Семинар о технологиях зарядки в электромобильности

Основные принципы технологий зарядки в электромобильности Базовые знания в области зарядки электромобилей

Мобильность в будущем следует различным национальным типовым условиям. Мы поделимся базовыми знаниями в наглядной и понятной форме:

  • Краткое описание стандартов зарядки, зарядных штекеров электромобиля и режимов зарядки
  • В видеороликах показано, как работает зарядная станция
  • Глоссарий, включающий термины и их простое объяснение

Какие существуют стандарты зарядки и типы штекеров? Обзор распространенных стандартов и относящихся к ним стыковочных частей

На международном рынке распространены три стандарта зарядки, каждый из которых отличается особой геометрией зарядного штекера электромобиля и зарядной розетки и которые представляют Северную Америку, Европу и Китай. Кроме того, штекер для зарядки переменным током (режим 3, варианты B и C) имеет другую конструкцию, чем штекер для зарядки постоянным током (режим 4). Большой ассортимент CHARX позволяет охватить все варианты применения:

Распространенные стандарты зарядки и относящиеся к ним стыковочные части

Стандарт по типу 1 для Северной Америки не предусматривает наличие инфраструктурного зарядного штекера. В Европе в этом случае используется переходной кабель, который состоит из зарядного штекера электромобиля по типу 1 и инфраструктурного зарядного штекера по типу 2.

Где действует этот стандарт зарядки? Текущее распространение на карте мира

Карта интерактивных изображений: распространение стандарта зарядки типа 1 (синий), тип 2 (зеленый) и GB/T (темно-серый) на карте мира
Тип 1
После внедрения в США, стандарт по типу 1 распространился в странах, закрашенных синим цветом. В его основе лежат стандарты SAE J1772 и МЭК 62196. Зарядка переменным и постоянным током осуществляется только при помощи зарядной розетки CCS типа 1 в автомобиле.
Тип 1
Тип 2
После внедрения в Европе, стандарт по типу 2 распространился в странах, закрашенных синим цветом. В его основе лежит стандарт МЭК 62196. Зарядка переменным и постоянным током осуществляется только при помощи зарядной розетки CCS типа 2 в автомобиле.
Тип 2
GB/T
Стандарт зарядки GB/T распространяется исключительно на Китай, в его основе лежит стандарт GB/T 20234. Стандарт CCS пока еще не внедрен на китайском рынке. Поэтому для зарядки переменным и постоянным током требуются отдельные розетки на электромобиле.
GB/T
Не определено
В странах, закрашенных светло-серым цветом, пока не принят официальный стандарт зарядки – или у нас на данный момент нет данных.
Не определено
Тип 1 и 2
В странах, заштрихованных сине-зеленым цветом, тип 1 и тип 2 в настоящее время используются параллельно. Вероятно, в будущем здесь будет принят один из двух стандартов.
Тип 1 и 2

Зарядка переменным и постоянным током: в чем разница? Что и в какой ситуации рекомендуется выбирать?

Зарядка переменным током
Переменный ток (AC, Alternating Current) от сети питания поступает сначала в электромобиль при помощи зарядной станции и зарядного кабеля – контролируемым способом, однако без преобразования. Установленный в электромобиле преобразователь AC/DC, так называемый Onboard-Charger, преобразует его в постоянный ток (DC, Direct Current), чтобы можно было заряжать аккумулятор. Так как в этом случае зарядным станциям переменного тока не требуются преобразователи, то по сравнению с зарядными колонками постоянного тока они оказываются более дешевым и привлекательным вариантом для частных приложений. Зарядная мощность может составлять до 22 кВт в зависимости от зарядной станции, зарядного кабеля и Onboard-Charger. Сравнительно небольшая мощность позволяет выполнять зарядку переменным током в более щадящем режиме для аккумуляторов, что можно рекомендовать в случае, когда электромобиль не используется более 30 минут, например, ночью под навесом, в гараже или в гостинице, а также в течение дня у ресторанов и супермаркетов.

Зарядка постоянным током
В этом случае силовые контакты и сечение провода зарядного штекера имеют большие размеры, чем при зарядке переменным током. При этом можно передавать намного большую зарядную мощность до 500 кВт (High Power Charging, HPC), что значительно сокращает время зарядки. Поэтому в этом случае говорят о быстрой или ультрабыстрой зарядке. В противоположность к зарядке переменным током преобразование AC/DC происходит уже на зарядной станции, на которой установлена соответствующая силовая электроника. В том числе и по этой причине зарядка постоянным током оказывается более сложным и дорогим вариантом, который в основном используется в коммерческих целях. Такой вариант рекомендуется использовать на дальних дистанциях, когда есть только небольшие паузы, чтобы подзарядить аккумулятор за несколько минут, например, в зонах отдыха на автомагистралях.

Какие режимы существуют для зарядки переменным и постоянным током? Процесс зарядки может осуществляться различными способами

Режим зарядки 1
Режим зарядки 2
 Режим зарядки 3, вариант A
Режим зарядки 3, вариант B
 Режим зарядки 3, вариант C
Режим зарядки 4
Режим зарядки 1

Автомобиль заряжается переменным током от бытовой розетки. В однофазной сети допускается напряжение до 250 В, в трехфазной – до 480 В. Максимальный зарядный ток составляет 16 А. Между автомобилем и зарядной точкой не происходит коммуникация. В качестве обязательной меры используется защита при помощи устройства дифференциального тока (FI). Поскольку в более старых системах это не всегда гарантируется, Phoenix Contact не рекомендует использовать данный режим.

Режим зарядки 2

Аналогично режиму 1, однако максимальный зарядный ток составляет в этом случае 32 A, а зарядный кабель оснащен так называемым встроенным устройством контроля и защиты (IC-CPD). В данное устройство встроено устройство дифференциального тока (FI), устройство коммуницирует с автомобилем и управляет процессом зарядки.

 Режим зарядки 3, вариант A

В режиме 3 автомобиль заряжается переменным током от зарядной станции или бытового зарядного устройства, в которое уже встроено необходимое устройство дифференциального тока (FI). Зарядная станция выполняет функцию коммуникации с автомобилем. Автомобиль может заряжаться от однофазной сети до 250 В или трехфазной сети до 480 В, максимальный зарядный ток может составлять до 63 A. Режим 3 встречается в трех вариантах:

В варианте A используется постоянно присоединенный к автомобилю зарядный кабель. То есть только на одном конце предусмотрено штекерное соединение: инфраструктурный зарядный штекер, который вставляется в зарядную розетку зарядной станции. Вариант A описан в нормативных документах, однако на практике встречается редко.

Режим зарядки 3, вариант B

В варианте B требуется так называемый зарядный кабель переменного тока, который перевозится, например, в багажнике. На обоих концах кабеля расположено штекерное соединение: один конец, зарядный штекер электромобиля, вставляется в зарядную розетку на электромобиле. Другой конец, инфраструктурный зарядный штекер, вставляется в зарядную розетку зарядной станции. Вариант B преимущественно встречается на зарядных станциях общего пользования.

 Режим зарядки 3, вариант C

Вариант C противоположен варианту A, так как зарядный кабель постоянно подсоединен к зарядной колонке. На другом конце имеется штекерное соединение: зарядный штекер электромобиля, который вставляется в зарядную розетку на электромобиле. Вариант C часто используется в частном секторе.

Режим зарядки 4

Данный режим является единственным, который описывает зарядку постоянным током на станциях быстрой зарядки. Высокий зарядный ток до 500 A предписывает применение повышенных требований к безопасности. Поэтому в этом случае всегда используется зарядный кабель, постоянно подсоединенный к зарядной колонке. Штекерное соединение предусмотрено только со стороны автомобиля – в форме зарядного штекера электромобиля, который вставляется в зарядную розетку на электромобилей. Поэтому деление режима 4 на три варианта (как в режиме 3) здесь не происходит. Кроме того, требуется контроль температуры силовых контактов в зарядном штекере, а также дополнительные защитные функции на зарядной станции, например, контроль изоляции.

Что такое Combined Charging System или CCS? Универсальный интерфейс для зарядки переменным и постоянным током

При участии ведущих производителей автомобилей мы разработали комбинированную систему зарядки (CCS). Особенностью является зарядная розетка CCS в электромобиле, которая подходит для зарядных штекеров как переменного, так и постоянного тока. Таким образом, электромобилю требуется только один интерфейс для зарядки переменным и постоянным током.

Стандарты зарядки типа 1 и 2 следуют принципу CCS в части конструкции стыковочной части. Уже в 2013 году Европейская комиссия объявила CCS типа 2 официальным стандартом зарядки во всей Европе. За это время комбинированная система зарядки распространилась во многих частях мира в качестве стандарта быстрой зарядки. И все больше появляется стран, в которых реализуется комбинированная система зарядки.

Принцип действия комбинированной системы зарядки (CCS)

Какие преимущества предоставляет CCS на практике?

  • Гибкая зарядка переменным и постоянным током при помощи всего одной зарядной розетки на электромобиле
  • Производители автомобилей экономят детали, место и затраты
  • Максимальная безопасность благодаря блокиратору и контролю температуры
  • Широкое признание и распространение во многих частях мира
Блокиратор в зарядной розетке CCS

Блокировка зарядного штекера Для максимальной безопасности в процессе зарядки

Все зарядные кабели CCS стандартно оснащены электромагнитным блокиратором. Блокиратор фиксирует зарядный штекер в процессе зарядки сбоку или непосредственно на защелке в стыковочной части.

Штырь блокиратора рассчитан таким образом, чтобы выдерживать высокое усилие вытягивания. Поэтому извлечь зарядный штекер автомобиля в процессе зарядки невозможно.

Датчики температуры PT1000 на силовых контактах

Точный контроль температуры Безопасная защита от перегрева

Функция контроля температуры в зарядной системе CCS также обеспечивает безопасность процесса зарядки. Согласно МЭК 62196 нагрев не должен превышать 90 °C. Температурно-зависимые датчики сопротивления, например, Pt 1000, обеспечивают быстрое и точное измерение температуры на контактах питания постоянного тока.

Значения температуры передаются на контроллер зарядки через соответствующие сигнальные выходы. В случае перегрева, например, в результате высокой наружной температуры или перегрузки, контроллер зарядки может прервать процесс зарядки или понизить зарядную мощность.

Как работает зарядная станция? Как происходит процесс зарядки? На что необходимо обратить внимание в процессе инжиниринга?

Современные зарядные станции и бытовые зарядные устройства должны в некоторой степени соответствовать высоким требованиям к готовности, безопасности и комфорту. Сложные структуры, в которые входит множество компонентов, не являются редкостью. В наших видеороликах наглядно объясняется структура и взаимодействие отдельных компонентов и показано, каким образом можно выполнить все требования к современной и сетевой зарядной инфраструктуре.

Каким образом зарядный ток поступает в электромобиль? Функциональная единица «Зарядка»

  • Силовая электроника
  • Силовой контактор
  • Предохранитель
  • Блок охлаждения
  • Зарядный кабель
  • Инфраструктурная зарядная розетка
  • Зарядная розетка на электромобиле

Каким образом осуществляется управление процессом зарядки? Функциональная единица «Управление и контроль»

  • Контроллер зарядки
  • Измерение энергетических показателей
  • Измерение дифференциального тока
  • Контроль изоляции
  • Измерение температуры

Как работают зарядные станции? Функциональная единица «Объединение в сеть и связь»

  • Авторизация пользователя посредством RFID
  • Светодиодный индикатор состояния
  • Сенсорное управление
  • Беспроводное соединение посредством сети мобильной связи
  • Проводное соединение посредством Ethernet
  • Защита от перенапряжений Ethernet

Каким образом можно избежать дорогостоящих отказов? Функциональная единица «Питание и защита»

  • Источник питания
  • Защита от перенапряжений
  • Защита устройств
  • Измерения нагрузки
  • Энергетический мониторинг

Как выполняется кабельная разводка и установка? Функциональная единица «Соединение»

  • Кабельный ввод
  • Силовой разъем для питания
  • Упорядочение и распределение потенциалов
  • Подключение данных
  • Розетка и разъем USB для технического обслуживания

Глоссарий Простое объяснение терминов и сокращений

В каждой сфере деятельности появляется свой язык и своя терминология, хотя бы для того, чтобы дать имя новым технологиям. Здесь приводятся объяснения к часто используемым терминам и сокращениям в области электромобильности:

Автомобили

  • EV: Electric Vehicle (электрический автомобиль). Общее понятие для всех автомобилей, которые оснащены полностью или частично электрическим приводом.
  • BEV: Battery Electric Vehicle (аккумуляторный электромобиль). Полностью электрический автомобиль, приводная энергия которого хранится в аккумуляторах в химическом виде.
  • HEV: Hybrid Electric Vehicle (гибридный электрический автомобиль). Автомобиль, который оснащен как двигателем внутреннего сгорания, так и электрическим приводом.
  • PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle (плагин-гибридный электрический автомобиль). Аналогично HEV, однако аккумулятор можно дополнительно заряжать от внешнего устройства при помощи зарядного штекера.

Зарядные штекеры и розетки

  • Inlet: зарядная розетка в электромобиле, в которую вставляется зарядный штекер электромобиля. Также называется зарядной розеткой на электромобиле.
  • Connector: зарядный штекер, который вставляется в зарядную розетку электромобиля. Также называется зарядным штекером электромобиля.
  • Plug: зарядный штекер, который вставляется в зарядную розетку зарядной станции. Также называется инфраструктурным зарядным штекером.
  • Socket Outlet: зарядная розетка на зарядной станции, к которой подключается автомобиль при помощи мобильного зарядного кабеля переменного тока и заряжается в режиме 3, вариант B. Также называется инфраструктурной зарядной розеткой.

Виды и стандарты зарядки

  • Зарядка переменным током: зарядка одно- или трехфазным переменным током (режим 1, 2 или 3).
  • Зарядка постоянным током: зарядка постоянным током (режим 4).
  • CCS: Combined Charging System: система зарядки для типа 1 и 2, при котором возможна как зарядка переменным, так и постоянным током при помощи всего одной зарядной розетки на электромобиле.
  • Combo: устаревшее обозначение для CCS.
  • Тип 1: геометрия зарядных штекеров для Северной Америки и других регионов, описанная в стандартах SAE J1772 и МЭК 62196-3.
  • Тип 2: геометрия зарядных штекеров для Европы и других регионов, описанная в стандарте МЭК 62196-3.
  • GB/T: национальные стандарты Китая. Стандарт GB/T 20234 описывает геометрию зарядных штекеров для Китая.
  • HPC: High Power Charging, также сверхбыстрая зарядка. Зарядка постоянным током с мощностью от 150 кВт. Сегодня возможны системы с жидкостным охлаждением при помощи CCS типа 1 и CCS типа 2 до 500 кВт.
  • MCS: Megawatt Charging System (мегаваттная система зарядки). Стандарт зарядки для зарядки постоянным током коммерческих автомобилей мощностью до 3,75 МВт.
  • V2G: Vehicle-to-Grid, форма двунаправленной зарядки. Автомобиль может не только заряжаться от сети питания, но и при необходимости отдавать электроэнергию обратно в сеть. Соответствует стандарту ISO 15118.
  • V2H: Vehicle-to-Home. Аналогично V2G, однако автомобиль служит в качестве бытового аккумулятора. Отдаваемая им электроэнергия не возвращается обратно в сеть, а служит для того, чтобы максимально повысить автономность (самообеспечение) частного дома.

Зарядная инфраструктура

  • Зарядная точка: возможность для подключения и зарядки автомобиля. Зарядная станция оснащена одной или несколькими зарядными точками.
  • Зарядная система: взаимодействие всех технических компонентов в пределах зарядной станции (электромеханика, электроника, программное обеспечение), которые необходимы для зарядки электромобиля.
  • Бытовое зарядное устройство: система зарядки для настенного монтаж в специфическом корпусе. В основном для частной зарядки переменным током на территории дома мощностью до 11 или 22 кВт, например, в гараже или под навесом.
  • Зарядная станция/колонка: отдельно расположенная зарядная система в специфическом корпусе. Как правило, для зарядки переменным и/или постоянным током для общего или ограниченного пользования, включая систему расчетов, например, в отелях или супермаркетах.
  • EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment: см. бытовое зарядное устройство и зарядную станцию.
  • Зарядный парк: объединение нескольких зарядных станций общего или ограниченного пользования, например, на автомагистралях или в многоэтажных паркингах.
  • CPO: Charging Point Operator: компания или юридическое лицо, которое владеет отдельными зарядными точками или парками и выставляет счета пользователям электромобилей за зарядку электроэнергией.

Коммуникация и управление

  • CP: Control Pilot. Сигнальный контакт или сигнальный провод в зарядном кабеле типа 1, 2 и GB/T. Служит для передачи управляющей информации между зарядной станцией и электромобилем.
  • PP: Proximity Pilot. Сигнальный контакт или сигнальный провод в зарядном кабеле типа 2. Поставляет в электромобиль информацию о том, что происходит зарядка определенным зарядным током, поэтому активирована функция блокировки движения.
  • CC: Connection Confirmation (подтверждение соединения). Сигнальный контакт или сигнальный провод в зарядном кабеле типа GB/T. Поставляет в электромобиль информацию о том, что происходит зарядка определенным зарядным током, для активирования функции блокировки движения.
  • CS: Connection Switch (переключатель соединений). Сигнальный контакт или сигнальный провод в зарядном кабеле типа 1. Сообщает зарядной станции, когда нажат блокировочный рычаг на зарядном штекере, который перекрывает зарядный ток.
  • IC-CPD: In Cable Control and Protection Device. Устройство управления и защиты, встроенное в зарядный кабель. Обеспечивает зарядку переменным током в однофазной сети в режиме 2 от бытовых розеток мощностью до 3,6 кВт.
  • Backend: позволяет CPO поддерживать работу зарядных точек при помощи программного обеспечения. Включает управление пользователями, обработку платежей (обычно через стороннего поставщика) и технический мониторинг зарядных пунктов через облако.
  • OCPP: Open Charge Point Protocol. Служит для коммуникации между зарядной станцией и бэкенд-системой.
  • PnC: Plug and Charge. Упрощение процесса зарядки, путем обеспечения автоматической аутентификации и выставления счетов в фоновом режиме. Соответствует стандарту ISO 15118.