تدقيق لغوي: أ. موانا دبس
قائمة المحتويات
هل أنت مهتمٌّ بمعرفة الأنواع المختلفة للمحركات المستخدمة في السيارات الكهربائية؟ في هذه المقالة، سنتعرف على تصنيف أنواع المحركات في السيارات الكهربائية، وسنتعمّق في عالم محركات السيارات الكهربائية (Electrical Vehicles)، مواصفاتها، دارات قيادتها الكهربائية، والعناصر الأساسية التي تحافظ على تشغيل المركبات الكهربائية، وستكون مستعداً لاتخاذ خياراتٍ حكيمةٍ عندما تبدأ رحلتك بسيارتك الكهربائية.
ما هي أنواع محركات السيارات الكهربائية؟
تغزو السيارات الكهربائية العالم بفضل المحركات القوية التي تحركها، وتوجد أنواعٌ مختلفةٌ من المحركات المستخدمة في السيارات الكهربائية، ولكل نوعٍ من المحركات مزايا وعيوب خاصة به، ويختلف أفضل محرك لتطبيق معين اعتماداً على سعره، ومتطلبات الأداء، وعوامل أخرى.
تحتوي جميع المركبات الكهربائية، والتي يشار إليها أيضاً باسم المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية (BEVs)، على محركٍ كهربائي بدلاً من محرك الاحتراق الداخلي، وتستخدم السيارة حزمة بطاريات جرٍّ كبيرة، لتشغيل المحرك الكهربائي، ويجب توصيلها بمأخذ حائط أو جهاز شحنٍ لشحنها نظراً لأنها تعمل بالكهرباء، ولا تصدر السيارة أية عوادم، كما أنها لا تحتوي على مكونات الوقود السائل المعروفة، مثل: مضخة الوقود، أو أنابيب تزويد الوقود، أو خزان الوقود.
تستخدم المركبات الكهربائية واحداً من ثلاثة أنواعٍ رئيسيةٍ من المحركات الكهربائية، وهي: محركات التيار المستمر (DC motors)، ومحركات التيار المتناوب (AC Motors)، والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (Permanent Magnet Synchronous Motor)، وسنتعرف على مزايا وعيوب كل نوع فيما يلي: [1] [2]
1- محركات التيار المستمر (Brushed DC motors)
إن محركات التيار المستمر موجودة منذ فترةٍ طويلة، وقد كانت النوع الأول من المحركات المستخدمة في السيارات الكهربائية، وتعمل عن طريق تمرير تيارٍ كهربائي مستمر (DC) عبر ملفات لتوليد مجال مغناطيسي، وإنشاء حركةٍ دورانية. هذا النوع من المحركات يتميز بأسعارٍ معقولة، وبتصميمٍ واضح، ولها عزم دوران عالٍ عند السرعات المنخفضة، ومع ذلك، ونظراً لاحتوائها على فحمات (Brushes) وعاكس تيار (Commutators) يستخدم لتحويل التيار المتناوب إلى مستمر، فإن فعالية محركات التيار المستمر تكون أقلّ من محركات التيار المتناوب، وتحتاج صيانةً بشكلٍ متكرر.
2- محركات التيار المستمر بدون فحمات (Brushless DC motors)
تعدُّ محركات DC بدون فحمات (Brushless DC motors)، واختصاراً (BLDC) أكثر تقدماً من محركات DC، وأصبحت ذات انتشارٍ أكبر في المركبات الكهربائية، كما إن محركات (BLDC) تعدُّ أكثر كفاءةً من محركات التيار المستمر ذات الفحمات (brushed)، وعمرها أطول، وتتطلب صيانةً أقل، وتتميز بنسبةٍ أعلى من الاستطاعة إلى الوزن.
مما يجعلها مناسبةً للاستخدام في السيارات الكهربائية الأصغر حجماً والأخف وزناً، ولا تحتوي محركات BLDC على فحمات (Brushes)، مما يعني أن تصميمها أبسط وأقل عرضةً للتآكل. كما أنها تستخدم طريقة التبديل الإلكتروني (Electronic commutation)، لتبديل تدفُّق التيار بين الجزء الثابت والدوار، مما يجعلها أكثر كفاءةً وموثوقيةً من محركات التيار المستمر ذات الفحمات، لكنها أكثر تكلفةً نظراً لتصميمها الأكثر تعقيداً.
3- محركات التيار المتناوب (AC motors)
تعرف أيضاً باسم المحركات التحريضية (Induction Motors) أو المحركات غير المتزامنة (Asynchronous motors)، وهي أكثر تطوراً وفاعليةً من محركات التيار المستمر، ويتمُّ إعطاء الجزء الدوّار مجالاً مغناطيسياً بوساطة تيارٍ متناوبٍ يتفاعل مع الجزء الثابت لإنشاء عزم الدوران.
تحتوي العديد من سيارات تسلا محركات تيارٍ متناوب (تحريضية) تعمل بالتيار المتناوب، وبالمقارنة مع محركات التيار المستمر، فإن هذه المحركات عمرها أطول، وأداؤها أفضل، ولا تحتاج صيانةً متكررة. لكنها أكثر تكلفةً، وكثيراً ما تحتاج إلى دارة قيادة وتحكم أكثر تعقيداً لتشغيلها.
4- المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSM)
تستخدم هذه المحركات المغناطيس الدائم في الدوار، للحصول على الحقل المغناطيسي بدلاً من الحقل المغناطيسي المحرّض بواسطة الكهرباء المستخدم في المحركات التحريضية المتناوبة، وتتميز هذه المحركات بتصميمٍ صغير، وعزم دورانٍ كبير عند السرعات المنخفضة، وكفاءة متميزة عالية. تعدُّ محركات (PMSMs) من أكثر المحركات الكهربائية استخداماً في السيارات الكهربائية المعاصرة، أما العيب الرئيسي لهذه المغناطيسات هو اعتمادها على المغناطيسات الأرضية النادرة الوجود، والتي يمكن أن يكون استخراجها مكلفاً وخطيراً على البيئة.
محركات السيارات الكهربائية وأجهزة التحكم
تعدُّ وحدة التحكم جزءاً أساسياً من السيارة الكهربائية، لأنها تتحكم في مرور الطاقة الكهربائية من البطارية إلى المحرك، وتحدّد كلاً من سرعة المحرك وعزم الدوران، ويتمُّ تصميم وحدة التحكم بحسب نوع المحرك للتحكم في سرعة دورانه وعزمه. تستخدم وحدات التحكم في محرك التيار المستمر تقنيةً تسمّى تعديل عرض النبضة (PWM)، بينما تستخدم وحدات التحكم في محرك التيار المتناوب تقنيةً أكثر تعقيداً تسمّى التحكم في المتجهات (Vector control) أو تحكم المجال الموجه (Field-oriented control (FOC))، والتي تسمّى عادةً مغيرات التردُّد (Variable-frequency drive VFD).
الخصائص المميزة لمحركات السيارات الكهربائية
هناك عدة خصائص مهمة يجب أخذها بعين الاعتبار عند مقارنة محركات السيارات الكهربائية، وهي: [2]
1- القوة وعزم الدوران (Power and Torque)
يتأثر أداء المحرك بشكلٍ كبيرٍ باستطاعته (Power)، وعزم دورانه (Torque)، حيث يتمُّ التعبير عن قدرة المحرك لأداء العمل بمصطلح الطاقة، ويتمُّ قياسها عادةً بالكيلو واط (kW) أو الحصان البخاري (Hp)، بينما يتمُّ التعبير عن قدرته على تطبيق القوة بمصطلح عزم الدوران، ويتمُّ قياسه عادةً بـ (نيوتن متر) (Nm).
2- الكفاءة (Efficiency)
إن كفاءة المحرك هي مقياس مدى (مردود) تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقةٍ ميكانيكية، وسوف يستهلك المحرك الأكثر كفاءة (Efficiency) طاقةً أقل، مما يؤدي إلى زمن تشغيلٍ أطول وتكلفةٍ أقل.
3- معدلات الجهد الكهربائي والتيار (Voltage and current ratings)
تتمُّ الإشارة إلى ظروف تشغيل المحرك من خلال معدلات الجهد والتيار، وعادةً تنتج معدلات الجهد الكهربائي الأعلى كفاءةً أكبر مما ينتج عزم دوران أكبر مع قيمٍ أكبر.
4- طريقة التبريد (Cooling Method)
بما أن المحركات الكهربائية تنتج الحرارة، فإن تأمين التهوية المناسبة أمرٌ بالغ الأهمية، للحفاظ على الأداء الأفضل، وتجنُّب الضرر للمحرك، وبحسب التطبيق الموجود فيه المحرك، قد يتمُّ تبريد المحرك بالهواء أو بمادة تبريدٍ سائلة، وغالباً ما تؤمّن أنظمة التبريد بالسوائل تحكماً أفضل بالحرارة، وأداءً أفضل للمحرك.
5- الحجم والوزن (Size and Method)
يمكن أن يؤثر حجم المحرك ووزنه على توزيع الوزن الإجمالي (التوازن)، وعادةً ما يُفضل استخدام محرك صغير الحجم وخفيف الوزن، لتحقيق أداءٍ أفضل، وكفاءةٍ أعلى.
كيف يتمُّ اختيار نوع المحرك الكهربائي للسيارة الكهربائية؟
عندما يتعلق الأمر باختيار المحرك المناسب لسيارة كهربائية، هناك عدة عوامل يجب مراعاتها، كالأداء، والسعر، والاقتصادية في المصروف، والأثر البيئي، ويمكنك تحقيق ذلك باتباع ما يلي: [2]
1- تحديد الأولويات
مثل: السعر، ومجال السرعة القصوى، وقيمة التسارع، ليتمَّ التمكن من التركيز على المحركات التي تناسب الحاجة بشكلٍ أفضل، مع تقليل عدد الخيارات الممكنة أيضاً.
2- مقارنة أنواع المحركات
يتمُّ المقارنة بين أنواع المحركات المختلفة التي تمّ ذكرها في هذا المقال، ثم يتمّ تقييم مزايا وعيوب كلٍّ منها، ولا بدّ أن نتذكر أن محركات التيار المتناوب تؤمّن أداءً وكفاءةً فائقين حتى عندما تكون محركات التيار المستمر أرخص.
3- استشارة الخبراء والمورّدين
سواءً بشكلٍ شخصي أو عبر الإنترنت، واستخدام الأدوات عبر الإنترنت، مثل: المنتديات، والمدونات للحصول على خلاصةٍ من تجارب الآخرين، ويمكن الحصول على رؤىً مهمة، واتخاذ القرار بحكمةٍ أكبر نتيجةً لذلك.
خاتمة
تُعتبر محركات السيارات الكهربائية في قلب ثورة المركبات الكهربائية، لذلك من المهمّ لكل مهتمّ بهذا القطاع أن يفهم الأنواع المختلفة للمحركات وأجهزة التحكم بها، ويعتمد اختيار المحرك الأفضل على المتطلبات المحددة للتطبيق، لأن كل نوعٍ من المحركات له فوائد وعيوبٌ مختلفة.
المراجع البحثية
1- Electric, T. B. (2023, July 21). Types of motors in electric vehicles. Blog – Biliti Electric. Retrieved February 15, 2024
2- Khan, A., & Khan, A. (2024, January 6). Electric Vehicle Motors – The complete guide. Intellipaat. Retrieved February 15, 2024
