التكاثر الهجين في أجهزة التنقل الشخصي: E-bikes وما بعدها

The Urban Mobility Shift and Hybrid Propulsion

فالنقل الحضري يتعرض للضغط، إذ تواجه المدن تزايد الازدحام، وتشديداً في أهداف الانبعاثات، وتزايد عدد السكان الذين يطالبون بطرائق مرنة وميسورة التكلفة للتحرك، وقد قفزت أجهزة التنقل الشخصية إلى هذه الفجوة، حيث تؤدي التراكمات الإلكترونية إلى ارتفاع قيمة الشحنة، غير أن أهم تطور تقني في هذا المجال ليس كهربائياً فحسب، بل إن نظم الدفع الهجين التي تدمج القوى البشرية، والسيارات الكهربائية، وأحياناً ما تقوم به محركات التعبئة الداخلية.

ما هو "الإنتاج الهجين"؟

فالإرسال الهجين يعني أن المركبة تستخدم مصدرين أو أكثر من مصادر الطاقة المتميزة لتوليد الحركة، ففي أجهزة التنقل الشخصي، يكون أكثر الأزواج شيوعاً هو محرك كهربائي يعمل جنباً إلى جنب مع الدواسات البشرية، كما أن بعض التصميمات تدمج محركاً داخلياً صغيراً للحرق كموسّع للحارس، وإن كان هذا نادر في أجهزة توليد الطاقة الاستهلاكية، وليس الهدف هو مجرد إضافة الطاقة بل أيضاً تحديد المستوى الأمثل للطريقة التي تستخدم بها كل مصدر.

المفهوم يقترض مباشرة من تكنولوجيا الهجينات الآلية التي كانت تستخدم تجارياً منذ أواخر التسعينات، لكن القيود والفرص تختلف عن نطاق الدراجة أو الحاجز، والأمر المتعلق بالضعف والتكلفة والبساطة أكثر، وجهد الراكب الجسدي الخاص يمكن أن يكون مدخلاً ذا مغزى من الطاقة بدلاً من سمة ثانوية، وهذا يجعل من التنقل الشخصي تحدياً هندسياً متميزاً، وليس مجرد نظام.

Core Hybrid System Architectures in E-Bikes

ويمثل البيكسات الإلكترونية أكبر الأسواق وأكثرها نضجاً في مجال الدفع الهجين في التنقل الشخصي، ورغم أن العديد من المستهلكين يعتقدون أن البيكات الإلكترونية هي كهربائية صرفة، فإن معظمها في الواقع مهجّن بمعنى أنها تجمع بين طاقة الدواسات بمساعدة السيارات، فإن الفرق الرئيسي يكمن في كيفية تفاعل مصدري الطاقة.

النظم القائمة على أساس نوع الجنس

مُساعدة بدالة، يُدعى (بيديك) في أغلب الأحيان، هو المُنظمة المهيمنة، جهاز إستشعار يكتشف عندما يكون الراكب مُتبوّجاً، وكم من السخرية أو الكوادر التي يُطبقونها،

نظم ذات قاعدة ثروتل

فالكثير من الراكبين يتحكمون في المحركات دون أن يُقحموا، وهذا تشكيلة هجينة حقيقية لأن الراكب يمكنه الاختيار بين الطاقة البشرية أو الطاقة الكهربائية أو كليهما، بشكل مستقل، وفي الممارسة العملية، يستخدم الكثيرون الراكبين العجلات للبدء من قطع الدببة أو الثقوب، ويُفسدون بقية الوقت، وهذه المرونة مفيدة للراكبين الذين يحتاجون إلى تحطيم القوة من حين لآخر دون تغيير

التكامل الإبداعي

ويلتقط المكابح الإبداعية طاقة حركية أثناء التباطؤ ويحولها إلى طاقة كهربائية مخزنة في البطاريات، وفي البيكات الإلكترونية، يكون هذا أقل شيوعاً من السيارات الكهربائية، لأن قدرة استعادة الطاقة أصغر، ولكنها لا تزال قيمة في حالات استخدام محددة، ويمكن لمحركات محورية القيادة المباشرة أن تنفذ تجديداً دون تعقيدات ميكانيكية إضافية، وعندما يوقف المكابح أو السواحل في أسفل المهد، فإن حركة المركبات تعمل في المائة من المحركات المولدات في المولدات.

Dual-Motor Hybrid Configurations

ويستخدم هيكل جديد محركين، أحدهما في المركز الأمامي والآخر في المحور الخلفي أو في منتصف المحركات، ويسمح هذا الهيكل بفرز أجهزة العجلات وقطع كل العجلات، وتحسين الترسبات على السطحات المطلية، والثلج، أو التسلقات المتطايرة، ويمكن تشغيل المحركين بصورة مستقلة، بحيث يمكن للنظام أن يحقق الكفاءة القصوى عن طريق تشغيل نظام الشحنات المتحركة الذي يناسب الحمولة الحالية.

كيف تعمل نظم الإشهار الهجينة معاً

إن المعلومات الاستخباراتية في نظام هجينة هي ذات أهمية المعدات، إذ تقوم وحدة مراقبة برصد مدخلات الاستشعار - العراك الدوافع، والكادر، وسرعة العجلات، وفولط البطاريات، وأحيانا بيانات درجة النظام العالمي لتحديد المواقع - وتقرر كم ينبغي أن يوفر كل مصدر الطاقة، ويمكن أن تُراعى استراتيجية المراقبة في مختلف الأهداف:

• Efficiency mode:] The motor provides minimal assistance, relying primarily on pedaling. The system prioritizes bat conservation for later use.
• Max range mode:] Power from both sources is blended to maintain a steady speed with minimal bat draw, often by limiting motor output to a low continuous level.
• Boost mode:] The motor delivers full rated power whenever the rider pedals, maximizing acceleration and jumping speed at the cost of reduced range.
• الطريقة الأبوية: [FLT: 1] يتعلم المراقب ناتج الطاقة النموذجي للراكب وسير الطرق، ثم يعدل مستويات المساعدة على نحو استباقي على أساس التضاريس القادمة.

وفي نظم ذات نطاق احتراقي داخلي، يُفرض على المولدات الغازية الصغيرة البطارية عندما تقل عن عتبة، ولا يزال المحرك يقود العجلات، بحيث يعمل المحرك على أكثر أجهزة التحكم في الهواء كفاءة بدلا من أن يتفاوت مع سرعة الطرق، وهذا هو نفس الهيكل الهجين المستخدم في بعض المركبات والسفن التي تُستخدم في القاطرات، ويُرفع إلى الدراجات أو المركب.

استحقاقات الإجبار الهجين في التنقل الشخصي

وتتجاوز مزايا النظم الهجينة مجرد إضافة الطاقة، وعندما تكون مصممة بشكل جيد، فإنها تخلق تجربة متنامية تتكيف مع الراكب والبيئة.

ممتدة من الراهن العملي

ويمكن أن تغطي ضربة كهربائية نقية ببطارية 500 كيلو متر في شكل شحنة واحدة، حسب التضاريس ومستوى المساعدة، ويمكن لنظام هجين يسمح للراكب بالمساهمة بقدر كبير من الديدلالية أن يمدد هذا النطاق بنسبة 30 إلى 50 في المائة أخرى في ظل نفس الظروف، لأن المحرك لا يحتاج إلى تزويد كامل القوة الدافعة، وهذا يقلل من توافر الدراجة على نحو أساسي.

كفاءة الطاقة وتأثيرات المحاجر

ومن منظور النظام، تستخدم الأجهزة الهجينة كهرباء أقل من كيلوغرامات الكهرباء لأن الراكب يوفر جزءا من الطاقة، مما يقلل من الحمولة على الشبكة الكهربائية عندما تشحن أعداد كبيرة من الأجهزة في وقت واحد، وهو شاغل يزداد مع تسارع عملية التبني على الإنترنت، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تحميل النظم الهجينة من منافذ قياسية ولا تتطلب هياكل أساسية عامة متخصصة عالية السرعة، مما يجعلها أسهل الاندماج في المباني القائمة.

الصحة الجلدية والمشاركة

ومن الفوائد غير المتحققة من الدفع الهجين أنه يبقي الراكب منخرطاً، ويمكن أن يشعر المزلاج الإلكتروني المحض بالمرض، ويجد بعض الراكبين أنهما أقل إرضاء بمرور الوقت، والنظم الهجينة التي تتطلب الحفاظ على عنصر النشاط المادي في التدوير، مع جعله متاحاً لطائفة أوسع من مستويات اللياقة البدنية، وهذا أمر مهم جداً بالنسبة للراكبين المسنين الذين يتعافون من الإصابة.

التضاريس

فالنظم الهجينة تبرز في مناطق مختلفة، ويمكن للمركب أن يستخدم طاقة بدائية كاملة على أجزاء مسطحة لإنقاذ البطاريات، ثم يستدعي المحرك لتسلقات حادة أو ريح رأسية، وفي حركة المرور في المدن، يتسارع المحركات بينما يركز الراكب على التوازن والملاحة، وهذا المرونة يقلل من الحاجة إلى معدات نقل يدوية أو تعديل مستويات المساعدة باستمرار، مما يجعل ركوب السيارات أكثر سلاسة وأقل تماسكا.

انخفاض في عدد البطاريات

تتدهور البطاريات مع كل دورة شحن خاصة عندما تتعرض لتيارات التصريف العالي و تصريفات عميقة في نظام هجينة، يسحب المحرك أقل ذروة في الوقت الحالي لأن الراكب يتقاسم الحمولة، هذا الملف المستخدم من الكاتب يمتد من عمر البطارية المفيد، أحيانا بعد مئات من الدورات، وبالنسبة لمشغلي الأسطول الذين يديرون عشرات أو مئات الأجهزة، هذا يترجم مباشرة إلى انخفاض تكاليف الاستبدال وأقل من نفايات البطارية.

تطبيقات تتجاوز الإتجاهات الإلكترونية

وفي حين أن البيكات الإلكترونية هي جهاز التنقل الهجين الأعلى حجما، فإن نفس المبادئ تطبق على أشكال النقل الشخصي الأخرى.

الكشافة الهجينة

وتحظى أجهزة التجميل الكهربائية بشعبية كبيرة في الرحلات الحضرية القصيرة، ولكن نطاقها محدود ببطاريات صغيرة، ويضيف محركاً صغيراً للغاز أو آلية لسحب الدوافع كموسّع للسلاسل، وتستخدم بعض التصميمات نظاماً للبيع يتيح للراكب دفع الرافعة مثل جهاز إطلاق النار بينما تقدم المحركات المساعدة.

لوحات التزلج الهجينة واللوحات الطويلة

لوحات التزلج الكهربائية لديها مُلاحقة، لكنّها تعاني من تحدّيات محدودة في نطاق السيطرة على السطح المتفاوت، لوحات التزلج الهجينة تتضمن نظاماً يدوياً لضغط العجلات، و يُركّز اللوحة إلى سرعة معينة، ثمّ يُشغل المحرك للحفاظ على السرعة أو زيادة سرعة، وهذا يقلل من سرعة الإستنشاق بالبطارية ويتيح للراكب اختيار متى يستخدم الطاقة.

مركبات كهربائية خفيفة ومركبات نقل

وتتحمل الدراجات الشاحنية والمركبات الكهربائية الخفيفة حمولات ثقيلة، وبالتالي فإن زيادة الكفاءة تستهلك في كثير من الأحيان محركين من الدراجات الهجينة في هذه الأجهزة، كما ورد وصفه سابقا، إلى جانب مدخلات من المركب، كما أن مشغلا للشحنات يحمل 100 كيلوغرام من البقالة يستفيد من كهرباء العجلات الخلفية التي تحسن الاستقرار أثناء التناوب.

السيارات الصغيرة والدراجات الرباعية

وفي الطرف الأعلى للتنقل الشخصي، تعتمد أجهزة كهربائية صغيرة من أربعة عجلات (تصنف في كثير من الأحيان على أنها درّاجات رباعية أو مركبات كهربائية حيّة) نظماً هجينة، حيث تبلغ وزن هذه المركبات 300-500 كيلوغرام وتسافر بسرعة تصل إلى 4060 كيلومتراً/ساعة، ويمكن للتشكيل الهجين الذي يحتوي على مولد غازي صغير أن يضاعف من مسافة 100 كيلومتر إلى 200 كيلومتر دون زيادة حجم البطاريات، مما يجعلها قابلة للاستمرار في تركيب هياكل أساسية تحتية.

التحديات الهندسية والحلول العملية

إن بناء جهاز هجين للتنقل الشخصي ليس مجرد مسألة قذف محرك على إطار يعمل على الإنسان، بل إن التحديات الهندسية كبيرة، والحلول تحدد ما إذا كان المنتج ينجح في السوق.

الوزن والتعبئة

كل عنصر إضافي، هو المحرك، البطارية، الشاحن، الأسلاك، أجهزة الاستشعار، يضيف الوزن ويأخذ مساحة، نظام هجين مصمم جيداً يجب أن يكون متماسكاً بما يكفي ليتم تركيبه في إطار دراجة أو مركب دون أن يُحدث ذلك،

برامج إدارة ومراقبة الطاقة

الخوارزمية التي تقرر كيفية تزييف مصادر الطاقة هي الملكية الفكرية الأساسية في العديد من النظم الهجينة يجب أن تستجيب في الوقت الحقيقي للتغير السريع للمدخلات

عصيان الحرارة

فالأجهزة المتحكمة والمتحكمة تولد حرارة، خاصة تحت الحمولة المستمرة على التلال، وفي نظام كهربائي نقي، يمكن تصميم المحرك لمعالجة الحمولات القصوى مع فترات زمنية قصيرة من الحرارة العالية، وفي نظام الهجين، يمكن للمركب أن يقلل من الحمولة بواسطة الأنابيب الدراجية، مما يساعد على إبقاء درجات الحرارة في المحرك أقل، ولكن يجب أن يظل المتحكم محمية من التسخين.

الموثوقية والمعايرة

وتتوقف النظم الهجينة على أجهزة الاستشعار لقياس العسر الدوافع، والكادر، وسرعة العجلات، وحالة البطاريات، ويجب أن تكون هذه أجهزة الاستشعار دقيقة ودائمة ومقاومة للرطوبة والهتز، كما أن أجهزة الاستشعار الحرارية، على وجه الخصوص، نقطة فشل مشتركة لأنها يجب أن تقيس التشوهات الصغيرة في العمود الفقري السفلي بينما تتعرض الدراجة لصدمات وطقس.

إدارة البطاريات والسلامة

وتواجه البطاريات في نظام هجينة دورات أقل من دورة التصريف العميقة مما يحدث في جهاز كهربائي نقي، مما يحسن طولها، ولكن أيضاً يُحدث أيضاً أحداثاً أكثر تواتراً في مجال إزالة الرسوم، حيث يُعاد تشغيل الطاقة من خلال أجهزة التبريد المولدة والمحرك المُعادن، ويجب على نظام إدارة البطاريات أن يُعالج هذا النمط المختلط من الاستخدام دون الحد من حياة الخلايا الحرارية، ولا سيما بالنسبة للأجهزة المستخدمة في خلايا التي تعمل على أساس التخية.

الاتجاهات السوقية وتبني المستهلك

وتحصل أجهزة الدفع الهجينة على حصة في السوق، مدفوعة بعدد من الاتجاهات المتقاربة، ويريد البكالوريوس في المناطق الحضرية الكثيفة وسيلة نقل أسرع من المشي، وأرخص من ملكية السيارات، وأقل الطلب المادي على الدراجة التقليدية، ويلبي هذا الطلب بتقديم المساعدة عند الحاجة ويمارسون ذلك عند الرغب، وقد قدرت قيمة السوق العالمية للطرق الإلكترونية بنحو 30 بليون دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن تتجاوز هذه النظم 2030.

كما أن السياسات الحكومية تؤدي دوراً في هذا الصدد، إذ تقدم مدن كثيرة إعانات لشراء البيكات الإلكترونية، وبعضها يحفز على وجه التحديد نماذج المساعدة على خنق السيارات فقط لأنها تعتبر أكثر أماناً وأكثر احتمالاً لتحل محل رحلات السيارات، وفي أوروبا، ينظم معيار EN 15194 تصنيف البايك الإلكتروني ويعزز تصميم البيوت الوبائية الهجينة، ويضع نظاماً لتنظيم العجلات الثلاث (Clas 1,).

أما شركات توصيل الأسطول، وبرامج لتقاسم الدراجات، ومقدمو الخدمات اللوجستية في آخر ميل، فيحتاجون إلى أجهزة يمكن أن تُجري نوبات متعددة دون وقت للانتقال، وتمنحها النظم الهجينة النطاق والموثوقية للقيام بذلك، ويمكن لراكب التوصيل على دراجة شحن مزودة ببطارية تتراوح بين 60 و80 كيلومتراً لكل نوبة، مع توجيه شحنة واحدة فقط باستخدام طاقة المبيدات على الشقوط، وتقديم المساعدة على التلال.

"الطريق الأمامي"

وسيستمر تطور الدافع الهجين في أجهزة التنقل الشخصي مع أن المكونات تصبح أرخص وأخف وأكثر كفاءة، وهناك تطورات عديدة في الأفق.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وتعود البطاريات ذات الوضع الصلب إلى ارتفاع كثافة الطاقة، وارتفاع سرعة الشحن، وتحسين السلامة مقارنة بالخلايا الحالية لليثيوم - الأيون، وهذا يعني بالنسبة للنظم المختلطة أن البطارية يمكن أن تكون أصغر وأخف في الوقت الذي تخزن فيه نفس الطاقة، أو نفس الحجم الذي يتسع نطاقه، كما أن خلايا الدول الصلبة أقل عرضة للطرق الحرارية، التي هي حرجة بالنسبة للأجهزة التي يُحتمل أن تكون متوقفة في الداخل أو تنقل في وقت متأخر من عام 2020.

نقل الطاقة اللاسلكية

ولا يزال شحن جهاز هجين يتطلب التصفيق في كابل، وهو غير ملائم لمشغلي الأسطول الذين يديرون مئات الوحدات، ويمكن أن يحل هذا الجهاز دون قيد أو أي رسوم محملة على مراكب السيارات، كما أن جهازاً هجيناً متوقفاً على لوحة سيكلف بطارية لا يدبرها ولا توجد به كابلات أو أجهزة اتصال لترتديها، مما سيسمح أيضاً بالاحتفاظ بالبطارات الآلية كلما تم تكييفها.

أوجه التقدم البشرية - الملاحية

إن واجهة التحكم في النظم الهجينة تتطور من أزرار بسيطة وشاشات إل سي إل تي إلى عرض أكثر تطوراً ودمج الهواتف الذكية، ويمكن أن تستخدم الأجهزة المستقبلية عروضاً معززة لرؤوس الواقع مسقطة على واجهة الراكب أو النظارات الذكية، مع إظهار مستوى البطارية وطريقة المساعدة وتوجهات الملاحة دون أن تطلب من الراكب أن ينظر إليها، كما يجري استكشاف مراقبة الصوت والاعتراف به كطرق لتعديل مستويات المساعدة مع الحفاظ على المقبض.

التكامل مع الهياكل الأساسية لمدينة سمارت

ويمكن أن تؤدي الأجهزة الهجينة التي تتصل بإشارة المرور ونظم وقوف السيارات وشبكات العبور إلى استخدام المسارات والطاقة في الوقت الحقيقي، مثلا، يمكن أن تتلقى إشارة من متحكم حركة المرور، وأن تلجأ تلقائيا إلى المكابح التجدد لاستقبال الطاقة مع التباطؤ، ويمكن أن تحتفظ نفس الجهاز بنقطة وقوف السيارات وأن تبدأ في توجيه الاتهامات إلى لحظة وصوله إلى محطة للسخرة العامة، وتحتاج هذه القدرات الموحدة إلى خدمات الاتصالات.

خاتمة

إن الدفع الهجين ليس حجراً مؤقتاً في طريق التنقل الكهربائي الكامل، بل هو نهج تقني دائم يحقق فوائد ملموسة في النطاق والكفاءة وتجربة الراكبين وطول البطاريات، كما أن العجلات الإلكترونية هي التطبيق الرئيسي اليوم، ولكن نفس المبادئ تطبق على المحاورين، ولوحات التزلج، ودراجات الشحن، والسيارات الصغرى، مع أن موازين تكنولوجيا البطاريات يمكن أن تصبح أكثر ذكاء، ونظم التحكم في الحضر.

لمزيد من القراءة عن تكنولوجيا الدفع الهجينة واتجاهات التنقل الحضري، استشارة U.S. Department of Energy hybrid vehicle resources ، المنتدى الاقتصادي العالمي تحليل اعتماد e-bike ، و