چه عواملی بر سرعت شارژ کردن دستگاه شارژ خودروهای برقی (EV) تأثیر می‌گذارند؟

نوع شارژر EV و توان خروجی: درک کیلووات، ولتاژ و آمپراژ

چگونه رتبه‌بندی کیلووات (kW) به طور مستقیم سرعت شارژ را تعیین می‌کند

توان نامی شارژر وسیله نقلیه برقی که بر حسب کیلووات (kW) اندازه‌گیری می‌شود، تأثیر زیادی بر سرعت شارژ دارد. شارژرهایی با رتبه‌بندی kW بالاتر، برق را سریع‌تر به داخل باتری منتقل می‌کنند. به عنوان مثال، یک شارژر استاندارد سطح ۲ با توان ۱۹٫۲ کیلووات را در نظر بگیرید که در مقابل یک دستگاه پایه‌ای سطح ۱ که تنها حدود ۱٫۴ کیلووات توان دارد، قرار می‌گیرد. تفاوت بسیار زیاد است — تقریباً سیزده برابر بیشتر برق در هر ساعت جریان دارد. به همین دلیل است که آن شارژرهای پیشرفته DC سریع که از ۵۰ کیلووات تا بیش از ۳۵۰ کیلووات متغیرند، می‌توانند در عرض تنها نیم ساعت، بیش از ۲۰۰ مایل مسافت طی‌پذیر به وسیله نقلیه بدهند. در مقایسه، شارژ کند سطح ۱ فقط ۳ تا ۵ مایل در هر ساعت به مسافت طی‌پذیر اضافه می‌کند.

نقش ولتاژ و آمپراژ در انتقال توان (kW = V × A)

مقدار توان در دسترس برای شارژ به هر دو عامل ولتاژ (که بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود) و جریان (بر حسب آمپر) بستگی دارد. محاسبه پایه به این صورت است: کیلووات برابر است با ولت ضربدر آمپر تقسیم بر ۱,۰۰۰. وقتی از سیستم‌های ولتاژ بالاتر صحبت می‌کنیم، در واقع اتلاف انرژی در انتقال کمتر است، زیرا مقاومت کمتری در مقابل آنها ایجاد می‌شود. این بدین معناست که الکتریسیته به طور کلی با بازدهی بیشتری تحویل داده می‌شود. نگاه کنید چه اتفاقی می‌افتد وقتی کسی ولتاژ را از حدود ۴۰۰ ولت به حدود ۸۰۰ ولت دوبرابر کند، در حالی که جریان ۳۰۰ آمپری ثابت باقی می‌ماند. ناگهان، به جای تولید تقریباً ۱۲۰ کیلووات از سیستم، به رقمی نزدیک به دو برابر آن یعنی حدود ۲۴۰ کیلووات می‌رسیم. به همین دلیل است که امروزه بسیاری از شرکت‌های فعال در حوزه خودروهای برقی تمرکز زیادی بر ارتقای قابلیت‌های ولتاژ خود دارند. آنها به دنبال عملکرد بهتر در شارژ هستند بدون اینکه مجبور باشند با کابل‌های ضخیم و سنگین زیادی که مستلزم جریان‌های بالاتر هستند، کار کنند.

شارژ AC در مقابل DC: تفاوت‌ها در تحویل توان و بازدهی

شارژرهای استاندارد AC با استفاده از مبدل داخلی خودرو، برق AC را به DC تبدیل کرده و باتری را شارژ می‌کنند که به این ترتیب سرعت شارژ حداکثر تا حدود 19.2 کیلووات محدود می‌شود. اما شارژرهای سریع DC رویکردی کاملاً متفاوت دارند؛ آن‌ها مرحله تبدیل داخلی را دور زده و مستقیماً جریان DC را به باتری تحویل می‌دهند و امکان نرخ شارژ بسیار بالاتری را فراهم می‌کنند که در برخی مدل‌ها می‌تواند از 350 کیلووات نیز فراتر رود. نقطه ضعف این روش چیست؟ این سیستم‌های DC تمایل دارند در حالت پرظرفیت، حدود 10 تا 15 درصد انرژی خود را به صورت گرما هدر دهند. در همین حال، بیشتر شارژرهای باکیفیت AC در استفاده عادی و بدون فشار زیاد، بازدهی در حدود 85 تا 90 درصد را حفظ می‌کنند. بنابراین قطعاً بین سرعت و بازدهی تعادلی وجود دارد که بسته به نوع شارژر مورد نیاز فرد بر اساس عادات رانندگی روزانه‌اش، انتخاب متفاوتی لازم است.

مقایسه عملی: خروجی شارژر خانگی در مقابل شارژر عمومی الکتریکی

نوع شارژر	دامنه قدرت	ولتاژ	زمان معمول شارژ کامل (باتری 60 کیلووات‌ساعت)
سطح ۱ (خانگی)	1.4–1.9 کیلووات	120 ولت AC	25–45 ساعت
سطح ۲ (خانگی/عمومی)	۷٫۷ تا ۱۹٫۲ کیلووات	۲۰۸ تا ۲۴۰ ولت AC	۴ تا ۱۰ ساعت
شارژ سریع DC (عمومی)	۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات	۴۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت DC	۲۰ تا ۶۰ دقیقه (تا ۸۰٪ شارژ)

تحلیل‌های اخیر نشان می‌دهد دستگاه‌های شارژ سریع DC اکنون ۳۸ درصد از ایستگاه‌های عمومی را تشکیل می‌دهند که نشان‌دهنده افزایش تقاضا برای شارژ سریع است. سطح ۲ همچنان به دلیل هزینه‌های پایین‌تر زیرساخت و سازگاری با بیشتر سیستم‌های الکتریکی خانگی، در نصب‌های خانگی غالب است.

عوامل سطح وسیله نقلیه: محدودیت‌های شارژر داخلی و ویژگی‌های باتری

ظرفیت شارژر داخلی به عنوان محدودیت سرعت شارژ توسط جریان متناوب

اکثر خودروهای برقی با شارژرهای داخلی که از حدود ۳٫۳ کیلووات تا حداکثر ۲۲ کیلووات متغیر است، تجهیز شده‌اند. این واحدهای داخلی در واقع حد بالایی را برای سرعت شارژ خودرو با استفاده از جریان متناوب تعیین می‌کنند، صرف‌نظر از نوع پریز دیواری یا ایستگاه شارژی که خودرو به آن متصل شده است. به این سناریو توجه کنید: اگر شخصی خودروی برقی خود را به یک شارژر سطح ۲ قدرتمند ۱۹٫۲ کیلوواتی وصل کند، اما خودروی او تنها دارای شارژر داخلی ۷٫۴ کیلوواتی باشد، همچنان فقط حدود ۳۰ مایل برد اضافی در هر ساعت دریافت خواهد کرد. تولیدکنندگان خودرو اخیراً شروع به نصب شارژرهای داخلی بزرگتری کرده‌اند، معمولاً در محدوده ۱۹ تا ۲۲ کیلووات. این تغییر باعث کاهش تقریبی نصف طول جلسات طولانی شارژ خانگی می‌شود، هرچند هیچ‌کدام به سرعت ایستگاه‌های شارژ سریع جریان مستقیم در مکان‌های عمومی نمی‌رسند.

وضعیت شارژ باتری (SOC) و تأثیر آن بر کارایی منحنی شارژ

الگوی شارژ باتری‌های لیتیوم یون اصلاً ساده نیست. در واقع این باتری‌ها زمانی که تقریباً خالی هستند، بیشترین توان را جذب می‌کنند، اما به محض اینکه از حدود ۸۰ درصد ظرفیت عبور کنند، فرآیند شارژ به طور قابل توجهی کند می‌شود. وقتی سلول‌ها به سقف ولتاژ خود که حدود ۴٫۲ ولت است نزدیک می‌شوند، شارژر مجبور است جریان ورودی را بین نصف تا دو سوم کاهش دهد تا از داغ شدن بیش از حد جلوگیری کند. وضعیت را در دمای اتاق، مثلاً حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد یا ۶۸ درجه فارنهایت در نظر بگیرید. یک باتری ممکن است در سطح شارژ ۲۰ درصدی، ۱۵۰ کیلووات توان جذب کند، اما تا زمانی که به ۸۵ درصد برسد، این مقدار به تنها ۳۵ کیلووات کاهش یابد. این بدین معناست که بخش آخر فرآیند شارژ بسیار طولانی‌تر از آنچه انتظار می‌رود طول می‌کشد و این موضوع می‌تواند برای افرادی که منتظر شارژ کامل دستگاه خود هستند، ناامیدکننده باشد.

کاهش سلامت باتری با گذشت زمان و کاهش نرخ‌های اوج شارژ

با افزایش سن باتری‌ها در طول زمان، ظرفیت نگهداری انرژی آن‌ها کاهش می‌یابد و شارژ شدن آن‌ها کندتر می‌شود. بر اساس تحقیقی که توسط آزمایشگاه ملی آیداهو در سال ۲۰۲۳ منتشر شده است، بسته‌های باتری لیتیوم-یون معمولاً پس از حدود هشت سال استفاده، به‌طور متوسط بین ۱۵ تا ۲۰ درصد از حداکثر سرعت شارژ خود را از دست می‌دهند. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که چندین عامل در داخل سلول‌های باتری خراب می‌شوند. لایه SEI ضخیم‌تر می‌شود، روی الکترودها پلاکه‌گذاری لیتیوم اتفاق می‌افتد و تنش مکانیکی ناشی از چرخه‌های مکرر شارژ افزایش می‌یابد. تمام این مشکلات باعث می‌شوند که حرکت یون‌ها درون باتری دشوارتر شود، که این به معنای افزایش مقاومت داخلی و کاهش یون‌های در دسترس است. در عمل این موضوع چه شکلی دیده می‌شود؟ خوب، به عنوان مثال شارژ سریع DC را در نظر بگیرید. یک باتری کاملاً نو ممکن است تنها در ۲۸ دقیقه پر شود، اما پس از طی کردن حدود ۱۰۰٬۰۰۰ مایل، همان جلسات شارژ ممکن است به ۳۷ دقیقه یا حتی بیشتر افزایش یابد، بسته به میزان فرسودگی رخ داده.

تفاوت‌های شیمی باتری: رفتار شارژ NMC در مقابل LFP

ویژگی	NMC	LFP
محدوده ولتاژ	3.0–4.2V	2.5–3.65V
نرخ اوج شارژ	2–3C (بالاتر)	1–2C (پایین‌تر)
حساسیت حرارتی	نیاز به خنک‌کنندگی فعال دارد	تحمل خنک‌کنندگی غیرفعال را دارد

اگرچه باتری‌های NMC در شرایط ایده‌آل امکان شارژ سریع‌تر را فراهم می‌کنند، اما شیمی LFP پس از ۳۰۰۰ سیکل همچنان ۹۰٪ از سرعت اولیه شارژ خود را حفظ می‌کند و عملکرد قابل توجه‌تری نسبت به حفظ ۷۵٪ سرعت شارژ در NMC در همین دوره دارد.

تأثیرات محیطی و زیرساختی بر عملکرد شارژ خودروهای برقی

تأثیر هوای سرد بر کارایی باتری و سرعت شارژ (تا 40٪ کندتر)

وقتی دما پایین‌تر از 50 درجه فارنهایت (حدود 10 درجه سلسیوس) برسد، اتفاق جالبی درون باتری‌های لیتیوم-یونی رخ می‌دهد. مقاومت داخلی افزایش می‌یابد، که به طور عمده بدین معناست که حرکت الکترون‌ها دشوارتر می‌شود و این امر می‌تواند سرعت شارژ را تا حدود 20 تا 40 درصد کاهش دهد. طبق تحقیقات منتشر شده سال گذشته در یک مجله صنعتی، وسایل نقلیه برقی در شرایط یخبندان زمانی که در فضای باز پارک شده‌اند، تقریباً 30 درصد طولانی‌تر از شرایط آب و هوای گرم و مطبوع برای رسیدن به نقطه بهینه 80 درصد شارژ طول می‌کشد. برای مقابله با این مشکل، سیستم‌های مدیریت باتری مدرن از ابتدا شروع به محدود کردن مقدار توان ورودی به سلول‌ها می‌کنند. این کار را انجام می‌دهند چرا که پدیده‌ای به نام پلاکینگ لیتیوم در دمای پایین بیشتر رخ می‌دهد و هیچ‌کس نمی‌خواهد بسته باتری گران‌قیمت او سریع‌تر از حد لازم فرسوده شود.

راهبردهای مدیریت حرارتی و پیش‌شرایط‌سازی باتری

برای مقابله با محدودیت‌های آب‌وهوای سرد، خودروهای الکتریکی مدرن از دو راهبرد کلیدی استفاده می‌کنند:

1. مدیریت فعال حرارتی : با عبور دادن مایع خنک‌کننده گرم‌شده از طریق بسته باتری، دمای بهینه عملیاتی 68 تا 95 درجه فارنهایت (20 تا 35 درجه سانتی‌گراد) را حفظ می‌کند
2. پیش‌شرایط‌سازی یکپارچه با ناوبری : هنگام حرکت به سمت یک شارژر سریع مستقیم (DC)، به‌صورت خودکار باتری را با استفاده از داده‌های مسیر گرم می‌کند

هنگام فعال‌سازی، این سیستم‌ها تأخیرهای ناشی از سرما را تا 50 تا 70 درصد کاهش می‌دهند، هرچند در حین کار 3 تا 5 درصد از انرژی کل را مصرف می‌کنند.

پایداری شبکه، بار مدار و تنظیمات الکتریکی خانه برای شارژ بهینه سطح 2

عملکرد شارژ در محل سکونت به ولتاژ پایدار شبکه و ظرفیت کافی مدار بستگی دارد. برای عملکرد قابل اعتماد سطح 2:

پارامتر الکتریکی	حداقل الزامات	آستانه عملکرد بهینه
پایداری ولتاژ	228–252 ولت	235–245 ولت (±2%)
ظرفیت مدار	40A	50 آمپر (ذخیره 20%)

نصب سیستم مدیریت بار هوشمند از افت ولتاژ در دوره‌های پرباری جلوگیری می‌کند و بازدهی شارژ را در محدوده 92 تا 97 درصد حفظ می‌کند، در حالی که در سیستم‌های بدون مدیریت این مقدار 78 تا 85 درصد است.

کیفیت کابل و قابلیت اطمینان اتصال در انتقال انرژی

کابل‌های شارژ که به درستی نگهداری نمی‌شوند، در واقع مسئول حدود ۱۲ تا شاید حتی ۱۸ درصد از تمام مشکلات کارایی در ایستگاه‌های شارژ عمومی هستند. چندین مشکل رایج وجود دارد که به طور منظم مشاهده می‌کنیم. سرکانکتورها با گذشت زمان دچار اکسیداسیون می‌شوند که این امر باعث کاهش هدایت الکتریکی در حدود ۱۵ تا ۳۰ درصد می‌شود. ترک خوردگی عایق نیز اتفاق می‌افتد و هنگام رخ دادن این امر، منجر به تلف شدن انرژی به صورت گرمای اتلافی می‌شود. و بیایید فراموش نکنیم قفل‌های فرسوده‌ای که دیگر اتصال کامل برقرار نمی‌کنند. از سوی دیگر، کابل‌های باکیفیت بالا که دارای تماس‌های روکش‌دار طلا و دسته‌های خنک‌شونده با مایع هستند، می‌توانند کارایی انتقال انرژی را بالاتر از ۹۹ درصد حفظ کنند؛ چیزی که برای سیستم‌های پرقدرت شارژ سریع DC با توان ۳۵۰ کیلووات که امروزه بسیار محبوب شده‌اند، کاملاً ضروری است.

روند شبکه‌های شارژ و استراتژی‌های بهینه‌سازی کاربر

رشد شبکه‌های شارژ سریع DC و بهبودهای دسترسی

دنیای شارژ وسایل نقلیه الکتریکی امروزه بسیار سریع در حال تغییر است. کارشناسان برآورد می‌کنند که ایستگاه‌های شارژ سریع DC می‌توانند ارزش بازار جهانی را تا سال ۲۰۳۴ به بیش از ۲۲۱ میلیارد دلار برسانند. در طول بزرگراه‌ها، امروزه شاهد ظهور این مراکز قدرتمند شارژ هستیم که برخی از آن‌ها قادر به تحویل بین ۱۵۰ تا ۳۵۰ کیلووات هستند. این بدین معناست که رانندگان می‌توانند در طول سفرهای جاده‌ای باتری خود را در عرض تنها ۱۵ تا ۲۰ دقیقه شارژ کنند، نه اینکه چندین ساعت صبر کنند. شهرها نیز در این زمینه هوشمندانه عمل می‌کنند. شارژرهای DC کنار خیابان در مراکز شهری در حال ظهور هستند و به اپلیکیشن‌های تلفن همراه متصل می‌شوند که مردم می‌توانند از طریق آن‌ها مکان‌ها را رزرو کنند، هزینه شارژ را پرداخت کنند و بررسی کنند که آیا هنگام رسیدن به ایستگاه، محلی آزاد وجود دارد یا خیر. این امر منطقی است، چرا که تقریباً نیمی از ساکنان آپارتمان‌ها (حدود ۴۳٪) گاراژ خصوصی ندارند و اکثراً نیاز به دسترسی به گزینه‌های شارژ عمومی دارند.

حداکثر کردن سرعت شارژ: بهترین روش‌ها برای شارژ در خانه و مکان‌های عمومی

برای بهینه‌سازی عملکرد شارژ و کارایی هزینه، رانندگان باید:

• زمان‌بندی شارژ خانگی در ساعات غیراوج (معمولاً از ساعت ۱۲ تا ۶ بامداد)، زمانی که نرخ برق ۱۸ تا ۲۵ درصد کاهش می‌یابد
• از پیش‌ conditioning وسیله نقلیه برای گرم یا سرد کردن باتری قبل از شارژ سریع DC استفاده کنید
• جلسات شارژ عمومی را به محدوده ۲۰ تا ۸۰ درصد ظرفیت باتری (SOC) محدود کنید که در آن حداکثر نرخ شارژ حفظ می‌شود

این روش‌ها می‌توانند میانگین هزینه‌های شارژ را تا ۳۰ درصد کاهش دهند و در عین حال سلامت بلندمدت باتری را حمایت کنند.

چشم‌انداز آینده: پیشرفت‌های شارژ سریع و یکپارچه‌سازی شبکه به وسیله نقلیه

آخرین نسل از شارژرهای فوق‌العاده که از ۵۰۰ تا ۹۰۰ کیلووات را شامل می‌شوند، در حال حاضر در حال آزمایش هستند و ادعای آنها این است که بتوانند یک وسیله نقلیه برقی (EV) را به اندازه‌ای شارژ کنند که حدود ۲۰۰ مایل (نزدیک به ۳۲۲ کیلومتر) قابل رانندگی باشد، در کمتر از ده دقیقه. در همین حال، سازندگان خودروها در حال ارتقای سیستم‌های الکتریکی خود به ۸۰۰ ولت هستند، نه اینکه به استاندارد قدیمی ۴۰۰ ولت پایبند بمانند. این تغییر، اتلاف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد — در واقع تقریباً نصف مقدار اتلاف قبلی. سپس چیزی وجود دارد به نام فناوری وسیله نقلیه به شبکه (V2G) که شروع به جا افتادن کرده است. آنچه این فناوری را جالب می‌کند این است که یک باتری خودروی برقی می‌تواند بین دوازده تا هجده ساعت چراغ‌های یک خانه معمولی را در صورت قطعی برق روشن نگه دارد. برخی حتی برآورد می‌کنند که این خودروها ممکن است به صاحبانشان سالانه حدود ۱۲۰ تا ۲۰۰ دلار آمریکا درآمد اضافی ببخشند، فقط با کمک به تعادل شبکه برق در زمان‌های لازم. تمام این پیشرفت‌ها به این معناست که وسایل نقلیه برقی دیگر تنها وسیله حمل و نقل نیستند، بلکه در حال تبدیل شدن به منابع انرژی متحرکی هستند که بخشی جدایی‌ناپذیر از چشم‌انداز در حال تغییر انرژی ما محسوب می‌شوند.

بخش سوالات متداول

رتبه‌بندی kW برای شارژرهای خودروهای برقی چه چیزی را نشان می‌دهد؟

رتبه‌بندی kW شارژرهای خودروی برقی، ظرفیت توان را نشان می‌دهد و به طور مستقیم بر سرعت شارژ شدن وسیله نقلیه شما تأثیر می‌گذارد.

ولتاژ و آمپراژ چگونه در شارژ خودروهای برقی نقش دارند؟

ولتاژ و آمپراژ عواملی هستند که در تعیین توان کلی تحویلی شارژر نقش دارند و می‌توانند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شوند: kW برابر است با ولت ضربدر آمپر تقسیم بر ۱,۰۰۰.

چرا شارژرهای AC و DC دارای بازدهی متفاوتی هستند؟

شارژرهای AC معمولاً کمتر از شارژرهای سریع DC بازده دارند، زیرا به تبدیل‌های داخلی خودرو متکی هستند که سرعت آنها را محدود می‌کند، در حالی که شارژرهای DC توان را مستقیماً به باتری وسیله نقلیه تحویل می‌دهند.

آب و هوای سرد چگونه بر عملکرد شارژ خودروهای برقی تأثیر می‌گذارد؟

هوای سرد می‌تواند با افزایش مقاومت داخلی در باتری‌های لیتیوم-یون، سرعت شارژ را کاهش دهد و فرآیند شارژ را به میزان ۲۰ تا ۴۰ درصد کند کند.

مدیریت حرارتی در خودروهای برقی چیست؟

مدیریت حرارتی در خودروهای الکتریکی شامل سیستم‌هایی است که دمای باتری را تنظیم می‌کنند تا شرایط بهینه حفظ شود و تأخیر در شارژ کردن اتفاق نیفتد.

چگونه می‌توانم سرعت شارژ خود را در خانه بهینه کنم؟

با برنامه‌ریزی شارژ در ساعات غیرپیک و اطمینان از آماده‌سازی صحیح سیستم برقی خانه برای شارژ سطح ۲، سرعت شارژ خانگی خود را بهینه کنید.