Поскольку мир готовится к революции в области электромобилей, скорость адаптации к этой новой реальности по-прежнему является медленной. Электромобили (Electric Vehicles, EV), несмотря на то, что они являются более экологичным, плавным и дешевым видом транспорта, пока не кажутся практичными. Причина в двух словах: стоимость и экосистема. В настоящее время цены на электромобили практически равны ценам на бензиновые автомобили, что делает их менее важным выбором для покупателей. Ожидается, что развитие аккумуляторных технологий и правительственные схемы снизят стоимость электромобилей в будущем.

Во-вторых, не существует надлежащей экосистемы, позволяющей покупателям использовать электромобиль без особых хлопот. Под «экосистемой» я имею в виду зарядные станции для зарядки вашего электромобиля, когда у вас заканчивается заряд аккумулятора. Представьте себе, что вы пользуетесь бензиновым автомобилем, когда в вашем городе нет заправочных станций и единственное место, где вы можете заправиться, — это вы дома, к тому же для зарядки типичного электромобиля вам понадобится минимум 6–8 часов. Многие компании, такие как Tesla, EVgo, пункты зарядки и т. д., уже признали эту проблему, установив зарядные станции по всей стране. Что касается таких стран, как Нидерланды, которые пообещали отказаться от бензиновых двигателей к 2035 году, то можно быть уверенным, что дороги будущего будут заменены электромобилями, а не двигателями внутреннего сгорания, и вокруг нас появится множество зарядных станций для электромобилей.

Но как работают зарядные станции для электромобилей? Может ли одна зарядная станция заряжать все типы электромобилей? Какие существуют типы зарядных устройств для электромобилей? Какие протоколы соблюдаются для зарядных устройств для электромобилей? В этой статье мы обсудим ответы на все эти вопросы, а также поймем, что представляет собой зарядная станция для электромобилей и стоящие за ней подсистемы. Прежде чем идти дальше, вам следует прочитать об  батареях, используемых в электромобилях, и о том, как работает система управления батареями внутри электромобиля .

Оборудование для электромобилей (EVSE)

Оборудование, составляющее зарядную станцию ​​для электромобилей, вместе называется «Оборудование для электромобилей» (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE). Этот термин более популярен и относится только к зарядным станциям. Некоторые люди также называют его ECS (Electric charging station), что означает электрическая зарядная станция.

EVSE спроектировано для зарядки аккумуляторной батареи с использованием сети для подачи энергии; эти аккумуляторные блоки могут присутствовать в электромобиле (EV) или в электромобиле с подключаемым модулем (Plug-in Electric Vehicle, PEV). Питание, разъем и протокол для этих EVSE будут различаться в зависимости от их конструкции, которую мы обсудим в этой статье.

Бортовые зарядные устройства и зарядные станции

Прежде чем мы приступим к зарядным станциям, важно понять, что находится внутри электромобиля и к какой части будет подключено зарядное устройство. Большинство электромобилей сегодня поставляются со встроенным зарядным устройством (On-Board charger, OBC), и производитель также предоставляет зарядное устройство вместе с автомобилем. Эти зарядные устройства вместе со встроенным зарядным устройством могут использоваться клиентом для зарядки своего электромобиля от домашней розетки, как только он/она доставят его домой. Но эти зарядные устройства очень просты и не оснащены какими-либо расширенными функциями, поэтому для зарядки типичного электромобиля обычно требуется около 8 часов.

Типы зарядных станций для электромобилей (EVSE)

Зарядные станции можно условно разделить на два типа: зарядные станции переменного тока и зарядные станции постоянного тока.

Зарядная станция переменного тока, как следует из названия, подает переменный ток из сети на электромобиль, который затем преобразуется в постоянный ток с помощью бортового зарядного устройства для зарядки автомобиля. Эти зарядные устройства также называются зарядными устройствами уровня 1 и уровня 2 и используются в жилых и коммерческих помещениях. Преимущество зарядной станции переменного тока заключается в том, что встроенное зарядное устройство будет регулировать напряжение и ток в соответствии с требованиями электромобиля, поэтому зарядной станции не обязательно поддерживать связь с электромобилем. Недостатком является низкая выходная мощность, что увеличивает время зарядки. Типичная система зарядки переменного тока показана на рисунке ниже. Как мы видим, переменный ток из сети подается непосредственно в OBC через EVSE, затем OBC преобразует его в постоянный ток и заряжает аккумулятор через BMS (система управления батареями). Пилотный провод используется для определения типа зарядного устройства, подключенного к электромобилю, и установки требуемого входного тока для OBC. Мы обсудим это позже.

Зарядная станция постоянного тока получает мощность переменного тока из сети, преобразует ее в напряжение постоянного тока и использует ее для зарядки аккумуляторной батареи напрямую, минуя встроенное зарядное устройство (OBS). Эти зарядные устройства обычно выдают высокое напряжение до 600 В и силу тока до 400 А, что позволяет заряжать электромобиль менее чем за 30 минут по сравнению с 8–16 часами при использовании зарядного устройства переменного тока. Их также называют зарядными устройствами уровня 3 и широко известными как устройства быстрой зарядки постоянного тока (DC Fast Chargers, DCFC) или суперзарядные устройства. Преимуществом зарядного устройства этого типа является быстрое время зарядки, а недостатком — сложная конструкция, при которой ему необходимо взаимодействовать с электромобилем для его эффективной и безопасной зарядки. Типичная система зарядки постоянным током показана ниже: вы можете видеть, что EVSE подает постоянный ток непосредственно в аккумуляторную батарею, минуя OBS. EVSE расположен в стеках для обеспечения высокого тока. Одиночный стек не сможет обеспечить высокий ток из-за ограничений переключателя питания.

Обычно зарядные устройства уровня 1 предназначены для использования в жилых помещениях. Это зарядные устройства, поставляемые производителями вместе с электромобилем, которые можно использовать для зарядки электромобиля через стандартные домашние розетки. Таким образом, они работают от однофазного источника переменного тока и могут выдавать ток от 12 А до 16 А, а для зарядки электромобиля мощностью 24 кВтч требуется около 17 часов. Зарядное устройство уровня 1 не играет большой роли на зарядных станциях.

Зарядное устройство уровня 2 предоставляется в качестве обновления зарядного устройства уровня 1. Его можно установить в доме по специальному запросу при условии, что в доме есть двухфазное электроснабжение , или его также можно использовать на общественных/коммерческих зарядных станциях. Эти зарядные устройства могут обеспечивать выходной ток до 80 А благодаря высокому входному напряжению и заряжать электромобиль за 8 часов. Зарядное устройство уровня 3 или зарядные устройства Super предназначены только для общественных зарядных станций. Они требуют многофазного переменного тока от сети и потребляют более 240 кВт, что почти в 10 раз больше, чем обычный кондиционер в нашем доме. Таким образом, для работы этих зарядных устройств требуется специальное разрешение от сети.

Зарядные устройства уровней 2 и 3 считаются более эффективными, чем зарядные устройства уровня 1, поскольку преобразование переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока происходит в самом EVSE. Из-за огромного размера и сложности зарядных устройств уровня 2 и уровня 3 их нельзя встроить в электромобиль, поскольку это приведет к увеличению веса и снижению эффективности электромобиля.

Тип зарядной станции	Уровень зарядного устройства	Напряжение и ток питания переменного тока	Мощность зарядного устройства	Необходимое время для зарядки аккумуляторной батареи емкостью 24 кВтч
Зарядная станция переменного тока	Уровень 1 - Жилой	Однофазный – 120/230 В и ~ от 12 до 16 А.	от ~1,44 кВт до ~1,92 кВт	~ 17 часов
Зарядная станция переменного тока	Уровень 2 – Коммерческий	Разделенная фаза – 208/240 В и ~ от 15 до 80 А.	от ~3,1 кВт до ~19,2 кВт	~ 8 часов
Зарядная станция постоянного тока	Уровень 3 – суперзарядное устройство	Однофазный – 300/600 В и ~ 400 А	от ~120 кВт до ~240 кВт	~ 30 минут

Следует помнить что при использовании суперзарядного устройства не следует превышать ток, который является допустимым для аккумуляторов электромобиля, то есть следует использовать только рекомендованные производителем подобные зарядные станции.

Типы разъемов для зарядки электромобилей

Точно так же, как европейцы работают при напряжении 220 В, 50 Гц, а американцы — при 110 В, 60 Гц, электромобили также имеют разные типы разъемов для зарядки в зависимости от страны, в которой они произведены. Это привело к путанице среди производителей ESVE, поскольку их невозможно сделать универсальными для всех электромобилей. Основные классификации разъемов для зарядных устройств переменного и постоянного тока приведены ниже.

Розетки для зарядки переменного тока для электромобилей:

Среди трех наиболее распространенных типов розеток для зарядки переменного тока — розетка JSAE1772, популярная в Северной Америке. Как вы можете видеть, вилка/разъем имеет несколько соединений: три широких контакта предназначены для фазы, нейтрали и заземления, а два маленьких контакта используются для связи между зарядным устройством и EV (пилотным интерфейсом). Подробнее об этом мы поговорим позже. Mennekes или VDE-AR-E используется в Европе для трехфазной системы зарядки переменного тока и, следовательно, может выдавать высокую мощность до 44 кВт. Le-Grand также представляет собой аналогичную розетку с защитной шторкой, предотвращающей попадание мусора в зарядную розетку. Согласно техническим стандартам во всех зарядных устройствах переменного тока будущего предлагается использовать только розетки HSAE 1772 и VDE-AR-E.

Розетки для зарядки постоянного тока для электромобилей:

Что касается зарядного устройства постоянного тока, у нас есть разъем для зарядного устройства CHAdeMO, который является самым популярным типом разъема. Он был представлен Японией и вскоре адаптирован Францией и Кореей. Сегодня большинство электромобилей, таких как Nissan Leaf, Kia и т. д., имеют разъемы такого типа. Розетка имеет два широких контакта для шин питания постоянного тока и контакты связи для протокола CAN. Как мы знаем, зарядные устройства постоянного тока уровня 3 не используют встроенное зарядное устройство и, следовательно, должны сами обеспечивать необходимое напряжение и ток для аккумуляторной батареи электромобиля. Это осуществляется путем установления канала связи (пилотного канала) по протоколу сети управления (CAN) с BMS аккумуляторного блока. Затем BMS дает команду зарядному устройству начать процесс зарядки, контролирует его, а затем просит зарядное устройство прекратить зарядку.

Автомобили Tesla имеют собственный тип зарядных устройств, называемый суперзарядными устройствами, и, следовательно, имеют собственный тип разъемов, как показано выше. Но они продают адаптер, который может преобразовать их порт для зарядки с помощью зарядных устройств CHAdeMO или CSS. Зарядное устройство CDD — еще одна популярная розетка для зарядных устройств, которая сочетает в себе зарядные устройства переменного и постоянного тока. Как вы можете видеть на изображении, зарядное устройство разделено на два сегмента для поддержки как постоянного, так и переменного тока. Он может поддерживать CAN и Power Line Communication (PLC) и широко используется в европейских автомобилях, таких как Audi, BMW, Ford, GM, Porsche и т. д. Он может поддерживать выходную мощность до 400 кВт постоянного тока и выходную мощность переменного тока до 43 кВт.  

Зарядная станция переменного тока EVSE — зарядные устройства уровня 1 и уровня 2

Зарядная станция уровня 1 и уровня 2 просто должна подавать переменный ток на бортовое зарядное устройство электромобиля, которое затем позаботится о процессе зарядки; это может показаться простым на первый взгляд. Но они несут ответственность за обеспечение необходимого количества энергии от сети, требуемого аккумуляторной батареей электромобиля, посредством связи с ней через контрольный провод. Подсистемы, присутствующие в типичной зарядной станции переменного тока, представленные в учебном документе от компании Texas Instruments (TI), показаны ниже.

Зарядные устройства уровня 1 имеют максимальный выходной ток 16 А из-за ограничений бытовых розеток, тогда как зарядные устройства уровня 2 могут обеспечивать ток до 80 А при работе от трехфазного источника питания. В зарядных устройствах переменного тока уровня 1 и уровня 2 обычно используются стандартные разъемы SAEJ1772.

Как вы можете видеть, линии электропитания переменного тока (L1 и L2) подключены к разъему J1772 через реле. Это реле будет замкнуто, чтобы начать процесс зарядки, и разомкнется, когда зарядка завершится. Связь с пилотным сигналом используется для определения состояния батареи, а главная система обработки решает, какой объем энергии следует подавать на бортовое зарядное устройство. Мы обсудим это позже.

Блок питания состоит из преобразователя переменного/постоянного тока, который принимает переменный ток из сети и преобразует его в постоянный ток 15 В с помощью коммутационной схемы. Затем эти 15 В подаются на регулятор, который состоит из преобразователя постоянного тока в постоянный, который использует три различных понижающих регулятора для регулирования напряжения 12 В, 5 В и 3,3 В, которое используется для питания датчиков, дисплеев и контроллеров в зарядном устройстве. Система измерения состоит из цепей измерения напряжения/тока , которые используются для измерения переменного тока и переменного напряжения. В приведенной выше блок-схеме для измерения входного тока используется трансформатор тока (ТТ), но также можно использовать метод шунта или потока. Напряжение измеряется на обеих сторонах реле, чтобы узнать, находится ли реле в открытом или закрытом состоянии. Поскольку подсистема измерения имеет дело с напряжением и током переменного тока, она изолирована цифровым способом от подсистемы главной обработки.

Подсистема главной обработки состоит из основного микроконтроллера, который получает информацию от пилотной связи и на основе этой информации запускает реле с помощью схем драйвера реле. Он также контролирует ток и напряжение, используя значения, предоставляемые подсистемой измерения, и при необходимости предпринимает корректирующие действия. Этот контроллер также будет иметь дисплей, EEPROM и RTC (система реального времени) для предоставления пользователю полезной информации, такой как время зарядки, текущий статус и т. д.

Пилотная проводная связь в EVSE (зарядное устройство переменного тока)

В зарядных устройствах переменного тока скорость зарядки, то есть требуемый входной ток, фактически определяется самим электромобилем. Не всем электромобилям требуется одинаковая величина входного зарядного тока, и, следовательно, зарядное устройство переменного тока должно связаться с электромобилем, чтобы узнать требуемый входной ток, и выполнить квитирование связи до того, как зарядка сможет фактически начаться. Эта связь называется пилотной проводной связью .

Обычно в зарядных устройствах переменного тока используется кабель J1772, который имеет две точки на зарядном устройстве, кроме линий электропередачи. Эти две сигнальные линии помогают зарядному устройству взаимодействовать с электромобилем посредством сигналов ШИМ +/-12 В. По умолчанию сигнальные контакты на выходе EVSE +12 В, при подключении к электромобилю напряжение снижается до 9 В из-за нагрузочного резистора, присутствующего в электромобиле, это сигнализирует EVSE о том, что разъем подключен к электромобилю. После этого EVSE отправит сигнал ШИМ величиной 12 В и значением рабочего цикла, соответствующим максимальному току, который он может выдать. Если электромобилю подходит такое значение тока, он выполняет квитирование, изменяя сопротивление нагрузки и снижая напряжение ШИМ до 6 В, после чего начинается зарядка.

Приведенный выше график иллюстрирует связь, происходящую между EV (электромобилем) и EVSE. Как вы можете видеть, изначально, EVSE не подключен к выходу EVSE 12 В, как только оно подключается, оно падает до 9 В и запускается сигнал ШИМ. В данном случае рабочий цикл сигнала ШИМ составляет 50%, что означает, что доступный входной ток составляет 30 А (максимальная мощность 60 А). Если встроенное зарядное устройство электромобиля может работать с этим током, то электромобиль сигнализирует о установлении связи, изменяя сопротивление нагрузки, и сигнал ШИМ теперь падает до 6 В. Зарядка начинается в этот момент и будет продолжаться до тех пор, пока сигнал ШИМ колеблется между 6 В и -12 В. Электромобиль снова изменит сопротивление нагрузки, когда процесс зарядки завершится, чтобы подать сигнал зарядному устройству о выключении.

Зарядная станция постоянного тока EVSE — зарядные устройства уровня 3

Зарядные станции третьего уровня более сложны, чем уровни 1 и 2, поскольку преобразование постоянного/постоянного тока для аккумуляторной батареи должно выполняться самим EVSE. Поскольку EVSE постоянного тока обходит встроенное зарядное устройство, оно должно знать все важные параметры аккумуляторной батареи для ее безопасной зарядки, поэтому между EVSE и BMS электромобиля должен быть установлен CAN или ПЛК (связь по линии электропередачи). Зарядное устройство уровня 3 обычно использует гнездо зарядного устройства CHAdeMO, но другие разъемы, такие как комбинированный разъем для зарядки J1772 и разъем Tesla, также адаптируются разными производителями. Эти зарядные устройства могут подавать ток до 200 А непосредственно на аккумуляторную батарею для зарядки электромобиля менее чем за 30 минут. Типичная упрощенная блок-схема подсистемы зарядной станции постоянного тока показана ниже.

Система здесь слишком упрощена за счет удаления систем, которые мы обсуждали ранее в системе зарядки переменного тока. Зарядное устройство уровня 3 всегда работает от трехфазного источника переменного тока, поэтому преобразователь переменного/постоянного тока должен принимать трехфазный источник питания и преобразовывать его в постоянный ток напряжением 40 В или выше. Затем это напряжение постоянного тока будет повышено до более высокого уровня (350–700 В), как того требует аккумуляторный блок. Выходное напряжение и ток будут определяться BMS электромобиля, которые затем будут передаваться на EVSE через связь CAN/PLC. Большинство этих зарядных устройств уровня 3 будут размещены на зарядных станциях для публичного доступа, и, следовательно, использование человеко-машинного интерфейса (HMI) станет обязательным. Некоторые EVSE также будут иметь беспроводные функции, такие как NFC, Bluetooth, шлюз онлайн-платежей и т. д., чтобы облегчить публичное использование.

Технологическая задача связана с подсистемами преобразователя переменного/постоянного тока и преобразователя постоянного/постоянного тока модуля. Поскольку зарядное устройство потребляет большой ток из сети, требуется соответствующая система коррекции коэффициента мощности. Кроме того, преобразователи работают с очень высоким током, и силовые электронные переключатели внутри них, такие как MOSFET и IGBT, не могут работать как единое целое. Следовательно, обычно блоки преобразователей разбиваются на небольшие блоки, которые затем объединяются параллельно для обеспечения высокого тока.

Достижения в EVSE

Мало кто утверждает, что электромобили не являются полностью экологически чистыми, если они питаются от электроэнергии, вырабатываемой на невозобновляемых электростанциях, таких как угольные, атомные и т. д. Хорошо, что электромобили на солнечной энергии постепенно становятся популярными. Из-за размера, эффективности и веса солнечной панели невозможно напрямую питать электромобили от солнечной энергии. Но EVSE, с другой стороны, может получать энергию от солнечной панели, а не от сети. Обратной стороной, однако, являются огромные первоначальные затраты и низкая эффективность, поскольку энергия от солнечной энергии должна храниться в батареях, а затем снова передаваться на электромобили. Кроме того, эффективность солнечной панели очень низка (44,5% — самый высокий показатель на сегодняшний день), и ее технологию еще предстоит разработать, чтобы сделать ее доступным обновлением.

Еще одним заметным достижением является система Vehicle to Grid (V2G) . При этом аккумуляторная батарея в электромобиле может выступать в качестве источника питания для бытового оборудования. Сегодняшние электромобили оснащены огромным аккумулятором емкостью до 100 кВтч и более, что делает их легко переносимыми электростанциями. Таким образом, при правильном выборе инвертора энергия от этих аккумуляторных блоков может подаваться в сеть в часы пиковой нагрузки. Затем эти электромобили можно будет доставить на станции, работающие на солнечной энергии, чтобы снова зарядить их, создавая полностью зеленую экосистему.

28 просмотров