Implementation of Regenerative Braking Systems in Brushless DC Motors

تخيل عالماً لا تكتفي فيه المركبة التي تقودها باستهلاك الطاقة لتتحرك، بل تلتقط الطاقة أيضاً عندما تتوقف. هذا هو الوعد الذي تقدمه التنقل الكهربائي، وهو مجال مخصص لاستبدال المحركات الملوثة للبيئة في الماضي بمحركات كهربائية نظيفة وفعالة. وفي قلب العديد من السيارات الكهربائية الحديثة يكمن نوع محدد من المحركات يُعرف باسم محرك التيار المستمر بدون فرش (brushless DC motor). وخلافاً للمحركات الكهربائية القديمة التي استخدمت فرشاً فيزيائية لتبديل التيار الكهربائي تشغيلاً وإيقافاً، تستخدم هذه المحركات الأحدث مفاتيح إلكترونية ومغناطيسات للدوران، مما يجعلها أخف وزناً، وأكثر متانة، وقادرة على العمل لفترات أطول دون أن تتآكل. ويتمثل التحدي الحاسم في تصميم هذه المركبات في كيفية التعامل مع الطاقة المخزنة في حركة السيارة. فعندما يضغط السائق على دواسة الفرامل، يجب إيقاف هذا الزخم الأمامي. وفي السيارة التقليدية، تُهدر هذه الطاقة كحرارة في وسادات الفرامل. أما في المركبة الكهربائية، فيسعى المهندسون جاهدين لالتقاط هذه الطاقة وإعادتها إلى البطارية، وهي عملية تسمى الكبح الاستردادي (regenerative braking). والهدف بسيط: تحويل فعل التباطؤ إلى فعل إعادة شحن، وبالتالي إطالة المسافة التي يمكن للسيارة قطعها بشحنة واحدة.

لقد استكشفت باحثة تُدعى شيتنا بهاردواج، تعمل في المعهد الوطني للتكنولوجيا في دلهي، كيفية جعل عملية استعادة الطاقة هذه تعمل بكفاءة في محركات التيار المستمر بدون فرش دون إضافة معدات إضافية معقدة أو ثقيلة. والسؤال المركزي الذي تناولته هذه الدراسة هو ما إذا كان بإمكان المركبة إعادة شحن بطاريتها أثناء الكبح باستخدام المحرك وجهاز التحكم الإلكتروني القياسي الخاص به فقط، بدلاً من الاعتماد على أجهزة إضافية مثل محولات الرفع (boost converters) أو مكثفات فائقة خاصة. غالباً ما تُستخدم هذه المكونات الإضافية لرفع جهد الكهرباء الناتجة عن المحرك لتكون قوية بما يكفي لدخول البطارية، لكنها تزيد من وزن وتكلفة وتعقيد المركبة. وتقترح الدراسة طريقة يتم من خلالها إدارة الإلكترونيات الداخلية للمحرك بعناية لعكس تدفق الكهربة مباشرة إلى مصدر الطاقة. ومن خلال استخدام نوع معين من أنظمة التحكم التي تراقب باستمرار سرعة وتيار المحرك، هدف الباحثون إلى خلق انتقال سلس بين القيادة والكبح، مما يضمن تباطؤ السيارة بأمان مع تغذية الطاقة مرة أخرى إلى البطارية في الوقت نفسه.

ولاختبار هذه الفكرة، قامت الباحثة ببناء محاكاة حاسوبية مفصلة لنظام مركبة كهربائية. وقد تضمن هذا النموذج الافتراضي المحرك، والبطارية، والمفاتيح الإلكترونية التي تتحكم في تدفق الكهرباء. صُممت المحاكاة لمحاكاة ظروف القيادة في العالم الحقيقي، بدءاً من تشغيل المحرك بسرعة ثابتة تبلغ 1455 دورة في الدقيقة، حيث يسحب الطاقة من البطارية لتحريك المركبة للأمام. وفي وضع القيادة هذا، سحب المحرك كمية صغيرة من التيار، حوالي 2.1 أمبير، واستهلك 250 واط من الطاقة للحفاظ على سرعته. تم إعداد النظام بحيث يمكن للسائق الضغط على دواسة فرامل افتراضية في أي وقت لبدء عملية التوقف. وعند تشغيل الفرامل في المحاكاة، قام نظام التحكم بتغيير تشغيل المحرك فوراً؛ فبدلاً من دفع الكهرباء للخارج لتدوير العجلات، بدأ المحرك يعمل كمولد، محولاً حركة المركبة المتبقية إلى كهرباء.

أظهرت نتائج المحاكاة أن النظام عمل تماماً كما هو مخطط له. فبمجرد الضغط على الفرامل، انقلب سلوك المحرك؛ فالقوة التي كانت تدفع السيارة للأمام تحولت إلى قوة سحب قوية في الاتجاه المعاكس، مما خلق عزم دوران كابح قدره -11 نيوتن متر. تسبب هذا الانعكاس في تدفق الكهرباء إلى الوراء، من المحرك إلى البطارية، بدلاً من تدفقها من البطارية إلى المحرك. وسجلت المحاكاة أن البطارية بدأت في استقبال كمية كبيرة من الطاقة، حيث وصلت ذروتها إلى -1000 واط، مما يشير إلى أنه تم استعادة الطاقة بنجاح. وتحول التيار المتدفق إلى البطارية من 2.1 أمبير موجب إلى 8.3 أمبير سالب، مما أكد أن البطارية يتم شحنها. وطوال هذه العملية، انخفضت سرعة المحرك بثبات من 1455 دورة في الدقيقة الأولية وصولاً إلى الصفر، مما أظهر توقفاً محكماً وفعالاً.

إن الاكتشاف الرئيسي لهذا العمل هو أن استعادة الطاقة تمت دون الحاجة إلى معدات رفع الجهد الإضافية التي تُعتبر غالباً ضرورية. فقد أثبت الباحثون أنه من خلال مجرد تعديل المفاتيح الإلكترونية داخل متحكم المحرك، يمكنهم إدارة الجهد الناتج عن مغناطيسات المحرك الداخلية، والمعروف بالقوة الدافعة الكهربائية العكسية (back electromotive force)، ليتناسب مع احتياجات البطارية. ومع تباطؤ المحرك، انخفض الضغط الكهربائي الذي يولده بشكل طبيعي، وقام نظام التحكم بالتعديل لضمان إمكانية قبول هذه الطاقة من قبل البطارية. وأظهرت المحاكاة أن الانتقال من القيادة إلى الكبح كان سلساً، حيث تعامل المحرك مع تغيير اتجاه الكهرباء دون حدوث عدم استقرار. وتخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يسمح بنظام دفع كهربائي أبسط وأخف وزناً وأقل تكلفة. ومن خلال إثبات أن العاكس القياسي (standard inverter) يمكنه التعامل مع الكبح الاستردادي بفعالية، يشير هذا العمل إلى مسار نحو مركبات كهربائية أسهل في البناء والصيانة، مع الاستمرار في التقاط الطاقة التي كانت ستُفقد لولا ذلك في كل مرة تتوقف فيها السيارة.