مکانیسم‌های استانداردهای شارژ خودروهای برقی: مقایسه معماری‌های CCS، NACS و CHAdeMO

برای خریدار احتمالی خودروی برقی، مهم‌ترین تصمیم مهندسی که توسط یک خودروساز گرفته می‌شود، نه شیمی باتری یا پیکربندی موتور، بلکه شکل پورت شارژ است. این رابط واحد، سازگاری خودرو با شبکه‌های زیرساختی ملی، وزن فیزیکی کابلی که راننده باید در دماهای انجماد با آن دست و پنجه نرم کند، و حداکثر سرعتی که باتری می‌تواند الکترون‌ها را بپذیرد، تعیین می‌کند. با گذار صنعت خودروسازی جهانی از سوخت‌های فسیلی، استانداردسازی این اتصال فیزیکی به یک گره حیاتی در اکوسیستم گسترده‌تر حمل و نقل تبدیل شده است.[8]

چشم‌انداز فعلی شارژ خودروهای برقی تحت سلطه سه فلسفه معماری متمایز است: سیستم شارژ ترکیبی (CCS)، استاندارد شارژ آمریکای شمالی (NACS که به طور رسمی SAE J3400 نامیده می‌شود) و CHAdeMO. هر استاندارد از اولویت‌های مهندسی منطقه‌ای و محیط‌های نظارتی متفاوتی پدید آمده است. درک نحوه مقایسه آن‌ها مستلزم نگاهی فراتر از پوشش پلاستیکی به پیکربندی‌های پین زیرین، استراتژی‌های مدیریت حرارتی و پروتکل‌های ارتباط دیجیتال است که تعامل بین خودرو و شبکه برق را هدایت می‌کنند.[4][8]

استاندارد شارژ آمریکای شمالی، که در ابتدا به عنوان یک رابط اختصاصی توسط تسلا توسعه یافت و بعداً برای صنعت باز شد، فشردگی فیزیکی و ارگونومی کاربر را در اولویت قرار می‌دهد. با استفاده از یک جفت پین رسانای بزرگ مشترک برای شارژ سطح ۲ جریان متناوب (AC) و شارژ سریع جریان مستقیم (DC)، اتصال‌دهنده NACS ردپای کلی دوشاخه را به حداقل می‌رساند. این امر باعث می‌شود سخت‌افزار به طور قابل توجهی سبک‌تر و مانور دادن با آن آسان‌تر از طرح‌های رقیب باشد.[1][5]

این معماری پین مشترک مستلزم آن است که سیستم‌های داخلی خودرو بسته به اینکه ایستگاه برق AC یا DC را تأمین می‌کند، مسیر برق ورودی را به صورت فیزیکی تغییر دهند. نتیجه یک اتصال‌دهنده بسیار ساده شده است که برای مذاکره در مورد وضعیت‌های شارژ، به ارتباط خط برق (PLC) از طریق پین کنترل پایلوت متکی است؛ پروتکلی که با استاندارد ISO 15118 مشترک است. فرآیند استانداردسازی SAE J3400 نقش این معماری را در آمریکای شمالی تثبیت کرده و قابلیت همکاری بین برندهای مختلف خودرو را تضمین می‌کند.[7]

در مقابل، سیستم شارژ ترکیبی (CCS) توسط کنسرسیومی از خودروسازان سنتی طراحی شد تا بر اساس زیرساخت‌های شارژ AC موجود بنا شود، بدون اینکه نیاز به سوئیچینگ داخلی پیچیده باشد. CCS نوع ۱ (که عمدتاً در آمریکای شمالی قبل از چرخش به NACS استفاده می‌شد) و نوع ۲ (استاندارد اجباری در اروپا) از یک رویکرد ماژولار استفاده می‌کنند: آن‌ها پین‌های استاندارد AC را در بالای اتصال‌دهنده حفظ کرده و دو پین DC اختصاصی بزرگ را در پایین به آن اضافه می‌کنند.[2][4]

این جداسازی فیزیکی مسیرهای AC و DC، مسیریابی داخلی ولتاژ بالا در خودرو را ساده می‌کند، زیرا خودرو نیازی به مکانیزم سوئیچینگ برای هدایت جریان ندارد. با این حال، منجر به یک اتصال‌دهنده به طور قابل توجهی حجیم‌تر و یک کابل سنگین‌تر و سفت‌تر می‌شود. مانند NACS، CCS از PLC برای ارتباط دیجیتال استفاده می‌کند و ویژگی‌های پیشرفته‌ای مانند «وصل کن و شارژ کن» (Plug and Charge) و جریان برق دوطرفه را تحت چارچوب ISO 15118 فعال می‌سازد، که این امر آن را به ستون فقرات شبکه‌های شارژ اروپا تبدیل کرده است.[2][8]

CHAdeMO، که توسط خودروسازان و شرکت‌های برق ژاپنی پیشگام شد، نشان‌دهنده اولین استاندارد اختصاصی شارژ سریع DC است. برخلاف CCS و NACS، چادمو صرفاً یک رابط DC است و خودروها را ملزم می‌کند که برای شارژ AC دارای یک پورت دوم و جداگانه (معمولاً SAE J1772) باشند. این نیاز به دو پورت، فضای فیزیکی بیشتری را در نمای بیرونی خودرو اشغال می‌کند اما امکان استفاده از سخت‌افزار DC بسیار تخصصی را فراهم می‌آورد.[3][6]

ویژگی تعیین‌کننده CHAdeMO اتکای آن به پروتکل باس شبکه ناحیه کنترل‌کننده (CAN) برای ارتباط خودرو با شارژر است، نه PLC. در حالی که CAN بسیار قوی است و به طور بومی توسط شبکه‌های داخلی خودرو درک می‌شود، طراحی فیزیکی این استاندارد به پین‌های اختصاصی برای بررسی‌های مختلف ایمنی و ارتباطی نیاز دارد که منجر به یک اتصال‌دهنده بزرگ و چند پین می‌شود. قابل ذکر است، CHAdeMO اولین استانداردی بود که شارژ دوطرفه (خودرو به شبکه) را به طور کامل تجاری‌سازی کرد، قابلیتی که CCS و NACS تازه در حال ادغام آن در مقیاس وسیع هستند.[3][6]

بازار جهانی در حال حاضر در حال تجربه یک یکپارچگی گسترده است. در آمریکای شمالی، صنعت به سرعت در حال همگرایی حول NACS (SAE J3400) است که توسط قابلیت اطمینان و فراگیری شبکه سوپرشارژر هدایت می‌شود. اروپا به طور قاطع CCS نوع ۲ را اجباری کرده است، با استفاده از پشتیبانی آن از برق AC سه‌فاز، در حالی که ژاپن همچنان به تعهد خود به CHAdeMO پایبند است. این استانداردسازی منطقه‌ای اصطکاک را برای مصرف‌کنندگان کاهش می‌دهد و به توسعه‌دهندگان زیرساخت اجازه می‌دهد تا سرمایه را با اطمینان بیشتری مستقر کنند و در نهایت گذار گسترده‌تر به حمل و نقل برقی را تسریع بخشد.[5][8]