تعویض باتری، جایگزینی برای ایستگاه‌هایی شارژ باتری

مقدمه

تصور کنید در حین استفاده از وسیله نقلیه برقی خود (EV) در بزرگراه نیاز به شارژ خودروی خود دارید، پیدا کردن ایستگاه شارژ می‌تواند دردسرساز باشد و زمان طولانی انتظار برای شارژ باتری می‌تواند کل سفر شما را مختل کند. اگر راه حل سریعتر و ساده‌تری وجود داشت چه می‌شد؟ فناوری تعویض باتری (Battery Swap) مفهومی‌است که نوید انقلابی در شارژ خودروی برقی با جایگزینی باتری‌های خالی شده توسط باتری‌های کاملاً شارژ شده در عرض چند دقیقه را می‌دهد.

آشنایی با فرآیند تعویض باتری

باتری‌های برخی خودروهای برقی بصورت قابل تعویض طراحی شد‌اند. این بسته‌ها ماژولار و استاندارد هستند و سازگاری با ایستگاه های تعویض خاص را تضمین می‌کنند. برخلاف باتری‌های حجیمی‌که امروزه به طور دائمی‌در اکثر خودروهای برقی ادغام می‌شوند، این بسته‌های قابل تعویض معمولاً سبک‌تر هستند و برای برداشتن و نصب سریع طراحی شده‌اند.

ایستگاه‌های تعویض باتری همواره چندین باتری شارژ شده را در خود جای می‌دهند و برخی از آن‌ها از بازوهای رباتیک برای انجام تعویض استفاده می‌کنند. این روند کاملاً سریع است. پس از پارک خودرو در محل تعیین شده، بازوی رباتیک باتری تخلیه شده را با یک باتری تازه جایگزین می‌کند و خودرو ظرف چند دقیقه آماده‌ی ادامه مسیر می‌شود.

مزایای تعویض باتری:

کاهش نگرانی از برد خودرو (range anxiety): باتری‌هایی که از قبل شارژ شده‌اند، سفرهای جاده‌ای طولانی را امکان‌پذیرتر می‌کنند و می‌توان بدون انتظار طولانی مدت در ایستگاه شارژ و فقط با تعویض باتری در زمان اندکی، به پیمایش مسیر ادامه داد.

بهبود سلامت باتری: شارژ مکرر می‌تواند عمر باتری را کاهش دهد. ایستگاه‌هایی تعویض باتری، به دلیل آنکه‌ زمان بیشتری برای شارژ باتری دارند امکان شارژ باتری با سرعت کمتر را فراهم می‌کنند. در نتیجه، طول عمر کلی باتری‌های استفاده شده در این ایستگاه‌ها نسبت به باتری‌های دائمی خودروها بیشتر است.

کارایی مدیریت ناوگان: برای شرکت‌هایی که ناوگان خودروهای برقی بزرگ دارند، ایستگاه‌های تعویض می‌توانند زمان شارژ سریع‌تری را ارائه دهند و به طور بالقوه زمان توقف را کاهش دهند. در حالی که هزینه راه اندازی اولیه زیرساخت های تعویض ممکن است بالاتر باشد، موافقان این فناوری استدلال می‌کنند که می‌توان با عمر باتری طولانی‌تر، کاهش زمان توقف ناوگان و به طور بالقوه هزینه‌های خرید باتری کمتر به دلیل بسته های استاندارد شده این هزینه‌ها را جبران کرد.

سازگاری با زیرساخت‌های شبکه برق: با اتکای کمتر به ایستگاه های شارژ جداگانه، تعویض به طور بالقوه می‌تواند استفاده از شبکه های برق را به ویژه در ساعات اوج مصرف کاهش دهد. علاوه بر این، باتری‌های استاندارد شده و قابل تعویض ممکن است کاربردهای ثانویه (Second Life) را تسهیل کنند، ضایعات را به حداقل برسانند و بازیابی مواد اولیه را ارتقا دهند.

کاهش هزینه خودروی الکتریکی: مشتریان تنها هزینه خرید خودروی الکتریکی بدون باتری را پرداخت می‌کنند. در حالی که باتری بکار رفته در آن بصورت اجاره‌ای و با هزینه اندکی تهیه می‌شود و با توجه به سهم بالای باتری از قیمت خودروی الکتریکی، استفاده از فناوری تعویض باتری می‌تواند قیمت تمام شده‌ی خودروی برقی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

محدودیت‌ها:

جذابیت تعویض سریع باتری غیرقابل انکار است، اما مانند هر فناوری دیگری، با مجموعه‌ای از محدودیت‌ها همراه است.

استانداردسازی: یکی از موانع اصلی استفاده از سیستم‌های تعویض باتری، عدم استانداردسازی جهانی برای پک‌های باتری و سیستم‌های تعویض است. این پراکندگی مشکلات سازگاری ایجاد می‌کند و مانع از پذیرش گسترده این فناوری می‌شود.

سرمایه گذاری زیرساختی: ساخت شبکه‌ای از ایستگاه‌های مبادله باتری نیاز به سرمایه گذاری اولیه قابل توجه‌ای دارد که باعث ایجاد نگرانی در مورد امکان‌سنجی مالی و دسترسی، به ویژه در مناطق کم‌جمعیت می‌شود. برخلاف پمپ بنزین‌ها که چندین دهه توسعه زیرساختی دارند، ایستگاه تعویض باتری هنوز در مراحل اولیه است.

عدم مالکیت باتری: با تعویض باتری، شما اساساً باتری را «اجاره» می‌کنید، که به طور بالقوه بر تجربه مالکیت درک شده برای برخی از کاربران تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، هزینه‌ی جایگزینی باتری‌های تخریب شده به عهده سازمان ارائه‌دهنده خدمات تعویض خواهد بود.

تحقیقات اخیر:

چندین طرح تحقیقاتی و همکاری‌های صنعتی در تلاش هستند تا استانداردهای جهانی را برای بسته‌های باتری و سیستم‌های تعویض ایجاد کنند. سازمان‌هایی مانند مرکز تحقیقات و فناوری خودروی چین (CATARC) و کنسرسیوم بین‌المللی تبادل باتری (IBEC) رهبری این برنامه را بر عهده دارند و به دنبال زمینه‌های مشترک در مورد اندازه باتری، اتصالات و پروتکل‌های ایمنی هستند. استانداردسازی این جنبه‌ها برای پذیرش گسترده و ایجاد یک اکوسیستم مبادله واقعاً قابل تعامل بسیار مهم است.

تلاش‌های تحقیقاتی بر توسعه باتری‌های پیشرفته و فناوری‌های شارژ برای کاهش بیشتر زمان تعویض متمرکز است. بسته‌های باتری را تصور کنید که می‌توانند در کمتر از پنج دقیقه به طور کامل شارژ شوند. پروژه‌هایی مانند «Battery Bar»  اجرا شده توسط NIO از خنک‌کننده مایع و ترکیب شیمیایی باتری اختصاصی برای دستیابی به شارژ سریع استفاده می‌کنند، و هدف آن افزایش سهولت فرآیند تعویض است.

پس از پایان عمر باتری‌ها در خودروهای برقی، یافتن کاربردهای ثانویه پایدار بسیار مهم است. تحقیقات به بررسی استفاده مجدد از باتری های بازنشسته برای استفاده در ایستگاه‌های ثابت ذخیره انرژی و یا استفاده از آنها در کاربردهای کم تقاضا مانند اسکوترهای برقی یا دستگاه های کم مصرف می‌پردازد. یافتن راه‌های کارآمد برای مدیریت و استفاده از این باتری‌ها برای به حداکثر رساندن ارزش طول عمر آنها و به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی کلیدی است.

پیشگامان فناوری:

تاریخچه‌ی فناوری تعویض باتری به سال 2007 باز می‌گردد. در این سال استارت‌آپ Better Place فعالیت خود را در کالیفرنیا برای احداث ایستگاه‌های شارژ آغاز کرد. در سال 2013 نیز تسلا برنامه‌ی تعویض باتری را آغاز کرد اما به دلیل عدم استقبال کاربران، هر دو پروژه با شکست پایان یافتند. اما روند جدیدی از ایجاد شرکت‌های فعال در زمینه تعویض باتری از سال 2018 آغاز شده است.

NIO (چین): این سازنده پیشرو خودروهای برقی دارای شبکه ای قوی از ایستگاه های مبادله در سرتاسر چین است که در درجه اول به مدل های خودروی خود می‌پردازد. طراحی باتری به کاربران امکان می‌دهد که وسایل نقلیه بدون باتری خریداری کنند که هزینه های اولیه را کاهش می‌دهد و به طور بالقوه عمر باتری را از طریق تعویض افزایش می‌دهد. این شرکت تا پایان سال 2023، بیش از 2300 ایستگاه تعویض باتری را احداث کرده است که بیش از 33 میلیون تعویض باتری را انجام داده‌اند. همچنین توافق‌نامه‌هایی برای همکاری با شرکت‌های Geely، polestar، Zeekr و Lotus برای استانداردسازی سیستم تعویض خودروها داشته است.

Ample (ایالات متحده): با تمرکز بر حمل و نقل درون شهری، Ample دسترسی مبتنی بر اشتراک به شبکه مبادله خود را برای خودروهای برقی سازگار ارائه می‌دهد. تمرکز بر سرعت تعویض در ایستگاه‌های این شرکت، امکان شارژ خودروی برقی شهری در عرض چند دقیقه را ایجاد می‌کند. Stellantis در همکاری با Ample به طور آزمایشی تعویض باتری برای خودروهای Fiat 500e انجام داده‌اند.

Gogoro (تایوان): این شرکت تولیدکننده‌ی اسکوتر، اکوسیستم موفقی را پیرامون تعویض باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی دو چرخ در تایوان ایجاد کرده است. شبکه ایستگاه‌ها و باتری‌های استاندارد شده آن‌ها، پذیرش گسترده و راحتی را برای مسافران شهری فراهم کرده است.

BYD (چین): تاکسی ها و ناوگان: زمان کوتاه تعویض باتری ، آن را برای وسایل نقلیه پرکاربرد مانند تاکسی و خودروهای ناوگان ایده آل می‌کند. شرکت‌هایی مانند  BYDدر چین به دنبال بهبود کارایی عملیاتی و کاهش زمان توقف تاکسی‌ها هستند.

بازار در حال افزایش:

پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی تعویض باتری شاهد رشد قابل‌توجهی باشد، تخمین‌ها حاکی از افزایش از 1.7 میلیارد دلار در سال 2022 به 11.8 میلیارد دلار تا سال 2027 است.

در حالی که وسایل نقلیه مسافربری و اسکوترها در حال حاضر بازار اصلی این فناوری هستند، علاقه به استفاده از تعویض باتری در بخش های بزرگتر مانند کامیون ها و اتوبوس ها در حال ظهور است. شرکت‌هایی مانند نیکولا در ایالات متحده در حال بررسی راه‌حل‌های مبادله باتری برای خودروهای برقی سنگین با هدف رفع چالش محدودیت برد خودرو و چالش‌های شارژ در مسافت‌های طولانی هستند.

منابع:

https://www.stellantis.com/en/news/press-releases/2023/december/stellantis-and-ample-establish-partnership-to-leverage-ample-s-modular-battery-swapping-technology-for-use-in-stellantis-electric-vehicles

https://bilitielectric.com/blog/ev-battery-swap/