Анализ тенденций развития зарядных устройств электромобилей
Авторы: Хмара А.О., Калашников В.И.
Источник: Будет опубликована в Вестнике Донецкого Национального Технического Университета
Аннотация
Хмара А.О., Калашников В.И. Анализ тенденций развития зарядных устройств электромобилей. Развитие теории и практики применения электромобилей поставило на повестку дня их серийное производство. Для использования электромобилей важным требованием является доступность зарядки, как в домашних условиях, так и в населённых пунктах. Поэтому анализ тенденций развития зарядных устройств электромобилей является актуальной задачей.
Заправка электромобиля отличается от заправки обычного авто. Главным преимуществом электромобилей является возможность заряжать их в любом месте, где есть обычная электросеть. Важно понимать, что тяговая батарея в электромобиле использует постоянный ток, а в электрической сети используется переменный ток. Таким образом, в случае использования зарядной станции переменного тока применяется бортовое зарядное устройство электромобиля, которое преобразует переменный ток зарядной станции в постоянный, которым и заряжается тяговая батарея. Сегодня уже большинство электромобилей приспособлено для зарядки, как переменным, так и постоянным током. [1]
Существуют стандартные электронные устройства для заряда электромобилей, регулируемые МЭК (Международная электротехническая комиссия). На сегодняшний день IEC 62196 выступает одним из основных международных стандартов. Он определяет главные характеристики, включая виды соединителей (штепсельные вилки, сетевые розетки, входы питания электромобиля), режимы подзарядки током, настройки подключения и требования соблюдения норм и правил безопасности. [2]
Зарядные устройства разделяются по уровням мощности, в США их называют Level 1, 2, 3.
Уровень 1 (Level 1) – это самая медленная зарядка переменным током до 16А и напряжением 120В, пиковая мощность 2 кВт. Для среднего электромобиля время заряда около 12 часов до полной зарядки. С такой скоростью любой автомобиль можно заряжать без специальной инфраструктуры, просто воткнув адаптер в розетку.
Уровень 2 (Level 2) – это зарядка переменным током до 30А и напряжением 240В. Это уже 7 кВт.
Уровень 3 (Level 3) самая мощная, быстрая зарядка. 300–600 Вольт, 100 и более ампер. Зарядка способна зарядить автомобильную батарею от 0 до 80% за 30 минут. [3]
В Европе похожая ситуация, стандарт IEC 62196 определяет следующие режимы зарядки:
Mode 1 – это прямое пассивное подключение к электросети переменного тока. Подключение не требует дополнительных управляющих устройств. Это домашняя зарядка от стандартной розетки с простым удлинителем, без каких–либо мер безопасности. [1]
Зарядка осуществляется переменным током 16А и напряжением 240В с пиковой мощностью до 4 кВт.
Mode 2 – это рямое подключение транспортного средства к сети питания переменным током, т.е. зарядка в домашних условиях от обычной розетки, но используя специальный адаптер. Обычно он идет в комплекте с новым электромобилем. Этот адаптер обеспечивает заземление, защиту от резкого перепада напряжения, температурную защиту. Адаптеры Mode 2 гарантируют средний уровень безопасности и являются минимальной нормой для зарядки авто. Зарядка осуществляется переменным током до 32А и напряжением 240В. [1]
Mode 3 – это активное подключение электромобиля к проводной зарядной станции переменного тока с заземлением и приборами управления, а также адептером с дополнительными токопроводящими жилами.Зарядная станция режима Mode 3 дает возможность получать более высокий уровень энергии, чем в режиме Mode 2. Протоколы безопасности идентичны. Зарядка осуществляется 3–фазным переменным током до 63А, напряжением 690В, с пиковой мощностью до 43 кВт. [1]
При этом стандарт IEC 62196 описывает два типа применяемых разъемов. Их внешний вид представлен ниже на рис. 1.
Рисунок 1 – Типы разъёмов для режима Mode 3
Режим Mode 3 Тип 1 (слева) – это однофазные разъемы. Максимальная допустимая мощность, 7,2 кВт. Другое название данного разъема SAE J1772.
Режим Mode 3 Тип 2 (справа) – это трехфазные разъемы. Другое распространенное название такого разъема Mennekes
– по названию разработавшей его компании.
Максимальная допустимая мощность 43 кВт.
При использовании зарядной станции режима Mode 3 нужно обязательно обращать внимание на то, какая имеется фактически доступная мощность. Обычно эта информация указывается на конкретной станции (наклейка) или в системе коммерческого оператора. [4]
Mode 4 – это подключение электромобиля к проводной станции постоянного тока. Оборудование для зарядки электромобилей является промежуточным звеном между источником питания и зарядным портом транспортного средства. Его роль заключается в том, чтобы подать постоянный ток в автомобиль безопасно и быстро. В зарядных станциях постоянного тока зарядное устройство является частью станции, а не части автомобиля. [1]
Быстрая зарядка постоянным током допускает зарядный ток до 400А напряжением 600 Вольт с максимальной пиковой мощностью до 240 кВт. [3]
Сегодня существует два вида станций постоянного тока – это CHAdeMO и CCS (Combined Charging System). Обобщающие термины – это комплексы экспресс– зарядки или быстрые зарядные станции.
CHAdeMO – это изначально японская разработка, сегодня применяется на электромобилях Nissan, Mitsubishi Motors и Kia.
CCS – это европейская разработка, применяется на электромобилях BMW и Volkswagen.
Их внешний вид показан ниже на рис. 2.
Рисунок 2 – Типы разъёмов для режима Mode 4
CHAdeMO и CCS используют разные виды разъемов и коммуникационных протоколов. Технически CHAdeMO использует CAN (Controller Area Network), а CCS – PLC для обмена данными между зарядной станцией и электромобилем. Сегодня на рынке представлены также комплексы экспресс–зарядки, в которых оба этих стандарта совмещены в одном устройстве.
Технически режим Mode 4 позволяет зарядить тяговую батарею электромобиля до 100%, однако физически зарядка последних примерно 20% емкости требует существенно больше времени, т. к. идет балансировка ячеек (отдельных аккумуляторов тяговой батареи). В этой связи большинство станций настроены на заряд тяговой батареи до 80% ее емкости для оптимизации временных затрат.
Обособленно в ряду серийно выпускаемых электромобилей стоит TeslaMotors. Компания развивает собственную сеть комплексов экспресс–зарядки – это Tesla Superchager. Это закрытый стандарт TeslaMotors зарядки постоянным током, станции совместимы только с электромобилями производства TeslaMotors. [4]
В США стандарт для большей части автомобилей – это SAE (J1772). Быстрая зарядка по стандарту допускает постоянный ток с напряжением 500 Вольт и силой тока до 200 Ампер, то есть мощностью 100 кВт.
По решению Европейской Комиссии в Европе основной стандарт Typ 2. Основные стандарты зарядки для США, Европы и Китая представлены ниже на рис. 3.
Рисунок 3 – Основные стандарты зарядки без проприетарного Tesla и японского CHAdeMO
В Китае используется разъем GB/T 20234, часто называемый просто GBT. Он похож на европейский Mennekes
, но с ним не совместим.
Ниже на рис. 4 представлены стандарты быстрой зарядки постоянным током в разных странах.
Рисунок 4 – Стандарты быстрой зарядки постоянным током в разных странах
Для зарядки постоянным током в Европе предложен разъем SAE Combo2. Он аналогичен американскому SAE Combo1. Однако он сделан не по стандарту J1772, но совместим с Mennekes
.
Вывод: Как в Старом, так и в Новом свете ситуация со стандартами быстрых зарядок очень похожая. Японские производители поддерживают CHAdeMO, которое во всём мире одинаковое, у Tesla свой стандарт, но разный в США и Европе, все остальные производители продвигают в США SAE Combo, а в Европе SAE Combo2
Таким образом, ключевое разделение зарядок по уровню мощности: обычные и быстрые зарядки. Обычные зарядки – это Level 1, Level 2 для США; Mode 1, Mode 2 для Европы. Быстрые – это Level 3 в США; Mode 3, Mode 4 в Европе. [3] На сегодняшний день имеется тенденция замещения зарядных станций переменного тока (AC) на зарядные станции постоянного тока (DC).