هرآنچه که باید درباره شارژ باتری خودرو برقی بدانید!

نحوه شارژ باتری خودرو برقی:

تحت تأثیر علاقه فزاینده به خودروهای برقی دوطرفه، این مقاله به بررسی اهمیت این خودروها و چالش‌هایی که با آن مواجه هستند می‌پردازد. خودروهای برقی دوطرفه نه‌تنها به‌عنوان وسیله‌ای برای حمل‌ونقل عمل می‌کنند، بلکه به‌عنوان منابع حیاتی انرژی الکتریکی نیز به کار گرفته می‌شوند. در قلب این انقلاب انرژی، شارژرهای داخلی On-Board Chargers یا OBC قرار دارند که نقشی کلیدی در تبدیل انرژی متناوب (AC) به مستقیم (DC) و بالعکس ایفا می‌کنند.  

در این راستا، معماری‌های مختلف مداری OBCها که در خودروهای برقی دوطرفه استفاده می‌شوند، بررسی می‌گردد. ما به پیچیدگی‌های مرتبط با یکسوسازها، مبدل‌های سوئیچینگ و کاربرد فناوری‌های پیشرفته کنترلی و فیلتراسیون می‌پردازیم. تحلیل ما تأثیر این معماری‌های مداری را بر جنبه‌هایی نظیر توانایی تنظیم ولتاژ، بهره‌وری انرژی و مدیریت حرارتی بررسی می‌کند.  

علاوه بر این، اهمیت گسترده‌تر این پیشرفت‌ها در یکپارچه‌سازی سیستم‌های دوطرفه را مورد بحث قرار می‌دهیم؛ سیستم‌هایی که پیشرفت در معماری‌های مداری را به منظور بهره‌برداری بهتر از انعطاف‌پذیری انرژی در خودروهای برقی پیش می‌برند. ما بر نقش حیاتی خودروهای برقی دوطرفه در انتقال به یک شبکه انرژی هوشمند و پایدار تأکید می‌کنیم.  

برای ارتقای دسترسی‌پذیری به این مطلب برای طیف گسترده‌ای از خوانندگان، در طول مقاله تعاریف یا توضیحات مختصری برای اصطلاحات فنی ارائه خواهیم داد تا کار ما حتی برای کسانی که ممکن است در این حوزه متخصص نباشند، قابل فهم باشد.

2-. مقدمه‌ای بر شارژرهای باتری برای خودروهای برقی

سیستم‌های شارژ برای خودروهای هیبریدی و برقی نقش اساسی در تأمین انرژی باتری این خودروها دارند و عملکرد کارآمد آن‌ها را ممکن می‌سازند. این سیستم‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• سیستم‌های شارژ خارجی (Off-Board Charging Systems)
• سیستم‌های شارژ داخلی (On-Board Charging Systems)

(تصویر1).

تصویر 1- دو دسته شارژ

مروری بر انواع سیستم‌های شارژ

• سیستم‌های شارژ خارجی (Off-Board Charging Systems):

این ایستگاه‌ها به‌صورت عمومی در دسترس هستند و معمولاً در مکان‌هایی مانند پمپ‌بنزین‌ها، پارکینگ‌های عمومی، مراکز خرید و دیگر مناطق عمومی قرار دارند. ایستگاه‌های شارژ عمومی معمولاً شارژ جریان مستقیم (DC) با توان بالا و شارژ جریان متناوب (AC) با توان پایین ارائه می‌دهند .

1. ایستگاه‌های شارژ سریع:  

این ایستگاه‌ها شارژ DC با توان بالا ارائه می‌دهند که امکان شارژ بسیار سریع‌تر از ایستگاه‌های استاندارد را فراهم می‌کند. این ایستگاه‌ها برای سفرهای طولانی ایده‌آل هستند و اغلب در طول بزرگراه‌ها قرار دارند .

1. شارژ القایی:  

این فناوری امکان شارژ بی‌سیم خودروهای برقی را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی فراهم می‌کند. خودرو باید روی یک صفحه شارژ ویژه که در زمین نصب شده قرار گیرد. اگرچه شارژ القایی هنوز در حال توسعه است، اما راحتی بیشتری را وعده می‌دهد .

1. ایستگاه‌های شارژ خانگی:  

این ایستگاه‌ها در منازل نصب می‌شوند و به مالکان خودروهای برقی اجازه می‌دهند در شب یا زمانی که در خانه هستند، خودروی خود را شارژ کنند. این ایستگاه‌ها می‌توانند شارژ AC یا DC را، بسته به نیاز خودرو، ارائه دهند .

1. سیستم‌های شارژ داخلی (On-Board Charging Systems):

اکثر خودروهای هیبریدی و برقی به شارژری داخلی مجهز هستند که امکان اتصال خودرو به منبع برق خارجی مانند پریز خانگی یا ایستگاه شارژ عمومی را فراهم می‌کند. این شارژر برق را به جریان مستقیم (DC) برای شارژ باتری تبدیل می‌کند 

1. اتصال شارژ:  

هر خودروی برقی دارای یک اتصال شارژ است که خودرو را به ایستگاه شارژ متصل می‌کند. انواع مختلفی از اتصالات وجود دارد، از جمله اتصال CCS -Combined Charging System، اتصال CHAdeMO 16، و اتصال نوع 2 IEC 62196 سازگاری میان خودرو و ایستگاه شارژ به نوع اتصال استفاده‌شده بستگی دارد.

1. سیستم‌های مدیریت شارژ:  

برخی از خودروهای برقی به سیستم‌های پیشرفته مدیریت شارژ مجهز هستند که به رانندگان اجازه می‌دهد شارژ را بر اساس برنامه‌های خود تنظیم کنند یا از تعرفه‌های ارزان‌تر انرژی استفاده کنند. این سیستم‌ها همچنین می‌توانند شارژ را بهینه کنند تا عمر باتری حفظ شود .

1. باتری‌های داخلی:  

باتری‌های داخلی یکی از اجزای کلیدی خودروهای برقی هستند. این باتری‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که از طریق سیستم داخلی شارژ شوند و انرژی لازم برای تأمین نیروی خودرو را فراهم کنند .

به طور کلی، در دسترس بودن ایستگاه‌های شارژ، توان شارژ و سازگاری اتصالات، عوامل مهمی هستند که بر تجربه شارژ مالکان خودروهای هیبریدی و برقی تأثیر می‌گذارند. گسترش مداوم زیرساخت‌های عمومی شارژ و پیشرفت فناوری‌های شارژ، به افزایش قابلیت استفاده از خودروهای برقی کمک کرده است.  

در زمینه تکامل حمل‌ونقل پایدار، درک تفاوت‌ها و ارزیابی مزایا و معایب سیستم‌های شارژ خارجی (Off-Board) و داخلی (On-Board) برای خودروهای هیبریدی و برقی از اهمیت بالایی برخوردار است. ایستگاه‌های شارژ خارجی،مانند ایستگاه‌های شارژ عمومی، راحتی در ارائه سرعت شارژ بالا را دارند که برای سفرهای طولانی و موقعیت‌هایی که نیاز به شارژ سریع است، ایده‌آل می‌باشند. این ایستگاه‌ها به طور فزاینده‌ای در مناطق شهری و بزرگراه‌ها در دسترس قرار گرفته‌اند و دسترسی به خودروهای برقی را افزایش داده‌اند. علاوه بر این، بسیاری از این ایستگاه‌ها با طیف گسترده‌ای از خودروها، صرف‌نظر از مدل یا تولیدکننده، سازگار هستند. برخی از آن‌ها نیز شارژ با توان بالا ارائه می‌دهند و امکان شارژ قابل توجهی را در زمان بسیار کوتاهی فراهم می‌کنند.  

با این حال، معایبی نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شود؛ مانند هزینه‌های کاربری مرتبط با برخی از ایستگاه‌های عمومی که می‌تواند هزینه کلی شارژ را در مقایسه با شارژ خانگی افزایش دهد. علاوه بر این، شلوغی و محدودیت در دسترس بودن در برخی مناطق ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی برای رانندگان شود.  

از سوی دیگر، شارژ داخلی در منزل بیشترین راحتی را فراهم می‌کند و خودرو را همواره آماده استفاده نگه می‌دارد، بدون نیاز به مراجعه به ایستگاه‌های شارژ عمومی. امکان برنامه‌ریزی شارژ در طول شب و استفاده از تعرفه‌های ارزان‌تر انرژی به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند. علاوه بر این، نبود هزینه‌های کاربری این گزینه را در بلندمدت ارزان‌تر می‌کند. با این حال، شارژ داخلی در منزل محدودیت‌هایی نیز دارد، از جمله سرعت شارژ کمتر نسبت به ایستگاه‌های عمومی یا راه‌حل‌های شارژ سریع. این مسئله ممکن است برای افرادی که نیاز به شارژ سریع دارند، مشکل‌ساز باشد. علاوه بر این، جابه‌جایی محدود به مکان‌هایی است که ایستگاه شارژ اختصاصی نصب شده باشد و نصب اولیه ممکن است هزینه‌های قابل توجهی به همراه داشته باشد، به ویژه اگر نیاز به تغییراتی در سیستم الکتریکی موجود باشد.  

در نتیجه، انتخاب بین سیستم‌های شارژ خارجی و داخلی به نیازهای فردی رانندگان بستگی دارد. اغلب بهترین رویکرد استفاده از ترکیبی از هر دو سیستم برای افزایش راحتی و کاهش هزینه‌های عملیاتی خودروهای هیبریدی و برقی است.  

در جدول 1، مقایسه مستقیمی بین سیستم‌های شارژ خارجی و داخلی برای خودروهای برقی ارائه کرده‌ایم. این مقایسه برای درک انتخاب‌هایی که رانندگان خودروهای برقی هنگام شارژ خودروهای خود باید انجام دهند، ضروری است. در ادامه، نکات کلیدی ارائه شده در جدول را مورد بحث قرار می‌دهیم.

جدول 1: مقایسه سیستم‌های شارژ خارجی و داخلی برای خودروهای برقی

سیستم‌های خارجی (Off-board) ، از جمله ایستگاه‌های شارژ عمومی، ایستگاه‌های شارژ سریع، و سیستم‌های شارژ بی‌سیم، حضور گسترده‌ای در مناطق شهری و طول بزرگراه‌ها دارند. این سیستم‌ها به دلیل توانایی در ارائه شارژ سریع شناخته شده‌اند و برای سفرهای طولانی ایده‌آل هستند. با این حال، ممکن است هزینه‌های بالاتری به دلیل هزینه‌های استفاده در برخی ایستگاه‌ها داشته باشند و در برخی مناطق با ازدحام مواجه شوند.  

از سوی دیگر، سیستم‌های داخلی (On-board) عمدتاً به ایستگاه‌های شارژ خانگی متکی هستند. این سیستم‌ها حداکثر راحتی را فراهم می‌کنند و به رانندگان این امکان را می‌دهند که خودروهای خود را مستقیماً در خانه شارژ کنند. این روش هزینه‌های استفاده را حذف کرده و انعطاف‌پذیری برای زمان‌بندی شارژ در ساعات تعرفه‌های ارزان‌تر انرژی را ارائه می‌دهد. با این حال، سرعت شارژ در مقایسه با ایستگاه‌های عمومی با توان بالا کمتر است که می‌تواند برای افرادی که به شارژ سریع نیاز دارند، نگران‌کننده باشد. همچنین، نصب یک ایستگاه شارژ خانگی اختصاصی ضروری است که هزینه‌های مرتبطی را به همراه دارد.  

مقایسه این دو سیستم برای رانندگان خودروهای برقی بسیار مهم است، زیرا به طور قابل توجهی بر تجربه شارژ و هزینه‌های مربوطه تأثیر می‌گذارد. انتخاب بین سیستم‌های خارجی و داخلی به نیازهای فردی رانندگان و شرایط شارژ موجود در منطقه آن‌ها بستگی خواهد داشت.

3-1. انگیزه حرکت در OBC

شارژرهای داخلی (OBCs) یک روند فناوری غالب نسبت به شارژرهای خارجی در وسایل نقلیه برقی و هیبریدی هستند که به دلیل تعدادی از مزایای کلیدی این وضعیت ایجاد شده است. اولاً، ادغام مستقیم آن‌ها در خودروها راحتی قابل توجهی برای کاربران فراهم می‌آورد. دیگر نیازی به حمل یک شارژر خارجی یا جستجو برای ایستگاه‌های شارژ اختصاصی نیست. توانایی شارژ مستقیم از یک پریز برق استاندارد، مانند پریز خانگی، زندگی روزمره رانندگان را بسیار ساده‌تر می‌کند. 

علاوه بر این، شارژرهای داخلی می‌توانند به‌طور خاص طراحی و بهینه‌سازی شوند تا نیازهای باتری خودرو را برآورده کنند. این امر منجر به کارایی بیشتر در طول فرآیند شارژ می‌شود. شارژرهای داخلی می‌توانند قدرت شارژ یکنواخت و کنترل‌شده‌تری نسبت به شارژرهای خارجی ارائه دهند، زیرا شارژرهای خارجی باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که با انواع مختلفی از وسایل نقلیه سازگار باشند. ادغام OBCها در خودروها همچنین ارتباط مستقیم‌تر و پیچیده‌تری را ممکن می‌سازد. بسیاری از OBCها به سیستم‌های ارتباط دوطرفه مجهز هستند که به خودرو این امکان را می‌دهند تا با شبکه برق و زیرساخت‌های شارژ تعامل داشته باشد. این امر امکان ویژگی‌های پیشرفته‌ای مانند زمان‌بندی شارژ برای استفاده از نرخ انرژی پایین‌تر یا مدیریت قدرت در پاسخ به نیازهای شبکه را فراهم می‌کند.

از نظر ابعاد و وزن، OBCهای یکپارچه فضای کمتری نسبت به شارژرهای خارجی اشغال می‌کنند و می‌توانند به کاهش وزن کلی خودرو کمک کنند. از نظر ایمنی، OBCها می‌توانند با سیستم‌های حفاظتی پیشرفته طراحی شوند تا ایمنی خودرو و سیستم شارژ را تضمین کنند. این سیستم‌ها شامل تشخیص اتصال کوتاه، نظارت بر دما و محافظت در برابر اضافه‌بار می‌شوند. در نهایت، یک روند به سمت استانداردسازی OBCها وجود دارد. خودروسازان و سازمان‌های صنعتی در حال کار بر روی ایجاد استانداردهای مشترک هستند که تولید و استفاده از خودروهای برقی و هیبریدی را ساده‌تر می‌کند.

شارژرهای داخلی یک راه‌حل راحت، کارآمد و یکپارچه برای شارژ خودروهای برقی و هیبریدی ارائه می‌دهند. اگرچه آن‌ها می‌توانند با ایستگاه‌های شارژ خارجی برای سفرهای طولانی‌تر یا نیازهای عمومی تکمیل شوند، اما نقش غالب آن‌ها در برآوردن نیازهای شارژ روزانه گامی بزرگ به جلو در گذار به حمل و نقل برقی است.

3-2. استانداردها و طبقه‌بندی

در خودروهای برقی، اتصالات دستگاه شارژر داخلی (OBC) نقش حیاتی در شارژ باتری دارند. انواع مختلفی از اتصالات در سراسر جهان وجود دارد که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. اتصال J1772 (نوع 1) معمولاً در ایالات متحده، کانادا و برخی دیگر از مناطق استفاده می‌شود. با این حال، سرعت شارژ آن نسبت به استانداردهای جدیدتر محدود است و معمولاً با خودروهایی مانند نیسان لیف و شورولت ولت، هر دو ساخت ایالات متحده، مرتبط است. تسلا از یک اتصال اختصاصی به نام "اتصال تسلا" استفاده می‌کند که توان‌های شارژ بالایی را ارائه می‌دهد و شارژ خودروهای تسلا، از جمله مدل‌های S، 3، X و Y را به سرعت افزایش می‌دهد. با این حال، این استاندارد مختص خودروهای تسلا است و با خودروهای تولیدکنندگان دیگر سازگار نیست.

در ژاپن و برخی از مناطق دیگر جهان، اتصال CHAdeMO رایج است و شارژ DC سریع را ارائه می‌دهد. این اتصال اغلب با خودروهایی مانند نیسان لیف، میتسوبیشی i-MiEV و کیا سول EV همراه است. اتصال سیستم شارژ ترکیبی (CCS) به طور فزاینده‌ای در اروپا و آمریکای شمالی پذیرفته شده است. این اتصال از قابلیت شارژ DC و AC پشتیبانی می‌کند و معمولاً با خودروهایی از برندهایی مانند بی‌ام‌و، فولکس‌واگن، فورد، آئودی و دیگران مرتبط است. در اروپا، اتصال نوع 2 (IEC 62196) به طور گسترده‌ای برای شارژ AC استفاده می‌شود. این اتصال معمولاً با خودروهایی مانند رنو زوی و بی‌ام‌و i3 و دیگران همراه است. اگرچه این اتصال از شارژ DC پشتیبانی نمی‌کند، اما در اروپا کاملاً جا افتاده است و شارژ قابل اعتمادی ارائه می‌دهد. CCS (نوع 2) یک گسترش از استاندارد CCS است که در اروپا استفاده می‌شود و همچنین شارژ AC را نیز شامل می‌شود. این استاندارد توسط بسیاری از خودروسازان اروپایی از جمله بی‌ام‌و، فولکس‌واگن و دیگران برای خودروهایی که قابلیت شارژ DC و AC دارند، استفاده می‌شود. در چین، اتصال GB/T (GBT 20234) به عنوان استاندارد ملی استفاده می‌شود و با شارژ DC و AC سازگار است. این اتصال با خودروهای تولید شده توسط شرکت‌هایی مانند BYD و NIO همراه است.

انتخاب اتصال بستگی به منطقه جغرافیایی، خودروساز و استراتژی شارژ مورد نظر دارد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. استانداردهای جهانی مانند CCS در حال تبدیل شدن به استانداردهای رایج برای افزایش سازگاری بین خودروها و در دسترس بودن ایستگاه‌های شارژ هستند. با این حال، مهم است که هنگام انتخاب یک خودرو برقی، سازگاری اتصال با خودرو و زیرساخت‌های محلی در نظر گرفته شود. 

شارژرهای داخلی (OBCs) که در خودروهای برقی و هیبریدی استفاده می‌شوند، می‌توانند بر اساس سطوح قدرتی که قادر به ارائه آن هستند، طبقه‌بندی شوند. این سطوح قدرت برای تعیین ویژگی‌های شارژ یک خودرو حیاتی هستند. در ادامه، توضیحاتی درباره سطوح ولتاژ و قدرت معمولی که در این فرآیند دخیل هستند، ارائه می‌دهیم.

تصویر2-بررسی منطقه‌ای

سطوح استاندارد قدرت شامل "سطح 1" و "سطح 2" می‌باشند. سطح 1 با ولتاژهای تک‌فاز 120 ولت (در ایالات متحده) یا 230 ولت (در اروپا) مشخص می‌شود و معمولاً توان خروجی حدود 1.3 تا 1.9 کیلووات را ارائه می‌دهد. این سطح معمولاً برای شارژ در خانه، به ویژه در طول شب، استفاده می‌شود و برای خودروهایی با باتری‌های کوچک مناسب است. زمان شارژ برای شارژرهای سطح 1 می‌تواند بسته به ظرفیت باتری خودرو متفاوت باشد، اما معمولاً چندین ساعت طول می‌کشد تا یک خودرو از نزدیک خالی به طور کامل شارژ شود. از سوی دیگر، سطح 2 بر روی ولتاژهای تک‌فاز 240 ولت (در ایالات متحده) یا 230 ولت (در اروپا) عمل می‌کند و می‌تواند توان بیشتری را ارائه دهد، که معمولاً بین 3.7 کیلووات تا 22 کیلووات متغیر است، که بستگی به این دارد که دستگاه در پیکربندی یک‌مرحله‌ای یا دو/چندمرحله‌ای قرار دارد. این سطح برای شارژ خانگی و عمومی رایج‌ترین است و برای بیشتر خودروهای برقی و هیبریدی مناسب است. زمان‌های شارژ در سطح 2 به طور قابل توجهی سریع‌تر از سطح 1 هستند و بسیاری از خودروها می‌توانند در طول شب یا طی چند ساعت به طور کامل شارژ شوند، بسته به ظرفیت باتری. 

برای سطوح بالای قدرت، "سطح 3" یا "شارژ سریع DC" وجود دارد. این سطح شامل ولتاژهای بسیار بالاتر و تبدیل مستقیم DC است. ولتاژها می‌توانند بسیار متغیر باشند، اما می‌توانند به 600 ولت یا بیشتر برسند، با توان‌هایی که از 50 کیلووات تا حتی 350 کیلووات (همانطور که در سوپرشارژرهای تسلا دیده می‌شود) فراتر می‌روند. شارژرهای سطح 3 زمان‌های شارژ استثنایی سریع ارائه می‌دهند. بسته به شارژر خاص و خودرو، برخی از شارژرهای سطح 3 می‌توانند بخش قابل توجهی از ظرفیت باتری را در مدت زمان کمی مانند 30 دقیقه تا یک ساعت بازسازی کنند. این سطح طراحی شده است تا شارژ سریع‌تری نسبت به سطوح پایین‌تر ارائه دهد و در ایستگاه‌های شارژ سریع در طول بزرگراه‌ها و مناطق عمومی استفاده می‌شود.

انتخاب بین سیستم‌های تک‌فاز و سه‌فاز عمدتاً بستگی به ولتاژ تأمین موجود و مشخصات خودرو برقی دارد. سیستم‌های تک‌فاز از یک فاز جریان متناوب (AC) استفاده می‌کنند و رایج‌ترین نوع برای شارژ خانگی هستند. این سیستم‌ها برای ولتاژهای تک‌فاز 120 ولت یا 230 ولت مناسب بوده و یک راه حل راحت برای شارژ خانگی به حساب می‌آیند که زمان‌های شارژ نسبتاً سریع‌تری نسبت به سطح 1 ارائه می‌دهند. از سوی دیگر، سیستم‌های سه‌فاز از سه فاز AC استفاده کرده و توان بیشتری نسبت به سیستم‌های تک‌فاز ارائه می‌دهند. این سیستم‌ها معمولاً برای شارژ عمومی و تجاری استفاده می‌شوند و شارژ سریع‌تر و کارآمدتری را ممکن می‌سازند. با این حال، آنها نیاز به شبکه برق سه‌فاز دارند و معمولاً باید در مکان‌های خاصی نصب شوند. انتخاب بستگی به در دسترس بودن ولتاژ تأمین، نیازهای خاص خودرو و زمان‌های شارژ مورد نظر خواهد داشت.

تصویر 3- دسته‌بندی بر أساس ولتاژ تامین

3-3. تنظیمات و اجزای اصلی یک OBC

یک سیستم شارژ برای خودروهای برقی و هیبریدی از تعدادی اجزای اصلی تشکیل شده است که با هم کار می‌کنند تا شارژ کارآمد و ایمن را تضمین کنند. در هسته این سیستم، سیستم شارژ داخلی (OBC) قرار دارد که عنصری حیاتی در اکوسیستم حمل‌ونقل برقی است. در خودروهای برقی، شارژرهای داخلی (OBC) نقش مهمی در شارژ باتری ایفا می‌کنند. سه نوع اصلی پیکربندی OBC وجود دارد—یک‌مرحله‌ای، دومرحله‌ای و چندمرحله‌ای—که هرکدام مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند که عمدتاً بر اساس توان مورد نیاز برای شارژ تعیین می‌شوند.

پیکربندی یک‌مرحله‌ای ساده‌ترین و مقرون به‌صرفه‌ترین است. یک مبدل AC/DC تنها انرژی را از شبکه برق به جریان مستقیم (DC) برای شارژ باتری تبدیل می‌کند. این پیکربندی برای خودروهای برقی با توان شارژ متوسط، معمولاً تا 22 کیلووات، مناسب است. این پیکربندی برای شارژ خانگی و خودروهایی با باتری‌های ظرفیت متوسط ایده‌آل است.

پیکربندی دو‌مرحله‌ای پیچیده‌تر است و از دو مبدل AC/DC استفاده می‌کند: یکی برای شارژ در توان‌های پایین و دیگری برای شارژ در توان‌های بالا، که اغلب از 22 کیلووات تا 350 کیلووات یا بیشتر متغیر است. این پیکربندی برای خودروهایی که نیاز به دامنه وسیعی از توان‌های شارژ دارند ایده‌آل است. این سیستم انعطاف‌پذیری بیشتری را ارائه می‌دهد و از شارژ DC با توان بالا پشتیبانی می‌کند که زمان شارژ را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

پیکربندی چند‌مرحله‌ای پیشرفته‌ترین است و از سه مبدل AC/DC یا بیشتر استفاده می‌کند. این سیستم برای مدیریت توان‌های بسیار بالای شارژ، مانند آن‌هایی که بالای 350 کیلووات هستند، طراحی شده است و امکان شارژ فوق سریع را فراهم می‌کند. این پیکربندی برای خودروهای تجاری و ایستگاه‌های شارژ عمومی با توان بالا ضروری است. با این حال، این پیچیده‌ترین و گران‌ترین پیکربندی برای پیاده‌سازی است.

به طور خلاصه، انتخاب پیکربندی OBC عمدتاً به نیازهای توان خودروهای برقی بستگی دارد. پیکربندی‌های یک‌مرحله‌ای برای توان‌های متوسط و شارژ خانگی مناسب هستند، در حالی که پیکربندی‌های دو‌مرحله‌ای و چند‌مرحله‌ای برای شارژ با توان بالا و فوق سریع ضروری هستند که اغلب با خودروهای تجاری یا ایستگاه‌های شارژ عمومی مرتبط هستند. پیچیدگی و هزینه با افزایش تعداد مراحل بیشتر می‌شود، بنابراین انتخاب به نیاز به پشتیبانی از توان‌های شارژ خاص بستگی دارد. برای پیکربندی‌های عمومی سیستم OBC به تصویر 4 مراجعه کنید.

تصویر4- پیکربندی عمومی

یک یکسوکننده (Rectifier) یک جزء کلیدی در سیستم‌های تبدیل برق است و اغلب اولین مرحله تبدیل در هر پیکربندی شارژر داخلی (OBC) در خودروهای برقی می‌باشد. عملکرد اصلی آن تبدیل انرژی الکتریکی از یک فرم اولیه، معمولاً به شکل ولتاژ متناوب (AC)، به یک فرم قابل استفاده، یعنی ولتاژ مستقیم (DC) است. این تبدیل برای شارژ موثر باتری‌های خودروهای برقی ضروری است.

دو نوع اصلی یکسوکننده وجود دارد: یکسوکننده‌های غیرفعال و یکسوکننده‌های فعال، که هرکدام اصول عملکرد متفاوتی دارند.

یکسوکننده غیرفعال[1]: یک یکسوکننده غیرفعال از اجزای غیرفعال مانند دیودها برای تبدیل AC به DC استفاده می‌کند. دیود جزء اصلی در یکسوکننده غیرفعال است. عملکرد یکسوکننده غیرفعال در دو فاز انجام می‌شود:

• فاز نیم‌موج (نیم‌موج یکسوکنندگی): [2]در این فاز، دیود اجازه می‌دهد تا ولتاژ مثبت از ورودی AC عبور کند، در حالی که ولتاژ منفی را مسدود می‌کند. به این معناست که تنها نیمی از موج AC به DC خروجی منتقل می‌شود. این فرآیند ناکارآمد است زیرا نیمی از انرژی دور ریخته می‌شود.
• فاز تمام‌موج (تمام‌موج یکسوکنندگی): [3]در این فاز، از دو دیود برای دریافت هر دو قسمت مثبت و منفی موج AC استفاده می‌شود. این منجر به تبدیل کارآمدتری می‌شود، اما همچنان ناقص است زیرا موج AC به دو نیمه مجزا تقسیم می‌شود و نتیجه آن یک موج DC پالسی است.

یکسوکننده فعال[4]: یک یکسوکننده فعال از ترانزیستورها یا دستگاه‌های نیمه‌رسانای کنترل‌شده برای تبدیل AC به DC به صورت کارآمدتر از یک یکسوکننده غیرفعال استفاده می‌کند. دو نوع اصلی یکسوکننده فعال وجود دارد: یکسوکننده‌های پل و یکسوکننده‌های کنترل‌شده.

• یکسوکننده پل: [5]این نوع یکسوکننده فعال از چهار دیود در یک مدار پل برای تبدیل AC به DC استفاده می‌کند. عملکرد آن مشابه یکسوکننده تمام‌موج غیرفعال است، اما با چهار دیود به جای دو دیود. این امکان تبدیل کامل‌تر AC به DC را فراهم می‌کند و رایج‌ترین نوع یکسوکننده در کاربردهای خانگی است.
• یکسوکننده کنترل‌شده: [6]این نوع یکسوکننده از ترانزیستورهای کنترل‌شده یا GTO برای تنظیم ولتاژ خروجی به‌طور موردی استفاده می‌کند. این دستگاه‌ها می‌توانند به‌طور کنترل‌شده روشن یا خاموش شوند، که امکان تبدیل دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر AC به DC را فراهم می‌کند. یکسوکننده‌های کنترل‌شده در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق ولتاژ دارند، مانند منابع تغذیه سوئیچینگ، استفاده می‌شوند.

تفاوت‌های اصلی بین یکسوکننده‌های غیرفعال و فعال:

1. کارایی: یکسوکننده‌های فعال معمولاً کاراتر از یکسوکننده‌های غیرفعال هستند زیرا تلفات توان را کاهش می‌دهند.

2. کنترل: یکسوکننده‌های فعال امکان کنترل بیشتری روی ولتاژ خروجی فراهم می‌کنند.

3. کاربردها: یکسوکننده‌های غیرفعال برای کاربردهای ساده مناسب هستند، در حالی که یکسوکننده‌های فعال زمانی که نیاز به تبدیل انرژی پیچیده‌تر و دقیق‌تر باشد، ترجیح داده می‌شوند.

به‌طور کلی، انتخاب بین یکسوکننده غیرفعال و فعال بستگی به نیازهای خاص کاربرد و الزامات کارایی و دقت دارد. مبدل‌های DC/DC نقش حیاتی در دستگاه‌های OBC خودروهای برقی دارند و مدیریت کارآمد انرژی الکتریکی را ممکن می‌سازند. هدف اصلی آنها تنظیم ولتاژ ورودی جریان مستقیم (DC) به ولتاژ DC مورد نیاز برای شارژ باتری یا تأمین انرژی سایر سیستم‌های خودرو است. این مبدل‌ها معمولاً برای کار در حالت‌های مختلف طراحی می‌شوند که بسته به نیاز خاص خودرو و زمینه استفاده متفاوت است. برخی از رایج‌ترین حالت‌ها عبارتند از:

1. حالت باک (Buck Mode): در این حالت، مبدل ولتاژ ورودی DC را به سطح پایین‌تری از ولتاژ خروجی DC کاهش می‌دهد. این عملیات زمانی مفید است که لازم باشد ولتاژ باتری کشش برای تأمین انرژی دستگاه‌های کم‌ولتاژ مانند سیستم خنک‌کننده یا مدار کنترل کاهش یابد.

2. حالت بوست (Boost Mode): حالت بوست معکوس حالت باک است. در این حالت، مبدل ولتاژ ورودی DC را به سطح بالاتری از ولتاژ خروجی DC افزایش می‌دهد. این حالت زمانی ضروری است که بخواهید باتری را با ولتاژی بالاتر از آنچه که توسط شبکه برق تأمین می‌شود، شارژ کنید.

3. حالت باک–بوست (Buck–Boost Mode): این حالت امکان تنظیم هر دو ولتاژ بالاتر و پایین‌تر از ولتاژ ورودی را فراهم می‌کند. این حالت زمانی مفید است که انعطاف‌پذیری حداکثری در مدیریت توان مورد نیاز باشد.

4. حالت ایزوله (Isolation Mode): برخی از مبدل‌های DC/DC برای ارائه ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی طراحی می‌شوند. این ویژگی برای اطمینان از ایمنی و حفاظت از مدارهای خودرو ضروری است.

5. حالت تنظیم (Regulation Mode): مبدل‌های DC/DC همچنین می‌توانند برای تنظیم ولتاژ خروجی طبق نیازهای خاص شارژ باتری استفاده شوند تا اطمینان حاصل شود که باتری در طول فرآیند شارژ، ولتاژ و جریان مناسب را دریافت می‌کند.

مبدل‌های DC/DC در دستگاه‌های OBC معمولاً به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که کارآمد باشند تا تلفات انرژی در طول فرآیند تبدیل به حداقل برسد. این امر برای حداکثر کردن برد خودروهای برقی و کاهش هزینه‌های عملیاتی اهمیت دارد. به‌طور کلی، مبدل‌های DC/DC نقش کلیدی در اکوسیستم خودروهای برقی دارند و به عملکرد قابل‌اطمینان و کارآمد دستگاه‌های OBC و همچنین مدیریت بهینه توان کمک می‌کنند.

فیلترهای تداخل الکترومغناطیسی (EMI) اجزای ضروری در دستگاه‌های OBC در خودروهای هیبریدی و برقی هستند. عملکرد اصلی آنها مدیریت و کاهش تداخل الکترومغناطیسی است که در طول فرآیند شارژ الکتریکی تولید می‌شود. در طول فرآیند شارژ، ممکن است نوسانات جریان و ولتاژ ایجاد شود که موجب تولید تداخل الکترومغناطیسی می‌شود. فیلترهای EMI به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که این تداخل الکترومغناطیسی را جذب کرده و به زمین هدایت کنند یا آن را جذب نمایند، به‌طوری‌که از پخش آن در شبکه برق یا تداخل با دیگر دستگاه‌های الکترونیکی جلوگیری کنند. سازمان‌های نظارتی و استانداردهای تطابق الکترومغناطیسی (EMC) محدودیت‌هایی برای میزان تداخل الکترومغناطیسی که یک دستگاه می‌تواند منتشر کند، اعمال می‌کنند. نصب فیلترهای EMI کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که دستگاه OBC با این مقررات مطابقت دارد، از جریمه‌های قانونی جلوگیری می‌شود و عملکرد ایمن و کارآمد تضمین می‌شود. دستگاه‌های OBC حاوی اجزای الکترونیکی حساس مانند مدارهای کنترل و دستگاه‌های توان هستند. تداخل الکترومغناطیسی می‌تواند به این اجزا آسیب رسانده یا عملکرد صحیح آنها را مختل کند. فیلترهای EMI از این اجزا در برابر تداخل‌های مضر محافظت می‌کنند. همچنین، فیلترهای EMI از تداخل خارجی مانند امواج رادیویی یا دیگر منابع تداخل جلوگیری می‌کنند که می‌تواند بر عملکرد دستگاه OBC تأثیر بگذارد. مقررات EMC، مانند CISPR (کمیته ویژه بین‌المللی روشنایی در مورد تداخل رادیویی) و FCC (کمیسیون ارتباطات فدرال)، محدودیت‌هایی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی از دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی وضع می‌کنند. دستگاه‌های OBC باید طبق این مقررات طراحی شوند تا از تطابق الکترومغناطیسی با دیگر دستگاه‌های الکترونیکی اطمینان حاصل شود و از تداخل‌های ناخواسته جلوگیری شود. علاوه بر این، مقررات ممکن است از منطقه‌ای به منطقه دیگر متفاوت باشد. برای مثال، در اروپا، برچسب CE یک الزام است که نشان‌دهنده رعایت مقررات EMC است. فیلترهای EMI اجزای حیاتی در دستگاه‌های OBC خودروهای هیبریدی و برقی هستند زیرا به‌آنها کمک می‌کنند تا فرآیند شارژ کارآمد، ایمن و مطابق با مقررات EMC انجام شود. حضور آنها برای محافظت از اجزای الکترونیکی، جلوگیری از تداخل خارجی و اطمینان از تطابق با مقررات طراحی حیاتی است.

فیلترهای EMI در دستگاه‌های OBC خودروهای هیبریدی و برقی می‌توانند از توپولوژی‌های مختلف مدار برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی استفاده کنند. این توپولوژی‌ها شامل فیلتر EMI به‌شکل Π (پای) ، فیلتر EMI به‌شکل T، فیلتر EMI با فیلتر پایین‌گذر و فیلتر EMI فعال هستند. فیلتر EMI به‌شکل پای از اجزای غیرفعال مانند سلف‌ها، خازن‌ها و مقاومت‌ها برای ایجاد یک پیکربندی به‌شکل پای استفاده می‌کند. این نوع فیلتر در سرکوب تداخل فرکانس پایین مؤثر است و اغلب در دستگاه‌های OBC خودروهای برقی استفاده می‌شود. فیلتر EMI به‌شکل T مشابه فیلتر Π است اما پیکربندی به‌شکل T دارد. این توپولوژی برای سرکوب تداخل در فرکانس‌های متوسط و بالا مناسب است و برای کاربردهایی ایده‌آل است که در آن ممکن است تداخل در محدوده وسیع‌تری از فرکانس‌ها ایجاد شود. فیلتر EMI با فیلتر پایین‌گذر به‌گونه‌ای طراحی شده است که فرکانس‌های پایین را عبور دهد در حالی که فرکانس‌های بالا را کاهش می‌دهد. این فیلتر از اجزای مانند سلف‌ها و خازن‌ها برای ایجاد مانعی در فرکانس‌های بالا استفاده می‌کند و در نتیجه تداخل در فرکانس‌های بالاتر را کاهش می‌دهد. این نوع فیلتر معمولاً در دستگاه‌های OBC خودروهای برقی برای محدود کردن تداخل فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود. در نهایت، فیلتر EMI فعال بسته به طراحی خاص خود می‌تواند توپولوژی مدار متفاوتی داشته باشد. این فیلترها از تقویت‌کننده‌های عملیاتی، ترانزیستورها و دیگر اجزای فعال برای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند. آنها می‌توانند تداخل را در فرکانس‌های مختلف سرکوب کرده و انعطاف‌پذیری بیشتری در مدیریت تداخل ارائه دهند. انتخاب توپولوژی مدار بستگی به ویژگی‌های تداخل الکترومغناطیسی موجود در کاربرد خاص و نیازهای فیلترینگ دارد. علاوه بر این، طراحی فیلتر EMI نیاز به در نظر گرفتن فرکانس تداخل، مقررات EMC و نیازهای سیستم OBC دارد. هر توپولوژی کاربردهای بهینه خود را دارد و باید طبق مشخصات طراحی انتخاب شود تا سرکوب مؤثر تداخل الکترومغناطیسی تضمین شود (به تصویر 5 مراجعه کنید).

علاوه بر اجزای تبدیل توان، سیستم OBC با تعدادی ویژگی‌های نظارت و کنترل نیز تجهیز شده است. این ویژگی‌ها شامل حسگرهایی است که به‌طور مداوم شرایط شارژ را نظارت می‌کنند تا از ایمنی و کارآمد بودن فرآیند اطمینان حاصل کنند. سیستم OBC همچنین می‌تواند با شبکه برق یا ایستگاه شارژ ارتباط برقرار کرده و توان را طبق نیازهای خاص تنظیم کند و به این ترتیب در مدیریت شبکه مشارکت نماید. در نهایت، سیستم‌های OBC با تمرکز بر ایمنی طراحی می‌شوند. آنها دارای چندین محافظت از جمله نظارت بر دما، حفاظت در برابر اضافه‌بار، حفاظت در برابر اتصال کوتاه و دیگر تدابیر ایمنی هستند تا تجربه شارژ ایمن برای کاربران و محافظت از خودرو تضمین شود. به‌طور خلاصه، سیستم شارژ درون‌بردی برای خودروهای برقی و هیبریدی یک سیستم پیچیده است که چندین جزء شامل اینورتر، مبدل‌های DC–DC و تعدادی تدابیر ایمنی و کنترل را ادغام می‌کند. این اجزا به‌طور مشترک کار می‌کنند تا شارژ کارآمد، ایمن و کنترل‌شده را مستقیماً از خودرو تضمین کنند و به پذیرش خودروهای برقی و هیبریدی کمک کنند.

تصویر5-تنظیمات اولیه فیلتر

- نتیجه‌گیری و روندهای آینده در شارژرهای داخلی خودروهای برقی

در دنیای همیشه در حال تحول حمل و نقل الکتریکی، نقش شارژرهای داخلی خودرو OBCها همچنان در شکل‌دهی به آینده حمل و نقل حیاتی باقی می‌ماند. همانطور که به پایان بررسی راه‌حل‌های پیشرفته ارائه‌شده توسط رهبران صنعت می‌رسیم، این امر واضح می‌شود که فناوری OBC گام‌های چشمگیری برداشته و مرزهای بهره‌وری، چگالی توان و قابلیت اطمینان را جابجا کرده است. این پیشرفت‌ها نه‌تنها نیازهای حال حاضر مالکان خودروهای برقی (EV) را برآورده می‌کند، بلکه زمینه‌ساز آینده‌ای پویا و گذرا نیز می‌باشد. در این جمع‌بندی، نگاه خود را به افق آینده می‌اندازیم و به روندهای بالقوه‌ای که ممکن است فصل بعدی نوآوری در OBC را تعریف کنند، می‌اندیشیم.

یکی از روندهای برجسته‌ای که در افق مشاهده می‌شود، پیگیری بی‌وقفه بهره‌وری است. OBCها نقشی مرکزی در بهینه‌سازی فرآیند انتقال انرژی بین شبکه و باتری خودرو دارند. جست‌وجو برای رسیدن به بهره‌وری‌های بالاتر به طور برجسته‌ای در دستور کار تولیدکنندگان EV قرار دارد که به‌دنبال افزایش مسافت‌های پیمایشی، کاهش زمان شارژ و حداقل کردن اتلاف انرژی در هنگام شارژ هستند. ادغام مواد پیشرفته‌ای مانند کربید سیلیکون (SiC) و بهینه‌سازی الکترونیک قدرت به طور مستمر به افزایش بهره‌وری کمک خواهد کرد.

با توجه به اینکه خودروهای برقی به تدریج به جریان اصلی تبدیل می‌شوند و تقاضای مصرف‌کنندگان افزایش می‌یابد، نیاز به OBCهای جمع‌وجور و سبک‌تر به یک الزام تبدیل می‌شود. نوآوری‌ها در فناوری نیمه‌هادی‌های قدرت، مدارهای رزونانسی و سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته آماده‌اند تا چگالی توان را به طور قابل توجهی افزایش دهند. نتیجه این پیشرفت‌ها OBCهایی خواهد بود که می‌توانند ظرفیت‌های شارژ بالاتری را بدون افزایش متناسب در اندازه یا وزن ارائه دهند، که این امر شارژ سریع‌تر و راحتی بیشتر برای کاربران را تسهیل می‌کند.

ظهور شارژ دوطرفه (Bidirectional Charging) یکی دیگر از روندهای قابل توجه است. OBCهایی که قادر به جریان برق دوطرفه هستند نه‌تنها خودرو را شارژ می‌کنند، بلکه امکان انتقال انرژی از باتری خودرو به شبکه یا دستگاه‌های دیگر را فراهم می‌کنند. این قابلیت «خودرو به شبکه» (V2G) promises به تحولی در خودروهای برقی به عنوان مراکز انرژی موبایل منجر خواهد شد و پایداری شبکه، پاسخ به تقاضا و پشتیبانی از انرژی در هنگام قطع برق را ارائه خواهد داد. تلاش‌های استانداردسازی مانند ابتکار شارژ رابط (Char-IN) اهمیت تعامل‌پذیری را برجسته می‌کنند. ایجاد استانداردهای جهانی شارژ موجب سازگاری بی‌وقفه بین خودروهای برقی و زیرساخت‌های شارژ می‌شود که تجربه شارژ کاربر پسند و یکپارچه‌ای را تضمین می‌کند. این روند ادامه خواهد یافت و موانع پذیرش خودروهای برقی را از بین خواهد برد.

با توجه به اینکه OBCها به طور فزاینده‌ای به هم متصل شده و وابسته به پروتکل‌های ارتباط دیجیتال هستند، امنیت سایبری به موضوعی برجسته تبدیل می‌شود. حفاظت از OBCها در برابر تهدیدات سایبری برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان خودروهای برقی بسیار حیاتی است. OBCهای آینده ویژگی‌های امنیتی قدرتمندی شامل رمزگذاری، احراز هویت و تشخیص نفوذ را برای محافظت در برابر آسیب‌پذیری‌های احتمالی یکپارچه خواهند کرد.