التيار من العضو الدوار، ومثبتة بالقرب من الفرش(Brushes). هذه الأقطاب تقلل من المجال المغناطيسي حول الفرش الفرش (Brushes) لتحسين عملية عكس التيار. اكثر المحركات ملائمة للسيارة الكهربية هي المحركات التي يكون فيها توصيل ملفات المجال مع ملفات العضو الدوار على التوالي وتكون مقاومة ملفات المجال منخفضة. هذه المحركات لها عزم بدء إدارة(Starting torque) كبير، ولكن العزم يقل كلما زادت السرعة.

هذه الخاصية تكون مفيدة عند التحرك داخل المدينة ولكنها لا تصلح للسير على الطرق السريعة، حيث يكون الاحتياج للتسارع عزر التغيير بين الجارات ولكن لا يوجد العزم الكافي لمثل هذا التسارع. بعض محركات التيار المستمر تستخدم طريقة التوصيل المركب (Compound)، حيث أن ملفات المجال تكون موصلة على التوالي ولكن تزود بالتيار من مصدر منفصل، وهذا النوع من المحركات له خصائص عزم افضل من السر عات العالية.

كفاءة محركات التيار المستمر ذات التوصيل على التوالي يمكن تحسينها باستبدال أقطاب العضو الثابت التي تمغنط حثيا، باقطاب دائمة المغنطة. هذه الأقطاب الطبيعية الغالية والنادرة ذات مجال مغناطيسي أقوى، واستخدامها يصغر حجم المحرك ويحسن كفاءته.

محركات التيار المتغير AC

وهي تستخدم محرك حثي ثلاثي الطور. وتتكون من لفات عضو ثابت ثلاثي الطور، وعضو دوار علي شكل قفص السنجاب يتكون من قضبان نحاسية أو الأمونيوم مثبتة في شقوق في القلب الحديدي. هذه القضبان موصلة ببعض من نهايتها بواسطة ملفات نحاسية أو الأمونيوم. يتم تزويد العضو الثابت بجهد ثلاثي الطور متغير التردد. التيار الناشى عن هذا الجهد يكون مجالا مغناطيسيا والذي بدوره يستحث تيارا كهربيا في قضبان العضو الدوار. التأثير المتبادل بين التيار المستحث في العضو الدوار والمجال المغناطيسي حول العضو الثابت نحصل منة علي عزم الإدارة. إن سرعة دوران المجال المغناطيسي تتحدد بتردد الجهد الداخل إلى العضو الثابت وتركيب المحرك. سرعة دوران العضو الدوار اقل بأجزاء من المائة من سرعة دوران المجال المغناطيسي وذلك بسبب أن الجهد المستحث في العضو الدوار يتلاشى عندما تتساوى سرعتا المحرك مع الفيض المغناطيسي. بسبب استخدام عضو دوار علي شكل قفص سنجاب، فان هذه المحركات تحتاج لأعمال صيانة قليلة جدا. كفاءة هذا المحرك تتغير مع تغير السرعة فإذا كانت قدرة 7 كيلووات، فان أقصي كفاءة 97 % عند 6000 لفة/دقيقة، 82 % عند 1500 لفة/دقيقة. أقصى سرعة لهذا المحرك حوالي 15000 لفة/دقيقة. وعزم هذا المحرك يمكن تغيرة بتغير شكل التوصيل لفات الأسلاك علي العضو الثابت بين دلتا - ستار. فيكون التوصيل علي هيئة دلتا عند السير بسر عات عالية وثابتة تقريبا. ويكون التوصيل علي هيئة ستار عند الاحتياج لعزم كبير مثل صعود مرتفعات أو اثنا التسارع. وبالتالي فان عملية التحويل هذه تماثل التغير في صندوق السر عات بين العليا والسرعة الدنيا حيث أقصى عزم عند الأخيرة.   

محركات التيار المستمر بدون فرش كربونية Brushless DC motor

يتكون المحرك من مغناطيسات طبيعية دوارة وثلاث أو أربع مجموعات ملفات مثبتة على العضو الثابت. هذه الملفات تمد بالتيار المستمر من خلال مفاتيح إلكترونية (electronic switches) تزودها بالتيار بالتتالي. ففي أي لحظة ملف واحد فقط هو الذي يزود بالتيار. دوران المحرك ينشا بفعل القوة بين المجال المغناطيسي الدائم على العضو الدوار والمجال المستحث على العضو الثابت. ولتوضيح طريقة العمل، يسريان التيار في الملف رقم1 ينشا به مجال مغناطيسي مستحث، تتولد بينه وبين المجال الدائم على العضو الدوار قوى تجاذب. هذه القوى تحاول وضع المجال الدوار مع المجال الثابت في صف واحد، ولكن ذلك يؤدي إلى تلاشي القوة المحركة وتوقف الدوران، وبالتالي فان الملف رقم2 يتم تحويل التيار إليه عن طريق المفاتيح الإلكترونية سابقة الذكر وبعده الملف رقم3 ثم الملف رقم1 وهكذا يتم الحفاظ على دوران المحرك. إن زاوية دوران العضو الدوار يتم معرفتها عن طريق ملف التقاط (pick up coil)، هذه الزاوية والتي تفيد بوضعية العضة الدوار يتم على أساسها تحديد الفترة الزمنية بين امرار التيار في الملف والذي يليه عن طريق المفاتيح الإلكترونية. أولى مميزات هذا النوع من المحركات عدم وجود الفرش الكربونية وعاكسات التيار، كما أن كفاءته أعلى وعمره التشغيلي أطول من النوعين السابقين. ولكن تكلفته اكثر من النوعين السابقين. معظم السيارات الكهربية تزود بهذه المحركات لان لهل خصائص عزم عند السر عات العالية افضل من المحركات السابقة. يتم تركيب هذه المحركات على محور السيارة (axle) وتتصل بالعجلات عن طريق تروس ذات نسبة تخفيض ثابتة أو متغيرة. وتتم التجارب على محرك يتم تثبيته على العجلة مباشرة.

لتي ر مزودة بأقطاب مساعدة تستمد التيار من العضو الدوار، ومثبتة بالقرب من الفرش(Brushes). هذه الأقطاب تقلل من المجال المغناطيسي حول الفرش الفرش (Brushes) لتحسين عملية عكس التيار. اكثر المحركات ملائمة للسيارة الكهربية هي المحركات التي يكون فيها توصيل ملفات المجال مع ملفات العضو الدوار على التوالي وتكون مقاومة ملفات المجال منخفضة. هذه المحركات لها عزم بدء إدارة(Starting torque) كبير، ولكن العزم يقل كلما زادت السرعة.

هذه الخاصية تكون مفيدة عند التحرك داخل المدينة ولكنها لا تصلح للسير على الطرق السريعة، حيث يكون الاحتياج للتسارع عزر التغيير بين الجارات ولكن لا يوجد العزم الكافي لمثل هذا التسارع. بعض محركات التيار المستمر تستخدم طريقة التوصيل المركب (Compound)، حيث أن ملفات المجال تكون موصلة على التوالي ولكن تزود بالتيار من مصدر منفصل، وهذا النوع من المحركات له خصائص عزم افضل من السر عات العالية.

كفاءة محركات التيار المستمر ذات التوصيل على التوالي يمكن تحسينها باستبدال أقطاب العضو الثابت التي تمغنط حثيا، باقطاب دائمة المغنطة. هذه الأقطاب الطبيعية الغالية والنادرة ذات مجال مغناطيسي أقوى، واستخدامها يصغر حجم المحرك ويحسن كفاءته.

2  الأجزاء الرئيسية للسيارة الكهربية  (Electric vehicle components)

المكونات الأساسية للسيارة الكهربية كما هو موضح بالشكل أعلاه:

1-  الشاحن :

وظيفته تقويم التيار المتردد (تحويله إلى تيار مستمر) من محطات التزويد بالكهرباء أثناء إعادة شحن البطاريات.

2-  نظام الحماية :

ويشمل عددا من المنصهرات وقواطع التيار ومحولات التيار والموصلة بين البطاريات وبقية الأجزاء الكهربية، وظيفته قطع التيار في حالة حدوث خطا أو عيب في الدائرة.

3-  المحرك الكهربي :

وتستخدم المحركات الكهربية بنوعيها وهما:

-  المحركات التي تشغل بواسطة التيار المتردد

-  المحركات التي تشغل بواسطة التيار المستمر.

4-  وحدة التحكم في المحرك :

وهى تتحكم في سرعة وعزم المحرك.

5-  نظام نقل القدرة الميكانيكي :

وهى نفس الأنظمة في السيارات التقليدية (ذات محركات الاحتراق الداخلي).

6-  وحدة التحكم في السيارة :

معظم السيارات الكهربية الحديثة مزودة بميكرو كمبيوتر والذي يقوم بمراقبة أداء المكونات الأساسية في السيارة ليتحكم في سلوكها عن طريق إرسال إشارات إلى وحدة التحكم ووحدة الحماية.

7-  البطاريات :

وهى مصدر الطاقة اللازمة لتشغيل المحرك

8-  وحدة التحكم في مناخ السيارة :

وتشمل أنظمة التكيف والتدفئة

9-  وحدة القدرة الساعده :

وهي تمد الأنظمة الكهربائية بالطاقة