تحسين مُستلهم من المبادئ الكمومية لتقليل إجهاد التيار في محولات DAB لشحن المركبات الكهربائية فائق السرعة

شحن أسرع دون إتلاف الأجهزة

يعد الشحن الفائق السرعة بأن يجعل تعبئة مركبة كهربائية أشبه بتعبئة خزان وقود. لكن دفع كميات هائلة من الطاقة إلى البطارية في دقائق يمكن أن يُجهد إلكترونيات الشاحن، مما يجعلها ساخنة وغير فعالة ومعرضة للفشل المبكر. تستعرض هذه الورقة طريقة أكثر ذكاءً للتحكم في أحد أكثر مكونات الشواحن السريعة الواعدة بحيث يوفّر طاقة عالية مع معاملة مكوناته الداخلية بلطف أكبر.

لماذا تواجه هذه الشواحن صعوبات اليوم

تستخدم محطات الشحن الفائق الحديثة غالبًا جهازًا يُدعى محول الجسر النشط المزدوج لنقل الطاقة من الشبكة، أو حتى من الألواح الشمسية والبطاريات، إلى السيارة الكهربائية. يعمل هذا المحول كجسر طاقة معزول وعالي السرعة بين نظامي تيار مستمر. أبسط وأشهر طريقة لتشغيله تعتمد على تأخير توقيت واحد بين جانبيه. هذه المقاربة سهلة التطبيق، لكنها تدفع تيارات كبيرة ومتغيرة بسرعة عبر المحول والمفاتيح داخل المحول. تلك التيارات العالية تهدر الطاقة في صورة حرارة، وتزيد الإجهاد الكهربائي، وتقلل من عمر المكونات المكلفة.

طريقة جديدة لتوقيت نبضات الطاقة

يقترح المؤلفون إيقاع تحكم مختلفًا للمحول. بدل الاعتماد على تحول توقيت واحد فقط، تُدخل طريقتهم تأخيران منفصلان: واحد على جانب المدخل وآخر على جانب المخرج من المحول عالي التردد. هذا يخلق نمط جهد مُشكل بدقّة أكبر، موزعًا نقل الطاقة بصورة أكثر تساويًا على كل دورة تبديل. النتيجة موجة جهد ثلاثية المستويات بدل نمط تشغيل بسيط ذو مستويين، ما يقلل التدفق غير المرغوب للطاقة عائدًا إلى المصدر ويخفض حجم نبضات التيار داخل الملف والمحوّل.

استعارة أفكار من التفكير الكمومي

اختيار قيم التأخير المناسبة وضبط متحكمات التغذية الراجعة التي تنظم التيار وجهد الخرج ليس بالأمر البسيط، لأن سلوك المحول يتغير مع الحمل والجهد وظروف التبديل. بدل الضبط اليدوي أو الاعتماد على طرق التجربة والخطأ التقليدية، تستخدم الفريق خوارزمية تحسين مستلهمة من مبادئ الكم. تحاكي هذه الخوارزمية بعض خصائص الأنظمة الكمومية، مثل استكشاف العديد من الاحتمالات بالتوازي وتحديثها احتماليًا، لصيد أفضل مجموعة من إعدادات المتحكم بكفاءة. تقوم بتقييم مدى قدرة إعداد معيّن على إبقاء التيار والجهد ضمن الهدف مع تقليل الخطأ عبر الزمن، ثم تُنقّح المعلمات تكراريًا حتى تستقر على حل شبه أمثل.

تيارات ألطف، أجزاء أبرد، عمر أطول

تُظهر المحاكاة والتجارب المخبرية أن مخطط التضمين الجديد يقلّص تقريبًا ذروة إجهاد التيار إلى النصف مقارنة بالنهج القياسي. في النموذج الأولي، ينخفض أقصى تيار في الملف من ما يعادل نحو عشرة ونصف وحدة إلى نحو خمسة ووحدات قليلة، مع نفس جهد ومقدار الخرج. التيارات الأقل تعني خسائر توصيل وتبديل أقل، فتتولد حرارة أقل في مفاتيح أشباه الموصلات والمكونات المغناطيسية. تؤكد الدراسة أيضًا أن جميع المفاتيح تستمر في التشغيل عندما يكون الجهد عبرها قريبًا من الصفر، وهي حالة «التبديل اللطيف» المرغوبة التي تقلل الخسائر أكثر. باستخدام نموذج تعب مقبول على نطاق واسع يربط تقلبات الحرارة بالتآكل، يُظهر المؤلفون أن تقليصات التيار هذه يمكن أن تترجم إلى زيادة بمقدار عدة أضعاف في العمر المتوقع.

ما معنى ذلك لمحطات الشحن المستقبلية

للمراقب العادي، الخلاصة الأساسية هي أن هذا العمل يشير إلى شواحن فائقة السرعة ليست قوية فحسب، بل أكثر متانة، وأصغر حجمًا، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. من خلال إعادة تشكيل توقيت وكيفية تطبيق المحول لنبضات التبديل، ومن خلال السماح لخوارزمية مستلهمة من الكم بضبط الضوابط بدقّة، يحافظ النظام على تيارات داخلية متحكّمًا بها دون إضافة أجهزة إضافية أو دوائر غريبة. هذا يجعل من الأسهل توسيع نطاق محطات شحن متصلة بالتيار المستمر وموثوقة يمكن أن تعمل مباشرة مع مصادر متجددة، مما يساعد المركبات الكهربائية على الشحن بسرعة مع إبقاء التكاليف وإجهاد المكونات تحت السيطرة.

الاستشهاد: Mateen, S., Haque, A., Khan, M.A. et al. Quantum-inspired optimization for current stress reduction in DAB converters for ultra-fast EV charging. Sci Rep 16, 9133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40131-3

الكلمات المفتاحية: الشحن الفائق السرعة للمركبات الكهربائية, محول الجسر النشط المزدوج, موثوقية إلكترونيات الطاقة, تقليل إجهاد التيار, تحسين مستلهم من الكم