بخشی از مقاله
مروري بر ايستگاه هاي شارژ خودروهاي هيبريدي
چکيده
ايستگاه شارژ الکتريکي جزو لاينفک بکارگيري خودروهاي هيبريدي در شبکه حمل و نقل عمومي و خصوصي کالا و مسافر است . انتقال انرژي الکتريکي با توجه به روشهاي مختلف ايجاد ارتباط الکتريکي بين خودرو و ايستگاه صورت ميگيرد. بکارگيري و توسعه خودروهاي هيبريدي در کشورمان نيازمند کسب شناخت عميق از ساختارها، اصول عملکرد و تجارب مرتبط با ايستگاههاي شارژ الکتريکي است . اين مقاله با هدف انجام بررسي مقدماتي در زمينه ايستگاههاي شارژ الکتريکي تدوين شده است . در اين مطالعه ، ساختارهاي مختلف ايستگاهها بررسي شده و استانداردهاي مرتبط با آنها بيان ميشود. سپس تجارب مرتبط با بکارگيري ايستگاههاي شارژ، مورد بررسي قرار ميگيرد. در نهايت ، انواع مقالات منتشر شده در زمينه ايستگاههاي شارژ بصورت اجمالي مرور ميگردد.
واژه هاي کليد : خودروي هيبريدي ، ايستگاه شارژ، سطوح شارژ، استانداردها.
١- مقدمه
خودروهاي هيبريدي فن آوري نوين حمل و نقل محسوب مي شوند که با بهره گيري از انرژي الکتريکي ، گاه در ترکيب با انرژي فسيلي حرکت مي کنند. اين خودروها در سالهاي اخير مورد توجه روزافزوني قرار گرفته اند. همزمان با الکتريکي شدن ناوگان حمل و نقل ، صنعت خودرو و بخش برق تحت تأثير يک سري تغييرات تکاملي قرار خواهد گرفت . از جمله مزاياي اقتصادي و زيست محيطي استفاده از خودروهاي هيبريدي مي توان به ايجاد اشتغال و همچنين توليد و استقرار زيرساخت هاي لازم در زمينه گسترش خودروهاي هيبريدي ، کاهش وابستگي به سوخت هاي فسيلي ، فرصتي براي بهتر کردن يکپارچه سازي منابع انرژي تجديدپذير و در نهايت اطمينان از راندمان بالاتر انرژي ، امنيت بهتر منابع انرژي همراه با کاهش انتشار GHG و آلودگي هوا و آلودگي صوتي اشاره کرد.[١] توليد خودروهاي هيبريدي و نياز به وجود قابليت سفر در مسافت هاي طولاني موجب پيدايش نياز به گسترش ايستگاه هاي شارژ الکتريکي ميشود. ايستگاههايي که بتوانند شرايط لازم براي ارائه مقدار قابل توجهي از انرژي الکتريکي را به خودروها فراهم کنند. با توجه به امکان فراگير شدن استفاده از خودروهاي هيبريدي در ايران و جهان ، نياز به بهره برداري از ايستگاههاي شارژ آينده اي نزديک بسياري از کشورها احساس خواهد شد. بدين دليل ، از اکنون هم در پژوهشهاي گسترده اي هاي مختلف برنامه در زمينه جنبه ريزي ، طراحي و بهره برداري از ايستگاههاي شارژ الکتريکي به انجام رسيد يا در حال انجام است . توسعه خودروهاي هيبريدي و ايستگاههاي شارژ در کشورمان مستلزم آنست که ، در گام اول ، دستاوردها و تجارب پژوهشهاي بين المللي در اين زمينه گردآوري و بررسي گردد.
در اين مقاله سعي شده است تا مروري هرچند اجمالي بر تجارب و دستاوردهاي مرتبط با خودروهاي هيبريدي صورت گيرد. در ابتدا با بيان تعريفي ساده از يک ايستگاه شارژ خودروي هيبريدي شروع مي کنيم و در ادامه به بررسي سطوح شارژ مورد استفاده در يک ايستگاه شارژ و همچنين انواع شبکه هاي تأمين کننده برق اين ايستگاهها مي پردازيم . در بخش سوم ، به بيان اهميت استانداردسازي و همچنين معرفي برخي از نهادهاي متولي توسعه استاندارد در زمينه خودروهاي هيبريدي خواهيم پرداخت و در ادامه اشاره اي به برخي از استانداردهاي موجود خواهيم داشت . مرور برخي از تجربه هاي عملي نصب ايستگاههاي شارژ در بخش چهارم آمده و سرانجام در بخش پنجم مروري گذرا به برخي از مقالات نوشته شده در زمينه خودروهاي هيبريدي و بررسي روند کلي مطالعات انجام شده در اين زمينه خواهيم داشت.
٢- ايستگاههاي شارژ خودروهاي هيبريدي
ايستگاه شارژ خودروي هيبريدي به معناي يک فضاي عمومي يا خصوصي است که تجهيزات مربوطه را به منظور انتقال انرژي الکتريکي (از طريق اتصالات الکتريکي و يا تجهيزات القايي ) به باتري يا ديگر ابزارهاي ذخيره کننده انرژي الکتريکي در يک وسيله نقليه بکار مي گيرد.[٢] IWC سطوح شارژ مورد استفاده در يک ايستگاه شارژ خودرو را همراه با قابليت هاي متناظر و مورد نياز سيستم هاي ايمني تعريف کرده است . اين شورا، سطوح شارژ را به ٣ سطح تقسيم کرده است . در اين تقسيم بندي سطح ١ بعنوان شارژ آهسته ، سطح ٢ بعنوان شارژ متوسط و سطح ٣ بعنوان شارژ سريع مطرح شده است .
در سطح ١، شارژ خودرو با استفاده از مدار شاخه استاندارد ١٢٠ ولت متناوب ، که پايين ترين سطح ولتاژ معمول موجود در هر دو نوع ساختمان مسکوني و تجاري است ، صورت ميگيرد. سطح ولتاژ مي تواند از ١١٠ ولت تا ١٢٠ ولت متناوب باشد. مقدار جريان براي اين جايگاه ها ١٥ يا ٢٠ آمپر است . سطح ١ شارژ، معمولا با استفاده از يک پريز برق ٣-زبانه استاندارد به سيم کشي اختمان متصل مي شود. توليدکنندگان آينده خودروهاي هيبريدي احتمالا استفاده از سطح ١ را براي خودروها بوسيله يک سيم تنظيم (١٢٠ولت متناوب ، ١٥ يا ٢٠ آمپر) همراه وسيله نقليه فراهم خواهند کرد. سيم تنظيم از يک شاخه ٣-زبانه استاندارد همراه با يک دستگاه قطع جريان شارژ (CCID) که در کابل منبع تغذيه در داخل دو شاخه ١٢ اينچ قرار گرفته است استفاده خواهد کرد. اتصال وسيله نقليه در انتهاي ديگر سيم طرح مشخص شده در استاندارد J١٧٧٢ خواهد بود.
چون زمان شارژ در سطح ١مي تواند بسيار طولاني باشد، بسياري از صاحبان خودروهاي هيبريدي علاقه مند خواهند بود که به سطح ٢ شارژ در خانه و در مکان هاي عمومي دسترسي داشته باشند. سطح ٢ به طور معمول به عنوان روش اصلي و استاندارد براي هر دو نوع تجهيزات و امکانات خصوصي و عمومي در دسترس ، استفاده مي شود که يک مدار تک فاز مشخص و سطح ولتاژ ٢٢٠ تا ٢٤٠ ولت متناوب است . اتصال مورد تاييد J١٧٧٢ اجازه عبور جرياني تا بزرگي ٨٠ آمپر را مي دهد. با اين حال ، چنين سطح جريان بالايي بسيار نادر است ؛ رتبه معمول تر جريان ٤٠ آمپر خواهد بود. اين امر تقريبا در حدود ٧,٧ کيلووات توان را با مدار ٢٤٠ ولت متناوب فراهم مي کند.
سطح ٣، يعني شارژ سريع مستقيم ، براي کاربردهاي تجاري و عمومي در نظر گرفته شده است و در آن عمل شارژ کردن به سرعت انجام مي شود. به طور معمول ، شارژ سريع مستقيم ٥٠% شارژ را در ١٠ تا ١٥ دقيقه فراهم خواهد کرد. نکته شايان ذکر آنکه در تمامي خودروها شارژ باتري در نهايت با برق مستقيم صورت ميگيرد. بنابراين براي سطوح شارژ ١ و٢، تبديل برق متناوب به برق مستقيم در شارژر داخلي (on board) خودرو رخ مي دهد.
شارژ سريع مستقيم به طور معمول از يک شارژر خارجي (-off board) براي فراهم کردن تبديل برق متناوب به برق مستقيم استفاده مي کند ، به طوري که اين برق مستقيم به وسيله نقليه تحويل داده مي شود. سيستم مديريت باتري خودرو، شارژر خارجي را براي تحويل برق به باتري کنترل مي کند. شارژر خارجي از منبع سه فاز ٢٠٨، ٤٨٠، و يا ٦٠٠ ولت متناوب تغذيه ميشود.
با استانداردسازي EVs طبق استاندارد J١٧٧٢ که سطح بالاتر ايمني را نتيجه مي دهد.[٥-٣]
برخي از توليدکنندگان خودروي هيبريدي سيم تنظيم سطح ١ را تنها در شرايط غير معمولي هنگامي که شارژ سطح ٢ در دسترس نباشد پيشنهاد مي دهند، مانند وقتي که خودرو يک شب در خانه فرد ديگري پارک شده باشد. شرکت هاي مختلف بسته هايي براي تبديل خودروهاي احتراق داخلي و هيبريدي به وسايل نقليه پلاگين ارائه کرده اند. بسياري از اين تبديلات از يک شاخه ٣-زبانه استاندارد استفاده کرده و بدين ترتيب راهي براي استفاده از سطح ١ را براي شارژ وسايل نقليه ارائه کرده اند.
در ميان سه دسته بندي ايستگاههاي شارژ، سطح ٣ جالبترين و عملي ترين نوع براي نصب در مکانهاي عمومي مانند مراکز تجاري است . در آينده چنين ايستگاههايي احتمالا نقشي شبيه پمپ هاي بنزين امروزي را بازي خواهند کرد. به همين دليل بسياري از کشورهاي توسعه يافته بويژه کشورهاي اروپاي غربي را در زمينه استفاده از سطح ٣ را برنامه ريزي مي کنند.
براي تأمين برق مورد نياز خودروها در يک ايستگاه شارژ، همانند شکل (١)، مي توان از شبکه ولتاژ مستقيم يا متناوب يا هر دو استفاده کرد.[٦]
اگر تنها هزينه تجهيزات را در نظر بگيريم و از هزينه هاي طرح ، ساخت و ساز و ... صرف نظر نماييم خواهيم ديد که هزينه هاي سه توپولوژي نشان داده شده تفاوت زيادي ندارند هر چند که به نظر مي رسد که شبکه هيبريد مستقيم و متناوب اقتصادي ترين انتخاب باشد. شبکه متناوب بدليل قيمت بالاي مبدل شارژر سريع گران است .
هزينه هاي شبکه مستقيم عموما بدليل نرخ هاي بالاي توان مبدل ها مطرح شده است . علاوه بر اين ، براي تأمين بار شبکه DC خالص براي يک ايستگاه شارژ نوعي به توان ٣,٦ مگاوات نياز است که نزديک به نرخ توان شبکه قطار شهري (٤,٥ مگاوات ) است . بنابراين شبکه DC خالص نياز به بروز رساني شبکه DC قطار شهري دارد و بايستي هزينه هاي اضافي براي ارتقاء شبکه قطار شهري نيز در نظر گرفته شود که ممکن است اين هزينه ها بسيار زياد باشد. در نتيجه بهتر آنست که از شبکه AC خالص يا هيبريد AC و DC استفاده شود.
در شبکه هيبريد AC و DC از شبکه DC تنها براي شارژ سريع خودروهاي هيبريدي استفاده مي شود که بهترين ترکيب هزينه را در پي خواهد داشت .
٣- استانداردهاي بين المللي در زمينه ايستگاههاي شارژ
در سطح بين المللي تعداد زيادي شرکت کننده ، کميته و گروه فني در زمينه تدوين استانداردهاي مرتبط با خودروهاي هيبريدي وجود دارد. بسيار مهم است که ترکيبي از استانداردها و تکنولوژي هاي شارژ وجود داشته باشد به طوري که زيرساخت هاي شارژ خودروها در همه جا مشترک باشد. واضح است که استفاده کنندگان از خودروهاي هيبريدي تکنولوژي هايي را ترجيح مي دهند که هزينه هاي توليد و ساخت کمتري دارند. اثرات خودروهاي هيبريدي در رابطه با ايمني عمومي ، پايداري زيست محيطي و همچنين چگونگي سرعت رشد اين تکنولوژي تا حد زيادي تحت تأثير استانداردهاي خودروهاي هيبريدي و زيرساخت هاي مرتبط با طراحي و پايبندي سازندگان ، تکنسين ها و ساير متخصصان مربوطه به اين استانداردها است . به اين ترتيب ، استانداردها به احتمال زياد نقش مهمي را در هدايت و ترويج استفاده از خودروهاي هيبريدي در طول سالهاي آينده بازي خواهند کرد.
بنابراين سازگاري استانداردهاي بين المللي براي تضمين هماهنگي ميان حوزه هاي مختلف امري حياتي خواهد بود. همچنين استانداردها مکانيزمي براي به اشتراک گذاشتن دانش فراهم مي کنند و اين دانش را به صورت يک کالاي عمومي در مي آورند. اين امر بهره وري اقتصادي توسعه را افزايش مي دهد. بنابراين با توجه به طيف متنوع و گسترده فن آوري هاي درگير با خودروهاي هيبريدي و ديدن سطح متغيري از توسعه هر کدام ، استانداردسازي بايستي نقش هاي مختلفي را در سرتاسر طيف توسعه بازي نمايد.[٧] در واقع يک مورد بسيار مهم در رابطه با ايستگاههاي شارژ خودروهاي هيبريدي مسئله استانداردهاست . از کشوري به کشور ديگر استانداردهاي ولتاژ، فرکانس انتقال و همچنين استانداردهاي اتصال بر حسب آمپر کمي متفاوت است . وجود ترکيبي از استانداردها و تکنولوژي هاي شارژ به گونه اي که زيرساختهاي شارژ براي همه خودروها يکسان باشد ضروري است . در حال حاضر، اتصالات مختلف و دو اصطلاح سطح که بيشتر در آمريکاي شمالي استفاده مي شود و حالت که بيشتر بوسيله سازمانهاي استاندارد اروپا استفاده مي شود براي شارژ آنست خودروهاي هيبريدي وجود دارد. جالب توجه که در اروپا به طور گسترده اي ((سطح )) استفاده مي شود. الزامات زمين کردن نيز در حال حاضر در مناطق مختلف با يکديگر متفاوت است . در آوريل ٢٠٠٩ برخي از توليدکنندگان خودروهاي هيبريدي مانند فورد، جنرال موتورز، فولکس واگن ، فيات ، تويوتا و ميتسوبيشي روي استاندارد اتصال سه سر(live, neutral and earth) براي شارژ خودروهاي هيبريدي توافق کردند. در اتحاديه اروپا، اتصال چندفاز ”Mennekes“ و اتصالات تک فاز و سه فاز EDF که نيسان و رنو را شامل مي شود وجود دارد. شکل (٢) برخي از انواع اتصالات و سوکت ها را نشان مي دهد.
شکل (٢) . برخي از انواع اتصالات و سوکت ها
٧. level
٨. mode
٩. earthing
١٠. Électricité de France
يک عامل مهم در جلب رضايت استفاده کنندگان از خودروهاي هيبريدي توانايي در افزايش ميزان قدرت باتري اتومبيل خواهد بود.
اين عمل مي تواند با نصب عاقلانه ايستگاه هاي شارژ عمومي در دسترس ، انجام شود. عموما شارژ در دسترس ترکيبي از سطح ١، سطح ٢ و شارژ سريع است . با اين حال ، براي خودروهاي صرفا الکتريکي ، بازده شارژ توليد شده توسط يک ايستگاه شارژ اختصاصي سطح ١ کمترين مقدار را دارد و استفاده از آن توصيه نمي شود.
تنظيمات پيشنهادي براي يک ايستگاه شارژ عمومي سطح ٢ استفاده از يک کانکتور J١٧٧٢ مي باشد. اين کار همه وسايل نقليه هيبريد و الکتريکي را که نياز به شارژ با تواني پايين تر از نياز خودروهاي صرفا الکتريکي دارند به ورودي J١٧٧٢ مجهز خواهد کرد.[١]
اکثر استانداردهاي با استفاده از يک رويکرد مبتني بر اتفاق نظر ميان سهامداران و کارشناسان و متخصصاني از صنعت ، دولت و دانشگاه و همچنين سطح آگاهي عمومي در حال توسعه هستند. در اکثر کشورها توسعه استانداردها به طور مستقيم تحت کنترل دولتها نيست . بلکه توسط سازمانهاي توسعه استاندارد معتبر (SDOs) کنترل مي شود. اين سازمانها به گسترش استانداردهايي کمک مي کند که بوسيله تنظيم کنندگان ، دانشگاهيان ، صنعت و يا بوسيله مردم شناسايي مي شوند. برخي از مهمترين سازمانهاي استانداردسازي ISO و IEC ميباشند که در سطح بين المللي فعاليت مي کنند. همچنين سازمانهاي ملي وجود دارد که بر توسعه استانداردهاي مربوطه و منطبق بر استانداردهاي بين المللي تمرکز مي کنند. از جمله اين سازمانها مي توان به IEEE و UL، که هر دو سازمان در ايالات متحده آمريکا واقع شده اند و يا به اداره استانداردسازي جمهوري خلق چين ، انجمن استانداردسازي ژاپن ، کميته اروپايي براي استانداردسازي الکتروتکنيکال ، موسسه استانداردهاي استراليا و يا به انجمن استانداردهاي کانادا اشاره کرد سازمانهايي نيز وجود دارند که مشغول کار روي زمينه خاصي هستند. يکي از اين سازمانها، SAE مي باشد که يک سازمان بين المللي است که عمدتا روي استانداردهاي مربوط به صنعت خودرو متمرکز شده است .[٧]
به طور کلي ، استانداردهاي مربوط به خودروهاي هيبريدي را مي توان در ٤ دسته کلي استانداردهاي مربوط به سيستم هاي خودرو، استانداردهاي موبوط به باتري ، رابط ها و زيرساخت ها جاي داد. براي نمونه ، جدول (١) برخي از استانداردهاي مورد استفاده براي پروژه هاي زيربنايي خودروهاي هيبريدي ، از جمله ايستگاهاي شارژ، در ايالات متحده آمريکا را نشان مي دهد.[٨]
