بررسی فناوری شارژ خودروهای برقی (EV)

در صورتی که مقالات پیشین ما درباره خودروهای برقی تحت عنوان آینده خودروهای برقی و نگرانی‌ها درباره آن (درباره خودروهای برقی و آینده باتری‌های لیتیومی) و تأثیر حضور خودروهای برقی بر شبکه توزیع کشور (درباره چالش‌هایی که دولت در صورت تولید انبوه این خودروها با آن‌ها مواجه می‌شود) مطالعه نکردید، بهتر است ابتدا به آن‌ها مراجعه کنید و سپس این مقاله را مطالعه بفرمایید.

در این مقاله فناوری‌های روز شارژ خودروهای برقی تشریح شده. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

بخش اول: معرفی

نگرانی فزاینده انتشار دی اکسید کربن، اثرات گلخانه‌ای و کاهش سریع سوخت‌های فسیلی، ضرورت تولید و اتخاذ جایگزین‌های نو و پایدار که با محیط زیست سازگاری بیشتری دارند را برای وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی (ICE) افزایش می‌دهد. به همین دلیل در یک دهه گذشته، تولید خودروهای برقی به نوعی گسترش یافته است. با این حال، یک مشکل حیاتی مرتبط با EVها این است که نفوذ بالای آن‌ها باعث مشکلات قابل توجهی در شبکه توزیع برق می‌شود، مانند: افت کیفیت توان، افزایش آسیب خط، رکود و کاهش ترانسفورماتورهای توزیع، افزایش اعوجاج و جریان خطای بالاتر. یک رویکرد کارآمد برای کاهش این اثرات نامطلوب ادغام تولید برق محلی مانند منابع انرژی تجدیدپذیر – Renewable Energy Source (RES) در زیر ساخت شارژ خودروهای برقی می‌باشد.

باتری‌ها را می‌توان از طریق روش‌های رسانا یا القایی شارژ کرد. شارژرهای القایی سیستم‌های شارژ بی‌سیم – wireless charging systems (WCS) هستند. WCS می‌تواند ثابت باشد، به این معنی که آن‌ها را فقط می‌توان زمانی استفاده کرد که خودرو پارک کرده یا در حالت‌های ثابت مانند پارکینگ خودروها، گاراژها، پشت چراغ‌های راهنمایی و رانندگی قرار گیرد، یا اینکه می‌تواند پویا باشد.

حالت پویا امکان شارژ باتری را در حالی که وسیله نقلیه در حرکت است فراهم می‌کند. به طور کلی، WCS می‌تواند مزایایی را در قالب کیفیت، زیبایی، قابلیت اطمینان، دوام و کاربر پسند بودن به ارمغان بیاورد. به هر حال، به دلیل برخی چالش‌ها از جمله مسائل مربوط به سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، محدودیت در انتقال توان، سازه‌های حجیم و گران‌قیمت، برد کوتاه‌تر، راندمان پایین‌تر، شارژرهای القایی تا حد زیادی تجاری نشده‌اند و از روش رسانا استفاده می‌شود. در این مقاله فقط استراتژی‌های شارژ رسانا تحلیل می‌شوند.

براساس رتبه‌بندی توان، شارژرهای باتری EV را می‌توان به سطح 1، سطح 2 و سطح 3 تقسیم کرد. جدول زیر مشخصات سه سطح مختلف توان را خلاصه می‌کند:

یک شارژر باتری می‌تواند جریان برق یک‌طرفه یا دوطرفه را در تمام سطوح توان ایجاد کند. جریان برق دوطرفه به تعامل شبکه با وسیله نقلیه – grid-to-vehicle (G2V) و همچنین خودرو با شبکه – vehicle-to-grid (V2G) می‌افزاید. این فناوری می‌تواند بهبود قابل توجهی در قابلیت اطمینان شبکه توزیع به همراه داشته باشد. زیرا در صورت خرابی سیستم، تقاضای پیک بار یا سایر سناریوهای غیرمنتظره، با جریان برق دو طرفه، EVها می‌توانند به عنوان تولید پشتیبان برای تأمین انرژی مورد استفاده قرار گیرند و در صورت نیاز انرژی را به شبکه برگردانند.

باتری خودروهای برقی V2G مانند تمام سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌تواند نه تنها به عنوان منبع پشتیبان، بلکه برای بهبود کیفیت برق، پایداری و هزینه عملیاتی شبکه توزیع مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، در دراز مدت، V2G می‌تواند سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های جدید تولید برق را کاهش دهد.

نه تنها انتخاب فناوری شارژ، بلکه انتخاب روش شارژ صحیح نیز مشخصه‌ای است که باید در طول فرایند شارژ مورد توجه قرار گیرد. محبوب‌ترین استراتژی‌های شارژ برای شارژ باتری‌های لیتیوم-یون، روش‌های شارژ جریان ثابت/ولتاژ ثابت (CC/CV) و جریان پالس است. با این حال، این روش‌ها چندین فرایند داخلی باتری را که بر قابلیت شارژ و پیری آن تأثیر می‌گذارد، در نظر نمی‌گیرند. در نتیجه، برخی استراتژی‌های شارژ که مبتنی بر مدل‌های کامل‌تر باتری‌های لیتیوم-یونی هستند، اکنون در دست تحقیق می‌باشند.

هزینه تولید باتری‌های EV و دستگاه‌های الکترونیک قدرت مدام در حال کاهش است. با کاهش هزینه‌ها، روند چگالی انرژی باتری‌های EV، وزن ناخالص و عملکرد دستگاه‌های نیمه‌هادی دقیقاً جهت مخالف را دنبال می‌کنند. در واقع، باتری‌ها هر روز کوچک‌تر و سبک‌تر می‌شوند و دستگاه‌های الکترونیک قدرت کارآمدتر می‌شوند. همه این‌ها بر انتخاب و اندازه سیستم‌های شارژ تأثیر می‌گذارد. روش‌های اندازه‌گیری یک سیستم شارژ مناسب با وجود فناوری‌های مختلف و همچنین هزینه، ابعاد، وزن، درجه قدرت متفاوت و … حتی دشوارتر می‌شود.

این مقاله به شرح زیر سازمان‌دهی شده است:

در بخش‌های 2 و 3 به ترتیب، متداول‌ترین معماری‌های شارژر On-board و Off-board ارائه شده و اصول عملکرد آن‌ها توضیح داده شده است.

در بخش 4 مفهوم ایستگاه‌های شارژ سریع معرفی شده است.

در دسترس‌ترین و مناسب‌ترین روش‌های شارژ در بخش 5 فهرست شده است.

سرانجام، در بخش 6 از الگوریتم ژنتیک برای تخمین اندازه بهینه سیستم شارژ و روند احتمالی آینده آن استفاده شده است.

بخش 2: شارژر On-board

شارژرهای باتری را می‌توان در داخل (On-board) یا بیرون (Off-board) خودور نصب کرد.

شارژرهای باتری On-board (OBC) از نظر اندازه، وزن و حجم محدود هستند. به همین دلیل معمولاً با شارژرهای سطح 1 و سطح 2 سازگار هستند. آن‌ها معمولاً دارای قابلیت انتقال توان یک‌طرفه هستند؛ با این حال در برخی موارد، انتقال توان دوطرفه نیز قابل حصول است. شکل زیر معماری معمولی یک سیستم شارژ خودروی الکتریکی را نشان می‌دهد. در این شکل هم شارژر On-board و Off-board نشان داده شده است.

شارژر دو مرحله‌ای

شارژرهای On-board معمولاً از دو مرحله تشکیل می‌شوند: یک مرحله front-end AC-DC و یک مرحله back-end DC-DC. توپولوژی‌های متفاوتی برای هر دو مبدل پیشنهاد شده است.

یکسوکننده front-end حاوی مبدل اصلاح ضریب توان تقویتی (PFC) برای دستیابی به ضریب توان بالا و اعوجاج هارمونیک کم است. مرحله یکسوکننده را می‌توان توسط یک نیم-پل، تمام-پل یا پل دیود چندسطحی انجام داد. یکسوکننده نیم-پل ارزان‌تر است زیرا حاوی تعداد کمتری دیود/سوئیچ است، یکسوکننده تمام-موج پیچیده‌تر است اما اجزاء تحت تنش کمتری قرار می‌گیرند. و در صورتی که به کیفیت توان بالاتری نیاز است، یک انتخاب خوب برای مبدل ac-dc یک پیکربندی چندسطحی است. شکل زیر یکسوساز دیود تمام-پل با مبدل معمولی تقویت‌کننده PFC را نشان می‌دهد. با جایگزینی تمام دیودها با سوئیچ‌های فعال، می‌توان جریان برق دوطرفه را به دست آورد.

شارژر تک مرحله‌ای

اگر یکسوکننده ac-dc با مبدل dc-dc ترکیب شود، یک شارژر باتری تک مرحله‌ای به دست می‌آید. این ساختار در صورت نیاز به هزینه و اندازه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حقیقت شارژر باتری تک مرحله‌ای امکان حذف برخی از اجزای حجیم و گران‌قیمت مانند سلف‌ها و خازن‌های dc-link را می‌دهد، در حالی که در شارژر دو مرحله‌ای مورد نیاز هستند.

با این حال، مشکل اینجاست که شارژرهای باتری تک مرحله‌ای با مبدل غیر ایزوله از یک نسبت تبدیل محدود رنج می‌برند که کاربرد آن‌ها را برای محدوده وسیعی از ولتاژ خروجی محدود می‌کند. در صورتی که یک ایزوله فرکانس بالا وجود داشته باشد، مؤلفه فرکانس پایین تولید شده توسط مرحله یکسوسازی از ترانسفورماتور فرکانس بالا عبور می‌کند که منجر به جریان مغناطیسی بزرگ می‌شود. علاوه بر این، برای دستیابی به تصحیح ضریب توان، تعداد زیادی دیود و active switch لازم می‌باشد که پیچیدگی پیکربندی را افزایش داده و در نتیجه قابلیت اطمینان شارژر را کاهش می‌دهد.

شارژر یکپارچه

مفهوم یکپارچه سازی برای کاهش تعداد اجزاء و در نتیجه کاهش بیشتر اندازه، وزن و هزینه شارژر باتری به کار می‌رود و شامل استفاده مجدد از برخی اجزای پیشرانه مانند اینورتر و سیم‌پیچ موتور برای پیاده سازی سیستم شارژ داخلی است.

شارژر چندکاره

آخرین نوع OBCها ساخته شده OBCهای چندکاره هستند. در این نوع شارژر باتری، برخی اجزاء برای دستیابی به یک سری اهداف مشترک به کار گرفته می‌شوند. به این ترتیب، با طراحی کوچک‌تر و سبک‌تر می‌توان به راندمان سوخت بالاتری دست یافت. شارژر باتری چندکاره می‌تواند باتری کمکی را از طریق باتری محرکه، زمانی که وسیله نقلیه در حال حرکت است، شارژ کند و به عنوان یک OBC و یا مبدل dc به dc ولتاژ پایین عمل نماید.

بخش 3: شارژر Off-board

شارژرهای سطح 3، با توجه به محدوده توانی‌شان، بیرون خودرو (Off-board) نصب می‌شوند.

سیستم شارژ Off-board از دو مرحله تشکیل شده است: یکی مبدل AC/DC (سمت شبکه) و به دنبال آن یک مبدل DC/DC که رابطی برای باتری EVها است. براساس ساختار مبدل، هر دو این مراحل می‌توانند شارش توان یک‌طرفه یا دوطرفه را امکان‌پذیر کنند.

مبدل دوطرفه AC/DC

یکی از پرکاربردترین مبدل‌های دوطرفه AC/DC یکسوکننده اکتیو سه فاز LCL است که در شکل زیر نمایش داده شده است.

از مزایای این مبدل می‌توان به جریان‌های ورودی هارمونیک کم، شارش توان دوطرفه و تنظیم ضریب توان (PF) اشاره کرد.

مبدل یک‌طرفه AC/DC

رایج‌‌ترین مبدل یک‌طرفه AC/DC مورد استفاده در سیستم شارژر Off-board، یکسوکننده Vienna است، که دارای مزایایی مانند تنش ولتاژی کم بر روی هر کلید و راندمان بالا می‌باشد. با این حال، محدودیت‌های اصلی، کنترل توان راکتیو و تعادل ولتاژ خازن dc-link است. یک نمونه اولیه شارژر Off-board 25 کیلوواتی در شکل زیر نشان داده شده که با یک یکسوکننده Vienna ساخته شده است.

مبدل دو‌طرفه DC/DC

مبدل دوطرفه DC/DC مورد استفاده در پخش بار دوطرفه، پل فعال دوگانه (DAB) است که در شکل زیر نشان داده شده است و انواع آن DAB رزونانس و DAB چندسطحی است.

مبدل یک‌طرفه DC/DC

در صورتی که پخش بار یک‌طرفه مورد نیاز باشد، یک مبدل رزونانس LLC به عنوان رابط توان بین باس dc مبدل AC/DC و باتری EV انتخاب می‌شود و دارای مزایایی چون توانایی کار در سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) یا سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) می‌باشد، اجازه تنظیم ولتاژ خروجی گسترده را می‌دهد و فیلتر خروجی فقط از یک خازن تشکیل شده (نه از یک فیلتر سلف و خازن (LC)).

یکی دیگر از مبدل‌های یک‌طرفه DC/DC مورد استفاده در شارژر Off-board، مبدل تمام پل با جابجایی فاز است که در شکل زیر نمایش داده شده است. این نوع مبدل دارای مزایای مختلفی مانند چگالی توان بالا، تداخل مغناطیسی کم و بازدهی بالا که قابلیت آن را برای استفاده در شارژرهای باتری مناسب می‌کند.

بخش 4: ایستگاه‌های شارژ سریع

برای کاهش اضطراب ناشی از میزان مسافت رانندگی با خودروهای برقی و در نتیجه حمایت از افزایش نفوذ این خودروها در سراسر جهان، به سیستم شارژی نیاز است که بتواند جایگزین جایگاه‌های سوخت فعلی شود. یک ایستگاه شارژ سریع (FCS) می‌تواند امکان شارژ 80 درصدی یک خودروی برقی را که شارژ آن تمام شده است، در عرض نیم ساعت فراهم کند. اما برای کاهش زمان شارژ از 7 تا 8 ساعت به 30 دقیقه، FCS به توان بالایی از شبکه نیاز دارد. راه‌اندازی این‌گونه ایستگاه‌های شارژ مستلزم سرمایه‌گذاری هنگفتی است و به راحتی می‌تواند شبکه توزیع را با اضافه‌بار مواجه کند. یکی دیگر از جنبه‌های مهم که باید در نظر گرفته شود، افت ولتاژی است که اتصال FCS در امتداد خطوط شبکه‌های توزیع ایجاد کند.

تأثیر ایستگاه‌های شارژ سریع بر شبکه MV را می‌توان با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) کاهش داد که می‌تواند حداکثر تقاضای انرژی را کاهش داده و خدمات شبکه اضافی را فراهم کند. علاوه بر این، همچنین ESS می‌تواند سطح ولتاژ را در صورت افت ولتاژ بیش از حد در امتداد خطوط افزایش دهد. این سرویس نیاز به اجرای پروسه کنترل ولتاژ دارد.

به منظور به حداقل رساندن تأثیر FCS بر روی شبکه، منابع انرژی تجدیدپذیر نیز می‌توانند استفاده شوند. مثلاً در حالت عادی، در طول روز، برای کاهش اضافه‌بار احتمالی شبکه توزیع، باتری‌های EV را می‌توان با PV خورشیدی شارژ کرد. در عوض در طول شب، زمانی که انرژی خورشیدی در دسترس نیست، باتری‌های EV را می‌توان از شبکه شارژ کرد. خودروهای برقی همچنین می‌توانند از شبکه در ساعات پیک بار پشتیبانی کنند. به این ترتیب شبکه هرگز با شارژ خودروهای برقی ناپایدار نخواهد شد.

معماری

پیکربندی ایستگاه شارژ سریع در شکل زیر نشان داده شده است.

ایزولاسیون بین سمت AC و DC با ترانسفورماتور فرکانس خط انجام می‌شود. خروجی مبدل چندسطحی Cascade H Bridge (CHB) یک ولتاژ باس DC مشترک تک‌قطبی ایجاد می‌کند که تمام مبدل‌های dc-dc به آن متصل هستند. رابط توان بین باس dc و باتری EV توسط یک مبدل رزونانس LLC انجام می‌شود.

شکل زیر یک نمونه ایستگاه شارژ سریع با باس ولتاژ dc دوقطبی را نشان می‌دهد.

استراتژی‌های کنترل توان

تعدادی از مطالعات صورت گرفته نیز در مورد استراتژی کنترل ایستگاه شارژ EV می‌باشد. اولین تفاوت بین آن‌ها مربوط به انتخاب شارژ ناهماهنگ و شارژ هماهنگ است. در طرح شارژ ناهماهنگ، باتری EV بلافاصله پس از وصل شدن به برق یا پس از یک تأخیر ثابت که توسط کاربر انتخاب شده، شروع به شارژ شدن می‌کند. اگر خودروهای برقی طبق این طرح شارژ شوند، تأثیر آن‌ها بر شبکه منجر به پیک بار بسیار بالا و در نتیجه مشکلات بزرگی مانند: اضافه‌بار فیدرها و ترانسفورماتورها، تلفات زیاد، افت ولتاژ بالا و هزینه بیشتر برای شبکه می‌شوند. بنابراین با توجه به دلایل ذکر شده، تمرکز بر روی استراتژی شارژ هماهنگ می‌باشد.

نتایج نشان می‌دهد استراتژی کنترلی که از انرژی ESS در پاسخ به تعداد EVهای متصل به برق استفاده می‌کند و همچنین میزان انرژی تجدیدپذیر تولید شده را نیز در نظر می‌گیرد، بهترین عملکرد را دارد.

بخش 5: روش‌های شارژ

مزایای باتری لیتیوم-یونی نسبت به سایر دستگاه‌های ذخیره انرژی مانند انرژی و چگالی توان بالا، اثر حافظه‌ای کم و در نتیجه اتلاف ظرفیت، این نوع باتری را به بهترین نامزد برای حوزه خودروهای الکتریکی تبدیل می‌کند. با این حال، در شارژ باتری لیتیوم-یونی باید دقت شود، زیرا روش شارژ بر چگونگی واکنش‌های الکتروشیمیایی فعال در داخل باتری اثر می‌گذارد و از این‌رو عمر چرخه خود باتری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به همین دلیل، یافتن تکنیک بهینه برای شارژ باتری در کوتاه‌ترین زمان با راندمان بالا و بدون آسیب رساندن به سلول‌ها، برای بسیاری از محققان به چالشی جدید تبدیل شده است.

در ادامه، روش‌های اصلی شارژ باتری‌های لیتیوم-یونی معرفی می‌شوند:

• جریان ثابت-ولتاژ ثابت (CC-CV)
• الگوی شارژ 5 مرحله‌ای
• روش شارژ پالس
• استراتژی‌های شارژ براساس مدل‌های مبتنی بر فیزیک باتری

بخش 6: الگوریتم ژنتیک برای تخمین اندازه بهینه سیستم شارژ و روند احتمالی آینده

در این مقاله با استفاده از الگوریتم ژنتیک (GA) تک‌هدفه، بهترین اندازه فناوری شارژ On-board و Off-board تخمین زده شده است. سپس با یک تجزیه و تحلیل حساس سعی شده روندهای احتمالی آینده خودروهای برقی ارزیابی شود، چرا که هزینه‌های باتری و فناوری شارژ متفاوت است.

الگوریتم ژنتیک برای حل طیف گسترده‌ای از مسائل بهینه‌سازی در زمینه خودروهای برقی مانند: برنامه‌ریزی شارژ، برنامه‌ریزی ایستگاه شارژ، مکان‌یابی و اجرای استراتژی کنترل رانشگر استفاده می‌شود.

جمع‌بندی

بخش اول این مقاله به بررسی شرایط فعلی فناوری‌های شارژ باتری EV پرداخته است. و متداول‌ترین ساختارها که برای هر سطح از شارژر EVها مناسب هستند ارائه شده است. ساختار شارژر سطح 1 و سطح 2 معمولاً در داخل خودرو (On-board) نصب می‌شوند و به این ترتیب اصطلاح شارژر داخلی را تشکیل می‌دهند. از طرف دیگر، شارژرهای سطح 3 خارج از خودرو (Off-board) نصب می‌شوند. به این ترتیب مجموعه این سطوح منجر به نفوذ بالای خودروهای برقی در آینده خواهند شد. رایج‌ترین فناوری مورد استفاده در یک FCS مبدل‌های چندسطحی هستند که چگالی توان بالا و اعوجاج هارمونیک جریان کمتری دارند. برای کاهش تأثیر روی شبکه، تقریباً تمام FCSها با RES و ESS ادغام می‌شوند.

باتری‌های لیتیوم-یونی را می‌توان براساس تکنیک‌های مختلف شارژ کرد که می‌تواند معماری و کنترل شارژر را کم و بیش پیچیده کند. استراتژی‌های شارژ مبتنی بر مدل‌های الکتروشیمیایی، با در نظر گرفتن دینامیک داخلی باتری، پیری باتری و سایر محدودیت‌هایی که در نظر می‌گیرند، دقت و صحت بالاتر را در پی خواهد داشت.

طبق نتایج به دست آمده، ظرفیت باتری یک خودرو الکتریکی باید حدود 60 کیلووات-ساعت، نرخ توان شارژر On-board حدود 14 کیلووات و برای شارژر سریع Off-board حدود 170 کیلووات باشد.

در نهایت، انتظار می‌رود که دستگاه‌های سوئیچینگ سیلیکونی با دستگاه‌های wide bandgap silicon carbide (SiC) جایگزین شوند تا امکان کاهش قابل توجه در وزن و حجم شارژر فراهم شود.

منبع

https://link.springer.com/article/10.1007/s42835-020-00547-x