الشحن السريع في السيارات الكهربائية: لماذا لا تروي أقصى قدرة شحن سريع تعلنها الشركات القصة كاملة

حتى وقت ليس ببعيد، كان الاهتمام عند تقييم السيارة الكهربائية ينصب تقريباً على مدى القيادة وحده: فكلما أعلنت مسافة أكبر بدت أكثر استعداداً للسفر. لكن الواقع أنه عند قطع مسافات طويلة، لا يقل أهمية عن كمية الطاقة التي تتسع لها البطارية مدى السرعة التي يمكنها أن تستعيد بها شحنها خلال التوقف. وهنا يأتي دور الشحن السريع بالتيار المستمر، القادر على إضافة مئات الكيلومترات من مدى القيادة بينما نتناول قهوة أو نرتاح بضع دقائق.

المشكلة أن أقصى قدرة شحن بالتيار المستمر التي يعلنها الشركة المصنعة، والمعروفة باسم “الشحن السريع”، لا تفسر وحدها كيف تشحن السيارة. فالطراز الذي يبلغ ذروة قدرة شحن تبلغ 250 كيلوواط لا يحتاج دائماً إلى وقت أقل لإعادة شحن البطارية من طراز آخر محدود بـ 200 كيلوواط. كل شيء يعتمد على مدى الحفاظ على هذه القدرة، وحجم البطارية، ودرجة حرارتها، وحالة الشحن التي تتصل بها، والطاقة التي تستهلكها السيارة لقطع كل كيلومتر.

لذلك، لمعرفة أي سيارة كهربائية تسافر بشكل أفضل، ينبغي النظر أبعد بكثير من الرقم الكبير الظاهر في المواصفات الفنية.

ما هو الشحن السريع بالضبط؟

تخزن بطارية السيارة الكهربائية الطاقة بالتيار المستمر. عندما نشحن في المنزل أو في نقطة تيار متردد، يجب أن تمر الكهرباء عبر الشاحن المدمج في المركبة، الذي يحولها إلى تيار مستمر قبل إرسالها إلى البطارية. أما في الشاحن السريع فيتم هذا التحويل خارج السيارة. تزود المحطة البطارية مباشرة بالتيار المستمر، متجاوزة محدودية القدرة الخاصة بالشاحن المدمج.

لهذا قد تقبل السيارة نفسها، على سبيل المثال، 11 كيلوواط بالتيار المتردد، و150 أو 250 أو حتى أكثر من 300 كيلوواط بالتيار المستمر. ومن المفيد التمييز بين وحدتين كثيراً ما تختلطان:

• الكيلوواط —kW— يشير إلى القدرة، أي السرعة اللحظية التي يتم بها الشحن.
• الكيلوواط ساعة —kWh— يشير إلى الطاقة، أي الكمية التي تستطيع البطارية تخزينها أو التي أُضيفت أثناء الشحن.

وهذا مهم، لأن بطارية سعتها 100 كيلوواط ساعة قابلة للاستخدام لا تُشحن بالضرورة في ساعة واحدة عند محطة بقدرة 100 كيلوواط. فهذه القسمة البسيطة لن تعمل إلا لو تلقت السيارة 100 كيلوواط بثبات من البداية حتى النهاية، وهو ما لا يحدث عملياً بسبب منحنى الشحن والخسائر في العملية. ويعتمد زمن الشحن الفعلي على الحالة الأولية للبطارية، وسعتها، والقدرة التي تستطيع السيارة قبولها، والقدرة التي تستطيع المحطة توفيرها.

ما الفرق بين منصة 400 فولت ومنصة 800 فولت؟

استخدمت معظم السيارات الكهربائية الحديثة الأولى أنظمة تبلغ نحو 400 فولت. هذه البنية ما زالت شائعة وتتيح بلوغ قدرات شحن مرتفعة، لذلك لا ينبغي اعتبارها تقنية قديمة. ومع ذلك، تلجأ شركات صنع متزايدة إلى أنظمة 800 فولت لطرازاتها ذات الأداء الأعلى.

تستجيب القدرة الكهربائية، بشكل مبسط، لحاصل ضرب الجهد في الشدة: القدرة = الجهد × الشدة. لتوفير 200 كيلوواط بنظام 400 فولت نحتاج نظرياً إلى نحو 500 أمبير. وبنظام 800 فولت يمكن بلوغ القدرة نفسها باستخدام نصف الشدة تقريباً.

المزايا؟ خفض التيار يقلل الخسائر بالمقاومة وتوليد الحرارة في الكابلات والموصلات والمكونات الإلكترونية. كما يتيح استخدام موصلات أخف أو زيادة القدرة دون رفع الشدة بشكل كبير. وفي الظروف المناسبة، تسهل بنية 800 فولت بلوغ قدرات عالية جداً والحفاظ عليها. فعلى سبيل المثال، يمكن لسيارة smart 5 أن تصل إلى 400 كيلوواط وتنتقل من 10 إلى 80% في 18 دقيقة ببطاريتها سعة 100 كيلوواط ساعة.

لكن انتبه، هذا لا يعني أن أي سيارة بجهد 800 فولت تشحن دائماً أفضل من أي سيارة بتقنية 400 فولت.

امتلاك 800 فولت لا يضمن شحناً سريعاً جيداً

البنية الكهربائية ليست سوى جزء من المنظومة. كما تؤثر فيها الكيمياء وتصميم الخلايا، وقدرتها على قبول التيار، ونظام التبريد، وبرمجة نظام إدارة البطارية، وقدرة الشاحن. توجد سيارات بجهد 400 فولت ذات منحنيات شحن تنافسية جداً، وأخرى بجهد 800 فولت لا تستغل إمكاناتها النظرية الكاملة.

ينبغي أيضاً التحقق مما يحدث عندما تتصل سيارة 800 فولت بمحطة جهد خرجها أقل. بعض السيارات تضم محولاً رافعاً يكيف الجهد، وأخرى تستخدم مكونات معينة من نظام الدفع لأداء هذه الوظيفة. وقد تكون القدرة المتاحة في هذه الظروف أقل من تلك التي تُحصل عليها في شاحن متوافق مع 800 فولت.

وفي الأنظمة الأحدث يجري أيضاً تطوير بطاريات قادرة على تغيير تكوينها الداخلي للشحن بكفاءة على محطات 400 و800 فولت، مثل تقنية bank charging التي استخدمتها Audi في Q6 e-tron، والتي تقسم بطارية 800 فولت إلى بطاريتين جزئيتين بالجهد نفسه لتُشحنا بالتوازي دون الحاجة إلى محول جهد إضافي. والهدف أن يستفيد السائق من شبكة غير متجانسة دون خسارة كبيرة في الأداء. لذلك يتيح الجهد استشفاف إمكانات السيارة، لكنه لا يحل محل المعطى المفيد حقاً: كم من الوقت تحتاج لاستعادة الطاقة في الظروف الواقعية. وهذا ما يجب أن تنتبه إليه.

ما هو منحنى الشحن؟

عندما تعلن الشركة أن السيارة تُشحن بقدرة 250 كيلوواط، فهي تشير إلى أقصى قدرة يمكن أن تبلغها في ظروف محددة. وهذا لا يعني أنها تتلقى 250 كيلوواط طوال الجلسة. فقد تستمر هذه الذروة عدة دقائق، أو تظهر لحظات فقط، أو لا تُبلغ أصلاً إذا لم تكن البطارية في الحالة المناسبة.

لنتخيل سيارتين: الأولى تبلغ 250 كيلوواط لكنها تخفض القدرة بسرعة حتى تنخفض دون 150 كيلوواط؛ والثانية أقصاها 200 كيلوواط، لكنها تحافظ على قرب هذا الرقم لجزء أكبر بكثير من العملية. ورغم أن الأولى تعلن قدرة أعلى، قد تنتهي الثانية أسرع من الشحن من 10 إلى 80%. لذلك يكون الزمن الكلي المستغرق في هذا النطاق والقدرة المتوسطة أكثر تمثيلاً من الذروة القصوى.

يمثل منحنى الشحن تطور القدرة التي تقبلها البطارية مع زيادة حالة شحنها أو SOC، وهي اختصار State of Charge. عادة تبدأ السيارة الموصولة ببطارية منخفضة الشحن بقدرة معتدلة، ثم تبلغ ذروتها بعد استقرار درجة الحرارة وتحافظ على نطاق أو أكثر من القدرة المرتفعة، ثم تبدأ بخفضها تدريجياً. ويختلف الشكل الدقيق كثيراً بين السيارات. بعض المنحنيات تُظهر هضبة مستقرة، وبعضها له درجات، وفي طرازات معينة تنخفض القدرة بشكل مستمر تقريباً من الذروة الأولية.

يمكن للبطارية أن تقبل طاقة أكبر عندما تكون خلاياها مفرغة نسبياً. وكلما اقتربت من جهدها الأقصى، يجب على النظام خفض التيار للتحكم في الحرارة ومنع التلف وموازنة مستوى الشحن بين الخلايا المختلفة.

في كثير من السيارات تقع منطقة الشحن الأسرع تقريباً بين 10 و60%. بعد ذلك تبدأ القدرة في الانخفاض، وقرب 80% يكون التباطؤ أوضح بكثير. لذلك تستخدم كثير من الشركات نسبة 80% مرجعاً لاستئناف الرحلة عند التوقف للشحن، لأن السرعة تنخفض بشكل ملحوظ بعد هذا المستوى. وهذا يفسر لماذا تعلن الشركات المصنعة غالباً زمن الشحن من 10 إلى 80% وليس الزمن اللازم لإكمال الشحن من 0 إلى 100%.

لماذا لا تشحن السيارة دائماً بأقصى قدرة لها؟

تتفاوض السيارة والشاحن باستمرار على الجهد والتيار الذي يمكن أن تتلقاه البطارية. تطلب السيارة القدرة التي تعتبرها آمنة في كل لحظة، وتقدم المحطة أكبر قدرة ممكنة ضمن حدودها. ومن العوامل المؤثرة ما يلي.

• حالة الشحن: البطارية عند 10% غالباً ما تقبل قدرة أكبر بكثير من بطارية عند 80 أو 90%. فكلما اقتربت من الامتلاء يجب أن تسير العملية ببطء أكبر. يشبه الأمر ملء وعاء دون أن يفيض: في البداية يمكن فتح الصنبور كثيراً، لكن عندما يقترب من الامتلاء يجب تقليل التدفق.
• درجة حرارة البطارية: لبطاريات أيونات الليثيوم نافذة حرارية تقبل فيها الشحن السريع بشكل أفضل. إذا كانت باردة جداً ترتفع مقاومتها الداخلية ويحد النظام من التيار لتجنب ظواهر ضارة مثل ترسب الليثيوم المعدني على الأنود. وإذا كانت ساخنة جداً تُخفض القدرة أيضاً لحماية الخلايا ومنع التدهور المتسارع.
• التهيئة المسبقة: يمكن للسيارات الأفضل استعداداً للسفر أن تسخّن البطارية أو تبردها قبل الوصول إلى الشاحن. وفي كثير من الحالات يكفي اختيار محطة سريعة كوجهة في الملاحة المدمجة. تحسب السيارة وقت بدء التهيئة للوصول إلى الحرارة المثلى لحظة التوصيل. هذه الوظيفة مهمة بشكل خاص في الشتاء. قد تبتعد سيارة قادرة على 250 كيلوواط كثيراً عن هذا الرقم إذا وُصلت بعد ليلة في درجة حرارة منخفضة دون تهيئة مسبقة. لا تفعّل كل الطرازات ذلك بالطريقة نفسها: بعضها يفعله تلقائياً عند إدخال الشاحن في الملاحة، وبعضها يسمح بتشغيله يدوياً، وفي بعض السيارات لا يتوفر. ينبغي التحقق قبل الشراء.
• سعة البطارية وكيمياؤها: يمكن لبطارية كبيرة أن تمتص طاقة أكبر في النطاق النسبي نفسه من بطارية صغيرة. فالانتقال من 10 إلى 80% في بطارية قابلة للاستخدام سعتها 100 كيلوواط ساعة يعني إدخال نحو 70 كيلوواط ساعة؛ وفي بطارية 60 كيلوواط ساعة نحو 42 كيلوواط ساعة. لذلك لا يكفي مقارنة الأزمنة دون مراعاة السعة. قد تستغرق سيارتان 20 دقيقة، لكن الأولى ستكون قد أضافت كيلومترات محتملة أكثر بكثير. كما تؤثر الكيمياء أيضاً: فبطاريات NMC وLFP لها خصائص مختلفة في كثافة الطاقة والاستجابة الحرارية والعمر والقدرة المقبولة. لكن لا يمكن القول بشكل عام إن كيمياء ما تشحن دائماً أفضل من غيرها: فالأمر يعتمد على التصميم المحدد للخلايا والنظام الكامل.
• قيود الشاحن: محطة بقدرة 350 كيلوواط لا تضمن أن تتلقى السيارة هذه القدرة. فقد تكون محدودة بأقصى جهد لها، أو بالتيار الذي يحتمله الكابل، أو بإجمالي القدرة المتاحة في التركيب. بعض المحطات تتشارك القدرة بين موصلين أو أكثر. وإذا وصلت سيارة أخرى، قد تنخفض الطاقة المتاحة لكل منهما. كما تملك الشواحن أنظمة حماية حرارية. في الأيام الحارة جداً أو بعد عدة جلسات متتالية بقدرة عالية، قد تخفض المحطة التيار مؤقتاً لمنع ارتفاع الحرارة. وبطبيعة الحال تبقى السرعة النهائية محدودة بالعنصر الأبطأ: فالسيارة التي تقبل 250 كيلوواط لن تُشحن بأكثر من 100 كيلوواط إذا وُصلت بمحطة 100 كيلوواط.

ما الذي ينبغي النظر إليه عند شراء كهربائية للسفر

تظل أقصى قدرة للشحن معطى مهماً، لكن ينبغي تحليلها مع معايير أخرى.

• الزمن الفعلي من 10 إلى 80%: هو أبسط مرجع لمقارنة السيارات. والأفضل أن يأتي من اختبارات مستقلة في درجات حرارة مختلفة، لا من المعطى المعتمد من الشركة المصنعة وحده.
• متوسط القدرة المستخدمة في الشحن: يتيح معرفة ما إذا كانت الذروة مستمرة أم مجرد لحظة عابرة. وتُحسب بقسمة الطاقة المضافة على الزمن المستغرق. فمثلاً، إذا أضافت سيارة 56 كيلوواط ساعة في 20 دقيقة، فسيكون متوسطها خلال هذه المدة نحو 168 كيلوواط، رغم أنها قد تبلغ 250 كيلوواط في لحظة ما.
• مدى القيادة المستعاد في الدقيقة: للسفر قد يكون هذا المعطى أنفع من الكيلوواط. فسيارة فعالة جداً تستهلك 17 كيلوواط ساعة/100 كم ستستفيد من كل كيلوواط ساعة مضافة أفضل من سيارة SUV تحتاج إلى 25 كيلوواط ساعة/100 كم. ورغم أن الثانية قد تشحن بقدرة أعلى، فقد تستعيد كيلومترات بسرعة مماثلة أو أقل.لذلك، ينبغي تحليل الشحن السريع والكفاءة معاً.
• الاستهلاك الفعلي على الطريق السريع: يخلط مدى WLTP سيناريوهات مختلفة ولا يمثل بالضرورة ما سيحدث عند السير بسرعة 120 كم/س. للتخطيط للرحلات يهم معرفة المدى الفعلي على الطريق السريع، خاصة في الشتاء. قد تعلن سيارة 600 كم WLTP وتحتاج إلى التوقف قبل أخرى بـ 520 كم إذا كانت ديناميكيتها الهوائية أو استهلاكها بالسرعة العالية أسوأ.
• وجود التهيئة المسبقة: يجب أن تكون تلقائية، وسهلة التفعيل، ومتوافقة مع قاعدة بيانات الشواحن في الملاحة. ومن المفيد أيضاً وجود تفعيل يدوي، لأنه يتيح تجهيز البطارية عند استخدام تطبيق خارجي لتخطيط الرحلة.
• مخطط المسارات: يحسب المخطط الجيد أين يجب التوقف، وبأي نسبة سيتم الوصول، وكم من الوقت يلزم للشحن، وبأي مستوى سيتم الوصول إلى التوقف التالي أو الوجهة. كما تأخذ الأنظمة الأكثر تقدماً في الحسبان قدرة الشواحن وتوفرها ومشغلها، وتكيّف المسار إذا تغير الاستهلاك أثناء الرحلة.
• الأداء في الشحنات المتتالية: في الرحلات الطويلة قد يلزم إجراء عدة شحنات سريعة في اليوم نفسه. فنظام حراري غير كافٍ قد يجعل الجلسة الثانية أو الثالثة أبطأ بسبب ارتفاع حرارة البطارية المتراكم.
• التوافق مع البنية التحتية: ينبغي التحقق كذلك من أقصى جهد تقبله السيارة، وسلوكها في شواحن 400 فولت، ونوع الموصل، وما إذا كانت تقدم Plug & Charge، وهي وظيفة تتعرف تلقائياً على المركبة وتدير الدفع دون تطبيقات أو بطاقات إضافية.

هل يُستحسن الوصول إلى الشاحن ببطارية منخفضة؟

عموماً نعم، لأن السيارة تشحن غالباً بسرعة أكبر عندما تصل بمستوى منخفض، بشرط أن تكون البطارية في درجة الحرارة المناسبة. فالدخول إلى المحطة بنسبة 8 أو 10% يتيح الاستفادة من المنطقة الأقوى في المنحنى. أما الوصول بنسبة 35 أو 40% فيقلل الهامش المتاح قبل الوصول إلى الجزء الذي تبدأ فيه القدرة بالانخفاض. قد يكون التوقف أقصر، لكن ستُضاف طاقة أقل، وربما سيلزم التوقف مجدداً قريباً.

بالطبع لا ينبغي المخاطرة دون هامش. يجب تكييف نسبة الوصول مع موثوقية المحطة، ووجود شواحن بديلة، والأحوال الجوية، وخبرة السائق. يمكن لمخطط مضبوط جيداً أن يعمل بهامش أمان 8 أو 10%، لكن في المناطق قليلة البنية التحتية قد يكون من الحكمة الاحتفاظ بقدر أكبر.

هل الأفضل الشحن حتى 100% أم إجراء توقفين أقصر؟

في معظم الرحلات يكون من الأسرع إجراء توقفات قصيرة ضمن المنطقة المناسبة من المنحنى بدلاً من البقاء متصلاً حتى الوصول إلى 100%.

لنفترض أن سيارة تشحن بسرعة كبيرة من 10 إلى 70%، ثم تبدأ بخفض القدرة من تلك النقطة، وتصبح بطيئة جداً فوق 80%. قد تحتاج النقاط العشرون الأخيرة إلى زمن يقارب ما تحتاجه لإضافة أول 50 أو 60. في هذه الحالة يكون الأكثر كفاءة:

1. الوصول ببطارية منخفضة.
2. شحن الطاقة اللازمة فقط للوصول إلى المحطة التالية بهامش كافٍ.
3. استئناف الرحلة عندما تكون القدرة قد انخفضت بوضوح.
4. تكرار العملية في التوقف التالي.

يمكن لجلستين من 10 إلى 60 أو 70% أن تتيحا تغطية المسافة نفسها في وقت أقل من شحن طويل حتى 100%. وإضافة إلى ذلك، فإن فصل السيارة مبكراً يحرر الشاحن لمستخدم آخر، ويتجنب البقاء في نطاق قد يكون فيه سعر الكيلومتر المستعاد أقل ملاءمة إذا كان المشغل يطبق تسعيرة بالزمن أو غرامات على الإشغال.

متى قد يكون الشحن حتى 100% منطقياً؟

لا توجد قاعدة عامة. قد يكون إكمال الشحن معقولاً في ظروف معينة:

• قبل بدء الرحلة، عبر الشحن البطيء في المنزل.
• عندما يتجاوز المقطع التالي مدى القيادة المتاح.
• إذا كانت شبكة الشحن اللاحقة قليلة أو غير موثوقة.
• أثناء توقف طويل كان سيحدث على كل حال.
• عند الوصول إلى الوجهة، إذا كانت السيارة ستُستخدم قليلاً بعد ذلك.
• عندما يقدم الشاحن سعراً مميزاً جداً ولا يوجد مستخدمون آخرون ينتظرون.

يكمن المفتاح في التمييز بين بلوغ 100% قبل الانطلاق وبلوغها في منتصف الطريق. في المنزل لا يهم كثيراً أن يكون الجزء الأخير بطيئاً، لأن السيارة قد تبقى متصلة لساعات. أما في شاحن على الطريق، فكل دقيقة إضافية تحسب، وغالباً لا يستحق الأمر انتظار اكتمال البطارية.

كما ينبغي أخذ العلم بأن الإبقاء على بطارية أيونات الليثيوم لفترة طويلة بحالة شحن مرتفعة جداً قد يساعد على تدهورها. للاستخدام اليومي توصي كثير من الشركات بوضع حد قريب من 80%، مع الاحتفاظ بـ 100% للرحلات أو المواقف التي يُحتاج فيها إلى كامل المدى. وتعتمد الآثار الدقيقة على الكيمياء وعلى الإدارة التي تطورها كل علامة.

أفضل استراتيجية ليست شحن المزيد، بل شحن ما هو ضروري

في رحلة بسيارة كهربائية، لا تكون أفضل نقطة توقف دائماً هي التي تترك البطارية عند 80%. فأحياناً يكفي الوصول إلى 55 أو 60% للوصول إلى الشاحن التالي، حيث ستستفيد السيارة مجدداً من المنطقة السريعة من منحناها. وتحسن المخططات هذا التوازن تحديداً. قد يكفي توقف مدته عشر دقائق للمتابعة إلى محطة أفضل موقعاً، أو أقوى، أو ذات موصلات أكثر متاحة.

غالباً ما تتمثل الاستراتيجية الأسرع في الانطلاق من المنزل ببطارية مشحونة، والوصول إلى أول محطة بمستوى منخفض، وإجراء شحنات قصيرة مع الاستفادة من الجزء الأكثر ملاءمة من المنحنى. لكن يدخل أيضاً العامل البشري. فقد تفضل أسرة توقفاً مدته 30 دقيقة لتناول الطعام بدلاً من توقفين بـ 15 دقيقة. وقد يقدّر سائق آخر التوقف كل ساعتين، حتى لو كان بإمكان السيارة المواصلة. وقد يفضل آخرون محطات بها خدمات ودورات مياه ومطاعم على الزمن الإجمالي للرحلة.

أفضل شحن سريع ليس بالضرورة ما يسجل أعلى ذروة قدرة، بل ما يندمج في المسار دون أن يُجبر على تغيير فترات الراحة المعتادة.

البيانات الخمسة الرئيسية لمقارنة الشحن السريع

عند اختيار سيارة كهربائية للسفر، ينبغي مراجعة النقاط التالية بهذا الترتيب:

1. الاستهلاك الفعلي على الطريق السريع والمدى المفيد بين التوقفات.
2. زمن الشحن من 10 إلى 80% في ظروف واقعية.
3. شكل المنحنى ومتوسط القدرة، لا الذروة القصوى وحدها.
4. التهيئة المسبقة وجودة مخطط المسارات.
5. السلوك في البرد والحر وفي الشحنات السريعة المتتالية.

تمثل بنية 800 فولت ميزة تقنية مهمة، خاصة في السيارات ذات البطاريات الكبيرة والقدرات العالية جداً. لكنها لا تجعل السيارة تلقائياً مسافرة جيدة. فالسيارة الكهربائية الفعالة ببطارية بحجم معقول ومنحنى شحن مستقر ونظام حراري مضبوط جيداً قد تكون أسرع على الطريق من أخرى ذات مدى معتمد أكبر وقدرة قصوى أعلى.

الخلاصة بسيطة: عند شراء سيارة كهربائية لا ينبغي أن نسأل فقط بكم كيلوواط تُشحن، بل كم كيلومتراً تتيح استعادته خلال الدقائق التي نستعد للبقاء فيها متوقفين. هذا هو الرقم الذي يحدد الفرق في النهاية عندما يحين وقت السفر.