شارژ خودروهای برقی با شبیه‌سازی ولتاژ، سرعت می‌گیرد

جنرال موتورز با به کارگیری یک ماژول جدید در شورولت اکویناکس، سرعت شارژ خودروهای برقی ارزان‌قیمت خود را افزایش داده است.
شورلت اکویناکس برقی یکی از مهم‌ترین خودروهای جدید در خط تولید جنرال موتورز است. قبل از بازگشت بولت برقی در سال آینده، این کراس‌اوور ارزان‌ترین خودروی الکتریکی برند آمریکایی و یکی از ارزان‌ترین خودروهای الکتریکی لیتیوم یونی در بازار خواهد بود. نکته جالب درباره باتری اکویناکس این است که همزمان نقاط قوت و ضعف پلتفرم اولتیوم جنرال موتورز را نشان می‌دهد. این موضوع نمایان‌گر اهمیت ولتاژ در شارژ خودروهای برقی است.
ماژول باتری اکویناکس مشابه تمام خودروهای برقی تولیدشده مبتنی بر اولتیوم تاکنون است. ولتاژ اسمی آن در حدود ۲۸.۸ ولت است که اهمیت زیادی دارد. حتی در خودروهای اولتیوم دارای بسته باتری بزرگتر مانند کادیلاک لیریک با ۱۲ ماژول، همه این گروه‌های سلولی به صورت سری سیم‌کشی می‌شوند، یعنی ولتاژ خروجی پایانه‌ها به تعداد ماژول‌های موجود بستگی دارد.

تاثیر ولتاژ معماری بر قدرت و سرعت شارژ خودروهای برقی
این بدان معناست که بسته باتری ۸۵ کیلووات ساعتی اکویناکس باید ولتاژ خود را از دست بدهد تا به ظرفیت کمتر لازم برای کاهش قیمت دست پیدا کند. این مدل فقط ۱۰ ماژول دارد که در کف خودرو نصب شده‌اند. بنابراین اکویناکس از پک ۸۰S با ولتاژ اسمی ۲۸۸ ولت برخوردار است، پس واقعاً معماری ۴۰۰ ولتی ندارد؛ بلکه بیشتر شبیه به یک سیستم ۳۰۰ ولتی است.
در نتیجه اکویناکس مانند بلیزر برقی بزرگتر با باتری ۱۰۲ کیلووات ساعتی یا لیریک به سرعت شارژ نمی‌شود. نرخ شارژ اکویناکس حداکثر ۱۵۰ کیلووات در مقایسه با ۱۹۰ کیلووات آن دو مدل است. ولتاژ بالاتر به معنای شارژ سریعتر و کمبود ولتاژ به معنای شارژ آهسته‌تر است، مگر اینکه آمپر، جزء دیگر فرمول توان در کنار ولتاژ، برای جبران افزایش یابد، که در اینجا امکان‌پذیر نیست.
شارژ خودروهای برقی فقط به ولتاژ و جریان بستگی دارد. وات حاصل‌ضرب این دو رقم است. خودرویی که می‌تواند با توان ۵۰ کیلووات (۵۰۰۰۰ وات) شارژ شود، ترکیبی مناسب از ولتاژ و جریان را برای رسیدن به این رقم به دست آورده است.

بررسی جزئی‌تر نحوه شارژ خودروهای برقی
سلول‌های باتری مجزا دارای یک ولتاژ شارژ، اسمی و دشارژ هستند. این ارقام برای سلول‌های لیتیوم یون نیکل کبالت منگنز (NMC)، حدود ۴.۲ ولت شارژ، ۳.۶ ولت اسمی و ۲.۸ ولت دشارژ هستند. می‌توان این محدودیت‌های سلولی را کمی بالاتر یا پایین‌تر برد. البته این کار معمولاً عمر سلول را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، برخی از خودروسازان سلول‌های باتری خود را تا ۴.۲۵ ولت شارژ می‌کنند تا مقدار کمی برد حرکتی اضافی را به دست بیاورند. دوج شارژر برقی جدید این کار را انجام می‌دهد، اما جنرال موتورز این کار را نمی‌کند.
برای شارژ یک سلول باتری در خودروهای برقی، ولتاژ شارژشده آن با جریان خاصی روی تمام پایانه‌ها اعمال می‌شود. اگر بخواهید باتری سریعتر شارژ شود، باید جریان بیشتری اعمال کنید، اما ولتاژ ثابت باقی بماند. سلول‌ها نرخ شارژهایی دارند که نشان می‌دهد چقدر جریان می‌تواند برای چه مدت زمانی به آن‌ها اعمال شود. اگر از این محدودیت‌ها عبور کنید، وارد منطقه خطر می‌شوید. ممکن است چرخه عمر باتری کاهش یابد، شاید سلول‌ها در حالت غیرفعال بسیار سریعتر از حد معمول تخلیه شوند و حتی امکان انبساط، ایجاد دود یا آتش‌سوزی وجود دارد. مورد آخر معمولا در صورت سوء‌استفاده شدید رخ می‌دهد.

روش جنرال موتورز برای افزایش عمر سلول‌های باتری
ولتاژ بسته باتری با نحوه سیم‌کشی داخلی سلول‌ها تعیین می‌شود.به عنوان مثال شورولت اکویناکس دارای سه گروه موازی متشکل از ۸۰ سلول به صورت سری است، که ولتاژ اسمی ۲۸۸ ولت این خودرو (۳.۶ ولت ضربدر ۸۰) را به وجود می‌آورند. اگر بخواهیم آن را به طور کامل شارژ کنیم، ۳۳۶ ولت (۴.۲ ولت ضربدر ۸۰) را روی پایانه‌ها اعمال می‌کنیم. البته جنرال موتورز این کار را انجام نمی‌دهد، بلکه خودرو را با ولتاژ کمتری شارژ می‌کند تا طول عمر سلول‌ها را افزایش دهد.
اگر جریان بیشتری اعمال کنیم، خودرو از نظر تئوری می‌تواند سریع‌تر شارژ شود، اما باید نرخ شارژ سلول‌ها را در نظر داشته باشیم. جریان بیشتر به معنای گرمای بیشتری است که باید دفع شود و در برخی مواقع سلول‌ها، سیستم خنک‌کننده بسته یا هردو نمی‌توانند این گرما را تحمل کنند. جنرال موتورز از ولتاژ شارژ بسته باتری اکویناکس و میزان جریانی که سلول‌ها می‌توانند در طول شارژ مداوم تحمل کنند، اطلاع دارد. فرض می‌کنیم که جنرال موتورز بسته باتری را با ولتاژ ۳۳۶ ولت شارژ کرده است. اگر جریان را پنج آمپر در نظر بگیریم، باتری‌ با توان ۱۶۸۰ وات شارژ شده است (۳۳۶ ولت ضربدر ۵). اگر جریان را ۴۰۰ آمپر در نظر بگیریم، به توان ۱۳۴۴۰۰ وات (۱۳۴.۴ کیلووات) می‌رسیم.

چرا شارژ خودروهای برقی قوی‌تر، زودتر انجام می‌شود؟
سه گروه موازی بسته باتری اکویناکس مقدار جریان قابل جذب را افزایش می‌دهند، اما ولتاژ پایین خودرو اساساً توانی را که بسته می‌تواند دریافت کند محدود می‌کند. شاید اکنون متوجه شده باشید که چرا معماری‌های ولتاژ-بالا قابلیت شارژ بسیار سریع‌تری را دارند. اگر ولتاژ را افزایش دهیم، شاهد افزایش شدید گرما تحت شارژ نیستیم و طبق فرمول با ثابت ماندن جریان، توان بسیار بالاتر می‌رود.
به همین دلیل است که خودروهایی با بسته‌های ۸۰۰ ولتی معمولاً می‌توانند با توانی تا ۳۵۰ کیلووات شارژ شوند. بسیاری از محصولات هیوندای و کیا، لوسید ایر و تسلا سایبرتراک، با ولتاژ حدود ۸۰۰ ولت کار می‌کنند. واحدهای محرکه هامر برقی با ولتاژ حدود ۳۵۰ ولت کار می‌کند، اما این مدل می‌تواند با سیم‌کشی دو نیمه بسته باتری بزرگ خود به صورت سری، با ولتاژ حدود ۸۰۰ ولت شارژ شود.

ولتاژ پایین‌تر لزوما به معنای عملکرد پایین‌تر نیست!
ولتاژ پایین‌تر نیز از نظر تئوری به معنای عملکرد پایین‌تر در سطوح بالا است. اما این قضیه کمی پیچیده‌تر می‌شود. می‌توان سیم‌پیچ‌های موتور آهنربای دائمی را طوری طراحی کرد که برای یک ولتاژ معین با سرعت خاصی بچرخد. این به عنوان نرخ kV موتور شناخته می‌شود. فرمول kV برابر با دور موتور خودرو تقسیم بر ولتاژ ورودی است. یک موتور ۱۰۰ کیلوولت زمانی که یک ولت به آن اعمال شود با سرعت ۱۰۰ دور در دقیقه، با ولتاژ ۵ ولت ۵۰۰ دور در دقیقه و … می‌چرخد.
اگر فکر می‌کنید قرار است خودرو بیشتر اوقات با سرعت‌های بالا حرکت کند، بهتر است ضریب دنده کمتری داشته باشید تا قبل از تمام شدن قدرت موتور به سرعت بالاتری دست پیدا کنید. البته این کار نیازمند صرف گشتاور است، که فقط با افزایش جریان جبران می‌شود، که خودش یک مسئله جداگانه محسوب می‌شود. همین موضوع منجر به محدود شدن سرعت عملیاتی در اکویناکس شده است. واحد محرک جلوی آن نسبت ۱۱.۵۹:۱ در مقایسه با لیریک/بلیزر دیفرانسیل عقب با نسبت ۱۱.۶۳:۱ دارد که تقریبا یکسان است. اگر نرخ KV موتور مشابه باشد، عملکرد در سطوح بالا دچار مشکل خواهد شد.
در عمل، این صرفا یک فرضیه نیست. در رانندگی با سرعت بالای ۷۵ مایل در ساعت با اکویناکس دیفرانسیل جلو، کاهش انرژی به وضوح احساس می‌شود. این پدیده ترکیبی از همه این عوامل است.

برتری خودروهای برقی گران‌تر در عملکرد روزانه
از طرفی، واحدهای محرک جلو و عقب کادیلاک لیریک تمام چرخ محرک به ترتیب دارای نسبت ۹.۸۷:۱ و ۱۰.۴۹:۱ هستند. بسته باتری لیریک دارای ولتاژ بالاتر و دو واحد محرکه است، بنابراین قابلیت کنترل جریان پیشرانه افزایش می‌یابد. این به معنای گشتاور بیشتر، سرعت بالقوه بالاتر و قدرت بیشتر است.
همه این‌ها به یک معمای جالب منجر می‌شود. جنرال موتورز به احتمال زیاد خودروهایی با بسته‌های لیتیوم یون نیکل کبالت منگنز کوچکتر از اکویناکس تولید خواهد کرد – ۸۵ کیلووات ساعت به عنوان کوچک‌ترین باتری این خودروساز خیلی بزرگ است – اما اگر ماژول‌های بیشتری حذف شوند، ولتاژ بسیار پایین می‌آید. یک بسته ۵۳ کیلووات ساعتی که از شش ماژول استاندارد اولتیوم استفاده می‌کند، ولتاژ اسمی ۱۷۲.۸ تولید می‌کند. این فقط برای یک خودروی شهری قابل قبول است، اگرچه بسیاری از خودروهای برقی کوچک چینی در این محدوده یا حتی پایین‌تر کار می‌کنند. تنها راه‌حل این مشکل ایجاد یک ماژول جدید یا سیم‌کشی مجدد ماژول موجود است.
با این حال، طرح ماژول اصلی اولتیوم می‌تواند این مشکل را حل کند. پیکربندی آن ۸S 3P برای مجموع ۲۴ سلول است؛ عددی که به خوبی قابل تقسیم است. می‌توان آن را به پیکربندی ۱۲S 2P که ولتاژ بالاتری را در هر ماژول ارائه می‌دهد، سیم‌کشی کرد. یک چارت غیررسمی نشان می‌دهد که جنرال موتورز چگونه امکان انجام این کار را دارد.
با یک ماژول فرضی ۱۲S (تقریباً ۴۳.۲ ولت اسمی)، ولتاژ یک بسته ۵۳ کیلووات ساعتی با پیکربندی جدید ۷۲S برابر با ۱۷۲.۸ ولت نیست، بلکه معادل ۲۵۹.۲ ولت است که در محدوده معماری‌های موجود قرار می‌گیرد.