Tárgyak:
- bevezetés
- Töltő csatlakozók és csatlakozók
- Electronic Vehicle Supply Equipment (EVSE)
- Töltési lehetőségek
- Betöltési idők
- Betöltési árak
- Kommunikáció a töltőállomás és a jármű között
- Proximity Pilot
- Vezérlőpilóta
- Villamos hálózat
Bevezetés:
Az elektromos járművek vagy a hálózatról tölthető hibridek akkumulátorai külső töltőberendezésekkel tölthetők. Az autót töltőkábellel csatlakoztathatja nyilvános töltőállomáshoz, nyilvános töltőállomáshoz vagy saját fali dobozához (a külső homlokzaton vagy a garázsban), hogy az akkumulátort az elektromos hálózaton keresztül töltse. Gyakran kapható olyan mobiltöltő is, amely lehetővé teszi a fali aljzaton keresztüli töltést, de ezt a töltőt csak vészhelyzetben javasolt használni.
Az alábbi képen egy elektromos autó töltése látható. A jármű oldalán van egy fedél, amely nagyon hasonlít egy belső égésű motorral rendelkező autó üzemanyag-fedéléhez. A fedél mögött találjuk a csatlakozódugót, amelybe a töltődugót bedughatjuk.
A fedélen lévő matrica jelzi, hogy a csatlakozó melletti LED milyen színnel fog világítani egy adott állapotban.
Töltő csatlakozók és csatlakozók:
A töltődugók és csatlakozók Európában szabványosak. Váltóáramú töltéshez a Mennekest (2-es típus), egyenáramú töltéshez a CCS2 csatlakozót használjuk.
A következő képen egy kombinált Mennekes Type 2 látható CSS2 töltődugókkal. Ez a csatlakozó lehetővé teszi a (gyors) egyenáramú töltést.
Az alábbi képen a világ más részein használt dugók láthatók. Különbséget tesznek AC és DC között, a DC változat gyakran az AC csatlakozó kiterjesztése.
Elektronikus járműellátó berendezések (EVSE):
A nyilvános töltőállomások mindig fel vannak szerelve interfésszel az EVSE-vel (Electronic Vehicle Supply Equipment). Ez biztosítja a biztonságot és a kommunikációt. Az EVSE funkciói a következők:
- Csatlakozások ellenőrzése: miután meggyőződött arról, hogy minden csatlakozó csatlakoztatva van és reteszelve, elindul a töltési mód;
- Öndiagnózis: hiba észlelésekor a hálózati feszültség megszakad;
- Szivárgóáram észlelése: a hálózati feszültség megszakad bármilyen szivárgó áram esetén;
- Áramszabályozás: kommunikál az autó fedélzeti töltőjével PWM jel segítségével, hogy korlátozza az áramerősséget.
Betöltési lehetőségek:
Váltakozó árammal (AC) történő töltéskor az autó elektromos hálózatából származó elektromos áram egyenárammá (DC) alakul át. A váltakozó áramú töltés hátránya, hogy nagy a veszélye az indukciós jelenségeknek és a vezeték ellenállása miatti veszteségeknek. A váltóáramból egyenáramúvá történő átalakítás is megtörténik az autóban, mielőtt az energia elérné az akkumulátort, ami korlátozza a töltőáramot.
Az egyenáramú (DC) töltés „szupergyors” töltést tesz lehetővé. Az AC/DC átalakítás már nem a fedélzeti töltőben, hanem a járművön kívül történik. Az akkumulátor ezért nagyobb töltési kapacitással tölthető, és így gyorsabban megtelik. Ideális az autópálya melletti kávészünet alatti töltéshez, az út hátralévő részében.
A járművek berakodásának módjai és sebességei négy különböző módra oszthatók. Az 1., 2., 3. és 4. mód azt jelzi, hogy a jármű hogyan csatlakozik a tápegységhez.
- 1. mód: a töltés közvetlenül a háztartási csatlakozás elektromos hálózatán keresztül történik. A járműben a feszültséget váltakozó áramról DC-ről (egyenáramra) alakítják át. A töltőkészülék biztonságot nyújt, mert nincs áramkorlátozás vagy visszacsatolás a járműtől a konnektorba. Ezt a rakodási módot ritkán alkalmazzák, mert fennáll a veszély és a hibák veszélye, ezért sok országban tilos.
- 2. mód: csakúgy, mint az 1. módban, az otthoni csatlakozó fali aljzatát használják, és a töltőáram 16 A-re van korlátozva teljesítmény 3,68 kW. A túlterhelés elkerülése érdekében azonban a töltőkábelek teljesítményét általában 2,3 kW-ra (kb. 10 A) korlátozzák. A 2-es töltési móddal a töltőállomást mobil töltőnek tervezték, amelyet magával vihet. A járműben a beépített töltő átalakítja a váltakozó áramot egyenárammá.
- 3. mód: a töltés fix töltőállomást vagy fali dobozt használ, amely a 2. módhoz hasonlóan egy épület elektromos hálózatára csatlakozik. A 3-as módú töltő AC töltésére és 3,68-22 kW teljesítményre alkalmas. Az AC ismét egyenárammá alakul a jármű teljesítményelektronikájában.
- 4. mód: Míg az 1–3. töltési módok váltakozó áramot használnak, és ezt egyenárammá kell alakítani a járműben, a 4. töltési módnál a váltóáramról egyenáramra való átalakítás magában a töltőállomáson történik. Az egyenáramot közvetlenül az akkumulátorcsomag táplálja. Ezt egyenáramú töltésnek vagy gyorstöltésnek nevezik. A 4-es módú töltéshez egy egyenáramú töltőállomás legalább 480 V bemeneti feszültséget igényel, és 43 kW teljesítményt ad le.
Betöltési idők:
A hibrid és elektromos járművek töltési idejét a akkumulátor-kapacitás el kell osztani a szállított mennyiséggel teljesítmény a töltőtől.
Az elérhető töltési teljesítményt nem csak a töltő és a töltőkábel típusa határozza meg, hanem az is, hogy mekkora töltési teljesítményre alkalmas a járműben lévő teljesítményelektronika. Az új luxusautók egyre gyakrabban kapnak nagyobb kapacitású akkumulátorokat nagyobb hatótávolság érdekében, de a töltési kapacitás növekedése miatt ez akár a töltési idő csökkenését is jelentheti. Példaként vegyünk egy VW e-Golfot (32 kWh) egy Mercedes EQS SUV 500-hoz (108,4 kWh) képest. Nem minden jármű tölthető 100%-ig egyenárammal. Az egyenáramú töltés 80%-nál leáll. Az utolsó 20% alacsonyabb töltési kapacitással megy AC-n keresztül. Ez a HV akkumulátor védelmét szolgálja.
VW e-Golf (32 kWh)
AC töltés:
A 2-es típusú töltőcsatlakozóval az akkumulátorcsomag AC-n keresztül tölthető. A beépített töltő maximális töltési teljesítménye 3,7 kW. Ha az akkumulátort 20%-ról töltik fel egy töltőállomáson keresztül (3. mód), ez körülbelül 7 órát vesz igénybe. Magyarázat: 80 kWh 32%-a (töltés) = 25,6 kWh. A töltési időt úgy számítjuk ki, hogy a szükséges teljesítményt elosztjuk a leadott teljesítménnyel: (25,6 / 3,68) = 6,96 óra (6 óra 58 perc).
Az aljzaton keresztüli töltésnél (2. mód) a teljesítmény 2,3 kW-ra korlátozódik, a töltési idő pedig 11,13 óra (11 óra 8 perc).
DC töltés:
44 kW teljesítményű egyenáramú gyorstöltés esetén az akkumulátor 0,58 óra (35 perc) után teljesen feltöltődik.
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC töltés:
A 2-es típusú töltőcsatlakozóval az akkumulátorcsomag AC-n keresztül tölthető. A beépített töltő maximális töltési teljesítménye 11 kW. Még egyszer azt feltételezzük, hogy 20%-tól fogunk fizetni. A töltőkészülék által szolgáltatott teljesítmény 86,72 kW. A töltőállomáson keresztül történő töltés esetén a töltési idő 7,88 óra (7 óra 53 perc).
DC töltés:
A 4-es móddal 207 kW-ig lehet tölteni. A töltési idő: (86,72 / 207) = 0,42 óra (25 perc).
Betöltési árak:
Számos töltőkártya-szolgáltató létezik. Különféle webhelyek kínálnak áttekintést az árakról. Ebben a részben a 2023 márciusában érvényes energiadíjakat feltételezzük, és nem vesszük figyelembe az előfizetési díjakat vagy a töltésenkénti indulási díjakat, hanem csak az energiaárakat.
- Hollandia AC 0,60 €/kWh
- Hollandia DC 0,85 €/kWh
- Belgium és Luxemburg 0,65 €/kWh
- Európa: AC 0,51 €/kWh
- Európa: DC 0,87 €/kWh
A VW e-Golf és a Mercedes EQS példáján a töltési árakat a töltési kapacitás és az alapján számoljuk, hogy 20%-os tartományból kezdjük a töltést.
- VW e-Golf: a 25,6 kW-os töltési teljesítmény alapján Hollandiában 15,36 euróba kerül a váltakozó áramú töltés, míg az egyenáramú töltésért 21,76 euróba kerül. Teljes hatótáv: 190 km.
- Mercedes EQS: 86,72 kW töltési teljesítménnyel Hollandiában 52 euróba kerül AC töltés és 73,70 euróba egyenáramú töltés. A hatótáv körülbelül 485 km.
Kommunikáció a töltőállomás és a jármű között:
A töltő interfész modul biztosítja a kommunikációt a töltőállomás és a jármű között. Az úgynevezett „Proximity Pilot” és a „Control Pilot”, amelyek rövidítése „PP” és „CP” jelzi, hogy a töltődugó csatlakoztatva van, és meghatározza a megengedett töltőáramot. A következő két bekezdés a PP és a CP működését ismerteti.
A képen a CP-t és a PP-t látjuk az amerikai 1-es típusú (balra) és az európai típusú 2-es Mennekes-dugóban (jobbra), mindkettőt az egyenáramú töltőcsatlakozóval kombinálva. A jobb oldali csatlakozóra koncentrálunk a CP-vel, PP-vel, a három fázissal (L1-től L3-ig) nulla vezetékkel (N) és az úgynevezett védőföldeléssel (PE).
Ez a szakasz a következő diagramot használja, amely az európai szabványon (IEC 62196-2) alapul. Ez a 2-es típusú csatlakozóra vonatkozik, amelyet Mennekes-nek is neveznek. Az ábrán a következő összetevőket látjuk (balról jobbra):
- EVSE vezérlő: ez a töltőállomásba vagy fali dobozba beépített modul;
- Töltőcsatlakozó: a töltőáramon kívül kommunikáció zajlik az EVSE vezérlő és a járművezérlő között a PP-n és CP-n keresztül;
- Járművezérlő: a jármű elektronikája aktiválja a töltési folyamatot, amint több feltétel teljesül.
Proximity Pilot:
A proximity pilotnak két funkciója van: regisztrálja, hogy van-e töltőkábel csatlakoztatva, és regisztrálja, hogy milyen típusú töltőkábel van csatlakoztatva, így meghatározható a maximális töltőáram.
Az alábbi ábrán a PP áramkör piros színű. Itt egy feszültségosztót látunk R1 és R2 között, amely 5 voltról táplálkozik. A vezérlőegység az R1 és R2 közötti feszültséget méri (ezt az érthetőség kedvéért voltmérő jelzi). Az R1 ellenállás felhúzó ellenállásként szolgál.
- Ha nincs töltődugó csatlakoztatva, akkor nincs feszültségosztó. Az R1 ellenállás nem vesz fel feszültséget, ezért a mért feszültség 5 volt;
- A töltődugó csatlakoztatásakor soros csatlakozás jön létre. A megadott ellenállásértékekkel a vezérlőegység 3,1 V feszültséget mér.
A töltődugó ellenállásértéke a töltőkábelen áthaladó maximális áramerősséget jelzi. Ezek az ellenállásértékek a következők:
- 100 ohm: maximum 63 A;
- 220 ohm: maximum 32A;
- 680 ohm: maximum 20 A;
- 1500 ohm: maximum 13A.
A példában az ellenállás értéke 220 ohm, ami azt jelenti, hogy ezen a töltőkábelen keresztül az áram maximum 32 A lehet. A nagyobb vagy kisebb ellenállás eltérő feszültségmegosztást és ezáltal eltérő bemeneti feszültséget biztosít a vezérlő számára.
Az észak-amerikai csatlakozók a SAE J1772 szabvány alá tartoznak. Ez az 1-es típusú töltőcsatlakozó eltér az európai verziótól:
- Egyfázisú váltakozó feszültség a háromfázisú váltakozó feszültség helyett az európai 2-es típusú csatlakozóban;
- Kézi rögzítő kampó. Az extra feszültségosztó lehetővé teszi a fokozott biztonság beépítését. Amint észleli, hogy a gombot megnyomták, a töltőrendszer azonnal kikapcsol.
Az alábbi diagram az amerikai verziót mutatja.
A reteszelő horog különösen kiterjeszti a Proximity Pilot áramkört.
- A csatlakozóban feszültségosztó található;
- Az S3 kapcsoló párhuzamos az R7 ellenállással. Nyugalmi állapotban a kapcsoló zárva van, és az R7 ellenállás áthidalva van;
- A dugó kihúzásakor a vezetőnek a reteszelőkampóval kell kihúznia a dugót a járműből. Ennek a horognak a lenyomásakor az S3 kinyílik. Az R7 ellenállás a feszültségosztó része.
ControlPilot:
A CP figyeli a töltési folyamatot a töltés megkezdésének kérésétől egészen a töltés végéig, amikor az akkumulátor teljesen feltöltődött. A CP lehetővé teszi a kommunikációt a töltőállomás EVSE vezérlője és a jármű között.
- Miután csatlakoztatta a töltőkábelt a töltőállomáshoz, az EVSE vezérlő 12 voltos feszültséget kapcsol a töltődugó Control Pilot csatlakozására.
- amint a töltőcsatlakozó csatlakoztatva van a járműhöz, a feszültség körülbelül 9 voltra esik az R3 és R4 közötti feszültségosztó miatt;
- A vezérlő az ST2-n (Schmitt trigger) keresztül méri a bejövő feszültséget.
A csatlakoztatott töltőkábellel folyó áram mennyisége pirossal van jelölve.
- A 9 volt regisztrálása után az EVSE vezérlő meghúzza a K2 relét. A 12 voltos tápegység helyett az oszcillátor szerepel az áramkörben;
- az oszcillátor -12 és +12 volt közötti négyszöghullám feszültséget állít elő;
- a dióda biztosítja, hogy a CP csatlakozás feszültsége +9 és -12 volt között változzon;
- A PWM jelben lévő munkaciklus mellett az EVSE vezérlő jelzi a maximális töltőáramot, amelyet a jármű fogyaszthat.
A PWM jel létrehozása után a járművezérlő bekapcsolja a K1 relét, amikor a jármű készen áll a töltés megkezdésére.
- A K1 relé az R5 ellenállást testre kapcsolja;
- az R4 és R5 közötti párhuzamos kapcsolat miatt a PWM jel pozitív impulzusa 6 voltra csökken;
- A 6 voltos feszültséget az EVSE vezérlő méri a töltőkészülékben, és most csatlakoztatja a tápegységet a töltőkábelhez az akkumulátor töltéséhez.
Az alábbi kép a Control Pilot jelét mutatja, amely a feszültség alakulását mutatja az idő függvényében. Ez a feszültségprofil a töltőcsatlakozó Control Pilot csatlakozásánál mérhető, miközben az csatlakoztatva van.
- A állapot: Nincs kapcsolat a járművel. Amíg nincs töltőkábel csatlakoztatva, a feszültség 12 volt marad;
- B állapot: Az elektromos jármű csatlakoztatva van. K2 relé feszültség alatt van. A feszültség 9 voltra csökken az áramkörben lévő dióda miatt;
- C állapot: K1 relé feszültség alatt van. Ez a „jel” a töltőegység számára a töltési folyamat elindításához.
A D és E állapot azt jelzi, hogy mikor van szükség a szellőztetéshez vagy a töltési folyamat befejezéséhez, mert hiba észlelhető.
Villamos hálózat:
A „töltési lehetőségek” részben az 1–4. módok láthatók. Választhat, hogy otthon tölti-e a járművet az otthoni töltőn, fali dobozon, töltőállomáson vagy az autópálya mentén található gyorstöltőn keresztül. Egyre népszerűbb az otthoni töltés a saját töltőállomáson keresztül. Az otthoni töltő egyszerűen csatlakoztatható egy konnektorhoz, de a lehető legrövidebb töltési idő elérése érdekében, nagyobb töltőárammal, az elosztódoboz beállításával saját fali doboz is csatlakoztatható. Először nézzük meg a fogalmakat: 1- és 3-fázisú váltóáram.
Egyfázisú csatlakozásnál egy „standard” elektromos kábelt látunk, három errel:
- barna: fázisvezeték;
- kék: nulla vezeték;
- sárga/zöld: földelő vezeték.
Egyfázisú töltőállomás vagy fali doboz esetén az elektromos áram két vezetéken (a fázisvezetéken és a nulla vezetéken) keresztül folyik.
Az egyfázisú fali doboz vagy töltőállomás az otthoni elektronika szabványos 1 V-os csatlakozását használja. A maximális teljesítmény 230 A, ami egy 16 fázisú töltő maximális töltési teljesítményét 1 kW-ra hozza. Egy 3,7 kW-os akkumulátorcsomag körülbelül 60 óra alatt töltődik fel ezzel a töltési kapacitással, ami viszonylag sok időt vesz igénybe. A legtöbb új elektromos autó nagyobb kapacitású.
Az otthoni elektronika elosztódobozában lehetőség van a maximális áramerősség növelésére, így több kapacitás jut egy 32 A-es 1 fázisú töltőhöz. Ebben az esetben a töltés maximum 7,4 kW teljesítménnyel végezhető. Egyfázisú töltő esetén azonban fennáll az esély arra, hogy az elosztódoboz túlterhelődik, ami áramkimaradást okoz. A töltőállomáson kívül több elektromos készülék is igénybe veszi az elektromos hálózatot, többek között mosógép, mosogatógép, főzőlap és hőszivattyú. A terheléselosztás segítségével a maximális kapacitás kihasználható:
- Napközben jó eséllyel több elektromos készüléket is használnak. A jármű töltőárama csökken;
- A legtöbb eszköz éjszaka ki van kapcsolva, így a jármű nagyobb töltési kapacitással rendelkezik.
A gyorsabb töltés érdekében lehetőség van a töltőállomás vagy fali doboz csatlakoztatására az elosztódobozhoz 3 fázisú csatlakozáson keresztül. Ennek nem feltétlenül kell az energiaáramlásnak lennie. 3 fázisú csatlakozásnál két extra vezetéket látunk:
- fekete: extra fázis vezeték;
- szürke: extra fázisú vezeték.
A 3 fázisú töltőállomáson az elektromos áram négy vezetéken (a háromfázisú vezetéken és a nulla vezetéken) folyik.
Egy töltőállomás vagy fali doboz töltési kapacitása 3 fázisú csatlakozáson nagyobb, mint 1 fázisú csatlakozásnál, ami azt jelenti, hogy a jármű gyorsabban töltődik. A jármű maximális töltőáramát soha nem lépi túl. Egyes járművek csak 3,7 kW-ig alkalmasak a töltésre. Ekkor nincs értelme 3 fázisú kapcsolatot létrehozni. A járművek 7,4 vagy 11 kW teljesítményre is alkalmasak lehetnek: érdemes az elosztódobozról növelni a teljesítményt (3 * 16 A).
Régebbi házakban gyakran látunk 1 fázisú (35 A-ig) bekötést az elosztódobozban. Mindhárom fázis jelen van, de csak egy van csatlakoztatva.
Az elosztódoboz átalakítható úgy, hogy mindhárom fázis használható legyen. Az újabb házak, ahol az elosztódoboz több elektromos fogyasztó számára van felkészítve (például napelem, indukciós főzőlap és hőszivattyú), már átadástól 3 fázisú csatlakozással is felszerelhetők. Ebben az esetben a villanyóra azt írja ki, hogy „3×220/230V vagy 3×380/400 volt”. Az elosztódoboz aljáról összesen négy vezeték – a háromfázisú vezeték és a nulla vezeték – is jön. Az elosztódoboztól függően a csoport 1x25A, 1x30A vagy 1,35A-ig védett. Minél nagyobb a megadott áramerősség, annál több áramot lehet egyszerre használni.
Az alábbi kép öt szituációt mutat be az 1-fázistól a 3-fázisú csatlakozásig az elosztódobozban, és egy- vagy 1-fázisú töltő használatát.
1 fázis: A vésztöltővel az aljzaton keresztül töltheti a járművet. Wallboxnál egy 1 fázisú csoport 16A-ig tud tölteni terheléselosztás nélkül, 32A-ig terheléselosztással. A 32A csak akkor érhető el, ha nincs más fogyasztó a házban.
7,4 kW teljesítményig egyfázisú hálózat terheléselosztással lehetséges. Ha több nagy fogyasztású elektromos készüléket használ otthon, beleértve a mosó-/szárítógépet, a mosogatógépet és a hőszivattyút, a teljesítmény csökken a túlterhelés elleni védelem érdekében. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a teljesítmény akár 1%-kal is csökkenhet. Ezért ésszerű az 50-ről 1-ra történő váltás.
3 fázis: Ha túl sok áramot kérnek egyszerre, az túlterhelést okozhat, és aktiválhatja a védelmet, ami áramkimaradást okozhat. Ezért fontos, hogy a hálózat elegendő villamos energiát tudjon szolgáltatni. 3-fázisú csatlakozással egyidejűleg több áram adható. A 3 fáziscsoport alapkivitelben 25A-ig védett.
- 11 kW: a mérőszekrény megerősítése szükséges. Elegendő az 1 fázisról 3 fázisra való állítás;
- 22 kW: az 1 fázisról 3 fázisra állítás mellett 35A-es növelés szükséges.
A 22 kW-ra és 35A-re történő beállítás magánszemélyek számára aligha érdekes. Az emelés miatt további évi 1000 eurós állandó díjat kell fizetni. Minden nehezebb lépésért (3x63A vagy 3x80A) külön díjat kell fizetni. Ráadásul sok elektromos jármű (még) nem alkalmas ilyen nagy váltóáramú töltésre:
A következő években várhatóan növekedni fog azoknak a járműveknek a száma, amelyek 22 kW-ot képesek váltakozó áramról tölteni.
