در دنیای الکتریسیته، دو نوع اصلی جریان الکتریکی وجود دارد: جریان متناوب (Alternating Current – AC) و جریان مستقیم (Direct Current – DC). درک تفاوت بین این دو نوع جریان برای فهم نحوه عملکرد تقریباً تمام دستگاه‌های الکتریکی، از ساده‌ترین چراغ قوه گرفته تا پیچیده‌ترین سیستم‌های قدرت و خودروهای مدرن، حیاتی است. برق AC/DC نه تنها اساس انتقال و توزیع انرژی در مقیاس بزرگ را تشکیل می‌دهد، بلکه در قلب فناوری‌های نوینی مانند خودروهای برقی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر نیز قرار دارد. این دانشنامه به بررسی برق AC (جریان متناوب) و برق DC (جریان مستقیم): مفهوم و تفاوت بنیادی آن‌ها، نحوه تولید و کاربردهای اصلی هر یک، به‌ویژه در صنعت خودرو، می‌پردازد.
برق AC (جریان متناوب) و برق DC (جریان مستقیم): مفهوم و تفاوت بنیادی
برق AC (جریان متناوب): در جریان متناوب، جهت حرکت الکترون‌ها (جریان) به طور دوره‌ای (معمولاً به شکل موج سینوسی) معکوس می‌شود و اندازه ولتاژ و جریان نیز در طول زمان تغییر می‌کند. فرکانس این تناوب در اکثر کشورها ۵۰ یا ۶۰ هرتز (دوره در ثانیه) است.
- نمایش گرافیکی: اگر ولتاژ (یا جریان) را بر حسب زمان رسم کنیم، یک موج سینوسی مشاهده می‌شود که محور افقی (زمان) را قطع کرده و بین مقادیر مثبت و منفی نوسان می‌کند.
برق DC (جریان مستقیم): در جریان مستقیم، الکترون‌ها فقط در یک جهت ثابت حرکت می‌کنند و اندازه ولتاژ و جریان در طول زمان ثابت باقی می‌ماند (مگر اینکه بار یا منبع تغییر کند).
- نمایش گرافیکی: اگر ولتاژ (یا جریان) را بر حسب زمان رسم کنیم، یک خط مستقیم (معمولاً در بالای محور افقی برای ولتاژ مثبت) مشاهده می‌شود.
تفاوت بنیادی بین این دو در جهت جریان و تغییرات آن در طول زمان است. DC دارای جهت ثابت و مقدار ثابت است، در حالی که AC دارای جهت و مقدار متغیر و دوره‌ای است.
نحوه تولید، انتقال و توزیع برق AC در شبکه سراسری
برق AC به دلیل مزایایی در نحوه تولید، انتقال و توزیع برق AC در شبکه سراسری، به استاندارد غالب برای شبکه‌های قدرت در سراسر جهان تبدیل شده است:
- تولید: ژنراتورهای الکتریکی (مانند ژنراتورهای نیروگاه‌های برق‌آبی، حرارتی یا بادی) به طور طبیعی جریان متناوب تولید می‌کنند.
- انتقال در مسافت‌های طولانی: مهم‌ترین مزیت AC قابلیت تبدیل ولتاژ آن به سادگی با استفاده از ترانسفورماتورها است. برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی، ولتاژ AC به میزان قابل توجهی افزایش داده می‌شود (کیلوولت یا مگاولت). افزایش ولتاژ باعث کاهش جریان (برای توان ثابت) می‌شود و طبق قانون اهم، تلفات انرژی در خطوط انتقال (که متناسب با مربع جریان است) به شدت کاهش می‌یابد.
- توزیع به مصرف‌کنندگان: در نزدیکی مناطق مصرف، ولتاژ بالای AC دوباره توسط ترانسفورماتورها در پست‌های برق و ترانسفورماتورهای محلی به ولتاژهای پایین‌تر (مانند ۲۲۰ ولت یا ۱۱۰ ولت خانگی) کاهش داده می‌شود تا برای استفاده در منازل و صنایع مناسب باشد.
سهولت در تبدیل ولتاژ، AC را برای انتقال کارآمد در مسافت‌های طولانی و توزیع در سطوح ولتاژ مختلف، ایده‌آل ساخته است.
کاربردها و مزایای برق DC در سیستم‌های الکترونیکی و باتری‌ها
با وجود تسلط AC در شبکه قدرت، برق DC در بسیاری از کاربردها ضروری و ترجیح داده می‌شود. کاربردها و مزایای برق DC در سیستم‌های الکترونیکی و باتری‌ها شامل موارد زیر است:
- باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی: منابع طبیعی تولید یا ذخیره DC هستند. تمام باتری‌ها (اعم از قلمی، باتری خودروهای احتراق داخلی یا باتری‌های بزرگ EV) جریان DC تولید می‌کنند. پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک نیز برق DC تولید می‌کنند.
- قطعات و مدارهای الکترونیکی: اکثر قطعات الکترونیکی مدرن مانند ترانزیستورها، مدارهای مجتمع (ICها یا چیپ‌ها)، دیودها و LEDها برای کارکرد صحیح به ولتاژ DC پایدار نیاز دارند. به همین دلیل، آداپتورهای شارژ تلفن همراه یا لپ‌تاپ، برق AC خانگی را به DC تبدیل می‌کنند.
- برخی موتورها و دستگاه‌ها: موتورهای DC (مانند موتور استارت در خودروهای سنتی) مستقیماً با DC کار می‌کنند.
- سیستم‌های ذخیره انرژی: انرژی در باتری‌ها به صورت DC ذخیره می‌شود.
- الکترولیز: فرآیندهای الکتروشیمیایی مانند آبکاری فلزات یا تولید هیدروژن از آب (الکترولیز) به جریان DC نیاز دارند.
مزایای برق DC در این کاربردها شامل سادگی در ذخیره‌سازی (باتری‌ها)، پایداری ولتاژ مورد نیاز قطعات الکترونیکی و قابلیت کنترل دقیق در برخی کاربردها است.
ارتباط حیاتی برق AC و DC در عملکرد خودروهای برقی
در خودروهای برقی (EVs)، هر دو نوع جریان برق AC و DC نقشی حیاتی و در هم تنیده دارند. ارتباط حیاتی برق AC و DC در عملکرد خودروهای برقی به شرح زیر است:
- ذخیره انرژی (DC): بسته باتری ولتاژ بالای خودروی برقی، انرژی را به صورت برق DC ذخیره می‌کند و هنگام حرکت، این برق DC را تأمین می‌نماید.
- محرکه خودرو (AC): موتورهای الکتریکی مورد استفاده برای پیشرانه در اکثر خودروهای برقی از نوع موتورهای AC سه‌فاز هستند (به دلیل کارایی بالاتر، اندازه کوچکتر و کنترل بهتر). برای تغذیه این موتورها، برق DC باتری باید به برق AC با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل شود. این وظیفه بر عهده قطعه‌ای حیاتی به نام اینورتر (Inverter) است.
- سیستم ۱۲ ولت خودرو (DC): خودروهای برقی همچنان دارای یک سیستم برق ۱۲ ولت DC هستند که از باتری ۱۲ ولت (معمولاً سرب-اسید یا لیتیوم-یون کوچک) تغذیه می‌شود و برای روشن کردن چراغ‌ها، سیستم صوتی، پنجره‌های برقی و سایر لوازم جانبی خودرو استفاده می‌شود. برای شارژ این باتری ۱۲ ولت و تأمین برق این سیستم از باتری ولتاژ بالای اصلی، از یک مبدل DC-DC استفاده می‌شود که ولتاژ بالای DC را به ۱۲ ولت DC کاهش می‌دهد.
بنابراین، در داخل یک خودروی برقی، فرآیندهای پیوسته‌ای از تبدیل DC به AC (برای موتور) و DC به DC (برای سیستم ۱۲ ولت) در جریان است.
نقش متفاوت برق AC و DC در انواع روش‌های شارژ خودروهای برقی (کند، سریع)
فرآیند شارژ خودروهای برقی نیز به طور مستقیم با مفاهیم برق AC و DC مرتبط است و هر نوع جریان در روش‌های مختلف شارژ نقش متفاوت ایفا می‌کند:
- شارژ AC (سطح ۱ و سطح ۲): این نوع شارژ معمولاً در خانه، محل کار یا ایستگاه‌های شارژ عمومی کندتر انجام می‌شود. خودرو به منبع برق AC (برق خانگی یا عمومی) متصل می‌شود. در این روش، قطعه‌ای به نام شارژر آن‌بورد (On-board Charger) که در داخل خودرو تعبیه شده، وظیفه تبدیل برق AC ورودی به برق DC مورد نیاز برای شارژ باتری DC را بر عهده دارد. توان شارژ در این روش محدود به توان شارژر آن‌بورد خودرو و ظرفیت منبع AC است.
- شارژ DC (شارژ سریع / سطح ۳): این نوع شارژ در ایستگاه‌های شارژ عمومی پرقدرت (مانند ایستگاه‌های CHAdeMO، CCS یا NACS) انجام می‌شود. در این روش، فرآیند تبدیل برق AC شبکه به برق DC در مقیاس بزرگ و با توان بالا در خود ایستگاه شارژ صورت می‌گیرد (با استفاده از یکسوسازهای پرقدرت). برق DC تولید شده مستقیماً از طریق کابل شارژ به بسته باتری DC خودرو ارسال می‌شود و شارژر آن‌بورد خودرو در این فرآیند دور زده می‌شود (Bypassed). این امر امکان شارژ باتری با توان بسیار بالا و در نتیجه زمان شارژ بسیار کوتاه‌تر را فراهم می‌آورد.
بنابراین، شارژ AC شامل تبدیل درون خودرویی است، در حالی که شارژ DC شامل تبدیل برون خودرویی (در ایستگاه شارژ) و ارسال مستقیم DC پرقدرت به باتری است.
نتیجه‌گیری
برق AC/DC (برق جریان متناوب و جریان مستقیم) دو شکل اساسی انرژی الکتریکی هستند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند. در حالی که نحوه تولید، انتقال و توزیع برق AC در شبکه سراسری آن را برای انتقال انرژی در فواصل طولانی ایده‌آل ساخته، کاربردها و مزایای برق DC در سیستم‌های الکترونیکی و باتری‌ها آن را برای دستگاه‌های الکترونیکی، ذخیره انرژی و سیستم‌های ولتاژ پایین ضروری کرده است. در دنیای خودروهای برقی، این دو نوع جریان به شکلی ارتباط حیاتی برق AC و DC در عملکرد خودروهای برقی در هم تنیده‌اند؛ باتری‌ها DC ذخیره می‌کنند، موتورها با AC کار می‌کنند، و تبدیل‌های مداوم بین این دو توسط اینورترها و مبدل‌های DC-DC صورت می‌گیرد. علاوه بر این، نقش متفاوت برق AC و DC در انواع روش‌های شارژ خودروهای برقی (کند، سریع) نشان‌دهنده اهمیت درک این تفاوت‌ها برای کاربران و مهندسان خودرو است. در نهایت، درک مفاهیم برق AC/DC برای فهم عملکرد و آینده فناوری‌های خودرویی، به‌خصوص در عصر الکتریکی شدن حمل و نقل، بسیار اساسی است.
