شارژ هوشمند برای وسایل نقلیه بدون آلایندگی – یک بررسی جامع

EV ها را می توان با استفاده از منابع جریان متناوب (AC) یا جریان مستقیم (DC) شارژ کرد. استانداردهای شارژ که به طور جهانی پذیرفته شده است عمدتاً بر اساس استانداردهای اروپا، آمریکای شمالی و چین است [5]. بسته به جریان شارژ و توان مورد نیاز، EV ها را می توان در سطوح مختلف شارژ کرد و سطوح توان (ولتاژ و جریان) زمان شارژ را تعیین می کند. شارژ EV را می توان از طریق روش های رسانا یا القایی انجام داد.

شارژرهای داخلی EV اولیه برای توان کمتر کیلووات (کیلووات) طراحی شده اند و وزن بیشتری به EV اضافه می کنند. از سوی دیگر، شارژرهای سریع DC از توان بالایی در حدود ده ها صد کیلووات برای شارژ باتری ها در زمان کوتاه استفاده می کنند و معمولاً به عنوان امکانات عمومی مستقر می شوند. شارژرهای سریع DC، که معمولاً شارژرهای خارج از برد هستند، به سیستم مدیریت باتری پیشرفته (BMS) مجهز هستند. [6] و پشتیبانی از ارتباطات داده برای کنترل بلادرنگ، به آنها امکان می دهد تا توان بالا را به طور موثر مدیریت کنند. الزامات شارژ سریع EV در مقاله مورد بحث قرار گرفته است [7]. «ایستگاه تعویض باتری» یا «ایستگاه تعویض» یک تکنیک جایگزین برای سوخت‌گیری خودروهای برقی از طریق تعویض باتری است و الزامات اساسی این روش در [8].

استانداردهای جهانی که معمولاً پذیرفته شده‌اند که الزامات الکتریکی و رتبه‌بندی توان را برای فرآیند شارژ EV مشخص می‌کنند عبارتند از کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی IEC 61851 (استاندارد اروپایی)، انجمن مهندسین خودرو SAE J1772 (استاندارد آمریکای شمالی) [8]، [9]. استانداردهای پیشرو در شارژ سریع DC توصیه های CHAdeMO و IEC هستند [11]. طبق استانداردهای صنعت، پروتکل های ارتباطی لایه پایین توصیه شده عبارتند از: پروتکل گذرگاه شبکه کنترل کننده (CAN)، کنترل کننده منطق قابل برنامه ریزی (PLC) در لایه فیزیکی و پروتکل اینترنت (IP) برای لایه پیوند داده/شبکه. [12].

ویژگی های شارژ باتری EV تحت تأثیر پارامترهای داخلی و خارجی آن است. هنگام طراحی یک شارژر، مهم است که پارامترهای باتری خاص مانند زمان پاسخ، محدودیت‌های حرارتی، خواص شیمیایی و ظرفیت انتقال نیرو، از جمله سطح توان منبع DC و آستانه‌های شارژر را در نظر بگیرید. [12]، [13]، [14] برای اطمینان از شارژ ایمن نوع باتری نیز نقش مهمی در تعیین مشخصات شارژ دارد. برای مثال، باتری‌های لیتیوم یونی به منبع تغذیه نسبتاً ثابتی نیاز دارند در حالی که از 0% تا نیمه شارژ می‌شوند. [16]، در حالی که باتری های سرب اسید نیاز به توان اولیه بالاتری دارند که با شارژ شدن باتری کاهش می یابد [17]. هنگام استفاده از شارژ جریان ثابت (CC)، اگر وضعیت شارژ باتری (SOC) بسیار کم باشد، در مراحل اولیه به توان قابل توجهی نیاز است. اگر به درستی کنترل نشود، می تواند منجر به جریان های زیاد شود که می تواند بر طول عمر باتری تأثیر منفی بگذارد. برعکس، شارژ با ولتاژ ثابت (CV) جایگزین مطمئن تری است اما برای شارژ باتری زمان بیشتری می برد. تحقیق توسط Ratil و همکاران. [18] نشان داده است که استفاده از ترکیبی از شارژ CC و CV می تواند بازده کلی شارژ باتری های EV را بهبود بخشد.

شارژ هوشمند به یک ویژگی ضروری برای شارژ EV تبدیل شده است، به ویژه در محیط های با محدودیت منابع. این EV را قادر می سازد تا با استفاده از انواع مختلفی از الزامات کنترل، به شیوه ای کنترل شده شارژ شود. روش معمولی برای شارژ یک EV با وصل کردن آن به منبع تغذیه شبکه است که معمولاً به عنوان شارژ «کنترل‌نشده» یا «ناهماهنگ» شناخته می‌شود. با این حال، اگر تعداد این موارد شارژ افزایش یابد یا اگر زمان شارژ با اوج استفاده از شبکه همزمان شود، شارژ کنترل نشده می‌تواند اثرات نامطلوبی داشته باشد. [19]، [20]: رانش فرکانس شبکه، افت ولتاژ شبکه، احتمال قطع برق و اضافه بار حرارتی در ترانسفورماتورهای توزیع. بر اساس قابلیت کنترل و سازگاری چرخه های شارژ، شارژ می تواند کنترل شده یا غیرقابل کنترل باشد. [21]. ثابت شده است که شارژ هوشمند در مقایسه با شارژ ناهماهنگ، مزایای اقتصادی را از نظر سلامت باتری به ارمغان می آورد و در نتیجه باعث بهبود عمر باتری و کاهش تخریب باتری می شود. [22].

شارژ هوشمند وسایل نقلیه الکتریکی یک راه حل امیدوارکننده برای متعادل کردن نرخ رشد خودروهای الکتریکی با ظرفیت شبکه موجود است. شارژ هوشمند مشتریان، اپراتورهای شبکه و تجمیع‌کننده‌ها را در شبکه هوشمند ترکیب می‌کند و آنها را از طریق یک تسهیلات ارتباطی قابل اعتماد به هم پیوند می‌دهد. برنامه پروفایل های شارژ EV را می توان بهینه کرد [23]، برای مزایای فنی و/یا اقتصادی بر اساس تقاضا.

شارژ کنترل شده می تواند به طور مستقیم یا غیر مستقیم اعمال شود. کنترل مستقیم به دو دسته شارژ دوطرفه و هوشمند تقسیم می شود [24]. روش کنترل غیرمستقیم با صاف کردن بار شارژ برای باتری EV مشخص می شود، که هدف آن به حداقل رساندن نوسانات در منحنی بار از طریق جابجایی بار زمانی یا مکانی است. [25]. از سوی دیگر، شارژ هوشمند در یک محیط کنترل شده با سطح توان و جریان متغیر انجام می شود [26] ، امکان شارژ اقتصادی تر باتری های EV را فراهم می کند. چرخه های شارژ به گونه ای برنامه ریزی شده اند که یک یا چند نیاز ترکیبی تعادل توان، تقاضای مشتری و پایداری شبکه را برآورده کنند. [27]. شارژ هوشمند را می توان با در نظر گرفتن عوامل اضافی مانند ترجیحات مشتری، پیش بینی های انرژی تجدیدپذیر و محدودیت های سیستم توزیع بهینه سازی کرد.

جابجایی بار مکانی و زمانی رایج‌ترین راه‌حل‌های سازگار با پایداری شبکه هستند. در بررسی J. García-Villalobos et al [28]، آنها به وضوح اثرات نامطلوب شارژ کنترل نشده و مزایای شارژ هوشمند را در دو استراتژی مختلف مورد بحث قرار می دهند: یکی در یک محیط کنترل متمرکز و دیگری در یک محیط غیر متمرکز. کیانگ تانگ و همکاران [29] در مورد تعادل اثر تقاضای شارژ EV در شبکه هوشمند بحث کنید. سعید رضایی و همکاران مفاهیم Vehicle to Parking (V2P) و Parking to Vehicle (P2V) را تدوین کرد. [30]. ایستگاه های شارژ هوشمند نیز به ترانسفورماتورهای توزیع پایدار متکی هستند. مدل های حرارتی ترانسفورماتورهای توزیع می توانند با تغییر زمان شارژ بر اساس اثرات دما و افزایش طول عمر ترانسفورماتور به اطمینان از شارژ ایمن و کنترل شده کمک کنند. [31] (شکل 2 را ببینید).

بار شارژ EV غیر خطی در نظر گرفته می شود و ممکن است هارمونیک ایجاد کند، مشکلات آفست DC، مشکلات عدم تعادل فاز و نوسانات ولتاژ در شبکه توزیع ایجاد کند. [32]. با افزایش تصاعدی تعداد خودروهای برقی، تقاضای انرژی زیادی را به دنبال دارد و رسیدگی به آن برای اپراتورهای سیستم قدرت بسیار چالش برانگیز خواهد بود. [33]. تعبیه مقدار قابل توجهی از منابع برق سبز در سیستم ممکن است تا حدودی مشکل را کاهش دهد. اما برای مدیریت جمعیت EV، شارژ هوشمند باید به عنوان یک معیار ضروری برای آینده در نظر گرفته شود.

هدف این نظرسنجی ارائه یک نمای کلی از نقاط عطف در سیاست‌های شارژ هوشمند امروزی، با تمرکز بر رویکردهای شارژ رسانا، زمان‌بندی هوشمند، و فناوری‌های همپوشانی اخیر مانند اینترنت اشیا (IoT)، اینترنت وسایل نقلیه (IoV)، و یادگیری عمیق و آنهاست. تاثیر بر ایستگاه های شارژ هوشمند همچنین نوآوری‌های پیشرفته در فناوری شارژ هوشمند را با تأکید ویژه بر حوزه‌های منابع انرژی تجدیدپذیر (RES)، سیستم ذخیره‌سازی باتری (BSS) و Vehicle to Grid (V2G) که در حال حاضر تحت تحقیقات فشرده هستند، بررسی می‌کند. .

ساختار این بررسی به شرح زیر است: بخش دو تجزیه و تحلیل جامعی از پارامترهای طراحی، عملیاتی و سطح ارتقاء مورد نیاز برای ساخت ایستگاه های شارژ EV هوشمند را ارائه می دهد. بخش 2 منابع اولیه و ثانویه مورد نیاز برای ساخت ایستگاه را مورد بحث قرار می دهد، در حالی که بخش 3 اهداف اصلی مطالعه را تشریح می کند و پارامترهای سطح عملیاتی را پوشش می دهد. بخش 4 بر پارامترهای سطح بهبود تمرکز دارد. بخش پنجم نمای مفهومی یک ایستگاه شارژ هوشمند را ارائه می‌کند. در نهایت، بخش 6 نکات پایانی را ارائه می کند و دامنه آینده مطالعه را مورد بحث قرار می دهد.