چالش‌های طراحی ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی

چکیده

این مقاله به بررسی چالش‌های طراحی ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی اختصاص یافته است. الزامات عمومی که یک ایستگاه شارژ خودرو باید رعایت کند، مطرح شده و بر روی بخش الکتریکی این ایستگاه تمرکز شده است. همچنین به قوانین ایمنی نصب ایستگاه‌های شارژ خودرو پرداخته می‌شود.

مقدمه

توسعه سریع و پویا الکتروموبیلیتی در جهان به عنوان یک روش نوین حمل و نقل مبتنی بر خودروهای برقی، نتیجه سیاست‌های اقلیمی جهانی و دستورالعمل‌های اتحادیه اروپا است. تا پایان سال 2022، لهستان 62,135 خودرو سواری و تجاری با نیروی الکتریکی را ثبت کرده است. از این تعداد، 59,187 خودرو سواری الکتریکی در جاده‌های لهستان حضور دارند. خودروهای کاملاً الکتریکی شامل 29,780 واحد از این بخش ناوگان خودرو بوده و مابقی هیبریدهای دوگانه شارژی با 29,407 واحد هستند. کوچک‌ترین گروه شامل ون‌ها و کامیون‌های الکتریکی با 2,948 واحد و دوچرخه‌ها و موتورسیکلت‌های الکتریکی با 16,160 واحد است.

فروش اندک خودروهای الکتریکی در لهستان ممکن است نه تنها نتیجه قیمت بالای این خودروها باشد، بلکه به دلیل تعداد کم نقاط شارژ عمومی نیز قابل توجیه است. بسیاری از مشتریان نگرانند که در صورت خالی شدن باتری خودرو در طول سفرهای طولانی، با مشکلاتی مواجه شوند. زمان شارژ طولانی و توقف‌های مکرر نیز از دیگر دلایل نگرانی آن‌هاست. تا کنون، 2,527 ایستگاه شارژ برای خودروهای الکتریکی در لهستان به‌صورت عمومی در دسترس است که این معادل 4,913 نقطه شارژ می‌باشد. از این تعداد، 29% ایستگاه‌های شارژ سریع با جریان مستقیم (DC) و 71% شامل شارژرهای کند با جریان متناوب (AC) با قدرت کمتر یا برابر با 22 کیلووات هستند. علی‌رغم وجود مشوق‌های بسیار، رانندگان لهستانی از محدوده کم خودروهای الکتریکی احساس نگرانی می‌کنند. تقریباً 76% لهستانی‌ها بر این باورند که خودروهای الکتریکی قادر به ارائه محدوده کافی برای نیازهای آن‌ها نیستند، در حالی که میانگین مسافت روزانه که یک راننده معمولی طی می‌کند حدود 51 کیلومتر است. این تحقیق همچنین نشان‌دهنده آگاهی اندک پاسخ‌دهندگان درباره امکان شارژ خودروهای الکتریکی در منزل است. 83% از پاسخ‌دهندگان نمی‌دانند برای نصب یک ایستگاه شارژ در خانه چه اقداماتی را باید انجام دهند. توسعه مناسب الکتروموبیلیتی تنها با ایجاد تعداد کافی ایستگاه شارژ و آموزش مداوم جامعه ممکن می‌باشد.

مزایای توسعه الکتروموبیلیتی

توسعه الکتروموبیلیتی مزایای متعددی به همراه دارد. علاوه بر کم یا بدون آلودگی، خودروهای الکتریکی می‌توانند به عنوان منبعی از انرژی در زمان اوج مصرف عمل کنند. این خودروها می‌توانند در “دره‌های شبانه”، زمانی که تقاضا برای انرژی کم است، شارژ شوند. تنظیم منحنی مصرف انرژی روزانه می‌تواند به صرفه‌جویی‌های قابل توجهی منجر شود، چرا که تعداد واحدهای تولیدی مورد نیاز برای حفظ آن کاهش می‌یابد. استفاده از خودروهای الکتریکی برای حمل و نقل به ارتقای امنیت انرژی کمک می‌کند.

افزایش تعداد خودروهای الکتریکی منجر به نوآوری و ایجاد ساختارها و مدل‌های جدیدی از ایستگاه‌های شارژ می‌شود. این فناوری‌ها تنها توسط تولیدکنندگان خودرو توسعه نمی‌یابند، بلکه تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی نیز در این زمینه فعال هستند. سیستم‌های مبدل می‌توانند درون خودروها نصب شوند که این قابلیت را فراهم می‌کند تا خودروها از یک پریز خانگی معمولی شارژ شوند. با این حال، این روش از نظر قدرت و زمان شارژ، چندان کارآمد نیست. راه‌حل بهتری که پیشنهاد می‌شود، ایستگاه‌های شارژ با قدرت بالاتر و سیستم‌های حفاظتی مناسب است. فناوری‌های در حال توسعه به سمت ایستگاه‌های شارژ مجهز به سیستم مبدل داخلی با قدرت بالا در حال حرکت هستند.

در حال حاضر، سیستم‌های شارژ موجود در بازار قادرند زمان شارژ را به 30 دقیقه کاهش دهند، با استفاده از قدرتی تا 350 کیلووات و شارژ با ولتاژ DC از 400 تا 800 ولت. بسیاری از موسسات در حال کار بر روی توسعه فناوری‌هایی هستند که بتوانند زمان‌های شارژ را به طرز امن‌تری کاهش دهند.

نصب الکتریکی در ایستگاه شارژ خودرو

یک ایستگاه شارژ معمولی از طریق یک ترانسفورماتور 50 هرتزی تأمین انرژی می‌شود و شامل فیلترهای هارمونیک بالاتر و جبران‌کننده‌های توان راکتیو مناسب است. مدار ایستگاه شارژ در شکل 1 به تصویر کشیده شده است.

شکل 1. مدار ایستگاه شارژ

این سیستم مرکزی همچنین شامل یک مبدل اصلی است که ولتاژ متناوب را به ولتاژ مستقیم تبدیل کرده و تأمین انرژی نقاط شارژ فردی را بر عهده دارد. نقاط شارژ Individuall شامل یک سیستم کنترل و یک مبدل DC/DC می‌باشند. سیستم کنترل مسئول کنترل جریان شارژ و تضمین ایمنی در سطوح مناسب است. همچنین سیستم‌های جداگانه‌ای وجود دارند که دارای سیستم مبدل، فیلترها، مبدل‌ها و مبدل‌های DC/DC خود هستند. سیستم‌های استفاده‌کننده از ولتاژ مستقیم دارای مزیت اضافی هستند چرا که اجازه می‌دهند پنل‌های فتوولتائیک به خط انرژی مستقیم متصل شوند. ایستگاه باید همچنین دارای یک سیستم شمارنده باشد که میزان انرژی مصرفی در طول شارژ را محاسبه نماید و سیستم‌های محافظت از اضافه بار و جریان باقیمانده مناسب را در بر گیرد.

ایستگاه‌های شارژ و روش‌های شارژ خودروهای برقی

ایستگاه‌های شارژ (Charging stations) به منظور انتقال برق به باتری‌های خودروهای برقی (EV) و خودروهای پلاگین هیبریدی (PHEV) طراحی شده‌اند. این ایستگاه‌ها برای خودروهایی که فاقد موتور احتراق داخلی هستند و همچنین خودروهایی که از ترکیب هر دو نوع موتور بهره می‌برند، استفاده می‌شوند. خودروهای برقی و پلاگین هیبریدی مجهز به موتور الکتریکی و دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی‌اند که می‌توانند از منابع خارجی به راحتی شارژ شوند و در بزرگراه‌ها و جاده‌های عمومی حرکت کنند. فرآیند شارژ با تنظیم مناسب سطح ولتاژ و جریان‌ها صورت می‌گیرد. شارژرها را می‌توان به دو دسته خارجی و داخلی تقسیم کرد. شارژرهای خارجی به شبکه AC متصل می‌شوند و به مبدل AC/DC داخلی مجهز هستند تا انرژی DC لازم را به خودرو تأمین کنند. همچنین ایستگاه‌های شارژ تخصصی برای خودروهای خاص با استانداردهای ارتباطی مخصوص و قابلیت مدیریت شارژ طراحی می‌شوند. در مقابل، شارژرهایی که بر روی خودرو نصب شده‌اند، دارای سیستم مبدل داخلی هستند. استاندارد PN-EN 61851 “سیستم شارژ سیمی برای خودروهای برقی” [1] این شارژرها را به ۴ حالت تقسیم می‌کند. سه حالت اول به شارژرهای AC اختصاص داده شده‌اند، در حالی که حالت چهارم شامل شارژرهایی است که مبدل AC/DC داخلی دارند و انرژی را به شکل جریان مستقیم به خودرو منتقل می‌کنند.

حالت شارژ ۱، کندترین نوع شارژ محسوب می‌شود. این حالت فاقد سیستم‌های حفاظتی ضد شوک اختصاصی یا سیستم‌های ارتباطی بین شارژر و خودرو است. سیستم‌های حالت ۲ می‌توانند تا ۲۲ کیلووات توان شارژ را به دست آورند و دارای دو کانکتور اضافی به نام‌های Control Pilot و Proximity Plug هستند. این کانکتورها مسئول ارتباط بین خودرو و ایستگاه شارژ بوده و از جریان عبور ناخواسته در صورت عدم اتصال صحیح جلوگیری می‌کنند. به‌علاوه، ایستگاه‌های شارژ در این حالت به دستگاه‌های حفاظتی جریان باقیمانده مجهز ہیں. شارژرهای حالت ۳ به طور دائم به شبکه متصل می‌شوند و مشابه شارژرهای حالت ۲، دارای کابل‌های ارتباطی و حفاظتی هستند. آنها توان بالای ۲۲ کیلووات را ارائه می‌کنند. حالت چهارم شارژرها مجهز به مبدل AC/DC داخلی هستند و پلاگ این شارژرها با تماس‌های DC “+” و “-” طراحی شده است. این شارژرها سریع‌ترین زمان‌های شارژ و بالاترین توان‌ها را به ارمغان می‌آورند. برای ایمنی، تنها پلاگ‌های سمت خودرو باید دارای چنین ایستگاهی باشند [9].

ویژگی‌های شارژرهای حالت ۲، ۳ و ۴

شارژرهای حالت ۲، ۳ و ۴ باید به گونه‌ای طراحی شوند که امکان بررسی صحیح اتصال خودرو و تداوم ارتباط هادی محافظ وجود داشته باشد. همچنین این شارژرها باید قابلیت روشن و خاموش کردن منبع تغذیه را نیز داشته باشند. برای این حالت‌ها، وجود یک کابل کنترل که پین آن با علامت “Control pilot” مشخص شده است، الزامی است. شارژرهای کلاس ۲، ۳ و ۴ می‌توانند به صورت اختیاری با ویژگی‌های زیر تجهیز شوند:

• کنترل جریان قدرت به داخل و خارج خودرو،
• تنظیم و شناسایی جریان بار دستگاه‌های تأمین انرژی برای حفظ مقادیر بار مجاز،
• تنظیم نرخ شارژ با هدف اطمینان از شرایط و سرعت مناسب شارژ باتری،
• تنظیم تهویه دستگاه‌های تأمین انرژی.

علاوه بر این، خودرو باید سیستم حفاظتی داخلی برای جلوگیری از روشن شدن و حرکت ناخواسته حین شارژ باتری داشته باشد.

روش‌های حفاظت در ایستگاه‌های شارژ

چندین راهکار حفاظتی برای جلوگیری از برق‌گرفتگی در ایستگاه‌های شارژ در نظر گرفته شده است:

• عایق‌کاری اضافی یا تقویت شده،
• همسان‌سازی پتانسیل‌های تمامی عناصر فلزی،
• قطع خودکار برق،
• پوشش‌دهی،
• جداسازی عناصر خطرناک.

ایستگاه‌های شارژ در شرایط جوی متنوعی قرار دارند و باید آزمون‌های مناسب را برای تضمین عملکرد ایمن و حفاظت در برابر برق‌گرفتگی انجام دهند. این آزمایش‌ها باید در ولتاژ اسمی و حداکثر جریان صورت گیرد. ایستگاه شارژ باید در دماهای بین -۲۵ ˚C تا ۴۰ ˚C و رطوبت نسبی بین ۵ تا ۹۵ درصد مقاوم باشد. همچنین باید با فشار جوی از ۸۶۰ تا ۱۰۶۰ hPa سازگار شود. در دمای محیط حداکثر، عناصر دارای چنگش نباید دمای ۶۰ ˚C را برای عناصر غیر فلزی و ۵۰ ˚C را برای عناصر فلزی تجاوز کند. برای قسمت‌هایی که ممکن است تحت تأثیر شرایط محیطی قرار بگیرند، این دماها به ترتیب ۸۵ ˚C و ۶۰ ˚C است.

بر روی بدنه ایستگاه شارژ باید علامت‌گذاری مناسبی انجام گیرد که اطلاعات اصلی نظیر [2] را نمایش دهد:

• ولتاژ اسمی Un [V]،
• جریان اسمی In [A]،
• فرکانس اسمی fn [Hz]،
• نام تولیدکننده،
• شماره سریال دستگاه،
• تاریخ تولید،
• تعداد فازها،
• درجه IP،
• در صورتی که ایستگاه برای استفاده داخلی طراحی شده باشد، این اطلاعات باید درج شود.

سیگنال PWM و ارتباط بین ایستگاه شارژ و خودرو

برای برقراری ارتباط بین ایستگاه شارژ و خودرو از یک سیگنال PWM (Pulse Width Modulation) استفاده می‌شود. این سیستم کنترلی با مدولاسیون عرض پالس، عملکرد شارژر را مدیریت کرده و ایمنی دستگاه را تضمین می‌کند. با استفاده از این حالت کاری، از تنظیم دستی جریان شارژ باتری بی‌نیاز می‌شوید که این مورد به حفاظت در برابر تجاوز به حداکثر رتبه کابل کمک می‌کند که ممکن است به خرابی منجر شود. این ویژگی به ویژه در شارژرهای حالت ۲ و ۳ استفاده می‌شود. سیگنال PWM همچنین برای حفاظت از صندلی و کاربر در لحظه عدم اتصال صحیح یا نشستن نامناسب پلاگ در سوکت کاربرد دارد.

علاوه بر تماس‌های قدرت و زمین، پلاگ خودرو باید شامل دو تماس اضافی باشد [2]:

• تماس کنترل،
• تماس آزمون.

تماس کنترل برای برقراری ارتباط شارژر با خودرو از طریق سیگنال PWM به کار می‌رود. این سیستم اطلاعاتی مبنی بر صحیح بودن نصب پلاگ در سوکت و اتصال درست سیم حفاظتی و در نتیجه متصل بودن بدنه خودرو به زمین را دریافت می‌کند.

تماس آزمون به شناسایی صحیح اتصال پلاگ به سوکت و تعیین حداکثر جریانی که می‌تواند از طریق کابل عبور کند، کمک می‌کند بدون آنکه آسیبی به عایق وارد شود. آسیب به عایق ممکن است خطر برق‌گرفتگی را به همراه داشته باشد، از این‌رو این سیستم به عنوان حفاظتی در برابر برق‌گرفتگی عمل می‌کند.

سیستم‌های شارژ باتری

برای شارژ باتری، از سیستم‌های مبدل مناسبی استفاده می‌شود. ایستگاه‌های شارژ به شبکه برق متناوب با ولتاژ ۲۳۰ ولت و فرکانس ۵۰ هرتز متصل هستند. این سیستم‌ها معمولاً شامل یک توالی AC/DC/AC/DC می‌باشند. در ابتدا، یک سیستم یکسو کننده دیودی فعال می‌شود که مسئول یکسو کردن ولتاژ است. پس از آن، مبدل برق نصب می‌شود که ولتاژ مستقیم را به ولتاژ متناوب با فرکانس بالا تبدیل می‌کند. در نهایت، یک ترانسفورماتور ایزوله با فرکانس بالا به سیستم متصل می‌شود تا ایزولاسیون بین اینورتر و یکسو کننده را تضمین کند.

آخرین جزء، سیستم یکسو کننده است که ولتاژ شارژ مناسب را برای باتری فراهم می‌سازد. سه نوع مختلف سیستم یکسو کننده برای تأمین انرژی ایستگاه‌های شارژ وجود دارد:

• یکفاز ۲ پالسه،
• سه‌فاز ۶ پالسه،
• سه‌فاز ۱۲ پالسه که توسط ترانسفورماتورهای با اتصالات ستاره-مثلث Yd و ستاره-ستاره Yy تأمین می‌شود.

در سیستم‌های با توان پایین، از یکسو کننده‌های یکفاز ۲ پالسه و سه‌فاز ۶ پالسه بهره‌برداری می‌شود. اما در سیستم‌های با توان بالا، انتخاب بر روی سیستم‌های ۱۲ پالسه با یک هسته دوگانه یا دو ترانسفورماتور صورت می‌گیرد. استفاده از سیستم ۱۲ پالسه، نسبت به سیستم ۶ پالسه، تعداد هارمونیک‌های جریان را که از شبکه کشیده می‌شود کاهش می‌دهد. ولتاژ یکسو شده توسط چنین مبدلی نوسانات کمتری دارد. دو نوع مبدل DC/DC وجود دارد:

• سیستم غیر ایزوله،
• سیستم با ترانسفورماتور ایزوله.

این سیستم‌ها به منظور کاهش یا افزایش ولتاژ خروجی شارژ باتری به کار می‌روند. جریان خروجی سیستم می‌تواند به آرامی تنظیم شود تا سطح بهینه شارژ باتری تضمین گردد. سیستم‌های غیر ایزوله شامل یک ترانزیستور کنترل شده و یک فریت چوک هستند و قادر به تنظیم ولتاژ بدون نیاز به ترانسفورماتور می‌باشند. با این حال، مشکل این سیستم‌ها عدم ایزولاسیون بین طرف منبع تغذیه و بار است. از سوی دیگر، سیستم‌های ایزوله دارای یک ترانسفورماتور با فرکانس بالا هستند که ایزولاسیون گالوانیک بین طرف‌های اولیه و ثانویه را فراهم می‌آورد و این عایق نیز یک شکل اضافی از حفاظت در برابر شوک الکتریکی محسوب می‌شود.

استفاده از سیستم یکسو کننده‌ای که بر پایه عناصر دیود نیمه هادی غیرخطی عمل می‌کند، منبعی از هارمونیک‌های بالاتر جریان کشیده شده از شبکه است. جریان مصرفی این سیستم به شدت تحریف شده و منجر به اتلاف توان اکتیو اضافی در خطوط شبکه تأمین کننده ایستگاه‌ها و ترانسفورماتورهای تأمین قدرت می‌شود. رویکرد مدرن در ساخت سیستم‌های مبدل، به کارگیری سیستم دوسویه‌ای است که قابلیت تغذیه انرژی به شبکه را نیز دارد. این روش مزایای متعددی به دنبال دارد و می‌تواند به بهبود ثبات شبکه توزیع منجر شود. وسایل نقلیه متصل به این سیستم می‌توانند در زمان اوج تقاضای انرژی، انرژی را به شبکه منتقل کنند و در زمان‌هایی که تقاضا کم است، مانند شب‌ها بین ساعت ۹ تا ۷ صبح، انرژی مصرف نمایند. این تکنولوژی با نام «V2G» (Vehicle-to-Grid) شناخته می‌شود. در این حالت، اپراتور سیستم می‌تواند جریان انرژی را مشابه سیستم‌های SmartGrids کنترل کند. چنین سیستم‌هایی می‌توانند به عنوان منبعی از توان ذخیره و همچنین برای تثبیت سطح ولتاژ در شبکه‌های فشار ضعیف عمل کنند. در این سیستم، به جای پل‌های دیودی، سیستم‌های مبدل مبتنی بر ترانزیستورهای با دروازه ایزوله (IGBT) یا ترانزیستورهای MOSFET قدرت ساخته شده از نیترید گالیم (GaN) یا کاربید سیلیکون (SiC) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم شامل یک مبدل AC/DC دوطرفه و یک مبدل DC/DC است. مبدل AC/DC به عنوان یک یکسو کننده فعال یا اینورتر در حالت تغذیه انرژی به شبکه عمل می‌کند. استفاده از یک یکسو کننده کنترل شده، دامنه هارمونیک جریان کشیده شده از شبکه را کاهش می‌دهد و در نتیجه مصرف جریان سینوسی بدون تحریف را به همراه دارد. مقدار THD هارمونیک زیر ۵٪ است. این سیستم همچنین می‌تواند به عنوان یک compensator برای توان راکتیو در شبکه عمل نماید.

سیستم‌های مدرن می‌توانند به‌طور اضافی به سیستم‌های جداسازی فعال تجهیز شوند که هدف آن افزایش ولتاژ است. با استفاده از چنین سیستمی، امکان جایگزینی خازن‌های الکترولیتی که بخش اعظم حجم و جرم شارژر را اشغال می‌کنند وجود دارد و می‌توان از خازن‌های فیلم پلی پروپیلن بهره گرفت.

ایمنی نصب ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی

ایستگاه‌های شارژ معمولاً با ولتاژهای متناوب تا ۱۰۰۰ ولت تأمین می‌شوند. سطح ولتاژ ممکن است تا حدود ±۱۰٪ Un تغییر کند و فرکانس منبع انرژی باید ۵۰ هرتز ±۱٪ باشد. ایستگاه‌های شارژ باید دارای منبع برق باتری اضافی باشند که قفل پریز را آزاد کرده و اجازه جدا کردن کابل را می‌دهد.

خودروی بارگذاری شده به ایستگاه شارژ از طریق مجموعه کابلی که شامل یک کابل انعطاف‌پذیر و یک کانکتور یا سوکت است، متصل می‌شود. این کابل شامل:

• کابل‌های برق و کنترل که مسئول ارتباط و کنترل هستند،
• سیم زمین.

پیوستگی کابل بین خودرو و ایستگاه شارژ باید در تمام مدت فرآیند شارژ به‌طور مداوم بررسی شود.

پریز باید به یک دستگاه مکانیکی مجهز باشد که از جدا شدن کابل در حین فرآیند شارژ جلوگیری کند. هنگامی که پریز به سوکت متصل می‌شود، اتصال زمین باید پیش از سایر اتصالات برقرار شود و سپس اتصالات کنترل برقرار گردد. هنگام جدا کردن، آخرین هادی‌ای که باید جدا شود هادی حفاظتی خواهد بود.

استاندارد [2] استفاده از آداپتورهای مختلف برای انواع سوکت‌ها و پریزها را ممنوع می‌کند. استفاده از چنین آداپتورهایی تنها در موارد خاصی که توسط تولیدکننده خودرو مشخص شده قابل قبول است و آنها باید به‌طور ویژه علامت‌گذاری شوند.

سه نوع سیستم اتصال سیم وجود دارد:

• کابل به صورت دائم به خودرو متصل است و با یک پریز قابل جداسازی در سمت AC شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• اتصال ایستگاه شارژ به خودرو با استفاده از کابلی که در هر دو طرف قابل جداسازی است، صورت می‌گیرد.
• کابل به صورت دائم به ایستگاه شارژ، که منبع برق متناوب است، متصل است و با یک پریز مناسب به خودرو وصل می‌شود.

ولتاژها و جریان‌های کابل

ولتاژها و جریان‌های نامی کابلی باید با مقادیر نامی یکسوکننده (rectifier) به دقت مطابقت داشته باشند. انتخاب ولتاژ نامی هسته‌های کابل باید به گونه‌ای صورت گیرد که با ولتاژ شارژ ایستگاه همخوانی داشته باشد. همچنین، جریان نامی کابل باید با جریان نامی کلید محافظ (circuit breaker) سازگار باشد. به علاوه، کابل باید از مشخصات لازم همچون استحکام مکانیکی کافی، مقاومت در برابر آتش، اشعه UV و مواد شیمیایی برخوردار باشد. طول حداکثر کابل متصل به خودرو نمی‌تواند از 5 تا 10 متر بیشتر باشد، که این مقدار بسته به منطقه جغرافیایی ممکن است متفاوت باشد.

سوکت‌ها و دوشاخه‌ها برای شارژ خودروهای برقی

سوکت‌ها و دوشاخه‌هایی که برای شارژ خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند باید مبتنی بر توان و نوع جریان انتخاب گردند و دارای درجه IP مناسبی باشند. این درجه برای عناصر فردی بسته به محل نصب شارژر می‌تواند متفاوت باشد که به دو دسته داخلی و خارجی تقسیم می‌شود.

ایزولاسیون و کلاس‌های شارژر

در فرآیند ساخت ایستگاه شارژ، ایزولاسیون قسمت‌های خطرناک از اهمیت بالایی برخوردار است. ایستگاه‌های شارژ خودرو به دو کلاس I و II تقسیم می‌شوند. شارژرهای کلاس I مجهز به ایزولاسیون پایه و یک اتصال محافظ هستند که از آسیب دیدن جلوگیری می‌کند. در این نوع شارژر، تمامی قسمت‌های در معرض خطر به یک ترمینال محافظ وصل می‌شوند. در مقابل، شارژرهای کلاس II دارای ایزولاسیون پایه و ایزولاسیون اضافی هستند که کابل را در برابر آسیب‌ها محافظت می‌کند و این نوع شارژرها به گیره محافظ (protective clamp) مجهز نیستند [5].

تنش‌های الکتریکی و آزمایشات ایمنی

پس از قطع اتصال شارژر، حداکثر ولتاژی که ممکن است بین قسمت‌های فعال یا بین قسمت‌های فعال و زمین ایجاد شود، برابر با ولتاژ پیک 42.4 ولت یا ولتاژ DC 60 ولت است. انرژی ذخیره شده میان این قسمت‌ها نباید بیشتر از 20 ژول باشد. به علاوه، کابل‌ها و بدنه ایستگاه شارژ باید در برابر سوراخ‌کاری مقاوم باشند. آزمایش شرایط شکست شامل اعمال ولتاژی به مراتب بالاتر است. در مورد ایزولاسیون کلاس I، این ولتاژ برابر با Un + 1200 V ولتاژ موثر است که در آن Un ولتاژ شارژ میان فاز هادی و سیم خنثی در سیستم زمین‌دار محسوب می‌شود. این تست باید به مدت 1 دقیقه انجام گیرد. برای ایزولاسیون کلاس II، ولتاژ مشخص باید 2*(Un+1200) V باشد. آزمون می‌تواند برای ولتاژ متناوب با فرکانس 50 یا 60 هرتز یا ولتاژ مستقیم انجام شود، در این حالت مقدار ولتاژ مستقیم باید برابر با مقدار ولتاژ پیک متناوب باشد. مقدار مقاومت برای ایزولاسیون کلاس I باید بیشتر از 1 مگااهم (MΩ) و برای ایزولاسیون کلاس II باید 7 مگااهم باشد.

دستگاه‌های جاری باقی‌مانده و الزامات ایمنی

ایستگاه‌های شارژ بایستی به یک دستگاه جاری باقی‌مانده (residual current device, RCD) مجهز گردند. این دستگاه مسئول عبور جریان تحت شرایط عملیاتی نرمال و قطع مدار شارژ زمانی است که جریان تفاضلی به مقدار آستانه می‌رسد. دستگاه جاری باقی‌مانده باید دارای مشخصه A طبق استاندارد PN-EN 61008-1 باشد، که به کلیدهای مدار جاری باقی‌مانده بدون حفاظت داخلی در برابر اضافه بار برای استفاده خانگی و مشابه (RCCB) مربوط می‌شود – قسمت 1: مفاد عمومی [3]. این دستگاه همچنین در صورت بروز خطای اتصال یا اتصال نادرست از تماس غیرمستقیم محافظت می‌کند. دستگاه جاری باقی‌مانده باید عملکرد صحیح را برای حد آستانه جریان باقی‌مانده‌ای که بیشتر از IΔn < 30 میلی‌آمپر و نشت جریان DC بالاتر از 6 میلی‌آمپر نباشد، ضمانت کند. سیستم شارژ باید به گونه‌ای طراحی شود که جریان‌های مستقیم غیرسینوسی و هارمونیک اضافی که می‌توانند عملکرد دستگاه جاری باقی‌مانده را مختل کنند، وارد نشوند. انتخاب سوئیچ مناسب به مشخصات ایستگاه شارژ و استانداردهای ایمنی بستگی دارد.

خلاصه

به تازگی، شارژ با جریان متناوب (AC) تبدیل به یک روش بسیار مرسوم و رایج برای شارژ باتری‌های خودرو شده است. طراحی‌های ایستگاه شارژ موجود در بازار دارای مبدل‌های الکترونیکی با توان بالایی هستند که به دلیل ویژگی‌هایشان می‌توانند باتری را در کمتر از نیم ساعت شارژ کنند، به همین دلیل شاهد رشد محبوبیت آنها هستیم. گسترش بازار خودروهای الکتریکی به ایجاد طراحی‌ها و استانداردهای متعدد برای سیستم‌های شارژ منجر شده است. انتخاب یک راه‌حل خاص وابسته به نوع دسترسی به شبکه الکتریکی، نوع جریان شارژ و استانداردهای مورد استفاده سازندگان خودرو می‌باشد. هر ایستگاه شارژ باید به تمامی الزامات ایمنی پاسخگو باشد. دستگاه‌های الکتریکی باید از ایزولاسیون کافی، دستگاه‌های حفاظتی از جمله دستگاه‌های جاری باقی‌مانده و استانداردهای ارتباطی برخوردار باشند که تنها پس از اتصال به خودرو، امکان شارژ را فراهم می‌کنند. سیستم‌های الکترونیکی قدرت جزء بسیار مهمی از ایستگاه شارژ DC محسوب می‌شوند. نصب این سیستم باید از وقوع شوک الکتریکی و ولتاژ اضافی جلوگیری کند تا برای کاربر و نصب الکتریکی امنیت لازم را فراهم آورد.

نصب نادرست معمولاً منجر به بروز مشکلاتی از قبیل بارگذاری بیش از حد شبکه و نشت جریان مستقیم می‌شود. در حالت اول، فیوز مربوطه خواهد شکست زیرا جریانی که ایستگاه شارژ مصرف می‌کند بسیار بالا خواهد بود. اما در حالت دوم، RCD فعال خواهد شد و ولتاژ را در زمانی که جریان مستقیم به دلیل آسیب به ایزولاسیون سیم‌های نصب DC یا مشکل در الکترونیک قدرت داخلی ظهور می‌یابد، قطع خواهد کرد.

الزامات استاندارد

با توجه به اطلاعات موجود در استانداردهای PN-HD 60364-7-722:2019-01 [4] و PN-IEC 60364-4-41:2000 [5]، برای استفاده صحیح از ایستگاه‌های شارژ خودروهای الکتریکی، این ایستگاه‌ها باید دارای عملکردهای زیر باشند:

• تأیید اتصال صحیح وسیله نقلیه به ایستگاه شارژ،
• امکان اعمال ولتاژ به خروجی ایستگاه فقط پس از اتصال صحیح وسیله نقلیه،
• آزمایش پیوستگی به صورت زنده از هادی حفاظتی،
• قطع ولتاژ در خروجی ایستگاه پس از خرابی مدار کنترل یا ارائه اطلاعات در مورد حداکثر جریان شارژ مجاز به وسیله نقلیه در حال شارژ،
• تضمین خاموش شدن خودکار،
• ایزولاسیون دوگانه یا تقویت‌شده،
• جداسازی گالوانیک،
• منبع تغذیه SELV/PELV.

مرکز طراحی ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی

یک ایستگاه شارژ خودروهای برقی که به‌طور صحیح طراحی شده باشد، باید به یک سوئیچ مجهز باشد که توانایی قطع منبع تغذیه را در صورت شناسایی نشت جریان مستقیم (DC Leakage) دارا باشد. توجه به محل نصب این سوئیچ بسیار مهم است. مدارک استاندارد، به‌طور صریح مشخص نمی‌کنند که این سوئیچ باید در کدام سمت ایستگاه شارژ یا تأسیسات الکتریکی قرار گیرد.

منابع

• [1] PN-EN 61851-1:2019-10 سیستم شارژ سیمی برای خودروهای برقی – قسمت 1: الزامات عمومی.
• [2] PN-EN 62196-1 سوکت‌ها، پریزها، اتصالات خودرو و پریزهای خودرو – شارژ سیمی خودروهای برقی – قسمت 1: الزامات عمومی.
• [3] PN-EN 61008-1:2013-05 – قطع‌کننده‌های مدار جریان باقی‌مانده بدون حفاظت در برابر اضافه‌بار برای مصارف خانگی و مشابه (RCCB) – قسمت 1: عمومی.
• [4] PN-HD 60364-7-722:2019-01 تأسیسات الکتریکی با ولتاژ پایین. الزامات برای تأسیسات یا مکان‌های خاص – تأمین برق برای خودروهای برقی.
• [5] PN-IEC 60364-4-41:2000 تأسیسات الکتریکی در ساختمان‌ها – حفاظت برای ایمنی – حفاظت در برابر شوک الکتریکی.
• [6] Chudy, A.; Stryczewska, H. D. شارژ خودروهای برقی – جنبه‌های کیفیت توان و سازگاری الکترومغناطیسی. نشریه اتوماسیون، الکترونیک و مهندسی برق، 1 (2019)، 17-22.
• [7] Islam M., Shareef H., Mohamed A., مرور تکنیک‌ها برای جایگذاری و اندازه‌گیری بهینه ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی، Przegląd Elektrotechniczny، R. 91، nr 8 (2015).
• [8] Yong, J. Y.; Ramachandaramurthy, V. K.; Tan, K. M.; Mithulananthan, N. ایستگاه شارژ سریع خودروهای برقی دوطرفه با جبران توان راکتیو نوآورانه برای تنظیم ولتاژ، نشریه بین‌المللی توان الکتریکی و سیستم‌های انرژی، 64 (2015)، 300-310.
• [9] Chudy, A.; Mazurek, P. الکترومبیل‌سازی – اهمیت کیفیت توان و پایداری محیطی. J. Ecol. Eng., 20 (2019)، شماره 10، 15-23.
• [10] Pilimon Ł, Jarnut M., Szott M. سیستم آزمایش بازیابی برای ایستگاه شارژ خودروهای برقی، Przegląd Elektrotechniczny، R. 98، nr 3 (2022).
• [11] منبع 11
• [12] منبع 12
• [13] منبع 13
• [14] منبع 14

نویسنده: دکتر مهندس مارتا باکتکیویچ-پانتولا، دانشگاه علوم و فناوری وروسواو، دانشکده مهندسی برق، بخش برق قدرت، خیابان ویبریژه ویسپیانسکی 27، 50-370 وروسواو، ایمیل: marta.batkiewicz-pantula@pwr.edu.pl

شناسه منبع و ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN 0033-2097، R. 100 NR 6/2024. doi:10.15199/48.2024.06.58

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

پست‌های بیشتری را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

چرا استفاده از خودروهای برقی افزایش یافته است؟

به دلیل مزایای زیست‌محیطی و صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی.

چطور می‌توان ایستگاه شارژ خانگی نصب کرد؟

با دریافت مجوزهای لازم و انتخاب تجهیزات مناسب.

آیا ایستگاه‌های شارژ سریع وجود دارد؟

بله، ایستگاه‌های شارژ سریع وجود دارد که زمان شارژ را به حداقل می‌رساند.

سیستم‌های شارژ چگونه کار می‌کنند؟

سیستم‌های شارژ با تبدیل ولتاژ AC به DC و تأمین انرژی به نقاط شارژ کار می‌کنند.

منبع: powerquality.blog