Subiecte:
- introducere
- Mufe de încărcare și conexiuni
- Echipament electronic de aprovizionare pentru vehicule (EVSE)
- Opțiuni de încărcare
- Timpi de încărcare
- Preturi de incarcat
- Comunicare între stația de încărcare și vehicul
- Pilot de proximitate
- Pilot de control
- Rețea de energie electrică
Introducere:
Bateriile vehiculelor electrice sau hibridelor plug-in pot fi încărcate cu instalații de încărcare externe. Puteți conecta mașina cu un cablu de încărcare la o stație de încărcare publică, o stație de încărcare publică sau o cutie de perete privată (pe fațada exterioară sau în garaj) pentru a încărca bateria prin rețeaua de alimentare. Există, de asemenea, adesea un încărcător mobil disponibil care vă permite să încărcați prin priza de perete, dar este recomandat să utilizați acest încărcător numai pentru situații de urgență.
Următoarea imagine arată încărcarea unei mașini electrice. Pe partea laterală a vehiculului există o clapetă care arată foarte asemănătoare cu clapeta de combustibil la o mașină cu motor cu combustie. În spatele clapei găsim mufa în care poate fi introdus mufa de încărcare.
Autocolantul din clapă indică culoarea LED-ului de lângă mufă se va aprinde într-o anumită stare.
Mufe de încărcare și conexiuni:
Fișele și conexiunile de încărcare sunt standardizate în Europa. Folosim Mennekes (tip 2) pentru încărcare AC (curent alternativ) și mufa CCS2 pentru încărcare DC (curent continuu).
Următoarea imagine arată un Mennekes tip 2 combinat cu mufe de încărcare CSS2. Această mufă face posibilă încărcarea (rapidă) cu curent continuu.
Imaginea de mai jos arată prizele folosite în alte părți ale lumii. Se face o distincție între AC și DC, varianta DC fiind adesea o extensie a conectorului AC.
Echipament electronic de aprovizionare pentru vehicule (EVSE):
Instalațiile publice de încărcare sunt întotdeauna echipate cu o interfață cu EVSE (Echipament de furnizare a vehiculelor electronice). Acest lucru asigură securitatea și comunicarea. Funcțiile EVSE includ:
- Verificarea conexiunilor: după confirmarea faptului că toate prizele sunt conectate și blocate, pornește modul de încărcare;
- Autodiagnosticare: atunci când sunt detectate erori, alimentarea de la rețea este întreruptă;
- Detectarea curentului de scurgere: alimentarea de la rețea este întreruptă în cazul oricărei forme de curent de scurgere;
- Controlul curentului: comunică cu încărcătorul de bord din mașină folosind un semnal PWM pentru a limita curentul.
Opțiuni de încărcare:
La încărcarea cu curent alternativ (AC), electricitatea din rețeaua electrică din mașină este convertită în curent continuu (DC). Dezavantajul încărcării AC este că există un risc mare de fenomene de inducție și pierderi din cauza rezistenței conductorului. O conversie de la AC la DC are loc și în mașină înainte ca energia să ajungă la baterie, ceea ce limitează curentul de încărcare.
Încărcarea cu curent continuu (DC) permite încărcarea „super” rapidă. Conversia AC/DC nu mai are loc în încărcătorul de bord, ci în afara vehiculului. Prin urmare, bateria poate fi încărcată cu o capacitate de încărcare mai mare și, prin urmare, este plină mai rapid. Acesta este ideal pentru încărcare în timpul unei pauze de cafea de-a lungul autostrăzii pentru restul călătoriei.
Modalitățile și vitezele la care poate fi încărcat un vehicul pot fi împărțite în patru moduri diferite. Modul 1, 2, 3 și 4 indică modul în care vehiculul este conectat la priza de alimentare.
- Modul 1: încărcarea are loc direct prin rețeaua electrică a unei conexiuni casnice. În vehicul, tensiunea este convertită de la AC (curent alternativ) la DC (curent continuu). Dispozitivul de încărcare oferă securitate deoarece nu există nicio limitare de curent sau feedback de la vehicul la priză. Această metodă de încărcare este rar folosită, deoarece există riscul de pericol și defecte și, prin urmare, este interzisă în multe țări.
- Modul 2: la fel ca în modul 1, se folosește priza de perete a unei conexiuni de casă, iar curentul de încărcare este limitat la 16 A cu un putere de 3,68 kW. Cu toate acestea, pentru a preveni suprasarcina, puterea prin cablurile de încărcare este de obicei limitată la 2,3 kW (aprox. 10 A). Cu modul de încărcare 2, stația de încărcare este concepută ca un încărcător mobil, care poate fi luat cu tine. În vehicul, încărcătorul de bord transformă AC în DC.
- Modul 3: încărcarea utilizează o stație de încărcare fixă sau o cutie de perete, care, la fel ca în modul 2, este conectată la rețeaua electrică a unei clădiri. Încărcătorul de modul 3 este potrivit pentru încărcare AC și pentru puteri de la 3,68 la 22 kW. Încă o dată, AC este convertit în DC în electronica de putere a vehiculului.
- Modul 4: În timp ce modurile de încărcare 1 până la 3 utilizează curent alternativ și acesta trebuie convertit în curent continuu în vehicul, cu modul 4 de încărcare, conversia de la curent alternativ la curent continuu are loc chiar în stația de încărcare. Curentul continuu este furnizat direct la acumulator. Aceasta este cunoscută sub numele de încărcare DC sau încărcare rapidă. O stație de încărcare DC pentru încărcarea în modul 4 necesită o tensiune de intrare de cel puțin 480 volți și furnizează o putere de 43 kW.
Timpi de incarcare:
Timpii de încărcare a vehiculelor hibride și electrice pot fi determinate de capacitatea bateriei să fie împărțit la suma livrată putere de la încărcător.
Puterea de încărcare disponibilă nu este determinată doar de tipul de încărcător și cablu de încărcare, ci și de puterea maximă de încărcare pentru care este potrivită electronica de putere din vehicul. Noile mașini de lux primesc din ce în ce mai mult baterii mai mari, cu o capacitate mai mare pentru o autonomie mai mare, dar pentru că capacitatea de încărcare crește, poate chiar însemna că timpul de încărcare scade. Ca exemplu, luăm un VW e-Golf (32 kWh) în comparație cu un SUV Mercedes EQS 500 (108,4 kWh). Nu toate vehiculele se pot încărca până la 100% cu DC. Încărcarea DC se oprește la 80%. Ultimele 20% merg cu o capacitate de încărcare mai mică prin AC. Acest lucru este pentru a proteja bateria HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Încărcare AC:
Cu o priză de încărcare de tip 2, acumulatorul poate fi încărcat prin AC. Puterea maximă de încărcare a încărcătorului de bord este de 3,7 kW. Când acumulatorul este încărcat de la 20% printr-o stație de încărcare (modul 3), aceasta durează aproximativ 7 ore. Explicație: 80% (încărcare) de 32 kWh = 25,6 kWh. Calculăm timpul de încărcare împărțind puterea necesară la puterea furnizată: (25,6 / 3,68) = 6,96 ore (6 ore și 58 minute).
La încărcarea prin priză (modul 2), puterea este limitată la 2,3 kW, iar timpul de încărcare este de 11,13 ore (11 ore și 8 minute).
Încărcare DC:
La încărcarea rapidă folosind curent continuu cu o putere de 44 kW, bateria este încărcată complet după 0,58 ore (35 minute).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Încărcare AC:
Cu o priză de încărcare de tip 2, acumulatorul poate fi încărcat prin AC. Puterea maximă de încărcare a încărcătorului de bord este de 11 kW. Încă o dată presupunem că vom taxa de la 20%. Puterea care va fi furnizată de dispozitivul de încărcare este de 86,72 kW. Când se încarcă prin stația de încărcare, timpul de încărcare este de 7,88 ore (7 ore și 53 de minute).
Încărcare DC:
Cu modul 4 este posibilă încărcarea până la 207 kW. Timpul de încărcare este: (86,72 / 207) = 0,42 ore (25 minute).
Preturi de incarcat:
Există mulți furnizori de carduri de încărcare. Diverse site-uri web oferă o prezentare generală a tarifelor. În această secțiune presupunem tarifele la energie care s-au aplicat în martie 2023 și nu ținem cont de taxele de abonament sau tarifele de pornire pe sesiune de încărcare, ci doar prețurile la energie.
- Țările de Jos AC 0,60 EUR/kWh
- Țările de Jos DC 0,85 EUR/kWh
- Belgia și Luxemburg 0,65 EUR/kWh
- Europa: AC 0,51 EUR/kWh
- Europa: DC 0,87 €/kWh
În exemplele VW e-Golf și Mercedes EQS, calculăm prețurile de încărcare în funcție de capacitatea de încărcare și de faptul că vom încărca dintr-o gamă de 20%.
- VW e-Golf: pe baza puterii de încărcare de 25,6 kW, costă 15,36 EUR pentru încărcare AC în Țările de Jos și 21,76 EUR pentru încărcare DC. Autonomie totală: 190 km.
- Mercedes EQS: cu o capacitate de încărcare de 86,72 kW, costă 52 EUR în Țările de Jos pentru încărcare AC și 73,70 EUR pentru încărcare DC. Raza de acțiune este de aproximativ 485 km.
Comunicarea între stația de încărcare și vehicul:
Modulul de interfață de încărcare asigură comunicarea între stația de încărcare și vehicul. Așa-numitul „Pilot de proximitate” și „Pilot de control”, abreviat ca „PP” și „CP” indică faptul că este conectat un mufa de încărcare și determină cât de mult curent de încărcare este permis. Următoarele două paragrafe explică funcționarea PP și a PC.
În imagine vedem CP și PP în mufa American Type 1 (stânga) și European Type 2 Mennekes (dreapta), ambele combinate cu mufa de încărcare DC. Ne concentrăm pe ștecherul potrivit cu CP, PP, cele trei faze (L1 la L3) cu fir neutru (N) și așa-numitul Pământ de protecție (PE).
Această secțiune folosește următoarea diagramă, care se bazează pe standardul european (IEC 62196-2). Acesta se referă la conectorul de tip 2, numit și Mennekes. În diagramă vedem (de la stânga la dreapta) următoarele componente:
- Controler EVSE: acesta este modulul care este încorporat în stația de încărcare sau wallbox;
- Fișă de încărcare: pe lângă curentul de încărcare, comunicarea are loc între controlerul EVSE și controlerul vehiculului prin PP și CP;
- Controlerul vehiculului: electronica din vehicul activează procesul de încărcare de îndată ce sunt îndeplinite mai multe condiții.
Pilot de proximitate:
Pilotul de proximitate are două funcții: înregistrarea dacă este conectat un cablu de încărcare și înregistrarea ce tip de cablu de încărcare este conectat, astfel încât să poată fi determinat curentul maxim de încărcare.
În diagrama de mai jos, circuitul PP este colorat în roșu. Aici vedem un divizor de tensiune între R1 și R2, care este alimentat de 5 volți. Unitatea de control măsoară tensiunea dintre R1 și R2 (aceasta este indicată cu un voltmetru pentru claritate). Rezistorul R1 servește ca rezistor de tragere.
- Dacă nu este conectată nicio fișă de încărcare, nu există divizor de tensiune. Rezistorul R1 nu absoarbe nicio tensiune, deci tensiunea măsurată este de 5 volți;
- Când mufa de încărcare este conectată, se creează o conexiune în serie. Cu valorile de rezistență date, unitatea de control va măsura o tensiune de 3,1 volți.
Valoarea rezistenței din mufa de încărcare indică curentul maxim prin cablul de încărcare. Aceste valori de rezistență sunt următoarele:
- 100 ohmi: maxim 63 A;
- 220 ohmi: maxim 32A;
- 680 ohmi: maxim 20 A;
- 1500 ohmi: maxim 13A.
Valoarea rezistenței din exemplu este de 220 ohmi, ceea ce înseamnă că curentul prin acest cablu de încărcare poate fi de maximum 32 A. O rezistență mai mare sau mai mică asigură o divizare diferită a tensiunii și, prin urmare, o tensiune de intrare diferită pentru controler.
Conectorii nord-americani se încadrează în standardul: SAE J1772. Această fișă de încărcare de tip 1 diferă de versiunea europeană:
- Tensiune alternativă monofazată în loc de tensiune alternativă trifazată în ștecherul european de tip 2;
- Cârlig de blocare manuală. Divizorul de tensiune suplimentară face posibilă construirea în siguranță suplimentară. De îndată ce se recunoaște că butonul a fost apăsat, sistemul de încărcare se oprește imediat.
Diagrama de mai jos prezintă versiunea SUA.
Cârligul de blocare extinde în special circuitul pilot de proximitate.
- Există un divizor de tensiune în conector;
- Comutatorul S3 este în paralel cu rezistența R7. Când este în repaus, întrerupătorul este închis și rezistența R7 este pusă în punte;
- Când scoateți ștecherul, șoferul trebuie să acționeze cârligul de blocare pentru a scoate ștecherul din vehicul. În timp ce apăsați acest cârlig, S3 se deschide. Rezistorul R7 face parte din divizorul de tensiune.
ControlPilot:
CP monitorizează procesul de încărcare de la solicitarea de a începe încărcarea până la sfârșitul încărcării, când bateria este complet încărcată. CP permite comunicarea între controlerul EVSE din instalația de încărcare și vehicul.
- După conectarea cablului de încărcare la stația de încărcare, controlerul EVSE aplică o tensiune de 12 volți la conexiunea Control Pilot a mufei de încărcare.
- de îndată ce mufa de încărcare este conectată la vehicul, tensiunea scade la aproximativ 9 volți din cauza divizorului de tensiune dintre R3 și R4;
- Controlerul măsoară tensiunea de intrare prin ST2 (declanșatorul Schmitt).
Fluxul de curent cu un cablu de încărcare conectat este marcat cu roșu.
- După înregistrarea celor 9 volți, controlerul EVSE activează releul K2. În locul sursei de alimentare de 12 volți, oscilatorul este inclus în circuit;
- oscilatorul produce o tensiune de undă pătrată de la -12 la +12 volți;
- dioda asigură schimbarea tensiunii la conexiunea CP între +9 și -12 volți;
- Cu ciclul de lucru în semnalul PWM, controlerul EVSE indică curentul maxim de încărcare pe care îl poate consuma vehiculul.
După stabilirea semnalului PWM, controlerul vehiculului pornește releul K1 când vehiculul este gata să înceapă încărcarea.
- Releul K1 comută rezistența R5 la masă;
- datorită conexiunii paralele dintre R4 și R5, pulsul pozitiv al semnalului PWM scade la 6 volți;
- Tensiunea de 6 volți este măsurată de controlerul EVSE din dispozitivul de încărcare și acum conectează sursa de alimentare la cablul de încărcare pentru a încărca bateria.
Imaginea de mai jos arată semnalul de la pilotul de control, arătând evoluția tensiunii în funcție de timp. Acest profil de tensiune poate fi măsurat la conexiunea Control Pilot a mufei de încărcare în timp ce acesta este conectat.
- Stare A: Nu există nicio conexiune cu vehiculul. Atâta timp cât nu este conectat niciun cablu de încărcare, tensiunea rămâne de 12 volți;
- Stare B: Vehiculul electric este conectat. Releul K2 este alimentat. Tensiunea scade la 9 volți din cauza diodei din circuit;
- Stare C: Releul K1 este alimentat. Acesta este „semnalul” pentru ca unitatea de încărcare să înceapă procesul de încărcare.
Starea D și E indică când este necesară o acțiune pentru ventilație sau pentru a încheia procesul de încărcare deoarece a fost detectată o eroare.
Rețea de energie electrică:
În secțiunea „Opțiuni de încărcare”, au fost afișate modurile de la 1 la 4. Puteți alege să încărcați vehiculul acasă prin încărcătorul de acasă, cutia de perete, stația de încărcare sau printr-un încărcător rapid de-a lungul autostrăzii. Încărcarea acasă, în special, prin intermediul propriei instalații de încărcare, devine din ce în ce mai populară. Un încărcător de acasă poate fi pur și simplu conectat la o priză, dar pentru a obține cel mai scurt timp posibil de încărcare cu mai mult curent de încărcare, vă puteți conecta propria cutie de perete ajustând cutia de distribuție. Mai întâi ne uităm la conceptele: curent alternativ monofazat și trifazat.
Cu o conexiune monofazată vedem un cablu electric „standard” cu trei nuclee:
- maro: fir de fază;
- albastru: fir neutru;
- galben/verde: fir de împământare.
Cu o stație de încărcare monofazată sau o cutie de perete, electricitatea circulă prin două fire (firul de fază și firul neutru).
O cutie de perete monofazată sau o stație de încărcare utilizează conexiunea standard de 1 V a electronicelor de acasă. Puterea maximă este de 230 A, ceea ce aduce puterea maximă de încărcare a unui încărcător monofazat la 16 kW. Un acumulator de 1 kW se încarcă în aproximativ 3,7 ore cu această capacitate de încărcare, care durează relativ mult timp. Majoritatea mașinilor electrice noi au o capacitate mai mare.
Este posibilă creșterea curentului maxim în cutia de distribuție a electronicelor de acasă, astfel încât să existe mai multă capacitate pentru un încărcător monofazat de 32 A. În acest caz, încărcarea se poate face cu maximum 1 kW. Cu toate acestea, cu un încărcător monofazat, există șansa ca cutia de distribuție să devină supraîncărcată, ducând la o întrerupere a curentului. Pe lângă o stație de încărcare, există mai multe aparate electrice care folosesc rețeaua electrică, inclusiv mașina de spălat, mașina de spălat vase, plita și pompa de căldură. Cu ajutorul echilibrării sarcinii, capacitatea maximă poate fi utilizată:
- În timpul zilei există șanse mari să fie folosite mai multe aparate electrice. Curentul de încărcare al vehiculului este redus;
- Majoritatea dispozitivelor sunt oprite noaptea, astfel încât vehiculul să aibă mai multă capacitate de încărcare.
Pentru a încărca mai rapid, este posibil să conectați stația de încărcare sau cutia de perete la cutia de distribuție printr-o conexiune trifazată. Acesta nu trebuie să fie neapărat flux de putere. Cu o conexiune trifazată vedem două fire suplimentare:
- negru: fir de fază suplimentară;
- gri: fir de fază suplimentară.
Cu o stație de încărcare trifazată, electricitatea circulă prin patru fire (cele trifazate și firul neutru).
Capacitatea de încărcare a unei stații de încărcare sau a unei cutii de perete pe o conexiune trifazată este mai mare decât la o conexiune monofazată, ceea ce înseamnă că vehiculul se încarcă mai repede. Curentul maxim de încărcare al vehiculului nu este niciodată depășit. Unele vehicule sunt potrivite doar pentru încărcare de până la 3 kW. Atunci nu are sens să creezi o conexiune trifazată. Vehiculele pot fi potrivite și pentru 1 sau 3,7 kW: merită să creșteți capacitatea (3 * 7,4 A) de la cutia de distribuție.
În casele mai vechi vedem adesea o conexiune monofazată (până la 1 A) în cutia de distribuție. Toate cele trei faze sunt prezente, dar numai una este conectată.
Cutia de distribuție poate fi convertită astfel încât să fie utilizate toate cele trei faze. Casele mai noi, în care cutia de distribuție este pregătită pentru mai mulți consumatori de electricitate (cum ar fi panouri solare, o plită cu inducție și o pompă de căldură), pot fi deja echipate cu o conexiune trifazată de la livrare. În acest caz, contorul de energie electrică spune „3×3/220V sau 230×3/380 volți”. Există, de asemenea, un total de patru fire - firele trifazate și firul neutru - care vin din partea de jos a cutiei de distribuție. În funcție de cutia de distribuție, grupul este protejat până la 400x1A, 25x1A sau 30A. Cu cât amperajul declarat este mai mare, cu atât mai mult curent poate fi utilizat în același timp.
Imaginea de mai jos prezintă cinci situații de la o conexiune monofazată la o conexiune trifazată în cutia de distribuție și utilizarea unui încărcător monofazat sau trifazat.
1 faza: Cu încărcătorul de urgență puteți încărca vehiculul prin priză. Cu o cutie de perete, un grup monofazat poate încărca până la 1 A fără echilibrare a sarcinii și 16 A cu echilibrare a sarcinii. 32A poate fi atins numai atunci când nu sunt activi alți consumatori în casă.
Pentru puteri de până la 7,4 kW, este posibilă o rețea monofazată cu echilibrare a sarcinii. Atunci când utilizați mai multe aparate electrice cu consum mare în casă, inclusiv mașina de spălat/uscător, mașina de spălat vase și pompa de căldură, puterea va scădea pentru a proteja împotriva supraîncărcării. În practică, aceasta înseamnă că puterea poate scădea cu până la 1%. Trecerea de la 50 la 1 faze este deci sensibilă.
3 faza: Dacă se solicită prea multă putere în același timp, aceasta poate cauza supraîncărcare și declanșarea protecției, provocând o întrerupere a curentului. Prin urmare, este important ca rețeaua să poată furniza suficientă energie electrică. Cu o conexiune trifazată, mai mult curent poate fi furnizat simultan. Cele 3 grupe de fază sunt protejate până la 3A ca standard.
- 11 kW: este necesară întărirea dulapului contorului. Ajustarea de la 1 faza la 3 faze este suficienta;
- 22 kW: pe lângă reglarea de la 1 fază la 3 faze, este necesară o creștere de 35A.
Ajustarea la 22 kW și 35A nu este deloc interesantă pentru persoane fizice. Datorită creșterii, trebuie plătite taxe permanente anuale suplimentare de 1000 EUR. Pentru fiecare treaptă mai grea (3x63A sau 3x80A) trebuie plătită o taxă suplimentară. În plus, multe vehicule electrice nu sunt (încă) potrivite pentru încărcare cu curenți alternativi atât de mari:
Este de așteptat ca în următorii ani să crească numărul de vehicule care pot încărca 22 kW pe AC.
