Предметы:
- введение
- Зарядные штекеры и соединения
- Электронное оборудование для обеспечения транспортных средств (EVSE)
- Варианты зарядки
- Время загрузки
- Цены на загрузку
- Связь между зарядной станцией и автомобилем
- Близость пилота
- Пилот управления
- Электрическая сеть
Инлейдинг:
Аккумуляторы электромобилей или гибридов можно заряжать с помощью внешних зарядных устройств. Вы можете подключить автомобиль с помощью зарядного кабеля к общественной зарядной станции, общественной зарядной станции или частной настенной коробке (на внешнем фасаде или в гараже), чтобы зарядить аккумулятор через электросеть. Также часто имеется мобильное зарядное устройство, которое позволяет заряжать от сетевой розетки, но рекомендуется использовать это зарядное устройство только в экстренных случаях.
На следующем изображении показана зарядка электромобиля. Сбоку автомобиля имеется лючок, внешне очень похожий на лючок топливного бака на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. За крышкой мы находим штекерное соединение, в которое можно вставить зарядный штекер.
Наклейка на крышке указывает, каким цветом будет гореть светодиод рядом с вилкой в определенном состоянии.
Зарядные штекеры и соединения:
Зарядные вилки и соединения стандартизированы в Европе. Мы используем Mennekes (тип 2) для зарядки переменным током (переменный ток) и вилку CCS2 для зарядки постоянным током (постоянный ток).
На следующем изображении показан комбинированный Mennekes Type 2 с зарядными разъемами CSS2. Эта вилка позволяет заряжать (быстро) постоянным током.
На изображении ниже показаны вилки, используемые в других частях мира. Различают переменный и постоянный ток, причем вариант постоянного тока часто является продолжением разъема переменного тока.
Электронное оборудование для обеспечения транспортных средств (EVSE):
Общественные зарядные станции всегда оснащены интерфейсом с EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Это обеспечивает безопасность и связь. В функции EVSE входят:
- Проверка соединений: после подтверждения того, что все штекеры подключены и зафиксированы, запускается режим зарядки;
- Самодиагностика: при обнаружении ошибок прекращается подача электропитания;
- Обнаружение тока утечки: электропитание прерывается в случае любой формы тока утечки;
- Контроль тока: связывается со встроенным зарядным устройством в автомобиле с помощью сигнала ШИМ для ограничения тока.
Варианты загрузки:
При зарядке переменным током (AC) электроэнергия из электросети автомобиля преобразуется в постоянный ток (DC). Недостатком зарядки переменным током является высокий риск возникновения индукционных явлений и потерь из-за сопротивления проводника. Преобразование переменного тока в постоянный также происходит в автомобиле до того, как энергия достигнет аккумулятора, что ограничивает зарядный ток.
Зарядка постоянным током (DC) обеспечивает «супер» быструю зарядку. Преобразование переменного/постоянного тока больше не происходит во встроенном зарядном устройстве, а происходит вне автомобиля. Таким образом, аккумулятор можно заряжать с большей зарядной емкостью и, следовательно, он заполняется быстрее. Это идеальное решение для зарядки во время перерыва на кофе по шоссе на оставшуюся часть пути.
Способы и скорости загрузки транспортного средства можно разделить на четыре различных режима. Режимы 1, 2, 3 и 4 указывают, как автомобиль подключен к розетке.
- Режим 1: зарядка происходит напрямую через электросеть домашнего подключения. В автомобиле напряжение преобразуется из переменного тока (переменного тока) в постоянный ток (постоянный ток). Зарядное устройство обеспечивает безопасность, поскольку отсутствует ограничение тока или обратная связь от автомобиля к розетке. Этот способ погрузки используется редко, поскольку существует риск опасности и дефектов, и поэтому запрещен во многих странах.
- Режим 2: как и в режиме 1, используется розетка домашнего подключения, а зарядный ток ограничивается до 16 А с мощность мощностью 3,68 кВт. Однако во избежание перегрузки мощность зарядных кабелей обычно ограничивается до 2,3 кВт (около 10 А). В режиме зарядки 2 зарядная станция выполнена в виде мобильного зарядного устройства, которое можно брать с собой. В автомобиле бортовое зарядное устройство преобразует переменный ток в постоянный.
- Режим 3: для зарядки используется стационарная зарядная станция или настенная коробка, которая, как и в режиме 2, подключена к электросети здания. Зарядное устройство режима 3 подходит для зарядки переменным током и мощностью от 3,68 до 22 кВт. И снова переменный ток преобразуется в постоянный в силовой электронике автомобиля.
- Режим 4: В режимах зарядки 1–3 используется переменный ток, который необходимо преобразовать в постоянный ток в автомобиле, а в режиме зарядки 4 преобразование переменного тока в постоянный происходит на самой зарядной станции. Постоянный ток подается непосредственно на аккумуляторную батарею. Это известно как зарядка постоянным током или быстрая зарядка. Зарядная станция постоянного тока для зарядки в режиме 4 требует входного напряжения не менее 480 В и обеспечивает мощность 43 кВт.
Время загрузки:
Время зарядки гибридных и электромобилей можно определить по емкость аккумулятора разделить на поставленную сумму мощность Ван де Ладер.
Доступная мощность зарядки определяется не только типом зарядного устройства и зарядного кабеля, но и максимальной мощностью зарядки, на которую рассчитана силовая электроника автомобиля. Новые роскошные автомобили все чаще получают аккумуляторы большего размера с большей емкостью для большего запаса хода, но поскольку емкость зарядки увеличивается, это может даже означать, что время зарядки сокращается. В качестве примера возьмем VW e-Golf (32 кВтч) в сравнении с Mercedes EQS SUV 500 (108,4 кВтч). Не все автомобили могут заряжаться до 100% от постоянного тока. Зарядка постоянным током прекращается на уровне 80%. Последние 20% имеют меньшую емкость зарядки через переменный ток. Это необходимо для защиты высоковольтной аккумуляторной батареи.
VW e-Golf (32 кВтч)
Зарядка переменного тока:
С помощью зарядного штекера типа 2 аккумулятор можно заряжать от сети переменного тока. Максимальная мощность зарядки бортового зарядного устройства составляет 3,7 кВт. При зарядке аккумуляторной батареи с 20% через зарядную станцию (режим 3) это занимает около 7 часов. Пояснение: 80% (зарядка) от 32 кВтч = 25,6 кВтч. Время зарядки рассчитываем путем деления необходимой мощности на отдаваемую: (25,6/3,68) = 6,96 часа (6 часов 58 минут).
При зарядке через розетку (режим 2) мощность ограничивается 2,3 кВт, а время зарядки составляет 11,13 часов (11 часов 8 минут).
Зарядка постоянным током:
При быстрой зарядке постоянным током мощностью 44 кВт аккумулятор полностью заряжается за 0,58 часа (35 минут).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 кВтч)
Зарядка переменного тока:
С помощью зарядного штекера типа 2 аккумулятор можно заряжать от сети переменного тока. Максимальная мощность зарядки бортового зарядного устройства составляет 11 кВт. Еще раз предполагаем, что будем начислять от 20%. Мощность, вырабатываемая зарядным устройством, составляет 86,72 кВт. При зарядке через зарядную станцию время зарядки составляет 7,88 часа (7 часов 53 минуты).
Зарядка постоянным током:
В режиме 4 можно заряжать до 207 кВт. Время зарядки составляет: (86,72/207) = 0,42 часа (25 минут).
Цены на загрузку:
Существует множество поставщиков платежных карт. Различные веб-сайты предлагают обзоры тарифов. В этом разделе мы принимаем тарифы на электроэнергию, действовавшие в марте 2023 года, и не учитываем абонентскую плату или начальные тарифы за сеанс зарядки, а только цены на электроэнергию.
- Нидерланды AC 0,60 евро/кВтч
- Нидерланды, постоянный ток, 0,85 евро/кВтч
- Бельгия и Люксембург 0,65 евро/кВтч
- Европа: переменный ток 0,51 евро/кВтч.
- Европа: постоянный ток 0,87 евро/кВтч
В примерах VW e-Golf и Mercedes EQS мы рассчитываем стоимость зарядки на основе емкости зарядки и того факта, что мы начинаем взимать плату с диапазона 20%.
- VW e-Golf: при зарядной мощности 25,6 кВт стоимость зарядки переменного тока в Нидерландах составляет 15,36 евро, а зарядка постоянным током — 21,76 евро. Общий запас хода: 190 км.
- Mercedes EQS: зарядная мощность 86,72 кВт стоит в Нидерландах 52 евро за зарядку переменным током и 73,70 евро за зарядку постоянным током. Запас хода составляет около 485 км.
Связь между зарядной станцией и автомобилем:
Модуль интерфейса зарядки обеспечивает связь между зарядной станцией и автомобилем. Так называемые «Пилот приближения» и «Пилот управления», сокращенно «PP» и «CP», указывают, что зарядная вилка подключена, и определяют, какой допустимый зарядный ток. Следующие два параграфа объясняют работу PP и CP.
На изображении мы видим CP и PP в американской вилке Mennekes типа 1 (слева) и европейской вилке Mennekes типа 2 (справа), оба в сочетании со вилкой для зарядки постоянного тока. Сосредотачиваемся на правой вилке с CP, PP, тремя фазами (L1–L3) с нейтральным проводом (N) и так называемым защитным заземлением (PE).
В этом разделе используется следующая схема, основанная на европейском стандарте (IEC 62196-2). Речь идет о разъеме Типа 2, также называемом Меннекес. На схеме мы видим (слева направо) следующие компоненты:
- Контроллер EVSE: это модуль, встроенный в зарядную станцию или настенную коробку;
- Зарядный штекер: помимо зарядного тока между контроллером EVSE и контроллером автомобиля осуществляется связь через PP и CP;
- Контроллер автомобиля: электроника автомобиля активирует процесс зарядки, как только выполняются несколько условий.
Близкий пилот:
Бесконтактный пилот выполняет две функции: регистрирует, подключен ли зарядный кабель, и регистрирует, какой тип зарядного кабеля подключен, чтобы можно было определить максимальный зарядный ток.
На схеме ниже схема РР окрашена в красный цвет. Здесь мы видим делитель напряжения между R1 и R2, на который подается напряжение 5 Вольт. Блок управления измеряет напряжение между R1 и R2 (для наглядности это указывается вольтметром). Резистор R1 служит подтягивающим резистором.
- Если зарядная вилка не подключена, делитель напряжения отсутствует. Резистор R1 не поглощает никакого напряжения, поэтому измеренное напряжение составляет 5 вольт;
- При подключении зарядного штекера создается последовательное соединение. При заданных значениях сопротивления блок управления измерит напряжение 3,1 вольта.
Значение сопротивления вилки для зарядки указывает максимальный ток через зарядный кабель. Эти значения сопротивления следующие:
- 100 Ом: максимум 63 А;
- 220 Ом: максимум 32 А;
- 680 Ом: максимум 20 А;
- 1500 Ом: максимум 13А.
Значение сопротивления в примере составляет 220 Ом, а это значит, что ток через этот зарядный кабель может составлять максимум 32 А. Более высокое или низкое сопротивление обеспечивает другое деление напряжения и, следовательно, другое входное напряжение для контроллера.
Разъемы для Северной Америки соответствуют стандарту SAE J1772. Эта зарядная вилка типа 1 отличается от европейской версии:
- Однофазное переменное напряжение вместо трехфазного переменного напряжения в европейской вилке типа 2;
- Ручной запорный крюк. Дополнительный делитель напряжения позволяет обеспечить дополнительную безопасность. Как только будет обнаружено, что кнопка была нажата, система зарядки немедленно выключится.
На диаграмме ниже показана версия для США.
Запирающий крюк, в частности, расширяет схему бесконтактного пилота.
- В разъеме имеется делитель напряжения;
- Переключатель S3 включен параллельно резистору R7. В состоянии покоя переключатель замкнут и сопротивление R7 замкнуто;
- При снятии вилки водитель должен использовать запирающий крюк, чтобы вытащить вилку из автомобиля. При нажатии на этот крючок открывается S3. Резистор R7 входит в состав делителя напряжения.
Контрольный пилот:
ЦП контролирует процесс зарядки от запроса на начало зарядки до момента окончания зарядки, когда аккумулятор полностью заряжен. CP обеспечивает связь между контроллером EVSE на зарядной станции и транспортным средством.
- После подключения зарядного кабеля к зарядной станции контроллер EVSE подает напряжение 12 В на разъем Control Pilot зарядной вилки.
- как только зарядная вилка подключается к автомобилю, напряжение падает примерно до 9 Вольт за счет делителя напряжения между R3 и R4;
- Контроллер измеряет входящее напряжение через ST2 (триггер Шмитта).
Ток, протекающий при подключенном зарядном кабеле, отмечен красным.
- После регистрации 9 В контроллер EVSE подает питание на реле К2. Вместо источника питания 12 В в схему включен генератор;
- генератор выдает прямоугольное напряжение от -12 до +12 вольт;
- диод обеспечивает изменение напряжения на соединении КП в пределах от +9 до -12 вольт;
- С помощью рабочего цикла ШИМ-сигнала контроллер EVSE указывает максимальный зарядный ток, который может потреблять автомобиль.
После установления сигнала ШИМ контроллер автомобиля включает реле К1, когда автомобиль готов начать зарядку.
- Реле К1 замыкает резистор R5 на массу;
- за счет параллельного соединения R4 и R5 положительный импульс сигнала ШИМ падает до 6 Вольт;
- Напряжение 6 Вольт измеряется контроллером EVSE в зарядном устройстве и теперь подключает источник питания к зарядному кабелю для зарядки аккумулятора.
На изображении ниже показан сигнал от управляющего пилота, показывающий изменение напряжения в зависимости от времени. Этот профиль напряжения можно измерить на разъеме Control Pilot зарядной вилки, когда она подключена.
- Статус А: Нет связи с автомобилем. Пока кабель для зарядки не подключен, напряжение остается 12 Вольт;
- Статус B: Электромобиль подключен. Реле К2 находится под напряжением. Напряжение падает до 9 вольт из-за диода в схеме;
- Состояние C: Реле K1 включено. Это «сигнал» для зарядного устройства о начале процесса зарядки.
Статусы D и E указывают, когда требуется действие по вентиляции или завершение процесса зарядки из-за обнаружения ошибки.
Электрическая сеть:
В разделе «варианты зарядки» были показаны режимы с 1 по 4. Вы можете заряжать автомобиль дома через домашнее зарядное устройство, настенную коробку, зарядную станцию или через быстрое зарядное устройство, расположенное на шоссе. Зарядка дома с помощью собственного зарядного устройства становится все более популярной. Домашнее зарядное устройство можно просто подключить к розетке, но чтобы добиться максимально короткого времени зарядки при большем зарядном токе, вы можете подключить собственную настенную коробку, отрегулировав распределительную коробку. Сначала рассмотрим понятия: 1- и 3-фазный переменный ток.
При 1-фазном подключении мы видим «стандартный» электрический кабель с тремя жилами:
- коричневый: фазный провод;
- синий: нейтральный провод;
- желтый/зеленый: провод заземления.
В однофазной зарядной станции или настенной коробке электричество протекает по двум проводам (фазному и нейтральному).
1-фазная настенная коробка или зарядная станция используют стандартное подключение бытовой электроники на 230 В. Максимальная мощность составляет 16 А, что доводит максимальную мощность зарядки 1-фазного зарядного устройства до 3,7 кВт. При такой емкости аккумуляторная батарея мощностью 60 кВт заряжается примерно за 16 часов, что занимает относительно много времени. Большинство новых электромобилей имеют более высокую мощность.
Можно увеличить максимальный ток в распределительной коробке бытовой электроники, чтобы была больше емкость для 32-фазного зарядного устройства на 1 А. В этом случае зарядка может производиться максимум на 7,4 кВт. Однако при использовании однофазного зарядного устройства существует вероятность перегрузки распределительной коробки, что приведет к сбою электропитания. Помимо зарядной станции, есть и другие электроприборы, использующие электрическую сеть, в том числе стиральная машина, посудомоечная машина, плита и тепловой насос. С помощью балансировки нагрузки можно использовать максимальную мощность:
- В течение дня велика вероятность использования нескольких электроприборов. Снижается зарядный ток автомобиля;
- Большинство устройств выключаются на ночь, чтобы у автомобиля было больше возможностей зарядки.
Для более быстрой зарядки можно подключить зарядную станцию или настенную коробку к распределительной коробке через трехфазное соединение. Это не обязательно должен быть поток энергии. При 3-фазном подключении мы видим два дополнительных провода:
- черный: дополнительный фазный провод;
- серый: дополнительный фазовый провод.
На трехфазной зарядной станции электричество проходит по четырем проводам (трехфазным проводам и нейтральному проводу).
Зарядная мощность зарядной станции или настенной коробки при трехфазном подключении выше, чем при однофазном подключении, а это означает, что автомобиль заряжается быстрее. Максимальный зарядный ток автомобиля никогда не превышается. Некоторые автомобили подходят для зарядки только мощностью до 3 кВт. Тогда нет смысла создавать 1-фазное подключение. Автомобили также могут подойти на 3,7 или 3 кВт: стоит увеличить мощность (7,4*11 А) от распределительной коробки.
В старых домах мы часто видим в распределительной коробке однофазное подключение (до 1 А). Все три фазы присутствуют, но подключена только одна.
Распределительную коробку можно переоборудовать для использования всех трех фаз. Новые дома, в которых распределительная коробка подготовлена для большего количества потребителей электроэнергии (таких как солнечные панели, индукционная плита и тепловой насос), уже с момента поставки могут быть оснащены трехфазным подключением. В этом случае на счетчике электроэнергии будет написано «3×3/220 В или 230×3/380 В». Также имеется четыре провода – трехфазный и нейтральный – идущие от нижней части распределительной коробки. В зависимости от распределительной коробки группа имеет защиту до 400х1А, 25х1А или 30А. Чем больше заявленная сила тока, тем больший ток можно использовать одновременно.
На рисунке ниже показаны пять ситуаций от 1-фазного до 3-фазного подключения в распределительной коробке и использования 1-фазного или 3-фазного зарядного устройства.
1 фаза: С помощью аварийного зарядного устройства вы можете заряжать автомобиль через розетку. С настенной коробкой однофазная группа может заряжать ток до 1 А без балансировки нагрузки и до 16 А с балансировкой нагрузки. Значение 32А может быть достигнуто только в том случае, если в доме нет активных потребителей.
Для мощностей до 7,4 кВт возможна 1-фазная сеть с балансировкой нагрузки. При использовании дома нескольких электроприборов с высоким потреблением, включая стиральную/сушильную машину, посудомоечную машину и тепловой насос, мощность снижается для защиты от перегрузки. На практике это означает, что мощность может снизиться на целых 50%. Поэтому переключение с 1 на 3 фазы является разумным.
3 фаза: Если одновременно запрашивается слишком большая мощность, это может вызвать перегрузку и срабатывание защиты, вызывающее отключение электроэнергии. Поэтому важно, чтобы сеть могла поставлять достаточное количество электроэнергии. При трехфазном подключении можно одновременно подавать больший ток. В стандартной комплектации 3-фазные группы защищены до 3 А.
- 11 кВт: необходимо усиление шкафа учета. Достаточно перестройки с 1 фазы на 3 фазу;
- 22 кВт: помимо перестройки с 1 фазы на 3 фазу требуется увеличение на 35А.
Настройка на 22 кВт и 35А вряд ли интересна частным лицам. В связи с увеличением необходимо платить дополнительные ежегодные постоянные сборы в размере 1000 евро. За каждую более тяжелую ступень (3х63А или 3х80А) взимается дополнительная плата. Кроме того, многие электромобили (пока) не приспособлены для зарядки такими высокими переменными токами:
Ожидается, что в ближайшие годы количество автомобилей, способных заряжать 22 кВт от сети переменного тока, увеличится.
