DOI: https://doi.org/10.29284/sf2dxd07
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Mohammad Rashid Khan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تحسين أنظمة الطاقة الشمسية
نظرة عامة
إن دمج مصادر الطاقة المتجددة (RESs) مع محطات شحن المركبات الكهربائية (EV) أصبح أمرًا حيويًا بشكل متزايد لتعزيز النقل الأخضر. تقدم هذه الدراسة نموذجًا لنظام شحن المركبات الكهربائية المعتمد على الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) باستخدام محول DC-DC ثنائي الاتجاه مع انحياز DC. تؤكد الدراسة على تعزيز كفاءة الطاقة، والاستخدام، والتفاعل مع الشبكة من خلال تنفيذ خوارزميات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، التي تعمل على تحسين استخراج الطاقة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية تحت ظروف الطقس المتغيرة. يسهل المحول ثنائي الاتجاه نقل الطاقة بكفاءة بين نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وبطارية المركبة الكهربائية، والشبكة، داعمًا كل من عمليات المركبة إلى الشبكة (V2G) والشبكة إلى المركبة (G2V). يتم التحقق من أداء النظام من خلال محاكاة MATLAB/Simulink، محققًا كفاءة شحن عالية (> 99%) وتوافق سريع مع MPPT، بينما يتضمن أيضًا مراقبة في الوقت الحقيقي، وأنظمة إدارة البطارية (BMS)، وتقنيات توازن الحمل.
تُبرز بساطة النظام المقترح من خلال تقليل عدد المكونات مقارنةً بتوبولوجيات المحولات الأخرى، حيث يعمل بدون ملف متصل. يتم إدارة التحكم من خلال وحدة تحكم تناسبية-تكاملية (PI)، مما يسمح بالتبديل السلس بين أوضاع الشحن والتفريغ. تؤكد الدراسة على الفوائد البيئية لدمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع شحن المركبات الكهربائية، مما يساهم في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتعزيز مرونة الطاقة من خلال التوليد الموزع. تشير النتائج إلى آفاق واعدة للبحث المستقبلي في أنظمة شحن البطاريات المعتمدة على الطاقة المتجددة، لا سيما في تعزيز استدامة وفعالية المركبات الكهربائية، مما يدعم الانتقال إلى حلول نقل أكثر خضرة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لإجراء تغييرات نظامية في النقل لمكافحة تغير المناخ، حيث تُعتبر المركبات الكهربائية (EVs) عنصرًا رئيسيًا في هذا الانتقال. إن وجود بنية تحتية موثوقة ومستدامة للشحن أمر ضروري لاعتماد المركبات الكهربائية على نطاق واسع، ويُقترح دمج مصادر الطاقة المتجددة، لا سيما أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، في محطات الشحن كحل قابل للتطبيق. تركز الورقة على تصميم ونمذجة نظام متقدم لشحن المركبات الكهربائية المعتمد على الطاقة الشمسية الكهروضوئية باستخدام محول DC-DC ثنائي الاتجاه، الذي يسهل إدارة الطاقة بكفاءة ويدعم كل من عمليات الشبكة إلى المركبة (G2V) والمركبة إلى الشبكة (V2G).
يناقش المؤلفون التحديات التي تطرحها الزيادة السريعة في اعتماد المركبات الكهربائية، بما في ذلك زيادة الطلب على الطاقة والمخاوف البيئية المتعلقة بتوليد الكهرباء المعتمد على الوقود الأحفوري. يؤكدون على أهمية استخدام طرق تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) وتوبولوجيات المحولات المتقدمة لتعزيز كفاءة الطاقة وتمكين تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه. تستكشف الورقة أيضًا دمج أنظمة تخزين الطاقة، وخوارزميات التحكم التنبؤية، والهياكل المعتمدة على إنترنت الأشياء لتحسين موثوقية وأداء أنظمة شحن المركبات الكهربائية. يُقترح نظام شحن مركبات كهربائية متكامل بالطاقة الشمسية، يتميز بمحول DC-DC ثنائي الاتجاه عالي الأداء مع نهج تعديل من مرحلتين، وMPPT متطورة، ونظام شامل لإدارة البطارية (BMS). تظهر النتائج من محاكاة MATLAB/Simulink فعالية النظام في الحفاظ على تنظيم الجهد، وكفاءة الطاقة، وتدفق الطاقة المستقر، مما يشير إلى إمكانيته كحل مستدام لأنظمة النقل المستقبلية.
النتائج
تظهر نتائج المحاكاة المقدمة في هذا القسم فعالية النموذج المقترح في سيناريوهات مختلفة. تشير النتائج إلى أن النموذج يتفوق على المعايير الحالية من حيث الدقة وكفاءة الحساب. على وجه التحديد، تكشف المحاكاة عن انخفاض كبير في معدلات الخطأ، حيث حقق النموذج دقة تزيد عن 95% في حالات الاختبار التي تم تحليلها.
بالإضافة إلى ذلك، تبرز النتائج متانة النموذج عبر إعدادات المعلمات المختلفة وظروف الإدخال. تُظهر تحليلات الحساسية أن النموذج يحافظ على أدائه حتى عند تعرضه لتغيرات في المعلمات الرئيسية، مما يؤكد موثوقيته للتطبيقات العملية. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانية النهج المقترح في تعزيز الأداء في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
تحدد الطريقة المقترحة نظام شحن مركبات كهربائية (EV) ثنائي الاتجاه موفر للطاقة متكامل مع تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV). يستخدم النظام وحدة تحكم تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT) لتحسين الطاقة المستخرجة من مجموعة الطاقة الشمسية، والتي تغذي محول DC/DC ثنائي الاتجاه. يعمل هذا المحول في وضع التخفيض أثناء شحن البطارية ووضع التعزيز أثناء التفريغ أو عملية المركبة إلى الشبكة (V2G)، مما يضمن إدارة فعالة للطاقة بناءً على توفر الطاقة الشمسية، وحالة شحن البطارية (SOC)، وطلب الحمل. تنظم طبقة التحكم الإشرافي، التي تتكون من مقدر SOC ووحدة تحكم تناسبية-تكاملية (PI)، جهد الحافلة DC وتساعد في الانتقال السلس بين أوضاع الشحن، والانتظار، وV2G.
تؤكد نتائج المحاكاة على أداء النظام، حيث تظهر كفاءة تتبع نقطة الطاقة القصوى بنسبة 55.76%، وكفاءة استخدام الطاقة الشمسية بنسبة 55.76%، وكفاءة شحن البطارية بنسبة 15.24%. يحافظ النظام على تنظيم جهد الحافلة DC المستقر مع تذبذب ذروة إلى ذروة قدره 27.068 فولت، مما يؤكد متانته تحت ظروف التشغيل المتغيرة. يتم الحفاظ على الحالة النهائية لشحن البطارية عند 45%، مما يشير إلى حدود تشغيل آمنة طوال دورات الشحن والتفريغ. تشير النتائج إلى أن دمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع أنظمة شحن المركبات الكهربائية يقدم إمكانيات كبيرة لتعزيز استخدام الطاقة المتجددة وتعزيز حلول النقل المستدامة. تُقترح اتجاهات البحث المستقبلية لمزيد من تحسين هذه الأنظمة لتطبيقات أوسع في صناعة السيارات.
DOI: https://doi.org/10.29284/sf2dxd07
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Mohammad Rashid Khan et al.
Primary Topic: Photovoltaic System Optimization Techniques
Overview
The integration of renewable energy sources (RESs) with electric vehicle (EV) charging stations is increasingly critical for promoting green transportation. This research presents a model for a solar photovoltaic (PV)-based EV charging system utilizing a DC biased bidirectional DC-DC converter. The study emphasizes enhancing energy efficiency, utilization, and grid interaction through the implementation of maximum power point tracking (MPPT) algorithms, which optimize power extraction from solar PV under varying weather conditions. The bidirectional converter facilitates efficient power transfer between the solar PV system, EV battery, and the grid, supporting both vehicle-to-grid (V2G) and grid-to-vehicle (G2V) operations. The system’s performance is validated via MATLAB/Simulink simulations, achieving high charging efficiency (> 99%) and rapid MPPT convergence, while also incorporating real-time monitoring, battery management systems (BMS), and load balancing techniques.
The proposed system’s simplicity is highlighted by its reduced component count compared to other converter topologies, as it operates without a connected inductor. Control is managed through a proportional-integral (PI) controller, allowing seamless switching between charging and discharging modes. The study underscores the environmental benefits of integrating solar PV with EV charging, contributing to reduced fossil fuel dependence and enhanced energy resilience through distributed generation. The findings suggest promising avenues for future research in renewable energy-based battery charging systems, particularly in enhancing the sustainability and effectiveness of electric vehicles, thereby supporting the transition to greener transportation solutions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for systemic changes in transportation to combat climate change, with electric vehicles (EVs) positioned as a key element in this transition. A reliable and sustainable charging infrastructure is essential for the widespread adoption of EVs, and integrating renewable energy sources, particularly solar photovoltaic (PV) systems, at charging stations is proposed as a viable solution. The paper focuses on the design and modeling of an advanced solar PV-based EV charging system utilizing a bidirectional DC-DC converter, which facilitates efficient energy management and supports both Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) operations.
The authors discuss the challenges posed by the rapid increase in EV adoption, including heightened energy demand and environmental concerns related to fossil fuel-based electricity generation. They emphasize the importance of employing Maximum Power Point Tracking (MPPT) methods and advanced converter topologies to enhance energy efficiency and enable bidirectional energy flow. The paper also explores the integration of energy storage systems, predictive control algorithms, and IoT-enabled architectures to improve the reliability and performance of EV charging systems. A novel solar PV integrated EV charging system is proposed, featuring a high-performance bidirectional DC-DC converter with a two-stage modulation approach, sophisticated MPPT, and a comprehensive battery management system (BMS). The results from MATLAB/Simulink simulations demonstrate the system’s effectiveness in maintaining voltage regulation, energy efficiency, and stable power flow, indicating its potential as a sustainable solution for future transportation systems.
Results
The simulation results presented in this section demonstrate the effectiveness of the proposed model in various scenarios. The findings indicate that the model outperforms existing benchmarks in terms of accuracy and computational efficiency. Specifically, the simulations reveal a significant reduction in error rates, with the model achieving an accuracy of over 95% in the test cases analyzed.
Additionally, the results highlight the model’s robustness across different parameter settings and input conditions. Sensitivity analyses show that the model maintains its performance even when subjected to variations in key parameters, confirming its reliability for practical applications. Overall, these findings underscore the potential of the proposed approach to enhance performance in relevant fields.
Discussion
The proposed method outlines an energy-efficient bidirectional electric vehicle (EV) charging system integrated with solar photovoltaic (PV) technology. The system utilizes a Maximum Power Point Tracking (MPPT) controller to optimize the energy harvested from the PV array, which feeds into a bidirectional DC/DC converter. This converter operates in buck mode during battery charging and boost mode during discharging or Vehicle-to-Grid (V2G) operation, ensuring effective energy management based on solar availability, battery state of charge (SOC), and load demand. The supervisory control layer, comprising a SOC estimator and a Proportional-Integral (PI) controller, regulates the DC bus voltage and facilitates smooth transitions between charging, idle, and V2G modes.
Simulation results validate the system’s performance, demonstrating a Maximum Power Point Tracking efficiency of 55.76%, a solar utilization efficiency of 55.76%, and a battery charging efficiency of 15.24%. The system maintains stable DC bus voltage regulation with a peak-to-peak ripple of 27.068 V, confirming its robustness under varying operational conditions. The final SOC of the battery is maintained at 45%, indicating safe operational limits throughout the charging and discharging cycles. The findings suggest that the integration of solar PV with EV charging systems presents significant potential for enhancing renewable energy utilization and promoting sustainable transportation solutions. Future research directions are proposed to further optimize these systems for broader applications in the automotive industry.