انواع فن‌آوری شارژ خودرو برقی

در این برگه قصد داریم به معرفی انواع فن‌آوری شارژ خودرو برقی بپردازیم و ویژگی‌ها و کاربردهای هریک را بررسی کنیم. پس با ما همراه باشید.

فهرست مطالب

1- خودروهای برقی

2- فن‌آوری‌های شارژ خودرو برقی

3- انواع پورت شارژ خودروهای برقی

4- ایستگاه‌های شارژ خودرو برقی چگونه کار می‌کنند؟

——————————

1- خودروهای برقی

بررسی مزایا و معایب خودروهای معمولی و مشکلات بزرگی که این نوع خودروها در بخش حمل و نقل ‌ایجاد کرده‌اند، موجب یافتن راه حلی برای جایگزینی‌شان شد. از این رو، صنعت خودرو در طی یک تغییر و تحول، از نوع دیگری از خودروها بنام خودرو برقی (EV) رونمایی کرد.

خودروهای برقی در مقایسه با ICEV ها فواید زیادی از خود نشان داده‌اند که موجب افزایش محبوبیت‌شان در سال‌های اخیر شده‌است؛ زیرا به مرور افراد بیشتری از مزایای آن‌ها مانند کاهش آلایندگی و هزینه‌های عملیاتی کمتر، آگاه شده‌اند. جدول1 و 2 به ترتیب مزایا و چالش های خودروهای معمولی و برقی را نشان می‌دهند. چون هر دو خودرو ICEV و خودروهای برقی نقاط قوت و ضعف خود را دارند، خودروهای هیبریدی (یعنی HEV و PHEV) با چندین پیکربندی ظاهر شدند که سعی می‌کنند نقاط قوت هر دو نوع را ترکیب کرده و از نقاط ضعف جلوگیری کنند. با این حال، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی که رانندگان خودروهای برقی با آن مواجه هستند، یافتن راهی مناسب و قابل اعتماد برای شارژ وسایل نقلیه‌شان در جاده است.
خوشبختانه، تعداد ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی در مناطق مختلف در سال‌های اخیر به سرعت در حال افزایش بوده‌است و رانندگان خودروهای برقی می‌توانند مسافت‌های طولانی را بدون نگرانی از تمام شدن باتری، سفر کنند. در این مقاله، نحوه عملکرد ایستگاه های شارژ EV را بررسی خواهیم کرد.

جدول 1 : مزایا و معایب ICEV 

جدول 2 : مزایا و چالش‌های EV 

——————————

2- فن‌آوری‌های شارژ خودرو برقی

شارژ خودروهای برقی را می‌توان به سه فناوری اصلی طبقه بندی کرد: شارژ رسانا، شارژ بی سیم و تعویض باتری.
در حال حاضر شارژ رسانا ساده‌ترین و رایج‌ترین روش شارژ است. برای شارژ رسانا، یک تماس فیزیکی (یعنی کابل) بین منبع تغذیه و باتری وجود دارد؛ اما برای WC هیچ تماس فیزیکی وجود ندارد.WC  و تعویض باتری مانند شارژ رسانا به طور گسترده استفاده نمی‌شوند و هنوز در حال مطالعه و توسعه هستند. در ادامه به جزئیات بیشتری در مورد این فناوری‌ها پرداخته شده‌است. شکل زیر طبقه بندی فناوری‌های مختلف شارژ را نشان می‌دهد.

– شارژ رسانا

شارژرهای باتری EV مسئولیت قابل توجهی در پیشرفت خودروهای الکتریکی دارند، زیرا پذیرش اجتماعی خودروهای الکتریکی به دسترسی بی دردسر به ایستگاه‌های شارژ بستگی دارد.
تاکنون چندین توپولوژی برای شارژرهای تک فاز و سه فاز EV ارائه شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده‌است این سیستم از مبدل AC/DC، عناصر تصحیح ضریب توان و مبدل DC/DC تشکیل شده‌است. سیستم‌های شارژر به دو دسته داخلی (یعنی داخل خودرو برای شارژ آهسته) و خارجی (یعنی خارج از خودرو – برای شارژ سریع) طبقه‌بندی می‌شوند. علاوه بر این، آنها را می‌توان به شارژرهای یک طرفه یا دو طرفه طبقه بندی کرد. شارژ یک طرفه دارای سخت افزار شارژ ساده است و اجازه می‌دهد تا برق فقط از شبکه به خودرو منتقل شود. شارژ دو طرفه جریان برق را از شبکه به خودرو الکتریکی می‌دهد و می‌تواند برق را از باتری EV به شبکه، ساختمان یا خانه تزریق کند.
در دسترس بودن و پیشرفت زیرساخت شارژ EV می‌تواند ذخیره انرژی مورد نیاز خودرو، و اضطراب دارندگان EV را کاهش دهد. طبق استاندارد J1772 انجمن مهندسین خودرو (SAE) سه سطح شارژ برای EV وجود دارد. طبق گفته مؤسسه تحقیقات برق (EPRI) انتظار می‌رود که اکثر دارندگان خودروهای برقی بتوانند خودروی خود را در طول یک شب در خانه شارژ کنند، بدین ترتیب شارژرهای سطح 1 و سطح 2 گزینه اصلی خواهند بود، در حالی که سطح 3 برای ایستگاه‌های شارژ تجاری استفاده خواهد شد.

سطح 1 : ایستگاه‌های شارژ AC سطح پایین

ایستگاه‌های شارژ سطح 1 ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین نوع ایستگاه‌های شارژ EV هستند. آنها با استفاده از یک پریز برق خانگی استاندارد 10-15 آمپر، شارژ AC سطح پایینی را برای باتری EV فراهم می‌کنند. شارژ کامل باتری خودروهای الکتریکی در این سطح در طول 22 تا 40 ساعت تکمیل می‌شود. این سطح شارژ به دلیل توان پایین، کمترین تأثیر را بر روی سیستم‌های توزیع دارد.

سطح 2 : ایستگاه‌های شارژ AC سطح بالا

ایستگاه‌های شارژ سطح 2 قدرتمندتر از ایستگاه‌های سطح 1 هستند و می‌توانند سطح بالاتری از شارژ AC را برای باتری خودروهای برقی فراهم کنند. آنها معمولاً از یک منبع تغذیه 240 ولتی استفاده می‌کنند و می‌توانند نرخ شارژ را تا 19.2 کیلو وات ارائه دهند که می‌تواند باتری یک EV را در چند ساعت به ظرفیت کامل شارژ کند. این مدل، ممکن‌است برای شارژ عمومی یا خانگی نیاز به نصب تجهیزات تامین وسایل نقلیه الکتریکی اختصاصی (EVSE) داشته باشد.

سطح 3 : ایستگاه‌های شارژ DC سریع

ایستگاه‌های شارژ سطح 3 به عنوان ایستگاه‌های شارژ سریع DC نیز شناخته‌می‌شوند. آنها می‌توانند شارژ DC را برای باتری خودروهای الکتریکی بسیار سریعتر از شارژ AC ارائه‌شده توسط ایستگاه‌های شارژ سطح 1 و 2 فراهم کنند. ایستگاه‌های شارژ سطح 3 می‌توانند نرخ شارژی تا 350 کیلو وات را ارائه دهند که می‌تواند باتری یک EV را تا 80 درصد ظرفیت در 30 دقیقه شارژ کند. در واقع سطح 3 به عنوان یک ایستگاه سوخت‌گیری تجاری، مشابه پمپ بنزین معمولی است که می‌تواند در جاده‌های اصلی شهر و بزرگراه‌ها نصب شود.
انتظار می‌رود شارژرهای عمومی از سطح 2 یا سطح 3 برای شارژ سریع در مراکز خرید، پارکینگ ها، رستوران ها، هتل ها، تئاترها و غیره استفاده کنند. به عنوان مثال در استرالیا، اکثر ایستگاه‌های شارژ عمومی EV ایستگاه‌های شارژ سطح 2 هستند، با تعداد فزاینده‌ای از ایستگاه‌های شارژ سطح 3 که در مکان‌های کلیدی مانند بزرگراه های اصلی و مراکز شهر نصب‌ می‌شوند. اگرچه، قدرت شارژ بالا نشان دهنده یک مزیت از نقطه نظر زمان شارژ است، اما ممکن است علاوه بر هزینه نصب بالا، مسائلی نظیر تقاضای اوج و یا اضافه بار را ایجاد کند.

– شارژ بی سیم (WC)

WC امکان شارژ خودروهای برقی را بدون تماس فیزیکی یا کابل بین منبع تغذیه و باتری فراهم می‌کند. پیشرفت WC ظرفیت باتری مورد نیاز را کاهش می‌دهد و باعث کاهش قیمت و وزن خودروهای الکتریکی می‌شود که منجر به کاهش مصرف انرژی خودروهای الکتریکی نیز می‌شود. WC ممکن است به یک جایگزین آینده برای شارژرهای رسانا تبدیل شود. این تکنولوژی پتانسیل استفاده برای شارژ باتری اتوبوس برقی را نیز دارد و می‌تواند در ولتاژهای مختلف (سطح 1، 2 و 3) کار کند. بالاترین راندمان ثبت شده برای WC  در حدود 90٪ است. سه فناوری اصلی برای WCS وجود دارد که عبارتند از: القایی، القایی رزونانس، و WC خازنی.

در ادامه شارژ بی سیم القایی (IWC) برای ارائه ایده اولیه این فناوری توضیح داده خواهد شد.

 IWC حاوی مبدل AC/DC است که برق AC تامین شده از شبکه برق را به DC تبدیل می‌کند. سپس دوباره به برق AC با فرکانس بالا به سیم پیچ انتقال دهنده (یعنی اولیه)، تبدیل می‌شود. همه این اجزا در زیرزمین هستند. EV حاوی سیم پیچ گیرنده (یعنی ثانویه) است که از سیم پیچ انتقال دهنده توسط القای الکترومغناطیسی از طریق شکاف هوا، انرژی را دریافت می‌کند. سپس برق متناوب توسط مبدل AC/DC به DC تبدیل می‌شود و باتری را شارژ می‌کند. یک نمودار ساده از IWC که مفهوم اصلی را توضیح می‌دهد در شکل زیر نشان داده شده‌است. IWC را می‌توان به شارژ القایی استاتیک و شارژ القایی دینامیک طبقه بندی کرد. برای شارژ القایی استاتیک، EV باید در طول شارژ ثابت باشد. درحالیکه، شارژ القایی دینامیک اجازه می‌دهد تا WC در حالی که EV در حال حرکت است، شارژ شود.
WC فعلی برای جریان برق یک طرفه از شبکه به وسیله نقلیه طراحی شده‌است، اما برنامه توسعه آینده این فناوری در این است که EV ها را قادر می‌سازد تا برق را به صورت بی‌سیم به شبکه انتقال دهند. مزایای این فناوری ایمنی الکتریکی، عدم نیاز به کابل و راحتی کاربر است. چالش‌های این فناوری هزینه بالای زیرساخت در مقایسه با شارژ رسانا و راندمان انتقال توان کم بین سیم‌پیچ‌ها است.

– تعویض باتری

ایستگاه تعویض باتری (BSS) یک ایستگاه شارژ است که در آن باتری خالی EV ظرف چند دقیقه با یک باتری کاملاً شارژ شده جایگزین می‌شود. تعویض باتری ممکن‌است برای اتوبوس‌های برقی که دارای باتری با ظرفیت بالا هستند، نیز استفاده شود چراکه مدت زمان زیادی طول می‌کشد تا با شارژرهای رسانا شارژ شوند. این فناوری به انبار بزرگی از باتری‌های متعلق به BSS یا شخص ثالث و اجاره به مالک خودروهای برقی نیاز دارد. BSS شامل یک ترانسفورماتور توزیع، مبدل‌های AC/DC برای شارژ باتری‌ها، باتری و تجهیزات تعویض باتری است. برخی از مطالعات در نظر گرفتند که BSS می‌تواند از شارژرهای دو طرفه برای ارائه خدمات الکتریکی با حالت V2G استفاده کند. چالش‌های این فناوری استانداردسازی باتری، هزینه زیرساخت بالا و فضای بزرگ برای BSS است. در سال 2013، شرکت تسلا یک سیستم تعویض باتری را معرفی کرد که می‌تواند باتری را در 90 ثانیه تعویض کند.

——————————

3- انواع پورت شارژ خودروهای برقی

اکثر خودروسازان کانکتور معمولی 10 آمپری (پریز برق معمولی خانه شما) را به عنوان یک گزینه برای خودروهای برقی ارائه می‌کنند. به دلیل رشد و تکامل سریع بازار خودروهای برقی، انواع مختلفی از دوشاخه در سراسر جهان وجود دارد.

– نوع 1

این دوشاخه AC استاندارد که با نام‌های J1772 یا SAE J1772 نیز شناخته می‌شود، در PHEV‌های میتسوبیشی اوتلندر قبل از 2019 در استرالیا و همچنین در آمریکای شمالی و ژاپن استفاده می‌شود.

– نوع 2 (Mennekes/Tesla)

کانکتور نوع 2 با پنج پایه پاور برای شارژ سه فاز، دارای طرح هفت پین است. این پورت که با نام IEC 62196 یا دوشاخه Mennekes نیز شناخته‌می‌شود، توسط سازندگان خودروهای برقی آمریکایی و اروپایی از جمله تسلا استفاده‌ می‌شود و استاندارد شارژ AC در استرالیا و اروپا است.

– سیستم شارژ ترکیبی (CCS)

CCS، اصطلاحی برای سیستم شارژ ترکیبی، برای شارژرهای AC و DC است. این درگاه شارژ به دلیل سازگاری با شارژرهای AC نوع 2 و شارژرهای سریع CCS DC، برای استرالیا مناسب است. این مدل را می‌توان به نسخه‌های قدیمی‌تر که فقط سوکت‌های نوع 2 دارند و روز به روز محبوب می‌شوند، نصب کرد. سوکت CCS در چندین خودروی کاملاً جدید الکتریکی یافت می‌شود.

– CHAdeMO

CHAdeMO مخفف Charge de Move است که در فرانسوی به معنی «حرکت با شارژ» است. اگرچه مدل‌های تسلا می‌توانند از CHAdeMO از طریق آداپتور استفاده کنند، اما این پورت معمولی DC در خودروهای برقی و PHEV ساخت ژاپن مانند نیسان لیف، میتسوبیشی اکلیپس کراس PHEV و لکسوس UX300e است. دوشاخه نوع 2 برای شارژ AC نیز در اکثر خودروهای دارای سوکت CHAdeMO یافت می‌شود.
از زمانی که نیسان، میتسوبیشی، تویوتا، فوکی و شرکت برق توکیو، CHAdeMO را توسعه دادند، خودروسازان ژاپنی از جمله کاربران اصلی این فناوری بودند. نیسان لیف، میتسوبیشی اوتلندر PHEV، تویوتا پریوس پلاگین، تسلا مدل S (در صورت مجهز بودن به آداپتور)، نیسان e-NV200، کیا سول EV Mk1، سیتروئن برلینگو الکتریک Mk1، سیتروئن C-Zero، و تاکسی لندن LEVC از جمله وسایل نقلیه ای در بریتانیا هستند که می‌توانند به سرعت با کانکتور CHAdeMO شارژ شوند.

——————————

4- ایستگاه‌های شارژ خودرو برقی چگونه کار می‌کنند؟

سخت افزاری که انرژی را از یک منبع الکتریکی برای شارژ باتری EV تامین می‌کند، تجهیزات تامین وسایل نقلیه الکتریکی (EVSE) است. این تجهیز خارج از ماشین یا به عنوان بخشی از کابل شارژ است و اغلب به عنوان ایستگاه شارژ از آن یاد می‌شود.
ایستگاه‌های شارژ خودرو برقی، با تامین برق باطری EV با استفاده از برق AC یا DC کار می‌کنند. شارژ باتری EV را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد: اتصال، ارتباط و شارژ.

اتصال: اولین مرحله برای شارژ EV در ایستگاه شارژ، اتصال EV به ایستگاه شارژ با استفاده از کابل شارژ است. به این صورت که، یک سر کابل شارژ به درگاه شارژ EV و سر دیگر آن به سوکت ایستگاه شارژ وصل می‌شود.

ارتباط: هنگامی که EV به ایستگاه شارژ متصل می‌شود، دو دستگاه برای تعیین نوع شارژ مورد نیاز و توان موجود با هم ارتباط برقرار می‌کنند. این ارتباط معمولاً با استفاده از یک پروتکل ارتباطی استاندارد، مانند پروتکل نقطه شارژ باز (OCPP) که توسط بسیاری از شبکه‌های شارژ EV استفاده‌می‌شود، انجام‌می‌شود.

شارژ: پس از برقراری ارتباط بین EV و ایستگاه شارژ، فرآیند شارژ می‌تواند آغاز شود. ایستگاه شارژ، جریان الکتریکی را به باتری EV ارسال، و باتری را شارژ می‌کند. فرآیند شارژ بسته به نوع ایستگاه شارژ و اندازه باتری EV می‌تواند از چند دقیقه تا چند ساعت طول بکشد.

 

مراجع

?How Do EV Charging Stations Work

Impacts of Electric Vehicles Charging on Electric Power Systems

مقالات مرتبط

خودرو برقی و انواع آن

خودروهای برقی: چالش‌های باتری