طراحی و کاربرد پایانه‌های شارژ هوشمند خودروهای برقی

به عنوان یک طراح ایستگاه‌های شارژ که عمیقاً در پروژه‌های صنعتی مشغول به کار است، من شخصاً شاهد تبدیل خودروهای برقی (EV) به نیروی محوری در دیدگاه انرژی‌های تازه چین شده‌ام. پیشرفت‌های چند دهه‌ای در الکترونیک پایه‌ای محکم برای توسعه EV فراهم کرده است. یکپارچه‌سازی V2G، تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی انرژی و باتری‌های با عملکرد بالا نه تنها خدمات جابجایی باتری را تسهیل می‌کند بلکه همگرایی فتوولتائیک، ذخیره‌سازی انرژی و سیستم‌های شارژ هوشمند را نیز می‌راند—یک مأموریت که افتخار می‌کنم در آن نقش دارم.

۱. وضعیت توسعه ایستگاه‌های شارژ هوشمند خودروهای برقی

در پس‌زمینه شهرنشینی سریع و نگرانی‌های زیست‌محیطی رو به افزایش، خودروهای برقی به دلیل کارایی و پایداری خود محبوبیت پیدا کرده‌اند. به عنوان یک طراح، نیازهای مرکزی کاربران را اولویت می‌دهم: دسترسی به موقع به محل‌های ایستگاه‌های شارژ، قابلیت‌های نظارت دقیق و سیستم‌های مدیریت هوشمند. این نیازها روند توسعه به سمت زیرساخت‌های شارژ هوشمندتر و کارآمدتر را تأکید می‌کنند.

در سطح بین‌المللی، شرکت‌هایی مانند تسلا برنامه‌های موبایلی کاربرپسند را معرفی کرده‌اند که با شفافیت قیمتی مسیریابی به ایستگاه‌های شارژ را ممکن می‌سازند. در داخل کشور، شرکت‌های شبکه برق چین یک شبکه گسترده با بیش از ۶۰۰ ایستگاه شارژ و ۲۰,۰۰۰+ دستگاه شارژ توزیع‌شده برقرار کرده‌اند. با این حال، یک پلتفرم جامع که شامل نظارت به‌موقع، پرداخت و مدیریت دوردست باشد هنوز در دسترس نیست—یک شکاف حیاتی که تیم من قصد دارد آن را پر کند.

۲. طراحی نوع و سازگاری سناریوی ایستگاه‌های شارژ

از دیدگاه طراحی، ایستگاه‌های شارژ بر اساس توان خروجی به دو دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

• ایستگاه‌های شارژ AC: انرژی AC شبکه را از طریق شارژرهای موجود در خودرو به DC تبدیل می‌کنند. با توان معمولی ۷kW، ۲۲kW یا ۴۰kW، آنها سرعت شارژ کمتری اما انعطاف‌پذیری بیشتری دارند. برای مجتمع‌های مسکونی و پارکینگ‌ها مناسب هستند و با نیازهای شارژ شبیه‌سازی می‌شوند.

• ایستگاه‌های شارژ DC (شارجرهای خارج از بورد): انرژی DC با توان بالا را مستقیماً به باتری‌ها منتقل می‌کنند، بدون استفاده از تبدیل‌کننده‌های موجود در خودرو. قادر به تأمین ۶۰kW، ۱۲۰kW، ۲۰۰kW یا حتی بیشتر، آنها به طور استراتژیک در طول بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها و ایستگاه‌های راه‌آهن نصب می‌شوند تا نیازهای شارژ سریع برای سفرهای دراز مسافت را برآورده کنند.

۳. روش‌های شارژ و منطق طراحی سیستم نظارت
(۱) ملاحظات طراحی برای سه روش شارژ

رویکرد طراحی من به کاربردهای خاص تنظیم شده است:

• شارژ AC: بهترین گزینه برای خودروهای برقی کوچک و هیبریدی، این روش از شارژرهای موجود در خودرو استفاده می‌کند. تمرکز طراحی: تضمین سازگاری با مدل‌های مختلف خودرو و مدارهای محافظ قوی.

• شارژ DC: برای اتوبوس‌ها و ناوگان‌های تجاری بهینه‌سازی شده است، که نیاز به تبدیل‌کننده‌های موجود در خودرو را حذف می‌کند و وزن خودرو را کاهش می‌دهد. چالش‌های طراحی کلیدی شامل مدیریت توان و یکپارچه‌سازی شبکه است.

• شارژ بی‌سیم: در حالی که از نظر نظری برای شارژ پویا امیدبخش است، محدودیت‌های فعلی در کارایی و پذیرش زیرساخت‌ها نیاز به تحقیقات و توسعه بیشتر قبل از پیاده‌سازی عملی را می‌طلبد.

(۲) ضرورت سیستم‌های نظارت بر ایستگاه‌های شارژ

با توجه به حساسیت باتری‌های لیتیوم-یون به پارامترهای شارژ، من سیستم‌های نظارت به‌موقع را اولویت می‌دهم. این سیستم‌ها دو هدف دارند: بهینه‌سازی توزیع شبکه مشابه ایستگاه‌های بنزین و حفاظت از سلامت باتری از طریق کنترل دقیق شارژ/ریزش. ایمنی و قابلیت اطمینان ضروری‌های طراحی غیرقابل تفاوض هستند.

۴. شیوه‌های طراحی مدار سخت‌افزاری ایستگاه‌های شارژ
۴.۱ معماری سخت‌افزاری کنترلر

سیستم کنترل، که با پردازنده C44Box متصل شده است، به عنوان "مغز" ایستگاه شارژ عمل می‌کند. آن میزان مدیریت باتری، جمع‌آوری داده‌ها و رابط‌های کاربری را هدایت می‌کند—وظایفی مانند بررسی تعادل، نظارت دوردست و نمایش به‌موقع متریک‌های شارژ. یک پایه سخت‌افزاری محکم، از جمله مدارهای توان، ذخیره‌سازی NandFlash و واحد‌های پردازشی، پایداری سیستم را تضمین می‌کند.

۴.۲ منطق طراحی مدار NandFlash

مدیریت کارآمد داده‌ها حیاتی است. من سیستم را به گونه‌ای تنظیم می‌کنم که از ROM برای راه‌اندازی سریع بوت شود، در حالی که NandFlash داده‌های مهم مانند خواندن‌های سنسور و تاریخچه شارژ را ذخیره می‌کند. این معماری دسترسی سریع برای تعاملات کاربری و تشخیص جامع خطا را ممکن می‌سازد.

۴.۳ طراحی کنترل توان خروجی

آزمون‌های گسترده یک مکانیسم ایمنی را تأیید کرده‌اند: تشخیص ۵۰٪ کاهش ولتاژ در مدار راهبردی برای دو ثانیه متوالی باعث قطع مبدل بار می‌شود و به‌طور فوری شارژ را در صورت وجود خطا متوقف می‌کند. این طراحی ریسک‌ها را کاهش می‌دهد و هم تجهیزات و هم کاربران را محافظت می‌کند.

۵. بازتاب‌های طراحی و چشم‌انداز صنعت

کار من روی ایستگاه‌های شارژ AC هم پیشرفت‌ها و هم چالش‌ها را نشان داده است. پیچیدگی یکپارچه‌سازی سیستم و توسعه نرم‌افزار نیاز به همکاری عمیق‌تر بین سازمان‌های استاندارد، مؤسسات آزمون و تولیدکنندگان را تأکید می‌کند. اولویت‌های آینده شامل تکامل پلتفرم‌های هوشمند، پیشرفت شارژ بی‌سیم و بهینه‌سازی تعاملات باتری-شارجر است.

به عنوان طراحان، مأموریت ما تکامل زیرساخت‌های شارژ از عملکردی به شهودی و به‌طور سلسله‌مرحلي یکپارچه است. از طریق نوآوری بی‌وقفه و همکاری میان‌بخشی، می‌توانیم تسریع در انتقال به یک اکوسیستم پایدار EV را انجام دهیم.