Предмети:
- Вступ
- Зарядні штекери та з’єднання
- Електронне обладнання для транспортних засобів (EVSE)
- Варіанти зарядки
- Час завантаження
- Ціни для завантаження
- Зв'язок між зарядною станцією та транспортним засобом
- Близький пілот
- Пілот управління
- Електрична мережа
Вступ:
Акумулятори електромобілів і гібридів можна заряджати за допомогою зовнішніх зарядних пристроїв. Ви можете підключити автомобіль за допомогою зарядного кабелю до громадської зарядної станції, громадської зарядної станції або власного настінного боксу (на зовнішньому фасаді або в гаражі), щоб зарядити акумулятор через електромережу. Також часто доступний мобільний зарядний пристрій, який дозволяє заряджати через розетку, але цей зарядний пристрій рекомендується використовувати лише в екстрених випадках.
На наступному зображенні показана зарядка електромобіля. Збоку автомобіля є кришка, яка дуже схожа на кришку паливного бака на автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння. За кришкою ми знаходимо штекерне з’єднання, до якого можна вставити зарядний штекер.
Наклейка на кришці вказує, яким кольором буде світитися світлодіод біля штекера в певному стані.
Зарядні штекери та з’єднання:
Зарядні штекери та з’єднання стандартизовані в Європі. Ми використовуємо роз’єм Mennekes (тип 2) для заряджання змінним струмом (змінний струм) і штекер CCS2 для заряджання постійним струмом (постійний струм).
На наступному зображенні показано комбінований зарядний пристрій Mennekes Type 2 із зарядними штекерами CSS2. Ця вилка дає можливість заряджати (швидко) постійним струмом.
На зображенні нижче показано розетки, які використовуються в інших частинах світу. Розрізняють змінний і постійний струм, причому варіант постійного струму часто є розширенням роз’єму змінного струму.
Електронне обладнання для транспортних засобів (EVSE):
Громадські зарядні станції завжди оснащені інтерфейсом з EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Це забезпечує безпеку та зв'язок. Функції EVSE включають:
- Перевірка підключень: після підтвердження того, що всі штекери підключені та заблоковані, починається режим заряджання;
- Самодіагностика: при виявленні помилок припиняється подача електромережі;
- Виявлення струму витоку: мережеве живлення припиняється у разі будь-якої форми струму витоку;
- Контроль струму: зв'язується з бортовим зарядним пристроєм в автомобілі за допомогою сигналу ШІМ для обмеження струму.
Варіанти завантаження:
Під час заряджання змінним струмом (AC) електроенергія з електромережі автомобіля перетворюється на постійний струм (DC). Недоліком заряджання змінним струмом є високий ризик виникнення індукційних явищ і втрат через опір провідника. Перетворення змінного струму на постійний також відбувається в автомобілі до того, як енергія досягне акумулятора, що обмежує зарядний струм.
Зарядка постійним струмом (DC) забезпечує «надшвидку» зарядку. Перетворення змінного/постійного струму більше не відбувається у бортовому зарядному пристрої, а поза транспортним засобом. Таким чином, акумулятор можна заряджати з більшою ємністю, а тому заряджати швидше. Це ідеальний варіант для заряджання під час перерви на каву вздовж шосе на решту подорожі.
Шляхи та швидкості, з якими можна завантажувати автомобіль, можна розділити на чотири різні режими. Режими 1, 2, 3 і 4 вказують на те, як транспортний засіб підключено до точки живлення.
- Режим 1: зарядка відбувається безпосередньо через електричну мережу домашнього підключення. У транспортному засобі напруга перетворюється зі змінного струму (змінного струму) на постійний (постійний). Зарядний пристрій забезпечує безпеку, оскільки немає обмеження струму або зворотного зв’язку від автомобіля до розетки. Цей спосіб завантаження використовується рідко, оскільки існує ризик небезпеки та дефектів, і тому заборонений у багатьох країнах.
- Режим 2: як і в режимі 1, використовується настінна розетка домашнього підключення, а зарядний струм обмежений 16 А з потужність 3,68 кВт. Однак, щоб запобігти перевантаженню, потужність через зарядні кабелі зазвичай обмежується 2,3 кВт (приблизно 10 А). У режимі зарядки 2 зарядна станція виконана як мобільний зарядний пристрій, який можна брати з собою. У транспортному засобі бортовий зарядний пристрій перетворює змінний струм на постійний.
- Режим 3: для заряджання використовується фіксована зарядна станція або настінна коробка, яка, як і в режимі 2, підключена до електричної мережі будівлі. Зарядний пристрій режиму 3 підходить для заряджання змінним струмом і для потужностей від 3,68 до 22 кВт. Знову змінний струм перетворюється на постійний струм силовою електронікою автомобіля.
- Режим 4: у той час як режими заряджання від 1 до 3 використовують змінний струм, який потрібно перетворити на постійний струм у транспортному засобі, під час заряджання в режимі 4 перетворення зі змінного струму на постійний відбувається на самій зарядній станції. Постійний струм подається безпосередньо до акумуляторної батареї. Це відоме як зарядка постійним струмом або швидка зарядка. Зарядна станція постійного струму для заряджання в режимі 4 вимагає вхідної напруги щонайменше 480 вольт і забезпечує потужність 43 кВт.
Час завантаження:
Час заряджання гібридних та електричних транспортних засобів можна визначити за допомогою ємність акумулятора розділити на поставлену суму потужність від зарядного пристрою.
Доступна потужність заряджання визначається не лише типом зарядного пристрою та зарядного кабелю, але й максимальною потужністю заряджання, для якої підходить силова електроніка автомобіля. Нові розкішні автомобілі все частіше отримують більші батареї з більшою ємністю для більшого діапазону, але оскільки ємність заряджання збільшується, це може навіть означати, що час заряджання зменшується. Як приклад ми беремо VW e-Golf (32 кВт-год) у порівнянні з Mercedes EQS SUV 500 (108,4 кВт-год). Не всі транспортні засоби можуть заряджати до 100% за допомогою постійного струму. Заряджання постійним струмом припиняється на 80%. Останні 20% йдуть із меншою ємністю заряджання через змінний струм. Це для захисту високовольтної батареї.
VW e-Golf (32 кВт/год)
Заряджання змінним струмом:
За допомогою зарядного штекера типу 2 акумуляторну батарею можна заряджати через мережу змінного струму. Максимальна зарядна потужність бортового зарядного пристрою становить 3,7 кВт. Коли акумуляторний блок заряджається на 20% через зарядну станцію (режим 3), це займає приблизно 7 годин. Пояснення: 80% (зарядка) від 32 кВт/год = 25,6 кВт/год. Ми розраховуємо час зарядки, розділивши необхідну потужність на віддану потужність: (25,6 / 3,68) = 6,96 години (6 годин 58 хвилин).
При зарядці через розетку (режим 2) потужність обмежена 2,3 кВт, а час зарядки становить 11,13 години (11 годин 8 хвилин).
Заряджання постійним струмом:
При швидкій зарядці постійним струмом потужністю 44 кВт акумулятор повністю заряджається через 0,58 години (35 хвилин).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 кВт*год)
Заряджання змінним струмом:
За допомогою зарядного штекера типу 2 акумуляторну батарею можна заряджати через мережу змінного струму. Максимальна зарядна потужність бортового зарядного пристрою становить 11 кВт. Ще раз припускаємо, що будемо брати від 20%. Потужність зарядного пристрою становить 86,72 кВт. При зарядці через зарядну станцію час зарядки становить 7,88 години (7 годин 53 хвилини).
Заряджання постійним струмом:
У режимі 4 можна заряджати до 207 кВт. Час заряджання: (86,72 / 207) = 0,42 години (25 хвилин).
Ціни для завантаження:
Існує багато постачальників платіжних карток. Різні веб-сайти пропонують огляд тарифів. У цьому розділі ми припускаємо тарифи на електроенергію, які діяли в березні 2023 року, і не враховуємо абонентську плату чи початкові тарифи за сеанс заряджання, а лише ціни на енергію.
- Нідерланди AC 0,60 євро/кВт-год
- Нідерланди DC 0,85 євро/кВт-год
- Бельгія та Люксембург 0,65 євро/кВт-год
- Європа: AC 0,51 євро/кВт-год
- Європа: DC 0,87 євро/кВт-год
У прикладах VW e-Golf і Mercedes EQS ми розраховуємо ціни зарядки на основі зарядної ємності та того факту, що ми будемо заряджати з діапазону 20%.
- VW e-Golf: виходячи з потужності зарядки 25,6 кВт, він коштує 15,36 євро за зарядку змінним струмом у Нідерландах і 21,76 євро за зарядку постійним струмом. Загальний запас ходу: 190 км.
- Mercedes EQS: із потужністю заряджання 86,72 кВт, він коштує 52 євро в Нідерландах для зарядки змінним струмом і 73,70 євро для зарядки постійного струму. Запас ходу становить близько 485 км.
Зв'язок між зарядною станцією та транспортним засобом:
Модуль інтерфейсу зарядки забезпечує зв’язок між зарядною станцією та автомобілем. Так званий «Proximity Pilot» і «Control Pilot», скорочено «PP» і «CP», вказують на те, що зарядний штекер підключено, і визначають допустимий зарядний струм. Наступні два абзаци пояснюють роботу ПП і КП.
На зображенні ми бачимо CP і PP в американському типі 1 (ліворуч) і європейському типі 2 штепселя Mennekes (праворуч), обидва поєднані з зарядним штекером постійного струму. Ми зосереджуємося на правій вилці з CP, PP, трьома фазами (L1-L3) з нейтральним проводом (N) і так званим захисним заземленням (PE).
У цьому розділі використовується наступна діаграма, яка базується на європейському стандарті (IEC 62196-2). Це стосується роз’єму типу 2, який також називають Mennekes. На схемі ми бачимо (зліва направо) наступні компоненти:
- Контролер EVSE: це модуль, який вбудовано в зарядну станцію або настінну коробку;
- Вилка зарядки: крім зарядного струму, зв’язок між контролером EVSE та контролером транспортного засобу здійснюється через PP та CP;
- Автомобільний контролер: електроніка в автомобілі активує процес заряджання, щойно виконується кілька умов.
Близький пілот:
Проксимітор має дві функції: реєструє, чи підключено зарядний кабель, і реєструє, який тип зарядного кабелю підключено, щоб можна було визначити максимальний зарядний струм.
На діаграмі нижче схема РР пофарбована в червоний колір. Тут ми бачимо дільник напруги між R1 і R2, який живиться від 5 вольт. Блок керування вимірює напругу між R1 і R2 (для наочності це позначається вольтметром). Резистор R1 служить підтягуючим резистором.
- Якщо зарядний штекер не підключено, дільник напруги відсутній. Резистор R1 не поглинає напруги, тому виміряна напруга становить 5 вольт;
- Коли зарядний штекер підключено, створюється послідовне з’єднання. При заданих значеннях опору блок управління буде вимірювати напругу 3,1 вольт.
Значення опору зарядного штекера вказує на максимальний струм через зарядний кабель. Ці значення опору наступні:
- 100 Ом: максимум 63 А;
- 220 Ом: максимум 32 А;
- 680 Ом: максимум 20 А;
- 1500 Ом: максимум 13А.
Значення опору в прикладі становить 220 Ом, що означає, що струм через цей зарядний кабель може бути максимум 32 А. Більший або нижчий опір забезпечує різний розподіл напруги і, отже, іншу вхідну напругу для контролера.
Північноамериканські роз’єми підпадають під стандарт: SAE J1772. Цей зарядний штекер типу 1 відрізняється від європейської версії:
- Однофазна змінна напруга замість трифазної змінної напруги в європейській вилці типу 2;
- Гачок з ручним замиканням. Додатковий дільник напруги дає можливість створити додаткову безпеку. Як тільки буде розпізнано натискання кнопки, система зарядки негайно вимкнеться.
На діаграмі нижче показано версію для США.
Фіксуючий гак, зокрема, розширює контур Proximity Pilot.
- У роз'ємі є дільник напруги;
- Перемикач S3 включений паралельно резистору R7. У стані спокою вимикач замкнутий, а опір R7 перемикається;
- Виймаючи пробку, водій повинен скористатись фіксуючим гаком, щоб витягти пробку з автомобіля. При натисканні на цей гачок S3 відкривається. Резистор R7 є частиною дільника напруги.
ControlPilot:
CP контролює процес заряджання від запиту на початок заряджання до кінця заряджання, коли батарея повністю заряджена. CP забезпечує зв’язок між контролером EVSE на зарядному пристрої та транспортним засобом.
- Після підключення зарядного кабелю до зарядної станції контролер EVSE подає напругу 12 вольт на з’єднання Control Pilot зарядного штекера.
- як тільки зарядний штекер під’єднується до автомобіля, напруга падає приблизно до 9 вольт через дільник напруги між R3 і R4;
- Контролер вимірює вхідну напругу через ST2 (тригер Шмітта).
Потік струму з підключеним зарядним кабелем позначено червоним кольором.
- Після реєстрації 9 вольт контролер EVSE активує реле K2. Замість джерела живлення 12 вольт в схему включений генератор;
- генератор створює прямокутну напругу від -12 до +12 вольт;
- діод забезпечує зміну напруги на з'єднанні СР від +9 до -12 вольт;
- За допомогою робочого циклу в сигналі ШІМ контролер EVSE вказує максимальний зарядний струм, який може споживати автомобіль.
Після встановлення ШІМ-сигналу контролер транспортного засобу вмикає реле K1, коли автомобіль готовий почати зарядку.
- Реле К1 перемикає резистор R5 на землю;
- за рахунок паралельного з'єднання R4 і R5 позитивний імпульс ШІМ-сигналу падає до 6 вольт;
- Напруга 6 вольт вимірюється контролером EVSE в зарядному пристрої та тепер підключає джерело живлення до зарядного кабелю для заряджання акумулятора.
На зображенні нижче показано сигнал від Control Pilot, що показує зміну напруги в залежності від часу. Цей профіль напруги можна виміряти на з’єднанні Control Pilot зарядного штекера, коли він підключений.
- Статус A: Немає зв’язку з транспортним засобом. Поки зарядний кабель не підключений, напруга залишається 12 вольт;
- Статус B: Електромобіль підключено. Реле К2 знаходиться під напругою. Напруга падає до 9 вольт за рахунок діода в ланцюзі;
- Статус C: реле K1 увімкнено. Це «сигнал» для зарядного пристрою про початок процесу заряджання.
Статуси D і E вказують, коли потрібна дія для вентиляції або завершення процесу заряджання через виявлення помилки.
Електрична мережа:
У розділі «параметри зарядки» були показані режими з 1 по 4. Ви можете вибрати зарядку автомобіля вдома за допомогою домашнього зарядного пристрою, Wallbox, зарядної станції або за допомогою швидкого зарядного пристрою на шосе. Зокрема, заряджання вдома за допомогою власного зарядного пристрою стає все більш популярним. Домашній зарядний пристрій можна просто підключити до розетки, але щоб досягти найкоротшого можливого часу заряджання з більшим зарядним струмом, ви можете підключити власну настінну коробку, відрегулювавши розподільну коробку. Спочатку ми розглянемо поняття: 1- та 3-фазний змінний струм.
При однофазному підключенні ми бачимо «стандартний» електрокабель з трьома жилами:
- коричневий: фазний провід;
- синій: нульовий провід;
- жовтий/зелений: дріт заземлення.
За допомогою 1-фазної зарядної станції або настінної коробки електрика проходить через два дроти (фазний та нульовий).
1-фазна настінна коробка або зарядна станція використовує стандартне підключення домашньої електроніки 230 В. Максимальна потужність становить 16 А, що доводить максимальну зарядну потужність 1-фазного зарядного пристрою до 3,7 кВт. Акумуляторна батарея потужністю 60 кВт заряджається приблизно за 16 годин із такою зарядною ємністю, що займає відносно багато часу. Більшість нових електромобілів мають більшу потужність.
Є можливість збільшити максимальний струм в розподільній коробці побутової електроніки, щоб було більше ємності для однофазного зарядного пристрою 32 А. У цьому випадку можна заряджати максимум 1 кВт. Однак у разі використання 7,4-фазного зарядного пристрою існує ймовірність того, що розподільна коробка буде перевантажена, що призведе до збою живлення. Окрім зарядної станції, є інші електроприлади, які використовують електричну мережу, зокрема пральна машина, посудомийна машина, варильна поверхня та тепловий насос. За допомогою балансування навантаження можна використовувати максимальну потужність:
- Протягом дня велика ймовірність використання кількох електроприладів. Зменшується зарядний струм автомобіля;
- Більшість пристроїв вимикається на ніч, щоб транспортний засіб мав більше заряду.
Щоб швидше заряджати, можна підключити зарядну станцію або настінну коробку до розподільної коробки через 3-фазне підключення. Це не обов’язково має бути потік потужності. При 3-фазному підключенні бачимо два додаткових дроти:
- чорний: зайва фаза;
- сірий: провід додаткової фази.
У 3-фазній зарядній станції електрика проходить через чотири дроти (трифазні дроти та нульовий провід).
Зарядна ємність зарядної станції або настінної коробки при 3-фазному підключенні вища, ніж при 1-фазному підключенні, що означає, що автомобіль заряджається швидше. Максимальний зарядний струм автомобіля ніколи не перевищується. Деякі транспортні засоби підходять лише для зарядки до 3,7 кВт. Тоді немає сенсу створювати 3-фазне підключення. Також можуть підійти автомобілі на 7,4 або 11 кВт: варто збільшити потужність (3 * 16 А) від розподільної коробки.
У старих будинках ми часто бачимо 1-фазне підключення (до 35 А) в розподільній коробці. Всі три фази присутні, але підключена лише одна.
Розподільну коробку можна переобладнати таким чином, щоб використовувати всі три фази. Нові будинки, де розподільна коробка підготовлена для більшої кількості споживачів електроенергії (таких як сонячні батареї, індукційна варильна поверхня та тепловий насос), уже можуть бути оснащені 3-фазним підключенням з моменту поставки. У цьому випадку на електролічильнику пише «3×220/230В або 3×380/400 вольт». Є також загалом чотири дроти - трифазні дроти та нульовий провід, що виходять знизу розподільної коробки. Залежно від розподільної коробки, група захищена до 1x25A, 1x30A або 1,35A. Чим більше вказана сила струму, тим більше струму можна використовувати одночасно.
На зображенні нижче показано п’ять ситуацій від 1-фазного до 3-фазного підключення в розподільній коробці та використання 1-фазного або 3-фазного зарядного пристрою.
1 фаза: За допомогою аварійного зарядного пристрою ви можете заряджати автомобіль через розетку. За допомогою настінної коробки 1-фазна група може заряджати до 16 А без балансування навантаження та до 32 А з балансуванням навантаження. 32A можна досягти лише тоді, коли в будинку немає інших активних споживачів.
Для потужностей до 7,4 кВт можлива 1-фазна мережа з вирівнюванням навантаження. Під час використання вдома кількох електроприладів із високим споживанням, включаючи пральну/сушильну машину, посудомийну машину та тепловий насос, потужність зменшиться для захисту від перевантаження. На практиці це означає, що потужність може зменшитися на 50%. Тому доцільним є перемикання з 1 на 3 фазу.
3 фаза: Якщо одночасно запитується надто велика потужність, це може спричинити перевантаження та спрацьовувати захист, що призведе до відключення живлення. Тому важливо, щоб мережа могла забезпечити достатню кількість електроенергії. При 3-фазному підключенні можна одночасно подавати більше струму. 3-фазні групи стандартно захищені до 25 А.
- 11 кВт: необхідне підсилення шафи лічильника. Регулювання від 1 фази до 3 фази достатньо;
- 22 кВт: крім налаштування з 1 фази на 3 фазу, потрібне збільшення на 35 А.
Налаштування на 22 кВт і 35 А для приватних осіб навряд чи цікаво. У зв’язку з підвищенням необхідно сплачувати додаткові щорічні постійні збори в розмірі 1000 євро. За кожну більш важку сходинку (3x63A або 3x80A) необхідно сплатити додаткову плату. Крім того, багато електромобілів (поки що) не підходять для зарядки такими високими змінними струмами:
Очікується, що кількість транспортних засобів, які можуть заряджати 22 кВт від мережі змінного струму, збільшиться в найближчі роки.
