كيف تعمل محطة شحن السيارات الكهربائية؟ مبدأ العمل (AC و DC والأمان)

عندما توصّل سيارةً كهربائية بالشبكة، تبدأ في الواقع عمليةٌ معقّدة لكنها منظّمة جدًا: تتعارف المركبة والمحطة، ويُتَّخذ قرار بشأن مقدار التيار الذي يمكن سحبه، وتُجرى فحوص الأمان، وبعد ذلك فقط تبدأ الطاقة بالتدفّق. في هذا المقال نشرح مبدأ عمل محطة شحن السيارات الكهربائية من البداية إلى النهاية بصورة تقنية لكن مفهومة.

الجواب المختصر: محطة شحن السيارات الكهربائية هي واجهة مُتحكَّم بها تنقل الكهرباء الواردة من الشبكة إلى المركبة بأمان. تتخاطب المحطة والمركبة باستمرار؛ فالمحطة توجّه الطاقة، وتراقب دوائر الحماية، وتدير التفويض. أما العمل «الذكي» الحقيقي فيكمن في كيفية تحويل الطاقة وكيفية إبقائها آمنة.

ما المهمة الأساسية لمحطة الشحن؟

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن جهاز الشحن «يملأ» البطارية مباشرةً. في الشحن AC (التيار المتناوب) تكون المحطة أساسًا وحدة مفتاح وأمان مُتحكَّمًا بها: تنقل جهد الشبكة إلى المركبة، وتُبلغ بمقدار التيار الذي يمكن سحبه، وتفصل الدائرة عند حدوث مشكلة. أما عملية التحويل الفعلية فتؤدّيها الوحدة الموجودة داخل المركبة. وفي الشحن السريع DC (التيار المستمر) يجري القسم الأكبر من التحويل داخل المحطة.

وعليه فإن لمحطة شحن السيارة الكهربائية ثلاث مهام أساسية: (1) إقامة اتصال آمن مع المركبة، (2) نقل مقدار صحيح وآمن من الطاقة، (3) توفير التفويض والإدارة عن بُعد عند الحاجة.

كيف تتخاطب المركبة والمحطة؟ (Control Pilot / إشارة pilot)

قبل بدء الشحن «تتحدّث» المركبة والمحطة إحداهما مع الأخرى. في موصلي Type 2 و CCS2 يكون في قلب هذا الاتصال الـ Control Pilot (CP)، أي إشارة pilot. فعبر خط الـ pilot تتأكّد المحطة والمركبة من أنهما موصولتان معًا، وتتّفقان على عدد الأمبيرات المسموح به من التيار.

تجري العملية باختصار هكذا: ترسل المحطة إشارةً على خط الـ pilot. وعند اتصال المركبة تغيّر هذه الإشارة لتُبلغ بحالات مثل «تم الاتصال» و«جاهز للشحن». وتُبلغ المحطة المركبةَ عبر شكل الإشارة بالحد الأقصى للتيار؛ وتسحب المركبة بدورها قيمةً دون هذا الحد بحسب قدرة شاحنها المدمج (onboard charger). وبذلك يُمنَع منذ البداية سحبُ تيار يفوق ما يتحمّله الكابل أو المحطة.

في الشحن السريع DC تُضاف إلى هذه المراسلة الأساسية طبقة اتصال رقمي أكثر تطورًا. فتتشارك المركبة والمحطة معلومات مثل جهد البطارية ودرجة حرارتها والامتلاء المستهدف وطلب التيار اللحظي على مدى ثوانٍ متواصلة. وتضبط المحطة جهد وتيار خرجها لحظيًا بناءً على هذه البيانات.

استشعار القرب (proximity) والتعرّف على الكابل

إلى جانب إشارة الـ pilot، توجد في معظم الأنظمة إشارة قرب (proximity) أيضًا. وبفضل هذا الخط تستطيع المحطة أن تدرك أن الكابل موصول فعلًا وأنّ الكابل المستخدم مناسب لأي حد تيار. فمثلًا يُتعرَّف على كابل 16A بصورة مختلفة عن كابل 32A، ويضع النظام الحد وفقًا لذلك.

مسار AC: يجري التحويل داخل المركبة (Onboard Charger)

تُجري معظم أجهزة الشحن الحائطية (wallbox) في المنزل ومقر العمل شحنًا AC. فالتيار المتناوب الوارد من الشبكة يُنقل عبر الكابل مباشرةً إلى المركبة. لكن بطارية المركبة تُشحَن بالتيار المستمر (DC). وهنا يتدخّل الـ onboard charger (وحدة الشحن داخل المركبة) الموجود داخل المركبة: يحوّل الـ AC الوارد إلى DC ويغذّي البطارية بالجهد المناسب.

لذلك يُحدِّد الحدَّ الأعلى لسرعة الشحن AC في الغالب لا المحطةُ بل قدرةُ الشاحن المدمج للمركبة. فمثلًا حتى لو كانت المحطة قادرة على منح 22 kW، فإذا كان الشاحن المدمج للمركبة 11 kW تُشحن المركبة عمليًا بـ 11 kW. وفي الشحن AC قد تُطرَح قدرة من 7,4 kW إلى 22 kW عبر توصيل بطور واحد (monofaze) أو ثلاثة أطوار (trifaze).

تعمل طُرز AC Wallbox من Bemis E-V Charge (7,4–22 kW، Type 2) وكابلات Type 2 في مسار AC هذا تحديدًا: تنقل المحطة الطاقة AC بصورة آمنة ومُتحكَّم بها، وتتولّى المركبة التحويل.

مسار DC: يجري التحويل داخل المحطة (الشحن السريع)

في الشحن السريع DC ينقلب المنطق. فلتفادي التقيّد بالقدرة المحدودة للشاحن المدمج، يُنقَل عمل التحويل إلى خارج المركبة، إلى داخل المحطة. ففي وحدات الشحن السريع DC مثل CCS2 تحوّل المحوّلات القوية (المقوّمات/وحدات القدرة) الموجودة داخل المحطة التيار المتناوب للشبكة إلى تيار مستمر بقدرة عالية، وتعطي هذا التيار المستمر للبطارية مباشرة.

وبما أن الشاحن المدمج يخرج من الخدمة، يمكن بلوغ قدرات أعلى بكثير في الشحن DC؛ ولهذا تُسمّى محطات DC «الشحن السريع». وهنا تقول المركبة للمحطة باستمرار «أريد كذا من الجهد والتيار»؛ وتلبّي المحطة هذا الطلب بوحدات قدرتها وتضبط الخرج بحسب الحالة اللحظية للبطارية.

• الشحن AC: تنقل المحطة تيارًا متناوبًا، ويُجري التحويلَ الشاحنُ المدمج داخل المركبة. وتحدّد المركبة حدَّ القدرة في الغالب.
• الشحن DC: تحوّل المحوّلات داخل المحطة التيار المتناوب إلى مستمر وتعطيه للبطارية مباشرة. ويمكن بلوغ قدرة أعلى بكثير.
• Type 2: الموصل القياسي للشحن AC في تركيا وأوروبا.
• CCS2: معيار الشحن السريع DC في تركيا وأوروبا؛ ويعمل عبر دبّوسي DC مُضافين أسفل موصل Type 2.
• الـ kW قدرة (سرعة)، والـ kWh طاقة (المقدار المخزَّن/المنقول).

في الشحن AC يُجري التحويلَ الشاحنُ المدمج داخل المركبة؛ وفي الشحن DC تُجري المحطة التحويل. أما العمل الأساسي للمحطة فهو في جميع الأحوال نقل الطاقة بصورة آمنة ومُتحكَّم بها.

كيف يُوفَّر الأمان؟ (الحماية، التأريض، قفل الموصل)

بما أن قدرةً عالية تكون مطروحة أثناء الشحن، فإن الأمان هو الجزء الأكثر حرجًا في محطة شحن السيارة الكهربائية. ويندرج ضمن مبدأ العمل حماية متعددة الطبقات.

الحماية من التيار المتسرّب تفصل الطاقة فورًا عند اكتشاف تسرّب غير مرغوب في الدائرة (مثل خطأ في العزل) فتمنع خطر الصعق. والتأريض يوفّر للتيار المتسرّب مسارًا آمنًا عند الخطأ فيمنع بقاء أسطح مثل الهيكل تحت الجهد. وتراقب المحطة أيضًا حالات مثل التيار الزائد والحرارة الزائدة؛ وإذا اكتُشِف شذوذ توقف الشحن.

قفل الموصل جزء من الأمان أيضًا: فأثناء استمرار الشحن يُقفَل القابس من جهة المحطة أو المركبة. وبذلك يُمنَع نزع الكابل عرضًا أثناء تدفّق الطاقة؛ ولا يُفتح القفل قبل إنهاء الشحن بأمان. أما من جهة المتانة المادية فيدلّ مستوى الحماية IP65–IP66 على أن الوحدة مناسبة لظروف البيئة الخارجية ضد الغبار والماء؛ في حين تدلّ علامة CE على أن المنتج يستوفي متطلبات المطابقة الأوروبية ذات الصلة.

ماذا تراقب المحطة باستمرار أثناء الشحن؟

• سلامة الاتصال بالمركبة باستمرار عبر إشارة الـ pilot
• بقاء التيار المسحوب ضمن الحد المتَّفق عليه من عدمه
• وجود تيار متسرّب أو دائرة قصر أو خطأ تأريض من عدمه
• قيم الحرارة (القابس، الكابل، وحدات القدرة)
• بقاء قفل الموصل مغلقًا طوال الشحن

التفويض: من يبدأ الشحن؟ (RFID / التطبيق / OCPP)

في البيئة المنزلية يمكن استخدام معظم أجهزة wallbox بحيث تبدأ الشحن بمجرد توصيل المركبة. أما في الأماكن المشتركة وأماكن العمل والمحطات العامة فيُشترط أن يبدأ الشحن أشخاص مفوَّضون. وأكثر الطرق شيوعًا لذلك بطاقة RFID والتطبيق المحمول: يمرّر المستخدم بطاقته أو يبدأ الجلسة من التطبيق، فتتحقّق المحطة من التفويض ثم تسمح بتدفّق الطاقة.

وهنا يتدخّل OCPP. فالطُرز المتوافقة مع OCPP تتيح ربط المحطة بنظام إدارة مركزي (CSMS). وبذلك يمكن أن تُدار مركزيًا وظائفُ مثل التفويض، والبدء/الإيقاف عن بُعد، وتتبّع الاستخدام، وقياس الطاقة. وهذا مهم بخاصة في سيناريوهات أماكن العمل والأساطيل التي تُشغَّل فيها أكثر من محطة.

وإذا أردت الاطلاع على OCPP والمفاهيم المتصلة به بتفصيل أكبر، فلدينا أيضًا دليل منفصل يشرح ما يؤدّيه هذا البروتوكول.

مراحل جلسة الشحن

خير ما يلخّص مبدأ العمل هو رؤية كيف تتقدّم جلسة شحن واحدة من البداية إلى النهاية. تمرّ الجلسة النموذجية بالمراحل الآتية:

• 1) التوصيل: يُوصَل الكابل بالمركبة والمحطة؛ ويُكتشف الاتصال عبر إشارة القرب (proximity).
• 2) التعارف والاتفاق: تتعارف المركبة والمحطة عبر إشارة الـ pilot، ويُحدَّد الحد الأقصى للتيار.
• 3) التفويض: عند الحاجة تُفوَّض الجلسة عبر بطاقة RFID أو التطبيق.
• 4) القفل والفحص: يُقفَل الموصل، وتكتمل فحوص الأمان (التيار المتسرّب، التأريض، الحرارة).
• 5) نقل الطاقة: في مسار AC تشحن المركبةُ البطارية بالشاحن المدمج، وفي مسار DC تشحنها محوّلات المحطة.
• 6) الإدارة: تراقب المحطة التيار باستمرار؛ وتخفض القدرة تدريجيًا كلما امتلأت البطارية.
• 7) الإنهاء: عند بلوغ الهدف أو إيقاف المستخدم تُقطَع الطاقة، ويُفتح القفل، ويُنزَع الكابل بأمان.

لماذا تتباطأ البطارية بعد 80%؟ (Taper / التناقص التدريجي)

بخاصة في الشحن السريع DC، تلاحظ أن سرعة الشحن تنخفض بوضوح بعد بلوغ البطارية امتلاءً معيّنًا، غالبًا نحو 80%. ويُسمّى ذلك «taper» أي التباطؤ التدريجي، وهو ليس عطلًا بل سلوك حماية مقصود.

عندما تمتلئ البطاريات لا تستطيع قبول التيار العالي بأمان؛ ولتفادي فرط التسخين وتقصير عمر الخلية، تطلب المركبة من المحطة تيارًا أقل فأقل. وتخفض المحطة خرجها استجابةً لهذا الطلب. ولهذا يكون النطاق الأكثر كفاءة في الشحن السريع عادةً هو الجزء من امتلاء منخفض حتى 80%؛ أما آخر 20% فقد يستغرق وقتًا أطول بصورة غير متناسبة. وفي الشحن AC، بما أن القدرات أقل أصلًا، فإن هذا التباطؤ يكون في الغالب أقل وضوحًا.

الخلاصة: ماذا تفعل محطة الشحن في الحقيقة؟

محطة شحن السيارة الكهربائية هي جهاز مُتحكَّم به يتخاطب مع المركبة، ويوجّه الطاقة بصورة آمنة، ويمكن تفويضه وإدارته عن بُعد عند الحاجة. في الطُرز AC تتولّى المركبة التحويل، وفي الطُرز DC تتولّاه المحطة؛ لكن في جميع الأحوال يبقى الأمان (الحماية من التيار المتسرّب، التأريض، قفل الموصل) والاتصال الصحيح (إشارة الـ pilot) قلبَ مبدأ العمل.

Bemis E-V Charge علامة محلية تتخذ من بورصة مقرًا لها وتُنتِج جميع حلقات مبدأ العمل هذا عبر أجهزة AC Wallbox وأجهزة الشحن المحمولة وكابلات Type 2 ومحوّلات V2L/C2L ووحدات الشحن السريع CCS2 DC. وتقدّم منتجات للاستخدام الفردي والمؤسسي بطُرز متوافقة مع CE و IP65–IP66 ومتوافقة مع OCPP.