قسمت هفدهم دوره آنلاین

ویدیو قسمت هفدهم دوره آنلاین

 تکنولوژی تعویض باتری خودرو برقی

در این ارائه قصد داریم به سوالات زیر پاسخ دهیم.

۱) تکنولوژی تعویض باتری چیست؟

۲) مزایا و معیاب این تکنولوژی چیست؟

۳) شارژ سریع یا تعویض باتری؟

۴) کاربرد مناسب تعویض باتری چیست؟

در ابتدا ببینیم تعویض باتری چیست. تعویض باتری بر پایه تعویض باتری تخلیه شده با یک باتری پر است. این فرآیند با قرارگرفتن خودرو روی جایگاه تعویض باتری شروع می‌­شود و یک فرآیند خودکار خودرو را در جایگاه دقیق قرار داده و باتری را خارج کرده و با باتری پر جایگزین می‌­کند. باتری­‌های خالی برای تعویض­‌های بعدی در ایستگاه شارژ می‌­شوند.

مزایا و معایب روش تعویض باتری خودرو برقی

تعویض باتری چند مزیت دارد : تعویض باتری می­‌تواند بدون نیاز به صرف زمان برای شارژ باتری، یک باتری شارژ شده جدید را فراهم کند. در این مورد اضطراب مسافت قادر به طی کردن کاهش می­‌یابد و تا حدودی مسافت پیموده شده به بی‌­نهایت می­‌رسد. باتری‌­ها خارج از خودرو شارژ می‌­شوند پس محدودیتی از لحاظ ابعاد، وزن و سطح قدرت شارژر وجود ندارد. باتری‌­ها در ایستگاه باقی­ می‌­مانند تا شارژ شوند که این امر انعطاف پذیری بیشتری در زمان توان شارژ باتری و همچنین زمان آن فراهم می‌­کند. باتری‌­ها می‌­توانند طبق برق محلی شارژ شوند. علاوه بر این تعویض باتری تنها چند دقیقه زمان می‌­برد که اضطراب انتظار را به طور قابل ملاحظه‌­ای کاهش می‌­دهد. اگرچه هنوز چالش­‌های زیادی وجود دارد تا تعویض باتری مورد قبول بازار قرار گیرد. اول اینکه نیاز به یک رابط استاندارد در بین تولید کنندگان خودرو الکتریکی و ایستگاه‌­های تعویض باتری داریم. دوم اینکه برای صاحبان خودرو الکتریکی راحت نیست که صاحب یک باتری ثابت نباشند. سوم باید یک روش مطمئن برای تخمین وضعیت باتری وجود داشته باشد تا الگوی مصرف باتری را مورد آزمایش قرار دهد. در نهایت اینکه قطع و وصل شدن مکرر اتصال بین باتری و خودرو می­‌تواند مشکلات ایمنی به همراه داشته باشد.

مقایسه تعویض باتری و شارژ سریع

تعویض باتری و شارژ سریع دو روش ممکن برای شارژ سریع باتری هستند. حال قصد داریم این دو روش را با توجه به تعداد بازدیدها، واحد خدمت‌­رسان و زمان انتظار با یکدیگر مقایسه کنیم. ابتدا نگاهی به تعداد بازدیدها می‌­اندازیم. به منظور شارژ سریع خودرو الکتریکی شما نیاز دارید به ایستگاه شارژ بروید همانطور که برای پر کردن باک خود به پمپ بنزین می‌­روید. در این تصویر می‌­توان تعداد متوسط بازدید از هر ابستگاه شارژ که برای هر وسیله نقلیه در هر سال مورد نیاز است را در برابر مسافت طی شده توسط خودرو الکتریکی مشاهده کرد. این اطلاعات بر اساس تحقیقی از بررسی تحرک وسایل نقلیه الکتریکی در هلند است. ۱۹ سناریو مختلف وجود دارد که با توجه به محدوده مسافتی الکتریکی مختلف خودروها تعریف می‌­شود که روی محور x مشاهده می‌­شود. کمترین محدوده ۸۰ کیلومتر و بیشترین ۱۷۰ کیلومتر است. متوسط تعداد بازدیدها همواره برای تعویض باتری کمتر از شارژ سریع است. دلیل این است که در مقایسه با شارژ سریع انرژی بیشتری به ازای هر تعویض باتری منتقل می­شود. علت این است که باتری تنها تا ٪۸۵-۷۵ می‌­تواند با شارژ سریع شارژ شود و فراتر از آن قدرت شارژ محدود می‌­شود. در مقابل شما همواره ایستگاه تعویض باتری را با شارژ ٪۱۰۰ ترک می­‌کنید.

شارژ سریع توانی بالاتر یا مساوی ۵۰ کیلووات فراهم می‌­کند و این ممکن است تاثیر شدیدی بر شبکه برق به خصوص در زمان اوج مصرف و هنگامی که چند خودرو با هم شارژ می­‌شوند داشته باشد. در مقابل پروسه شارژ در تعویض باتری می­‌تواند در زمان مطلوب انجام شود. یک سطح توان شارژ که به صورت رایج اعمال می‌­شود، توان ۱۱ کیلوواتی سه فاز است. از نظر زمان سرویس، شارژ سریع بر اساس سطح توان شارژ و ظرفیت باتری که چند درصد شارژ شود نیاز به زمان‌­های شارژ مختلفی دارد. در اینجا دو مثال داریم. فرض کنید در حالت ایده­‌آل قدرت شارژ در شارژ سریع 50 کیلووات است و 11 دقیقه زمان می‌­برد تا خودرو شما برای طی کردن مسافت 80 کیلومتری شارژ شود. اگرچه اگر مسافت مورد نیاز 160 کیلومتر باشد این زمان 22 دقیقه خواهد بود. از طرف دیگر تعویض باتری همواره زمان سرویس مشخصی دارد که می‌­تواند 5 دقیقه یا کمتر باشد. در واقعیت ممکن است درست در زمانی که به ایستگاه شارژ می‌­رسید قادر به تعویض باتری یا شارژ سریع نباشید و باید کمی صبر کنید. درست مثل پمپ بنزین ایستگاه شارژ یا تعویض باتری ظرفیت محدود دارد. ما مطالعه‌­ای انجام دادیم که در آن تئوری صف­‌بندی برای مقایسه عملکرد تعویض باتری و شارژ سریع استفاده می‌­شود. پارامترهای کلیدی که می‌­توانند عملکرد را تحت تاثیر قرار دهند عبارتند از : رسیدن مشتری که شامل توزیع زمان رسیدن مشتری‌­ها و فاصله بین آن‌ها می‌­شود. رفتار مشتری که به طور مثال مشتری می‌­خواهد صبر کند یا بعد از زمان کوتاهی آنجا را ترک کند. زمان سرویس که در این مورد زمان شارژ برای شارژ سریع و زمان لازم برای جایگزینی باتری است. نظم سرویس که موارد زیادی برای آن وجود دارد مثل اینکه اولین مشتری که رسیده اولین سرویس را دریافت می‌­کند یا به صورت تصادفی یا اینکه آخرین نفر سرویس را دریافت می‌­کند. معمولا ما مورد اول را برای آنالیز در نظر می­‌گیریم یعنی اولین نفری که رسیده اولین سرویس را دریافت می‌­کند. تعداد واحدهای سرویس که در واقع تعداد نقاط شارژ سریع یا خطوط تعویض باتری است. ظرفیت سرویس تعادلی بین تامین سرویس مناسب ضمن حفظ حداکثر استفاده و کارایی است. پارامتر آخر اتاق انتظار است. محدودیتی وجود دارد که سرویس به تعداد مشخصی از مشتریان تعلق خواهد گرفت. مشتریانی که از راه می‌­رسند ممکن است به دلیل پر بودن ظرفیت سرویس و صف رد شوند. در این مورد مقدار کلیه فضاهای پارک می­‌توانند به عنوان اتاق انتظار در نظر گرفته شوند.

توان و زمان شارژ

ابتدا زمان انتظار شارژ سریع و تعویض باتری را بررسی می‌­کنیم. پارامترهایی که زمان انتظار شارژ سریع را تحت تاثیر قرار می‌­دهند عبارتند از: محدوده مسافتی مورد نیاز خودرو، توان شارژ و تعداد خروجی‌­های شارژ در ایستگاه. از طرف دیگر پارامترهای اصلی که زمان انتظار تعویض یاتری را تحت تاثیر قرار می‌­دهند عبارتند از : ظرفیت باتری، تعداد خطوط تعویض باتری، تعداد باتری‌­ها در ایستگاه تعویض باتری، توان شارژ باتری‌­های تخلیه شده و تعداد خروجی‌­های شارژ. طبق تئوری صف بندی زمان متوسط انتظار برای هر مشتری می‌­تواند به عنوان تابعی از تعداد واحدهای سرویس برای محدوده مسافتی مشخص شناخته شود. در شکل زمان انتظار متوسط بر حسب تعداد واحدهای سوریس برای سه نوع مختلف شارژ سریع مشاهده می‌­کنید. اول شارژ سریع است که بدترین مورد است که به معنی شارژ باتری از مینیمم محدوده مسافتی که تقریبا ۱۰ کیلومتر است تا SOC ٪۸۰ است. دوم شارژ سریع مورد پیک میانگین است که شارژ سریع باتری در پیک مصرف شبانه بر اساس انرژی مورد نیاز رانندگی است. مورد سوم تعویض باتری است. در تصویر مشاهده می‌­شود که برای داشتن زمان انتظار یکسان برای ۱۲۵ کیلومتر محدوده مسافتی، تعویض باتری به تعداد واحدهای سرویس کمتری نیاز دارد. این بدین دلیل است که تعویض باتری به زمان سرویس کمتری در مقایسه با شارژ سریع نیاز دارد. برای تعویض باتری زمان انتظار همچنین می‌­تواند به عنوان تابعی از تعداد باتری­‌ها و همچنین تعداد فضاهای شارژ در ایستگاه تعویض باتری باشد. این تصویر نتیجه عددی یک تحقیق شبکه­‌ای از هنگ کنگ است. از این دو تصویر می‌­توان فهمید که میانگین زمان انتظار به تعداد باتری‌­ها بسیار حساس است و زمانی که تعداد باتری­‌ها افزایش می‌­یابد سریعا به صفر می­‌رسد. اگرچه زمان متوسط انتظار با افزایش فضاهای شارژ به آرامی کاهش می­‌یابد. از این نمودارها مشخص است که بعد از نقاط مشخص دلیلی برای افزایش تعداد واحدها، تعداد باتری‌­ها یا تعداد فضاهای شارژ در یک ایستگاه تعویض باتری به منظور کاهش زمان انتظار وجود ندارد.

بررسی یک سناریو

با مراجعه به تحقیقات انجام شده در یک سناریو هلندی، می‌­توان به تعداد بهینه واحدهای سرویس در ایستگاه شارژ سریع در مقابل محدوده مسافتی خودرو با در نظر گرفتن زمان ۱۰ دقیقه‌­ای قابل قبول برای انتظار در صف نگاهی داشت. از این تصویر می‌­توان فهمید که تعداد واحدهای سرویس با افزایش محدوده مسافتی مورد نیاز روند نزولی به خود خواهد گرفت. اگرچه روند نزولی به طور مشخص برای سه تکنولوژی شارژ متفاوت است. خودروهایی با محدوده بالاتر نیاز به تعداد بازدید کمتری از ایستگاه شارژ سریع در سال دارند و این امر نرخ زمان ورود در هر ایستگاه را کاهش می­‌دهد. بنابراین تعداد واحدهای کمتری می‌­توانند نیازهای شارژ را برطرف کنند. برای شارژ سریع مورد پیک میانگین، تعداد واحدهای کمتری مورد نیاز است. دلیل این است که انرژی شارژ و زمان شارژ برای این نوع از شارژ همواره پایین­‌تر از بدترین مورد است. بنابراین یک واحد سرویس و در نتیجه کل ایستگاه می‌­تواند به خودروهای بیشتری خدمت‌­رسانی کند. این بدین معنی است که کل ایستگاه شارژ می‌­تواند ترافیک یکسان را با واحدهای شارژ کمتری انجام دهد. در نهایت تنها یک سوم واحدهای سرویس برای تعویض باتری مورد نیاز است. از آنجایی که زمان سرویس برای تعویض باتری کمتر است که حدود ۵ دقیقه می‌­باشد، ترافیک یکسانی از خودروها می­‌توانند با واحدهای سرویس کمتر توسط تعویض باتری شارژ خود را دریافت کنند.

یک پارامتر کلیدی دیگر که برای تعویض باتری باید در نظر گرفت تعداد اضافی باتری‌­های مورد نیاز برای رضایت از مشخصات مسیر است. برای سناریو تعویض باتری، باتری­‌های on-board برای راندن وسیله نقلیه و باتری­‌های اضافی در ایستگاه برای شارژ و آماده بودن برای تعویض لازم هستند. در مقابل شارژ سریع نیاز به باتری­‌های اضافی ندارد. در تحقیق انجام شده توسط سناریو هلندی، فرض شده که ۱۰ دقیقه زمان متوسط انتظار در صف است و توان شارژ در ایستگاه تعویض باتری ۱۰.۸ کیلووات بوده و هر شبیه سازی تعویض باتری با ٪۸۰ باتری اضافی شروع شده است. این نمودار تعداد باتری‌­هایی که باید همیشه شارژ کامل و آماده تعویض در ایستگاه باشند را به عنوان تابعی از محدوده مسافتی خودرو الکتریکی نشان می‌­دهد. بسته به زمان رسیدن خودرو الکتریکی این باتری‌­های همیشه شارژ می‌­توانند اضافی در نظر گرفته شوند و بخشی از آن‌ها ضروری نباشد. از این نمودار می‌­توان مشاهده کرد که برای خودروهای الکتریکی با محدوده مسافتی بالاتر و ظرفیت باتری بیشتر تعداد باتری‌­های آماده کمتری در ایستگاه شارژ نیاز است چراکه باتری‌­های با ظرفیت بالاتر به زمان طولانی‌­تری برای شارژ مجدد نیاز دارند. بنابراین درصد باتری­‌ها که منتظر شارژ شدن یا در پروسه شارژ هستند در مقابل محدوده خودرو الکتریکی در نمودار بنفش به نمایش درآمده است. این به راحتی با ٪۸۰ نقاط شبیه‌­سازی منهی تعداد باتری­هایی که همیشه از شارژ پر هستند محاسبه می‌­شود. این نشان می‌­دهد که اگر محدوده خودرو الکتریکی بالاتر باشد حداقل باتری‌­های اضافی در ایستگاه تعویض باتری کاهش می­‌یابد.

با بررسی کمی و کیفی تعویض باتری قصد معرفی چند مورد از کاربردهای آن را داریم. مثال اول تدارکات مسیر ثابت است. فرض کنید یک سوپرمارکت زنجیره­ای در شهر وجود دارد که چند مرکز توزیع مسئولیت توزیع کالا به هر فروشگاه از طریق ناوگان کامیون­‌های تحویل دهنده بر عهده دارد. در این مورد کامیون­‌ها می‌­توانند الکتریکی باشند و هر مرکز توزیع می‌­تواند به امکانات تعویض باتری تجهیز شود. زمانی که کامیون­‌ها به مرکز توزیع بر­می‌گردند این شانس را دارند که در صورت لزوم باتری خود را تعویض کنند. مثال دوم حمل و نقل عمومی است که ناوگان اتوبوسی به طور معمول بین مقصد ثابت و از طریق مسیرهای ثابت رفت و آمد می‌­کنند. این امر همچنین باعث می­‌شود که تعویض باتری‌­ها بسیار راحت و مناسب اجرا شود چراکه اتوبوس‌­های برقی می­‌توانند باتری خود را در ایستگاه­‌های مرکزی یا یکی از مقصدهایی که تجهیزات تعویض باتری در دسترس است تعویض کنند.

برای دیدن قسمت‌های بعدی دوره اینجا کلیک کنید

برای دیدن قسمت‌های قبلی دوره اینجا کلیک کنید