كم من القدرة تحتاج محطة شحن الشاحنات الكهربائية؟ التحجيم من kWh يوميًا ومدة التوقف

كثيرًا ما تُحجَّم محطات الأساطيل بالطريقة المعكوسة. يعدّ أحدهم المقصورات، ويضربها بتصنيف الموزّع، فيصل إلى خدمة إما غير قابلة للتنفيذ أو أكبر بثلاثة أضعاف مما ستسحبه الشاحنات فعلًا. المحطة مسألة طاقة أولًا: تحتاج الشاحنات إلى عدد ثابت من kWh قبل الانطلاق، والسؤال هو أي قدرة تنقل هذه الطاقة داخل النافذة التي يسمح بها الجدول. فثلاثون جرّارًا من الفئة 8 تقطع 180 mi يوميًا باستهلاك 2.0 kWh/mi تحتاج إلى 10,800 kWh عند البطاريات، و11,612.9 kWh عند العداد، و1,451.6 kW بمتوسط نافذة من 8 ساعات، أي محوّل 2,000 kVA. أما مجموع لوحات اسم الموزّعات فيشير إلى 2,500 kVA، ويجعل NEC 625.42 هذا الرقم الأكبر هو حمل الكود ما لم يحدّه متحكم. هذه هي القواعد التي تقوم عليها حاسبة سعة التغذية لشحن المركبات الكهربائية.

لماذا تُحجَّم المحطة من الطاقة لا من لوحات اسم الشواحن؟

محطة الشحن العامة مسألة قدرة: الوصول عشوائي، فيجب أن يبلغ كل موزّع تصنيفه عند الطلب. أما في المستودع فالمركبات والمسافات وساعات التوقف معلومة. الطاقة هي القيد، والقدرة تتبعها.

تأتي الطاقة اليومية من دورة التشغيل. فمراجعة المركز الوطني للنقل المستدام (National Center for Sustainable Transportation) لدراسات الشاحنات الكهربائية بالبطاريات تضع الاستهلاك القريب المدى للنقل لمسافات طويلة بين 1.3 و3.8 kWh/mi، ويضيق إلى 1.3–2.5 على المدى البعيد، بينما تبلغ سيناريوهات NREL نحو 2.46 و2.51 kWh/mi لجرّارات 2018. وتقع قيمة التصميم 2.0 kWh/mi داخل هذا النطاق.

يشترك مقالان مرافقان في العلاقة P = N × E ÷ (η × t). يأخذ تحجيم موقع دون ترقية الخدمة قيمة E معطاة (18 kWh في مرآب بـ200 مقصورة من المستوى 2)، أما هنا فتُشتق E من الأميال وkWh/mi، وهو ما يتغير عندما تكون المركبات جرّارات. ويحوّل ما يحتاجه موقع الشحن السريع بالتيار المستمر قدرة خرج الشحن السريع بالتيار المستمر بالـkW إلى دخل التيار المتردد بالـkVA لمحطة عامة لا تنطبق عليها حجة مدة التوقف.

ماذا يشترط NEC 625 والقسم 86 من CEC؟

يجعل NEC 625.42 كل موزّع حملًا مستمرًا، فالحمل غير المُدار هو مجموع لوحات الاسم دون أي تنوّع. و625.42(A) هو المخرج الوحيد.

مثال محلول — 30 جرّارًا من الفئة 8 على نافذة ليلية من 8 ساعات

محطة نقل إقليمي خارج تورنتو. ثلاثون جرّارًا، 180 mi/يوم، 2.0 kWh/mi، تدخل الساحة عند 20:00 وتنطلق عند 04:00. الجهد الابتدائي للمرفق 13.8 kV، والثانوي 480Y/277 V، وموزّعات التيار المستمر بقدرة 160 kW مقنّنة عند خرج التيار المستمر. نفترض كفاءة من دخل التيار المتردد إلى خرج التيار المستمر قدرها 0.93 كمتوسط للجلسة (يبلغ تصنيف الشاحن فائق السرعة Rocket DC حتى 95.5 % عند الذروة، فالرقم 0.93 خفض مقصود) ومعامل قدرة 0.99، على أن يُؤكَّد كلاهما من ورقة البيانات مع جهد دخل التيار المتردد للموزّع. ويستخدم مقال شحن التيار المستمر العام η = 0.95، فيعطي حدًا أدنى قدره 1,421.1 kW و1,701.2 kVA لعشرة موزّعات، أي فارقًا قدره 2.1 % يقع على التصنيفات نفسها.

1. الطاقة المسلّمة إلى الشاحنات. 30 × 180 × 2.0 = 10,800 kWh من طاقة التيار المستمر في الليلة.
2. الطاقة عند العداد. 10,800 ÷ 0.93 = 11,612.9 kWh. والفواقد البالغة 812.9 kWh ليست اختيارية.
3. متوسط قدرة التيار المتردد عبر النافذة. 11,612.9 ÷ 8 h = 1,451.6 kW — حد الطاقة الأدنى؛ لا يهبط دونه متحكم ولا تعرفة ما دامت الشاحنات تقطع 180 mi.
4. القدرة الظاهرية عند تحميل 80 %. 1,451.6 ÷ (0.99 × 0.80) = 1,832.8 kVA.
5. التقريب إلى أعلى على سلّم ANSI/IEEE. التصنيف القياسي التالي ثلاثي الطور هو 2,000 kVA.
6. عدد الموزّعات. يحتاج كل جرّار إلى 360 kWh، أي 360 ÷ 160 = 2.25 h. وتتسع 8 ساعات لعدد floor(8 ÷ 2.25) = 3 جلسات كاملة لكل موزّع، فيكون 30 ÷ 3 = 10 موزّعات.
7. حمل الكود غير المُدار. عشرة موزّعات بقدرة 160 kW تعادل 1,600 kW تيارًا مستمرًا، أي 1,600 ÷ 0.93 ÷ 0.99 = 1,737.8 kVA عند دخل التيار المتردد. وبموجب 625.42 يكون هذا الرقم كله مستمرًا: 1,737.8 ÷ 0.80 = 2,172.3 kVA ← محوّل 2,500 kVA، أي درجة واحدة فوق حد الطاقة الأدنى.

P = N × d × c ÷ (η × t)

S = P ÷ (PF × L)

h = d × c ÷ Pc

I = S × 1000 ÷ (√3 × V)

عند 480 V يكون التيار 1,737,800 ÷ (√3 × 480) = 2,090.2 A. ويضع NEC 625.41 و210.20(A) القاطع الرئيسي عند 1.25 × 2,090.2 = 2,612.8 A، ما يفرض تصنيف 3,000 A من سلّم NEC 240.6(A). وإذا أضفنا مقصورتين احتياطيتين يصبح الحمل غير المُدار 2,085.4 kVA، و2,606.7 kVA بعد الخفض، أي محوّل 3,000 kVA — و2,508.3 A، وهو بعد معامل 125 % يصبح 3,135.4 A وقاطعًا رئيسيًا 4,000 A. المقصورات الاحتياطية رخيصة، أما القاعدة والقاطع الرئيسي والمغذّي التي تجرّها معها فليست كذلك.

محوّل 2,000 kVA بتحميل 80 % ومعامل قدرة 0.99 يعطي 2,000 × 0.80 × 0.99 = 1,584 kW. وبمقارنته بحد الأدنى البالغ 1,451.6 kW تكون النسبة 1.091، أي هامش نحو 9 % — ليلة باردة أو شاحنة متأخرة واحدة، لا تمديد مسار. وضبط سقف EVEMS عند 1,584 kW هو ما يجعل اختيار 2,000 kVA قانونيًا بموجب 625.42(A)، وهو ما يجعله ضيقًا.

ماذا تفعل نافذة التوقف بالمحوّل؟

النافذة أكثر المتغيرات تأثيرًا هنا: الطاقة ثابتة، فتتناسب القدرة عكسيًا مع عدد الساعات.

يؤدي نقل الانطلاق من 04:00 إلى 06:00 إلى خفض هذه المحطة من 2,000 kVA إلى 1,500 kVA. ويشير تقرير ورشة NREL إلى أن المرافق تضع عادة — وإن لم يكن ذلك في جميع مناطق الخدمة — حدًا أقصى قدره 2.5 MW عند نقطة الربط، بسبب الحجم الأقصى الشائع للمحوّلات المثبّتة على قاعدة (pad-mounted) للخدمة الثانوية. فالنافذة هي غالبًا الفارق بين خدمة قياسية ودراسة من المرفق؛ ويقترح التقرير نفسه 50–500 kW نطاقًا يمكن أن يغطيه شحن المستودعات.

جدول مرجعي للمحطات

عند 2.0 kWh/mi وη = 0.93 ومعامل قدرة 0.99 ونافذة 8 ساعات وتحميل 80 % يكون المقسوم عليه 0.93 × 8 × 0.99 × 0.80 = 5.89248، وبذلك تكون kVA = الشاحنات × الأميال × 2.0 ÷ 5.89248.

كل صف حتى 3,000 kVA هو وحدة واحدة مثبّتة على قاعدة؛ والأخير تشكيلة من محوّلين. ولاحظ أن 3,000 kVA تصنيف شائع لدى المصنّعين وليس درجة في السلسلة المفضّلة، حيث يُقرَّب 2,545.6 kVA إلى 3,750 kVA — راجع كيفية تحجيم محوّل.

كيف تبدو المحطة نفسها في كندا عند 600 V؟

الجهد والحمل المستمر. عند 600 V يكون التيار 1,737,800 ÷ (√3 × 600) = 1,672.2 A بدلًا من 2,090.2 A، وتعطي القسمة على 0.80 في CEC 8-104(6) قيمة 2,090.2 A وقاطعًا رئيسيًا 2,500 A مقابل 3,000 A عند 480 V — راجع اختيار جهد توزيع المنشأة. وتتيح 8-104(5) نسبة 100 % حيث يكون الجهاز موسومًا؛ ويصل NEC إلى ذلك عبر استثناءات التجميعات المقنّنة 100 % في 210.20(A) و215.3.

إدارة الحمل هي الفارق الحقيقي. يزيل NEC 625.42(A) الحمل المتحكَّم به من تحجيم المغذّي والخدمة. أما CEC 8-106(10) فتجعل حمل الطلب مساويًا للحد الأقصى لـEVEMS، وتزيله 8-106(11) من الحمل المحسوب كليًا حين يراقب EVEMS الخدمة والمغذّيات والدارات الفرعية ويتحكم بأحمال EVSE وفق القاعدة 8-500 — لكن للحسابات المذكورة في القواعد 8-200 إلى 8-210 فقط، وينصح IAEI بالاعتماد عليه فقط بموافقة الجهة المحلية إلى حين صدور معيار لـEVEMS. أعلن السقف كدخل تيار متردد: 1,584 ÷ 0.99 = 1,600.0 kVA، أو 1,600,000 ÷ (√3 × 600) = 1,539.6 A، و1,924.5 A بعد قاعدة 80 % — أي قاطعًا رئيسيًا 2,000 A. ولو أُعلن كخرج تيار مستمر لوجب قسمته أيضًا على η. وليس لحد NEC 220.57 البالغ 7,200 VA نظير في CEC، لذا تُحسب مقصورات المستوى 2 في كندا عند لوحة الاسم.

هل يستطيع مخزن بطاريات إبقاء الخدمة منخفضة؟

حين يعرض المرفق 1,000 kW وتحتاج المحطة إلى 1,451.6 kW، يسد التخزين الفجوة، وهي مهمة تقليم الذروة المشروحة في خفض رسوم الطلب بتخزين البطاريات، وتُحجَّم بطريقة kW مقابل kWh الواردة في كيفية تحجيم نظام تخزين الطاقة بالبطاريات. نثبّت الموقع عند 1,451.6 kW ونأخذ 1,000 kW من المرفق، فيمد المخزن القضبان بـ451.6 kW لمدة 8 ساعات.

E = (P − Pu) × t ÷ (DoD × eff)

tr = E × DoD ÷ (eff × Pb)

العجز هو 451.6 × 8 = 3,612.8 kWh عند القضبان. وبكفاءة تحويل باتجاه واحد قدرها 0.95 تعطي الخلايا 3,612.8 ÷ 0.95 = 3,803.0 kWh، وعند عمق تفريغ 0.90 يكون ذلك 4,225.5 kWh مركّبة مع نحو 500 kW من التحويل. وتعويض هذه الـ3,803.0 kWh يكلف 3,803.0 ÷ 0.95 = 4,003.1 kWh عند العداد — أي 5.00 ساعات عند 800 kW متاحة، وهو داخل فترة الخمول البالغة 16 ساعة. وتُدفع الـ0.95 في الاتجاهين، فتكون كفاءة الدورة الكاملة نحو 0.90، وتُقاس ولا تُفترض.

لذلك فإن مخزنًا يؤجل ترقية الخدمة في محطة من 30 شاحنة هو أصل بسعة عدة MWh، لا خزانة بسعة 500 kWh. ويُحدَّد التخزين وفق UL 9540 ويُموضع وفق NFPA 855 — راجع سلامة الحريق في تخزين البطاريات — ويتبع محوّل الرفع فيه تحجيم ربط تخزين البطاريات. ويُبقي نظام التخزين والشحن المقترن بالتيار المستمر المخزن والموزّعات على قضيب تيار مستمر واحد.

ما الذي يجب تحديده

• الطاقة اليومية لكل مركبة بالـkWh ونافذة الشحن بالساعات. الطاقة من تصدير القياس عن بُعد أو دراسة المسار، لا من مدى منشور في كتيّب؛ والنافذة من جدول الانطلاق كحالة أسوأ مضمونة. ثماني ساعات مقابل عشر تعني 500 kVA هنا.
• كفاءة الشاحن ومعامل القدرة وجهد دخل التيار المتردد. من ورقة البيانات عند ظروف متوسط الجلسة، لا عند ذروة الكفاءة. افتراض 0.95 بدلًا من 0.93 يزيح هذا المثال بنحو 31 kW.
• سقف EVEMS بالـkW، كدخل تيار متردد، وحالته الآمنة عند الفشل. يمنع NEC 750.30 المتحكم من تحميل أي دارة فرعية أو مغذٍّ أو خدمة فوق طاقتها، وتمنعه CEC 8-500(2) من تجاوز القاعدة 8-104(5) أو (6)؛ ويصبح هذا السقف حمل الكود بموجب 625.42(A) أو 8-106(10).
• قدرة المحوّل (kVA) وجهده الثانوي والمعاوقة المئوية (%Z). من حاسبة اختيار المحوّلات ولوحة الاسم — إذ تحدد %Z تيار العطل الذي تقطعه خلايا التوزيع.
• تصنيفات القاطع الرئيسي والمغذّي وسعة القطع (AIC). وفق NEC 240.6(A) بعد نسبة 125 % من 625.41، أو CEC 8-104(6)، مع جانب المحوّل وفق 450.3(B) أو 26-254 (الحماية من التيار الزائد) وتصنيف تيار القصر (SCCR) وفق 110.9 من خطاب تيار العطل المتاح الصادر عن المرفق.
• قدرة المخزن بالـkW وسعته بالـkWh وعمق التفريغ. تُذكر الطاقة المركّبة والقابلة للاستخدام منفصلتين، وفق NEC المادة 706.

أخطاء شائعة

• التحجيم من مجموع لوحات الاسم والتوقف عنده. عشرة موزّعات بقدرة 160 kW تُقرأ كـ1,737.8 kVA ومحوّل 2,500 kVA، لكن الأسطول ينقل 11,612.9 kWh فقط في 8 ساعات — بمتوسط 1,451.6 kW، أي وحدة 2,000 kVA. وهذا المجموع هو حمل الكود الصحيح بموجب NEC 625.42، فالحل متحكم لا قاعدة أكبر.
• قسمة الطاقة اليومية على 24 ساعة. 11,612.9 ÷ 24 = 483.9 kW تقلل التحجيم بعامل 3.0 مقابل 1,451.6 kW التي تتطلبها نافذة الثماني ساعات. ويسمح NEC 220.87 بالطلب الأقصى المقيس على خدمة قائمة، لا بحمل مستقبلي موزّع على يوم كامل.
• شراء مخزن بسعة 500 kWh لمشكلة بحجم MWh. إبقاء محطة بسحب 1,451.6 kW عند خدمة 1,000 kW يتطلب 4,225.5 kWh عند عمق تفريغ 0.90 — أي 8.5 ضعف خزانة 500 kWh.
• افتراض تنوّع في حمل الشواحن. يثبّت NEC 220.57 حمل EVSE عند الأكبر بين 7,200 VA ولوحة الاسم، فالمخرج متحكم وفق 625.42(A) لا معامل 0.80 في جدول بيانات. وكندا ليست مماثلة: يتيح الجدول 38 في CE Code معاملات طلب فوق أربعة أحمال EVSE، مع أن لجنة ESA الفرعية أوصت بحذفه — تأكد من الجهة المختصة (AHJ) أولًا.

أين تتدخل Entogo

تصنّع Entogo منظومة القدرة للمحطة في مصنعها المتكامل رأسيًا بمساحة نحو 20,000 m² — محوّلات ثلاثية الطور مثبّتة على قاعدة من 75 إلى 2500 kVA وحتى 3000 kVA عند فئة الجهد 15/25/35 kV، ولوحات توزيع الجهد المنخفض للقواطع الرئيسية 1,600–4,000 A التي تنتهي إليها هذه الحسابات، وشواحن التيار المستمر فائقة السرعة بقدرات 160/240/300 kW. والمعدات مصمَّمة ومصنَّعة وفق ANSI/IEEE C57 وC37 وNEC المادة 625 وCEC القسم 86 بحسب متطلبات التركيب؛ وهي قابلة للاعتماد وفق UL (cULus)/CSA عند الطلب. والضمان 36 شهرًا على الأقل، وتُحدَّد مدته الدقيقة لكل منتج وتُؤكَّد في العقد.

ولأن المحوّلات وخلايا التوزيع والشواحن تُصنع في المصنع المتكامل رأسيًا نفسه، يمكن إصدار حزمة المحطة بملف تقديم فني منسّق واحد بدلًا من ملاحقتها عبر ثلاثة موردين — وهذا مهم حين ينبغي أن يكون ربط المرفق، لا المعدات، هو المسار الحرج. ابدأ من حاسبة سعة التغذية لشحن المركبات الكهربائية أو أداة تهيئة المحوّل؛ وراجع أيضًا البنية التحتية لشحن المركبات الكهربائية.

يتلخص تحجيم المحطة في أربعة أرقام بالترتيب: الطاقة المسلّمة إلى الشاحنات، والطاقة عند العداد، والنافذة التي يجب أن تمر خلالها، والسقف الذي سيفرضه المتحكم. ثم تتبعها حسابيًا المحوّل والقاطع الرئيسي والمخزن — 10,800 kWh و11,612.9 kWh و8 ساعات و1,584 kW، وقاعدة 2,000 kVA بدلًا من 3,000 kVA. وإن أخذت الرقم الأول من كتيّب بدل الشاحنات، فكل ما بعده خاطئ بالطريقة نفسها.