الهندسة وراء أنظمة الكبح المتجددة في السيارات

لقد تطورت تقنية الكبح المتجدد من مفهوم هندسي متخصص إلى قوة دافعة في السيارات الكهربائية والهجينة والدراجات الكهربائية ووسائل النقل العام عالية الكفاءة. ومع انتشار الكهربة في قطاعات النقل، يجب على السائقين والمصنعين وكل من يهتم بالتنقل المستدام فهمها. يستكشف هذا الدليل الشامل آليات أنظمة الكبح المتجدد وكفاءتها وفوائدها وتحدياتها والتطورات المستقبلية لها، متضمنًا المجموعة الكاملة من المفاهيم التي يبحث عنها الناس اليوم.

ما هو الكبح المتجدد؟

الكبح المتجدد هو نظام يحوّل الطاقة الحركية المُهدرة عادةً أثناء الكبح إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. ويؤدي المحرك الكهربائي دورًا مختلفًا بعكس وظيفته، محولًا حركة السيارة إلى طاقة بدلًا من تبديدها كحرارة نتيجةً لاحتكاك المكابح. وتُعاد توجيه الطاقة المُستردة إلى البطارية، مما يُعزز كفاءة الطاقة الإجمالية.

كيف تعمل الفرامل المتجددة؟

يعمل نظام الكبح التقليدي بضغط وسادات الفرامل على دوارات معدنية، مما يُولّد احتكاكًا يُقلّل سرعة السيارة. هذه العملية فعّالة، لكنها تُبدّد طاقة الحركة على شكل حرارة. يعمل الكبح المُتجدّد بشكل مختلف تمامًا:

• يبدأ التباطؤ: عندما يرفع السائق قدمه عن دواسة الوقود أو يضغط على دواسة الفرامل في السيارة الكهربائية أو الهجينة، يعكس المحرك الكهربائي دوره.

• يصبح المحرك مولدًا: بدلاً من استهلاك الكهرباء لإنشاء الحركة، فإنه يستخدم الطاقة الحركية للمركبة لإنتاج الكهرباء.

• تتدفق الطاقة مرة أخرى إلى البطارية: يتم توجيه الكهرباء المولدة عبر إلكترونيات الطاقة وتخزينها في مجموعة بطارية السيارة.

• تباطؤ السيارة: عندما يقاوم المحرك الدوران، فإنه يبطئ العجلات بشكل طبيعي، مما ينتج عنه تأثير الكبح.

وبما أن هذه العملية تعتمد على المحركات الكهربائية، فإن الكبح المتجدد يكون أكثر كفاءة عند السرعات المعتدلة وفي ظروف التوقف والانطلاق.

هل يستخدم نظام الكبح المتجدد وسادات الفرامل؟

لا يعتمد الكبح التجديدي بشكل أساسي على وسادات الفرامل. يتولى المحرك الكهربائي معظم عمليات التباطؤ. تعمل وسادات الفرامل فقط في الحالات التالية:

• مطلوب قوة كبح إضافية

• السيارة توقفت تقريبا

• لا يمكن للبطارية قبول المزيد من الشحن

• تتطلب ظروف الجر الكبح الميكانيكي

وهذا هو السبب في أن العديد من مالكي السيارات الكهربائية يجدون أن مكونات الفرامل الخاصة بهم تدوم لفترة أطول بكثير من تلك الموجودة في المركبات التقليدية.

الكبح المتجدد مقابل الكبح التقليدي

يُحوّل الكبح المُتجدد الطاقة الحركية للسيارة إلى كهرباء. هذا يزيد من كفاءة السيارات الكهربائية والهجينة، مما يسمح لبطارياتها بالعمر الافتراضي. الاحتكاك هو ما يُمكّن المكابح التقليدية من العمل. صحيح أنها تُبدد الطاقة على شكل حرارة، إلا أنها تُوقف السيارات بكفاءة عالية. تحتوي معظم السيارات الجديدة على كلا النوعين من المكابح: المكابح المُتجددة لاستعادة الطاقة، ومكابح الاحتكاك لضمان السلامة والتوقف السريع. هذا يعني أن المكابح ستدوم لفترة أطول، وتكلفة صيانتها أقل، وستكون القيادة أكثر صداقة للبيئة. فيما يلي أهم الفروقات بين النوعين:

• استعادة الطاقة: تفقد الفرامل التقليدية كل الطاقة على شكل حرارة، بينما تستحوذ الفرامل المتجددة على جزء كبير من تلك الطاقة.

• تآكل الفرامل: نظرًا لأن الكبح المتجدد يعتمد بشكل أقل على فرامل الاحتكاك، فإن وسادات وأقراص الفرامل تدوم لفترة أطول، مما يقلل من تكاليف الصيانة.

• تجربة القيادة: قد يكون الشعور بالكبح المتجدد مختلفًا، حيث يؤدي في بعض الأحيان إلى تباطؤ طفيف عند رفع القدم عن دواسة الوقود، في حين أن الفرامل التقليدية لا يتم تنشيطها إلا عند الضغط على الدواسة.

• الكفاءة: غالبًا ما تشهد السيارات ذات الكبح المتجدد تحسنًا في كفاءة استهلاك الوقود في السيارات الهجينة أو نطاق بطارية ممتد في المركبات الكهربائية.

أنواع أنظمة الكبح التجديدية في السيارات

قد يؤدي الكبح المتجدد وظيفةً مماثلةً في صناعة السيارات، إلا أن تطبيقه يختلف باختلاف نوع السيارة وتكوين نظام نقل الحركة فيها. تعتمد كلٌّ من السيارات الكهربائية والهجينة والهجينة القابلة للشحن على استراتيجيات كبح متجدد فريدة، تتأثر بسعة البطارية وتكوين المحرك وأهداف القيادة. يُعدّ فهم هذه الاختلافات أساسيًا لفهم آليات استعادة الطاقة على الطريق.

الكبح المتجدد في السيارات الكهربائية بالكامل

تستخدم السيارات الكهربائية بالكامل أنقى وأكثر أشكال الكبح المتجدد كفاءةً، لأن نظام دفعها بالكامل يدور حول المحركات الكهربائية. تستطيع هذه السيارات تحويل جزء كبير من الطاقة الحركية إلى كهرباء مخزنة أثناء التباطؤ. الميزات الرئيسية للكبح المتجدد في السيارات الكهربائية:

• استعادة عالية للطاقة لأن المحرك الكهربائي يتعامل مع معظم التباطؤ.

• قدرة تجديدية أقوى بفضل مجموعات البطاريات الأكبر والمحركات الأكثر قوة.

• تباطؤ سلس ويمكن التنبؤ به مما يتيح في كثير من الأحيان القيادة بدواسة واحدة.

• إعدادات البرنامج التي تسمح للسائقين باختيار مستويات مختلفة من القوة التجديدية.

يحقق هذا النوع من الكبح المتجدد أكبر قدر من توفير الطاقة ويحسن بشكل كبير من مدى القيادة.

الكبح المتجدد في السيارات الهجينة

تجمع السيارات الهجينة بين محرك احتراق داخلي ومحرك كهربائي وبطارية صغيرة نسبيًا. وتتمتع أنظمة الكبح المتجددة فيها بتوازن دقيق لضمان انتقال سلس بين الكبح الكهربائي والميكانيكي. ومن أهم سمات الكبح المتجدد في السيارات الهجينة:

• استعادة الطاقة معتدلة لأن سعة البطارية أصغر.

• إحساس بالفرملة المختلطة عندما يمزج النظام بين الكبح المتجدد والكبح الهيدروليكي.

• الاعتماد بشكل أكبر على فرامل الاحتكاك أثناء التوقفات القوية أو الطارئة.

• برنامج التحكم الذكي الذي يعمل على تعظيم شحن البطارية دون التأثير على القدرة على القيادة.

يركز هذا النظام على كفاءة استهلاك الوقود بدلاً من النطاق الكهربائي البحت، مما يساعد السيارات الهجينة على تحقيق تصنيفات استثنائية في استهلاك الوقود.

الكبح المتجدد في السيارات الهجينة القابلة للشحن (PHEVs)

تقع السيارات الهجينة القابلة للشحن بين السيارات الكهربائية والهجينة التقليدية. تتيح مجموعات بطارياتها الأكبر ومحركاتها الأقوى كبحًا متجددًا أقوى وقيادة أطول بالكهرباء فقط. الميزات الرئيسية لأنظمة الكبح المتجددة للسيارات الهجينة القابلة للشحن:

• طاقة تجديدية أعلى من السيارات الهجينة القياسية، وأقرب إلى مستوى التعافي مثل السيارات الكهربائية.

• من الممكن استعادة الطاقة بكفاءة أكبر لأن البطارية الأكبر حجمًا قادرة على امتصاص شحنة أكبر.

• أداء أفضل أثناء القيادة في المدينة، حيث يصبح الكبح المتكرر مصدرًا مهمًا للطاقة.

• استراتيجية كبح مرنة مصممة لتناسب ما إذا كانت السيارة تعمل في الوضع الكهربائي أو الوضع الهجين.

توفر السيارات الهجينة القابلة للشحن توازنًا مثاليًا للسائقين الذين يريدون فرملة قوية متجددة دون الالتزام بسيارة كهربائية بالكامل.

الكبح المتجدد في السيارات الكهربائية عالية الأداء

تستخدم السيارات الكهربائية عالية الأداء نظام كبح متجدد متطورًا مصممًا لتحقيق الكفاءة وديناميكيات القيادة. مزودة بمحركين أو أربعة محركات، يمكن لهذه السيارات إدارة عملية الكبح المتجدد عبر عجلات متعددة. من أهم مميزات نظام الكبح المتجدد عالي الأداء في السيارات الكهربائية:

• أنظمة متعددة المحركات تعمل على توزيع الكبح المتجدد عبر المحورين الأمامي والخلفي.

• قوة تباطؤ قوية تسمح بالقيادة بدواسة واحدة تقريبًا حتى في السرعات العالية.

• برنامج يعطي الأولوية للاستقرار والجذب والتقاط الطاقة في وقت واحد.

• التجديد الذي يستمر إلى عمق منطقة الكبح دون المساس بالتعامل.

تم تصميم هذا النوع ليس فقط من أجل الكفاءة ولكن أيضًا للتحكم السريع والملهم بالثقة على الطريق.

الكبح المتجدد في السيارات الهجينة الخفيفة (MHEVs)

تستخدم السيارات الهجينة الخفيفة محركًا كهربائيًا صغيرًا وبطارية 48 فولت لدعم المحرك بدلًا من دفع العجلات، لذا فإن نظام الكبح التجديدي فيها محدود ولكنه فعال. السمات الرئيسية لنظام الكبح التجديدي الهجين الخفيف

• استعادة طاقة الضوء التي تساعد في تسريع أو تشغيل الأنظمة الموجودة على متن الطائرة.

• قوة تجديدية أقل لأن المحرك ليس قويًا بما يكفي لإبطاء السيارة بشكل كبير.

• لا تزال فرامل الاحتكاك قادرة على التعامل مع معظم التباطؤ.

• مثالي لتقليل استهلاك الوقود وتقليل الحمل على المحرك.

توفر السيارات الهجينة الخفيفة (MHEVs) مقدمة أبسط وأكثر تكلفة لتقنية الكبح المتجدد.

حدود البطارية وقبول الشحن

لبطاريات الليثيوم أيون حدود دقيقة لسرعة شحنها. تشمل العوامل المؤثرة على قدرتها التجديدية ما يلي:

• حالة الشحن: البطارية الممتلئة تقريبًا تقيد الكبح المتجدد

• درجة الحرارة: البطاريات الباردة تتقبل تيارًا أقل

• كيمياء الخلايا: تستخدم منصات السيارات الكهربائية المختلفة معدلات شحن قصوى مختلفة

لتجنب إجهاد البطارية، تقوم وحدة التحكم في السيارة بإعادة حساب عزم الدوران التجديدي الأقصى المتاح باستمرار.

مستقبل الكبح المتجدد في السيارات

يتقدم الكبح المتجدد بسرعة نحو المستقبل. يعمل المهندسون على تطوير أنظمة تحكم في المحركات أكثر استجابة، وأجزاء تُشحن أسرع، وبرامج أذكى تستخدم البيانات التنبؤية لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة التي تجمعها وتستخدمها. في المستقبل، قد تحتوي السيارات الكهربائية على مكثفات فائقة تستهلك الطاقة أسرع من البطاريات، مما يجعل عملية الاسترداد أسرع ويزيد من الكفاءة. كما سيتم دمج الفرامل المتجددة ونماذج التوقف التنبؤية أخيرًا في السيارات ذاتية القيادة. قد تتمكن المركبات من التنبؤ بإشارات المرور، أو حركة المرور الكثيفة، أو منحنيات الطرق، مما يتيح لها بدء الاسترداد بشكل أسرع وأكثر كفاءة.