شارژرهای پیشرفته و سریع برای دوچرخه سازگار با استانداردهای باتری های نوین

تحول در شارژ سریع در حمل و نقل با دوچرخه برقی

چگونگی تحول شارژ سریع در حمل و نقل با دوچرخه برقی و حمل و نقل شهری

فناوری شارژ سریع امروزه در واقع مشکل بزرگی را که مانع از خرید اسکوترهای برقی می‌شد، حل کرده است: زمان شارژ طولانی که قبلاً بسیار زمان‌بر بود. باتری‌های لیتیوم یونی امروزه می‌توانند طبق تحقیقات ChamRider در سال 2023 ظرف ۴۵ دقیقه به حدود ۸۰٪ شارژ برسند. این یعنی فردی که قصد دارد به محل کار خود برود می‌تواند قبل از خروج از خانه اسکوتروی خود را به شارژ متصل کند و برای بیشتر روز شارژ کافی داشته باشد. ما شروع به دیدن این ایستگاه‌های کوچک ترکیبی از تردد در شهرها کرده‌ایم که مردم در حین خرید کردن یا خرید قهوه می‌توانند اسکوتروی خود را شارژ کنند. رانندگان پیک بسیار از این فناوری استقبال می‌کنند چون با هر شارژ می‌توانند ۲۰ تا ۳۰ درصد بیشتر مسافت طی کنند. در هنگام شلوغی شدید ترافیک، منطقی است که ساکنان شهرها بیشتر از ماشین‌های خود صرف نظر کنند و به سمت گزینه‌های برقی حرکت کنند.

عوامل کلیدی در رشد تقاضا برای شارژ سریع در باتری‌های دوچرخه

سه نیروی اصلی که تقاضا برای شارژ سریع را تسریع می‌کنند:

1. شهرنشینی : 67% از ساکنین شهرهای سراسر جهان روزانه کمتر از 15 کیلومتر سفر می‌کنند که این مسافت به‌خوبی در محدوده دوچرخه‌های برقی با شارژ سریع قرار می‌گیرد (فوروم جهانی اقتصاد 2023).
2. سیستم‌های تعویض باتری : این سیستم‌ها که به‌طور فزاینده‌ای توسط ناوگان‌های تجاری مورداستفاده قرار می‌گیرند، امکان تعویض فوری باتری را فراهم می‌کنند و بدین‌ترتیب زمان توقف در عملیات لجستیک و تحویل کالا به حداقل می‌رسد.
3. انتظارات سوار شونده : دوچرخه‌سوارانی که به سرعت شارژ تلفن‌های هوشمند عادت کرده‌اند، اکنون انتظار راحتی مشابهی را دارند، به‌طوری‌که 54% از آن‌ها در نظرسنجی‌ها شارژ آهسته را دلیلی برای انصراف از خرید می‌دانند (صنایع موبیلیتی میکرو 2023).

تأثیر سرعت شارژ بر رفتار سوار شونده و الگوهای استفاده روزانه

سرعت شارژ یک دوچرخه برقی واقعاً روش استفاده مردم از آنها را در طول روزها تغییر می‌دهد. کسانی که امکان شارژ سریع دارند، در مقایسه با کسانی که مجبور به استفاده از شارژرهای کند هستند، به طور متوسط حدود 25 درصد بیشتر در هفته سفر می‌کنند و در صورت بروز فرصت‌های ناگهانی، احتمال بیشتری دارد که به جای استفاده از حمل و نقل عمومی، دوچرخه خود را انتخاب کنند. بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده در سال گذشته، حدود دو سوم از سرنشینان منظم که به طور روزانه سفر می‌کنند، در طول استراحت ناهار به محل کار یا فروشگاه‌های قهوه سر می‌زنند تا باتری دوچرخه خود را به سرعت شارژ کنند. این موضوع به آنها اجازه می‌دهد در ساعات عصر بدون نگرانی از دوچرخه‌سواری تفریحی لذت ببرند. این الگو را در چند شهر بزرگ اروپایی مشاهده کرده‌ایم که از زمانی که گزینه‌های شارژ سریع در دسترس قرار گرفته‌اند، میانگین مسافت روزانه پیموده شده از حدود 8 کیلومتر به نزدیک 13 کیلومتر افزایش یافته است.

استانداردهای جدید باتری و حرکت به سوی سازگاری جهانی

مروری بر استانداردهای جدید باتری دوچرخه برقی و طراحی سیستم‌های ماژولار

ما شاهد پیشرفت‌های واقعی در نحوه طراحی باتری‌های دوچرخه‌های امروزی هستیم. تولیدکنندگان به سمت سیستم‌های بیشتر ماژولار می‌روند که در پلتفرم‌های مختلف کار می‌کنند. اکثر شرکت‌ها اکنون فرمت استوانه‌ای لیتیوم-یونی 21700 را به عنوان استاندارد خود انتخاب کرده‌اند. این سلول‌های جدید انرژی ۲۰ تا ۳۰ درصدی بیشتری نسبت به مدل‌های قدیمی ۱۸۶۵۰ که جایگزین شدند، دارند، اما همچنان در سیستم‌های قدیمی قبل از تغییر جا می‌شوند. از نظر بهبود ایمنی، سازندگان شروع به اضافه کردن شیرهای تخلیه فشار و سنسورهای داخلی کنترل دما کرده‌اند. این کار فقط یک روش خوب نیست، بلکه با آنچه در لایحه آینده قوانین ISO 4210-10 آمده هم‌خوانی دارد. تا سال 2025، باتری‌ها باید حداقل 2000 چرخه شارژ کامل را تحمل کنند و همچنان 80٪ ظرفیت اولیه خود را حفظ کنند.

نقش گواهی‌های ایمنی مانند UL 2272 در تضمین سازگاری باتری دوچرخه

گواهی‌های ارائه‌شده از سوی طرف‌های سوم، مانند آخرین نسخه استاندارد UL 2272 که در سال 2024 منتشر شده است، به‌عنوان شاخص‌های مهمی برای سازگاری و ایمنی در سیستم‌های باتری عمل می‌کنند. این امر در عمل به چه معناست؟ خوب، این استاندارد الزام می‌کند که باتری‌ها آزمون‌های استرسی شدیدی را پشت سر بگذارند. این باتری‌ها باید بتوانند ارتعاشات در دامنه فرکانسی ۵ تا ۲۰۰۰ هرتز را تحمل کنند و در شرایط تغییرات دمایی شدید از منفی ۲۰ درجه سانتی‌گراد تا مثبت ۶۰ درجه سانتی‌گراد دوام بیاورند. در شرایط شارژ سریع، این باتری‌ها باید حداکثر تغییرات ولتاژی ۰٫۱ درصد را حفظ کنند. با توجه به داده‌های اخیر ایمنی از سال ۲۰۲۳، تقریباً یک‌سوم حریق‌های ایجادشده در اسکوترهای برقی به‌دلیل مشکلات در اتصالات و جرقه‌های ایجادشده بوده است، که دقیقاً هدف این الزامات جدید آزمون، پیشگیری از چنین مواردی است.

تجزیه و انفراط در مقابل پذیرش جهانی: چالش‌های استانداردسازی اتصال‌دهنده‌های شارژ اسکوترهای برقی

بازار همچنان پراکنده است:

این تنوع، زیرساختار شارژ عمومی را پیچیده می‌کند و موجب می‌شود شهرها مجبور شوند تا ۳ تا ۵ نوع آداپتور را برای پشتیبانی از ۹۵٪ اسکوترهای برقی محلی نصب کنند.

مطالعه موردی: اقدام اتحادیه اروپا برای استانداردسازی سیستم‌های شارژ اسکوترهای برقی

لایحه سازگاری باتری اتحادیه اروپا در سال ۲۰۲۴ دستورالعمل سازگاری باتری اتحادیه اروپا استفاده از کانکتورهای نوع-۳ را برای تمام اسکوترهای برقی جدید تا سال ۲۰۲۷ اجباری می‌کند که دارای مکانیسم قفل خودکار و سازگاری با ولتاژ ۱۵۰ تا ۱۰۰۰ ولت DC هستند. آزمایش‌های اولیه در بارسلونا نشان داده است که با استانداردسازی ولتاژ (۵۶ ولت با تحمل ۱± درصد)، هزینه‌های نگهداری از ایستگاه‌های شارژ ۴۰٪ کاهش یافته است که این امر بهره‌های اقتصادی سیستم‌های یکسان را نشان می‌دهد.

فناوری‌های نسل بعدی باتری که شارژ سریع‌تر را ممکن می‌کنند

پیشرفت‌های حاصله در باتری‌های لیتیوم-یون برای شارژ سریع در دوچرخه‌های برقی

باتری‌های لیتیوم-یونی مدرن باتوجه‌به آند‌های دارای سیلیکون و کاتد‌های غنی از نیکل، قادر به دستیابی به ۸۰٪ شارژ در کمتر از ۲۰ دقیقه هستند. این نوآوری‌ها شارژ ۱۵ تا ۲۰ درصد سریع‌تری را نسبت به طراحی‌های سنتی گرافیتی فراهم می‌کنند (انبارسازی انرژی، نشریه ۲۰۲۴). سیستم‌های بهبود یافته مدیریت گرمایی در حین شارژ سریع، پایداری، ایمنی و عملکرد بهتری را برای سرنشینان شهری فراهم می‌کنند.

باتری‌های حالت جامد: راهکارهای ایمن‌تر، متراکم‌تر و با سرعت شارژ بالاتر برای دوچرخه‌های برقی

باتری‌های جدید حالت جامد الکترولیت‌های خطرناک مایع را با سرامیک‌ها یا پلیمرهای ایمن‌تر جایگزین می‌کنند. طبق آزمایش‌های انجام شده در موسسه ایمنی باتری در سال 2023، این تغییر خطر آتش‌سوزی را حدوداً 83% کاهش می‌دهد. از نظر ذخیره انرژی، این باتری‌ها قدرتمند هستند. آن‌ها قادر به ذخیره بیش از 500 وات-ساعت در هر کیلوگرم هستند که در واقع دو برابر آنچه امروزه در باتری‌های لیتیومی یونی معمولی می‌بینیم، می‌باشد. این بدین معنی است که سازندگان می‌توانند باتری‌های بسیار کوچک‌تری را تولید کنند و همچنان عملکرد خوبی داشته باشند. علاوه بر این، زمان شارژ تنها 12 تا 15 دقیقه است، در حالی که قبلاً چندین ساعت طول می‌کشید. نمونه‌های اولیه نشان داده‌اند که این باتری‌ها می‌توانند بیش از 1000 سیکل شارژ را با کمترین فرسایش دوام بیاورند و تنها کمتر از 5% از ظرفیت خود را در طول زمان از دست بدهند. این نوع دوام بالا به خوبی نگرانی‌ها در مورد مدت زمان واقعی کارکرد این باتری‌ها در کاربردهای عملی را فراموش می‌کند.

باتری‌های یون سدیم به عنوان یک جایگزین پایدار با قابلیت شارژ سریع

تغییر از لیتیوم به سدیم که فراوانی بیشتری دارد، می‌تواند هزینه باتری‌ها را حدود ۴۰٪ در هر کیلووات‌ساعت کاهش دهد، بدون اینکه خیلی از نظر سرعت شارژ قربانی شود، در مقایسه با گزینه‌های متوسط لیتیومی. چگالی انرژی این باتری‌ها در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم است که خیلی عالی نیست، اما کارهای اخیر روی کاتدهای آهن-منگنز ممکن است ما را به زمان‌های شارژ کامل ۳۰ دقیقه‌ای اشاره شده در گزارش فصلی انرژی تجدیدپذیر سال گذشته نزدیک‌تر کند. آنچه واقعاً برجسته می‌شود این است که این باتری‌ها چقدر ایمن هستند، چون مواد سمی ندارند. شهرهایی که قصد گسترش شبکه اشتراک دوچرخه‌های برقی خود را دارند می‌توانند از این فناوری بهره زیادی ببرند، چون این نوع باتری‌ها با اقدامات بازیافتی هماهنگ هستند و در طول زمان اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهند.

طراحی شارژرهای سریع برای سازگاری با باتری‌های جدید دوچرخه‌های برقی کوهستانی

هماهنگ کردن خروجی شارژر با ولتاژ و مشخصات در حال تکامل باتری‌های eMTB

باتری‌های eMTB امروزه معمولاً در ولتاژهایی بین 36 ولت تا حدود 52 ولت کار می‌کنند، بنابراین شارژر باید جریانی در محدوده 6 آمپر تا 15 آمپر تأمین کند و در عین حال در محدوده دمایی ایمن باقی بماند. بیشتر برندهای برتر اخیراً فناوری هوشمند را در شارژرهای خود به کار گرفته‌اند تا بتوانند ولتاژهای مختلف را به صورت خودکار تشخیص دهند و با اتصال به باتری‌های مختلف، خروجی خود را به طور متناسب تنظیم کنند. این امر اطمینان حاصل می‌کند که سیستم به خوبی کار کند، حتی با سلول‌های جدیدتر 21700 که بسیاری از کاربران اخیراً به آن تغییر کرده‌اند. طبق تحقیقات اخیر منتشر شده در سال گذشته، استفاده از شارژر نامناسب می‌تواند عمر باتری‌های لیتیومی را در طول زمان تا 22 درصد کاهش دهد. این موضوع نشان می‌دهد چرا استفاده از یک شارژر با کیفیت بالا برای کسانی که می‌خواهند از دوچرخه برقی خود در سفرهای زیادی استفاده کنند، اهمیت دارد.

چالش‌های مهندسی در همگام‌سازی شارژرهای سریع با سیستم‌های باتری ماژولار

ماژول‌های باتری هر کدام چالش‌های خاص خود را دارند، عمدتاً به دلیل اینکه تعداد سلول‌های آن‌ها متفاوت است که از ۴ عدد تا ۱۴ عدد در هر ماژول متغیر است، همچنین ترکیب بین شیمی‌های NMC و LFP نیز وجود دارد. در مورد سیستم‌های شارژ سریع با ظرفیتی بیش از ۱۰۰۰ وات-ساعت، مدیریت حرارتی اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند. اگر گرما به‌طور یکنواخت در طول این ماژول‌ها در دوره‌های شارژ توزیع نشود، شاهد تخریب سریع‌تر ظرفیت باتری در طول زمان خواهیم بود. نسخه جدید استاندارد ایمنی UL 2272 تغییرات قابل توجهی در کارخانه‌های تولید کننده شارژر ایجاد کرده است. اکنون آن‌ها باید قابلیت تشخیص خطا را در اتصالات سری و موازی درون پیکربندی‌های ماژولار فراهم کنند. این الزام جدید در واقع بار کاری میکروکنترلرها را حدود ۳۰ درصد افزایش می‌دهد، طبق داده‌های اخیر آزمایشگاهی. شرکت‌ها چگونه واکنش نشان می‌دهند؟ بسیاری از آن‌ها به سمت استفاده از راهکارهای خنک‌کننده مایع برای رابط‌های شارژ خود می‌روند و همچنین سیستم‌های ارتباطی دوطرفه را پیاده‌سازی می‌کنند که به‌طور مداوم با سیستم مدیریت باتری یا همان BMS صحبت می‌کنند.

مزایای واقعی شارژ سریع و دامنه پیشرفته باتری

عملکرد در عمل: شارژ سریع و دامنه گسترده در اسکوترهای برقی مدرن

باتری‌های جدید سایکل‌ها اکنون پس از یک شارژ کامل، دامنه کاری 80 تا 120 کیلومتر را فراهم می‌کنند. آن‌ها می‌توانند از 20٪ شارژ به 80٪ در عرض 2 تا 4 ساعت برسند که افزایشی حدود 60٪ نسبت به آنچه در سال 2020 در دسترس بود است. شرکت‌های تحویل درون شهری متوجه شده‌اند که وسایل نقلیه آن‌ها روزانه حدود 35٪ بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، چون رانندگان وقت کمتری را در انتظار شارژ باتری می‌گذرانند. این امر بیشتر به دلیل ایستگاه‌های شارژ سریع است که رانندگان می‌توانند در زمان استراحت‌های منظم خود بین تحویل‌ها از آن‌ها استفاده کنند. سلول‌های لیتیوم یونی جدیدتر همراه با سیستم‌های کنترل دما بهتر، حتی در دماهای بسیار گرم یا سرد عملکرد خوبی دارند. این موضوع برای افرادی که اسکوترهای کوهستانی را سوار می‌کنند یا بارهای سنگین را در شرایط آب و هوایی مختلف و در طول فصول مختلف حمل می‌کنند، اهمیت زیادی دارد.

بهبود تجربه کاربری از طریق کاهش زمان خاموشی شارژ

مردم دیگر تمایلی ندارند تمام شب را برای شارژ دوچرخه‌هایشان صبر کنند و به جای آن، شارژ سریع در مدت زیر ۳۰ دقیقه را انجام می‌دهند. اکنون افراد می‌توانند در حین استراحت ناهار یا در حالی که در باشگاه بدنسازی تمرین می‌کنند، دوچرخه‌هایشان را به شارژر متصل کنند. شرکت‌های اجاره‌ای نیز متوجه این موضوع شده‌اند و نقاط شارژ سریع را راه‌اندازی کرده‌اند تا بتوانند دوچرخه‌ها را بدون صرف زمان طولانی، یکی پس از دیگری برای مشتریان آماده کنند. عامل راحتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است، به طوری که گزارش‌های اخیر درباره تحرک در سال ۲۰۲۳، افزایش ۲۸ درصدی در استفاده از دوچرخه‌های برقی در روزهای کاری را نشان می‌دهد. متخصصان حوزه بهداشت و دانشجویان به نظر می‌رسد به ویژه این گزینه را ترجیح می‌دهند، چرا که برای آن‌ها هر دقیقه شمار است و در برنامه‌های شلوغشان زمان بسیار ارزشمند است.

استراتژی‌های هوشمند شارژ برای حداکثر کردن طول عمر و بهره‌وری باتری دوچرخه

سه استراتژی اصلی برای افزایش عمر باتری بدون قربانی کردن سرعت:

• تنظیم جریان هوشمند که بر اساس ولتاژ سلول و دما تنظیم می‌شود
• شارژ مبتنی بر مراحل (شارژ انبوه ۸۰٪ — جذب متوازن — نگهداری شناور)
• الگوریتم‌های یادگیری الگوی استفاده که شارژ کامل را تا دقیقاً قبل از زمان سفر به تعویق می‌اندازند

این روش‌ها عمر مفید باتری‌های لیتیومی را به 1200 سیکل و بیشتر با حفظ 85٪ ظرفیت تمدید می‌کنند و هزینه تعویض را برای کاربردهای پرکاربرد مانند تحویل غذا و سیستم‌های موبیلیتی اشتراکی به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهند.

پرسش‌های متداول درباره شارژ سریع در موبیلیتی اسکوتر برقی

برد فعلی اسکوترهای برقی پس از شارژ سریع چقدر است؟

باتری‌های جدید اسکوتر برقی پس از یک شارژ کامل معمولاً بردی بین 80 تا 120 کیلومتر فراهم می‌کنند.

شارژ سریع باتری‌های لیتیومی اسکوتر برقی چقدر زمان می‌برد؟

باتری‌های لیتیومی امروزی با فناوری‌های موجود در کمتر از 20 دقیقه به حدود 80٪ شارژ می‌رسند.

چالش‌های استانداردسازی سیستم‌های شارژ اسکوتر برقی چیست؟

بازار به‌شکلی پراکنده با انواع متعددی از اتصال‌دهنده‌ها وجود دارد که نیازمند آن است شهرها انواع مختلف آداپتور را برای زیرساخت‌های جامع پشتیبانی کنند.

مزایای استفاده از باتری‌های سدیم-یونی نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی چیست؟

باتری‌های سدیم-یونی از نظر کاهش هزینه، مزایای محیط‌زیستی و بهبود ایمنی برخوردارند، هرچند کمی چگالی انرژی آن‌ها نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی پایین‌تر است.