چرا شارژر داخلی به طور عمدی کوچک طراحی می‌شود؟

سرعت شارژ خودروی برقی در خانه را نه دستگاه دیواری، بلکه شارژر داخلی (onboard charger) تعیین می‌کند که در بازه 7-22 کیلووات نگه داشته می‌شود.
سرعت شارژ خودروی برقی در خانه را نه دستگاه دیواری، بلکه شارژر داخلی (onboard charger) تعیین می‌کند که در بازه 7-22 کیلووات نگه داشته می‌شود.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

آنچه سرعت شارژ AC خودروی برقی در خانه را تعیین می‌کند، واحد شارژ دیواری نیست، بلکه شارژر داخلی (onboard charger) داخل خودرو است؛ این دستگاه به طور عامدانه در بازه 7 تا 22 کیلووات، یعنی محدوده توانی باریکی نگه داشته می‌شود، زیرا بار اصلی شارژ سریع را مبدل‌های DC در سمت ایستگاه بر عهده دارند. در این مقاله توضیح می‌دهیم که OBC چه کاری انجام می‌دهد، چرا کوچک طراحی شده و شارژ سریع DC چگونه آن را از مدار خارج می‌کند، و این را در سطح الکترونیک قدرت بررسی می‌کنیم.

نکات برجسته

  • در شارژ AC، توانی که به باتری می‌رسد، کوچک‌ترِ توان حداکثری ایستگاه و توان شارژر داخلی خودرو است، یعنی کوچک‌ترینِ این دو مقدار.
  • کلاس‌های توان معمول OBC عبارتند از 7 کیلووات، 11 کیلووات و 22 کیلووات که به این ترتیب رده‌بندی می‌شوند.
  • شارژر داخلی معمولاً طوری طراحی می‌شود که سبک‌تر از 5 کیلوگرم و فشرده باشد.
  • در شارژ سریع DC، تبدیل AC به DC در ایستگاه انجام می‌شود؛ OBC از مدار خارج می‌شود و DC مستقیماً به باتری می‌رسد.
  • در شارژ سریع DC، توان‌های اوج بین 50 کیلووات تا بیش از 250 کیلووات متغیرند.

شارژر داخلی دقیقاً چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

واحدهای دیواری که در میان مردم «شارژر» نامیده می‌شوند، از نظر فنی شارژر نیستند؛ اینها تجهیزات شارژ خودروی برقی، یعنی EVSE نامیده می‌شوند. شارژر واقعی داخل خودرو قرار دارد: شارژر داخلی، توان AC دریافتی از شبکه را به توان DC قابل ذخیره در باتری تبدیل می‌کند. فراتر از این کار، ولتاژ را تنظیم می‌کند، با تجهیزات شارژ ارتباط برقرار می‌کند و باتری را به طور مداوم پایش می‌نماید.

نقش واحد دیواری متواضع‌تر است: با خودرو ارتباط برقرار می‌کند، حداکثر جریانی که می‌تواند از کابل عبور کند و حداکثر جریانی که OBC می‌تواند بپذیرد را تعیین می‌کند، در صورت عدم اتصال کابل، توان را قطع می‌کند و در صورت بروز خطا مدار را خاموش می‌کند. به عبارت دیگر، جعبه روی دیوار یک واحد ایمنی و اتصال است؛ کار تبدیل را خودرو انجام می‌دهد. این تمایز، نقطه شروع تمام بحث‌های پیرامون سرعت شارژ است.

چرا خودرو تعیین‌کننده سرعت شارژ AC است؟

شارژر داخلی، عامل اصلی محدودکننده سرعت شارژ AC است. ولت و آمپری که به باتری ارسال می‌شود را خودش تعیین و تنظیم می‌کند. مهم نیست ایستگاه شارژ چقدر توان ارائه دهد، OBC هرگز توانی بیش از توان اسمی خود نمی‌پذیرد: خودرویی با توان اسمی 7.2 کیلووات، حتی وقتی به ایستگاهی متصل است که با 80 آمپر می‌تواند 19.2 کیلووات بدهد، باز هم فقط با 7.2 کیلووات شارژ می‌شود.

در عمل، توان شارژ AC بر اساس کمترینِ چهار محدودیت شکل می‌گیرد: کابل، شارژر داخلی خودرو، تعداد فازهای رسیده به پریز و منبع تغذیه. محاسبه توان ساده است: ولت × آمپر. 240 ولت × 30 آمپر تقریباً 7.2 کیلووات می‌شود؛ با 48 آمپر این مقدار به محدوده 11.5 کیلووات می‌رسد. هر خودرو همچنین دو مقدار توان متفاوت دارد: توان AC که پایین‌تر است و توان DC که بالاتر است. تفاوت این دو مقدار، نتیجه مستقیم تقسیم معماری به دو مسیر تبدیل جداگانه است.

کلاس‌های توان: چرا بازه 7، 11 و 22 کیلووات این‌قدر رایج است؟

کلاس‌های توان AC موجود در بازار در سه پله جمع می‌شوند. 7 کیلووات استاندارد محیط تک‌فاز خانگی است، 11 کیلووات انتخاب سمت سه‌فاز خانگی و مشاغل کوچک است، و 22 کیلووات سریع‌ترین گزینه AC است که اتصال سه‌فاز ارائه می‌دهد. صرفاً از نظر توان، 11 کیلووات تقریباً 57 درصد سریع‌تر از 7 کیلووات است؛ این تفاوت، یعنی صرفه‌جویی زمانی در حدود سه تا چهار ساعت در شارژ شبانه.

کلاس توانمحیطزمان شارژ کامل (تقریبی)
7 کیلوواتخانه تک‌فازدر طول شب
11 کیلوواتخانه سه‌فاز / کسب‌وکار کوچک5-6 ساعت
22 کیلوواتسه‌فاز، سریع‌ترین AC2.5-3 ساعت

فراتر رفتن از این محدوده به انتخاب سازنده ممکن است: در مدل‌های رایجی مانند Nissan LEAF شارژر داخلی 7.2 کیلوواتی کافی تلقی می‌شود، در حالی که Lucid Air با یک شارژر داخلی 19.2 کیلوواتی از این محدوده فراتر می‌رود. با این حال، گسترش ایستگاه‌های AC 22 کیلوواتی به دلیل نیاز به زیرساخت سه‌فاز و تأییدیه‌های رسمی محدود باقی می‌ماند؛ یعنی زیرساخت نیز سقف را تعیین می‌کند.

شارژ سریع DC چگونه شارژر داخلی را کنار می‌گذارد؟

Hızlı şarj istasyonları devasa konverterlerle dönüşümü üstlenirken araç, o ağır donanımı her kilometrede yanında taşıma cezasından kurtulur.

در شارژ سریع DC (DCFC)، تبدیل AC به DC نه در خودرو بلکه در ایستگاه انجام می‌شود. DC تبدیل‌شده بدون آنکه به OBC برسد، مستقیماً به باتری تغذیه می‌شود؛ در این حالت، خودرو فرآیند را از طریق سیستم مدیریت باتری (BMS) مدیریت می‌کند. تجهیزات شارژ DC که به عنوان Mode 4 طبقه‌بندی می‌شوند، دقیقاً همین عبور از مرحله را انجام می‌دهند.

به همین دلیل، در شارژ سریع DC سطح توان عمدتاً فقط به ایستگاه محدود است: سرعت‌های اوج از 50 کیلووات تا مقادیر بالای 250 کیلووات گسترش دارند. منطق معماری عدم انتقال تبدیل به خودرو نیز همین‌جاست: الکترونیک مبدل‌های موجود در ایستگاه‌ها می‌تواند بسیار بزرگ‌تر و قدرتمندتر از آنچه یک خودرو بتواند حمل کند باشد. خودرو مجبور نیست هر بار سخت‌افزار سنگین تبدیل را همراه خود حمل کند.

چرا شارژر داخلی عمداً کوچک طراحی می‌شود؟

در یک EV هم ظرفیت حمل و هم فضا محدود است؛ شارژر داخلی معمولاً به گونه‌ای طراحی می‌شود که سبک‌تر از 5 کیلوگرم و جمع‌وجور باشد. عبور از این محدوده سه هزینه را همزمان افزایش می‌دهد:

  • هزینه: OBC با ظرفیت بالاتر، مستقیماً هزینه خودرو را افزایش می‌دهد.
  • وزن و حجم: هر کیلوگرم اضافی، از نظر برد و بسته‌بندی مستقیماً جریمه است.
  • مدیریت حرارتی: توان بالا به معنای گرمای بیشتری است که باید مدیریت شود؛ OBCها با فن یا سیستم‌های خنک‌کننده مایع طراحی می‌شوند و خنک‌کاری خوب برای کنترل گرما حیاتی است.

در سمت مهندسی، راه‌هایی برای کوچک‌سازی اندازه نیز وجود دارد: در شارژرهای چندعملکردی، اشتراک heatsink مشترک اندازه کلی را کاهش می‌دهد. فناوری‌های پیشرفته نیمه‌هادی می‌توانند توازن بین چگالی توان و بازده را بهبود بخشند، اما بهای این امر، طراحی gate-drive، مسیرهای حرارتی محتاطانه‌تر و قطعات مغناطیسی پیشرفته را می‌طلبد. یعنی کوچک‌سازی «مجانی» نیست؛ هر دستاورد، پرداختی در حوزه دیگری از مهندسی می‌خواهد.

آیا معماری 800V این تصویر را تغییر می‌دهد؟

معماری 800V یک تصمیم سیستمی است که بسته باتری، مبدل‌های DC-DC و شارژرهای داخلی را در بر می‌گیرد؛ با فراهم کردن توان شارژ بالاتر در جریان‌های پایین‌تر، شارژ فوق‌سریع را آسان می‌کند و می‌تواند بازه 10 تا 80 درصد را به زیر 20 دقیقه برساند. گفته می‌شود در ایستگاه‌های مناسب با توان‌های بالای 200 کیلووات می‌توان در حدود 20-30 دقیقه به 80 درصد رسید؛ این معماری از سرعت‌های شارژ تا 350 کیلووات پشتیبانی می‌کند.

نکته‌ای که باید به آن توجه شود این است: سرعتی که 800V به دست می‌دهد در سمت DC است. در شارژ AC و خانگی، معماری 800V مزیتی ایجاد نمی‌کند؛ زیرا سقف سمت AC را همچنان توان نامی OBC تعیین می‌کند. حتی برخی واحدهای شارژ خانگی دوسویه ممکن است باتری DC 400V را مدیریت کنند اما از پس 800V برنیایند. محدود شدن خودروی 400V به خروجی 400V هنگام اتصال به ایستگاه 800V نیز وجه دیگری از همین منطق است: محدودیت همیشه از سمت خودرویی است که پهنای باند کمتری دارد.

آیا شارژ آهسته AC برای باتری ملایم‌تر است؟

نباید وجود یک OBC کوچک را عیبی تلقی کرد. شارژ AC کند است، اما این کندی به حفظ سلامت باتری در طول عمر خودرو کمک می‌کند؛ شارژ خانگی شبانه، رژیمی است که کمترین فشار را به باتری وارد می‌کند. مزیت سرعت شارژ سریع DC بی‌مناقشه است و برای مسیرهای طولانی ضروری، اما در استفاده روزانه، کفایت سمت AC نیز بی‌مناقشه است.

همچنین دانستن این نکته مفید است که شارژ با توان پایین یک محدودیت عملی دارد: برخی خودروها در حین شارژ برای روشن ماندن سیستم 100 تا 200 وات در ساعت مصرف می‌کنند. این مصرف، شارژی را که با توان بسیار پایین تنظیم شده به‌طور نامتناسبی کند می‌کند؛ یعنی علاوه بر کف OBC، بار ثابت خودِ خودرو نیز شکل جریان را تعیین می‌کند.

نتیجه‌گیری: OBC کوچک، تقسیم درست بار کاری

کوچک بودن شارژر داخلی یک نقص نیست، بلکه یک تصمیم معماری است. در شارژ AC سقف را خودرو تعیین می‌کند، در شارژ DC تبدیل به ایستگاه منتقل می‌شود و خودرو فقط سمت داده و کنترل را نزد باتری نگه می‌دارد. OBC در محدوده 7 تا 22 کیلووات، وزن، هزینه و بار حرارتی را در حد معقول نگه می‌دارد؛ در حالی که نیاز واقعی به سرعت را مبدل‌های عظیم سمت زیرساخت تأمین می‌کنند. دقیقاً همین تقسیم است که دلیل دیدن دو عدد جداگانه هنگام خواندن مقادیر شارژ یک EV است: یکی واحد کوچک اما دائم کارِ درون خودرو، و دیگری توان بزرگ اما هرگز حمل‌نشده در خودرو در ایستگاه.

منابع