Tüüp 1 J1772 ja tüüp 2 IEC 62196-2 süsteemide võrdlus

Globaalsete elektriautode laadimisstandardite lõplik tehniline juhend: 1. tüüpi J1772 ja 2. tüüpi IEC 62196-2 süsteemide, võrgutopoloogia, sideprotokollide ja nutika infrastruktuuri põhjalik võrdlus

1. Sissejuhatus: ülemaailmne üleminek elektrifitseerimisele ja standardiseeritud laadimise roll

Globaalne automaastik on läbimas paradigma muutust, minnes üle sisepõlemismootoritelt (ICE) elektriajamitele. Selle ülemineku keskmes on seda toetav infrastruktuur: elektrisõidukite toiteseadmed (EVSE), mida tavaliselt nimetatakse EV laadijateks. Elektrisõidukite (EV) kasutuselevõtu kiirenedes muutub laadimisstandardite tehniliste nüansside mõistmine nii inseneride, poliitikakujundajate kui ka tarbijate jaoks ülioluliseks.

Elektriautode laadimisstandardite väljatöötamine on ajalooliselt olnud killustatud, mõjutatud piirkondlikest elektrivõrgu arhitektuuridest, regulatiivsest keskkonnast ja autotootjate strateegilistest huvidest. Tänapäeval domineerivad vahelduvvoolu laadimise turul kaks peamist standardit: 1. tüüp (SAE J1772) ja 2. tüüp (IEC 62196-2). Kuigi mõlemal on sama põhieesmärk – elektrienergia edastamine võrgust sõiduki sisseehitatud laadijasse –, erinevad nende tehnilised teostusvariandid, füüsiline konstruktsioon ja sideprotokollid oluliselt.

See artikkel pakub 1. ja 2. tüüpi laadimissüsteemide põhjalikku tehnilist analüüsi. Uurime nende arhitektuurilisi erinevusi, kohanemisvõimet erinevate globaalsete võrgutopoloogiatega, sidesignaalide füüsikat ja ohutusmehhanisme, mis kaitsevad nii kasutajat kui ka sõidukit. Lisaks uurime, kuidas eri riikide elamute energiatarbimise piirangud mõjutavad laadimiskiirust ja milliseid uusi trende need kujundavad elektrisõidukite ökosüsteemis standardiseeritud ja nutikate ühenduste tulevikku.

2. 1. tüübi (SAE J1772) arhitektuur: ajalugu, kontaktide konfiguratsioon ja Põhja-Ameerika domineerimine

1. tüüpi pistik, endise nimega SAE J1772 standard, on Põhja-Ameerikas ja Jaapanis kasutatav peamine vahelduvvoolu laadimisliides. Selle töötas välja Autotehnika Inseneride Ühing (SAE) ning see oli loodud vastama nendes piirkondades leiduvate ühefaasiliste elektrivõrkude erivajadustele.

2.1 Ajalooline kontekst ja disainifilosoofia

J1772 standard esitati esmakordselt 2001. aastal ja läbis praeguse kuju saavutamiseks mitu muudatust. Peamine disainieesmärk oli luua ohutu, töökindel ja kasutajasõbralik liides 1. taseme (120 V) ja 2. taseme (240 V) laadimiseks. Erinevalt Euroopa elektrivõrkude mitmefaasilistest nõuetest on Põhja-Ameerika elamute võrk valdavalt kahefaasiline, pakkudes kahte 120 V haru, mida saab kombineerida 240 V teenuse saamiseks. Seetõttu optimeeriti 1. tüüpi pistik suure voolutugevusega ühefaasiliseks laadimiseks.

2.2 Füüsilise kontakti konfiguratsioon

1. tüüpi pistikul on viie kontaktiga paigutus:

1. L1 (rida 1):Peamine toitejuht.
2. L2/N (2. liin või neutraaljuhe):120 V 1. taseme laadimisel toimib see neutraaljuhtmena. 240 V 2. taseme laadimisel toimib see teise 120 V faasina (L2).
3. PE (kaitsemaandus):Turvamaandusühendus, mis tagab sõiduki šassii ühenduse elektrivõrgu maandusega.
4. CP (juhtimispiloot):Sideliin, mida kasutatakse laadimisparameetrite kooskõlastamiseks EVSE ja sõiduki vahel.
5. CS (juhtimise haldamine) / läheduspiloot (PP):Tagasisideahel, mis tuvastab, kas pistik on täielikult sisestatud, ja võimaldab sõidukil laadimise ajal liikumist takistada.

2.3 Elektrilised omadused ja piirid

1. tüüpi standard toetab vahelduvvoolu laadimist kuni 80 amprini, mis 240 V juures annab maksimaalseks võimsuseks 19,2 kW. Enamik elamutele mõeldud 1. tüüpi laadijaid töötab aga voolutugevusega 16 A (3,8 kW) kuni 48 A (11,5 kW), mis vastab tavaliste sisseehitatud laadijate võimekusele. Tihvtide füüsiline konstruktsioon on vastupidav ja mõeldud taluma suuri termilisi koormusi tuhandete tsüklite jooksul. 1. tüüpi pistiku üks iseloomulik omadus on selle käsitsi lukustusmehhanism, mis nõuab kasutajalt päästiku vajutamist pistiku vabastamiseks sõiduki pistikupesast.

3. 2. tüüpi (IEC 62196-2) arhitektuur: Mennekesi standard, modulaarne disain ja Euroopa mitmekülgsus

Kui Euroopa turg püüdis elektriautode laadimist standardiseerida, seisis see silmitsi teistsuguse väljakutsega: kolmefaasiliste elektrisüsteemide levik elamu- ja äripindadel. Lahenduseks oli 2. tüüpi pistik, mida sageli nimetatakse selle disaininud Saksa ettevõtte järgi „Mennekes“ pistikuks.

3.1 Liikumine standardi IEC 62196-2 suunas

Rahvusvaheline Elektrotehnikakomisjon (IEC) võttis 2. tüüpi pistiku vastu osana standardist IEC 62196. Erinevalt 1. tüüpi pistikust, mis on oma olemuselt piiratud ühefaasilise tööga, kavandati 2. tüüpi pistik algusest peale modulaarseks ja tulevikukindlaks. See toetab ühefaasilist, jagatud faasiga ja kolmefaasilist vahelduvvoolu toiteallikat.

3.2 Seitsme kontaktiga paigutus ja funktsionaalsus

2. tüüpi pistik kasutab seitsme kontaktiga konfiguratsiooni:

1. L1, L2, L3:Kolm eraldi faasijuhet, mis võimaldavad kolmefaasilist toiteallikat.
2. N (neutraalne):Spetsiaalne neutraaljuht, mis on oluline kolmefaasiliste süsteemide jaoks, kus koormus võib olla tasakaalustamata.
3. PE (kaitsemaandus):Turvaala.
4. CP (juhtimispiloot):Signaaliliin (funktsioonilt identne J1772-ga).
5. PP (läheduse piloot):Kasutatakse pistiku olemasolu tuvastamiseks ja 2. tüüpi standardi kohaselt kaabli enda voolukandevõime edastamiseks takistuskodeeritud süsteemi abil.

3.3 Mitmekülgsus ja võimsuspiirid

2. tüüpi pistik on oluliselt võimsam kui 1. tüüpi pistik. Kolmefaasilises konfiguratsioonis suudab see toetada kuni 63 amprit faasi kohta, pakkudes teoreetiliselt kuni 43 kW vahelduvvoolu (kuigi enamiku avalike ja elamute kolmefaasiliste paigaldiste praktiline piir on 22 kW). Isegi ühefaasilises režiimis suudab see saavutada 1. tüüpi pistiku jõudluse. Lisaks on sõiduki 2. tüüpi sisend loodud ühilduma CCS2-ga (kombineeritud laadimissüsteem) kiireks alalisvoolu laadimiseks, lisades vahelduvvoolu liidese alla kaks suurt alalisvoolutihvti.

4. Toitefaasi dünaamika: ühefaasilise ja kolmefaasilise toiteallika efektiivsuse võrdlus

Kõige olulisem tehniline erinevus 1. ja 2. tüüpi süsteemide vahel seisneb selles, kuidas nad elektrifaase käsitlevad. See ei ole ainult pistiku valik, vaid peegeldab aluseks olevat võrguinfrastruktuuri.

4.1 Ühefaasilised piirangud 1. tüübi puhul

1. tüüpi süsteemis on sõiduki sisseehitatud laadija (OBC) konstrueeritud nii, et see võtab toidet vastu ühest vahelduvvooluallikast. Laadimiskiiruse suurendamiseks saab reguleerida ainult pinget (120 V kuni 240 V) ja voolutugevust. Kuna USA elamute laadimispaneelide koguvõimsus on tavaliselt piiratud 200 A-ga, vajavad üle 50 A elektriautode spetsiaalsed vooluringid märkimisväärset taristu uuendamist. Suure voolutugevusega ühefaasiline laadimine koormab juhtmestikku ja ühendusklemme suure termilise koormusega.

4.2 Kolmefaasilised eelised 2. tüübi puhul

2. tüüpi süsteemid kasutavad Euroopas ning Aasia ja Okeaania osades levinud kolmefaasilisi võrke. Jaotades võimsuse kolme faasi vahel, saab süsteem pakkuda palju suuremat koguvõimsust madalamate voolutugevuste juures faasi kohta. Näiteks 11 kW laadija kasutab kolme faasi peale kokku 16 A (3 x 230 V x 16 A ≈ 11 kW). Sama 11 kW saavutamiseks ühefaasilises 1. tüüpi süsteemis peaks voolutugevus olema umbes 46 A (240 V x 46 A ≈ 11 kW).

2. tüüpi süsteemide madalam voolutugevus faasi kohta viib järgmiseni:

• Vähendatud soojuse teke:Kaablite ja pistikute väiksem takistuslik kuumenemine.
• Väiksemad kaabli ristlõiked:Kergemad ja painduvamad kaablid sama võimsuse jaoks.
• Võrgu stabiilsus:Kolmefaasiline laadimine tagab võrgule tasakaalustatuma koormuse, vähendades faaside tasakaalustamatuse ja neutraalvoolu probleemide ohtu kohalikus jaotusvõrgu trafos.

4.3 Tõhusus ja konversioon

Tehnilisest küljest mõjutab see ka sisseehitatud laadija efektiivsust. Kolmefaasiline vahelduvvool muundatakse alalisvooluks sujuvamalt kui ühefaasiline vahelduvvool, mis nõuab aku stabiilse alalisvoolupinge saavutamiseks vähem mahtuvuslikku filtreerimist. See võib kolmefaasiliste OBC-de puhul viia veidi kõrgema muundamise efektiivsuseni võrreldes nende ühefaasiliste analoogidega.

(Ploki 1 lõpp. Jätkatakse järgmises plokis, et saavutada vajalik pikkus ja sügavus.)

5. Signaali terviklikkus ja kommunikatsioon: CP (juhtimispiloodi) ja PP (läheduspiloodi) funktsioonide üksikasjalik analüüs

EVSE ja elektriauto vahelist sidet haldavad kaks spetsiaalset madalpinge signaaliliini: juhtpiloot (CP) ja läheduspiloot (PP). Kuigi füüsilised pistikud erinevad, on vahelduvvoolu laadimise aluseks olev signaaliprotokoll standarditud vastavalt standarditele IEC 61851-1 ja SAE J1772.

5.1 Juhtpiloot (CP) ja impulsi laiuse modulatsioon (PWM)

CP-signaal on EVSE poolt genereeritud ±12 V 1 kHz ristküliklaine. See signaal toimib peamise käepigistuse ja olekuindikaatorina. Sidejada määratlevad kindlad pingetasemed ja PWM-signaali töötsükkel.

• Olek A (ooterežiim):EVSE väljastab püsivat +12 V alalisvoolu. See näitab, et laadija on sisse lülitatud, kuid ühtegi sõidukit pole ühendatud.
• Olek B (sõiduk ühendatud):Kui pistik on ühendatud, ühendab sõiduk CP ja PE liinide vahele takisti ja dioodi. See langetab pinget +12 V-lt +9 V-ni. EVSE tuvastab selle languse ja hakkab genereerima 1 kHz PWM-signaali.
• Olek C (tasu küsitakse):Sõiduk annab oma valmisolekust toite saamiseks märku lüliti sulgemisega, mis asetab vooluringile madalama takistuse, langetades CP pinget veelgi +6 V-ni. Sel hetkel sulgeb EVSE oma sisemised kontaktorid vahelduvvoolu tarnimiseks.
• Olek D (ventilatsioon on vajalik):Kui sõiduk vajab ventilatsiooni (mis on tänapäeva elektriautode puhul haruldane, aga kuulub standardi hulka), langeb pinge +3 V-ni.
• Olek E/F (vead):0V või -12V signaal näitab viga, näiteks maandusviga või täielik sidekatkestus.

SeeTöötsükkelEVSE edastatud PWM-signaalist annab sõidukile teada maksimaalse voolutugevuse, mida see tohib tarbida. Näiteks:

• 10% töötsükkel = 6 amprit
• 25% töötsükkel = 15 amprit
• 50% töötsükkel = 30 amprit
• 80% töötsükkel = 48 amprit

See võimaldab dünaamilist koormuse haldamist; kui maja energiatarbimine suureneb, saab EVSE vähendada töötsüklit, et vältida peakaitselüliti rakendumist.

5.2 Lähedusandur (PP) ja mehaaniline lukustus

PP-signaal tagab, et sõiduk ei saa vooluvõrku ühendatud olles minema sõita, ja aitab süsteemil määrata kaabli voolukandevõimet.

• 1. tüübi (J1772) korral:PP-liin (sageli nimetatakse seda CS-tihvtiks) on ühendatud pistiku käepidemes oleva lülitiga. Kui kasutaja vajutab vabastusnuppu, katkeb vooluring. Sõiduk tunneb seda koheselt ja lõpetab voolu tarbimise enne, kui peamised toitetihvtid lahti ühendatakse, hoides ära elektrilise kaarlekke.
• 2. tüübi puhul (IEC 62196):PP-joont kasutatakse kaablitüübi tuvastamiseks. Kaablite PP- ja PE-tihvtide vahele on paigaldatud takisti. 11 kW kaablil (16A) on erinev takistus kui 22 kW kaablil (32A). EVSE ja sõiduk kasutavad seda takistust, et tagada kaabli termiliste piiride mitte ületamine isegi siis, kui sõiduk on võimeline suuremat võimsust tarbima.

6. Mehaaniline disain ja ohutus: lukustusmehhanismid, IP-kaitseaste ja füüsiline vastupidavus

Elektriautode laadimise füüsiline keskkond on karm – avatud vihmale, lumele, tolmule ja äärmuslikele temperatuuridele. Seetõttu on 1. ja 2. tüüpi pistikute mehaaniline disain äärmiselt läbimõeldud.

6.1 Lukustusmehhanismid: käsitsi vs. elektroonilised

Kahe standardi oluline erinevus seisneb pistiku sõiduki külge kinnitamises.

• 1. tüüpi käsitsi avatav riiv:1. tüüpi pistikul on pöidlaga aktiveeritav mehaaniline riiv. See on lihtne ja usaldusväärne, kuid ebaturvaline; igaüks saab laadimisauto juurde minna ja pistikupesast lahti ühendada, kui kasutaja ei lisa käepidemele eraldi tabalukku.
• 2. tüüpi elektrooniline lukk:2. tüüpi standard tugineb sõiduki laadimispesas olevale mootoriga lukustustihvtile. Laadimise alustamisel lukustab sõiduk pistiku automaatselt oma kohale. See hoiab ära kaabli varguse (Euroopas levinud lahtiste laadijate puhul) ja tagab, et pistikut ei saa voolu ajal eemaldada.

6.2 Sissetungimise kaitse (IP) ja keskkonnakaitse tihendamine

Mõlemad pistikud on loodud vastama kõrgetele IP-reitingutele (tavaliselt IP54 või kõrgem ühendatuna).

• Drenaažikanalid:2. tüüpi pistikutel on spetsiaalsed drenaažiavad, et vältida vee kogunemist tihvtide ümber.
• Materjaliteadus:Korpused on valmistatud UV-stabiliseeritud löögikindlatest polümeeridest, näiteks PBT-st (polübutüleentereftalaat), et taluda kukkumist betoonile ja intensiivset päikesevalgust.
• Kontaktkate:Tihvtid on tavaliselt hõbetatud, et tagada madal kontakttakistus ja kõrge vastupidavus tuhandete paaritustsüklite jooksul.

6.3 Soojusjuhtimine

Kaasaegsed suure võimsusega vahelduvvoolulaadijad sisaldavad sageli pistikusse sisseehitatud termistore (NTC-andureid). Need andurid jälgivad tihvtide temperatuuri reaalajas. Kui temperatuur ületab ohutu läve (nt lahtise ühenduse või sisselaskeava prahi tõttu), annab EVSE sõidukile märku laadimisvoolu vähendamiseks või täielikuks väljalülitamiseks, et tulekahju vältida.

7. Globaalsed võrgutopoloogiad: TN-, TT- ja IT-võrgud ning nende mõju EVSE paigaldamisele

EVSE projekteerimist ja paigaldamist mõjutavad suuresti eri piirkondades kasutatavad maandussüsteemid. Enne laadimise alustamist peab EVSE tuvastama ohutu maanduse olemasolu.

7.1 TN süsteemid (maa-neutraalsed)

TN-süsteem on levinud Põhja-Ameerikas (TN-CS) ja Ühendkuningriigis. Selles lahenduses on neutraaljuhe ja maandus teenindussissepääsu juures ühendatud. Kuigi see tagab rikkevoolude usaldusväärse tee, kujutab see endast ohtu avatud PEN-i (kaitsemaanduse neutraaljuhtme) rikke korral. Kui võrgu neutraaljuhe katkeb, võib elektriauto šassii liinipingel pinge alla sattuda. See on viinud spetsiaalsete avatud PEN-i tuvastamise seadmete väljatöötamiseni Ühendkuningriigi spetsifikatsioonidega laadijates.

7.2 TT-süsteemid (Terra-Terra)

Mandri-Euroopa osades (näiteks Prantsusmaal ja Itaalias) ja Jaapanis levinud TT-süsteem kasutab kohalikku maandusvarda, mis ei ole ühendatud võrgu neutraaljuhtmega. TT-võrkudele paigaldatud EVSE peab olema maandustakistuse suhtes väga tundlik. Kui maandusvarras ei ole piisavalt sügaval või pinnas on liiga kuiv, võib laadija käivitumisest keelduda, kuna see ei suuda kontrollida madala takistusega teed maandusse.

7.3 IT-süsteemid (Isolé-Terra)

Norras ja mõnes tööstuskeskkonnas esineval IT-süsteemil puudub otsene ühendus neutraali/faaside ja maa vahel. See on elektriautodele ainulaadne väljakutse, kuna paljud pardalaadijad on konstrueeritud maandatud neutraaliga. Elektriautode ohutuks laadimiseks IT-võrkudes on sageli vaja spetsiaalseid isolatsioonitrafosid.

7.4 Võrgu sageduse ja pinge kõikumised

Kuigi 1. ja 2. tüüpi laadijaid eristatakse peamiselt faasitoe poolest, mõjutab sõiduki sisseehitatud laadija induktiivpoolide ja kondensaatorite konstruktsiooni ka aluseks olev võrgusagedus (60 Hz USA-s/Jaapanis vs 50 Hz enamikus ülejäänud maailmas). Enamik tänapäevaseid OBC-sid on aga laiaulatuslikud, suutes taluda 100 V–250 V ja 50/60 Hz pingeid.

8. Kodumajapidamiste energiatarbimise piirangud: kuidas riiklikud elektrivõrgu eeskirjad ja kodused jaotuspaneelid piiravad elektriautode laadimiskiirust

Teoreetilisi laadimiskiirusi (näiteks 22 kW 2. tüübi või 19,2 kW 1. tüübi puhul) saavutatakse elamutes harva kohaliku elektrivõrgu ja kodu elektripaneeli piirangute tõttu.

8.1 Põhja-Ameerika: paneeli piirang 200A

Ameerika Ühendriikides on tüüpilisel tänapäevasel kodul 200 A teeninduspaneel. 48 A voolutugevusega 2. taseme laadija vajab 60 A kaitselülitit. Riikliku elektrikoodeksi (NEC) kohaselt ei tohiks pidev koormus (nagu elektriautode laadimine) ületada 80% kaitselüliti nimiväärtusest. Vanemate 100 A paneelidega kodudes on suure võimsusega elektriautode laadimisseadme paigaldamine võimatu ilma teenindusuuenduseta, mis võib maksta tuhandeid dollareid. See on toonud kaasa 32 A (7,7 kW) laadijate populaarsuse, mis tasakaalustavad laadimiskiirust paneeli võimsusega.

8.2 Ühendkuningriik: ühefaasiline domineerimine ja avatud PEN

Kuigi Ühendkuningriigi elektrivõrk on jaotusvõrgu tasandil kolmefaasiline, on enamiku kodude laadimisvõimsus ühe 230 V, 60 A või 100 A faasiga. See piirab elamute laadimisvõimsust 7,4 kW-ni. Eelnevalt mainitud TN-CS maanduse tõttu nõuavad Ühendkuningriigi eeskirjad laadijatelt kallist kaitset avatud neutraaljuhtmete eest, mistõttu on Ühendkuningriigis kasutatavad elektrilaadijad tehniliselt keerukamad kui nende Euroopa analoogid.

8.3 Saksamaa ja Põhja-Euroopa: 11 kW standard

Saksamaal on kolmefaasiline toide peaaegu igas elamus standardvarustuses. See võimaldab laialdaselt paigaldada 11 kW (3 x 16 A) seinalaadijaid. Erinevalt USA-st, kus 11 kW laadimiseks on vaja tugevat 60 A ühefaasilist vooluringi, on Saksamaal vaja ainult 16 A kolmefaasilist vooluringi, mis kasutab palju õhemaid juhtmeid ja mahub hõlpsasti olemasolevatesse jaotuspaneelidesse. Paljud Saksamaa kommunaalettevõtted nõuavad üle 11 kW laadijate (näiteks 22 kW seadmed) puhul teavitamist või heakskiitu, et tagada kohaliku võrgu stabiilsus.

8.4 Austraalia ja Uus-Meremaa: kõrgepinge, ühefaasiline

Austraalias kasutatakse Ühendkuningriigiga sarnast 230 V/240 V süsteemi. Enamik elamute paigaldisi on ühefaasilised 7,4 kW. Pikkade vahemaade ja võrgu maapiirkondade iseloomu tõttu on pingekõikumised aga tavalised. Nendes piirkondades peavad elektrilised jõuallikad olema varustatud tugeva ülepinge- ja alapingekaitsega, et tulla toime pingekatkestuste või liigpingehüpetega ilma sõidukit kahjustamata.

(2. ploki lõpp. Jätkatakse järgmises plokis, et saavutada vajalik pikkus ja sügavus.)

9. Põhjalik vooluringi kaitse: A/B-tüüpi RCD-de, alalisvoolu lekke tuvastamise ja ülekoormuse kaitse rakendamine vahelduvvoolu laadimisel

Ohutus on elektriautode disaini nurgakivi. Elektriauto laadimine hõlmab suurte energiakoguste tarnimist pikkade ajavahemike jooksul, sageli märgades tingimustes. Seetõttu peab kaitselülitus olema palju keerukam kui tavalisel kodumasinal.

9.1 Rikkevoolukaitselülitid (RCD-d): tüüp A vs tüüp B

RCD on loodud tuvastama liini ja neutraaljuhtmete vahelist tasakaalutust, mis viitab lekkele maandusse („maandusrike“). Elektriautode laadimisel on spetsiifiline oht:Alalisvoolu jääkvool.

• A-tüüpi RCD-d:Need on elamute paneelides tavalised ja suudavad tuvastada vahelduvvoolu ja pulseerivat alalisvoolu jääkvoolu. Sujuv alalisvoolu leke võib neid aga „pimestada“. Kui elektriauto sisseehitatud laadija rike põhjustab vahelduvvoolu poolele rohkem kui 6 mA sujuvat alalisvoolu lekke, võib A-tüüpi RCD sisemine trafo südamik küllastuda, takistades selle rakendumist isegi ohtliku vahelduvvoolu rikke korral.
• B-tüüpi RCD-d:Need on loodud vahelduvvoolu, pulseeriva alalisvoolu ja alalisvoolu jääkvoolude tuvastamiseks. Kuigi need pakuvad paremat kaitset, on need oluliselt kallimad.
• RDC-DD (jääkvoolu tuvastamise seade):Kulude vähendamiseks ja ohutuse säilitamiseks on paljudes tänapäevastes elektriseadmetes (EVSE) RDC-DD moodul (vastab standardile IEC 62955). See moodul tuvastab sujuva alalisvoolu lekke üle 6 mA ja vabastab laadija. RDC-DD olemasolu korral saab ülesvoolu jaotuskilbis kasutada standardset (ja odavamat) A-tüüpi RCD-d.

9.2 Ülekoormuse ja lühise kaitse

Iga elektriauto laadimisahel peab olema kaitstud miniatuurkaitselülitiga (MCB). Kuna elektriauto laadimine on pidev koormus, tuleb miniatuurkaitselüliti nimiväärtust vähendada. USA-s (NEC) vajab 40 A laadimiskoormus 50 A kaitselülitit. Euroopas sõltub kaitselüliti (tüüp B, C või D kõver) valik sõiduki sisseehitatud laadija eeldatavast käivitusvoolust. Üldiselt eelistatakse C-kõvera kaitselülitit, et vältida ebameeldivat rakendumist esmase ühendamise etapi ajal.

9.3 Ülepingekaitse (SPD)

Elektrilised ülepingekaitseseadmed (EVSE) paigaldatakse sageli õue ja ühendatakse suure metallesemega (autoga), mistõttu on need haavatavad kaudsete pikselöökide ja võrgupingete suhtes. 2. tüüpi ülepingekaitseseadme (SPD) paigaldamine on väga soovitatav (ja mõnes piirkonnas, näiteks Saksamaal, kohustuslik), et kaitsta nii laadija kui ka sõiduki tundlikku elektroonikat.

9.4 Kontaktorid ja galvaaniline isolatsioon

EVSE jõuülekande keskmes onKontaktorSee on suure koormusega relee, mis füüsiliselt ühendab või lahti ühendab vahelduvvoolu toitepistikuid. Ohutuse tagamiseks peab kontaktor olema „tavaliselt avatud“, mis tähendab, et toide antakse ainult siis, kui CP signaal näitab olekut C (laadimiseks valmis). Kvaliteetsed EVSE-d kasutavad kolmefaasiliste süsteemide jaoks neljapooluselisi kontaktoreid, et tagada kõigi faaside ja neutraali isoleerimine, kui neid ei kasutata. Mõned täiustatud seadmed sisaldavad ka „keevitatud kontakti tuvastamist“, mis jälgib kontaktori olekut; kui kontaktid sulanduvad kokku (hoiab ära toite katkemise), käivitab EVSE riistvaralise alarmi ja jääb rikkeolekusse.

10. Nutikas laadimine ja ISO 15118: liikumine PWM-ist digitaalse kommunikatsiooni ja pistikprogrammiga laadimise poole

Kuigi lihtsaks vahelduvvoolulaadimiseks piisab põhilisest CP/PP-signaalist, sõltub elektriautode ökosüsteemi tulevik rikkalikust digitaalsest andmevahetusest. Siin tulebki mängu standard ISO 15118.

10.1 PWM-i piirangud

Standardne PWM-signaalimine edastab ainult maksimaalset saadaolevat voolu. See ei ütle EVSE-le sõiduki laetuse olekut, aku mahtuvust ega unikaalset identifikaatorit. Ilma selle teabeta on selliseid funktsioone nagu automaatne arveldamine, võrguteadlik laadimine ja kahesuunaline energiaülekanne keeruline rakendada.

10.2 HomePlug Greeni PHY ja PLC kommunikatsioon

ISO 15118 tutvustabElektriliiniside (PLC)üle juhtpiloodi (CP) juhtme. Kõrgsagedusliku digitaalsignaali (HomePlug Green PHY) lisamisega 1 kHz CP signaalile saavad sõiduk ja EVSE luua TCP/IP-ühenduse. See võimaldab:

• Ühenda ja laadi:Sõiduk tuvastab end laadija jaoks automaatselt. Laadija suhtleb taustserveriga, et seanss autoriseerida ja makseid töödelda ilma RFID-kaardi või mobiilirakenduseta.
• Nutika võrgu integreerimine:Elektriauto saab edastada oma planeeritud väljumisaja ja energiavajaduse. Seejärel saab elektrivõrk (või kodune energiahaldussüsteem – HEMS) ajastada laadimise ajale, mil elektrihinnad on madalaimad või taastuvenergia tootmine kõrgeim.

10.3 Kahesuunalise laadimise tulevik (V2G, V2H, V2X)

Üks ISO 15118 (täpsemalt revisjoni -20) põnevamaid aspekte on kahesuunalise vahelduvvoolu laadimise tugi. Kuigi enamik sõidukist võrku (V2G) rakendusi kasutab praegu alalisvoolu (CHAdeMO või CCS-i kaudu), võimaldab kahesuunaline vahelduvvoolu laadimine sõidukil kasutada oma sisseehitatud laadijat inverterina, et suunata energiat tagasi koju või võrku. See nõuab, et EVSE toimiks keeruka väravavahina, tagades, et võrku tagasi suunatav energia vastab ideaalselt võrgu faasile ja sagedusele.

11. Piirkondlike standardite analüüs: GB/T (Hiina) vs. 2. tüüp

Kuigi 1. ja 2. tüüp katavad suurema osa maailmast, kasutab Hiina – maailma suurim elektriautode turg – oma standardit:GB/T 20234.

11.1 Füüsilised sarnasused 2. tüübiga

Füüsiliselt näeb GB/T vahelduvvoolupistik väga sarnane välja 2. tüüpi pistikuga. Sellel on seitsme kontaktiga paigutus. Kuid sood on vastupidised: pistikul on kontaktid (isased) ja autol on pistikupesad (emased), mis on vastupidine 2. tüüpi standardile.

11.2 Suhtluserinevused

GB/T AC signaalimine põhineb samal PWM-põhimõttel nagu 1. ja 2. tüüp. PP ja CP käepigistuste täpsed takistite väärtused erinevad aga veidi. See tähendab, et Euroopa 2. tüüpi auto ei saa kasutada Hiina GB/T laadijat (ega vastupidi) ilma spetsiaalse adapterita, mis mitte ainult ei muuda füüsilisi tihvte, vaid sisaldab ka signaali muundamise vooluringi.

11.3 Turumõju

GB/T standardi lahknevus toob esile geopoliitilised ja majanduslikud tegurid, mis mõjutavad tehnilist standardimist. Oma standardi loomisega tagas Hiina oma kodumaistele tootjatele kaitstud ökosüsteemi, kasutades samal ajal ära IEC standarditest saadud tehnilisi õppetunde.

12. Testimine, sertifitseerimine ja kvaliteedi tagamine: UL, CE ja muud sertifikaadid

Enne kui elektriajamiga elektriajamiga seadet saab müüa, tuleb see läbida ranged testid, et tagada, et see ei põhjusta kasutajale elektrilööki ega tulekahju.

12.1 UL 2594 ja UL 2231 (Põhja-Ameerika)

Põhja-Ameerikas määratleb EVSE standardid Underwriters Laboratories (UL). UL 2594 hõlmab laadimisjaama põhikonstruktsiooni ja ohutust, samas kui UL 2231 keskendub personalikaitsesüsteemidele (RCD/GFCI funktsionaalsus). UL-sertifikaadi põhinõue on löögikindlus – laadija peab suutma vastu pidada rasketele löökidele ilma pingestatud osi paljastamata.

12.2 CE ja IEC 61851 (Euroopa/globaalne)

Euroopas näitab CE-märgis vastavust madalpingedirektiivile ja elektromagnetilise ühilduvuse direktiivile. Peamine tehniline standard onIEC 61851Testimine hõlmab järgmist:

• Dielektriline tugevus:Isolatsiooni vastupidavuse tagamine kõrgepingeimpulssidele.
• Temperatuuri tõus:Laadija ülekuumenemise vältimiseks laske sellel tundide kaupa maksimaalse voolutugevusega töötada.
• Keskkonnakindlus:Soolapihustustestid rannikualadel ja tolmu sissetungimise testid kuivades piirkondades.

12.3 Koostalitlusvõime testimise olulisus

Lisaks ohutusele on väljakutseks kaKoostalitlusvõimeMitte iga auto ei tööta iga laadijaga ideaalselt. Sellised rühmad nagu CharIN (laadimisliidese algatus) korraldavad „teste“, mille käigus tootjad toovad oma sõidukid ja laadijad kohale, et kontrollida, kas käepigistused ja sideprotokollid toimivad eri kaubamärkide vahel laitmatult.

(3. ploki lõpp. Nutipistikute tehniliste üksikasjade ja tulevase standardiseerimise edasine laiendamine.)

13. Täiustatud komponentide jaotus: moodsa seinakarbi sisemine ehitus

1. ja 2. tüüpi süsteemide erinevuse detailseks mõistmiseks tuleb vaadata „seinakarbi” enda sisse. EVSE ei ole lihtsalt uhke pikendusjuhe; see on keerukas energiahaldusarvuti.

13.1 Peakontroller (MCU)

EVSE aju on tavaliselt 32-bitine mikrokontroller (näiteks ARM Cortex-M seeria). See kiip tegeleb 1 kHz CP-signaali genereerimisega, jälgib PP-takistust ja käitab ohutusloogikat. Nutikates laadijates haldab see mikrokontroller ka WiFi- või Etherneti-võrku ning suhtleb kasutaja mobiilirakendusega MQTT- või HTTP-protokollide kaudu.

13.2 Voolumõõtmine: Halli efekt vs. šunt

Tarnitud energia jälgimiseks ja ülekoormuse tuvastamiseks kasutab EVSE vooluandureid.

• Halli efekti andurid:Need mõõdavad voolu tekitatud magnetvälja. Need pakuvad galvaanilist isolatsiooni ja sobivad suurepäraselt suure voolutugevusega rakenduste jaoks.
• Šundtakistid:Need mõõdavad pingelangu teadaoleva takistuse ulatuses. Kuigi need on väga täpsed, vajavad nad keerukamat isolatsiooniahelat.

Kolmefaasilistes 2. tüüpi laadijates peab mikrokontroller jälgima samaaegselt kolme eraldi vooluteed, et tagada faaside tasakaal ja tuvastada ühe faasi rike.

13.3 Abitoiteallikas

Sisemine elektroonika (mikrokontroller, WiFi-moodul, ekraan ja kontaktori mähised) vajab madalpinge alalisvoolutoiteallikat (tavaliselt 12 V või 5 V). 2. tüüpi kolmefaasilises süsteemis on abitoiteallikas sageli konstrueeritud töötama isegi siis, kui on olemas ainult üks faas, võimaldades laadijal jääda "võrgus" olevaks ja teatada kasutajale faasikatkestuse veast.

14. Nutikad pistikud ja standardiseeritud ühendused: kaasaskantava laadimise tulevik

Kuigi statsionaarsed seinalaadijad on kuldstandard, loodavad paljud elektriautode omanikud kaasaskantavatele laadijatele (neid nimetatakse sageli „vanaemakaabliteks“ või „IC-CPD“ – kaablisisesed juhtimis- ja kaitseseadmed).

14.1 Kodumajapidamises kasutatavate pistikute tehnilised riskid

Elektriauto laadimine tavalisest majapidamispistikupesast (NEMA 5-15 USA-s või Schuko Euroopas) on tehniliselt keeruline. Need pistikupesad ei ole loodud andma pidevalt 10–16 amprit 12 tunni jooksul.

• Termiline põgenemine:Aja jooksul võib pistikupesa metallkontaktide pinge nõrgeneda, mis põhjustab suurt takistust ja äärmist kuumenemist.
• Nutikad pistikud appi:Kvaliteetsetel kaasaskantavatel laadijatel on nüüd temperatuuriandurid, mis on otse kodusesse seinakontakti sisse ehitatud. Kui pistik hakkab üle kuumenema, annab IC-CPD autole märku voolutarbe vähendamiseks, hoides ära pistikupesa sulamise.

14.2 „Universaalne” kaasaskantav laadija

2. tüüpi ökosüsteemis on uueks trendiks modulaarne kaasaskantav laadija (nagu Juice Booster või Tesla Mobile Connector). Need seadmed kasutavad vahetatavate adapterite seeriat. Seade tuvastab ühendatud adapteri (kasutades PP-tihvtiga sarnast takistikodeeringut) ja määrab automaatselt maksimaalse laadimisvoolu. See pakub universaalset laadimislahendust, mis töötab eri riikides ja pistikupesatüüpides, säilitades samal ajal statsionaarse seinakarbi ohutuse.

15. Põhja-Ameerika üleminek: 1. tüübist (J1772) NACS-i (SAE J3400)

Põhja-Ameerika turul toimub praegu suur nihe, mis raskendab 1. ja 2. tüübi võrdlust: Tesla poolt välja töötatud ja nüüdseks standarditud SAE J3400 nime all Põhja-Ameerika laadimisstandardi (NACS) kasutuselevõtt.

15.1 NACS-i tehniline ülevaade

Erinevalt 1. ja 2. tüübist, millel on vahelduvvoolu ja alalisvoolu laadimiseks eraldi tihvtid, kasutab NACS-pistik mõlema jaoks samu kahte primaartikku. See on elegantne ja kompaktne disain, mis toetab nii ühefaasilist vahelduvvoolu kui ka kiiret alalisvoolu.

15.2 Protokollide lähenemine

Oluline on see, et kuigi füüsiline NACS-pistik on erinev, kasutab seesamad sideprotokollidnagu standardid, mida oleme arutanud. Vahelduvvoolu laadimiseks kasutab see J1772 PWM-signaalimist. Alalisvoolu laadimiseks kasutab see ISO 15118 PLC-kommunikatsiooni. See tähendab, et lihtsa passiivse adapteriga saab 1. tüüpi autot laadida NACS-i vahelduvvoolujaamas ja vastupidi. See üleminek rõhutab liikumist füüsilise kompaktsuse poole, ohverdamata standardiseeritud signaalimisloogikat, mis tagab globaalse koostalitlusvõime.

16. Pardal oleva laadija (OBC) topoloogia mõju vahelduvvoolu laadimise jõudlusele

Pistik ja seinakarbi ühendus on vaid pool loost. Sõiduki pardalaadija (OBC) dikteerib lõppkokkuvõttes laadimiskiiruse.

16.1 Ühefaasiline OBC vs. kolmefaasiline OBC

Paljudel algtaseme elektriautodel (ja pistikhübriididel) on ainult ühefaasiline OBC, isegi 2. tüüpi turgudel. Kui ühendada auto, millel on 7 kW ühefaasiline OBC, 22 kW kolmefaasilise 2. tüüpi laadijaga, tarbib see ühest kolmest saadaolevast faasist ainult 7 kW. See on tarbijate seas tavaline segadust tekitav tegur.

16.2 Modulaarsed OBC-konstruktsioonid

Mõned tootjad (näiteks Tesla ja Renault) kasutavad modulaarseid OBC-sid. 2. tüüpi turul võib autol olla kolm identset 3,7 kW laadimismoodulit. Kolmefaasilise vooluvõrku ühendatuna töötleb iga moodul ühte faasi, kokku 11 kW. Ühefaasilise 1. tüüpi laadijaga (USA-s) ühendatuna saab auto neid mooduleid paralleelselt ühendada, et ühest suure voolutugevusega faasist kuni 11 kW tarbida. See modulaarsus on jõuelektroonika inseneritöö meistriteos, mis võimaldab sama sõidukiplatvormi müüa kogu maailmas minimaalsete muudatustega selle kõrgepinge arhitektuuris.

17. Tarkvara roll: OCPP ja pilvepõhine koormuse haldamine

Kuna liigume tuhandete samasse võrku ühendatud laadijate poole, muutub tarkvara sama oluliseks kui vask ja räni.

17.1 Avatud laadimispunkti protokoll (OCPP)

OCPP on tööstusharu standardkeel, mida kasutatakse EVSE ja keskse haldussüsteemi (CMS) vahel. See võimaldab:

• Kaugdiagnostika:Tehnik saab laadija taaskäivitada või selle püsivara uuendada tuhandete miilide kauguselt.
• Dünaamiline koormuse tasakaalustamine:Kortermajas, kus on 20 laadijat, kuid ainult 100 A voolutugevusega, saab CMS kasutada OCPP-d, et öelda igale laadijale reaalajas, kui palju voolu see pakkuda suudab, tagades, et hoone peakaitselüliti ei rakendu kunagi, maksimeerides samal ajal kõigile autodele edastatava energia koguhulga.

17.2 Kasutajakogemus (UX) ja rakenduste majandus

Tarbija jaoks kaob 1. ja 2. tüübi erinevus sageli nutitelefoni rakenduse taha. Positiivse kasutuskogemuse aluseks jääb aga ühenduse tehniline töökindlus – kui kiiresti CP käepigistus lõpeb, kui usaldusväärselt WiFi pärast voolukatkestust taasühendub.

18. Kokkuvõte: hübriidlaadimise maailma keerukustes orienteerumine

1. ja 2. tüüpi elektriautode laadijate erinevus seisneb enamas kui ainult kontaktide arvus või plastiku kujus. See peegeldab kahte erinevat elektriinfrastruktuuri filosoofiat.

• Tüüp 1 (J1772)on vastupidav ja suure voolutugevusega lahendus, mis on optimeeritud Põhja-Ameerikas ja Jaapanis domineeriva ühefaasilise 120V/240V kahefaasilise võrgu jaoks. Selle viie kontaktiga disain – kaks toidet, üks maandus, kaks signaali – on tahtlikult lihtne, pakkudes usaldusväärset 2. taseme laadimist kuni 80A (19,2kW) voolutugevusega 240V vooluringil. See on loodud maailma jaoks, kus suurem osa laadimisest toimub kodus või tööl tundide kaupa ning kus lihtsus ja maksumus domineerivad inseneriülesannetes.
• Tüüp 2 (IEC 62196-2)on seitsmekontaktiline platvorm, mis on loodud Euroopa ja suure osa Aasia kolmefaasilise 400 V elektrivõrgu jaoks. Sellel on samad kaks signaalikontakti, kuid lisaks kolmefaasilised toitekontaktid, mis võimaldavad vahelduvvooluga laadimist kuni 43 kW (või 22 kW enamikus reaalsetes paigaldistes) ja toetavad suuremaid võimsustihedusi, mida Euroopa elamu- ja äritaristu nõuab. Selle mitmekülgsus laieneb ka alalisvoolule: 2. tüüpi pistikute perekond on CCS2 kombineeritud sisendi aluseks, samas kui 1. tüüpi J1772 disain pani aluse CCS1-le.
• Kokkuvõte:Kumbki standard pole absoluutses mõttes „parem” – kumbki on oma koduse elektrivõrgu ustav insenerilahendus. Tüüp 1 on ökonoomne ja vastupidav valik ühefaasiliste piirkondade jaoks; tüüp 2 on suure võimsusega ja tulevikuplaanidega platvorm kolmefaasiliste piirkondade jaoks. Rikkeallikas ei ole pistik, vaid riistvara, mis keeldub kohanemast: laadijad ja elektriautod, mis toetavad ainult ühte standardit, lukustavad oma omanikud kasvavast globaalsest rändlusvõrgust välja.

Edasine tee

Tootjate ja operaatorite jaoks on praktiline lahendus mitmestandardiline riistvara. Kahestandardilised alalisvoolulaadijad (CCS1 + CCS2, CCS + CHAdeMO ja üha enam NACS) võimaldavad ühel tootel teenindada iga piirkonda, samas kui adapterite ökosüsteemid laiendavad vananenud sõidukeid. Tarbijate jaoks on õppetund lihtsam: valige sõidukid ja laadijad, mis toetavad teie tegelikult kasutatavate võrkude standardeid – ja oodake, et tööstuse lähenemine NACS-ile Põhja-Ameerikas ja CCS2-le Euroopas muudab ühilduvuse iga aastaga vähem peavalu tekitavaks.

Märkus ohutussertifikaadi kohta

Pistiku kuju taga peitub inseneritöö kiht, mida tarbijad kunagi ei näe, kuid mida iga paigaldaja peab austama: sertifitseerimine. 1. tüüpi riistvaral on Põhja-Ameerikas UL 2594 / UL 2594-1 ja CSA sertifikaadid, samas kui 2. tüüpi riistvara peab vastama IEC 61851-1 standardile ja äripaigaldiste puhul IEC 62196-2 komponentide sertifikaadile Euroopas. CE-märgis, UKCA ja üha enam ka kohalike võrgukoodide järgimine (nt VDE-AR-N 4100 Saksamaal) määravad, kas laadijat saab seaduslikult võrku ühendada. Operaatorid, kes hangivad riistvara mitme piirkonna jaoks, peaksid nõudma sertifikaate, mis vastavad igale paigaldusjurisdiktsioonile – nõue, mis soosib ebaproportsionaalselt tootjaid, kes testivad ja sertifitseerivad iga piirkondlikku varianti, selle asemel et ühte disaini ümber märgistada.

Peamised järeldused

• Tüüp 1 (J1772) peegeldab ühefaasilist Põhja-Ameerika infrastruktuuri; tüüp 2 (IEC 62196-2) peegeldab kolmefaasilist Euroopa infrastruktuuri.
• Viie kontaktiga 1. tüüpi ja seitsme kontaktiga 2. tüüpi konstruktsioonid tuginevad mõlemad samale CP/PP signaalimisloogikale, seega jagatakse elektrilist "keelt" isegi siis, kui geomeetria erineb.
• 2. tüübi kolmefaasiline võimekus võimaldab palju suuremat vahelduvvooluvõimsust, samas kui 1. tüübi lihtsus hoiab kulud ja keerukuse madalad.
• OCPP-põhine võrguhaldus ja mitmestandardiline riistvara muudavad hübriidlaadimise maailma operaatoritele hallatavaks ja autojuhtidele sujuvaks.

MIDA Power toodab hübriidmaailma laadijaid: vahelduvvoolu- ja alalisvoolusüsteemid, CCS1/CCS2/CHAdeMO/NACS pistikuvõimalused ja OCPP-ühilduv võrgutarkvara, mis haldab mis tahes standardite kombinatsiooni ühelt juhtpaneelilt. Võtke meie meeskonnaga ühendust, et saada ühilduvusjuhiseid, tehnilisi kirjeldusi ja teie piirkonna infrastruktuurile kohandatud hinnapakkumist.