مدت زمان شارژ خودروی برقی : توضیح و محاسبه
فهرست مطالب
مقدمه
وقتی درباره جایگزینی خودروی بنزینی فعلی خود با یک خودروی برقی جدید تحقیق میکنید، یکی از نخستین پرسشهایی که در پی پاسخ آن هستید این است که «مدت زمان شارژ خودروی برقی چقدر است؟» ریشه این پرسش به مقایسه همیشگی خودروهای بنزینی با برقی برمیگردد. اگر در پمپ بنزین صف نباشد، حداکثر ظرف 5 دقیقه میتوانید باک خودروی خود را پر کنید. اما با سطح تکنولوژی فعلی باتری خودروهای برقی، زمان شارژ کامل یک خودروی برقی حتی در ایستگاههای شارژ سریع بیشتر از این مقدار است. بنابراین داشتن یک برآورد دقیق از مدت زمان شارژ خودروی برقی، کمک مینماید که یک نگاه واقعبینانه به این موضوع داشته باشید.
پارامترهای مؤثر بر زمان شارژ
پارامترهای خطی مدت زمان شارژ خودروی برقی
محاسبه مدت زمان شارژ یک خودروی برقی حاصل یک فرمول ساده ریاضی نیست. زیرا پارامترهای زیادی در این محاسبه دخالت دارند. همچنین، نحوه تأثیر برخی از این پارامترها مانند دما و منحنی شارژ CCCV بر پایه نمودارهای غیرخطی است. بنابراین برای داشتن یک نتیجه عددی تا حد امکان دقیق، باید تأثیر همه پارامترها را به صورت همزمان با تقریبهای خطی اعمال نمود.
ظرفیت باتری
مقدار انرژی بر حسب کیلووات-ساعت است که باتری از شارژر میگیرد و در خود ذخیره مینماید. لازم به ذکر است که ظرفیت باتری یک خودروی برقی دو مقدار دارد :
ظرفیت «ناخالص» (Gross) باتری
به کل انرژی که باتری یک خودروی برقی میتواند در خود ذخیره کند، ظرفیت ناخالص باتری میگویند. همیشه محاسبه مدت زمان شارژ خودروی برقی بر پایه ظرفیت ناخالص انجام میگردد.
ظرفیت «خالص» (Net) باتری
سازندگان باتری در نرمافزار مدیریت باتری (Battery Management System یا BMS) مقداری از ظرفیت باتری را به صورت رزرو نگه میدارند. این مقدار بین %5 تا %10 ظرفیت ناخالص است. به عنوان مثال، ظرفیت خالص یک باتری 80 کیلووات-ساعتی، بین 72 تا 76 کیلووات-ساعت خواهد بود.
وقتی در صفحه نمایش راننده (Instrument Cluster) ظرفیت باقیمانده باتری را نزدیک این آستانه رزرو میبینید، خودرو وارد حالت ذخیره انرژی (Energy Saving) میشود. در این حالت، حداکثر سرعت به مقدار بسیار پایینی (مثلاً 20 کیلونتر بر ساعت) محدود خواهد شد و استفاده از بارهای پرمصرف مثل سیستمهای گرمایش و سرمایش نیز محدود میگردد تا با شارژ باقیمانده، بتوانید به نزدیکترین ایستگاه شارژ برسید. پس هنگام برنامهریزی برای یک مسافرت طولانی، میبایست مدت زمان شارژ خودروی خود را نیز در نظر بگیرید.
نگهداری این مقدار رزرو دو فایده دارد :
- از تخلیه کامل باتری که عمر مفید باتری را کاهش میدهد، جلوگیری مینماید.
- راننده پیش از تخلیه کامل باتری به فکر شارژ خودرو خواهد بود.
البته در منوی تنظیمات خودرو، راننده به صورت دستی میتواند استفاده از مقدار ذخیره رزرو باتری را برای مواقع اضطراری که ایستگاه شارژ در دسترس نیست، آزاد نماید.
ذکر این نکته جالب است که معمولاٌ به عنوان یک ترفند تجاری و بازاریابی، خودروسازان مقدار ناخالص ظرفیت باتری که عدد بزرگتری دارد را به عنوان ظرفیت آن اعلام مینمایند.
توان شارژر
هر چقدر توان شارژر بیشتر باشد، سرعت شارژ بیشتر و مدت زمان شارژ خودروی برقی کوتاهتر خواهد بود. توجه کنید که چون شارژرهای AC متکی به اینورتر داخلی خودرو هستند و این اینورتر محدودیت وزن و حجم دارد، از توان کمتری نسبت به شارژرهای DC برخوردارند.
حداکثر توان ورودی خودرو
بسته به ملاحظات طراحی باتری و اینورتر داخلی خودرو، هر خودروی برقی دارای یک محدوده توانی از نظر شارژ AC و DC میباشد.
به عنوان مثال، دو مدل آئودی Q5 وارد بازار ایران شده است: یکی دارای ورودی AC تکفاز 7/4 کیلووات و دیگری دارای ورودی سهفاز 11 کیلووات. پس اگر یک شارژر سهفاز 22 کیلووات را به این دو مدل آئودی Q5 متصل کنید، نوع اول فقط از یک فاز 32 آمپر (معادل 7/4 کیلووات) و نوع دوم از هر سه فاز 16 آمپر (معادل 11 کیلووات) جریان میکشد. واضح است که زمان شارژ مدل دوم حدود 8 ساعت و %40 کمتر از زمان شارژ مدل اول یعنی حدود 11 ساعت است.
مشابه محدودیت فوق دقیقاً برای حداکثر توان ورودی DC خودرو نیز صدق میکند.
توجه کنید که حداکثر توان ورودی خودرو عامل تعیینکننده بسیار مهمی در محاسبه مدت زمان شارژ خودروی برقیست. اما اغلب فقط توان شارژر را درنظر میگیرند و در محاسبه آن را فراموش مینمایند.
درصد شروع و پایان شارژ
ناگفته پیداست که با افزایش فاصله نقاط شروع و پایان شارژ، مدت زمان شارژ نیز افزایش مییابد. مثلاً شارژ باتری در فاصله %20 تا %80 خیلی سریعتر از %0 تا %100 انجام میگردد.
بازده شارژ
توجه کنید که تمام انرژی خروجی شارژر به باتری خودروی برقی نمیرسد. چرا که مقداری از آن به صورت اتلاف حرارتی و افت ولتاژ تلف میگردد.
فرسودگی باتری
با افزایش سن باتری بر حسب تعداد سیکل شارژ و سایر عوامل تأثیرگذار، مدت زمان شارژ باتری کاهش خواهد یافت. زیرا با افزایش سن باتری، از ظرفیت آن کاسته میگردد.
پارامترهای غیرخطی مدت زمان شارژ خودروی برقی
دما
دماهای کمتر از صفر یا بیشتر از 45 درجه سانتیگراد تأثیر افزایشی شدیدی بر مدت زمان شارژ خودروی برقی دارند. لازم به ذکر است که تأثیر سرما بر افزایش زمان شارژ بیشتر از گرماست.
منحنی شارژ باتری
منحنی شارژ باتری لیتیوم-یون CCCV (جریان-ثابت ولتاژ-ثابت Constant-Current Constant-Voltage) نام دارد. در یک فرآیند شارژ کامل، شارژ از بخش CC منحنی آغاز میگردد و سپس با رسیدن وضعیت شارژ به حدود %70 تا %80 (بسته به ترکیبات شیمیایی باتری)، وارد ناحیه CV میگردد.
نکته قابل توجه این است که با وجود بیشتر بودن بازه شارژ بخش جریان-ثابت CC، اما زمان آن از بخش ولتاژ-ثابت CV کمتر است.
به عنوان مثال اگر تغییر وضعیت از CC به CV را در حدود %75 درنظربگیریم و بازه شارژ مطلوب بین %65 تا %85 باشد برابر %20 باشد، مدت زمان %65 تا %75 که در ناحیه CC است، بسیار کوتاهتر از %75 تا %85 خواهد بود که در ناحیه CV قرار دارد، با اینکه میزان شارژ در هر دو بازه یکیست.
شکل 1 – مدت زمان شارژ خودروی برقی تابعی از یک سری پارامترهای خطی و غیرخطی میباشد.
محاسبه مدت زمان شارژ خودروی برقی
جهت انجام محاسبه، لطفاً تمام فیلدهای دارای علامت ستاره (*) شامل موارد زیر را وارد نمایید :
- نوع خودرو (با انتخاب نوع خودرو، ظرفیت باتری و دارابودن به ورودی AC تکفاز یا سهفاز نمایش داده خواهد شد.)
- نوع شارژر (AC تکفاز یا سهفاز یا DC)
- توان شارژر بر حسب کیلووات
- درصد شروع و پایان شارژ
- دمای هوا بر حسب درجه سانتیگراد
- عمر باتری بر حسب سال
در صورت ورود صحیح اطلاعات فوق، در پایین فرم زمان شارژ بر حسب ساعت و دقیقه نمایش داده خواهد شد :
نتیجهگیری
مدت زمان شارژ خودروی برقی تابع غیرخطی چندین پارامتر شامل ظرفیت باتری، توان شارژر، حداکثر توان شارژ قابل پذیرش توسط خودرو، درصد شروع و پایان شارژ، دمای باتری و سن آن است.
در برنامهنویسی محاسبهگر مدت زمان شارژ خودروی برقی، سعی کردهایم که تأثیر تمامی پارامترهای فوق را تا حد امکان با دقت لحاظ نماییم. اما دسترسی به یک سری اطلاعات ویژه مانند منحنی CCCV باتری هر خودرو جزء اطلاعات طبقهبندی شده شرکت سازنده باتریست که به هیچوجه در دسترس عموم نیست. همچنین، محاسبه تعداد سیکل شارژ دقیق باتری ساده نیست که به جای آن، از عمر باتری بر حسب سال استفاده کردیم. بنابراین وجود درصدی خطا در نتیجه محاسبه تئوری مدت زمان شارژ خودروی برقی نسبت به زمان شارژ واقعی غیرقابل اجتناب است.