Як працює зарядна станція для електромобіля? Принцип роботи (AC, DC, безпека)

Коли ви під’єднуєте електромобіль до мережі, насправді запускається складний, але досить упорядкований процес: авто і станція розпізнають одне одного, визначається, який струм можна споживати, виконуються перевірки безпеки, і лише після цього починає надходити енергія. У цій статті ми пояснюємо принцип роботи зарядної станції для електромобіля від початку до кінця, технічно, але зрозуміло.

Коротка відповідь: зарядна станція для електромобіля є керованим інтерфейсом, який безпечно передає електроенергію з мережі до автомобіля. Станція та авто постійно обмінюються даними; станція спрямовує енергію, стежить за захисними колами та керує авторизацією. Справжня «розумна» робота прихована в тому, як енергія перетворюється і як забезпечується її безпека.

Яке основне завдання зарядної станції?

Поширена хибна думка полягає в тому, що зарядний пристрій «наповнює» батарею безпосередньо. Під час заряджання змінним струмом (AC) станція по суті є керованим вимикачем і блоком безпеки: вона подає напругу мережі до авто, повідомляє, який струм можна споживати, і розмикає коло в разі проблеми. Саме перетворення виконує вузол усередині автомобіля. Натомість під час швидкого заряджання постійним струмом (DC) більша частина перетворення відбувається всередині станції.

Отже, зарядна станція для електромобіля має три основні завдання: (1) встановити безпечний зв’язок з автомобілем, (2) передати правильну й безпечну кількість енергії, (3) забезпечити авторизацію та за потреби віддалене керування.

Як авто і станція обмінюються даними? (Control Pilot / пілотний сигнал)

Перед початком заряджання авто і станція «розмовляють» між собою. У роз’ємах Type 2 і CCS2 центром цього обміну є Control Pilot (CP), тобто пілотний сигнал. Через пілотну лінію станція та авто підтверджують, що з’єднані, і домовляються, який струм в амперах дозволено.

Коротко це працює так: станція подає сигнал на пілотну лінію. Коли авто під’єднується, воно змінює цей сигнал і повідомляє про стани «під’єднано» та «готовий до заряджання». Через форму сигналу станція передає авто граничний максимальний струм; авто, залежно від потужності свого бортового зарядного пристрою (onboard charger), споживає значення, нижче за цю межу. Так із самого початку унеможливлюється споживання більшого струму, ніж здатні витримати кабель або станція.

Під час швидкого заряджання DC, крім цієї базової сигналізації, вмикається досконаліший рівень цифрового обміну даними. Авто і станція безперервно передають одне одному таку інформацію, як напруга батареї, температура, цільовий рівень заряду та миттєва потреба в струмі. На основі цих даних станція в реальному часі регулює вихідну напругу та струм.

Виявлення під’єднання (proximity) і розпізнавання кабелю

Окрім пілотного сигналу, у більшості систем є ще й сигнал близькості (proximity). Завдяки цій лінії станція розуміє, що кабель справді вставлено і на яку межу струму він розрахований. Наприклад, кабель на 16 А і кабель на 32 А розпізнаються по-різному, і система встановлює відповідну межу.

Шлях AC: перетворення відбувається в автомобілі (onboard charger)

Більшість настінних зарядних станцій (wallbox) удома та на роботі заряджають змінним струмом. Змінний струм із мережі передається кабелем безпосередньо до автомобіля. Проте батарея авто заряджається постійним струмом (DC). Тут у роботу вступає бортовий зарядний пристрій (onboard charger) усередині авто: він перетворює вхідний AC на DC і живить батарею відповідною напругою.

Тому верхню межу швидкості заряджання AC здебільшого визначає не станція, а потужність бортового зарядного пристрою автомобіля. Наприклад, навіть якщо станція може видати 22 кВт, а бортовий зарядний пристрій авто має 11 кВт, на практиці авто заряджається з потужністю 11 кВт. Під час заряджання AC за однофазного або трифазного підключення можлива потужність від 7,4 кВт до 22 кВт.

Настінні зарядні станції Bemis E-V Charge AC Wallbox (3,7–22 кВт, Type 2) і зарядні кабелі Type 2 працюють саме на цьому шляху AC: станція безпечно й керовано передає енергію змінного струму, а перетворення бере на себе автомобіль.

Шлях DC: перетворення відбувається в станції (швидке заряджання)

Під час швидкого заряджання DC логіка протилежна. Щоб не впиратися в обмежену потужність бортового зарядного пристрою, перетворення винесено за межі авто, усередину станції. У станціях швидкого заряджання DC, як-от CCS2, потужні перетворювачі (випрямлячі, силові модулі) всередині станції перетворюють змінний струм мережі на постійний струм великої потужності й подають його безпосередньо в батарею.

Оскільки бортовий зарядний пристрій не задіяний, під час заряджання DC можна досягти значно вищої потужності; саме тому станції DC називають станціями «швидкого заряджання». Тут авто постійно повідомляє станції: «мені потрібні така напруга і такий струм»; станція задовольняє цей запит своїми силовими модулями й регулює вихід відповідно до поточного стану батареї.

• Заряджання AC: станція подає змінний струм, перетворення виконує бортовий зарядний пристрій авто. Межу потужності зазвичай визначає автомобіль.
• Заряджання DC: перетворювачі в станції змінюють AC на DC і подають його безпосередньо в батарею. Можлива значно вища потужність.
• Type 2: роз’єм, що є стандартом заряджання AC у Туреччині та Європі.
• CCS2: стандарт швидкого заряджання DC у Туреччині та Європі; працює завдяки двом контактам DC, доданим під роз’ємом Type 2.
• кВт означає потужність (швидкість), кВт·год означає енергію (обсяг, що зберігається або передається).

Під час заряджання AC перетворення виконує бортовий зарядний пристрій автомобіля; під час заряджання DC перетворення виконує станція. Справжнє завдання станції в будь-якому разі полягає в безпечній і керованій передачі енергії.

Як забезпечується безпека? (Захист, заземлення, блокування роз’єму)

Оскільки під час заряджання йдеться про велику потужність, безпека є найважливішою частиною зарядної станції. Принцип роботи передбачає кілька рівнів захисту.

Захист від струму витоку миттєво відключає живлення, щойно в колі виявлено небажаний витік (наприклад, пошкодження ізоляції), і запобігає ураженню електричним струмом. Заземлення в разі несправності створює безпечний шлях для струму витоку і не дає таким поверхням, як корпус, опинитися під напругою. Станція також стежить за надструмом і перегрівом; у разі виявлення відхилення вона зупиняє заряджання.

Блокування роз’єму теж є частиною безпеки: під час заряджання вилка заблокована станцією або автомобілем. Це не дає випадково висмикнути кабель, поки тече енергія; блокування не знімається, доки заряджання не завершиться безпечно. Щодо фізичної міцності, клас захисту IP65–IP66 показує, що пристрій придатний для роботи на вулиці й захищений від пилу та води; маркування CE означає, що виріб відповідає чинним європейським вимогам щодо відповідності.

Що станція постійно контролює під час заряджання?

• Що з’єднання з авто через пілотний сигнал залишається надійним
• Чи не виходить споживаний струм за погоджену межу
• Чи немає струму витоку, короткого замикання або несправності заземлення
• Температуру (вилки, кабелю, силових модулів)
• Що блокування роз’єму залишається закритим протягом усього заряджання

Авторизація: хто запускає заряджання? (RFID / застосунок / OCPP)

Удома більшість настінних зарядних станцій можна налаштувати так, щоб заряджання починалося відразу після під’єднання авто. У спільних зонах, на роботі та на публічних станціях заряджання має запускати лише уповноважена особа. Найпоширеніші способи для цього: RFID-картка та мобільний застосунок. Користувач прикладає картку або запускає сеанс у застосунку, станція перевіряє авторизацію й лише тоді дозволяє подачу енергії.

Тут у гру вступає OCPP. Моделі з підтримкою OCPP дають змогу під’єднати станцію до центральної системи керування (CSMS). Завдяки цьому авторизацією, віддаленим запуском і зупинкою, обліком використання та вимірюванням енергії можна керувати централізовано. Це особливо важливо на підприємствах і для автопарків, де працює кілька станцій.

Якщо ви хочете докладніше розібратися в OCPP і пов’язаних поняттях, у нас є окремий посібник про те, для чого потрібен цей протокол.

Етапи сеансу заряджання

Найкраще принцип роботи підсумовує те, як один сеанс заряджання проходить від початку до кінця. Типовий сеанс складається з таких етапів:

• 1) Під’єднання: кабель вставляють в авто і станцію; з’єднання виявляється через сигнал близькості (proximity).
• 2) Розпізнавання й узгодження: через пілотний сигнал авто і станція розпізнають одне одного, встановлюється межа максимального струму.
• 3) Авторизація: за потреби сеанс авторизують RFID-карткою або через застосунок.
• 4) Блокування й контроль: роз’єм блокується, перевірки безпеки (струм витоку, заземлення, температура) завершуються.
• 5) Передавання енергії: на шляху AC батарею заряджає бортовий зарядний пристрій авто, на шляху DC це роблять перетворювачі станції.
• 6) Керування: станція постійно стежить за струмом; у міру наповнення батареї вона поступово зменшує потужність.
• 7) Завершення: коли досягнуто мети або користувач зупиняє заряджання, енергію відключають, блокування знімається, кабель безпечно від’єднують.

Чому після 80 % батарея заряджається повільніше? (Taper, поступове зниження)

Особливо під час швидкого заряджання DC ви помітите, що після того, як батарея досягає певного рівня заряду, часто близько 80 %, швидкість заряджання помітно падає. Це називають «taper», тобто поступовим уповільненням, і це не несправність, а свідома захисна поведінка.

Коли батарея наповнюється, вона не може безпечно приймати великий струм; щоб запобігти перегріву та скороченню ресурсу комірок, авто запитує від станції дедалі менший струм. Станція виконує цей запит і знижує вихідну потужність. Тому під час швидкого заряджання найефективніший діапазон зазвичай охоплює проміжок від низького рівня заряду до 80 %; останні 20 % можуть тривати непропорційно довше. Під час заряджання AC потужність і так нижча, тому це уповільнення часто менш помітне.

Підсумок: що насправді робить зарядна станція?

Зарядна станція для електромобіля є керованим пристроєм, який обмінюється даними з авто, безпечно спрямовує енергію, а за потреби виконує авторизацію і може керуватися віддалено. У моделях AC перетворення бере на себе автомобіль, у моделях DC станція; але в будь-якому разі серцем принципу роботи є безпека (захист від струму витоку, заземлення, блокування роз’єму) і правильний обмін даними (пілотний сигнал).

Bemis E-V Charge є брендом, який на власному заводі в Бурсі (Туреччина) виробляє всі ланки цього принципу роботи: настінні зарядні станції AC Wallbox, портативні зарядні пристрої, кабелі Type 2, адаптери V2L/C2L і станції швидкого заряджання CCS2 DC. Завдяки моделям, що відповідають вимогам CE та IP65–IP66 і підтримують OCPP, бренд пропонує продукцію як для приватного, так і для корпоративного використання.