زیرساخت لازم برای شارژ کردن خودروهای برقی

استفاده از خودروهای الکتریکی به عنوان یک تکنولوژی جدید، روز به روز در حال گسترش است و این خودروها به عنوان یک رقیب جدی برای خودروهایی که با سوخت های فسیلی کار می کنند مطرح می باشند. به غیر از جذاب بودن این خودروها، سیاست های فرادستی کشورها برای حفظ محیط زیست، کاهش مصرف سوخت های فسیلی و به تبع آن استفاده از انرژی های تجدید پذیر نیز به عنوان یک مشوق عمل می کند. اما اقبال گسترده عموم مردم نسبت به این خودروها هنوز اتفاق نیافتاده است. در این مقاله به بررسی مهمترین دلائل این موضوع می پردازیم.

عوامل تاثیرگذار بر پذیرش عمومی:

نتایج تحقیقات گسترده قیمت مناسب برای خودورهای الکتریکی را در حدود 36000 دلار برآورد می کند. (اعداد مربوط به سال 2020 است) با بررسی خودروهای پرفروش تسلا، شورلت و نیسان می توان به این نکته پی برد که همگی این مدل ها با قیمتی کمتر یا کمی بیشتر از این مقدار به فروش می رسند و به نظر می رسد که قیمت نمی تواند عامل بازدارنده ای برای نبود اقبال عموم به سمت آنها باشد.

محدوده مسافت مورد نیاز افراد که یکی دیگر از نکات مدنظر خریداران است، در حدود 291 مایل یا 491 کیلومتر براورد می شود که مدل های موجود تقریبا مسافت مورد نظر مردم را پوشش می دهند و رسیدن به این معیار نیز کار سختی برای شرکت های سازنده به نظر نمی آید.

نکته مهم دیگر در مورد خودروهای الکتریکی باتری آنهاست که عامل اصلی در هزینه این خودروها می باشد. قیمت متوسط هر کیلو وات ساعت باتری خودروهای الکتریکی در سال 2013 برابر با 668 دلار بوده است که این بدان معناست که قیمت باتری یک خودروی تسلا مدل 3 تقریبا دو سوم قیمت کل خودرو را شامل می شود. هر چند این قیمت در حال کاهش است و هزینه هر کیلوات ساعت در سال 2020 به 137 دلار رسیده است و انتظار می رود که تا سال 2023 نیز به 100 دلار برسد. این کاهش قیمت بدان معناست که طبق محاسبات، فروش خودرویی که بتواند در رنج ذکر شده 490 کیلومتری حرکت کند و قیمت در حدود 36000 دلار داشته باشد امری امکان پذیر می باشد.

تحقیقات نشان داده است که افراد تمایل دارند تا در مدت زمانی حدودا 30 دقیقه ای باتری خودرو از حالت تقریبا خالی به شارژ کامل برسد. نکته ای که در حال حاضر امری دشوار به نظر می رسد. به عنوان مثال خودروی برقی شورلت ( نسخه پیش از 2020) اساسا از چنین تکنولوژی برخوردار نیست و مدل پیشرفته آن هم در مدت زمان 30 دقیقه نهایتا تا 39 درصد شارژ می شود. مدل نیسان در این زمینه عملکرد بهتری دارد و می تواند تا 62 درصد ظرفیت باتری را شارژ کند. بهترین عملکرد در این حوزه مربوط به خودروهای تسلا است که در ایده آل ترین شرایط و با استفاده از سوپرشارژرهای خود می تواند در مدت 30 دقیقه میزان شارژ باتری را تا 83 درصد برساند که مسافتی در حدود 196 مایل یا 315 کیلومتر را پوشش می دهد که با خواست و انتظار مردم تفاوت دارد.

ذکر این نکته ضروری است که در هوای سرد هم سرعت شارژ شدن و هم رنج مسافت کاهش می یابد و شرایط آب و هوایی نیز تاثیر خود را بر روی این مساله دارند.

بنابراین می توان گفت عامل اصلی بازدارنده برای اشباع بازار، مساله مربوط به شارژ شدن این خودروها می باشد که در ادامه با تفصیل بیشتری به آن پرداخته می شود.

مروری بر مفاهیم مربوط به جریان، ولتاژ و آمپر:

ولتاژ که به اختلاف پتانسیل الکتریکی یا فشار برق هم مشهور است در واقع یک نیرو یا انرژی الکتریکی است که وظیفه آن جابجا کردن بار الکتریکی از یک نقطه به نقطه دیگر است و می توان اینگونه گفت که ولتاژ به زبان ساده، نیرویی است که موجب ایجاد جریان الکتریکی در سیم یا مدار می شود. تعریف جریان نیز عبارت است از تعداد الکترون های عبوری از مدار که این مفهوم را با آمپر اندازه گیری می کنند. به صورت ساده و برای محاسبه کیلووات هم می توان مقادیر ولت و آمپر را در هم ضرب کرد.

برای توصیف ولتاژ، جریان و مقاومت، مخزن آب یک مثال مشترک است. در این مثال، بار با مقدار آب، ولتاژ با فشار آب و جریان با جریان آب نشان داده می شود. بنابراین برای این مثال به یاد داشته باشید:

• آب = بار الکتریکی
• فشار = ولتاژ
• جریان آب = جریان

جریان متناوب (AC) جریانی است که به طور منظم تغییر جهت می‌دهد. نتیجه‌ی این تغییرات این است که سطح ولتاژ نیز همزمان با تغییر جهت جریان، معکوس می‌شود. از جریان AC برای رساندن برق به خانه‌ها، ساختمان‌های اداری و سایر مکان‌ها استفاده می‌شود. فهم جریان مستقیم (DC) کمی ساده‌تر از جریان متناوب است. به جای اینکه به عقب و جلو نوسان داشته باشد، جریان DC یک ولتاژ یا جریان ثابت را تولید می‌کند.

همانگونه که گفته شده جریان برق شهر از نوع متناوب است اما برخی از وسائل از جمله باتری ها برای شارژ شدن نیاز به جریان برق مستقیم دارند؛ در اینجا و برای تبدیل برق متناوب به برق مستقیم نیاز به آداپتور می باشد.

مشکلات مربوط به شارژ شدن:

شرکت تسلا این موضوع را به دو روش حل کرده است. در مدل تسلا 3 که دارای یک باتری 50 کیلواتی است، یک تبدیل کننده 7.7 کیلوواتی وجود دارد که برق متناوب را به برق مستقیم تبدیل می کند. مزیت این ویژگی در این است که می توان در خانه و هنگام شب با استفاده از پریزهای برق نسبت به شارژ خودرو اقدام کرد. اما این تبدیل کننده در عین حال می تواند به عنوان یک ایراد نیز مطرح باشد چراکه مدت زمان زیادی برای شارژ شدن نیاز است. این روش برای شارژ کردن باتری خودروی الکتریکی در هنگام سفر و یک مکان عمومی به راحتی پر کردن باک بنزین نیست.

نیاز به شارژرهایی سریعتر

بنابراین برای حل این مشکل نیاز به یک تبدیل کننده قوی وجود دارد. به عنوان مثال یک تبدیل کننده 150 یا 250 کیلوواتی قابلیت این را دارد که در مدت زمانی کمتر از 30 دقیقه باتری را به صورت کامل شارژ کند. اما هزینه چنین تجهیزاتی بسیار بالاست. جدای از این هزینه که می تواند تا حدود 60000 دلار نیز باشد، ابعاد چنین تبدیل کننده هایی نیز بزرگ می باشد و قابل نصب کردن در داخل خودرو نیستند. به همین دلیل ایستگاه های شارژ سریع با برق مستقیم وجود دارند. کارشناسان تخمین می زنند که هزینه هر کدام از این ایستگاه ها با 6 تا 8 جایگاه که توان تولید 120 تا 150 کیلوات را داشته باشد می تواند تا 250 هزار دلار برای شرکت تسلا برسد. همین هزینه برای شرکت فولکس واگن در حدود 350 هزار دلار هزینه خواهد داشت.

شارژ سریعتر یا تعداد شارژر بیشتر؟

اما نکته مهم این است که استفاده از یک شارژر 250 کیلواتی نسبت به یک شارژر 150 کیلوواتی تاثیری در میزان سرعت شارژ شدن ندارد. باتری ها وقتی پرتر می شوند با سرعت کمتری شارژ می شوند. 20 درصد ابتدایی بسیار سریعتر از 20 درصد آخر شارژ خواهد شد. تسلا مدل سه می تواند در 15 دقیقه و با استفاده از یک باتری 250 کیلوواتی تا 50 درصد شارژ شود. این مدت زمان در صورت استفاده از یک شارژر 150 کیلوواتی حدود 17 دقیقه خواهد بود و این به معنای این است که برای طی کردن مسافت 100 مایلی یا 160 کیلومتری مناسب است. در صورتیکه برای شارژ شدن از 50 درصد تا 90 درصد در هر دو مورد بیش از 27 دقیقه زمان نیاز است.

شارژ کردن باتری تا میزان 50 درصد و سپس رانندگی کردن تا خالی شدن آن و دوباره شارژ کردن تا میزان 50 درصد و رانندگی تا خالی شدن باتری، سریعتر از شارژ کردن به طور کامل (100 درصد) و رانندگی تا خالی شدن آن است.

بنابراین آنچه که صنعت به آن نیاز دارد شارژرهای سریعتر نیست بلکه تعداد بیشتری شارژر است که با توجه به قیمت بالای آنها، افزایش تعداد آنها کار سختی است.

یک امریکایی به طور متوسط حدود 4 دقیقه تا یک ایستگاه پمپ بنزین فاصله دارد درحالیکه فاصله تا یک ایستگاه سوپر شارژر تسلا حدود 31 دقیقه است . تا سال 2020 ، 976 ایستگاه سوپرشارژ در امریکا وجود داشته است که بین 2 تا 56 شارژر مجزا داشته اند برای رسیدن به مدت زمان 4 دقیقه دسترسی، تسلا نیاز به ساخت 31251 ایستگاه جدید دارد که با احتساب هزینه 250 هزار دلاری ساخت هر کدام به بودجه ای حدود 8 میلیارد دلار نیاز است که ده برابر سود سالانه آن شرکت در 2020 براورد می شود.

با در نظر گرفت این نکته که تسلا تا سال 2020 ، 750 هزار خودرو برقی خود را فروخته است برای رسیدن به مدت زمان دسترسی 4 دقیقه ای، باید به ازای هر 23 خودرو مبلغ 250 هزار دلار هزینه شود که غیر منطقی است.

با استناد به داده های فدرال حدود 3845 شارژر سریع دی سی به غیر از تسلا در آمریکا وجود دارد که با فرض متصل شدن مدل تسلا به آن می تواند آن را تا زیر یک ساعت شارژ کند.

مشکلی که در آمریکا وجود دارد عدم تطابق شارژرهای شرکت های گوناگون است. اما این مشکل در همه جا مطرح نیست. در اتحادیه اروپا استاندارد واحدی برای ایستگاه های شارژ وجود دارد به این معنی هر خودرویی در اروپا می تواند از هر سوپر شارژر سریعی دی سی استفاده کند. ایستگاه شارژ سریع دی سی در واقع سطح سوم از انواع شارژ کردن می باشد.

سطوح مختلف شارژ

در سطح یک که پایین ترین سطح ایستگاه شارژ است که از جریان برق متناوب استفاده می کند. افراد می توانند از پریز برق خانه خود استفاده کنند که می تواند جریانی تا 10 تا 15 آمپر را ارائه دهد . بیشترین ولتاژ سطح یک، 120 است که با ماکزیمم مقدار جریان 12 تا 16 آمپر کار می کند. این سیستم می تواند با پریزهای 110 ولتی استاندارد خانه ها نیز کار کند. در این سطح شارژ کردن یک خودروی الکتریکی کوچک می تواند تا 12 ساعت زمان ببرد. این ویژگی ها آن را برای شارژ کردن خودروها در طول شب مناسب می کند.

سطح دو، برق ای سی با توان بالاتری را فراهم می کند و معمولا از 240 ولت منبع تغذیه استفاده می کنند و تا 7.2 کیلووات نرخ شارژ کردن را فراهم می کنند. ایستگاه شارژ سطح دو به صورت مستقیم به شبکه برق وصل است و با یک (Electric Vehicle Service Equipment) به خودرو الکتریکی انتقال می یابد. ماکزیمم ولتاژ در این حالت 240 است و میزان جریان الکتریکی هم در بیشترین مقدار 60 آمپر است.

در سطح سوم هم که پیش از این درباره آن بحث شد فرایند شارژ شدن بسیار سریعتر از آن چیزی است که توسط سطح یک و دو فراهم می شود. این سطح می تواند نرخ تامین را تا 350 کیلووات برساند که باتری یک خودروی الکتریکی را تا 80 درصد ظرفیت در حدود 30 دقیقه پر خواهد کرد.

در شکل زیر می توانید میزان زمان لازم برای شارژ شدن یک باتری کاملا خالی را بسته به سطح مشاهده کنید.

انواع مختلف پورت های شارژ خودروهای الکتریکی:

بسته به نوع خودرو و ایستگاه شارژ پورت های مختلفی وجود دارد که همانطور که پیشتر هم اشاره شده یکی از مشکلاتی که در مسیر پذیرش بیشتر وجود دارد همین عدم تطابق پورت های مربوط به شارژ شدن است. در شکل زیر چند نمونه از این پورت ها آورده شده است.

یکی از فناوری هایی که می تواند برخی از مشکلات این حوزه را رفع کند، استفاده از اینترنت اشیا است. در این مقاله با تفصیل بیشتری به کاربرد این تکنولوژی پرداخته شده است.

منابع:

The Electric Vehicle Charging Problem

Vehicle Types

How Do EV Charging Stations Work?

Guide On How To Charge Your Electric Car With Charging Stations