فناوری‌های شارژ خودروهای الکتریکی: رویکردها و آخرین پیشرفت‌ها

خلاصه

همانطور که استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) در سال‌های اخیر رشد فزاینده را تجربه کرده است، نیاز به راه حل های شارژ کارآمد و راحت بسیار مهم شده است. برای رفع این نیاز، فناوری‌های شارژ مختلفی پدید آمده‌اند که هر کدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. این مقاله به پیچیدگی‌های این فناوری‌ها می‌پردازد، اصول اساسی، ویژگی‌های عملیاتی، مزایا و معایب مربوطه را بررسی می‌کند و به بررسی آخرین پیشرفت‌ها در فناوری شارژ می‌پردازد.

مقدمه

1- ظهور وسایل نقلیه الکتریکی و ضرورت شارژ کارآمد

استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی (EV) به دلیل نگرانی‌ها در مورد پایداری زیست‌محیطی و تلاش برای راه‌حل‌های حمل‌ونقل پاک‌تر در حال شتاب گرفتن است. با تبدیل شدن خودروهای برقی به یکی از گزینه‌های اصلی حمل و نقل، تقاضا برای زیرساخت شارژ کارآمد و راحت به یک مقطع حساس رسیده است. اتکای سنتی به سوخت‌های فسیلی جای خود را به تغییر الگو به سمت منابع انرژی تجدیدپذیر می‌دهد و خودروهای الکتریکی نقشی محوری در این انتقال ایفا می‌کنند.

خودروهای برقی مزایای زیادی نسبت به نمونه‌های بنزینی خود دارند، از جمله آلایندگی کمتر، وکاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و تجربه رانندگی آرام‌تر. با این حال، اتکا به باتری‌ها به‌عنوان سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، چالش‌های جدیدی را به‌ویژه از نظر زمان شارژ و دسترسی به آن‌ها را ایجاد کرده است. در نتیجه که پیشرفت‌ها در فناوری‌های شارژ نقش مهمی‌در تعیین امکان‌سنجی و پذیرش کلی خودروهای الکتریکی ایفا می‌کنند.

فناوری شارژ سیمی: AC و DC

1 – شارژ سطح 1: رویکردی آهسته و زمان‌بر

شارژ سطح 1 (Level 1) که به عنوان شارژ آهسته نیز شناخته می‌شود، ابتدایی‌ترین و در دسترس‌ترین گزینه شارژ برای خودروهای برقی است. این دستگاه از یک پریز خانگی استاندارد استفاده می‌کند که برق جریان متناوب (AC) را در 120 ولت تامین می‌کند. این روش برای شارژ شبانه در منزل یا محل کار با پارکینگ اختصاصی مناسب است. با این حال، سرعت پایین شارژ آن، که معمولاً برای شارژ کامل به 8-12 ساعت نیاز دارد، عملی بودن آن را برای سفرهای طولانی مدت محدود می‌کند.

شارژ سطح 1 یک گزینه مقرون به صرفه و راحت برای کاربران است که نیازهای رانندگی محدود دارند. سادگی و در دسترس بودن گسترده، آن را به گزینه ای مناسب برای کسانی عمدتاً از وسایل نقلیه خود برای رفت و آمدهای کوتاه استفاده می‌کنند، تبدیل کرده است.

2- شارژ سطح 2: گسترش گزینه های شارژ

شارژ سطح 2 (Level 2) که به عنوان شارژ متوسط نیز شناخته می‌شود، بهبود قابل توجهی در سرعت شارژ نسبت به شارژ سطح 1 ایجاد می‌کند. این دستگاه از یک پریز 240 ولتی اختصاصی استفاده می‌کند که برق متناوب تا 7.2 کیلووات (کیلووات) را ارائه می‌دهد. این به معنی زمان شارژ تقریباً 3-6 ساعت است که آن را برای استفاده روزانه و سفرهای طولانی‌تر مناسب می‌کند.

شارژ سطح 2 معمولاً در خانه ها، محل کار، پارکینگ‌های عمومی‌ و ایستگاه های شارژ خودروهای برقی یافت می‌شود. این یک انتخاب محبوب برای دارندگان خودروهای برقی است که می‌خواهند گزینه شارژ سریع‌تر و راحت‌تری نسبت به شارژ سطح 1 داشته باشند. این روش همچنین نسبتا مقرون به صرفه است و تعادل خوبی بین سرعت شارژ و هزینه ارائه می‌دهد.

3- شارژ سریع DC: سوخت گیری سریع برای سفرهای طولانی تر

شارژ سریع DC به عنوان اوج فناوری شارژ EV شناخته می‌شود و سریع ترین سرعت شارژ موجود را ارائه می‌دهد. این روش الکتریسیته با جریان مستقیم  و ولتاژ بالا (DC) را به باتری خودرو می‌رساند و نیاز به مبدل AC-DC را که موجب افت سرعت شارژ می‌شود را از سیستم حذف می‌کند. این انتقال مستقیم برق، شارژ کامل را در کمتر از 30 تا 60 دقیقه امکان‌پذیر می‌کند و آن را برای سفرهای طولانی مدت ایده‌آل می‌کند.

ایستگاه‌های شارژ سریع DC معمولاً در امتداد بزرگراه‌ها، استراحت‌گاه‌ها و پارکینگ‌های عمومی ‌یافت می‌شوند. شارژ سریع DC به طور کلی گران تر از شارژ سطح 1 و 2 است و در صورت استفاده بیش از حد می‌تواند به باتری خودرو لطمه وارد کند.

شارژ بی سیم

1- شارژ القایی الکترومغناطیسی: یک روش اثبات شده شارژ بی سیم

شارژ بی سیم یک فناوری انقلابی است که نیاز به اتصال فیزیکی بین EV و ایستگاه شارژ را از بین می‌برد. از القای الکترومغناطیسی استفاده می‌کند، اصلی که در آن یک میدان مغناطیسی متناوب جریان الکتریکی را در یک هادی مجاور ایجاد می‌کند. این رویکرد بدون تماس، یک تجربه شارژ بدون درز را ارائه می‌کند و دردسر وصل و جدا کردن کابل‌ها را از بین می‌برد.

سیستم های شارژ القایی الکترومغناطیسی از دو سیم پیچ تشکیل شده است که یکی در ایستگاه شارژ و دیگری در داخل شاسی خودروی برقی تعبیه شده است. هنگامی‌که خودرو بر روی پد شارژ پارک می‌شود، دو سیم پیچ در یک راستا قرار می‌گیرند و به میدان مغناطیسی اجازه می‌دهد تا جریانی را در باتری خودرو القا کند.

فناوری شارژ بی سیم در طول سال ها به بلوغ رسیده است و استانداردهای مختلفی از جمله SAE J1773 و Qi ظاهر شده است. این استانداردها پروتکل‌های ارتباطی و مشخصات انتقال نیرو را برای سیستم‌های شارژ بی‌سیم تعریف می‌کنند و از سازگاری بین تولیدکنندگان مختلف اطمینان می‌دهند.

2- شارژ بی‌سیم پیوسته در جاده: هموار کردن راه برای تحرک آینده

شارژ بی‌سیم پویا در جاده (DIWRC) یک چشم‌انداز بلندپروازانه برای آینده حمل‌ونقل است که در آن می‌توان خودروهای برقی را حین رانندگی در جاده‌ها به صورت پیوسته شارژ کرد. این فناوری از سیم پیچ های شارژ القایی تعبیه شده در سطح جاده استفاده می‌کند و یک مسیر شارژ مداوم برای خودروهای برقی ایجاد می‌کند. همانطور که خودرو از روی سیم پیچ ها عبور می‌کند، به طور مداوم انرژی دریافت می‌کند و نیاز به توقف های مکرر در ایستگاه های شارژ را از بین می‌برد.

DIWRC این پتانسیل را دارد که زیرساخت‌های برقی را متحول کند و شارژ مداوم را بدون نیاز به پارکینگ اختصاصی یا ایستگاه‌های شارژ اختصاصی ممکن می‌سازد. این اتفاق به طور قابل توجهی برد حرکتی خودروهای الکتریکی را افزایش داده و آنها را برای استفاده روزمره کاربردی‌تر می‌کند.

با این حال، DIWRC با چالش‌های مهمی‌از جمله پیچیدگی فنی تعبیه کویل‌ها در جاده‌ها، هزینه استقرار زیرساخت‌ها و احتمال تداخل با سایر اجزای زیرساختی مواجه است. با وجود این چالش‌ها، تلاش‌های تحقیق و توسعه ادامه دارد و چندین پروژه آزمایشی برای بررسی امکان‌سنجی و اجرای عملی DIWRC در حال انجام است.

منبع عکس

استانداردها و پروتکل های شارژ: تضمین سازگاری و ایمنی

1-: SAE J1772 استاندارد شارژ اولویت‌دار برای آمریکای شمالی

SAE J1772 استاندارد شارژ برای آمریکای شمالی است که توسط طیف وسیعی از تولیدکنندگان خودروهای برقی و اپراتورهای ایستگاه شارژ پذیرفته شده است. این کانکتور فیزیکی، پروتکل های ارتباطی و مشخصات انتقال نیرو برای شارژ AC سطح 1 و سطح 2 را مشخص می‌کند. این رویکرد استاندارد، سازگاری و قابلیت همکاری بین مدل‌های مختلف وسایل نقلیه‌ی الکتریکی و ایستگاه‌های شارژ را تضمین می‌کند و تجربه شارژ را برای دارندگان خودروهای برقی ساده‌تر می‌کند.

کانکتور SAE J1772 یک دوشاخه استاندارد خانگی است که به راحتی در منازل و محل کار نصب می‌شود. این شارژر تا 7.2 کیلو وات را پشتیبانی می‌کند و برای استفاده روزانه و سفرهای گاه و بیگاه طولانی تر مناسب است.

2-: CCS Combo یک رابط جهانی برای پذیرش جهانی

CCS Combo یک استاندارد شارژ جدیدتر و پیشرفته تر است که در سطح جهانی در حال افزایش است. مزایای شارژ AC و DC را با هم ترکیب می‌کند و امکان شارژ سریع AC و DC سطح 2 را با استفاده از یک اتصال واحد فراهم می‌کند. این تطبیق پذیری CCS Combo را به یک راه حل امیدوارکننده برای پذیرش گسترده تبدیل می‌کند، زیرا طیف وسیع تری از نیازهای شارژ را برآورده می‌کند.

کانکتور CCS Combo بزرگتر از کانکتور SAE J1772 است اما سرعت شارژ سریعتری را ارائه می‌دهد و با هر دو منبع AC و DC سازگار است و انعطاف پذیری را برای برنامه های شارژ خانگی و عمومی‌فراهم می‌کند.  پایه‌ی طراحی شارژرهای تسلا نیز بر اساس این کانکتور طراحی شده‌اند که در حال حاضر سریع‌ترین شارژ خودرویی را فراهم می‌کند.

3-: CHAdeMO استاندارد ژاپنی با پذیرش رو به رشد

CHAdeMO که در اصل در ژاپن توسعه داده شده است، یک استاندارد شارژ سریع DC است که در آسیا و اروپا مورد استفاده قرار گرفته است. این دستگاه به دلیل ظرفیت شارژ بالای خود که معمولاً بین 50 تا 150 کیلو وات است، شناخته شده است، که آن را برای سوخت گیری سریع در سفرهای طولانی مدت مناسب می‌کند.

کانکتور CHAdeMO کمی‌بزرگتر از کانکتور SAE J1772 است اما همچنان با اکثر مدل های EV سازگار است. در حالی که CHAdeMO به اندازه SAE J1772 یا CCS Combo در آمریکای شمالی رایج نیست، به طور فزاینده‌ای به عنوان یک مکمل ارزشمند برای زیرساخت شارژ جهانی، به ویژه برای برنامه های کاربردی با قدرت بالا شناخته می‌شود.

کانکتورهایی با زیرساخت مشابه با CHAdeMO و CCS برای توان‌های شارژ بالاتر و یا کشورهای خاص مانند چین با نام‌های GB/T و همچنین ChaoJi توسعه داده شده‌اند.

منبع عکس

روندها در فناوری شارژ خودروهای الکتریکی: شکل دادن به آینده زیرساخت EV

1- شارژ هوشمند: بهینه سازی راندمان شارژ و ادغام شبکه

هدف فناوری‌های شارژ هوشمند، بهینه‌سازی عملیات شارژ خودروهای برقی و ادغام آن‌ها با شبکه برق است. این فناوری‌ها از الگوریتم‌ها و پروتکل‌های ارتباطی پیشرفته برای متعادل کردن تقاضای شارژ با ظرفیت شبکه، تضمین استفاده کارآمد از منابع انرژی و کاهش فشار روی شبکه استفاده می‌کنند.

سیستم های شارژ هوشمند می‌توانند به صورت پویا برنامه های شارژ را بر اساس تقاضای انرژی در زمان واقعی، سیگنال های قیمت گذاری و الگوهای استفاده از خودرو تنظیم کنند. این رویکرد فعال به جلوگیری از بارگذاری بیش از حد شبکه در ساعات اوج مصرف کمک می‌کند و پایداری شبکه را بهبود می‌بخشد.

شارژ هوشمند همچنین قابلیت‌های اتصال وسیله نقلیه به شبکه (Vehicle2Grid) و اتصال وسیله نقلیه به زیرساخت (Vehicle2Integration) را فعال می‌کند و به خودروهای برقی اجازه می‌دهد به عنوان واحدهای ذخیره انرژی سیار عمل کنند. در طول دوره‌های تقاضای کم یا بی‌ثباتی شبکه، خودروهای برقی می‌توانند انرژی اضافی را به شبکه ذخیره‌سازی انرژی منتقل کنند و ظرفیت و انعطاف‌پذیری بیشتری را فراهم کنند. این روش، امکان درآمدزایی از انتقال انرژی ذخیره‌شده در باتری به شبکه برق را برای مالک خودرو ممکن می‌سازد. از نمونه فعالیت‌های انجام شده در این زمینه می‌توان به همکاری شرکت Ford و Edison و یا همکاری Nissan و ایالت نیویورک اشاره کرد که قصد بکارگیری روش V2G را دارند.

منبع عکس

نتیجه گیری: حرکت در چشم انداز در حال تحول شارژ خودروهای الکتریکی

تکامل فناوری شارژ EV تأثیر عمیقی بر پذیرش خودروهای الکتریکی و آینده حمل و نقل دارد. زیرساخت شارژ کارآمد، راحت و در دسترس برای تقویت پذیرش گسترده EV و کاهش اضطراب محدوده ضروری است.

فناوری‌های شارژ نقشی محوری در شکل‌دهی چشم‌انداز انرژی پایدارتر و انعطاف‌پذیرتر ایفا می‌کنند. با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها، زیرساخت‌های شارژ EV آماده تبدیل شدن به سنگ بنای آینده با انرژی‌های تجدیدپذیر و مدیریت شبکه هوشمند است.

منابع

* Electric Vehicle Charging Infrastructure: A Practical Guide, edited by Michael J. Neeley and Robert A. McDonald (2019)

* Electric Vehicle Charging Technologies: A Comprehensive Review, edited by A. V. K. Reddy, H. Li, and M. A. Rahman (2019)

* Electric Vehicle Charging Handbook: Fundamentals, Technologies, and Applications, by Robert W. Erickson and Subodh M. Gupta (2017)

* “Smart Charging: Enabling Grid Integration and V2G Services in Electric Vehicle Charging Infrastructure,” by V. K. Nguyen, Y. C. Liang, A. M. El-Sharkawi, and H. Zhang (2019), IEEE Transactions on Smart Grid, 10(4), pp. 4121-4133.

* “Bidirectional Vehicle-to-Grid (V2G) and Grid-to-Vehicle (G2V) Power Transfer: A Review,” by Y.-S. Son, J. Jang, and K.-B. Lee (2016), Applied Energy, 166, pp. 154-163.

* “Dynamic In-Road Wireless Charging (DIWRC): A Review of Technologies and Challenges,” by F. Zhou, Z. Wang, X. Guo, Y. Liu, and M. Zhang (2019), IEEE Transactions on Vehicular Technology, 68(4), pp. 3934-3946.

* U.S. Department of Energy: Electric Vehicle Charging Infrastructure ([https://www.energy.gov/eere/vehicles/batteries-charging-and-electric-vehicles](https://www.energy.gov/eere/vehicles/batteries-charging-and-electric-vehicles))

* National Renewable Energy Laboratory: Electric Vehicle Charging Technology ([https://www.nrel.gov/about/ev-charging-stations.html](https://www.nrel.gov/about/ev-charging-stations.html))

* International Electrotechnical Commission: EV Charging ([https://www.iec.ch/blog/new-standards-e-charging](https://www.iec.ch/blog/new-standards-e-charging))