تحولات در شارژ سریع وسایل نقلیه الکتریکی

بررسی اجمالی

متدولوژی شارژ فوق سریع، معماری ایستگاه‌های شارژ فوق سریع و پیشرفت فناوری باتری، از جمله روندهای امیدوارکننده برای تسریع در شارژ وسایل نقلیه الکتریکی به شمار می‌روند.

وسایل نقلیه الکتریکی (EV) دارای پتانسیل قابل توجهی برای کاهش کربن در بخش حمل و نقل هستند. اما یکی از بزرگترین موانع در پذیرش حمل و نقل الکتریکی، مدت زمان لازم برای شارژ این وسایل است. یک خودرو با سوخت فسیلی تنها به ۱۵ دقیقه یا کمتر برای سوخت‌گیری نیاز دارد. لذا برای ترغیب افراد به استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی، زمان شارژ باید به گونه‌ای باشد که با زمان سوخت‌گیری خودروهای سنتی برابری کند.

شارژ سریع و حل مشکل اضطراب برد

شارژ سریع به عنوان یک راهکار مؤثر برای کاهش اضطراب برد (Range Anxiety) که ممکن است در خصوص وسایل نقلیه الکتریکی ایجاد شود، شناخته می‌شود. روندهای مختلفی از جمله شارژ فوق سریع، باتری‌های با ظرفیت بالاتر و معماری‌های ایستگاه‌های شارژ توان بالا، در این زمینه مشاهده می‌شود.

شارژ فوق سریع، آینده است

شکل ۱ نشان می‌دهد که تقاضای انرژی برای وسایل نقلیه الکتریکی در آینده نزدیک به شکل چشمگیری افزایش خواهد یافت. این تقاضا در سه اقتصاد نوظهور که به پذیرش وسایل نقلیه الکتریکی کمک می‌کند، در نظر گرفته می‌شود. تصویر موجود در شکل ۲ به اهمیت شارژ سریع در سال‌های آینده اشاره دارد. در واقع، شارژ سریع جزئی جدایی‌ناپذیر از نقشه راه هر اقتصاد در حال توسعه برای افزایش استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی محسوب می‌شود. انتظار می‌رود که سهم شارژ سطح ۲ و DC در کل تقاضای انرژی افزایش یابد.

شارژرهای سریع DC به توان ۵۰ کیلووات اشاره دارند و به تدریج به سمت شارژ فوق سریع پیش می‌روند. بیشتر رانندگان تمایل دارند که باتری وسایل نقلیه الکتریکی خود را در مدت ۱۵ دقیقه شارژ کنند که این امر از منظر فناوری چالش‌برانگیز است. برخی از مدل‌های تجاری وسایل نقلیه الکتریکی که از این فناوری شارژ سریع بهره می‌برند شامل Mini Cooper SE، BMW i3، Hyundai Kona، Tesla Model ۳ و Tesla Model S هستند. ظرفیت باتری این وسایل نقلیه از ۲۵ تا ۹۵ کیلووات ساعت متغیر است و دامنه آن‌ها نیز بین ۱۸۰ کیلومتر تا ۵۱۵ کیلومتر می‌باشد.

فناوری باتری بهتر

با پیشرفت وسایل نقلیه الکتریکی، انتظار می‌رود که ظرفیت باتری آن‌ها بهبود یابد. اگرچه پیشرفت در فناوری الکترونیک قدرت می‌تواند به شارژ فوق سریع کمک کند، اما محدودیت‌های فناوری باتری کنونی نیز سرعت شارژ این وسایل را محدود می‌سازد. ظرفیت انرژی یکی از پارامترهای مهم باتری است که باید در وسایل نقلیه الکتریکی با دامنه بلند به آن توجه شود. باتری‌های لیتیم-یون، تناسب بیشتری با وسایل نقلیه الکتریکی دارند و از دیگر فناوری‌های باتری برتر هستند. این نوع باتری‌ها دارای چگالی انرژی و توان بالاتری نسبت به رقبای خود هستند و به همین دلیل به حل مشکلات اضطراب برد وسایل نقلیه الکتریکی کمک می‌کنند.

ترکیب مواد الکترودها در باتری لیتیم-یون مسئله کلیدی در تعیین چگالی انرژی این فناوری است. باتری‌های لیتیم-یون می‌توانند در مدت ۱۵ دقیقه با چگالی انرژی حدود ۱۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم و یا بیشتر شارژ شوند. شرکت CATL از گرافیت و لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NMC) به عنوان آند و کاتد استفاده کرده است که این امکان را فراهم می‌آورد تا چگالی انرژی باتری به ۲۱۵ وات ساعت بر کیلوگرم برسد. همچنین، شرکت کوکام نیز از همین ترکیب برای تولید باتری‌هایی با چگالی انرژی ۱۵۲ وات ساعت بر کیلوگرم استفاده می‌کند. انوویت نیز از ترکیبات سیلیکون و NMC به عنوان آند و کاتد برای دستیابی به چگالی انرژی ۳۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم بهره می‌برد.

مدیریت حرارتی یکی دیگر از چالش‌های جدی در مدیریت باتری است. با افزایش چگالی انرژی و توان باتری‌ها، نظارت بر شیوه‌های مناسب مدیریت حرارتی ضروری است. گرمازدگی به عنوان یک مشکل کلیدی در مدیریت حرارتی وسایل نقلیه الکتریکی شناخته می‌شود، چرا که طراحی نادرست بسته باتری می‌تواند منجر به اتلاف گرما و حوادثی شود که در آن باتری آتش می‌گیرد و تمام وسیله نقلیه آسیب می‌بیند. همچنین، عملکرد باتری وسایل نقلیه الکتریکی تحت تأثیر دماهای پایین قرار می‌گیرد. باتری‌های لیتیم-یون تمایل دارند در شارژ و دشارژ در دماهای پایین عملکرد کندی داشته باشند. به همین دلیل، در این موارد، حفظ دمای مناسب باتری با استفاده از گرمایش ملایم، بدون گرم شدن بیش از حد بسته باتری، ضروری است. یک مشکل دیگر در مدیریت حرارتی باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی، پدیده «فرار حرارتی» است که زمانی رخ می‌دهد که افزایش دما به گرمایش بیشتر باتری‌ها منجر شود در صورتی که دما به درستی تنظیم نشود.

معماری ایستگاه‌های شارژ فوق سریع

ایستگاه‌های شارژ فوق سریع نیاز به یک معماری منحصر به فرد دارند تا بتوانند شارژ سریع وسایل نقلیه الکتریکی مختلف را فراهم کنند. این ایستگاه‌ها عمدتاً در بزرگراه‌های بین‌المللی که شارژ منظم برای وسایل نقلیه الکتریکی ضروری است، مورد انتظارند. ایستگاه‌های شارژ سریع تسلا شامل تقریبا ۱۰ تا ۱۲ شارژر سریع جریان مستقیم با هر کدام ظرفیت ۱۵۰ کیلووات هستند. بنابراین، یک ایستگاه شارژ سریع معمولی باید با ظرفیت ۱.۵ تا ۱.۸ مگاوات طراحی شود. به همین دلیل، استفاده از شبکه متوسط ولتاژ برای این سطح از قدرت توصیه می‌شود. شبکه‌های ولتاژ پایین قادر به مدیریت این قدرت بالا نبوده و ممکن است بار اضافی به ترانسفورماتورهای مورد استفاده تحمیل کنند.

شکل ۳ یک ایستگاه شارژ فوق سریع مبتنی بر شبکه توزیع AC را نمایش می‌دهد. این معماری از چندین مبدل AC به DC بهره‌برداری می‌کند که به هر نقطه شارژ اختصاص داده شده‌اند. شبکه توزیع AC در حال حاضر به عنوان یکی از بالغ‌ترین معماری‌ها شناخته می‌شود و از نظر تجاری به آسانی قابل اجراست.

ایستگاه شارژ فوق سریع مبتنی بر شبکه توزیع DC

تصویر ۴ نمایی از ایستگاه شارژ فوق سریع با فناوری نوین شبکه توزیع DC را ارائه می‌دهد. این معماری به دلیل کارایی بالا و پتانسیل تجاری‌سازی، در حال حاضر در دست تحقیق و بررسی است. در این طرح، از یک ساختار ساده‌تر استفاده می‌شود که تعداد مراحل تبدیل آن کاهش یافته است. یک مبدل AC به DC واحد به کار می‌رود و سپس قدرت DC به تمامی نقاط شارژ توزیع می‌گردد. آینده این شبکه مبتنی بر DC امیدوارکننده است، به ویژه با توجه به استفاده از ترانسفورماتورهای حالت جامد (Solid State Transformer) در مرحله تبدیل اولیه، که به جای ادغام شبکه ولتاژ متوسط و مراحل تبدیل AC به DC کارایی بیشتری به سیستم می‌بخشد. این تکنولوژی منجر به بهبود کارآیی کلی سیستم با استفاده از مکانیزم کنترل باتری مبتنی بر الکترونیک قدرت می‌گردد.

تصویر ۴. ایستگاه شارژ فوق سریع مبتنی بر شبکه توزیع DC. تصویر با لطف IEEE Open Journal of Power Electronics استفاده شده است.

تحلیل معماری ایستگاه شارژ فوق سریع مبتنی بر شبکه توزیع AC

تصویر ۵ به تحلیل عمیق‌تری در مورد توپولوژی‌های مختلف مبدل‌های الکترونیک قدرت ایستگاه شارژ فوق سریع مبتنی بر شبکه توزیع AC می‌پردازد. این طراحی شامل مراحل تبدیل قدرت AC به DC و DC به DC است. مرحله تبدیل AC به DC که به عنوان مرحله اصلاح ضریب قدرت شناخته می‌شود، نخستین گام از دو مرحله تبدیل قدرت در شارژ سریع محسوب می‌گردد. سه توپولوژی متداول در این مرحله شامل یکسوکننده وین (Vienna Rectifier)، یکسوکننده منبع ولتاژ دو سطحی متداول و یکسوکننده چندپولسی (multi-pulse rectifier) هستند. ویژگی مشترک تمام این توپولوژی‌ها، سادگی در طراحی، توانایی بالای اطمینان و قابلیت جذب جریان ورودی با اعوجاج هارمونیکی پایین است. مرحله دوم، مرحله تبدیل DC به DC را در بر می‌گیرد؛ در این مرحله، سه توپولوژی رایج شامل مبدل LLC نیمه پل (Half-Bridge LLC)، مبدل باکت متناوب (interleaved buck converter) و مبدل پل فعال دوگانه (dual active bridge converter) به کار می‌روند. این توپولوژی‌ها می‌توانند جداسازی گالوانیک میان وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه را فراهم آورده و به افزایش قابلیت اطمینان عمومی ایستگاه شارژ کمک کنند.

تصویر ۵. توپولوژی‌های مختلف الکترونیک قدرت برای شارژ سریع DC. تصویر با لطف IEEE Open Journal of Power Electronics استفاده شده است.

مزایای ساختار مدولار مبدل‌های الکترونیک قدرت در شارژ سریع DC

ساختار مدولار مبدل‌های الکترونیک قدرت در شارژ سریع DC از جنبه‌های متعددی مفید واقع می‌شود. این طراحی باعث توزیع یکنواخت فشار ولتاژ و جریان در میان ماژول‌های مختلف می‌گردد. هر ماژول می‌تواند به نیازهای خاص خود در زمینه ولتاژ واکنش نشان دهد. بنابراین، مدولار بودن این امکان را فراهم می‌آورد که ظرفیت‌های متفاوتی از ولتاژ و توان در یک ایستگاه شارژ فوق سریع موجود باشد. همچنین با توجه به فاصله معقول بین ماژول‌ها، امکان خنک‌سازی مناسب برای هر کدام فراهم می‌شود. به طور کلی، در آینده ظرفیت مدیریت قدرت یک ایستگاه شارژ فوق سریع می‌تواند با افزودن یا حذف ماژول‌های خاص افزایش یا کاهش یابد.

نکات کلیدی در شارژ سریع وسایل نقلیه الکتریکی

حمل و نقل الکتریکی در حال حاضر با برخی روندهای جدید در زمینه شارژ سریع روبرو است. این مقاله به بررسی چند روند مهم پرداخته و آن‌ها را به اختصار توضیح خواهد داد. از جمله نکات برجسته این مقاله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شارژ فوق سریع به زمان کمتری برای شارژ باتری وسایل نقلیه الکتریکی نیاز دارد.
• فناوری باتری نقشی محوری را ایفا خواهد کرد، با چالش‌های عمده‌ای نظیر افزایش انرژی و ظرفیت باتری مواجه خواهد بود.
• افزایش ظرفیت باتری همچنین نیازمند توجه به مسائل مدیریت حرارتی مهم است. عواملی مانند افزایش دما، شرایط اقلیمی سرد و عدم تعادل حرارتی باید مورد بررسی قرار گیرد.
• ایستگاه‌های شارژ فوق سریع مبتنی بر توزیع AC و DC هر دو معمارهای با پتانسیل بالا برای پاسخگویی به نیازهای شارژ سریع هستند. معماری مبتنی بر AC به اندازه کافی پخته بوده و نقطه شروع مناسبی به شمار می‌آید.
• با این حال، معماری مبتنی بر DC به سرعت در حال gaining popularity می‌باشد، به دلیل ظهور ترانسفورماتورهای حالت جامد که می‌توانند کنترل دقیق‌تر و مراحل تبدیل ساده‌تری را ارائه دهند.

این پست بر اساس یک مقاله تحقیقاتی در IEEE Open Journal of Power Electronics نوشته شده است.

مولف

راکش کومار (Rakesh Kumar) دارای دکتری در مهندسی برق و تخصص در الکترونیک قدرت از مؤسسه فناوری ولاور (Vellore Institute of Technology) در هند است. او عضو ارشد IEEE از سال ۲۰۲۱ و همچنین عضو جامعه الکترونیک قدرت IEEE (PELS) می‌باشد. راکش به عنوان عضو کمیته آموزش PELS IEEE فعالیت می‌کند و به نوشتن مقالات فنی با کیفیت بالا و جذاب برای جامعه EE Power علاقه‌مند است. می‌توانید از طریق ایمیل rakesh.a@ieee.org با او ارتباط برقرار کنید.

منبع: https://eepower.com/technical-articles/trends-in-electric-vehicle-fast-charging/

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

شارژ فوق سریع چیست؟

شارژ فوق سریع به فرایند شارژ وسایل نقلیه الکتریکی با سرعت بالا اطلاق می‌شود که زمان شارژ را به حداقل می‌رساند.

چگونه ظرفیت باتری بر شارژ سریع تأثیر می‌گذارد؟

ظرفیت باتری یکی از عوامل کلیدی در تعیین سرعت شارژ است و باتری‌های با ظرفیت بالاتر می‌توانند سریع‌تر شارژ شوند.

ایستگاه‌های شارژ چه ویژگی‌هایی دارند؟

ایستگاه‌های شارژ فوق سریع از تکنولوژی‌های پیشرفته‌ای بهره می‌برند که می‌توانند چندین خودرو را به طور همزمان شارژ کنند.

منبع: powerquality.blog