دمج تتبُّع نقطة القدرة العظمى القائم على التعلم الآلي مع محوّل DC-DC رباعي مُوسَّع مزدوج للمركبات الكهربائية ذات محركات BLDC المتصلة بالشبكة

طاقة نظيفة للطريق المقبل

مع انتقال المركبات الكهربائية من حالة متخصصة إلى تيار رئيسي، ينبثق سؤال محوري: كيف نشحنها ونشغّلها بطاقة نظيفة دون إفراط في هدر الطاقة الثمينة؟ تبحث هذه الورقة في نظام دفع يعمل بالطاقة الشمسية يهدف إلى استخلاص مزيد من الكهرباء من ضوء الشمس، ونقلها بكفاءة أعلى عبر الإلكترونيات، ودفع محرك كهربائي بثبات، مع الحفاظ على توازن الشبكة والبطارية على متن المركبة. النتيجة هي مخطط تقني لحركة كهربائية أنظف وأكثر كفاءة قد يجعل المركبات المشحونة بالطاقة الشمسية أكثر عملية في الحياة اليومية.

لماذا تحتاج السيارات الشمسية إلى إلكترونيات أذكى

تعد الألواح الشمسية جذابة لتغذية المركبات لأنها تحول ضوء الشمس المجاني إلى كهرباء دون انبعاثات من ماسورة العادم. لكن اللوح الواحد ينتج جهدًا منخفضًا نسبيًا، ومخرجه يتقلب باستمرار بفعل السحب ودرجة الحرارة ووقت اليوم. لتشغيل محرك كهربائي، يجب تعزيز ذلك التيار الهش والمنخفض المستوى، وتثبيته، وتوجيهه بين المحرك والبطارية والشبكة. يمكن للمحوِّلات الإلكترونية التقليدية تنفيذ ذلك، لكنها تواجه صعوبة في الوصول إلى جهود عالية بكفاءة، لا سيما في ظل الظروف المتغيرة. وبالمثل، فإن العديد من طرق التحكم الحالية التي تبحث عن "النقطة المثلى" للوحة تعاني من بطء، أو تميل للتذبذب، أو تتشتت بسهولة بسبب التغيرات الجوية السريعة والظل الجزئي.

طريقة جديدة لرفع طاقة الشمس

لمواجهة هذه العقبات، يصمم المؤلفون نوعًا جديدًا من محولات DC-DC يُسمى المحول الرباعي المُوسَّع المزدوج (QDE). ببساطة، يلتقط هذا الدارة جهدًا مستمرًا متواضعًا من مصفوفة الألواح الشمسية ومن خلال شبكة منظمة بعناية من المحاثات والمكثفات والصمامات الثنائية ومفتاحين نشطين، يضاعف هذا الجهد إلى مستوى أعلى وأكثر فائدة. على عكس المعزّزات التقليدية متعددة المراحل التي تربط عدة محولات معًا — مما يزيد التكلفة والتعقيد وفقد الطاقة — يعيد تصميم QDE استخدام مسارات الطاقة على مدى الزمن داخل هيكل واحد. هذا يولد زيادة تربيعية في جهد الخرج وفقًا لإشارة التحكم (دورة التشغيل)، مع الحفاظ على إجهاد الجهد على المكونات منخفضًا نسبيًا. انخفاض الإجهاد يعني أن الأجزاء يمكن أن تكون أصغر وأكثر برودة وأكثر موثوقية، مما يساعد النظام كله على العمل بكفاءة أعلى.

السماح لخوارزمية متعلِّمة بالبحث عن ضوء الشمس

رفع الجهد هو نصف القصة فقط؛ يجب على النظام أيضًا أن يقرر بالضبط مدى شدة تشغيل المحول لاستخلاص أقصى قدرة من الألواح في أي لحظة. هنا يتجه المؤلفون إلى التعلم الآلي واستراتيجية بحث مستوحاة من الطبيعة. يستخدمون شبكة عصبية من نوع دوال القواعد الشعاعية (RBFNN)، وهي نموذج تعلم بسيط يمكنه التقاط العلاقات غير الخطية، لإخراج إشارة التحكم للمحول. تُضبط الشبكة العصبية بواسطة طريقة تحسين مستلهمة من سلوك تغذية السلاحف البحرية، التي تتبع إشارات كيميائية في المحيط إلى مناطق غذائية غنية. في النظير الإلكتروني، تستكشف العديد من "السلاحف الافتراضية" توليفات مختلفة من المعاملات، متقاربة تدريجيًا إلى إعدادات تعظم مقياس أداء متعلق بالتقاط الطاقة. تمنح عملية تحسين تغذية السلاحف البحرية (STFO) هذه المتحكم القدرة على الاستجابة بسرعة وسلاسة لتحولات الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، محافظةً على الألواح قريبة من نقطة القدرة العظمى مع تقلبات ضئيلة.

مشاركة الطاقة بين الشمس والبطارية والشبكة

في جانب المركبة، تُرسل الطاقة الشمسية المعزَّزة إلى ناقل تيار مستمر يُغذي محول تيار متردد ثلاثي الطور ومحرك تيار مستمر خالٍ من الفرش (BLDC)، وهو العنصر الذي يحرك العجلات فعليًا. يحافظ متحكم تناسبي–تكاملي (PI) بسيط على سرعة المحرك ثابتة عبر أحمال مختلفة. وللتأكد من أن المركبة لا تنفد أبدًا من الطاقة — أو تهدر فائض الإنتاج الشمسي — يشتمل النظام على محول ثنائي الاتجاه متصل بحزمة بطاريات، بالإضافة إلى محول عكسي ثانٍ يربط بالشبكة الكهربائية. يمكن للبطارية أن تُشحن عندما تكون الشمس قوية ويكون طلب المحرك متواضعًا، أو تُفرغ لدعم القيادة وحتى لتغذية الطاقة مرة أخرى إلى الشبكة في سيناريو السيارة إلى الشبكة. تُدار تفاعلات الشبكة كذلك بحيث تبقى القدرة الفعلية والقدرة الردية ضمن حدود صحية، مما يساعد على الحفاظ على تيار نظيف شبه جيبي مع تشوه منخفض جدًا.

تجريب التصميم

يُثبِت الباحثون نهجهم من خلال محاكاة حاسوبية ونموذج مادي تجريبي. مع مدخلات شمسية واقعية، يرفع محول QDE جهد اللوح إلى نحو ضعف مستواه مع الحفاظ على كفاءة تحويل مقاسة تزيد عن 95 بالمئة في المحاكاة وحوالي 94 بالمئة في الأجهزة. يحقق المتحكم العصبي المدرب بواسطة STFO كفاءة تتبُّع عالية، بمعنى أنه يلتقط تقريبًا كل الطاقة التي يمكن للألواح أن توفرها، مع إبقاء التموجات والارتفاعات الزائدة صغيرة. تُظهر تيارات الشبكة تشوها إجماليًا للموجات التوافقية أقل بكثير من المعايير الشائعة، مما يشير إلى أن الطاقة المعادة إلى الشبكة نظيفة بشكل استثنائي. خلال الاختبارات التي يتلاشى فيها ضوء الشمس أو تُغلق مصفوفة الألواح أو تتغير الأحمال، تتكفل البطارية والشبكة بسلاسة حتى يستمر محرك BLDC في الدوران بسلاسة عند سرعته المستهدفة.

ماذا يعني هذا للسائقين في الحياة اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن الإلكترونيات الذكية والتحكم القائم على التعلم يمكن أن يجعل المركبات الكهربائية العاملة بالطاقة الشمسية أكثر كفاءة واعتمادية بكثير. من خلال الجمع بين محول عالي الكسب ومنخفض الإجهاد ومتحكم ذاتي الضبط مستوحى من الطبيعة، يستخرج النظام طاقة مفيدة أكثر من كل شعاع شمس ويهدر أقل في الحرارة والضوضاء الكهربائية. يضمن الاستخدام المنسق للبطارية ودعم الشبكة استمرار تشغيل المحرك بسلاسة، حتى عندما تكون الظروف بعيدة عن المثالية. وبينما هناك حاجة لأعمال مستقبلية لتأكيد المتانة على المدى الطويل في بيئات قاسية وتحت تأثير شيخوخة المكونات، يشير هذا التصميم إلى مركبات كهربائية أنظف وأكثر مرونة تكون شريكًا أفضل لأنظمة الطاقة الشمسية السطحية ولشبكات الطاقة الحديثة.

الاستشهاد: Karthikeyan, D., Shukla, .K. & Rajesh, K. Machine learning-based MPPT integration with quadratic double-extended DC-DC converter for grid-connected PV-powered BLDC electric vehicles. Sci Rep 16, 11466 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41938-w

الكلمات المفتاحية: المركبات الكهربائية الشمسية, إلكترونيات القوة, تتبُّع نقطة القدرة العظمى, دمج الطاقة المتجددة, محركات التيار المستمر الخالية من الفرش