بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، عملکرد کنترل کننده شارژرهای شارژر های خودروهای الکتریکی در یک ساختمان هوشمند جهت کمینه کردن هزنیه بهرهبرداری مورد بررسی قرار گرفته است. در این برنامه ریزی ساختمان اداری به شبکه توزیع متصل بوده و به علاوه از سیستم پنل خورشیدی جهت تامین توان مودر نیاز استفاده میکند. از طرفی از قابلیت V2G1 خودروهای الکتریکی برای مدیریت هرچه بهتر انرژی این سیستم استفاده شده است.
نتایج حاصل از این برنامهریزی با حالت بهربرداری کنترل نشده مقایسه شده است. با توجه به آن که میزان و نوع بهرهبرداری از باتریهای خودروهای الکتریکی بر طول عمر باتریها تاثیر گزار است، این کاهش طول عمر هزینه هایی بر سیستم وارد خواهد کرد که در این مقاله با راهکاری کارآمد و ساده به تحلیل این تاثیرات پرداخته شده است. در نتیجه این مقاله در مقایسه انواع بهره برداری در چهار حالت مختلف، مزایای در نظرگیری این تاثیرات بیان شده است.
.1 مقدمه
استفاده از سیستمهای حمل و نقل برقی که عنصر مهم و مؤثر بر سیاست گذاری بلند مدت و راهبردی دولتها میباشد، به عنوان یکی از مؤثرترین راهکارها جهت کاهش استفاده از سوختهای فسیلی و متعاقباً کاهش آلودگی هوا و محیط زیست در کشورهای پیشرفته، پذیرفته شده است.
در خصوص خودروهای الکتریکی میبایست اشاره شود که طبق [1] تا سال 2020 میلادی، این وسایل نقلیه به عنوان یکی از اصلیترین اجزا سیستم حمل و نقل در کشورهای پیشرفته شناخته خواهند شد، چراکه علاوه بر کاهش مصرف سوختهای فسیلی، این خودروها، خود میتوانند به صورت یک تولید پراکنده انرژی عمل کرده و در شرایط نیاز شبکه، انرژی مازاد خود را به آن برگرداندعلیرغم مزایای شبکههای حمل و نقل برقی، این صنعت، مصرف کننده بزرگ انرژی برای شبکه برق سراسری محسوب میشود، بنابراین توسعه آن به در نظر گرفتن زیرساختهای بزرگ و در نتیجه هزینههای بالا نیاز دارد.
ایستگاههای شارژ خودروهای الکتریکی در زمان پیک مصرف، تأثیرات منفی قابل توجهی بر شبکه سراسری دارند زیرا تفاوت زیاد مصرف برق توسط آنها در ساعات پیک و و غیر پیک میتواند مشکلزا باشد. از طرفی نیز برق خریداری شده در ساعات پیک قیمت بیشتری داشته و مشکلات، بهرهوری مصرفکنندگان نهایی را نیز متأثر کرده است.
هرچند با معرفی شبکهی هوشمند و ایجاد زیر ساختهای ارتباطی دوسویه خودروهای برقی به راحتی به شبکه بار فشار ضعیف متصل میشوند و قادرند در برخی مواقع به عنوان یک منبع ذخیرهی انرژی عمل کنند، اما شارژ بدون کنترل خودروها توسط مصرفکنندگان بخش خانگی و اداری اگر با پیک بار شبکه همزمان گردد مشکلاتی را در پی خواهد داشت.
از سوی دیگر علیرغم تمامی منافع خودروهای الکتریکی متصل به شبکه و استفاده باتری آنها به عنوان ذخیره-ساز در شبکه، تحقیقات نشان میدهند که میزان و نوع شارژ و دشارژ از مهمترین عوامل کاهش عمر باتری خودروهای الکتریکی میباشد. به همین دلیل دارندگان خودروهای الکتریکی با در نظر گرفتن قیمت بالای باتریهای خودروها، تمایل چندانی برای وارد شدن به برنامهریزیهای شامل V 2G ندارند . در نتیجه یکی از راهکارهای مناسب برای تشویق دارندگان خودروهای الکتریکی برای وارد شدن به اینگونه برنامهها، علاوه بر مدیریت زمان شارژ که باعث کاهش هزینهی شارژ میشود، در نظر گرفتن عمر باتری و هزینهی آنها در برنامه ریزی میباشد.
در مطالعات مختلف، درخصوص حل مشکل خودروهای الکتریکی، به بررسی راهکارهایی برای کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان پرداخته شده است. به طور مثال، روشهایی مانند استفاده از تولیدات پراکنده در سیستم حمل و نقل برقی [4] ,[3]پیشنهاد شده است. مشخصاً برای خودروها که مشکل جدی آسیب رسانی به شبکه توزیع دارد، استفاده از تولیدات پراکنده الکتریکی [5] و ذخیرهسازهای انرژی [6] به منظور جبران تأثیر منفی خودروهای الکتریکی بر روی شبکه توزیع پیشنهاد شده است؛
در این روش با توجه به کلان بودن مقدار انرژی مورد نیاز برای کاهش تأثیرات، فقط قسمتی از آن فراهم خواهد شده. در[1] ، روشی ارائه شده تا با استفاده از سیستمهای ارتباطی نظیر Bluetooth، Z-Wave، ZigBee، HomePlug خودروها با شارژرها در ارتباط باشند تا از وضعیت Real-Time فرکانس، ولتاژ، قیمت برق و سایر پارامترها مطلع گردند و متناسباً برای شارژ تصمیمگیری انجام دهند. واضح است این دیدگاه نوعی محدودیت برای مصرفکننده ایجاد کرده که در شرایط پیک مجبور به مراجعه به شارژری غیر از مورد نزدیک خود میگردد.
برخی شرکتهای سرویس دهنده نیز دو تعرفه برای فروش برق در نظر میگیرند که توازن را با ایجاد شرایط خاص برای هزینهها ایجاد کنند که مصرف کننده را متحمل هزینه نامربوط میکند. در مطالعه دیگر [7] تلاش بر آن شده تا با جایابی ایستگاههای شارژ تلفات کاهش داده شود تا با افزایش بهرهوری مشکل تأثیرات سوء بهبود یابد. این دیدگاه هر چند تأثیرگذار بوده اما محدودیتی برای جایابی ایستگاهها ایجاد کرده و از طرفی فقط مقدار کمی از مشکلات را مرتفع مینماید.
در سالهای اخیر استفاده از خودروهای الکتریکی قابل شارژ از شبکه، با هدف کاهش آلودگی محیط زیست و کاهش میزان مصرف سوختهای فسیلی و وابستگی به آن مورد توجه قرار گرفته است. تخمین زده میشود که تا سال 2020 تقریبا 2 میلیون PEV در جادههای ایلات متحده آمریکا باشد و تا سال 2030 این رقم به 14 میلیون افزایش یابد[1] نفوذ خودروهای الکتریکی هرچند کم، اما از نظر جغرافیایی متمرکز، میتواند وابسته به نرخ توان شارژها و زمانی از روز که وسایل نقلیه شارژ میشوند اثرات مخرب قابل توجهی بر روی سیستمهای توزیع محلی داشته باشد.
یکی از راههای بالقوه برای کاهش این تاثیرات سو بر روی شبکه، مدیریت مناسب شارژ خودروهای الکتریکی میباشد. به طور مثال در [8] و[9] از روش برنامهریزی تصادفی جهت بهینهسازی یک سیستم با حضور خودرو های الکتریکی استفاده شده است که البته در آن هزینه وارد شده به سیستم از سوی کاهش طول عمر باتری در نظر گرفته نشده است.
.2 طول عمر باتری
باتریها به دلیل تغییرات شیمیایی و فیزیکی مختلف در آنها دارای طول عمر محدودی میباشند. تغییرات به وجود آمده در در آنها میتواند موجب کاهش و یا از بین رفتن مواد فعال موجود در باتریها شود که موجب کاهش بازده یا تمام شدن طول عمر باتری میشود. این گونه تغییرات عموما غیر قابل بازگشت میباشد . به طور کلی کاهش طول عمر باتری را ایجینگ مینامند.
ایجینگ در مرحله نخست در ترکیب شیمیایی الکترولیت باتری رخ میدهد. مکانیسم تنزل کیفی الکترود مثبت و منفی با هم فرق دارند. منشأ مکانیسمهای ایجینگ هم میتواند شیمیایی و هم مکانیکی باشد و به شدت به ترکیب الکترودها وابسته است. در مدت زمان ایجینگ افت کیفیت باتری حاصل میگردد که برای مثل میتوان اصلاح و تغییر خصوصیت ساختار تغییر در ترکیب شیمیایی الکترولیت یا کم شدن مواد فعال با حل شدن مواد موجود در الکترولیت مثل منگنز را در پی داشته باشد. بنابراین پدیدهی مهم ایجینگ از تنزل الکترودها حاصل میگردد.
1,2 منشا ایجینگ
ایجینگ باتری را میتوان به دو قسمت ایجینگ تقویمی و چرخشی یا دوره ای تقسیم کرد. هر مورد تغییرات ایجاد شده با موارد کاربرد مختلف باتری را تعریف میکند. بنابراین، ایجینگ تقویمی مطابق با پدیدهی ذخیره باتری و پیامدهای آن است. در مقابل، ایجینگ چرخشی با تاثیر دورههای استفاده از باتری به نام چرخه در ارتباط است.
2,2 طول عمر تقویمی باتری
اجینگ باتری نسبت برگشت ناپذیری از کاهش ظرفیت در طول نگهداری است. در مورد دیگر، این همان تجزیه حاصل از نگهداری باتری است. میزان خود دشارژ شدن به شرایط نگهداری وابسته است. به این ترتیب اثرات رخ داده در باتری را میتوان تسریع یا کندتر کرد. شرط اصلی که در اگینگ تقویمی و خود دشارژ باید در نظر گرفت دمای نگهداری است . وقتی دما بالا است، واکنشهای ثانویه مثل خوردگی راحت تر صورت میگیرد و از بین رفتن لیتیم در شرایت دمایی متوسط مهمتر است، که باعث محو شدن ظرفیت میگردد. درجه حرارت پایین باعث محدود شدن گسترده این پدیده شده اما این شرایط مشکلاتی را به وجود میآورد از جمله از بین رفتن انتشار، تغییر شیمیایی باتری یا تغییر خواص شیمیایی باتری.
متغیر مهم دیگر در مطالعات ایجینگ تقویمی سطح soc در طول نگهداری است. بنابراین برای دمای ثابت و soc های مختلف پیل یا باتری به صورت یکسانی دچار اجینگ نمیشود. این عمر حاکی از تنزل کیفی زیاد باتری در soc افزایش یافته است. soc نسبت یونهای حاضر در الکترودها را نشان میدهد. یعنی برای soc بالا، یک عدم تعادل پتانسیل زیاد در حد فاصل الکترود-الکترولیت رخ میدهد و واکنشهای شیمیایی مقدم پیشرفت میکنند .
اکثر مطالعات ایجینگ تقویمی، soc را به صورت ترکیبی با دما نگهداری به دست میآورند. بدون شک، هریک از این متغیرها با هم ظرفیت و مقاومت را با تاثیر غیر خطی در طول زمان، تغییر میدهند. نتیجه مطالعات حاکی از آن است که تاثیر soc زیاد محدودتر از دمای بالا میباشد.
