Design and Analysis of a Multiport PV-Battery Converter with Differential Power Processing for improved energy management in EV charging applications

في المسعى الحديث لتزويد حياتنا بالطاقة النظيفة، لا يزال هناك تحدٍ مستمر: فالشمس لا تشرق دائمًا عندما نحتاج إلى الكهرباء، وبطارياتنا لا تستطيع دائمًا الاحتفاظ بقدر كافٍ من الطاقة لسد الفجوة. ولحل هذه المشكلة، اعتمد المهندسون لفترة طويلة على أجهزة تسمى "المحولات"، والتي تعمل كمنظمات لحركة المرور للطاقة الكهربائية، حيث تنقل الطاقة من الألواح الشمسية إلى البطاريات ومن ثم إلى منازلنا أو مركباتنا الكهربائية. كان النهج التقليدي يتمثل في إجبار كل واط واحد من الطاقة الناتجة عن الشمس على المرور عبر هذه المحولات، بغض النظر عما إذا كانت البطارية بحاجة إليها أو ما إذا كان الحمل يتطلبها. وهذا الأسلوب، رغم موثوقيته، هو بطبيعته هدر للطاقة، حيث يحرق المحول جزءًا من الطاقة عبر الحرارة والاحتكاك لمجرد التعامل مع التدفق، حتى عندما يكون التدفق متوازنًا تمامًا. وتقترح فكرة أحدث، تُعرف باسم "معالجة الطاقة التفاضلية"، بديلًا أكثر ذكاءً: فبدلاً من تحريك النهر بأكرمله، حرك فقط المياه التي تفيض أو الكمية المفقودة. ومن خلال معالجة الفرق فقط بين ما يتم توليده وما هو مطلوب، يمكن للنظام تجنب العمل الشاق الذي يسبب فقدان الطاقة، مما يحافظ على التدفق الرئيسي مباشرًا وفعالاً.

لقد أخذ الباحثان شانموغام سارافانان وشارميلا أ من معهد فيلور للتكنولوجيا هذه الفكرة وطبقاها على نظام معقد ثلاثي المسارات يتضمن ألواحًا شمسية، ووحدة تخزين بطارية، ومحطة شحن لمركبة كهربائية. يركز عملهما على تصميم جهاز واحد يمكنه إدارة جميع مصادر الطاقة الثلاثة هذه في آن واحد دون أوجه القصور الموجودة في التصاميم القديمة. في النظام المقترح، ترتبط الألواح الشمسية ومخزن البطاريات بـ "ناقل" كهربائي مشترك يغذي المركبة الكهربائية. ويكمن الابتكار الجوهري في كيفية تعامل الجهاز مع عدم التطابق بين التوليد الشمسي ومتطلبات شحن المركبة. فعندما تنتج الشمس بالضبط مقدار الطاقة التي تحتاجها السيارة للشحن، يصبح المحول الجديد في حالة خمول تقريبًا، حيث لا يعالج سوى قدر ضئيل جدًا من الطاقة ولا يولد أي حرارة تقريبًا. وهو لا يبدأ العمل النشط إلا عندما يكون هناك فائض في الطاقة الشمسية لتخزينه أو نقص يجب على البطارية تغطيته. وهذا يتناقض بشكل صارخ مع الأنظمة التقليدية، التي يجب أن تعالج باستمرار كامل طاقة المصفوفة الشمسية، حتى عندما تكون تلك الطاقة متطابقة تمامًا مع الطلب.

ولاختبار هذه الفكرة، بنى الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة لتصميمهم، حيث صمموا نموذجًا لنظام قادر على التعامل مع قدر من الطاقة يبلغ كيلواتين. وبرمجوا الجهاز للعمل تحت ظروف واقعية متنوعة، مثل الانخفاض المفاجئ في ضوء الشمس أو الزيادة السريعة في سرعة الشحن. وكشفت المحاكاة أن الجهاز يمكنه الانتقال بنجاح بين أوضاع تشغيل مختلفة. ففي السيناريو الذي كانت فيه الألواح الشمسية تولد طاقة أكثر مما تحتاجه السيارة، وجه النظام الطاقة الزائدة إلى البطارية لتخزينها. وعلى العكس من ذلك، عندما طلبت السيارة طاقة أكثر مما يمكن للشمس توفيره، تدخلت البطارية بسلاسة لتغطية الفرق. وطوال هذه الانتقالات، حافظ النظام على جهد ثابت، مما ضمن حصول المركبة الكهربائية على شحن مستقر دون التقلبات التي قد تضر بالإلكترونيات الحساسة. وقد صُممت منطقية التحكم بدقة، باستخدام أجهزة استشعار لمراقبة مستويات الطاقة باستمرار وتعديل التدفق فقط عند حدوث خلل حقيقي في التوازن.

كانت نتائج هذه المحاكاة مذهلة؛ فقد حقق النظام المقترح كفاءة قصوى بلغت 95.8 بالمائة، مما يعني أن جميع الطاقة المدخلة إلى النظام تقريبًا وصلت إلى وجهتها. وهذا يمثل تحسنًا كبيرًا مقارنة بمحولات معالجة الطاقة الكاملة التقليدية، التي وجد الباحثون أنها تعمل بكفاءة قصوى تبلغ 90.2 بالمائة فقط تحت نفس الظروف. وكان هذا التفوق أكثر وضوحًا عندما كان النظام يعمل عند أحمال منخفضة، مثل عندما تشحن السيارة ببطء أو عندما تكون الشمس ضعيفة. في هذه السيناريوهات الأخف، حافظ التصميم الجديد على كفاءة بلغت 93.8 بالمائة، بينما انخفضت الطريقة التقليدية إلى 83.1 بالمائة. ويوجد هذا الفارق لأن المحول التقليدي يهدر الطاقة من خلال تبديل المكونات تشغيلًا وإيقافًا باستمرار للتعامل مع الحمل الكامل، بينما لا يقوم التصميم الجديد بتنشيط مكونات التبديل الخاصة به إلا عندما يتطلب عدم تطابق الطاقة ذلك. كما لاحظ الباحثون أنه يمكن بناء الجهاز الجديد بمكونات مصنفة لقدرة أقل بكثير — وتحديدًا 0.8 كيلو فولت أمبير مقارنة بـ 2.0 كيلو فولت أمبير المطلوبة من الطريقة القديمة. ويشير هذا الاختزال في الحجم والقدرة إلى أن المحول الجديد قد يكون أقل تكلفة في البناء وسيتطلب تبريدًا أقل، نظرًا لأنه يولد حرارة أقل بكثير.

تؤكد الدراسة أنه من خلال تغيير كيفية توجيه الطاقة، من الممكن جعل أنظمة شحن المركبات الكهربائية أكثر كفاءة واستجابة. لقد أثبت الباحثون أن النظام المصمم للتعامل مع الفرق في الطاقة فقط، بدلاً من إجمالي الطاقة، يمكن أن يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة. وبينما تستند النتائج حاليًا إلى عمليات محاكاة حاسوبية وليس إلى نموذج أولي مادي، فإن النماذج الرياضية والاختبارات التفصيلية لاستراتيجيات التحكم توفر أساسًا قويًا للمفهوم. ويشير العمل إلى أن محطات الشحن المستقبلية يمكنها دمج الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات بشكل أكثر فعالية، مما يسمح للمركبات الكهربائية بالشحن بشكل أسرع وبأقل قدر من الهدر. ومن خلال إبقاء تدفق الطاقة الرئيسي مباشرًا وحجز المعالجة المعقدة فقط للحظات التي تكون فيها ضرورية حقًا، يقدم هذا النهج مسارًا عمليًا نحو إدارة أكثر استدامة للطاقة في الشبكة المتنامية للنقل الكهربائي.