شارژ DC / شارژ سریع (DC charging / Fast Charging)

با گسترش روزافزون خودروهای برقی (EVs) در سراسر جهان، زیرساخت‌های شارژ نقش حیاتی در پذیرش و کاربردی بودن آن‌ها ایفا می‌کنند. در کنار شارژ AC که معمولاً برای شارژ شبانه یا در محل کار استفاده می‌شود، شارژ DC (DC Charging)، که بیشتر با نام شارژ سریع (Fast Charging) شناخته می‌شود، روشی برای تأمین انرژی خودروهای برقی با سرعت بسیار بالا و توان قابل توجه است. در شارژ سریع DC، تبدیل جریان از AC (برق شبکه) به DC (مورد نیاز باتری) در خود ایستگاه شارژ پرقدرت انجام می‌شود، برخلاف شارژ AC که این وظیفه بر عهده شارژر داخلی خودرو است. شارژ سریع DC برای پیمایش‌های بلند و کاهش اضطراب برد در مالکان خودروهای برقی در سطح جهانی ضروری است. این دانشنامه به بررسی جامع شارژ سریع DC در بستر جهانی می‌پردازد.

 مفهوم و ضرورت شارژ DC خودروی برقی / شارژ سریع برای پیمایش‌های بلند

شارژ DC خودروی برقی / شارژ سریع به فرآیند انتقال مستقیم جریان مستقیم (DC) با ولتاژ و جریان بالا از یک ایستگاه شارژ پرقدرت به بسته باتری خودروی برقی اشاره دارد. چیستی این روش در سرعت و توان بالای آن است که امکان اضافه کردن مقدار قابل توجهی از برد پیمایش را در مدت زمان کوتاه فراهم می‌کند. مفهوم تأمین مستقیم جریان مستقیم پرقدرت بدین معنی است که شارژر داخلی خودرو (On-board Charger) در این فرآیند شارژ سریع نقشی در تبدیل جریان ایفا نمی‌کند و برق DC مستقیماً به بسته باتری متصل می‌شود (البته با کنترل سیستم مدیریت باتری خودرو – BMS).

ضرورت آن برای پیمایش‌های بلند از نیاز به کاهش زمان توقف برای شارژ در طول سفرهای طولانی با خودروی برقی ناشی می‌شود. مالکان خودروهای برقی با استفاده از شبکه رو به گسترش ایستگاه‌های شارژ سریع DC در طول مسیرهای بین شهری یا در نقاط عمومی کلیدی، می‌توانند در عرض ۲۰ تا ۴۰ دقیقه، مقدار قابل توجهی از باتری خودرو را شارژ کرده و به ادامه سفر بپردازند، که این امر اضطراب برد را به میزان زیادی کاهش می‌دهد.

نحوه عملکرد شارژ سریع DC: تبدیل برق AC در ایستگاه و ارسال مستقیم به باتری خودرو

شبکه برق عمومی در سراسر جهان از نوع جریان متناوب (AC) است. اما بسته باتری خودروی برقی برای شارژ شدن به جریان مستقیم (DC) نیاز دارد. در شارژ سریع DC، فرآیند تبدیل AC به DC در داخل خود ایستگاه شارژ پرقدرت صورت می‌گیرد، نه در داخل خودرو.

نحوه عملکرد شارژ سریع DC بدین صورت است که:

1. دریافت برق AC از شبکه: ایستگاه شارژ سریع DC به شبکه برق AC متصل است و برق متناوب را از شبکه دریافت می‌کند.
2. تبدیل AC به DC در ایستگاه: ایستگاه شارژ دارای یک یکسوساز (Rectifier) و مبدل‌های توان پرقدرت است که جریان متناوب دریافتی را به جریان مستقیم (DC) با ولتاژ و جریان مناسب تبدیل می‌کند. این فرآیند پیچیده در ایستگاه انجام می‌شود.
3. ارسال مستقیم DC به باتری: برق DC پرقدرت تولید شده در ایستگاه، مستقیماً از طریق کابل شارژ پرقدرت و کانکتور مربوطه به پورت شارژ خودرو و از آنجا به بسته باتری ارسال می‌شود.
4. نظارت توسط BMS: سیستم مدیریت باتری (BMS) در خودرو با ایستگاه شارژ ارتباط برقرار کرده و پارامترهای شارژ (مانند ولتاژ، جریان، دما) را برای اطمینان از شارژ ایمن، سریع و بهینه باتری مدیریت و تنظیم می‌کند.

این نحوه عملکرد باعث می‌شود که توان شارژ در این روش بسیار بالاتر از شارژ AC (محدود به توان شارژر داخلی خودرو) باشد.

مقایسه شارژ سریع DC با شارژ AC خودروهای برقی (سرعت، تجهیزات، کاربرد)

شارژ سریع DC و شارژ AC خودروهای برقی دو روش مکمل برای تأمین انرژی خودروهای برقی هستند که تفاوت‌های کلیدی در سرعت، تجهیزات و کاربرد دارند:

• سرعت: اصلی‌ترین تفاوت. شارژ سریع DC (با توان‌هایی از ۵۰ کیلووات تا بیش از ۳۵۰ کیلووات) به مراتب سریع‌تر از شارژ AC (با توان‌هایی تا ۲۲ کیلووات) است. هدف شارژ DC افزودن سریع برد در مدت زمان کوتاه است، در حالی که هدف شارژ AC پر کردن باتری در مدت زمان طولانی‌تر (مثلاً در طول شب) است.
• محل تبدیل جریان: در شارژ AC، تبدیل AC به DC در داخل خودرو (شارژر آن‌بورد) انجام می‌شود. در شارژ سریع DC، تبدیل AC به DC در خود ایستگاه شارژ انجام می‌گیرد.
• تجهیزات: ایستگاه‌های شارژ سریع DC به دلیل توان بالا و پیچیدگی فرآیند تبدیل، بسیار بزرگتر، سنگین‌تر و گران‌تر از وال باکس‌ها یا ایستگاه‌های شارژ AC هستند. شارژر آن‌بورد خودرو برای شارژ AC ضروری است، اما در شارژ DC پرقدرت استفاده نمی‌شود و برق DC مستقیماً به باتری می‌رود.
• کاربرد: شارژ AC برای شارژ روزمره، خانگی، در محل کار و در مقاصد عمومی با زمان پارک طولانی ایده‌آل است. شارژ سریع DC برای افزودن سریع برد در طول سفرهای طولانی در جاده‌ها و بزرگراه‌ها، یا در نقاط عمومی که زمان توقف محدود است، کاربرد دارد.

استانداردهای جهانی کانکتور شارژ سریع DC (CCS Combo, CHAdeMO, GB/T, NACS) و اهمیت استانداردسازی

در سطح جهانی، چندین استاندارد جهانی کانکتور شارژ سریع DC وجود دارد که نحوه اتصال فیزیکی ایستگاه شارژ به خودرو را تعیین می‌کنند. اهمیت استانداردسازی در این زمینه برای اطمینان از سازگاری خودروها با شبکه ایستگاه‌های شارژ عمومی و تسهیل استفاده برای مالکان خودروهای برقی حیاتی است. استانداردهای اصلی شامل:

• CCS Combo 1 (CCS1): رایج در آمریکای شمالی. این کانکتور قابلیت شارژ AC (بر پایه Type 1) و DC را در یک پورت ترکیب می‌کند.
• CCS Combo 2 (CCS2): رایج در اروپا و بسیاری از نقاط دیگر جهان. این کانکتور نیز قابلیت شارژ AC (بر پایه Type 2) و DC را در یک پورت ترکیب می‌کند. در اروپا، استاندارد غالب برای شارژ سریع DC است.
• CHAdeMO: استاندارد توسعه یافته در ژاپن، رایج در خودروهای ژاپنی قدیمی‌تر و برخی مناطق. از یک کانکتور DC جداگانه استفاده می‌کند. این استاندارد قابلیت شارژ دوطرفه (V2G) را پشتیبانی می‌کند.
• GB/T DC: استاندارد شارژ سریع DC در چین. از یک کانکتور DC جداگانه استفاده می‌کند.
• NACS (North American Charging Standard): استاندارد توسعه یافته توسط تسلا، که در آمریکای شمالی برای هر دو شارژ AC و DC از یک کانکتور استفاده می‌کند و به تازگی توسط بسیاری از خودروسازان دیگر نیز پذیرفته شده است.

تلاش‌ها برای همگرایی یا ایجاد سازگاری بین این استانداردها (مانند توسعه استاندارد ChaoJi با همکاری CHAdeMO و GB/T) برای تسهیل استفاده در سطح جهانی ادامه دارد.

مزایا و محدودیت‌های کلیدی شارژ سریع DC (زمان، هزینه، تأثیر بر باتری) برای کاربران خودروهای برقی

استفاده از شارژ سریع DC برای کاربران خودروهای برقی هم دارای مزایا و هم محدودیت‌های کلیدی است:

• مزایا:
  • صرفه‌جویی در زمان: اصلی‌ترین مزیت. امکان افزودن مقدار قابل توجهی برد در مدت زمان بسیار کوتاه (مثلاً ۱۰ تا ۴۰ دقیقه بسته به توان ایستگاه و قابلیت خودرو).
  • کاهش اضطراب برد: با وجود شبکه ایستگاه‌های شارژ سریع در طول مسیر، مالکان خودروهای برقی می‌توانند با اطمینان بیشتری سفرهای طولانی را برنامه‌ریزی کنند.
  • راحتی در سفر: کاهش نیاز به توقف‌های طولانی در طول مسیر.
• محدودیت‌ها:
  • هزینه: معمولاً هزینه هر کیلووات ساعت برق در ایستگاه‌های شارژ سریع DC بالاتر از هزینه شارژ AC در خانه است. هزینه کلی ساخت و نگهداری زیرساخت نیز بسیار بالا است.
  • تأثیر بر سلامت باتری: شارژ با توان بسیار بالا می‌تواند حرارت بیشتری در باتری تولید کند. استفاده مکرر و در دماهای خیلی بالا یا پایین از شارژ سریع، در صورت عدم مدیریت حرارتی مناسب باتری (BMS)، ممکن است در طولانی مدت بر سلامت و طول عمر باتری تأثیر منفی بگذارد (اگرچه سازندگان خودرو و باتری در حال بهینه‌سازی سیستم‌ها برای کاهش این تأثیر هستند).
  • نیاز به برنامه‌ریزی در طول سفر: با وجود سرعت بالا، همچنان نیاز به توقف برای شارژ وجود دارد، برخلاف سوخت‌گیری بنزین که در هر پمپ بنزینی موجود است.

نتیجه‌گیری

شارژ DC (DC Charging)، یا شارژ سریع (Fast Charging)، روشی حیاتی برای تأمین انرژی خودروهای برقی با سرعت و توان بالا است که ضرورت آن برای پیمایش‌های بلند را فراهم می‌کند. نحوه عملکرد شارژ سریع DC شامل تبدیل برق AC در ایستگاه و ارسال مستقیم به باتری خودرو است که آن را از شارژ AC متمایز می‌سازد. استانداردهای جهانی کانکتور شارژ سریع DC (CCS Combo, CHAdeMO, GB/T, NACS) سازگاری بین خودروها و زیرساخت را در سطح جهانی تعیین می‌کنند. مزایا و محدودیت‌های کلیدی شارژ سریع DC (زمان، هزینه، تأثیر بر باتری) برای کاربران خودروهای برقی شامل سرعت بالا در مقابل هزینه بالاتر و پتانسیل تأثیر بر باتری است. با گسترش خودروهای برقی در سراسر جهان، زیرساخت شارژ سریع DC نیز به سرعت در حال توسعه است تا پشتیبانی لازم برای حمل و نقل الکتریکی در فواصل طولانی فراهم شود و اضطراب برد را کاهش دهد و نقشی محوری در آینده حمل و نقل پایدار ایفا کند.