نموذج هجين للتحسين وشبكة بيانية لشحن المركبات الكهربائية المستدام باستخدام محول جسر نشط مزدوج وطاقة متجددة

لماذا يهم شحن السيارات بأنظف

تعد المركبات الكهربائية بشوارع أنظف وانبعاثات كربونية أقل، لكن طريقة شحنها لا تزال تعتمد بدرجة كبيرة على شبكة الكهرباء التقليدية. تستعرض هذه الدراسة كيفية بناء محطة شحن أذكى تعتمد أساسًا على الطاقة الشمسية وخلايا وقود الهيدروجين، تدعمها بطاريات كنسخة احتياطية، وتقدم شحنًا موثوقًا وبأسعار معقولة. من خلال دمج محول طاقة فعال مع خوارزميات متقدمة مستوحاة من الطبيعة والذكاء الاصطناعي الحديث، يوضح المؤلفون كيف يمكن أن تكون محطات الشحن في المستقبل أكثر خضرة وأرخص في آن واحد.

مزج الشمس والهيدروجين والبطاريات

تستخدم محطة الشحن التي فحصتها هذه الدراسة مزيجًا من الألواح الشمسية وخلايا الوقود وبنك بطاريات جميعها متصلة بـ"حافلة" تيار مستمر مشتركة، وهي نوع من الطرق السريعة للطاقة. توفر الألواح الشمسية كهرباء منخفضة التكلفة وقت توفر ضوء الشمس، بينما تقدم خلية الوقود طاقة احتياطية يمكن التحكم بها عند غيوم السماء أو ارتفاع الأحمال. تخزن البطارية الطاقة الفائضة وتسد الفجوات، مما ينعّم التقلبات الطبيعية في إنتاج المتجدد وسلوك السائقين. تهدف هذه المصادر الثلاثة معًا إلى إبقاء شحن السيارات الكهربائية مستقرًا رغم أن كلًا من إمداد الطاقة وسلوك السائقين متقلبة للغاية.

إلكترونيات القدرة في قلب المحطة

بين هذه الحافلة المشتركة للطاقة وبطارية المركبة يوجد مكوّن أساسي يُدعى محول الجسر النشط المزدوج. يعمل مثل علبة تروس ذكية للكهرباء، إذ يسمح بتدفق الطاقة في كلا الاتجاهين بكفاءة عالية وعزل كهربائي من أجل السلامة. من خلال ضبط توقيت مفاتيحه الداخلية بدقة، يمكن للمحول تنظيم كمية الطاقة المرسلة إلى السيارة أو المستلمة منها وإلى بطارية المحطة. تساعد هذه السيطرة الدقيقة على إبقاء جهد الحافلة عند مستوى ثابت تقريبًا وتشكيل التيار بحيث تشحن بطارية المركبة بسرعة مبدئيًا ثم بوتيرة أهدأ لاحقًا، مما يساهم في الحفاظ على صحة البطارية.

تخطيط مستوحى من الطبيعة لتقليل التكاليف

لا تكفي الأجهزة وحدها؛ تحتاج المحطة أيضًا إلى عقل يقرر متى تستخدم الطاقة الشمسية، ومتى تستدعي خلية الوقود، ومتى تفرغ البطارية أو تشحنها. لهذا، يلجأ الباحثون إلى "خوارزمية تحسين البجع"، وهي طريقة رياضية مُحاكية لكيفية تعاون طيور البجع أثناء صيد الأسماك. في الدراسة، يمثل كل "بجع" افتراضي طريقة مختلفة لجدولة تدفقات الطاقة وإعدادات المحول. من خلال استكشاف هذه الخيارات وتكرار تحسينها، تبحث الخوارزمية عن خطط تشغيل تقلل التكلفة الطويلة الأمد للطاقة مع مراعاة حدود المعدات وتقلب سلوك السائقين ومصادر الطاقة المتجددة.

دماغ بياني للقرارات في الزمن الحقيقي

لتكملة هذا المخطط، استخدم الفريق شبكة عصبية متقدمة تسمى شبكة الالتفاف البيانية متعددة الرتبات ذات السمات. بدلاً من النظر إلى كل مصدر طاقة أو حمل بمعزل، يتعامل هذا النموذج مع المحطة كشبكة من العقد المترابطة: إنتاج الشمس، سلوك خلية الوقود، حالة شحن البطارية، جهد الحافلة، وطلب شحن المركبة. يتعلم كيف تؤثر التغييرات في نقطة واحدة على بقية النظام، ملتقطًا العلاقات متعددة الخطوات التي تفشل النماذج الأبسط في رصدها. بعد التدريب، تتنبأ هذه الشبكة البيانية بالإشارات التحكمية الأمثل لمحول الجسر النشط المزدوج، مما يساعد المحطة على الاستجابة في الوقت الحقيقي لتحولات مفاجئة في ضوء الشمس أو الطلب على الشحن.

ما تكشفه المحاكيات

باستخدام محاكيات حاسوبية مفصلة، يظهر المؤلفون أن مخطط التحكم الهجين يحافظ على الكميات الكهربائية الرئيسية—مثل جهد الحافلة المركزي، تيار الحمل، وجهد بطارية المركبة—مستقرة خلال ثوانٍ من بدء التشغيل. يتلاشى إنتاج الطاقة الشمسية تدريجيًا في سيناريو الاختبار لديهم، بينما تعدل خلية الوقود والبطارية مساهماتهما بحيث تستمر السيارة في تلقي طاقة شبه ثابتة. يعكس ملف شحن بطارية المركبة ما يتوقعه السائقون: ارتفاع سريع في الجهد والتيار في البداية، يليه طور أكثر سلاسة يحمي البطارية من الإجهاد. بوجه عام، توفر المحطة نحو 4 كيلوواط من شحن ثابت مع هبوط طفيف يتم تصحيحه بسرعة.

تكاليف أقل لشحن أكثر خضرة

ربما تكون النتيجة الأكثر لفتًا هي النتيجة الاقتصادية. عندما قورنت الطريقة الجديدة—التي تجمع بين تحسين مستوحى من البجع وشبكة عصبية بيانية—مع مجموعة من تقنيات التخطيط الشائعة، قدمت أدنى تكلفة لكل وحدة طاقة مُسلَّمة. تذكر الدراسة تكلفة مستوى الطاقة بحوالي خمسة ونصف سنت لكل كيلوواط-ساعة، انخفاض يقارب النصف مقارنة بطريقة السرب الجسيمي القياسية وأكثر من 70 بالمئة مقارنة ببعض النهج التجريبية الأخرى. للقارئ العام، يعني هذا أنه من خلال تنسيق متى وكيف تغذي مصادر الطاقة النظيفة المختلفة جهاز الشحن، ومن خلال توجيه إلكترونيات القدرة بدقة، يمكن للمحطة أن تقدم شحنًا متجددًا واعتمادياً بتكلفة تنافس أو تتفوق على الخيارات القائمة على الشبكة التقليدية.

الاستشهاد: Narayanan, P., Kandasamy, P., Kandasamy, N. et al. A hybrid optimization and graph network for sustainable electric vehicle charging using a dual active bridge converter and renewable energy. Sci Rep 16, 8868 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36280-0

الكلمات المفتاحية: شحن المركبات الكهربائية, الطاقة المتجددة, الشبكات الذكية, إلكترونيات الطاقة, تحسين الطاقة