كيف يعمل محرك السيارة الكهربائية: كل ما تحتاج إلى معرفته

1. مقدمة

مع تسارع الدفع العالمي نحو الاستدامة، انتقلت السيارات الكهربائية من بديل متخصص إلى خيار رئيسي للسائقين في جميع أنحاء العالم. في قلب الأداء السلس والهادئ والقوي لكل سيارة كهربائية، يكمن محرك السيارة الكهربائية - الذي يُطلق عليه غالبًا ""محرك ev"بمصطلحات الصناعة. على عكس محركات الاحتراق الداخلي التي هيمنت على الطرق لأكثر من قرن من الزمان، تعتمد محركات السيارات الكهربائية على القوى الكهرومغناطيسية لتوليد الحركة، مما يوفر كفاءة فائقة، وصيانة أقل، وانبعاثات عوادم منخفضة.

سواء كنت مالكًا حاليًا لسيارة كهربائية مهتمًا بكيفية عمل سيارتك، أو مشتريًا محتملاً يبحث عن المكونات الرئيسية، أو شخصًا يتطلع إلى فهم التكنولوجيا الكامنة وراء وسائل النقل الصديقة للبيئة، فإن هذا الدليل يشرح كل ما تحتاج إلى معرفته حول محركات السيارات الكهربائية.

2. الأساسيات الأساسية: كيف تختلف محركات السيارات الكهربائية عن محركات الغاز

لكي نفهم حقًا كيفية عمل محركات السيارات الكهربائية، من المفيد أولاً أن نقارنها بمحركات البنزين التي يعرفها معظمنا. ويتلخص الاختلاف الأساسي في كيفية توليد كل منهما للطاقة، وأوجه القصور التي تصاحب محركات الغاز.

تعمل محركات البنزين على دورة رباعية الأشواط (السحب، الضغط، الاحتراق، العادم). فهي تتطلب خلط الوقود بالهواء، وإشعاله بواسطة شمعة إشعال، ويدفع الانفجار الناتج المكبس، الذي يدير العمود المرفقي لقيادة العجلات. هذه العملية غير فعالة بطبيعتها: يتم تحويل حوالي 20-30٪ فقط من الطاقة الناتجة عن البنزين إلى حركة قابلة للاستخدام، مع فقدان الباقي على شكل حرارة وعادم.

وعلى النقيض من ذلك، تقوم محركات السيارات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية مباشرة باستخدام المبادئ الكهرومغناطيسية. لا يوجد احتراق، ولا مكابس، ولا عمود مرفقي، وعدد أقل بكثير من الأجزاء المتحركة. تُترجم هذه البساطة إلى كفاءة أعلى بكثير، حيث تصبح عادة 75-90% من الطاقة الكهربائية حركة قابلة للاستخدام. تشمل الاختلافات الرئيسية الأخرى ما يلي:

عزم الدوران الفوري: توفر محركات EV أقصى عزم دوران من حالة التوقف التام، مما يوفر تسارعًا سريعًا دون الحاجة إلى تغيير التروس.

تشغيل هادئ: لا يوجد احتراق أو ضوضاء ميكانيكية مما يعني أن محركات EV تعمل بصمت تقريبًا.

صيانة أقل: انخفاض عدد الأجزاء المتحركة يعني تآكلًا أقل - لا يوجد تغيير في الزيت، أو استبدال شمعات الإشعال، أو إصلاحات نظام العادم.

انبعاثات صفرية: لا يوجد عادم، مما يجعل المركبات الكهربائية حجر الزاوية في وسائل النقل الخالية من الانبعاثات.

3. المبادئ الأساسية لمحركات المركبات الكهربائية

تعمل جميع محركات السيارات الكهربائية على نفس المبدأ الأساسي: الحث الكهرومغناطيسي، الذي اكتشفه مايكل فاراداي لأول مرة في عام 1831. ينص قانون فاراداي على أن الجهد يتولد في الموصل عندما يتحرك عبر مجال مغناطيسي - أو عندما يتحرك المجال المغناطيسي حول الموصل. يولد هذا الجهد المستحث تيارًا كهربائيًا، والذي بدوره يولد قوة مغناطيسية تنتج الحركة.

بشكل مبسط، إليك كيفية حدوث ذلك في محرك السيارة الكهربائية:

يتكون المحرك من جزأين رئيسيين: مكون ثابت ومكون دوار (الدوار).
يحتوي الجزء الثابت على ملفات من الأسلاك يتم تزويدها بالتيار الكهربائي من بطارية السيارة الكهربائية.
عندما يتدفق التيار عبر ملفات الجزء الثابت، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا.
ينجذب الجزء الدوار، الذي يكون إما مغناطيسًا دائمًا أو مغناطيسًا كهربائيًا، إلى المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت.

عندما يدور المجال المغناطيسي للجزء الثابت، فإنه يسحب الدوار معه، مما يخلق حركة دورانية تدفع عجلات السيارة الكهربائية.

والنقطة الأساسية هنا هي أن محركات المركبات الكهربائية "قابلة للعكس": عندما تتباطأ السيارة أو تستخدم المكابح، يعمل المحرك كمولد، ويحول الطاقة الحركية للسيارة مرة أخرى إلى طاقة كهربائية لإعادة شحن البطارية (وهذا هو الكبح المتجدد - وهي ميزة تعزز كفاءة السيارة الكهربائية ومداها).

4. المكونات الرئيسية لمحركات قيادة المركبات الكهربائية

في حين أن المبدأ الأساسي للحث الكهرومغناطيسي بسيط، فإن محرك السيارة الكهربائية عبارة عن مجموعة متطورة من المكونات التي تعمل في تناغم لتوفير طاقة موثوقة وفعالة. فيما يلي الأجزاء المهمة التي تحتاج إلى معرفتها:

4.1 الجزء الثابت

الجزء الثابت هو الجزء الخارجي الثابت من المحرك، وعادةً ما يكون مصنوعًا من قلب حديدي مع لفات أسلاك نحاسية (أو ألومنيوم) حوله. وتتمثل مهمتها في توليد المجال المغناطيسي الدوار الذي يحرك الدوار. يحدد عدد اللفات وترتيبها سرعة المحرك وخصائص عزم الدوران. تستخدم الأعضاء الثابتة عالية الجودة ملفات نحاسية لتحسين الموصلية ومقاومة الحرارة - وهو أمر بالغ الأهمية للأداء على المدى الطويل.

4.2 الدوار

الدوار هو المكون الداخلي الدوار الذي يتصل بعمود إخراج المحرك. هناك نوعان رئيسيان من الدوارات: دوارات المغناطيس الدائم ودوارات الحث. تعتبر الدوارات ذات المغناطيس الدائم أكثر كفاءة لأنها لا تحتاج إلى تيار خارجي لتوليد مجال مغناطيسي، في حين أن الدوارات التحريضية أبسط وأكثر متانة.

4.3 العاكس

تخزن بطاريات السيارات الكهربائية التيار الكهربائي المباشر، لكن معظم المحركات الكهربائية تتطلب تيارًا مترددًا (AC) لتوليد مجال مغناطيسي دوار. يتمثل دور العاكس في تحويل طاقة التيار المستمر من البطارية إلى طاقة تيار متردد لملفات الجزء الثابت. كما أنه يتحكم في تردد وجهد التيار المتردد، مما ينظم سرعة المحرك وعزم الدوران. تستخدم العاكسات الحديثة كربيد السيليكون أو أشباه الموصلات من نيتريد الغاليوم لتحقيق كفاءة أعلى وسرعات تحويل أسرع - وهو أمر أساسي لتحسين نطاق السيارة الكهربائية.

4.4 المخفض / علبة التروس

تدور المحركات الكهربائية بسرعات أعلى بكثير من محركات الغاز. يعمل المخفض على تقليل سرعة خرج المحرك مع زيادة عزم الدوران، مما يجعله مناسبًا لقيادة العجلات. تستخدم معظم السيارات الكهربائية مخفض سرعة واحد لأن منحنى عزم دوران المحرك مسطح، مما يلغي الحاجة إلى تروس متعددة. تستخدم بعض المركبات الكهربائية عالية الأداء علب تروس ذات سرعتين لتحقيق كفاءة أفضل عند السرعات العالية.

4.5 نظام التبريد

مثل أي مكون ميكانيكي/كهربائي، تولد محركات المركبات الكهربائية الحرارة أثناء التشغيل، خاصة تحت الحمل الثقيل. يمكن للحرارة الزائدة أن تلحق الضرر باللفات والمغناطيسات والأجزاء الأخرى، لذا فإن نظام التبريد ضروري. تستخدم معظم محركات السيارات الكهربائية التبريد السائل (على غرار محركات الغاز)، مع دوران سائل التبريد حول الجزء الثابت والعاكس لتبديد الحرارة. تستخدم بعض التصميمات الأحدث التبريد المباشر بالزيت لنقل الحرارة بشكل أفضل.

4.6 أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم

تقوم أجهزة الاستشعار بمراقبة تشغيل المحرك في الوقت الحقيقي. تقوم مستشعرات الموضع بتتبع موضع الدوار للتأكد من أن العاكس يسلم تيارًا مترددًا بالتردد الصحيح. تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة على منع ارتفاع درجة الحرارة، بينما تحمي أجهزة الاستشعار الحالية من الأعطال الكهربائية. تستخدم وحدة التحكم في المحرك البيانات من هذه المستشعرات لضبط خرج العاكس، مما يضمن التشغيل السلس والفعال والآمن.

5. أنواع محركات المركبات الكهربائية

ليست جميع محركات السيارات الكهربائية متماثلة، حيث يختار المصنعون أنواعًا مختلفة بناءً على التكلفة والكفاءة والأداء والتطبيق. الأنواع الثلاثة الأكثر شيوعًا هي المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، والمحركات الحثية، ومحركات التيار المستمر بدون فرش.

5.1 المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM)

تعد محركات PMSM هي المحركات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في السيارات الكهربائية الحديثة (على سبيل المثال، Tesla Model 3، Nissan Leaf، Toyota Prius Prime). وكما يوحي الاسم، فإنها تستخدم مغناطيسًا دائمًا في الجزء المتحرك، وتكون سرعة الجزء المتحرك "متزامنة" مع المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت.

المزايا: كفاءة عالية، وكثافة طاقة عالية، وتوصيل عزم دوران ممتاز. العيوب: ارتفاع التكلفة بسبب المغناطيسات الأرضية النادرة وإمكانية إزالة المغناطيسية عند درجات حرارة عالية.

5.2 المحرك التعريفي (IM)

انتشرت المحركات الحثية في السيارات الكهربائية المبكرة مثل تيسلا رودستر. إنهم لا يستخدمون مغناطيسًا دائمًا، وبدلاً من ذلك، يتكون الدوار من قضبان موصلة، ويولد المجال المغناطيسي للجزء الثابت تيارًا كهربائيًا في الدوار (عن طريق الحث الكهرومغناطيسي)، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به.

المزايا: تكلفة أقل ومتانة عالية وأداء أفضل عند السرعات العالية ودرجات الحرارة المرتفعة. العيوب: انخفاض الكفاءة عند السرعات المنخفضة وانخفاض كثافة الطاقة.
اليوم، تستخدم بعض الشركات المصنعة مزيجًا من محركات PMSM والمحركات الحثية لتحقيق التوازن بين الكفاءة والأداء: PMSM للقيادة اليومية والمحرك التعريفي لسيناريوهات الأداء العالي.

5.3 محرك DC بدون فرش (BLDC)

محركات BLDC هي نوع من المحركات المتزامنة التي تستخدم مغناطيسًا دائمًا في الدوار والتبديل الإلكتروني للتحكم في المجال المغناطيسي للجزء الثابت. إنها تشبه PMSMs ولكنها تستخدم تيارًا شبه منحرف.

المزايا: كفاءة عالية، ضوضاء منخفضة، عمر طويل، تحكم بسيط. العيوب: تموج عزم الدوران أقل من محركات التيار المستمر المصقولة ولكن أعلى من محركات PMSM. تعد محركات BLDC أكثر شيوعًا في المركبات الكهربائية الصغيرة ولكنها تستخدم أيضًا في بعض المركبات الكهربائية للركاب منخفضة التكلفة.

6. عوامل أداء محركات المركبات الكهربائية

عند تقييم أداء السيارة الكهربائية، فإن مواصفات المحرك لا تقل أهمية عن سعة البطارية. فيما يلي العوامل الأساسية التي تحدد أداء محرك السيارة الكهربائية:

6.1 الطاقة (كيلوواط)

تحدد القوة (المقاسة بالكيلووات) السرعة القصوى والتسارع للسيارة الكهربائية - فالقوة الأعلى تعني تسارعًا أكبر وسرعة قصوى. على سبيل المثال، تبدو السيارة الكهربائية المدمجة بقدرة 100 كيلووات أقل قوة من طراز الأداء بقدرة 300 كيلووات.

6.2 عزم الدوران (نيوتن متر)

عزم الدوران (نيوتن متر) هو قوة الدوران التي تحرك العجلات، مما يتيح للمركبات الكهربائية التسارع الفوري خارج الخط. على عكس محركات الغاز، توفر محركات المركبات الكهربائية أقصى عزم دوران يبدأ من 0 دورة في الدقيقة، مما يجعل حتى المركبات الكهربائية منخفضة الطاقة تستجيب في المدن.

6.3 الكفاءة (%)

تعكس الكفاءة (%) مقدار كهرباء البطارية التي تتحول إلى حركة قابلة للاستخدام، حيث تعمل الكفاءة الأعلى على تعزيز النطاق (محركات السيارات الكهربائية الحديثة: كفاءة بنسبة 85-95% في ظل الاستخدام العادي). التأثيرات الرئيسية: نوع المحرك، السرعة، الحمل، والتبريد.

6.4 كثافة الطاقة (كيلوواط/كجم)

كثافة الطاقة (كيلوواط/كجم) هي الطاقة لكل وحدة وزن؛ تعني الكثافة الأعلى محركًا أصغر حجمًا وأخف وزنًا (مهم للمدى/التعامل). تتفوق PMSMs على المحركات الحثية هنا بسبب المغناطيس الدائم الأخف.

6.5 السرعة (دورة في الدقيقة)

تدور محركات السيارات الكهربائية بشكل أسرع (10,000-20,000 دورة في الدقيقة) من محركات الغاز، مما يوفر طاقة عالية السرعة. يوازن المصنعون بين السرعة والكفاءة من خلال تصميم علبة التروس، حيث تنخفض الكفاءة عند عدد دورات مرتفع جدًا في الدقيقة.

6.6 الإدارة الحرارية

تعد الإدارة الحرارية أمرًا حيويًا لتحقيق أداء ثابت. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تقليل الطاقة أو إتلاف المكونات؛ تحافظ أنظمة التبريد المتقدمة على الأداء تحت الأحمال الثقيلة.

7. الأخطاء الشائعة وتقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها

تعتبر محركات السيارات الكهربائية موثوقة بشكل عام، ولكن مثل أي مكون، يمكن أن تتعرض للأعطال بمرور الوقت. فيما يلي المشكلات الشائعة والأساليب الأساسية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها:

7.1 ضجيج المحرك

الأسباب: المحامل البالية، أو المكونات السائبة، أو مشكلات في علبة التروس (إن أمكن). استكشاف الأخطاء وإصلاحها: تحقق من عدم وجود مسامير أو وصلات مفكوكة. إذا كانت الضوضاء عبارة عن أنين عالي النبرة، فقد يكون ذلك مشكلة. إذا كان هناك ضجيج شديد، توقف عن القيادة على الفور - فقد يشير ذلك إلى تلف الدوار أو علبة التروس.

7.2 انخفاض الطاقة/التسارع

الأسباب: ارتفاع درجة الحرارة، أو مشاكل في العاكس، أو مشاكل في البطارية. استكشاف الأخطاء وإصلاحها: تحقق من مقياس درجة حرارة السيارة الكهربائية. في حالة ارتفاع درجة الحرارة، توقف عن القيادة واترك المحرك يبرد. إذا كانت البطارية مشحونة، فقد تكون المشكلة تتعلق بالعاكس أو المستشعرات - اطلب من فني إجراء فحص تشخيصي.

7.3 المحرك لا يبدأ

الأسباب: نفاد البطارية، أو وجود خلل في العاكس، أو فشل المستشعر (على سبيل المثال، مستشعر الموضع). استكشاف الأخطاء وإصلاحها: تحقق من شحن البطارية. إذا كانت البطارية مشحونة، فمن المحتمل أن تكون المشكلة كهربائية - اطلب من فني اختبار العاكس وأجهزة الاستشعار.

8. دليل شراء محرك السيارة الكهربائية

إذا كنت في السوق لمحرك السيارة الكهربائية للبيع(على سبيل المثال، بالنسبة لبناء سيارة كهربائية مخصصة أو استبدالها أو ترقيتها)، إليك العوامل الأساسية التي يجب مراعاتها:

8.1 التوافق

أولاً، تأكد من أن المحرك متوافق مع جهد بطارية السيارة الكهربائية وهيكلها. تستخدم معظم المركبات الكهربائية أنظمة 400 فولت، لكن الطرازات الأحدث عالية الأداء تستخدم أنظمة 800 فولت. تحقق أيضًا من أبعاد تركيب المحرك وحجم عمود الإخراج للتأكد من أنه يناسب مجموعة نقل الحركة في سيارتك.

8.2 متطلبات الطاقة وعزم الدوران

حدد احتياجاتك من الطاقة بناءً على كيفية استخدامك للمركبة الكهربائية. بالنسبة لسيارة كهربائية للركاب يوميًا، يكفي محرك بقدرة 80-150 كيلووات. للحصول على أداء أفضل، ابحث عن 200+ كيلوواط. يجب أن يتناسب عزم الدوران مع وزن سيارتك - تحتاج المركبات الأثقل (مثل سيارات الدفع الرباعي) إلى عزم دوران أكبر (300+ نيوتن متر) لتحقيق تسارع مناسب.

8.3 نوع المحرك

اختر نوع المحرك بناءً على أولوياتك: PMSM لتحقيق الكفاءة والمدى (الأفضل للقيادة اليومية)، أو المحرك التعريفي للمتانة والأداء العالي (الأفضل للبنيات المخصصة أو الاستخدام المكثف)، أو BLDC للتكلفة المنخفضة والبساطة.

8.4 العلامة التجارية والموثوقية

التزم بالعلامات التجارية ذات السمعة الطيبة للمحركات البديلة - فهي تتمتع بسجل حافل من الموثوقية. للحصول على تصميمات مخصصة، ابحث عن المحركات من موردي مكونات المركبات الكهربائية الموثوقين، على سبيل المثال، Pumbaaev. تجنب المحركات الرخيصة التي لا تحمل علامة تجارية، فقد تكون ذات مراقبة سيئة للجودة وتفتقر إلى ميزات السلامة.

8.5 الضمان

الضمان الجيد أمر بالغ الأهمية لراحة البال. تأتي معظم المحركات البديلة OEM (الشركة المصنعة للمعدات الأصلية) مع ضمان لمدة 1-3 سنوات. قد تتمتع محركات ما بعد البيع بضمانات أقصر، لذا اقرأ التفاصيل الدقيقة بعناية.

9. الاستنتاج

يعد محرك السيارة الكهربائية هو البطل المجهول لثورة السيارات الكهربائية، حيث يقدم أداءً فعالاً وقويًا وهادئًا يعيد تعريف وسائل النقل. بدءًا من المبادئ الأساسية للحث الكهرومغناطيسي وحتى التفاعل المعقد للمكونات مثل الجزء الثابت والعاكس ونظام التبريد، فإن فهم كيفية عمل محركات السيارات الكهربائية يساعدك على تقدير سبب تفوقها على محركات الغاز بعدة طرق.

سواء كنت مالكًا حاليًا لسيارة كهربائية، أو مشتريًا محتملاً، أو أحد الهواة الذي يبني سيارة كهربائية مخصصة، فقد غطى هذا الدليل كل ما تحتاج إلى معرفته: الاختلافات الأساسية عن محركات الغاز، والمكونات الرئيسية، وأنواع المحركات، وعوامل الأداء، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها، وكيفية اختيار محرك سيارة كهربائية للبيع. مع استمرار تطور تكنولوجيا السيارات الكهربائية (مع التطورات مثل أنظمة 800 فولت، ومحولات كربيد السيليكون، والمغناطيسات الخالية من الأتربة النادرة)، سيصبح محرك السيارة الكهربائية أكثر كفاءة وقوة وبأسعار معقولة.

في نهاية المطاف، يعد محرك السيارة الكهربائية أكثر من مجرد مكون - إنه محرك المستقبل المستدام. من خلال فهم كيفية عملها، تصبح مجهزًا بشكل أفضل لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن ملكية السيارة الكهربائية والمساهمة في خلق كوكب أكثر اخضرارًا.