denekler:
- tanıtım
- Şarj fişleri ve bağlantıları
- Elektronik Araç Tedarik Ekipmanları (EVSE)
- Şarj seçenekleri
- Yükleme süreleri
- Yüklenecek fiyatlar
- Şarj istasyonu ile araç arasındaki iletişim
- Yakınlık Pilotu
- Kontrol Pilotu
- Elektrik ağı
Giriiş:
Elektrikli araçların veya plug-in hibrit araçların aküleri harici şarj olanaklarıyla şarj edilebilmektedir. Pili elektrik şebekesi üzerinden şarj etmek için aracınızı bir şarj kablosuyla halka açık bir şarj istasyonuna, genel şarj istasyonuna veya özel duvar kutusuna (dış cephede veya garajda) bağlayabilirsiniz. Ayrıca genellikle duvar prizi aracılığıyla şarj etmenize olanak tanıyan bir mobil şarj cihazı da bulunur, ancak bu şarj cihazının yalnızca acil durumlarda kullanılması önerilir.
Aşağıdaki resimde elektrikli bir arabanın şarjı gösterilmektedir. Aracın yan tarafında, içten yanmalı motorlu araçlardaki yakıt kapağına çok benzeyen bir kapak bulunmaktadır. Kapağın arkasında şarj fişinin takılabileceği fiş bağlantısını buluyoruz.
Kapaktaki etiket, belirli bir durumda fişin yanındaki LED'in hangi renkte yanacağını gösterir.
Şarj fişleri ve bağlantıları:
Şarj fişleri ve bağlantıları Avrupa'da standartlaştırılmıştır. AC şarjı (alternatif akım) için Mennekes (tip 2) ve DC şarjı (doğru akım) için CCS2 fişini kullanıyoruz.
Aşağıdaki resimde CSS2 şarj fişli birleştirilmiş Mennekes Tip 2 gösterilmektedir. Bu fiş, doğru akımla (hızlı) şarj etmeyi mümkün kılar.
Aşağıdaki resim dünyanın diğer yerlerinde kullanılan fişleri göstermektedir. AC ve DC arasında bir ayrım yapılır; DC varyantı genellikle AC konektörünün bir uzantısıdır.
Elektronik Araç Tedarik Ekipmanları (EVSE):
Kamuya açık şarj tesisleri her zaman EVSE (Elektronik Araç Tedarik Ekipmanı) ile bir arayüzle donatılmıştır. Bu, güvenliği ve iletişimi sağlar. EVSE'nin işlevleri şunları içerir:
- Bağlantıların kontrol edilmesi: tüm fişlerin bağlı ve kilitli olduğu doğrulandıktan sonra şarj modu başlar;
- Kendi kendine teşhis: hatalar tespit edildiğinde şebeke beslemesi kesilir;
- Kaçak akım tespiti: Herhangi bir kaçak akım durumunda şebeke beslemesi kesilir;
- Akım kontrolü: akımı sınırlamak için bir PWM sinyali kullanarak araçtaki yerleşik şarj cihazıyla iletişim kurar.
Yükleme seçenekleri:
Alternatif akımla (AC) şarj ederken, arabadaki elektrik şebekesinden gelen elektrik doğru akıma (DC) dönüştürülür. AC şarjının dezavantajı, yüksek indüksiyon olayı ve iletken direncinden kaynaklanan kayıp riskinin olmasıdır. Enerji aküye ulaşmadan önce arabada AC'den DC'ye dönüşüm de gerçekleşir, bu da şarj akımını sınırlar.
Doğru akım (DC) şarjı "süper" hızlı şarja olanak tanır. AC/DC dönüşümü artık yerleşik şarj cihazında değil, aracın dışında gerçekleşiyor. Bu nedenle pil daha büyük bir şarj kapasitesiyle şarj edilebilir ve dolayısıyla daha hızlı dolar. Bu, yolculuğun geri kalanı boyunca otoyolda bir kahve molası sırasında şarj etmek için idealdir.
Bir aracın yüklenebileceği yollar ve hızlar dört farklı moda ayrılabilir. Mod 1, 2, 3 ve 4, aracın güç noktasına nasıl bağlandığını gösterir.
- Mod 1: Şarj işlemi doğrudan ev bağlantısının elektrik şebekesi üzerinden gerçekleşir. Araçta voltaj AC'den (alternatif akım) DC'ye (doğru akım) dönüştürülür. Şarj cihazı, araçtan prize herhangi bir akım sınırlaması veya geri besleme olmadığından güvenlik sağlar. Bu yükleme yöntemi, tehlike ve kusur riski olduğundan nadiren kullanılır ve bu nedenle birçok ülkede yasaktır.
- Mod 2: Mod 1'de olduğu gibi ev bağlantısının duvar prizi kullanılır ve şarj akımı 16 A ile sınırlandırılır. güç 3,68 kW. Ancak aşırı yüklemeyi önlemek için şarj kablolarından geçen güç genellikle 2,3 kW (yaklaşık 10 A) ile sınırlıdır. Şarj modu 2 ile şarj istasyonu, yanınızda taşıyabileceğiniz mobil şarj cihazı olarak tasarlanmıştır. Araçta yerleşik şarj cihazı AC'yi DC'ye dönüştürür.
- Mod 3: şarj işlemi, tıpkı mod 2'de olduğu gibi bir binanın elektrik ağına bağlı olan sabit bir şarj istasyonu veya duvar kutusu kullanır. Mod 3 şarj cihazı, AC şarjı ve 3,68 ila 22 kW arasındaki güçler için uygundur. AC, aracın güç elektroniğinde bir kez daha DC'ye dönüştürülür.
- Mod 4: 1'den 3'e kadar olan şarj modları alternatif akımı kullanırken ve bunun araçta doğru akıma dönüştürülmesi gerekirken, mod 4 şarjında alternatif akımdan doğru akıma dönüşüm şarj istasyonunun kendisinde gerçekleşir. Doğru akım doğrudan akü paketine beslenir. Buna DC şarj veya hızlı şarj denir. Mod 4 şarjı için bir DC şarj istasyonu, en az 480 voltluk bir giriş voltajı gerektirir ve 43 kW'lık bir güç sağlar.
Yükleme süreleri:
Hibrit ve elektrikli araçların şarj süreleri şu şekilde belirlenebilir: pil kapasitesi teslim edilen miktara bölünecek güç şarj cihazından.
Kullanılabilir şarj gücü yalnızca şarj cihazının ve şarj kablosunun türüne göre değil aynı zamanda araçtaki güç elektroniğinin uygun olduğu maksimum şarj gücüne göre de belirlenir. Yeni lüks otomobiller giderek daha geniş menzil için daha fazla kapasiteye sahip daha büyük piller alıyor, ancak şarj kapasitesi arttığı için bu, şarj süresinin kısalması anlamına bile gelebilir. Örnek olarak VW e-Golf'ü (32 kWh) Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh) ile karşılaştırıyoruz. Tüm araçlar DC ile %100'e kadar şarj olamaz. DC şarjı %80'de durur. Geriye kalan %20'lik kısım, AC üzerinden daha düşük bir şarj kapasitesiyle gider. Bu, HV aküsünü korumak içindir.
VW e-Golf (32 kWh)
AC şarjı:
Tip 2 şarj fişiyle pil takımı AC aracılığıyla şarj edilebilir. Yerleşik şarj cihazının maksimum şarj gücü 3,7 kW'tır. Pil takımı bir şarj istasyonu (mod 20) aracılığıyla %3 oranında şarj edildiğinde bu işlem yaklaşık 7 saat sürer. Açıklama: 80 kWh'nin %32'i (şarj) = 25,6 kWh. Gerekli gücü verilen güce bölerek şarj süresini hesaplıyoruz: (25,6 / 3,68) = 6,96 saat (6 saat 58 dakika).
Soket üzerinden şarj edilirken (mod 2), güç 2,3 kW ile sınırlıdır ve şarj süresi 11,13 saattir (11 saat 8 dakika).
DC şarjı:
44 kW gücünde doğru akım kullanılarak hızlı şarj yapıldığında pil 0,58 saat (35 dakika) sonra tamamen şarj olur.
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC şarjı:
Tip 2 şarj fişiyle pil takımı AC üzerinden şarj edilebilir. Yerleşik şarj cihazının maksimum şarj gücü 11 kW'tır. Bir kez daha %20'den ücret alacağımızı varsayıyoruz. Şarj cihazının sağlayacağı güç 86,72 kW’tır. Şarj istasyonu aracılığıyla şarj edildiğinde şarj süresi 7,88 saattir (7 saat 53 dakika).
DC şarjı:
Mod 4 ile 207 kW'a kadar şarj etmek mümkündür. Şarj süresi: (86,72 / 207) = 0,42 saat (25 dakika).
Yüklenecek fiyatlar:
Birçok şarj kartı sağlayıcısı var. Çeşitli web siteleri fiyatlara ilişkin genel bakışlar sunar. Bu bölümde Mart 2023'te uygulanan enerji tarifelerini varsayıyoruz ve abonelik ücretlerini veya ücretlendirme seansı başına başlangıç ücretlerini değil, yalnızca enerji fiyatlarını hesaba katıyoruz.
- Hollanda AC 0,60 €/kWh
- Hollanda DC 0,85€/kWh
- Belçika ve Lüksemburg 0,65€/kWh
- Avrupa: AC 0,51 €/kWh
- Avrupa: DC 0,87 €/kWh
VW e-Golf ve Mercedes EQS örneklerinde şarj fiyatlarını şarj kapasitesine ve %20 aralığından şarj yapacağımız gerçeğine göre hesaplıyoruz.
- VW e-Golf: 25,6 kW'lık şarj gücüne göre, Hollanda'da AC şarjı 15,36 Euro, DC şarjı ise 21,76 Euro'dur. Toplam menzil: 190 km.
- Mercedes EQS: 86,72 kW şarj kapasitesiyle, Hollanda'da AC şarj için 52 € ve DC şarj için 73,70 € tutarındadır. Menzil yaklaşık 485 km'dir.
Şarj istasyonu ile araç arasındaki iletişim:
Şarj arayüz modülü, şarj istasyonu ile araç arasındaki iletişimi sağlar. “Yakınlık Pilotu” olarak adlandırılan ve “PP” ve “CP” olarak kısaltılan “Kontrol Pilotu”, bir şarj fişinin bağlı olduğunu belirtir ve ne kadar şarj akımına izin verildiğini belirler. Sonraki iki paragraf PP ve CP'nin işleyişini açıklamaktadır.
Resimde Amerikan Tip 1 (solda) ve Avrupa Tip 2 Mennekes fişinde (sağda) CP ve PP'yi görüyoruz; her ikisi de DC şarj fişiyle bir arada. CP, PP ile doğru fişe, nötr telli (N) üç faza (L1 ila L3) ve Koruyucu Topraklama (PE) üzerine yoğunlaşıyoruz.
Bu bölümde Avrupa standardını (IEC 62196-2) temel alan aşağıdaki şema kullanılmaktadır. Bu, Mennekes olarak da adlandırılan Tip 2 konnektörle ilgilidir. Diyagramda (soldan sağa) aşağıdaki bileşenleri görüyoruz:
- EVSE denetleyicisi: bu, şarj istasyonuna veya duvar kutusuna yerleşik modüldür;
- Şarj fişi: Şarj akımına ek olarak, EVSE denetleyicisi ile araç denetleyicisi arasında PP ve CP aracılığıyla iletişim gerçekleşir;
- Araç kumandası: Araçtaki elektronikler, çeşitli koşullar karşılanır karşılanmaz şarj işlemini etkinleştirir.
Yakınlık Pilotu:
Yakınlık pilotunun iki işlevi vardır: bir şarj kablosunun bağlı olup olmadığını kaydetmek ve maksimum şarj akımının belirlenebilmesi için hangi tür şarj kablosunun bağlı olduğunu kaydetmek.
Aşağıdaki şemada PP devresi kırmızı renktedir. Burada R1 ve R2 arasında 5 volt ile çalışan bir voltaj bölücü görüyoruz. Kontrol ünitesi R1 ve R2 arasındaki voltajı ölçer (bu, netlik sağlamak amacıyla bir voltmetreyle gösterilir). Direnç R1, çekme direnci görevi görür.
- Şarj fişi bağlı değilse voltaj bölücü yoktur. Direnç R1 herhangi bir voltajı emmez, dolayısıyla ölçülen voltaj 5 volttur;
- Şarj fişi takıldığında seri bağlantı oluşturulur. Verilen direnç değerleri ile kontrol ünitesi 3,1 voltluk bir voltajı ölçecektir.
Şarj fişindeki direnç değeri, şarj kablosundan geçen maksimum akımı gösterir. Bu direnç değerleri aşağıdaki gibidir:
- 100 ohm: maksimum 63 A;
- 220 ohm: maksimum 32A;
- 680 ohm: maksimum 20 A;
- 1500 ohm: maksimum 13A.
Örnekteki direnç değeri 220 ohm'dur, yani bu şarj kablosundan geçen akım maksimum 32 A olabilir. Daha yüksek veya daha düşük bir direnç, farklı bir voltaj bölünmesini ve dolayısıyla kontrol cihazı için farklı bir giriş voltajı sağlar.
Kuzey Amerika konektörleri şu standardın kapsamına girer: SAE J1772. Bu Tip 1 şarj fişi Avrupa versiyonundan farklıdır:
- Avrupa Tip 2 fişinde üç fazlı alternatif gerilim yerine tek fazlı alternatif gerilim;
- Manuel kilitleme kancası. Ekstra voltaj bölücü ekstra güvenlik oluşturmayı mümkün kılar. Düğmeye basıldığı algılandığı anda şarj sistemi derhal kapanır.
Aşağıdaki şema ABD versiyonunu göstermektedir.
Kilitleme kancası özellikle Proximity Pilot devresini uzatır.
- Konektörde bir voltaj bölücü vardır;
- S3 anahtarı R7 direncine paraleldir. Dinlenme halindeyken anahtar kapatılır ve R7 direnci köprülenir;
- Fişi çıkarırken sürücü, fişi araçtan çıkarmak için kilitleme kancasını kullanmalıdır. Bu kancaya basıldığında S3 açılır. Direnç R7 voltaj bölücünün bir parçasıdır.
Kontrol Pilotu:
CP, şarj işlemini başlatma talebinden pil tamamen şarj olduğunda şarjın sonuna kadar izler. CP, şarj tesisindeki EVSE kontrol cihazı ile araç arasındaki iletişimi sağlar.
- Şarj kablosunu şarj istasyonuna bağladıktan sonra EVSE denetleyicisi, şarj fişinin Kontrol Pilotu bağlantısına 12 voltluk bir voltaj uygular.
- şarj fişi araca bağlandığı anda R9 ile R3 arasındaki voltaj bölücüden dolayı voltaj yaklaşık 4 volta düşer;
- Kontrolör gelen voltajı ST2 (Schmitt tetikleyici) aracılığıyla ölçer.
Bağlı bir şarj kablosuyla akım akışı kırmızı renkle işaretlenmiştir.
- 9 voltu kaydettikten sonra EVSE kontrolörü K2 rölesine enerji verir. Devrede 12 volt güç kaynağı yerine osilatör yer alıyor;
- osilatör -12 ila +12 volt arasında bir kare dalga voltajı üretir;
- diyot, CP bağlantısındaki voltajın +9 ile -12 volt arasında değişmesini sağlar;
- EVSE kontrol cihazı, PWM sinyalindeki görev döngüsüyle aracın tüketebileceği maksimum şarj akımını gösterir.
PWM sinyalini oluşturduktan sonra araç şarj etmeye hazır olduğunda araç kontrolörü K1 rölesini açar.
- Röle K1, direnç R5'i toprağa çevirir;
- R4 ve R5 arasındaki paralel bağlantı nedeniyle PWM sinyalinin pozitif darbesi 6 volta düşer;
- 6 voltluk voltaj, şarj cihazındaki EVSE kontrol cihazı tarafından ölçülür ve artık pili şarj etmek için güç kaynağını şarj kablosuna bağlar.
Aşağıdaki resimde zamana karşı voltaj gelişimini gösteren Kontrol Pilotundan gelen sinyal gösterilmektedir. Bu voltaj profili, şarj fişi bağlıyken Kontrol Pilotu bağlantısında ölçülebilir.
- Durum A: Araçla bağlantı yok. Şarj kablosu bağlı olmadığı sürece voltaj 12 voltta kalır;
- Durum B: Elektrikli Araç bağlı. K2 rölesine enerji verilir. Devredeki diyot nedeniyle voltaj 9 volta düşer;
- Durum C: Röle K1'e enerji verilir. Bu, şarj ünitesinin şarj işlemini başlatması için verilen “sinyaldir”.
Durum D ve E, ventilasyon için bir eylemin ne zaman gerekli olduğunu veya bir hata algılandığından şarj işleminin ne zaman sonlandırılacağını belirtir.
Elektrik ağı:
“Şarj seçenekleri” bölümünde 1'den 4'e kadar modlar gösterildi. Aracı evde evdeki şarj cihazı, duvar kutusu, şarj istasyonu veya otoyoldaki hızlı şarj cihazı aracılığıyla şarj etmeyi seçebilirsiniz. Özellikle evde kendi şarj tesisiniz aracılığıyla şarj etmek giderek daha popüler hale geliyor. Bir ev şarj cihazı basitçe bir prize bağlanabilir, ancak daha fazla şarj akımıyla mümkün olan en kısa şarj süresini elde etmek için dağıtım kutusunu ayarlayarak kendi duvar kutunuzu bağlayabilirsiniz. İlk önce kavramlara bakıyoruz: 1 ve 3 fazlı alternatif akım.
1 fazlı bağlantıda üç çekirdekli “standart” bir elektrik kablosu görüyoruz:
- kahverengi: faz teli;
- mavi: nötr tel;
- sarı/yeşil: topraklama kablosu.
1 fazlı şarj istasyonunda veya duvar tipi şarj ünitesinde elektrik iki kablo (faz kablosu ve nötr kablo) üzerinden akar.
1 fazlı bir duvar kutusu veya şarj istasyonu, ev elektroniğinin standart 230 V bağlantısını kullanır. Maksimum güç 16 A olup, 1 fazlı şarj cihazının maksimum şarj gücünü 3,7 kW'a getirir. Nispeten uzun bir zaman alan bu şarj kapasitesi ile 60 kW'lık bir akü paketi yaklaşık 16 saatte şarj edilmektedir. Yeni elektrikli otomobillerin çoğu daha yüksek kapasiteye sahiptir.
Ev elektroniği dağıtım kutusundaki maksimum akımı artırmak mümkündür, böylece 32 A 1 fazlı şarj cihazı için daha fazla kapasite bulunur. Bu durumda maksimum 7,4 kW ile şarj yapılabilir. Ancak 1 fazlı şarj cihazı kullanıldığında dağıtım kutusunun aşırı yüklenmesi ve bunun sonucunda elektrik kesintisi yaşanması ihtimali vardır. Şarj istasyonunun yanı sıra çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, ocak ve ısı pompası dahil olmak üzere elektrik ağını kullanan daha fazla elektrikli cihaz bulunmaktadır. Yük dengeleme yardımıyla maksimum kapasiteden yararlanılabilir:
- Gün içerisinde birden fazla elektrikli aletin kullanılması ihtimali yüksektir. Aracın şarj akımı azalır;
- Aracın daha fazla şarj kapasitesine sahip olması için çoğu cihaz geceleri kapatılır.
Daha hızlı şarj etmek için şarj istasyonunu veya duvar kutusunu dağıtım kutusuna 3 fazlı bağlantı üzerinden bağlamak mümkündür. Bunun mutlaka güç akışı olması gerekmez. 3 fazlı bağlantıda iki ekstra kablo görüyoruz:
- siyah: ekstra faz teli;
- gri: ekstra faz teli.
3 fazlı şarj istasyonunda elektrik dört kablodan (üç fazlı kablolar ve nötr kablo) akar.
3 fazlı bağlantıdaki şarj istasyonunun veya duvar kutusunun şarj kapasitesi, 1 fazlı bağlantıya göre daha yüksektir, bu da aracın daha hızlı şarj olması anlamına gelir. Aracın maksimum şarj akımı asla aşılmaz. Bazı araçlar yalnızca 3,7 kW'a kadar şarj etmeye uygundur. O zaman 3 fazlı bir bağlantı oluşturmanın bir anlamı yok. Araçlar ayrıca 7,4 veya 11 kW'a da uygun olabilir: dağıtım kutusundan kapasiteyi (3 * 16 A) artırmak faydalı olacaktır.
Eski evlerde dağıtım kutusunda sıklıkla 1 fazlı bir bağlantı (35 A'ya kadar) görüyoruz. Üç fazın tümü mevcuttur, ancak yalnızca biri bağlıdır.
Dağıtım kutusu her üç fazın da kullanılacağı şekilde dönüştürülebilir. Dağıtım kutusunun daha fazla elektrik tüketicisi (güneş panelleri, indüksiyonlu ocak ve ısı pompası gibi) için hazırlandığı daha yeni evler, teslimattan itibaren 3 fazlı bir bağlantıyla donatılabilir. Bu durumda elektrik sayacı “3×220/230V veya 3×380/400 volt” diyor. Ayrıca dağıtım kutusunun altından gelen toplam dört kablo (üç fazlı kablolar ve nötr kablo) vardır. Dağıtım kutusuna bağlı olarak grup 1x25A, 1x30A veya 1,35A'ya kadar korunur. Belirtilen amper ne kadar büyük olursa, aynı anda o kadar fazla akım kullanılabilir.
Aşağıdaki resim dağıtım kutusundaki 1 fazlı bağlantıdan 3 fazlı bağlantıya ve 1 fazlı veya 3 fazlı şarj cihazının kullanımına kadar beş durumu göstermektedir.
1 aşama: Acil durum şarj cihazı ile aracı prizden şarj edebilirsiniz. Bir duvar kutusuyla, 1 fazlı bir grup, yük dengeleme olmadan 16A'ya ve yük dengeleme ile 32A'ya kadar şarj edebilir. 32A'ya yalnızca evde başka tüketici aktif olmadığında ulaşılabilir.
7,4 kW'a kadar olan güçler için yük dengelemeli 1 fazlı bir ağ mümkündür. Evde çamaşır makinesi/kurutucu, bulaşık makinesi ve ısı pompası dahil yüksek tüketimli birden fazla elektrikli cihaz kullanıldığında, aşırı yüke karşı koruma sağlamak için güç azalacaktır. Pratikte bu, gücün %50'ye kadar azalabileceği anlamına gelir. Bu nedenle 1 fazdan 3 faza geçiş mantıklıdır.
3 aşama: Aynı anda çok fazla güç talep edilirse bu durum aşırı yüke neden olabilir ve korumayı tetikleyerek elektrik kesintisine neden olabilir. Bu nedenle şebekenin yeterli elektriği sağlayabilmesi önemlidir. 3 fazlı bağlantı ile aynı anda daha fazla akım sağlanabilir. 3 faz grubu standart olarak 25A'e kadar korunmaktadır.
- 11 kW: sayaç dolabının güçlendirilmesi gereklidir. 1 fazdan 3 faza ayarlama yeterlidir;
- 22 kW: 1 fazdan 3 faza ayarlamaya ek olarak 35A'lik bir artış gereklidir.
22 kW ve 35A'ya ayarlama özel kişiler için pek ilgi çekici değildir. Artış nedeniyle yıllık 1000 € tutarında ek sabit ücretin ödenmesi gerekmektedir. Her ağır adım için (3x63A veya 3x80A) ek ücret ödenmesi gerekmektedir. Ayrıca pek çok elektrikli araç bu kadar yüksek alternatif akımlarla şarj edilmeye (henüz) uygun değil:
Önümüzdeki yıllarda 22 kW'ı klima ile şarj edebilen araç sayısının artması bekleniyor.
