Как работи зарядната станция за електромобили? Принцип на действие (AC, DC, безопасност)

Когато свържете електромобил към мрежата, всъщност започва сложен, но много подреден процес: автомобилът и станцията се разпознават, решава се какъв ток може да бъде консумиран, извършват се проверки за безопасност и едва след това енергията започва да тече. В тази статия обясняваме принципа на действие на зарядната станция за електромобили от край до край, технически, но разбираемо.

Кратък отговор: зарядната станция за електромобили е контролиран интерфейс, който безопасно пренася електроенергията от мрежата към автомобила. Станцията и автомобилът комуникират непрекъснато; станцията насочва енергията, следи защитните вериги и управлява оторизацията. Истинската „умна“ работа обаче се крие в това как енергията се преобразува и как се поддържа безопасна.

Каква е основната задача на зарядната станция?

Често срещана заблуда е, че зарядното устройство „пълни“ батерията директно. При AC (променливотоково) зареждане станцията по същество е контролиран превключвател и блок за безопасност: тя подава мрежовото напрежение към автомобила, съобщава какъв ток може да бъде консумиран и прекъсва веригата при проблем. Същинското преобразуване се извършва от устройството в самия автомобил. При бързото DC (постояннотоково) зареждане обаче по-голямата част от преобразуването става вътре в станцията.

Следователно зарядната станция за електромобили има три основни задачи: (1) да установи безопасна комуникация с автомобила, (2) да пренесе правилното и безопасно количество енергия, (3) да осигури оторизация и при нужда дистанционно управление.

Как комуникират автомобилът и станцията? (Control Pilot / пилотен сигнал)

Преди да започне зареждането, автомобилът и станцията „разговарят“. В конекторите Type 2 и CCS2 в центъра на тази комуникация е Control Pilot (CP), т.е. пилотният сигнал. Чрез пилотната линия станцията и автомобилът потвърждават, че са свързани, и се договарят какъв ток в ампери е разрешен.

Накратко процесът е следният: станцията изпраща сигнал по пилотната линия. Когато автомобилът се свърже, той променя този сигнал и съобщава състояния като „свързан съм“ и „готов съм за зареждане“. Чрез формата на сигнала станцията съобщава на автомобила максималния допустим ток, а автомобилът консумира стойност под тази граница според капацитета на своето вградено зарядно устройство (onboard charger). Така още от самото начало се предотвратява консумация на по-голям ток, отколкото кабелът или станцията могат да понесат.

При бързото DC зареждане към тази основна сигнализация се добавя по-усъвършенстван слой цифрова комуникация. Автомобилът и станцията непрекъснато обменят информация като напрежение на батерията, температура, целево ниво на заряд и моментно търсене на ток. Въз основа на тези данни станцията регулира в реално време изходното си напрежение и ток.

Proximity (откриване на близост) и разпознаване на кабела

Освен пилотния сигнал, в повечето системи има и сигнал за близост (proximity). Благодарение на тази линия станцията разбира дали кабелът наистина е включен и за каква максимална сила на тока е предназначен използваният кабел. Например кабел за 16A и кабел за 32A се разпознават по различен начин и системата поставя ограничение според това.

Пътят на AC: преобразуването става в автомобила (Onboard Charger)

Повечето стенни зарядни станции (wallbox) у дома и на работното място извършват AC зареждане. Променливият ток от мрежата се подава директно към автомобила по кабела. Батерията на автомобила обаче се зарежда с постоянен ток (DC). Тук се включва вграденото зарядно устройство на автомобила (onboard charger): то преобразува входящия AC в DC и захранва батерията с подходящото напрежение.

Затова горната граница на скоростта на AC зареждане най-често се определя не от станцията, а от капацитета на вграденото зарядно устройство на автомобила. Например дори станцията да може да осигури 22 kW, ако вграденото зарядно устройство на автомобила е 11 kW, на практика автомобилът се зарежда с 11 kW. При AC зареждане с монофазно (една фаза) или трифазно (три фази) свързване може да става дума за мощност от 7,4 kW до 22 kW.

Моделите AC Wallbox на Bemis E-V Charge (3,7–22 kW, Type 2) и кабелите за зареждане Type 2 работят точно по този AC път: станцията пренася AC енергията безопасно и контролирано, а преобразуването поема автомобилът.

Пътят на DC: преобразуването става в станцията (бързо зареждане)

При бързото DC зареждане логиката се обръща. За да не се ограничава от малката мощност на вграденото зарядно устройство, преобразуването се изнася извън автомобила, вътре в станцията. В DC станциите за бързо зареждане като CCS2 мощните преобразуватели вътре в станцията (токоизправители/силови модули) превръщат мрежовия AC в DC с висока мощност и подават този постоянен ток директно към батерията.

Тъй като вграденото зарядно устройство се изключва от процеса, при DC зареждане могат да се постигнат много по-високи мощности; затова DC станциите се наричат „бързо зареждане“. Тук автомобилът непрекъснато казва на станцията „искам толкова напрежение и ток“, а станцията изпълнява това искане със своите силови модули и регулира изхода според моментното състояние на батерията.

• AC зареждане: станцията подава AC, преобразуването се извършва от вграденото зарядно устройство в автомобила. Ограничението на мощността обикновено се определя от автомобила.
• DC зареждане: преобразувателите в станцията превръщат AC в DC и го подават директно към батерията. Възможна е много по-висока мощност.
• Type 2: стандартният конектор за AC зареждане в Турция и в Европа.
• CCS2: стандартът за бързо DC зареждане в Турция и в Европа; работи с два DC пина, добавени под конектора Type 2.
• kW е мощност (скорост), kWh е енергия (съхранено/пренесено количество).

При AC зареждане преобразуването се извършва от вграденото зарядно устройство в автомобила; при DC зареждане го извършва станцията. Във всеки случай истинската задача на станцията е да пренесе енергията безопасно и контролирано.

Как се гарантира безопасността? (Защита, заземяване, заключване на конектора)

Тъй като по време на зареждане става дума за висока мощност, безопасността е най-критичната част на зарядната станция за електромобили. Принципът на действие включва многослойна защита.

Дефектнотоковата защита прекъсва моментално енергията, когато открие нежелан утечен ток във веригата (например повреда в изолацията), и така предотвратява риска от токов удар. Заземяването осигурява безопасен път за утечния ток при повреда и не позволява повърхности като корпуса да останат под напрежение. Станцията следи и за състояния като свръхток и прегряване; при откриване на аномалия тя спира зареждането.

Заключването на конектора също е част от безопасността: докато зареждането продължава, щепселът се заключва от станцията или от автомобила. Така се предотвратява случайното изваждане на кабела, докато тече енергия; ключалката не се отключва, преди зареждането да бъде прекратено безопасно. По отношение на физическата издръжливост степента на защита IP65–IP66 показва, че устройството е подходящо за външни условия, защитено от прах и вода; маркировката CE пък показва, че продуктът отговаря на съответните европейски изисквания за съответствие.

Какво следи станцията непрекъснато по време на зареждане?

• Дали връзката с автомобила остава стабилна през цялото време чрез пилотния сигнал
• Дали консумираният ток остава в договорената граница
• Дали има утечен ток, късо съединение или повреда в заземяването
• Температурните стойности (щепсел, кабел, силови модули)
• Дали ключалката на конектора остава затворена през цялото зареждане

Оторизация: кой стартира зареждането? (RFID / приложение / OCPP)

У дома повечето стенни зарядни станции могат да се използват така, че да започнат зареждане веднага щом автомобилът бъде включен. В общите части, на работното място и при обществените станции обаче се изисква зареждането да се стартира от оторизирани лица. Най-разпространените методи за това са RFID карта и мобилно приложение: потребителят прочита картата си или стартира сесията от приложението, станцията потвърждава оторизацията и след това разрешава подаването на енергия.

Тук се включва OCPP. Моделите, съвместими с OCPP, позволяват станцията да бъде свързана към централна система за управление (CSMS). Така функции като оторизация, дистанционно стартиране/спиране, проследяване на използването и измерване на енергията могат да се управляват централно. Това е особено важно при работни места и автопаркове, където се експлоатират няколко станции.

Ако искате да разгледате по-подробно OCPP и свързаните понятия, имаме и отделно ръководство, което обяснява за какво служи протоколът.

Етапи на една сесия на зареждане

Най-добрият начин да обобщим принципа на действие е да видим как протича една сесия на зареждане от началото до края. Типичната сесия преминава през следните етапи:

• 1) Свързване: кабелът се включва в автомобила и в станцията; връзката се открива чрез сигнала за близост (proximity).
• 2) Разпознаване и договаряне: чрез пилотния сигнал автомобилът и станцията се разпознават и се определя максималната граница на тока.
• 3) Оторизация: при нужда сесията се оторизира с RFID карта или приложение.
• 4) Заключване и проверка: конекторът се заключва, проверките за безопасност (утечен ток, заземяване, температура) се извършват.
• 5) Пренос на енергия: по AC пътя автомобилът зарежда батерията с вграденото зарядно устройство, а по DC пътя станцията я зарежда със своите преобразуватели.
• 6) Управление: станцията следи тока непрекъснато; с напълването на батерията тя постепенно намалява мощността.
• 7) Прекратяване: при достигане на целта или когато потребителят спре, енергията се прекъсва, ключалката се отключва и кабелът се изважда безопасно.

Защо батерията се зарежда по-бавно след 80%? (Taper / постепенно намаляване)

Особено при бързото DC зареждане ще забележите, че след като батерията достигне определено ниво на заряд, често около 80%, скоростта на зареждане спада осезаемо. Това се нарича „taper“, т.е. постепенно забавяне, и не е повреда, а съзнателно защитно поведение.

Когато се пълни, батерията не може безопасно да приема висок ток; за да предотврати прегряването и съкращаването на живота на клетките, автомобилът изисква все по-малко ток от станцията. Станцията също се съобразява с това искане и намалява изхода си. Затова при бързото зареждане най-ефективният диапазон обикновено е от ниско ниво на заряд до 80%; последните 20% може да отнемат непропорционално повече време. При AC зареждането мощностите и без това са по-ниски, затова това забавяне често е по-слабо забележимо.

Обобщение: какво всъщност прави зарядната станция?

Зарядната станция за електромобили е контролирано устройство, което комуникира с автомобила, насочва енергията безопасно и при нужда може да оторизира и да бъде управлявано дистанционно. При AC моделите преобразуването поема автомобилът, а при DC моделите станцията; но във всеки случай безопасността (дефектнотокова защита, заземяване, заключване на конектора) и правилната комуникация (пилотен сигнал) са сърцето на принципа на действие.

Bemis E-V Charge е марка със седалище в Бурса (Турция), която в собствената си фабрика произвежда всички звена на този принцип на действие: стенни зарядни станции AC Wallbox, преносими зарядни устройства, кабели Type 2, адаптери V2L/C2L и станции за бързо DC зареждане CCS2. С модели, отговарящи на CE и IP65–IP66, и с модели, съвместими с OCPP, тя предлага продукти както за индивидуална, така и за корпоративна употреба.