Предмети:
- въведение
- Щепсели и връзки за зареждане
- Електронно оборудване за захранване на превозни средства (EVSE)
- Опции за зареждане
- Време за зареждане
- Цени за зареждане
- Комуникация между зарядна станция и автомобил
- Пилот за близост
- Контролен пилот
- Електрическа мрежа
Предговор:
Батериите на електрически превозни средства или plug-in хибриди могат да се зареждат с външни устройства за зареждане. Можете да свържете автомобила с кабел за зареждане към обществена станция за зареждане, обществена станция за зареждане или собствена стенна кутия (на външната фасада или в гаража), за да заредите батерията през електрическата мрежа. Често има и мобилно зарядно устройство, което ви позволява да зареждате през стенния контакт, но се препоръчва да използвате това зарядно само в спешни случаи.
Следното изображение показва зареждането на електрическа кола. Отстрани на превозното средство има капак, който изглежда много подобен на капака за гориво на автомобил с двигател с вътрешно горене. Зад капака намираме щепселната връзка, в която може да се постави щепселът за зареждане.
Стикерът в капака показва кой цвят ще светне светодиодът до щепсела в определено състояние.
Щепсели и връзки за зареждане:
Щепселите и връзките за зареждане са стандартизирани в Европа. Ние използваме Mennekes (тип 2) за AC зареждане (променлив ток) и щепсел CCS2 за DC зареждане (постоянен ток).
Следното изображение показва комбиниран Mennekes Type 2 с щепсели за зареждане CSS2. Този щепсел дава възможност за зареждане (бързо) с постоянен ток.
Изображението по-долу показва щепселите, използвани в други части на света. Прави се разлика между AC и DC, като вариантът DC често е разширение на AC конектора.
Електронно захранващо оборудване за превозни средства (EVSE):
Обществените съоръжения за зареждане винаги са оборудвани с интерфейс с EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Това гарантира сигурност и комуникация. Функциите на EVSE включват:
- Проверка на връзките: след потвърждение, че всички щепсели са свързани и заключени, започва режим на зареждане;
- Самодиагностика: при откриване на грешки захранването се прекъсва;
- Откриване на ток на утечка: мрежовото захранване се прекъсва в случай на каквато и да е форма на ток на утечка;
- Контрол на тока: комуникира с бордовото зарядно устройство в автомобила с помощта на PWM сигнал за ограничаване на тока.
Опции за зареждане:
При зареждане с променлив ток (AC), електричеството от електрическата мрежа на автомобила се преобразува в постоянен ток (DC). Недостатъкът на AC зареждането е, че има висок риск от индукционни явления и загуби поради съпротивление на проводника. Преобразуването от променлив ток в постоянен ток също се извършва в колата, преди енергията да достигне батерията, което ограничава тока на зареждане.
Зареждането с постоянен ток (DC) позволява „супер“ бързо зареждане. AC/DC преобразуването вече не се извършва в бордовото зарядно устройство, а извън автомобила. Следователно батерията може да се зарежда с по-голям капацитет на зареждане и следователно се зарежда по-бързо. Това е идеално за зареждане по време на кафе пауза по магистралата за остатъка от пътуването.
Начините и скоростите, с които превозното средство може да бъде натоварено, могат да бъдат разделени на четири различни режима. Режим 1, 2, 3 и 4 показват как автомобилът е свързан към захранващата точка.
- Режим 1: зареждането става директно през електрическата мрежа на домакинска връзка. В превозното средство напрежението се преобразува от AC (променлив ток) в DC (постоянен ток). Устройството за зареждане осигурява сигурност, тъй като няма ограничение на тока или обратна връзка от автомобила към контакта. Този метод на товарене се използва рядко, тъй като има риск от опасност и дефекти, поради което е забранен в много страни.
- Режим 2: точно както в режим 1, използва се стенният контакт на домашна връзка и токът на зареждане е ограничен до 16 A с мощност от 3,68 kW. Въпреки това, за да се предотврати претоварване, мощността през кабелите за зареждане обикновено е ограничена до 2,3 kW (приблизително 10 A). С режим на зареждане 2, зарядната станция е проектирана като мобилно зарядно устройство, което може да носите със себе си. В превозното средство бордовото зарядно преобразува AC в DC.
- Режим 3: за зареждане се използва стационарна зарядна станция или стенна кутия, която, както и в режим 2, е свързана към електрическата мрежа на сграда. Зарядното устройство в режим 3 е подходящо за AC зареждане и за мощности от 3,68 до 22 kW. Още веднъж, AC се преобразува в DC в силовата електроника на автомобила.
- Режим 4: Докато режимите на зареждане от 1 до 3 използват променлив ток и той трябва да се преобразува в постоянен ток в автомобила, при зареждане в режим 4 преобразуването от променлив ток в постоянен ток се извършва в самата станция за зареждане. Правият ток се подава директно към батерията. Това е известно като DC зареждане или бързо зареждане. Станция за зареждане с постоянен ток за зареждане в режим 4 изисква входно напрежение от поне 480 волта и доставя мощност от 43 kW.
Време за зареждане:
Времето за зареждане на хибридни и електрически превозни средства може да се определи от капацитет на батерията да се раздели на доставеното количество мощност от зарядното.
Наличната мощност на зареждане не се определя само от вида на зарядното устройство и кабела за зареждане, но и от максималната мощност на зареждане, за която е подходяща силовата електроника в автомобила. Новите луксозни автомобили все повече получават по-големи батерии с повече капацитет за по-голям обхват, но тъй като капацитетът на зареждане се увеличава, това може дори да означава, че времето за зареждане намалява. Като пример вземаме VW e-Golf (32 kWh) в сравнение с Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Не всички превозни средства могат да зареждат до 100% с DC. DC зареждането спира на 80%. Последните 20% отиват с по-нисък капацитет на зареждане чрез AC. Това е за защита на HV батерията.
VW e-Golf (32 kWh)
AC зареждане:
С щепсел за зареждане тип 2, батерията може да се зарежда чрез AC. Максималната мощност на зареждане на вграденото зарядно е 3,7 kW. Когато батерията се зареди от 20% чрез зарядна станция (режим 3), това отнема приблизително 7 часа. Обяснение: 80% (зареждане) от 32 kWh = 25,6 kWh. Изчисляваме времето за зареждане, като разделяме необходимата мощност на доставената мощност: (25,6 / 3,68) = 6,96 часа (6 часа и 58 минути).
При зареждане през контакт (режим 2) мощността е ограничена до 2,3 kW, а времето за зареждане е 11,13 часа (11 часа и 8 минути).
DC зареждане:
При бързо зареждане с постоянен ток с мощност 44 kW, батерията се зарежда напълно след 0,58 часа (35 минути).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC зареждане:
С щепсел за зареждане тип 2, батерията може да се зарежда чрез AC. Максималната мощност на зареждане на бордовото зарядно е 11 kW. Отново приемаме, че ще таксуваме от 20%. Мощността, която ще доставя зарядното устройство е 86,72 kW. При зареждане през зарядната станция времето за зареждане е 7,88 часа (7 часа и 53 минути).
DC зареждане:
С режим 4 е възможно зареждане до 207 kW. Времето за зареждане е: (86,72 / 207) = 0,42 часа (25 минути).
Цени за зареждане:
Има много доставчици на карти за таксуване. Различни уебсайтове предлагат прегледи на тарифите. В този раздел приемаме енергийните тарифи, които са били в сила през март 2023 г., и не вземат предвид абонаментни такси или начални тарифи за сесия на зареждане, а само цените на енергията.
- Холандия AC 0,60 €/kWh
- Холандия DC 0,85 €/kWh
- Белгия и Люксембург €0,65/kWh
- Европа: AC 0,51 €/kWh
- Европа: DC €0,87/kWh
В примерите за VW e-Golf и Mercedes EQS изчисляваме цените за зареждане въз основа на капацитета за зареждане и факта, че започваме зареждането от диапазон от 20%.
- VW e-Golf: въз основа на мощността на зареждане от 25,6 kW, струва €15,36 за AC зареждане в Холандия и €21,76 за DC зареждане. Общ пробег: 190 км.
- Mercedes EQS: с капацитет на зареждане от 86,72 kW, той струва €52 в Холандия за AC зареждане и €73,70 за DC зареждане. Обхватът е около 485 км.
Комуникация между зарядна станция и превозно средство:
Интерфейсният модул за зареждане осигурява комуникация между зарядната станция и автомобила. Така нареченият „Pilot за близост“ и „Pilot за управление“, съкратено като „PP“ и „CP“, показват, че е свързан щепсел за зареждане и определят колко ток на зареждане е разрешен. Следващите два параграфа обясняват работата на PP и CP.
На изображението виждаме CP и PP в американския тип 1 (вляво) и европейския тип 2 Mennekes щепсел (вдясно), и двата комбинирани с DC щепсел за зареждане. Концентрираме се върху десния щепсел с CP, PP, трите фази (L1 до L3) с нулев проводник (N) и така нареченото защитно заземяване (PE).
Този раздел използва следната диаграма, която се основава на европейския стандарт (IEC 62196-2). Това се отнася за конектор тип 2, наричан още Mennekes. На диаграмата виждаме (отляво надясно) следните компоненти:
- EVSE контролер: това е модулът, който е вграден в зарядната станция или стенната кутия;
- Щепсел за зареждане: в допълнение към тока за зареждане се осъществява комуникация между контролера EVSE и контролера на превозното средство чрез PP и CP;
- Контролер на автомобила: електрониката в автомобила активира процеса на зареждане веднага щом са изпълнени няколко условия.
Пилот за близост:
Проксимити пилотът има две функции: регистрира дали е свързан кабел за зареждане и регистрира кой тип кабел за зареждане е свързан, така че да може да се определи максималният ток на зареждане.
На диаграмата по-долу PP веригата е оцветена в червено. Тук виждаме делител на напрежение между R1 и R2, който се захранва от 5 волта. Контролният блок измерва напрежението между R1 и R2 (това е обозначено с волтметър за яснота). Резистор R1 служи като издърпващ резистор.
- Ако не е свързан щепсел за зареждане, няма делител на напрежението. Резисторът R1 не абсорбира напрежение, така че измереното напрежение е 5 волта;
- Когато щепселът за зареждане е свързан, се създава последователна връзка. При дадените стойности на съпротивлението контролният блок ще измери напрежение от 3,1 волта.
Стойността на съпротивлението в щепсела за зареждане показва максималния ток през кабела за зареждане. Тези стойности на съпротивление са както следва:
- 100 ома: максимум 63 A;
- 220 ома: максимум 32А;
- 680 ома: максимум 20 A;
- 1500 ома: максимум 13А.
Стойността на съпротивлението в примера е 220 ома, което означава, че токът през този кабел за зареждане може да бъде максимум 32 A. По-високо или по-ниско съпротивление осигурява различно разделяне на напрежението и следователно различно входно напрежение за контролера.
Северноамериканските конектори попадат в стандарта: SAE J1772. Този щепсел за зареждане тип 1 се различава от европейската версия:
- Еднофазно променливо напрежение вместо трифазно променливо напрежение в европейския щепсел тип 2;
- Кука за ръчно заключване. Допълнителният делител на напрежението прави възможно изграждането на допълнителна безопасност. Веднага щом се разпознае, че бутонът е натиснат, системата за зареждане незабавно се изключва.
Диаграмата по-долу показва версията за САЩ.
Заключващата кука по-специално разширява веригата на Proximity Pilot.
- В конектора има делител на напрежението;
- Превключвателят S3 е в паралел с резистор R7. Когато е в покой, превключвателят е затворен и съпротивлението R7 е мостово;
- Когато изважда щепсела, водачът трябва да задейства заключващата кука, за да издърпа щепсела от автомобила. Докато натискате тази кука, S3 се отваря. Резисторът R7 е част от делителя на напрежението.
ControlPilot:
CP следи процеса на зареждане от заявката за започване на зареждане до края на зареждането, когато батерията е напълно заредена. CP позволява комуникация между контролера EVSE в съоръжението за зареждане и превозното средство.
- След свързване на кабела за зареждане към станцията за зареждане, контролерът EVSE прилага напрежение от 12 волта към връзката Control Pilot на щепсела за зареждане.
- веднага след като щепселът за зареждане е свързан към автомобила, напрежението пада до приблизително 9 волта поради делителя на напрежението между R3 и R4;
- Контролерът измерва входящото напрежение чрез ST2 (тригер на Шмит).
Токовият поток при свързан кабел за зареждане е маркиран в червено.
- След като регистрира 9-те волта, EVSE контролерът захранва реле K2. Вместо 12-волтово захранване във веригата е включен осцилатор;
- осцилаторът произвежда правоъгълно напрежение от -12 до +12 волта;
- диодът осигурява промяна на напрежението на CP връзката между +9 и -12 волта;
- С работния цикъл в PWM сигнала контролерът EVSE показва максималния ток на зареждане, който превозното средство може да консумира.
След установяване на PWM сигнала контролерът на превозното средство включва реле K1, когато превозното средство е готово да започне зареждане.
- Реле K1 превключва резистор R5 към маса;
- поради паралелната връзка между R4 и R5, положителният импулс на PWM сигнала пада до 6 волта;
- Напрежението от 6 волта се измерва от контролера EVSE в зареждащото устройство и сега свързва захранването към кабела за зареждане, за да зареди батерията.
Изображението по-долу показва сигнала от контролния пилот, показващ развитието на напрежението спрямо времето. Този профил на напрежение може да бъде измерен при свързването на Control Pilot на щепсела за зареждане, докато е свързан.
- Статус A: Няма връзка с автомобила. Докато не е свързан кабел за зареждане, напрежението остава 12 волта;
- Статус B: Електрическото превозно средство е свързано. Релето K2 е задействано. Напрежението пада до 9 волта поради диода във веригата;
- Статус C: Реле K1 е задействано. Това е „сигналът“ за зарядното устройство да започне процеса на зареждане.
Статус D и E показват кога е необходимо действие за вентилация или за прекратяване на процеса на зареждане, тъй като е открита грешка.
Електрическа мрежа:
В секцията „Опции за зареждане“ бяха показани режими от 1 до 4. Можете да изберете да зареждате автомобила у дома чрез домашно зарядно устройство, wallbox, зарядна станция или чрез бързо зарядно устройство по магистралата. По-специално зареждането у дома чрез вашето собствено съоръжение за зареждане става все по-популярно. Домашното зарядно устройство може просто да бъде свързано към контакт, но за да постигнете възможно най-краткото време за зареждане с повече заряден ток, можете да свържете своя собствена стенна кутия, като регулирате разпределителната кутия. Първо ще разгледаме понятията: 1- и 3-фазен променлив ток.
При еднофазна връзка виждаме "стандартен" електрически кабел с три жила:
- кафяв: фазов проводник;
- синьо: неутрален проводник;
- жълто/зелено: заземяващ проводник.
При 1-фазна зарядна станция или стенна кутия електричеството протича през два проводника (фазовия проводник и нулевия проводник).
1-фазна стенна кутия или станция за зареждане използва стандартната 230 V връзка на домашната електроника. Максималната мощност е 16 A, което довежда максималната мощност на зареждане на 1-фазно зарядно до 3,7 kW. Батериен пакет от 60 kW се зарежда за приблизително 16 часа с този капацитет на зареждане, което отнема относително дълго време. Повечето нови електрически автомобили имат по-висок капацитет.
Възможно е да се увеличи максималния ток в разпределителната кутия на домашната електроника, така че да има повече капацитет за 32 A 1-фазно зарядно. В този случай зареждането може да се извърши с максимум 7,4 kW. Въпреки това, при еднофазно зарядно устройство има вероятност разпределителната кутия да се претовари, което да доведе до прекъсване на захранването. Освен зарядна станция има още електрически уреди, които използват електрическата мрежа, включително пералня, съдомиялна, котлон и термопомпа. С помощта на балансиране на натоварването може да се използва максимален капацитет:
- През деня има голям шанс да се използват няколко електрически уреда. Зарядният ток за автомобила е намален;
- Повечето устройства се изключват през нощта, за да осигурят на автомобила повече капацитет за зареждане.
За по-бързо зареждане е възможно да свържете зарядната станция или стенната кутия към разпределителната кутия чрез 3-фазна връзка. Това не е задължително да е поток на мощност. При трифазна връзка виждаме два допълнителни проводника:
- черен: допълнителна фаза проводник;
- сив: допълнителна фаза.
При 3-фазна зарядна станция електричеството протича през четири проводника (трифазните проводници и неутралния проводник).
Капацитетът на зареждане на зарядна станция или стенна кутия при 3-фазна връзка е по-висок, отколкото при 1-фазна връзка, което означава, че автомобилът се зарежда по-бързо. Максималният ток на зареждане на автомобила никога не се превишава. Някои превозни средства са подходящи само за зареждане до 3,7 kW. Тогава няма смисъл да се създава 3-фазна връзка. Превозните средства също могат да бъдат подходящи за 7,4 или 11 kW: струва си да се увеличи капацитетът (3 * 16 A) от разпределителната кутия.
В по-старите къщи често виждаме 1-фазна връзка (до 35 A) в разпределителната кутия. И трите фази са налице, но само едната е свързана.
Разпределителната кутия може да се преобразува така, че да се използват и трите фази. По-новите къщи, където разпределителната кутия е подготвена за повече електрически консуматори (като слънчеви панели, индукционен котлон и термопомпа), вече могат да бъдат оборудвани с 3-фазна връзка от доставката. В този случай електромерът казва „3×220/230V или 3×380/400 волта“. Има и общо четири проводника - трифазните проводници и неутралния проводник - идващи от дъното на разпределителната кутия. В зависимост от разпределителната кутия групата е защитена до 1x25A, 1x30A или 1,35A. Колкото по-голям е посоченият ампераж, толкова повече ток може да се използва едновременно.
Изображението по-долу показва пет ситуации от 1-фазна към 3-фазна връзка в разпределителната кутия и използването на 1-фазно или 3-фазно зарядно устройство.
1 фаза: С аварийното зарядно можете да зареждате автомобила през контакта. С стенна кутия, 1-фазна група може да зарежда до 16 A без балансиране на натоварването и 32 A с балансиране на натоварването. 32A може да се постигне само когато в къщата няма активни други потребители.
За мощности до 7,4 kW е възможна 1-фазна мрежа с балансиране на натоварването. Когато използвате множество електрически уреди с висока консумация в дома, включително пералня/сушилня, съдомиялна машина и термопомпа, мощността ще намалее, за да се предпази от претоварване. На практика това означава, че мощността може да намалее с до 50%. Следователно превключването от 1 към 3 фаза е разумно.
3 фаза: Ако в същото време се изисква твърде много мощност, това може да причини претоварване и да задейства защитата, причинявайки прекъсване на захранването. Поради това е важно мрежата да може да доставя достатъчно електроенергия. С 3-фазна връзка може да се достави повече ток едновременно. 3-фазните групи са стандартно защитени до 25A.
- 11 kW: необходимо е укрепване на измервателния шкаф. Регулирането от 1 фаза на 3 фаза е достатъчно;
- 22 kW: в допълнение към настройката от 1 фаза на 3 фаза е необходимо увеличение от 35A.
Настройката на 22 kW и 35A едва ли е интересна за частни лица. Поради увеличението трябва да се платят допълнителни годишни постоянни такси от €1000. За всяко по-тежко стъпало (3x63A или 3x80A) се заплаща допълнителна такса. В допълнение, много електрически превозни средства (все още) не са подходящи за зареждане с толкова високи променливи токове:
Очаква се броят на превозните средства, които могат да зареждат 22 kW на AC, да се увеличи през следващите години.
