جاده های شارژی ؛ آینده ای برای شارژ خودروهای برقی

جاده های شارژیی ؛ آینده ای برای شارژ خودروهای برقی

جاده‌های شارژ دهنده زیرساخت‌هایی هوشمندی اند که با فناوری‌ انتقال بی‌سیم، امکان شارژ وسایل نقلیه الکتریکی را در حال حرکت فراهم می‌سازند.

با تشدید بحران‌های زیست‌محیطی و افزایش تعهدات جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، خودروهای الکتریکی (EVs) به‌عنوان جایگزین‌های پاک و کارآمد برای خودروهای مجهز به پیشرانه‌های احتراق داخلی، با رشدی فزاینده در حال گسترش‌اند. باوجود پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری باتری، الکترونیک قدرت و زیرساخت‌های شارژ، خودروهای الکتریکی امروزی هنوز با مجموعه‌ای از چالش‌های فنی، اقتصادی و عملیاتی مواجه‌اند که مانع از گسترش فراگیر آن‌ها در سطح جهانی شده است. نخست، وابستگی شدید این خودروها به ایستگاه‌های شارژ ثابت، نیازمند برنامه‌ریزی دقیق برای سفرهای روزانه و بین‌شهری است. فرایند شارژ، بسته به نوع شارژر، ممکن است از چند ده دقیقه تا چند ساعت زمان‌بر باشد و عملاً زمان توقف ناخواسته‌ای را به راننده تحمیل می‌کند. ظرفیت محدود باتری‌ها سبب شده تا برد حرکتی خودروهای الکتریکی، به‌ویژه در شرایط جاده‌ای یا بارگیری بالا، همچنان کمتر از سطح انتظار کاربران باشد. این محدودیت در شعاع عملکرد، به‌ویژه در ناوگان‌های سنگین و تجاری، مانعی جدی در کاربردهای گسترده‌تر محسوب می‌شود. در چنین بستری، ایده‌ای جسورانه و انقلابی مطرح شده است انتقال دینامیک و بی‌سیم توان از بستر جاده به خودروهای در حال حرکت. مفهومی که در صورت پیاده‌سازی موفق، می‌تواند محدودیت‌های بنیادین خودروهای الکتریکی کلاسیک را برطرف کرده و گامی بزرگ به‌سوی حمل‌ونقل پاک، پایدار و هوشمند بردارد.

جاده‌های شارژده چیست؟

جاده‌های شارژ دهنده یا اصطلاحاً جاده‌های انرژی‌زا، زیرساخت‌هایی هوشمند و پیشرفته‌اند که با بهره‌گیری از فناوری‌های انتقال بی‌سیم توان، امکان شارژ وسایل نقلیه الکتریکی را در حال حرکت و بدون توقف فراهم می‌سازند. در این سامانه‌ها، بستر جاده نه‌تنها مسیر حرکت وسیله نقلیه است، بلکه خود به‌عنوان منبع تأمین انرژی فعال و پایدار عمل می‌کند. این رویکرد که به‌صورت تخصصی با عنوان انتقال توان بی‌سیم دینامیک (Dynamic Wireless Power Transfer – DWPT) شناخته می‌شود، یک معماری نوین در طراحی زیرساخت حمل‌ونقل برق پایه محسوب می‌شود. در این معماری، تبادل انرژی بین جاده و وسیله نقلیه در لحظه و بدون نیاز به تعامل مکانیکی یا توقف فیزیکی انجام می‌گیرد.

روش‌های مهندسی انتقال انرژی از بستر جاده

سامانه‌های تغذیه دینامیک خودرو از بستر جاده بسته به نوع فناوری به‌کاررفته، در سه دسته کلی طبقه‌بندی می‌شوند:

انتقال القایی (Inductive Power Transfer – IPT)

در این فناوری جاده‌های شارژ دهنده، مجموعه‌ای از کویل‌های اولیه در لایه‌های زیرین جاده تعبیه می‌شوند. با عبور جریان متناوب (AC) از این کویل‌ها، میدان مغناطیسی نوسانی تولید می‌گردد. کویل‌های ثانویه نصب‌شده در بخش زیرین خودرو، این میدان مغناطیسی را دریافت کرده و از طریق فرایند القای الکترومغناطیسی، آن را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند. این سیستم شباهت مفهومی با شارژرهای بی‌سیم موبایل دارد، اما در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر و در شرایط دینامیک.

انتقال هدایتی (Conductive Power Transfer – CPT)

در این روش، ریل‌های فلزی یا کانال‌های هدایت‌کننده جریان در بستر جاده نصب می‌شوند. خودروها به یک بازوی الکتریکی متحرک (Pickup Arm) مجهز هستند که در تماس فیزیکی یا شبه فیزیکی با این ریل‌ها قرار می‌گیرد. جریان الکتریکی—معمولاً DC با ولتاژ پایین یا AC با کنترل دقیق—از بستر جاده به سیستم قدرت خودرو منتقل می‌شود.

انتقال پرتویی (Beamed Power Transfer – BPT)

این فناوری که در مرحله تحقیقاتی و آزمایشگاهی قرار دارد، بر اساس ارسال مستقیم انرژی به‌صورت پرتوهای هدفمند از منابعی همچون لیزرهای مادون‌قرمز، امواج مایکروویو یا امواج رادیویی متمرکز به گیرنده‌هایی در سطح یا سقف خودرو عمل می‌کند. آنتن‌ها یا پنل‌های گیرنده انرژی دریافتی را به جریان الکتریکی قابل‌استفاده تبدیل می‌کنند.

نمونه‌های عملی و پروژه‌های جهانی

در سال‌های اخیر، چندین کشور پیشرو در حوزه مهندسی حمل‌ونقل و انرژی، اقدام به اجرای پروژه‌های پایلوت و نیمه‌صنعتی در زمینه انتقال دینامیک انرژی از بستر جاده به وسایل نقلیه کرده‌اند. در ادامه، مهم‌ترین نمونه‌های عملی این فناوری معرفی می‌شوند.

سوئد – پروژه eRoadArlanda: در نزدیکی فرودگاه آر لاندا در استکهلم، یک قطعه آزمایشی جاده‌های شارژ دهنده به طول تقریبی ۲ کیلومتر با فناوری هدایتی (Conductive) توسعه داده شده است. در این مسیر، ریل‌های فلزی باررسان در مرکز جاده نصب شده‌اند که به‌صورت هوشمند تنها هنگام حضور وسیله نقلیه فعال می‌شوند. این سامانه به یک مکانیزم ایمنی پیشرفته مجهز است که در صورت عدم تشخیص اتصال خودرو، قطع کامل جریان برق را تضمین می‌کند. این پروژه باهدف ارزیابی عملی‌بودن تغذیه دینامیک کامیون‌های سنگین طراحی شده و توسط کنسرسیومی متشکل از شرکت‌های ABB، Elways و اداره حمل‌ونقل سوئد هدایت می‌شود.

کره جنوبی OLEV (Online Electric Vehicle): دانشگاه KAIST کره جنوبی با توسعه سیستم Online Electric Vehicle (OLEV) یکی از پیش‌گامان تحقیق‌وتوسعه فناوری شارژ دینامیک به شمار می‌رود. در این سامانه، سیم‌پیچ‌هایی در مسیر حرکت اتوبوس‌های برقی نصب شده‌اند که با فعال‌سازی لحظه‌ای، توان الکتریکی را از طریق روش القایی به خودرو منتقل می‌کنند. در پروژه‌های آزمایشی اجراشده در شهرهای گویمی و سئول، بازده انرژی و میزان تداخل مغناطیسی سیستم به‌صورت دقیق اندازه‌گیری و بهینه‌سازی شده است. ویژگی بارز این سیستم، کنترل لحظه‌ای شدت و فرکانس میدان مغناطیسی بر اساس موقعیت و سرعت خودرو است.

مزایا و چالش‌های پیاده‌سازی جاده‌های انرژی‌زا

مزایای فنی، اقتصادی و زیست‌محیطی

با کاهش یا حذف نیاز به باتری‌های بزرگ و سنگین، امکان طراحی خودروهای سبک‌تر، ارزان‌تر و با فضای مفید بیشتر فراهم می‌شود. اتوبوس‌ها، تاکسی‌ها و کامیون‌های شهری می‌توانند بدون توقف برای شارژ، به‌صورت مداوم در خطوط ویژه شارژ شوند و بهره‌وری عملیاتی آن‌ها افزایش یابد. اتصال جاده‌ها به منابع انرژی تجدیدپذیر، سیستم‌های ذخیره‌سازی محلی و الگوریتم‌های مدیریت هوشمند بار، موجب کاهش پیک‌بار در شبکه و توزیع پایدار انرژی خواهد شد. می‌توان انرژی تولیدشده از منابع خورشیدی و بادی را در باتری‌های بزرگ نصب‌شده در زیرساخت‌های جاده‌ای ذخیره کرده و در زمان مناسب به وسایل نقلیه منتقل کرد.کاهش آلایندگی هوا و صوت: حذف موتورهای احتراقی در حمل‌ونقل شهری، به‌ویژه در مناطق پرتردد، موجب کاهش معنادار گازهای آلاینده و افزایش کیفیت زیست‌محیطی می‌شود.

چالش‌های اجرایی و مهندسی

نخستین چالش اساسی، هزینه بالای اجرای زیرساخت‌ها است. نصب کویل‌های القایی یا ریل‌های هدایتی در بستر بزرگراه‌ها مستلزم حفاری گسترده، لایه‌گذاری دقیق و تجهیز به سامانه‌های کنترلی هوشمند است که سرمایه‌گذاری اولیه سنگینی می‌طلبد. از سوی دیگر، نبود استانداردهای جهانی هماهنگ یکی از موانع مهم توسعه این فناوری در مقیاس کلان است. خودروهای مختلف از سازندگان گوناگون باید قادر باشند به‌صورت یکپارچه با زیرساخت جاده تعامل داشته باشند؛ بنابراین تعریف پروتکل‌های مشترک برای انتقال توان، تشخیص موقعیت، ایمنی و تبادل داده، یک ضرورت اجتناب‌ناپذیر محسوب می‌شود. نگهداری و دوام عملکردی سیستم‌ها نیز یک چالش کلیدی است. جاده‌های مجهز به تجهیزات الکترونیکی، در معرض فرسایش مکانیکی ناشی از عبور مداوم وسایل نقلیه سنگین.

خودروهای تغذیه شونده از جاده، فراتر از یک ایده نوظهور و دور از دسترس، در مسیر تجاری‌سازی و بهره‌برداری عملی قرار دارند. با توسعه زیرساخت‌های فناورانه، ایجاد چارچوب‌های استاندارد بین‌المللی و سیاست‌گذاری‌های حمایت‌گرانه، این فناوری می‌تواند به نقطه عطفی در گذار جهانی به‌سوی حمل‌ونقل پاک، هوشمند و فراگیر بدل شود که هم به کاهش اثرات زیست‌محیطی کمک می‌کند و هم کیفیت زندگی شهری را بهبود می‌بخشد.