فناوری شارژ بیسیم دیگر منحصر به تلفنهای هوشمند نیست؛ این نوآوری در آستانه ورود به قلمرو وسایل نقلیه الکتریکی است و میرود تا شیوه سوختگیری خودروها را برای همیشه تغییر دهد. در شرایطی که شرکتهای بزرگ خودروسازی و پیشروهایی چون تسلا، توسعه این فناوری را با جدیت تمام در دستور کار قرار دادهاند، اکنون زمان آن فرا رسیده است که از پشت پرده این فرآیند جادویی پرده برداریم.
این مقاله به جزئیات فنی و شگفتانگیز انتقال انرژی بدون نیاز به کابل میپردازد و بررسی میکند که چگونه کویلهای زیرزمینی و میدانهای مغناطیسی، راحتی مطلق را برای رانندگان عصر جدید به ارمغان خواهند آورد.با توجه به تمرکز جدی شرکت تسلا بر روی این فناوری پیشرفته، قصد داریم نگاهی عمیقتر به جزئیات ظریف شارژ بدون نیاز به اتصال فیزیکی کابل داشته باشیم و ببینیم این روش شگفتانگیز چگونه عمل میکند.
شارژ بیسیم چیست؟
بسیار خب، برای شروع، اصلا شارژ بیسیم به چه معناست؟ در دنیای اغلب گیجکننده برچسبها و اصطلاحات صنعت خودروسازی، خوشبختانه «شارژ بیسیم» (Wireless Charging) یکی از معدود عناوینی است که دقیقا همان معنایی را میدهد که از نامش پیداست: شارژ کردن بدون نیاز به اتصال سیم یا کابل فیزیکی.
اما مسئله اینجاست که وقتی تلفن همراه خود را روی پد مخصوص شارژ قرار میدهید و آن نماد کوچک به شما نشان میدهد که فرآیند شارژ آغاز شده است، آیا واقعا میدانید چه اتفاقی در حال رخ دادن است؟ شاید به سادگی تصور کنید که دستگاه شما به طرز شگفتانگیزی در حال جذب انرژی است و آن را به قوانین پایه فیزیک نسبت دهید. اما این تمام ماجرا نیست و فرآیند علمی پیچیدهتری در پشت این سادگی ظاهری نهفته است.
نحوه عملکرد شارژ بیسیم برای دستگاههای کوچک (القای مغناطیسی)
در واقع، در داخل آن پد شارژ که بهطور هوشمندانه به شبکه برق سراسری (یا هر منبع انرژی دیگری) متصل است، یک سیمپیچ مسی الکترومغناطیسی تعبیه شده است. به همین ترتیب، در داخل دستگاه گیرنده شما (مانند تلفن همراه) نیز نمونهای از همین سیمپیچ وجود دارد. هنگامی که این دو سیمپیچ در نزدیکی یکدیگر قرار میگیرند، حتی اگر پوشش یا قاب دستگاه و پد در میانشان باشد، یک انتقال الکترون بسیار مفید و کارآمد بدون نیاز به کابل فیزیکی اتفاق میافتد. این پدیده بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction) شکل میگیرد که در واقع مبنای عملکرد بسیاری از تجهیزات الکتریکی است.
مکانیزم پیشرفته شارژ بیسیم برای خودروها (کوپلینگ القایی تشدیدی)
شاید این سوال برایتان پیش بیاید که آیا این سازوکار برای خودروها نیز به همین صورت عمل میکند؟ پاسخ این است که تا حدی بله، اما با یک تفاوت اساسی. برای اینکه پدیده «کوپلینگ القایی» (Inductive Coupling) واقعا کارآمد باشد، فاصله بین سیمپیچهای فرستنده و گیرنده باید بسیار اندک باشد و آنها باید به شکلی بسیار دقیق در کنار یکدیگر قرار گیرند.
دستیابی به این دقت و نزدیکی در مورد خودروها کار آسانی نیست؛ چرا که سیمپیچ گیرنده به یک بسته سنگین باتری متصل است که خود توسط چرخها در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین (پد شارژ) قرار گرفته است. به همین دلیل، در شارژ بیسیم خودروهای برقی، به جای کوپلینگ القایی ساده، از فناوری پیشرفتهتری به نام «کوپلینگ القایی تشدیدی» (Resonant Inductive Coupling) یا رزونانس مغناطیسی استفاده میشود.
جزئیات فنی کوپلینگ القایی تشدیدی: نوسان و تشدید
شاید نام «تشدیدی» کمی علمی و پیچیده به نظر برسد، اما مفهوم آن جالب است. در این روش، سیمپیچها به گونهای طراحی شدهاند که با فرکانس طبیعی خود نوسان (Vibrate) کنند تا میدان مغناطیسی ایجاد شده برد وسیعتری پیدا کند. این فرآیند به این دلیل ممکن میشود که در کنار سیمپیچ (یا القاگر)، از یک قطعه الکترونیکی دیگر به نام خازن (Capacitor) نیز استفاده میگردد.
عملکرد این سیستم کمی پیچیده است، اما به صورت خلاصه به این ترتیب است:
- انرژی مغناطیسی تولید شده توسط میدان مغناطیسی اطراف سیمپیچ، ابتدا وارد خازن میشود و آن را با انرژی پر میکند.
- پس از پر شدن، ولتاژ ایجاد شده در خازن، شارژ را به سمت پایین هدایت میکند و جریان الکتریکی از آن عبور میکند.
- سپس، خازن مجددا از ولتاژ با قطبیت مخالف (پُلاریته معکوس) که توسط میدان مغناطیسی در حال نوسان ایجاد شده است، پُر میشود.
اگر این فرآیند برای شما نامفهوم است، میتوانید آن را به یک آونگ در حال نوسان تشبیه کنید. همانطور که در آونگ، نیروی گشتاور و لختی ایجاد شده توسط جرم و نیروی گرانش (جاذبه) باعث تاب خوردن آونگ به یک سمت و سپس برگشت آن به سمت دیگر میشود، در سیستم شارژ تشدیدی نیز، کشش/فشار میدان مغناطیسی که توسط انرژی الکتریکی به تحریک درآمده، باعث میشود سیمپیچ بهطور مداوم نوسان کند.
در واقع، این نیروهای ایجاد شده در میدان مغناطیسی، یک خازن را با انرژی الکتریکی شارژ میکنند و سپس خازن نیز با استفاده از همان میدان مغناطیسی، شارژ خود را به سیمپیچ تخلیه میکند. خازن با این کار، ولتاژ نوسانکننده در سیمپیچ را تقویت میکند. هنگامی که یک سیمپیچ دیگر در طرف مقابل قرار میگیرد، این دو سیمپیچ از طریق یک فرکانس طبیعی مشترک با یکدیگر هماهنگ میشوند و انرژی از طریق قوانین فیزیک به صورت بیسیم منتقل میگردد.
مزایا و معایب شارژ بیسیم
ممکن است این فناوری بسیار پیشرفته و گران به نظر برسد، و تا حدودی هم همینطور است و ارزانترین تکنولوژی موجود نیست. اما در نظر بگیرید که شارژ بیسیم مزایای بسیار مهمی نیز دارد:
راحتی مطلق: مهمترین مزیت این است که دیگر نیازی به درگیر شدن با کابل و وصل کردن آن به درگاه شارژ نیست. کافی است خودرو را در محل مشخص پارک کنید.
عمر طولانیتر تجهیزات: از پارگی و فرسودگی کابلها جلوگیری میشود.
ایمنی بیشتر: دیگر خبری از کابلهای دست و پاگیر یا خطرات ناشی از زمین خوردن بر اثر آنها نخواهد بود.
اما در کنار این مزایا، معایبی نیز وجود دارد که شرکتهایی مانند تسلا در پی رفع آنها هستند:
۱. مشکل فاصله و کارایی: همانطور که اشاره شد، فاصله بین سیمپیچها و لزوم قرارگیری دقیق آنها یک چالش مهم است. در همین راستا، تسلا اخیرا درخواست ثبت پتنتی (حق انحصاری اختراع) را منتشر کرده که به راهکاری برای غلبه بر این مشکل میپردازد. این راهکار شامل یک سیستم تعلیق پیشرفته است که میتواند هنگام تراز شدن خودرو بر روی پد شارژ، ارتفاع آن را کاهش دهد تا فاصله بین سیمپیچ فرستنده (روی زمین) و سیمپیچ گیرنده (زیر خودرو) به حداقل برسد و راندمان انتقال انرژی به حداکثر برسد. در این پتنت همچنین به قابلیت انتقال انرژی به صورت دوطرفه (Bi-directional) نیز اشاره شده است که امکان ارسال انرژی از باتری خودرو به شبکه برق را فراهم میکند.
۲. تداخل مغناطیسی و راندمان پایینتر: از آنجا که شارژ القایی متکی به یک میدان مغناطیسی است، هر شیء مغناطیسی دیگری میتواند با ظرفیت سیمپیچ برای انتقال انرژی تداخل ایجاد کند. برای مثال، یک شیء مغناطیسی کوچک مانند قلاده حیوانات خانگی میتواند انتقال برق را مختل سازد و در بدترین حالت، تنها سرعت شارژ را کمی کاهش دهد. البته جای نگرانی نیست؛ حیوانات خانگی در این فرآیند آسیب نمیبینند! نکته حائز اهمیت این است که در حال حاضر، به طور کلی، شارژ کابلی راندمان انرژی بسیار بالاتری نسبت به شارژ بیسیم دارد.
۳. نگرانیهای امنیتی: این سؤال مطرح میشود که با وجود این حجم از مس گرانقیمت که زیر خودروها نصب میشود، آیا این موضوع سارقان را وسوسه نمیکند؟ با توجه به اینکه سارقین به دنبال مبدلهای کاتالیزوری حاوی فلزات گرانبها هستند، منطقی است که فکر کنیم افراد سودجو ممکن است به دنبال این تجهیزات نیز باشند. با این حال، خودروسازان اکنون کاملا به فکر تعبیه فناوریهای ضد دستکاری و ضد سرقت در این سیستمها هستند.
سابقه و آینده شارژ بیسیم خودرو
شاید بد نباشد بدانید که قانون القای الکترومغناطیسی که مبنای این فناوری است، یک واقعیت علمی قدیمی است که تاریخ آن به سال ۱۸۳۱ میلادی (حدود سال ۱۲۱۰ شمسی) بازمیگردد.
کوالکام (Qualcomm) و هیلو (Halo): ناگفته پیداست که تسلا تنها خودروسازی نیست که به دنبال توسعه این فناوری است. در سال ۱۳۹۱ شمسی (۲۰۱۲ میلادی)، شرکت کوالکام یک کانسپت شارژ بیسیم با نام «هیلو» (Halo) را معرفی کرد. این سیستم میتوانست شاسیبلندها را در فاصله تقریبا ۳۰ سانتیمتری از زمین شارژ کند و توانی معادل ۳.۳ کیلووات را به باتری خودرو انتقال دهد؛ بدون اینکه نیاز به پارک کردن با دقت بسیار بالا باشد. هرچند این توان در مقایس با استانداردهای امروزی چندان زیاد نیست.
تغییر مالکیت و توسعه: با این حال، ایده پشت آن ارزشمند بود، زیرا شرکت ویتریسیتی (Witricity) در سال ۱۳۹۸ شمسی (۲۰۱۹ میلادی) این فناوری را خریداری کرد. در حال حاضر، این تکنولوژی از خودروهای شاخصی مانند بیامو ۵۳۰e هیبریدی و وانت کیجیام (KGM) تورِس EVX پشتیبانی میکند.
رقبای جدید: علاوه بر این، شرکت ولوو (Volvo) نیز در حال تلاش برای توسعه شارژ بیسیم است و برند جنسیس (Genesis) هم به تازگی یک پروژه آزمایشی (پایلوت) را در این زمینه آغاز کرده است.
در نهایت، محققان در سوئد و همچنین گروه کوالکام در یک پروژه مجزا با شرکت رنو، در حال بررسی ایده «شارژ جادهای الکتریکی» (Electric Road Charging) هستند که در آن، خودرو در حین حرکت و رانندگی شارژ میشود. این ایده جذاب، یادآور اتوبوسهای برقی قدیمی است، اما با فناوری کاملا نوین.
فناوری شارژ بیسیم، از کوپلینگ القایی ساده برای دستگاههای کوچک تا رزونانس تشدیدی پیشرفته برای خودروها، نشان میدهد که صنعت حملونقل با سرعتی باورنکردنی به سمت آیندهای بدون کابل حرکت میکند. با تلاش مستمر شرکتهایی مانند تسلا، کوالکام و بیامو برای غلبه بر چالشهایی چون فاصله و راندمان، این رویا که خودروها در زمان پارک یا حتی حین رانندگی شارژ شوند، به واقعیت نزدیکتر از همیشه شده است. این نوآوری نه تنها راحتی بیشتری را برای کاربران به ارمغان میآورد، بلکه گامی بلند در جهت هموارسازی مسیر برای توسعه کامل فناوریهای خودران محسوب میشود.
به نظر شما، مهمترین مزیت شارژ بیسیم برای خودروهای برقی چیست؟ آیا راندمان شارژ اهمیت بیشتری دارد یا راحتی استفاده؟ دیدگاهها و نظرات ارزشمند خود را درباره این تحول بزرگ در بخش نظرات با ما و دیگر خوانندگان چرخان به اشتراک بگذارید.
مطالب مرتبط:
