پین‌های کنترل شارژ: تعریف و وظایف

مقدمه

شارژ یک خودروی برقی از لحظه اتصال گان شارژر به پورت شارژ خودرو تا رسیدن به درصد موردنظر و قطع شارژ، یک فرآیند پیچیده است. چرا که در طول این فرآیند، شارژر و خودرو می‌بایست دایماً چندین پارامتر مختلف را از طریق ارتباط دوطرفه با یکدیگر چک کنند و تنها پس از حصول اطمینان از ایمن بودن فرآیندست که شارژر شروع به شارژ باتری خودرو می‌نماید. در این میان، «پین‌های کنترل شارژ» دارای نقش بسیار مهمی هستند. زیرا تمامی سیگنال‌های ارتباطی بین خودروی برقی و شارژر از طریق آنها برقرار می‌گردد.

در این مطلب، به تعریف وظایف و نحوه انجام فرآیندهای کنترل توسط این پین‌ها می‌پردازیم.

تعریف پین‌های کنترل شارژ

شکل 1 آرایش پین‌های کانکتور شارژ Type 2 را بر پایه استاندارد IEC 62196-2 نشان می‌دهد:

شکل 1 – آرایش پین‌های کانکتور شارژ Type 2 با نمایش پین‌های کنترل شارژ CP و PP (در سیستم تک‌فاز، پین‌های فاز دوم و سوم حاوی کنتاکت مسی نیستند و خالی می‌باشند.)

همچنین شکل 2 چیدمان پین‌های کانکتور نوع GB/T را بر پایه استاندارد GB/T 20234.2 نشان می‌دهد:

شکل 2 – آرایش پین‌های کانکتور شارژ نوع GB/T با نمایش پین‌های کنترل شارژ CP و CC (در سیستم تک‌فاز، پین‌های فاز دوم و سوم حاوی کنتاکت مسی نیستند و خالی می‌باشند.)

در هر دو شکل بالا، پین‌های کنترل شارژ را در ردیف بالا با نام‌های زیر مشاهده می‌نمایید:

1. CP مخفف Control Pilot
2. PP مخفف Proximity Pilot
3. CC مخفف Charging Confirmation

وظایف پین‌های کنترل شارژ

فرآیند شارژ باتری خودروی برقی با شارژرهای AC مستلزم اتصال بین سیستم برق 220 ولت (در مورد شارژرهای تک‌فاز) یا 380 ولت شهری (درمورد شارژرهای سه‌فاز) با سیستم برق داخلی خودروی برقی و تزریق جریان با مقادیر در حد چندین آمپر است. پس هرگونه خطا می‌تواند به خطرات جانی یا خسارات مالی منجر گردد. به عنوان مثال، اگر پیش از اتصال گان به پورت، شارژر فرمان بستن کنتاکت‌های فاز رله داخلی خود را ارسال نماید، پین‌های فاز در شکل‌های 1 و 2 برقدار خواهند شد. در این صورت در صورت تماس دست فردی که گان شارژ را در دست دارد با این پین‌ها، برق‌گرفتگی شخص حتمی و احتمال مرگ وجود دارد.

همچنین اگر خودرو در حال شارژ باشد و راننده اشتباهاً بخواهد دنده را در وضعیت حرکت (D مخفف Drive) قرار دهد و شارژر مانع از این کار نشود، با حرکت خودرو تمامی تجهیزات شارژ متصل به خودرو شامل خود شارژر، کابل و گان شارژ از جا کنده خواهند شد و حتی پورت شارژ خودرو نیز آسیب خواهد دید.

به طور کلی، پین‌های کنترل شارژ وظایف زیر را بر عهده دارند:

پین کنترل شارژ CP

شکل 3 دیاگرام شماتیک مدار الکترونیکی پین Control Pilot را به نمایش می‌گذارد:

شکل 3 – دیاگرام شماتیک مدار الکترونیکی پین CP

پین Control Pilot دو عملکرد بسیار مهم زیر را بر عهده دارد:

تعیین ماکزیمم جریان شارژ مجاز

چون جریانی که هر شارژر می‌تواند تأمین نماید محدود به یک مقدار معین است، این مقدار در شروع فرآیند توسط شارژر از طریق پین CP به اطلاع سیستم BMS (مخفف Battery Management System) خودروی برقی می‌رسد تا این سیستم، بیشینه جریان شارژ را به این مقدار محدود نماید. مقدار حداکثر جریان شارژ از طریق پهنای پالس (Duty Cycle) یک موج مربعی (Square Wave) بین مقادیر 12+ ولت و 12- ولت با فرکانس 1kHz و تکنیک PWM (مخفف Pulse Width Modulation) مطابق جدول زیر به اطلاع سیستم BMS می‌رسد:

جدول 1 – مقدار مجاز ماکزیمم جریان شارژ که توسط شارژر از طریق Duty Cycle موج PWM  و به واسطه پین کنترلی CP به اطلاع سیستم BMS خودروی برقی می‌رسد.

وضعیت آمادگی خودروی برقی جهت شروع فرآیند شارژ

یکی دیگر از کاربردهای پین‌های کنترل شارژ، تعیین وضعیت آمادگی خودروی برقی برای دریافت شارژ می‌باشد که این امر را از طریق پین کنترل CP و با بارگذاری مقاومت مناسب به اطلاع شارژر می‌رساند. این مقاومت سبب می‌گردد که طبق قاعده تقسیم، ولتاژی که مدار اندازه‌گیری می‌نماید، کوچکتر یا مساوی مقدار ماکزیمم ولتاژ موج PWM یعنی 12+ ولت گردد.

تعریف وضعیت‌های مختلف

جدول 2 مقادیر ولتاژ به ازای وضعیت‌های مختلف را نشان می‌دهد:

جدول 2 – وضعیت آمادگی خودروی برقی برای دریافت شارژ که از طریق تغییر سطح ولتاژ و به واسطه پین CP به اطلاع شارژر می‌رسد.

فرآیند تعیین وضعیت

ترتیب این فرآیند به صورت زیر می‌باشد:

1. هنگامی که خودروی برقی به شارژر متصل نیست، سوییچ S1 در شکل 3 روی وضعیت تغذیه ثابت 12V+ قرار دارد که طبق جدول 2، وضعیت State A برقرار است.
2. با اتصال کامل و ایمن شارژر به خودروی برقی که توسط پین PP تأیید می‌گردد،  سوییچ S1 روی وضعیت اتصال نوسان‌ساز (Oscillator) موج مربعی PWM با حد بالا و پایین 12V± قرار می‌گیرد. حال در شکل ولتاژ سر مقاومت 2.74kΩ طبق قاعده تقسیم ولتاژ حدود 9 ولت خواهد شد که معادل State B در جدول 2 است.
3. وقتی سیستم BMS تمامی چک‌های لازم پیش از شروع شارژ مانند چک دما، وضعیت سلامت باتری، درصد شارژ باتری و بستن کنتاکتورهای لازم را انجام داد، سوییچ S2 را در شکل 3 می‌بندد.
4. با بسته‌شدن سوییچ S2، دو مقاومت R2 و R3 با یکدیگر موازی می‌گردند و مقاومت معادل به مقدار 882Ω کاهش پیدا می‌کند. با این تغییر، ولتاژی که شارژر اندازه‌گیری می‌کند از 12+ ولت به 6+ ولت کاهش می‌یابد که شارژر آن را به State C تعبیر می‌نماید.
5. در این مرحله، شارژر نیز پس از انجام چک‌های لازم مانند بودن دمای شارژر و ولتاژ برق شهری در محدوده مجاز، کنتاکت‌های داخلی خود را می‌بندد و شارژ خودروی برقی آغاز می‌گردد.
6. در حین شارژ اگر به دلایلی (مانند رسیدن درصد شارژ باتری به مقدار تنظیمی مثلاً %80، بالارفتن دمای باتری از حد مجاز یا دلایل دیگر ) سیستم BMS نیاز به قطع شارژ داشته باشد، سوییچ S2 را باز می‌نماید. به این ترتیب، مقاومت مدار دوباره به 2.74kΩ و ولتاژی که شارژر می‌بیند به 9+ ولت فزایش می‌یابد. به این ترتیب، شارژر وضعیت را State B تلقی و کنتاکت‌های برق شهر را ظرف حدود 100 میلی‌ثانیه باز می‌نماید.

پین کنترل شارژ PP

پین Proximity Pilot مورد بعدی از پین‌های کنترل شارژ است که بدان می‌پردازیم. طبق استاندارد IEC-62196-2 در پورت و کانکتور شارژ Type 2، این پین سه وظیفه اصلی زیر را داراست:

1. تعیین ماکزیمم جریان قابل تحمل توسط کابل شارژ (در مورد کابل‌های قابل جداشدن یا اصطلاحاً Tethered Cable)
2. چک اتصال کامل کابل به پورت شارژ
3. تعیین ماکزیمم جریان خروجی اینورتر داخلی خودروی برقی هنگام استفاده از آداپتور V2L

فرآیند شارژ

داخل گان شارژ و همچنین کانکتور سمت شارژر، بین پین‌های PP و PE یک مقاومت کوچک قرار دارد. پس از قرارگرفتن کانکتور کابل در پورت ورودی شارژر، ولتاژ 5+ ولت اعمالی روی این مقاومت کاهش می‌یابد. حال شارژر پس از خواندن این ولتاژ، نخست کاهش آن را به اتصال کامل تعبیر می‌نماید. سپس بیشینه جریان قابل تحمل توسط کابل شارژ را طبق جدول زیر تعیین و برای سیستم BMS خودروی برقی ارسال می‌نماید:

جدول 3 – ماکزیمم جریان قابل تحمل توسط کابل شارژ بر حسب مقاومت و ولتاژ پین PP

نقش پین‌های کنترل شارژ در گرفتن خروجی برق

اگر خودروی برقی شما مجهز به امکان V2L باشد، یکسوکننده داخلی (On-Board Rectifier) علاوه بر تبدیل شکل موج AC به DC، قابلیت عملکرد در حالت معکوس یعنی اینورتر را نیز دارد. در این حالت شما می‌توانید از پورت شارژ خودرو هنگام قطع برق یا مسافرت، خروجی برق 220 ولت بگیرید. اینجا نیز پین PP از پین‌های کنترل شارژ نقش بسیار مهمی را بازی می‌کند. زیرا مقاومت داخلی آن دو وظیفه زیر را بر عهده دارد:

1. اعلام اتصال صحیح و کامل آداپتور V2L به پورت شارژ
2. اعلام ماکزیمم جریان قابل تحمل توسط آداپتور به اینورتر خودرو

جهت سازگاری با خودروهای مختلف، بعضی از آداپتورهای V2L مجهز به Dip Switch هستند. شکل 4 یک نمونه از این نوع آداپتور را نشان می‌دهد:

پین CC

آخرین مورد از پین‌های کنترل شارژ، پین CC (مخفف Control Circuit یا Connection Confirmation) در استاندارد 20234.2 GB/T است. وظیفه این پین تا حدی مشابه پین PP در کانکتور و پورت شارژ Type 2 اما با تفاوت‌های زیر می‌باشد:

1. چون استاندارد GB/T کابل جدا از شارژر (Tethered Cable) را پوشش نمی‌دهد، پس نیازی به تشخیص مقدار ماکزیمم جریان قابل تحمل توسط کابل شارژ مانند شارژرهای Type 2 وجود ندارد. تنها وظیفه پین کنترلی CC، تشخیص اتصال کامل و صحیح کانکتور شارژر به پورت شارژر خودروست.
2. محل نصب مقاومت بین پین CC و PE در پورت شارژ خودروست، نه کانکتور شارژر.

نتیجه‌گیری

پین‌های کنترل شارژ CP و PP و CC نقش بسیار مهمی در داشتن یک پروسه شارژ ایمن و اصولی بر عهده دارند. پین CP با انتقال اطلاعات به صورت دوطرفه، همزمان این دو وظیفه را بر عهده دارد:

1. ارسال ماکزیمم جریان مجاز خروجی از شارژر به خودروی برقی با تغییر Duty Cycle موج PWM
2. دریافت وضعیت آمادگی از خودروی برقی به شارژر با تغییر مقاومت مسیر توسط خودروی برقی

پین‌های PP و CC نیز وظیفه چک اتصال کامل و ایمن بین خودروی برقی و شارژر را انجام می‌دهند.

مطالعه بیشتر

• معرفی انواع کانکتور و پورت شارژ رایج
• شارژر ترکیبی چیست؟
• چگونه پیمایش خودروی برقی را به حداکثر مقدار ممکن برسانیم؟
• کدام خودروهای برقی دارای خروجی V2L هستند؟
• آیا می‌توانیم در خانه شارژر سریع داشته باشیم؟