فهرست مطالب
مقدمه
از زمان ورود نخستین نسل خودروهای برقی در سال 2008 با معرفی تسلا مدل رودستر (Tesla Roadster) و سپس نیسان مدل لیف (Nissan Leaf) در سال 2010، تکنولوژی باتری لیتیوم-یون خودروهای برقی با سرعت بالایی در حال توسعه است. این توسعه هم شامل چگالی انرژی در واحد وزن و هم در زمینه دوام و ایمنی باتریها میباشد. طوری که باتریهای امروزی در واحد وزن، انرژی بیشتری در خود جای میدهند و نرخ خرابی کمتری دارند. همچنین، این باتریها بسیار ایمنتر هستند و احتمال نشتی یا آتش گرفتن آنها نزدیک به صفر میباشد. اما در زمینه زمان شارژ با شارژرهای خانگی پیشرفت چندانی حاصل نشده است. در واقع، همیشه رؤیای «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» در سر خریداران و دوستداران خودروهای برقی وجود داشته است.
در محافل دوستانه و خانگی زیاد میشنویم که «بالاخره روزی خواهد رسید که با فست شارژ خانگی میتوانیم ماشین برقی را ظرف چند دقیقه در منزل شارژ کنیم.» پس بگذارید اصلاً با این پرسش شروع کنیم که «آیا واقعاً باید منتظر روزی باشیم که شارژر سریع خانگی خودروی برقی ظرف چند دقیقه خودروی برقی ما را شارژ نماید؟» به بیانی دیگر، «آیا فست شارژ خانگی خودروی برقی رؤیایی بیش نیست یا واقعیت دارد؟»
در این مطلب، به موانع عملیشدن شارژ سریع خودروهای برقی در خانه میپردازیم.
مشکلات عملی شارژر سریع خانگی خودروی برقی
ابتدا بیایید فارغ از پیچیدگیهای فنی شارژ یک خودروی برقی، با یک مثال ساده بسیار نزدیک به ذهن و روزمره شروع کنیم. شما قصد دارید یک مخزن خالی 100 لیتری آب را در خانه با یک شیر معمولی پر کنید. چقدر طول میکشد تا این مخزن پر شود؟ واضح است که این زمان تابع نرخ خروج جریان آب بر حسب زمان یا همان دبی میباشد. اگر دبی جریان آب 100 لیتر بر ساعت باشد، مخزن ظرف 1 ساعت و اگر 10 لیتر بر ساعت باشد، ظرف 10 ساعت پر خواهد شد. اما دبی نسبت مستقیم با فشار و سطح مقطع لوله (یا به اصطلاح عامیانه «اینچ» لوله) دارد. هر چه فشار بیشتر باشد و سطح مقطع لوله نیز بالاتر باشد، مخزن سریعتر پر خواهد شد.
اما در لولهکشی شهری هم فشار محدودیت دارد و هم سطح مقطع لولهکشی. طراحی تمام اجزای لولهکشی شهری شامل لولهها و اتصالات بر پایه فشار استاندارد به علاوه یک مقدار تلورانس اضافه معین انجام میگردد. اگر یک پمپ فشار قوی نصب کنید که فشار را به حد بالای قابل تحمل اجزای مسیر برساند، این فشار بالا سبب ترکیدن لولهها و همچنین جداشدن اتصالات خواهد شد. همچنین، محدودیتهای فضای داکتها و رایزرها و همچنین محدودیت اقتصادی، اجازه افزایش سطح مقطع لولهها از میزان معینی را نمیدهد. در نتیجه این محدودیتها هستند که به شما اجازه پرکردن مخزن کمتر از یک زمان حداقل را نمیدهند. یعنی نباید انتظار داشته باشید که با لولهکشی معمولی خانگی، مخزن 100 لیتری را بتوانید مثلاً ظرف 1 ثانیه پر نمایید. اما با تجهیزات صنعتی شامل پمپهای فشار بالا و لولههای قطور، حتی کمتر از 1 ثانیه نیز میتوانید این کار را انجام دهید.
شکل 1 – مقایسه پرکردن مخزن آب با شارژ باتری یک خودروی برقی
محدودیت ولتاژ در مسیر «شارژر سریع خانگی خودروی برقی»
با داشتن ذهنیت مثال پرکردن مخزن آب، سراغ بحث اصلی یعنی شارژر سریع خانگی خودروی برقی برویم. در اینجا هم یک مخزن یعنی باتری خودروی برقی را داریم که به جای آب، انرژی الکتریکی بر حسب کیلووات-ساعت ذخیره مینماید. در اینجا، ولتاژ بر حسب ولت جای فشار آب را میگیرد. میدانیم که استاندارد ولتاژ برق شهری ایران 220 ولت در سیستم تکفاز و 380 ولت در سیستم سهفاز در نقطه مصرف میباشد. البته با لحاظ حداکثر افت ولتاژ مجاز %5، ولتاژ استاندارد توزیع 230 ولت تکفاز و 400 ولت سهفاز در محل تابلوی توزیع میباشد. طراحی و ساخت تمامی لوازم برقی از لحاظ عایقبندی الکتریکی و محاسبات جریان اتصال کوتاه (Short Circuit) بر پایه این سطوح استاندارد ولتاژ انجام میگردد.
همانطور که در شبکه آب شهری افزایش فشار منجر به خسارت به کل مسیر لولهکشی میگردد، افزایش ولتاژ از حد بیشینه مجاز منجر به شکست عایقی و قوس الکتریکی بین هادیها گشته و در نهایت به بروز خسارت بسیار گسترده از لوازم برقی گرفته تا کابلهای سیستم انتقال و توزیع، ترانسها و سایر اجزای سیستم قدرت میگردد. به همین دلیل، بحث کنترل ولتاژ در کل زنجیره شبکه سراسری برق شامل تولید (نیروگاه)، انتقال (خطوط انتقال) و توزیع (ترانسها، تابلوها، کابلها و سایر تجهیزات توزیع) از اهمیت بسیار بالایی برخوردار میباشد.
محدودیت جریان سر راه «شارژر سریع خانگی خودروی برقی»
هر هادی مانند سیم مسی دارای مقدار معینی مقاومت میباشد که تابع جنس هادی، سطح مقطع و طول آن میباشد. عبور جریان از این مقاومت سبب تولید گرما میگردد که مقدار آن متناسب با مجذور جریان است. یعنی به عنوان مثال اگر جریان یک مدار را 2 برابر نمایید، گرمای تولیدی در مقاومت معادل آن 4 برابر خواهد شد.
با توجه به اینکه کشور ایران در اقلیم گرمسیر قرار دارد، مصرف انرژی جهت سیستمهای سرمایش بخش قابل توجهی از بار مصرفی یک منزل مسکونی را تشکیل میدهد. به همین دلیل است که مبنای تخصیص انشعاب کنتور به یک واحد مسکونی از لحاظ آمپراژ و تعداد فاز، انرژی لازم برای سیستم سرمایش آن میباشد. بر پایه دستورالعمل شرکت توزیع برق، جدول 1 مبنای تعیین جریان و تعداد فاز کنتور یک واحد مسکونی است:
| سرمایش با اسپیلیت یا چیلر | سرمایش با کولر آبی | |
| کنتور تکفاز 25 آمپر | تا 129/9 مترمربع | تا 179/9 متر مربع |
| کنتور تکفاز 32 آمپر | از 130 تا 179/9 متر مربع | از 180 تا 229/9 متر مربع |
| کنتور سه فاز 16 آمپر | از 180 تا 249/9 متر مربع | از 230 تا 319/9 متر مربع |
| کنتور سهفاز 25 آمپر | از 250 تا 399/9 متر مربع | از 320 متر مربع به بالا |
| کنتور سهفاز 32 آمپر | 400 متر مربع یا بیشتر | با توجه به برآورد طراح و تأیید برق منطقهای |
جدول 1 – تعیین آمپراژ و تعداد انشعاب کنتور یک واحد مسکونی بر حسب مساحت و سیستم سرمایش
لازم به ذکر است که در جدول فوق، فرض بر این است که سیستم سرمایش از کنتور خود واحد تغذیه میگردد، نه از کنتور مشاعات ساختمان.
با توجه به دستورالعمل فوق، واضح است که حداکثر سایز فیوز مینیاتوری اصلی یک واحد مسکونی 32 آمپر است. پس جریان شارژ خودروی برقی نیز نباید فراتر از 32 آمپر برود.
«فیوز مینیاتوری» یا «کلید مینیاتوری»؟
اطلاق «فیوز مینیاتوری» به «کلید مینیاتوری MCB» (مخفف Miniature Circuit Breaker) اشتباه است. زیرا «فیوز» به وسیلهای گفته میشود که با ذوب شدن المان مربوطه در اثر عبور جریان بیش از حد معین، کل مدار را در مقابل اضافه جریان یا اتصال کوتاه حفاظت مینماید و یکبار مصرف است. یعنی بعد از عملکرد میبایست تعویض گردد. اما در کلیدهای مینیاتوری، از تأثیر متقابل بین نیروی مغناطیسی حاصل از عبور از جریان از کویل در مقابل نیروی فنر برای قطع و حفاظت مدار در مقابل جریان بیش از حد مجاز استفاده میگردد. اما این اشتباه به قدری رایج است که خواننده مطلب با خواندن «کلید مینیاتوری» شاید متوجه منظور نگردد و برداشت دیگری نماید. بنابراین مجبور به استفاده از «فیوز مینیاتوری» به جای «کلید مینیاتوری» در مبحث «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» هستیم.
در شکل 2 یک فیوز مینیاتوری 32 آمپر دو پل (قطع فاز و نول به صورت همزمان) را مشاهده مینمایید:
شکل 2- فیوز مینیاتوری 32 آمپر دو پل که در تابلوی برق منازل مسکونی بسیار پرکاربرد است.
محدودیت توان در مقابل ظرفیت باتریها
همانطور که میدانیم توان مصرفی یک وسیله برقی برابر حاصلضرب ولتاژ ترمینال در جریان ورودی میباشد:
P=V×I
با توجه به محدودیتهای ولتاژ و جریان که در بندهای فوق برشمردیم، حداکثر توان یک شارژر خودروی برقی خانگی در صورتی که کنتور تکفاز 32 آمپر باشد، حدود 7 کیلووات خواهد بود:
Pmax = 220×32 = 7040 Watt
اما اگر کنتور سهفاز باشد، حداکثر توان یک شارژر خودروی برقی خانگی در صورتی که از نوع سهفاز باشد، حدود 21 کیلووات خواهد بود:
Pmax = 3×220×32 = 21120 Watt
اما پورت شارژ اکثریت خودروهای برقی رایج در بازار ایران از نوع تکفاز با ماکزیمم توان ورودی 7 کیلووات هستند. تنها تعداد اندکی از این خودروها دارای پورت شارژ نوع سهفاز با ماکزیمم توان ورودی 11 کیلووات میباشند.
در شکل 3 مقایسه ظاهری کانکتور سمت شارژر و پورت شارژ سمت خودرو از نوع GB/T تکفاز با سهفاز را مشاهده مینمایید. همانطور که ملاحظه مینمایید، در نوع سهفاز تمام پینها حاوی کنتاکت مسی هستند. در صورتی که در نوع تکفاز، دو پین پایینی خالی میباشند.
شکل 3- مقایسه کانکتور شارژر و پورت شارژ خودرو از نوع GB/T تکفاز (سمت راست) با سهفاز (سمت چپ)
آیا ایده «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» عملی است؟
حال به مسئله اصلی یعنی «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» برمیگردیم. ظرفیت باتری خودروهای برقی بازار ایران در بازه 40 تا 120 کیلووات-ساعت قرار دارد. اما ظرفیت باتری بیشتر آنها در محدوده 50 تا 70 کیلووات هستند. حال اگر متوسط ظرفیت را 60 کیلووات-ساعت درنظر بگیریم، «زمان شارژ کامل» از %0 تا %100 یک باتری 60 کیلووات-ساعتی با یک شارژر تکفاز 7 کیلووات حتی با فرض اینکه مصرف خانه صفر بوده و «لود بالانسر» تمام ظرفیت جریانی فیوز مینیاتوری اصلی بعد از کنتور را در اختیار شارژر قرار داده باشد، کمتر از حدود 9 ساعت نخواهد بود.
حتی اگر پورت شارژ AC خودروی برقی شما از نوع سهفاز با بیشینه توان شارژ 11 کیلووات باشد و کنتور سهفاز و شارژر سهفاز 22 کیلووات هم داشته باشید، باز هم باتری 60 کیلووات-ساعتی خودرو را در هیچ حالتی نمیتوانید زودتر از حدود 6 ساعت شارژ نمایید.
مفهوم «شارژر سریع» یا «فست شارژر»
به دلیل جدید بودن پدیده خودروهای برقی در ایران، گاه در گفتگوهای روزمره اصطلاحات مرتبط با این صنعت به درستی بکار نمیروند. به عنوان مثال، عبارت «شارژر سریع» یا «فست شارژ» کاربرد اشتباهی پیدا نموده است. تمام شرکتهای واردکننده یا مونتاژکننده خودروهای برقی، معمولاً یک شارژر قابل حمل (پرتابل) به همراه خودرو به مشتری میدهند که به در بازار به «شارژر قابریک ماشین» معروف و دارای توان 3/5 کیلووات میباشد.
ناگفته پیداست که شارژرهای خانگی دیواری (والباکس) یا پرتابل 7 کیلووات از سرعت شارژی 2 برابر شارژر فابریک 3/5 کیلووات برخوردارند. پس با این دیدگاه، یک شارژر والباکس یا پرتابل 7 کیلووات در مقایسه با شارژر فابریکی که شرکت فروشنده خودرو به همراه آن ارائه داده، «شارژر سریع» یا به اصطلاح عامیانه «فست شارژ» خواهد بود. اما همین شارژر خانگی به اصصلاح «فست» 7 کیلووات در مقایسه با یک شارژر 120 کیلووات DC واقع در ایستگاههای شارژ عمومی، به هیچوجه سریع محسوب نمیگردد.
پس «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» دارای بار معنایی نسبیست و باید ابتدا مشخص کنیم که چه انتظاری از «سرعت شارژ» یک شارژر داریم. به عبارت دیگر، باید بدانیم که صفت نسبی «سریع» را برای مقایسه کدام دو شارژر داریم بکار میبریم.
نتیجهگیری
اگر انتظار شما این است که در آینده «شارژر سریع خانگی خودروی برقی» خواهد آمد که ظرف چند دقیقه خودروی برقی شما را از %0 تا %100 فول شارژ نماید، باید بگوییم که در رؤیا هستید! زیرا محدودیتهایی که در سرفصلهای بالا برشمردیم، محدودیتهای فیزیکی از جنس توان و انرژی هستند. پس اینگونه نیست که بگوییم با آمدن تکنولوژی جدید باتری و افزایش چگالی آن یا شارژرهای جدیدتر، در نهایت این زمان کوتاهتر خواهد شد.
البته این قضیه در مورد ایستگاههای شارژ متفاوت است. زیرا به عنوان مثال با معماری نسبتاً جدیدتر 800 ولت باتریها نسبت به معماری قدیمی 400 ولت، سرعت شارژ شارژرهای ایستگاهی نسبت به مقادیر فعلی بسیار افزایش مییابد.
اما شارژرهای AC خانگی همیشه محدودیت ولتاژ 220 ولت شهری و 32 آمپر فیوز مینیاتوریها را خواهند داشت. با لحاظ این محدودیتها، چه بسا با پیشرفت تکنولوژی و ظرفیت باتریها، زمان شارژ در خانه افزایش نیز خواهد یافت!