سیستم شارژ تامین انرژی برای عملکرد خودروهای الکتریکی را فراهم می کند که یک سیستم پشتیبانی اساسی مهم برای وسایل نقلیه الکتریکی و حلقه مهمی در فرآیند تجاری سازی و صنعتی سازی خودروهای الکتریکی است.با توسعه سریع صنعت خودروهای الکتریکی، فناوری شارژ به یکی از عوامل کلیدی محدود کننده توسعه صنعت تبدیل شده است و روش های شارژ هوشمند و سریع به روند توسعه فناوری شارژ خودروهای الکتریکی تبدیل شده است.

روش های مختلفی برای طبقه بندی دستگاه های شارژ وسایل نقلیه الکتریکی وجود دارد.به طور کلی می توان آن را به دستگاه های شارژ داخلی و دستگاه های شارژ خارج از برد تقسیم کرد.با توجه به روش های مختلف جایگزینی انرژی هنگام شارژ باتری خودروی الکتریکی، دستگاه شارژ را می توان به نوع تماس و نوع القایی تقسیم کرد.وسایل نقلیه الکتریکی را می توان با توجه به روش های مختلف شارژ به شارژ آهسته، شارژ سریع، تعویض باتری، شارژ بی سیم، شارژ موبایل و روش های دیگر تقسیم کرد.در این مقاله، حالت‌های مختلف شارژ خودروی الکتریکی را که توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی (IEC) مشخص شده است، معرفی می‌کنیم.

استانداردهای بین المللی برای پاسخگویی به نیازهای بازار خودروهای الکتریکی در حال توسعه هستند.پذیرش جهانی خودروهای برقی به استانداردهای بین المللی تثبیت شده ای بستگی دارد که ایمنی، قابلیت اطمینان و قابلیت همکاری در بازار خودروهای الکتریکی را مورد توجه قرار می دهد.

در این مقاله، حالت های مختلف شارژ EV که توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) مشخص شده است را بررسی خواهیم کرد.این حالت ها در استاندارد IEC 61851 که با سیستم های شارژ رسانا برای وسایل نقلیه الکتریکی سروکار دارد، مشخص شده است.استاندارد چهار حالت مختلف شارژ را توصیف می کند - حالت 1، حالت 2، حالت 3 و حالت 4.

IEC همچنین استانداردهای دیگری را برای فناوری شارژ خودروهای الکتریکی ایجاد کرده است.به عنوان مثال، IEC 62196 دوشاخه ها، سوکت ها، کانکتورهای خودرو و ورودی های خودرو را مورد بحث قرار می دهد، در حالی که IEC 61980 درباره سیستم های انتقال برق بی سیم (WPT) برای وسایل نقلیه الکتریکی بحث می کند.

انواع مختلف اتصالات کابلی

IEC 61851-1 سه روش مختلف اتصال را شرح می دهد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است:

کابل Case A به طور دائم به وسیله نقلیه الکتریکی متصل است، اما EVSE در ایستگاه شارژ قابل جدا شدن است (که EVSE نیز نامیده می شود - تجهیزات تامین خودروهای الکتریکی).مورد B کابلی را مشخص می کند که در هر دو انتها قابل جدا شدن است و مورد C کابلی است که به طور دائم به EVSE متصل است.

حالت شارژ 1

در این حالت، ماشین الکتریکی مستقیماً به یک پریز خانگی متصل می شود.حداکثر جریان این حالت 16 آمپر، تک فاز از 250 ولت و سه فاز بیش از 480 ولت نیست.

حالت 1 ساده ترین حالت شارژ است و از هیچ ارتباطی بین EV و نقطه شارژ پشتیبانی نمی کند.این مدل شارژ در بسیاری از کشورها ممنوع یا محدود شده است.

حالت شارژ 2

پریزهای خانگی همیشه برق را مطابق با استاندارد واقعی تامین نمی کنند.بعلاوه، ظروف و دوشاخه های طراحی شده برای کاربردهای خانگی ممکن است جریان پیوسته را در حداکثر درجه بندی تحمل نکنند.

به همین دلیل است که اتصال پریز برق الکتریکی برای مدت زمان طولانی بدون کنترل و ویژگی های ایمنی، خطر برق گرفتگی را افزایش می دهد.برای حل این مشکل، کارشناسان Charging Mode 2 را توسعه دادند که از نوع خاصی از کابل شارژ استفاده می کند و مجهز به یک دستگاه کنترل و حفاظت درون کابلی (IC-CPD) است.

IC-CPD عملکردهای کنترلی و ایمنی مورد نیاز را انجام می دهد.حداکثر جریان این حالت 32 آمپر است، حداکثر ولتاژ برای تک فاز از 250 ولت و برای سه فاز از 480 ولت تجاوز نمی کند.حالت 2 برای پریزهای خانگی و صنعتی قابل استفاده است.

عملکرد ایمنی این حالت می تواند زمین محافظ را شناسایی و نظارت کند.حالت 2 همچنین از حفاظت در برابر جریان بیش از حد و دمای اضافی پشتیبانی می کند.علاوه بر این، EVSE می‌تواند عملکردها را در حین تشخیص اتصال به EV و تجزیه و تحلیل تقاضای شارژ آن تغییر دهد.

حالت شارژ 2 و کابل پشتیبان در شکل زیر نشان داده شده است:

در حالی که حالت 2 می تواند برای هزینه های خصوصی استفاده شود، استفاده عمومی نیز در بسیاری از کشورها محدود شده است.

حالت شارژ 3

این مدل از شارژر آنبورد EVSE و EV استفاده می کند.جریان AC از ایستگاه شارژ برای شارژ باتری به مدار پردازنده اعمال می شود.عملکردهای چندگانه کنترل و حفاظت برای اطمینان از ایمنی عمومی.اینها شامل تأیید زمین محافظ و اتصال بین EVSE و EV است.

علاوه بر این، این حالت جریان شارژ را به حداکثر قابلیت جریان مجموعه کابل تنظیم می کند.این حالت شارژ دارای حداکثر جریان 250 آمپر است و می توان آن را با یک شبکه 250 ولتی 1 فاز یا 480 ولتی 3 فاز پیکربندی کرد.همچنین از حالت عملکرد سازگار با حالت 2 پشتیبانی می کند که در آن حداکثر جریان برای تک فاز و سه فاز به کمتر از 32 آمپر محدود می شود.

هر یک از سه اتصال ممکن (مورد A، مورد B و مورد C) را می توان در این حالت استفاده کرد.سناریو B و سناریو C در زیر نشان داده شده است.

بیایید ببینیم این الگو چگونه ارتباط بین ایستگاه شارژ و وسیله نقلیه الکتریکی را تعریف می کند.مدار پایلوت کنترل حالت 3 در شکل زیر نشان داده شده است.

بسته به وضعیت کلیدهای S1، S2 و S3، سطوح ولتاژ متفاوتی روی "کنتاکت های پایلوت" ظاهر می شود.این می تواند برای نشان دادن مراحل مختلف شارژ استفاده شود.یک وسیله نقلیه الکتریکی می تواند چرخه شارژ را به شرح زیر شروع کند:

قبل از وصل کردن کابل شارژ، سوئیچ های S2 و S3 جدا شده و S1 به منبع تغذیه 12 ولت DC متصل می شود.در این مورد، EVSE 12v DC را در کنتاکت پایلوت اندازه گیری می کند (EVSE متوجه می شود که EV متصل نیست).

پس از اتصال کابل شارژ به EV و EVSE، کنترلر در سمت EV می تواند S3 را روشن کند و ولتاژ در تماس راننده را به حدود 9 ولت کاهش دهد.به EVSE اطلاع دهید که کابل به هر دو EV و EVSE متصل است.علاوه بر این، یک سیگنال 9 ولت DC در محل اتصال خلبان به EV می گوید که EVSE آماده نیست.

هنگامی که EVSE آماده شارژ EV است، S1 را به نوسانگر متصل می کند.سیگنال PWM در تماس خلبان به EV می گوید که منبع تغذیه خودروی الکتریکی آماده است.

EV سپس S2 را روشن می‌کند و حدود 6 ولت در تماس خلبان تولید می‌کند که نشان می‌دهد آن نیز آماده است.ولتاژ تولید شده در این مرحله به مقدار مقاومت R3 بستگی دارد.مقدار این مقاومت مشخص می کند که آیا تهویه برای این ناحیه شارژ مورد نیاز است یا خیر.R3 = 1.3 کیلو اهم، ولتاژ تماس راننده 6 ولت است. این معادل یک منطقه شارژ است که نیازی به گردش هوا ندارد.در صورت نیاز، R3 = 270Ω و ولتاژ لمسی 3 ولت.

هنگامی که خودرو در حال شارژ است یا به هر دلیلی می خواهد شارژ را متوقف کند، S2 را می توان خاموش کرد.این سطح ولتاژ مثبت PWM را به 9 ولت تغییر می دهد و به EVSE اطلاع می دهد که EV برای شارژ مجدد آماده نیست.

حالت شارژ 4

این تنها حالت شارژ است که شامل یک شارژر خارجی با خروجی DC است.برق DC مستقیماً به باتری تحویل داده می شود و شارژر روی برد دور می زند.این حالت می تواند 600 ولت DC با حداکثر جریان 400 آمپر را ارائه دهد.سطوح پرقدرت درگیر در این حالت به سطوح بالاتر ارتباط و ویژگی های امنیتی سخت گیرانه تری نیاز دارند.

حالت 4 فقط امکان اتصال به کیس C را می دهد، در حالی که کابل شارژ به طور دائم به ایستگاه شارژ متصل است.

دو روش جدید شارژ

شارژ بی سیم

حالت شارژ بی سیم نیازی به انتقال انرژی از طریق کابل ندارد و از القای الکترومغناطیسی، جفت میدان الکتریکی، تشدید مغناطیسی و امواج رادیویی برای انتقال انرژی استفاده می کند.برای استفاده از حالت شارژ بی سیم، ابتدا باید شارژر القایی خودرو را در خودرو نصب کنید.هیچ ارتباط مکانیکی بین قسمت دریافت کننده برق و قسمت منبع تغذیه خودرو وجود ندارد، اما اتصال بین بدنه گیرنده برق و بدنه منبع تغذیه باید دقیق تر باشد.

با توجه به محدودیت های بلوغ فناوری و تجهیزات اولیه، کارشناسان برق معتقدند که فناوری شارژ بی سیم فعلا نمی تواند به تولید انبوه برسد.جریان اصلی فناوری شارژ بی سیم در صنعت عمدتاً از القای الکترومغناطیسی و رزونانس مغناطیسی برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده می کند، اما روش تشدید مغناطیسی بازده شارژ بالاتر و شدت تابش الکترومغناطیسی کمتری دارد که نسبت به تماس های تلفن همراه کوچکتر است.سیم پیچ ها نیازی به تراز کامل ندارند، که فراتر از القای الکترومغناطیسی است.

چشم انداز کاربرد آینده حالت شارژ بی سیم غیرقابل اندازه گیری است.در آینده قابلیت شارژ در حین راه رفتن را نیز خواهد داشت.انرژی الکتریکی ممکن است از سیستم منبع تغذیه آسفالت جاده، یا از انرژی امواج الکترومغناطیسی دریافت شده توسط خودرو حاصل شود.

شارژ موبایل

وضعیت ایده‌آل برای باتری‌های EV شارژ شدن در حین حرکت خودرو در جاده است که اصطلاحاً به آن شارژ موبایل (MAC) می‌گویند.به این ترتیب، کاربران وسایل نقلیه الکتریکی مجبور به جستجوی ایستگاه های شارژ، پارک خودروهای خود و صرف زمان برای شارژ نیستند.سیستم MAC در زیر بخشی از جاده، یعنی محل شارژ، مدفون است و به فضای اضافی نیاز ندارد.

هر دو سیستم MAC تماسی و القایی قابل پیاده سازی هستند.برای سیستم MAC نوع تماسی، باید یک قوس تماسی در پایین بدنه خودرو نصب شود و قوس تماسی می‌تواند با تماس با عنصر شارژ تعبیه‌شده در سطح جاده، جریان بالایی را به دست آورد.هنگامی که خودروی الکتریکی از ناحیه MAC عبور می کند، فرآیند شارژ آن به صورت شارژ پالس است.برای سیستم‌های MAC القایی، قوس‌های تماسی روی برد با سیم‌پیچ‌های القایی جایگزین می‌شوند و عناصر شارژ تعبیه‌شده در سطح جاده با سیم‌پیچ‌هایی با جریان بالا که میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند، جایگزین می‌شوند.بدیهی است که به دلیل تأثیر عواملی مانند تلفات مکانیکی و محل نصب قوس تماسی، MAC نوع تماس چندان برای افراد جذاب نیست.

در نتیجه

به طور خلاصه، استاندارد IEC 61851 به سیستم های شارژ رسانای الکتریکی برای وسایل نقلیه الکتریکی می پردازد.این استانداردها چهار حالت مختلف شارژ را توصیف می کنند.

سه حالت اول، برق متناوب را برای شارژر داخلی EV تامین می کنند.با این حال، حالت 4 برق DC را مستقیماً به باتری می رساند و شارژر داخلی را دور می زند.حالت 3 از انواع عملکردهای کنترلی و حفاظتی استفاده می کند که امنیت عمومی را هدف قرار می دهد.