نجح باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة في إثبات أول نقل للطاقة اللاسلكية بقدرة 270 كيلووات إلى سيارة كهربائية خفيفة. استخدمت المظاهرة سيارة بورش تايكان وتم إجراؤها بالتعاون مع مجموعة فولكس فاجن الأمريكية باستخدام نظام الشحن اللاسلكي متعدد الأطوار الذي طورته ORNL.
ويتجاوز هذا الإنجاز العرض التوضيحي الأخير للشحن اللاسلكي بقدرة 100 كيلوواط الذي قدمته شركة ORNL، وهو إنجاز آخر للشحن اللاسلكي السريع.
وقال لي سليزاك، مدير تكنولوجيا مكتب تقنيات المركبات التابع لوزارة الطاقة للشبكات والبنى التحتية للشحن: “في الأشهر الثلاثة الماضية، سجلت فرق أبحاث إلكترونيات الطاقة والمحركات الكهربائية في ORNL أرقامًا قياسية عالمية مثيرة للإعجاب للشحن اللاسلكي”، “ستعمل هذه الإنجازات على تسريع اعتماد السيارات الكهربائية في الولايات المتحدة”
باعتبارها مركبة ركاب خفيفة، سيكون من الصعب تجهيز سيارة بورش تايكان باستخدام أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية التقليدية الكبيرة والثقيلة، لا تستطيع السيارة دعم أجهزة الشحن بسبب قيود المساحة والوزن والحجم.
أنظمة الشحن اللاسلكي الحالية للمركبات الخفيفة قيد التطوير حاليًا لمستويات طاقة تصل إلى 11 كيلووات بكفاءة تصل إلى 92٪، تغطي معايير الصناعة الحالية ما يصل إلى 20 كيلو واط من مستويات الطاقة.
يستخدم النظام الذي اخترعه ORNL والذي ينقل الطاقة إلى بورشه ملفات اقتران كهرومغناطيسية متعددة الأطوار خفيفة الوزن يبلغ قطرها ما يزيد قليلاً عن 19 بوصة مما يسمح بكثافة طاقة أعلى في أصغر ملف ممكن. تشبه هذه العملية الشحن اللاسلكي للأجهزة الاستهلاكية الصغيرة، لكن الهندسة الفريدة والتصميم للملفات متعددة الأطوار تمكن من نقل مستويات طاقة عالية للغاية باستخدام المجالات المغناطيسية الدوارة الناتجة عن ملفات طور الملف لتعزيز الطاقة، تم دمج نظام الشحن بسلاسة في الهيكل السفلي للسيارة.
تشتمل تقنية نقل الطاقة اللاسلكية أيضًا على أنظمة حماية تمنع تجاوز حدود الجهد والتيار والسخونة الزائدة وقصر الدائرة الكهربائية، يمكن لهذه الأنظمة بدء إجراءات إيقاف التشغيل في حالة انقطاع الطاقة أو غيرها من الظروف غير المتوقعة التي قد تتداخل مع النقل الآمن للطاقة.
وقال عمر أونار من ORNL، قائد مجموعة إلكترونيات طاقة المركبات والباحث الرئيسي في عرض بورشه: “يمكن لملف الاستقبال المصمم لسيارة بورش تايكان البحثية أن يحقق كثافة طاقة أعلى بمقدار 8 إلى 10 مرات مقارنة بالأنظمة الحالية”. “لكل كيلووات من الوزن، يعد هذا أيضًا نظام الشحن الأكثر خفة في العالم.”
تعتبر كثافة الطاقة مهمة في الشحن اللاسلكي لأنها تشير إلى مقدار الطاقة التي يمكن للنظام التعامل معها بالنسبة لحجمه. الهدف هو تحقيق كثافات أعلى من أنظمة أصغر حجمًا وأكثر إحكاما لتحسين الكفاءة والأداء بشكل عام. يمكن لنظام ORNL تحقيق زيادة بنسبة 50% في حالة الشحن خلال 10 دقائق بكفاءة تزيد عن 95%. تم إجراء نقل الطاقة عبر فجوة تبلغ 4.75 بوصة بين الأرض والملف المثبت على الجانب السفلي من السيارة.
يمثل العرض التوضيحي بقدرة 270 كيلوواط اكتمال مشروع أعلنت عنه ORNL وفولكس فاجن في عام 2021. وقد استفاد فريق بحث ORNL من خبرة فولكس فاجن في تكامل المركبات لاختبار مفهوم الشحن اللاسلكي الجديد على سيارة كهربائية بهدف تطوير أعلى كثافة طاقة لاسلكية. نظام الشحن من خلال تصميم جديد يركز على المجالات الكهرومغناطيسية الدوارة. تعمل هذه المجالات على زيادة الكفاءة عن طريق تقليل الجهد والقضاء على تموجات التيار الكهربائي وإلغاءات المجال بين ملفات طور الملف.
وقال ليندون لي، كبير مسؤولي الهندسة في مجموعة فولكس فاجن الأمريكية: “من المثير أن نرى التقدم الكبير الذي تحققه شركة فولكس فاجن ومختبر أوك ريدج الوطني معًا في العديد من التقنيات الحيوية. وستعمل مشاريع الابتكار التي يتم بحثها في شرق تينيسي على إحداث تحول في صناعة السيارات”. “إن الشحن اللاسلكي مثل ذلك الذي تم عرضه مع أوك ريدج يمكن أن يجعل شحن المركبات الكهربائية أسهل بكثير للمستهلكين، مع أوقات الشحن السريعة التي تشجع على اعتماد الصفر في الانبعاثات وتؤدي إلى قطاع نقل أكثر استدامة.”
وقال أونار إن ORNL وفولكس واجن يخططان لمواصلة العمل معًا على المدى القريب لمواصلة تحسين النموذج الأولي للشحن بقدرة 270 كيلووات من خلال تطويره إلى نظام أكثر فعالية من حيث التكلفة وقابل للتصنيع.
وقال أونار: “نحن نعمل أيضًا مع فولكس فاجن على تطوير نظام متعدد الأطوار لتطبيقات الشحن السكنية ونتعاون في تطوير تصميم حاوية خفيفة الوزن من شأنها تحسين الأداء الميكانيكي والكهربائي والحراري والمغناطيسي”. “هدفنا هو تطوير التكنولوجيا بحيث تكون جاهزة للنشر في مركبات الإنتاج.”
أظهر باحثو ORNL تحسينات تكنولوجية في الشحناللاسلكي على مدار العقد الماضي، حيث حققوا 20 كيلووات تم نقلها إلى سيارة رياضية متعددةالاستخدامات في عام 2016 باستخدام نظام شحنيستخدم تقنيات العاكس والاقتران المبنية من ORNL. في عام 2018، حقق فريق البحث شحنة بقدرة 120 كيلوواط باستخدام تقنية الملف التقليدية فيالاختبارات المعملية.
تحقيق معدلات شحن أعلى
تمثل العروض التوضيحية بقدرة 100 و270 كيلوواط المرة الأولى التي يتم فيها اختبار نظام ORNL متعدد الأطوار على السيارات الكهربائية.
وقال أونار: “نحن نعمل للوصول إلى معدلات أعلى بكثير للأنواع الأخرى من المركبات، بما في ذلك التحقيق في تحقيق رسوم أعلى بكثير لشاحنات الشحن والنقل الثقيلة”.
إن جهود ORNL لتحقيق معدلات شحن أعلى ستشجع استخدام السيارات الكهربائية من خلال زيادة نطاق الشحن وسهولة الشحن، وهو أمر ضروري بشكل خاص للركاب اليومي ومركبات الركاب الخفيفة.
وقال بوراك أوزبينيسي من شركة ORNL زميل وباحث متميز يقود أبحاث أنظمة المركبات والتنقل: “هذا الإنجاز يقودنا خطوة أخرى إلى الأمام نحو واقع المستقبل، حيث يمكن للسيارة الكهربائية الدخول إلى محطة الشحن وإعادة شحنها في نفس الوقت الذي يستغرقه الدخول إلى متجر وتناول وجبة خفيفة، “لا يتعين على السائق أن يفعل أي شيء سوى ركن السيارة، ونحن نستكشف أيضًا طرقًا يمكن من خلالها استخدام هذه التكنولوجيا لشحن مركبة متحركة على الطريق”.
تم بناء وتطوير النظام اللاسلكي الكهرومغناطيسي متعدد الأطوار الجديد من ORNL بواسطة باحثين في مختبر إلكترونيات الطاقة والآلات الكهربائية في المركز الوطني لأبحاث النقل التابع لوزارة الطاقة في ORNL.
تم إجراء العروض التوضيحية للسيارات الكهربائية في مركز تكامل ونشر أبحاث الشبكة في ORNL. تعمل هذه العروض التوضيحية على تعزيز هدف وزارة الطاقة المتمثل في الشحن السريع للغاية لتطوير نظام يوفر 250 إلى 300 كيلووات للسيارات الكهربائية ويقلل وقت الشحن إلى 15 دقيقة أو أقل.