Az 1-es típusú J1772 és a 2-es típusú IEC 62196-2 rendszerek összehasonlítása

A globális elektromosjármű-töltési szabványok végleges műszaki útmutatója: Az 1-es típusú J1772 és 2-es típusú IEC 62196-2 rendszerek, a hálózati topológia, a kommunikációs protokollok és az intelligens infrastruktúra átfogó összehasonlítása

1. Bevezetés: A globális átállás az elektromosításra és a szabványosított töltés szerepe

A globális autóipar paradigmaváltáson megy keresztül, a belső égésű motorokról (ICE) az elektromos meghajtásra való átállással. Ennek az átmenetnek a középpontjában az azt támogató infrastruktúra áll: az elektromos járművek ellátó berendezései (EVSE), amelyeket általában EV-töltőknek neveznek. Az elektromos járművek (EV) elterjedésének felgyorsulásával a töltési szabványok technikai árnyalatainak megértése kiemelkedő fontosságúvá válik mind a mérnökök, mind a politikai döntéshozók, mind a fogyasztók számára.

Az elektromos járművek töltési szabványainak fejlesztése történelmileg széttagolt volt, amelyet a regionális elektromos hálózati architektúrák, a szabályozási környezet és az autógyártók stratégiai érdekei befolyásoltak. Napjainkban két fő szabvány uralja a váltakozó áramú (AC) töltési piacot: az 1-es típus (SAE J1772) és a 2-es típus (IEC 62196-2). Bár mindkettő ugyanazt az alapvető célt szolgálja – az elektromos energia átvitele a hálózatról a jármű fedélzeti töltőjére –, technikai megvalósításuk, fizikai kialakításuk és kommunikációs protokolljaik jelentősen eltérnek.

Ez a cikk az 1-es és 2-es típusú töltőrendszerek mélyreható műszaki elemzését nyújtja. Feltárjuk architektúrájukban mutatkozó különbségeiket, a különböző globális hálózati topológiákhoz való alkalmazkodóképességüket, kommunikációs jeleik fizikáját, valamint a felhasználót és a járművet egyaránt védő biztonsági mechanizmusokat. Továbbá megvizsgáljuk, hogy a különböző országokban a lakossági energiakorlátozások hogyan befolyásolják a töltési sebességet, valamint azokat a felmerülő trendeket, amelyek az elektromos járművek ökoszisztémájában a szabványosított, intelligens összekapcsolás jövőjét alakítják.

2. 1. típusú (SAE J1772) architektúra: Történelem, csatlakozókiosztás és észak-amerikai dominanciája

Az 1-es típusú csatlakozó, korábbi nevén SAE J1772 szabvány, az Észak-Amerikában és Japánban használt elsődleges AC töltőcsatlakozó. A Society of Automotive Engineers (SAE) által kifejlesztett csatlakozó az ezekben a régiókban található egyfázisú elektromos hálózatok sajátos igényeinek kielégítésére szolgál.

2.1 Történeti kontextus és tervezési filozófia

A J1772 szabványt először 2001-ben javasolták, és számos módosításon esett át, mire elérte jelenlegi formáját. Az elsődleges tervezési cél egy biztonságos, robusztus és felhasználóbarát interfész létrehozása volt az 1. szintű (120 V) és 2. szintű (240 V) töltéshez. Az európai hálózatok többfázisú követelményeivel ellentétben az észak-amerikai lakossági hálózat túlnyomórészt kétfázisú, két 120 V-os ágat biztosítva, amelyek kombinálhatók 240 V-os szolgáltatáshoz. Következésképpen az 1-es típusú csatlakozót nagyáramú egyfázisú szállításra optimalizálták.

2.2 Fizikai csatlakozókiosztás

Az 1-es típusú csatlakozó öt tűs elrendezéssel rendelkezik:

1. L1 (1. sor):Az elsődleges áramvezető.
2. L2/N (2. vonal vagy nullavezető):120 V-os 1. szintű töltés esetén ez a nullavezető. 240 V-os 2. szintű töltés esetén ez a második 120 V-os fázis (L2).
3. PE (védőföldelés):A biztonsági földelési csatlakozás, amely biztosítja, hogy a jármű alváza a hálózat földeléséhez legyen csatlakoztatva.
4. CP (irányítópilóta):A kommunikációs vonal, amelyet az EVSE és a jármű közötti töltési paraméterek egyeztetésére használnak.
5. CS (irányítási felügyelet) / közelségi pilóta (PP):Egy visszacsatoló hurok, amely érzékeli, hogy a csatlakozódugó teljesen be van-e dugva, és lehetővé teszi a jármű mozgásának blokkolását töltés közben.

2.3 Elektromos jellemzők és határértékek

Az 1-es típusú szabvány akár 80 amperes váltakozó áramú töltést is támogat, ami 240 V-on maximum 19,2 kW teljesítményt jelent. A legtöbb lakossági 1-es típusú töltő azonban 16 A (3,8 kW) és 48 A (11,5 kW) között működik, ami megfelel a hagyományos fedélzeti töltők képességeinek. A csatlakozótüskék fizikai kialakítása robusztus, és több ezer cikluson keresztüli nagy hőterhelést is elbír. Az 1-es típusú csatlakozó egyik meghatározó jellemzője a kézi reteszelő mechanizmus, amely megköveteli a felhasználótól, hogy megnyomja a ravaszt a csatlakozó kioldásához a jármű csatlakozóaljzatából.

3. 2-es típusú (IEC 62196-2) architektúra: A Mennekes szabvány, moduláris kialakítás és európai sokoldalúság

Miközben az európai piac az elektromos járművek töltésének szabványosítására törekedett, egy másik kihívással nézett szembe: a háromfázisú elektromos rendszerek elterjedésével a lakossági és kereskedelmi környezetben. A megoldás a 2-es típusú csatlakozó volt, amelyet gyakran „Mennekes” dugónak neveznek a tervező német cég után.

3.1 Az IEC 62196-2 felé vezető út

A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) a 2-es típusú kialakítást az IEC 62196 szabvány részeként fogadta el. Az 1-es típusú csatlakozóval ellentétben, amely eredendően egyfázisú működésre korlátozódik, a 2-es típusú csatlakozót kezdettől fogva modulárisnak és jövőbiztosnak tervezték. Támogatja az egyfázisú, osztott fázisú és háromfázisú váltakozó áramú tápellátást.

3.2 Héttűs elrendezés és működés

A 2-es típusú csatlakozó hét tűs konfigurációt alkalmaz:

1. L1, L2, L3:Három különálló fázisvezető, amely lehetővé teszi a háromfázisú tápellátást.
2. N (Semleges):Egy külön nullvezető, amely elengedhetetlen a háromfázisú rendszerekhez, ahol a terhelés kiegyensúlyozatlan lehet.
3. PE (védőföldelés):A biztonsági talaj.
4. CP (irányítópilóta):A jelzővonal (funkcióját tekintve megegyezik a J1772-vel).
5. PP (Közelségérzékelő):A dugó jelenlétének érzékelésére, valamint a 2-es típusú szabványban a kábel áramterhelhetőségének közlésére szolgál egy ellenálláskódolású rendszeren keresztül.

3.3 Sokoldalúság és teljesítménykorlátok

A 2-es típusú csatlakozó jelentősen erősebb, mint az 1-es. Háromfázisú konfigurációban akár 63 ampert is képes támogatni fázisonként, elméletileg akár 43 kW váltakozó áramot biztosítva (bár a legtöbb nyilvános és lakossági háromfázisú telepítés esetében a gyakorlatban a 22 kW a határ). Még egyfázisú üzemmódban is eléri az 1-es típus teljesítményét. Továbbá, a jármű 2-es típusú bemenete kompatibilis a CCS2-vel (kombinált töltőrendszer) a nagysebességű egyenáramú töltéshez, két nagy egyenáramú csatlakozót adva hozzá az AC interfész alá.

4. Teljesítményfázis-dinamika: Az egyfázisú és a háromfázisú teljesítményleadás hatékonyságának összehasonlítása

Az 1-es és 2-es típusú rendszerek közötti legalapvetőbb műszaki különbség az elektromos fázisok kezelésében rejlik. Ez nem pusztán a csatlakozó megválasztása, hanem az alapul szolgáló hálózati infrastruktúra tükröződése.

4.1 Egyfázisú korlátozások az 1. típusban

Az 1-es típusú rendszerben a jármű fedélzeti töltőjét (OBC) úgy tervezték, hogy egyetlen váltakozó áramú forrásból kapja az áramot. A töltési sebesség növelése érdekében az egyetlen beállítható változó a feszültség (120 V-tól 240 V-ig) és az áramerősség (áramerősség). Mivel az Egyesült Államokban a lakossági panelek jellemzően 200 A-re korlátozódnak, az 50 A feletti dedikált elektromos járművek áramkörei jelentős infrastruktúra-fejlesztéseket igényelnek. A nagyáramú egyfázisú töltés emellett nagy hőterhelést jelent a vezetékezésre és a csatlakozótűkre.

4.2 A háromfázisú előnyök a 2. típusban

A 2-es típusú rendszerek az Európában, valamint Ázsia és Óceánia egyes részein elterjedt háromfázisú hálózatokat használják ki. A teljesítmény három fázis között történő elosztásával a rendszer sokkal nagyobb összteljesítményt tud leadni alacsonyabb áramerősség mellett fázisonként. Például egy 11 kW-os töltő 16 A-t használ három fázison keresztül (3 x 230 V x 16 A ≈ 11 kW). Ahhoz, hogy ugyanazt a 11 kW-ot egyfázisú 1-es típusú rendszeren elérjük, az áramnak körülbelül 46 A-nak kellene lennie (240 V x 46 A ≈ 11 kW).

A 2-es típusú rendszerekben a fázisonkénti alacsonyabb áramerősség a következőkhöz vezet:

• Csökkentett hőtermelés:Kevesebb ellenállásos melegedés a kábelekben és csatlakozókban.
• Kisebb kábelkeresztmetszetek:Könnyebb, rugalmasabb kábelek azonos teljesítmény mellett.
• Rácsstabilitás:A háromfázisú töltés kiegyensúlyozottabb terhelést biztosít a hálózatnak, csökkentve a fáziskiegyensúlyozatlanság és a nullavezető áramának problémáit a helyi elosztótranszformátorban.

4.3 Hatékonyság és konverzió

Technikai szempontból a beépített töltő hatékonyságát is befolyásolja. A háromfázisú váltakozó áram simábban egyenirányítható egyenárammá, mint az egyfázisú váltakozó áram, így kevesebb kapacitív szűrésre van szükség az akkumulátor stabil egyenfeszültségének eléréséhez. Ez valamivel magasabb konverziós hatásfokot eredményezhet a háromfázisú OBC-kben az egyfázisúakhoz képest.

(1. blokk vége. Folytatás a következő blokkban a kívánt hosszúság és mélység eléréséhez.)

5. Jelintegritás és kommunikáció: A CP (vezérlőpilóta) és a PP (közelségpilóta) funkciók részletes elemzése

Az EVSE és az EV közötti kommunikációt két dedikált alacsony feszültségű jelvezeték kezeli: a Control Pilot (CP) és a Proximity Pilot (PP). Bár a fizikai csatlakozók eltérőek, a váltakozó áramú töltés mögöttes jelátviteli protokollt az IEC 61851-1 és az SAE J1772 szabvány szabályozza.

5.1 A vezérlőpilóta (CP) és az impulzusszélesség-moduláció (PWM)

A CP jel egy ±12 V-os, 1 kHz-es négyszöghullám, amelyet az EVSE generál. Ez a jel elsődleges kézfogásként és állapotjelzőként szolgál. A kommunikációs szekvenciát a specifikus feszültségszintek és a PWM jel kitöltési tényezője határozza meg.

• A állapot (Készenléti állapot):Az EVSE állandó +12 V egyenáramot ad ki. Ez azt jelzi, hogy a töltő be van kapcsolva, de nincs jármű csatlakoztatva.
• B állapot (Jármű csatlakoztatva):Amikor a csatlakozódugót bedugják, a jármű egy ellenállást és egy diódát köt a CP és a PE vezetékek közé. Ez a feszültséget +12 V-ról +9 V-ra csökkenti. Az EVSE érzékeli ezt az esést, és megkezdi az 1 kHz-es PWM jel generálását.
• C állapot (Töltés kérése):A jármű egy kapcsoló zárásával jelzi, hogy készen áll a tápellátásra, ami alacsonyabb ellenállást helyez az áramkörbe, és ezáltal a CP feszültsége tovább csökken +6V-ra. Ezen a ponton az EVSE zárja a belső kontaktorait, hogy váltakozó áramot biztosítson.
• D állapot (Szellőztetés szükséges):Ha a jármű szellőzést igényel (ami ritka a modern elektromos járművekben, de a szabvány része), a feszültség +3 V-ra csökken.
• E/F állapot (Hibák):A 0 V vagy -12 V jel hibát jelez, például földelési hibát vagy a kommunikáció teljes megszakadását.

AKitöltési ciklusAz EVSE által közvetített PWM jel megmondja a járműnek a maximálisan felvehető áramot. Például:

• 10%-os kitöltési tényező = 6 amper
• 25%-os kitöltési tényező = 15 amper
• 50%-os kitöltési tényező = 30 amper
• 80%-os kitöltési tényező = 48 amper

Ez lehetővé teszi a dinamikus terheléskezelést; ha a ház energiafogyasztása megnő, az EVSE csökkentheti a kitöltési tényezőt, hogy megakadályozza a főkapcsoló kioldását.

5.2 Közelítésérzékelő (PP) és mechanikus reteszelés

A PP jel biztosítja, hogy a jármű ne tudjon elhajtani, amíg csatlakoztatva van, és segít a rendszernek meghatározni a kábel áramterhelhetőségét.

• 1. típusban (J1772):A PP vezeték (gyakran CS csatlakozónak is nevezik) a csatlakozódugó fogantyújában található kapcsolóhoz csatlakozik. Amikor a felhasználó megnyomja a kioldógombot, az áramkör megszakad. A jármű ezt azonnal érzékeli, és leállítja az áramfelvételt, mielőtt a fő tápcsatlakozók leválnának, megakadályozva ezzel az elektromos ívképződést.
• 2. típusban (IEC 62196):A PP vezeték a kábeltípus azonosítására szolgál. A kábelek PP és PE ​​csatlakozói között egy ellenállás található. Egy 11 kW-os kábel (16A) ellenállása eltér egy 22 kW-os kábelétól (32A). Az EVSE és a jármű ezt az ellenállást használja annak biztosítására, hogy ne lépjék túl a kábel hőmérsékleti határértékeit, még akkor sem, ha a jármű nagyobb teljesítményre képes.

6. Mechanikai tervezés és biztonság: Záró mechanizmusok, IP-védettség és fizikai ellenálló képesség

Az elektromos járművek töltésének fizikai környezete zord – ki van téve az esőnek, hónak, pornak és szélsőséges hőmérsékleteknek. Ezért az 1-es és 2-es típusú csatlakozók mechanikai kialakítása rendkívül gondosan megtervezett.

6.1 Záró mechanizmusok: Manuális vs. Elektronikus

A két szabvány közötti jelentős különbség a csatlakozó járműhöz való rögzítésének módja.

• 1. típusú kézi retesz:Az 1-es típusú csatlakozó hüvelykujjal működtethető mechanikus retesszel rendelkezik. Ez egyszerű és megbízható, de nem biztonságos; bárki odamehet és kihúzhatja a töltőkocsit a konnektorból, hacsak a felhasználó nem szerel fel külön lakatot a fogantyúra.
• 2-es típusú elektronikus zár:A 2-es típusú szabvány egy motoros reteszelőcsapon alapul, amely a jármű csatlakozóaljzatában található. A töltés megkezdésekor a jármű automatikusan rögzíti a csatlakozót. Ez megakadályozza a kábel ellopását (az Európában elterjedt, kábel nélküli töltők esetében), és biztosítja, hogy a csatlakozót ne lehessen kihúzni, amíg az áram alatt van.

6.2 Behatolás elleni védelem (IP) és környezeti tömítés

Mindkét csatlakozó magas IP-besorolású (jellemzően IP54 vagy magasabb, ha párosítva).

• Vízelvezető csatornák:A 2-es típusú csatlakozók speciális vízelvezető lyukakkal rendelkeznek, hogy megakadályozzák a víz felgyülemlését a csatlakozótüskék körül.
• Anyagtudomány:A házak UV-stabilizált, ütésálló polimerekből, például PBT-ből (polibutilén-tereftalát) készülnek, hogy ellenálljanak a betonra való leejtésnek és az intenzív napfénynek.
• Érintkező bevonat:A csatlakozótüskék általában ezüstözöttek, hogy alacsony érintkezési ellenállást és több ezer párosítási cikluson át tartó nagy tartósságot biztosítsanak.

6.3 Hőmérséklet-szabályozás

A modern nagy teljesítményű váltóáramú töltők gyakran tartalmaznak a csatlakozóba ágyazott termisztorokat (NTC érzékelőket). Ezek az érzékelők valós időben figyelik a csatlakozótűk hőmérsékletét. Ha a hőmérséklet meghaladja a biztonsági küszöbértéket (például laza csatlakozás vagy a bemenetben lévő törmelék miatt), az EVSE jelzi a járműnek, hogy csökkentse a töltési áramot, vagy teljesen állítsa le a járművet a tűz megelőzése érdekében.

7. Globális hálózati topológiák: TN, TT és IT hálózatok és azok hatása az EVSE telepítésére

Az EVSE tervezését és telepítését nagymértékben befolyásolják a különböző régiókban használt földelőrendszerek. Az EVSE-nek a töltés megkezdése előtt érzékelnie kell a biztonságos földelés meglétét.

7.1 TN rendszerek (földsemleges)

A TN rendszer elterjedt Észak-Amerikában (TN-CS) és az Egyesült Királyságban. Ebben a beállításban a nullavezető és a föld a hálózati bejáratnál van összekötve. Bár ez megbízható utat biztosít a zárlati áramoknak, kockázatot jelent „nyitott PEN” (védőföldelési nullavezető) hiba esetén. Ha a hálózatból érkező nullavezető elszakad, az elektromos jármű alváza hálózati feszültségen feszültség alá kerülhet. Ez vezetett a speciális „nyitott PEN-érzékelő” eszközök kifejlesztéséhez az Egyesült Királyságban gyártott töltőkben.

7.2 TT rendszerek (Terra-Terra)

A kontinentális Európa egyes részein (például Franciaországban és Olaszországban) és Japánban elterjedt TT rendszer egy helyi földelőrudat használ, amely nincs csatlakoztatva a hálózat nullavezetőjéhez. A TT hálózatokra telepített EVSE-knek nagyon érzékenynek kell lenniük a föld impedanciájára. Ha a földelőrúd nincs elég mélyen, vagy a talaj túl száraz, a töltő megtagadhatja az indítást, mert nem tudja ellenőrizni az alacsony ellenállású földelési utat.

7.3 IT rendszerek (Isolé-Terra)

Norvégiában és néhány ipari környezetben megtalálható IT-rendszerben nincs közvetlen kapcsolat a nulla/fázisok és a föld között. Ez egyedülálló kihívást jelent az elektromos járművek számára, mivel sok fedélzeti töltő földelt nullavezetékre van tervezve. Az elektromos járművek IT-hálózatokon történő biztonságos töltéséhez gyakran speciális leválasztó transzformátorokra van szükség.

7.4 Hálózati frekvencia és feszültségingadozások

Míg az 1-es és 2-es típust főként a fázistámogatásuk különbözteti meg, az alapul szolgáló hálózati frekvencia (60 Hz az USA-ban/Japánban, szemben az 50 Hz-zel a világ többi részén) szintén befolyásolja a jármű beépített töltőjében található induktorok és kondenzátorok kialakítását. A legtöbb modern OBC azonban széles tartományú, képes kezelni a 100V-250V és az 50/60Hz feszültséget.

8. Lakóépületek energiaellátási korlátai: Hogyan korlátozzák az országos hálózati előírások és az otthoni elosztópanelek az elektromos járművek töltési sebességét

Az elméleti töltési sebességek (például 22 kW a 2-es típusnál vagy 19,2 kW az 1-es típusnál) ritkán érhetők el lakókörnyezetben a helyi hálózat és az otthoni elektromos panel korlátai miatt.

8.1 Észak-Amerika: A 200A-es panelhatár

Az Egyesült Államokban egy tipikus modern otthonban egy 200 A-es elosztópanel található. Egy 48 A-es 2. szintű töltőhöz 60 A-es megszakító szükséges. A Nemzeti Villamos Szabályzat (NEC) szerint a folyamatos terhelés (például az elektromos járművek töltése) nem haladhatja meg az áramkör megszakítójának névleges értékének 80%-át. Régebbi, 100 A-es panelekkel rendelkező otthonokban nagy teljesítményű elektromos járműtöltő telepítése lehetetlen szervizfrissítés nélkül, ami több ezer dollárba is kerülhet. Ez vezetett a 32 A-es (7,7 kW-os) töltők népszerűségéhez, amelyek egyensúlyt teremtenek a töltési sebesség és a panel kapacitása között.

8.2 Az Egyesült Királyság: Egyfázisú dominancia és nyílt PEN

Bár az Egyesült Királyságban az elosztóhálózat háromfázisú, a legtöbb otthont egyetlen 230 V-os, 60 A-es vagy 100 A-es fázis látja el árammal. Ez a lakossági töltési teljesítményt 7,4 kW-ra korlátozza. A korábban említett TN-CS földelés miatt az Egyesült Királyság előírásai előírják, hogy a töltőknek drága védelemmel kell rendelkezniük a nyitott nullavezető-zárlatok ellen, így az Egyesült Királyság-specifikus elektromos töltők (EVSE) technikailag bonyolultabbak, mint európai társaik.

8.3 Németország és Észak-Európa: A 11 kW-os szabvány

Németországban a háromfázisú áramellátás szinte minden lakóépületben szabványos. Ez lehetővé teszi a 11 kW-os (3 x 16 A-es) fali töltődobozok széles körű telepítését. Az Egyesült Államokkal ellentétben, ahol a 11 kW-os töltőhöz egy erős, 60 A-es egyfázisú áramkörre van szükség, Németországban csak egy 16 A-es háromfázisú áramkörre van szükség, amely sokkal vékonyabb vezetékeket használ, és könnyen illeszkedik a meglévő elosztópanelekhez. Számos német közműszolgáltató értesítést vagy jóváhagyást kér a 11 kW feletti töltőkhöz (például a 22 kW-os egységekhez) a helyi hálózat stabilitásának biztosítása érdekében.

8.4 Ausztrália és Új-Zéland: Nagyfeszültség, egyfázisú

Ausztrália egy 230V/240V-os rendszert használ, hasonlóan az Egyesült Királysághoz. A legtöbb lakossági telepítés egyfázisú, 7,4 kW-os. A nagy távolságok és a hálózat vidéki jellege miatt azonban gyakoriak a feszültségingadozások. Ezekben a régiókban az elektromos árammal működő járműveknek robusztus túlfeszültség- és alulfeszültség-védelemmel kell rendelkezniük, hogy a jármű károsodása nélkül kezeljék a feszültségeséseket vagy túlfeszültségeket.

(2. blokk vége. Folytatás a következő blokkban a kívánt hosszúság és mélység eléréséhez.)

9. Átfogó áramkörvédelem: A/B típusú RCD-k, egyenáramú szivárgásérzékelés és túláramvédelem megvalósítása váltakozó áramú töltéskor

Az elektromos járművek (EVSE) tervezésének sarokköve a biztonság. Egy elektromos jármű töltése nagy mennyiségű energia hosszú időn keresztüli leadásával jár, gyakran nedves körülmények között. Következésképpen a védelmi áramkörnek sokkal kifinomultabbnak kell lennie, mint egy hagyományos háztartási készüléké.

9.1 Maradékáram-védőkapcsolók (RCD-k): A típus vs. B típus

Az RCD-t arra tervezték, hogy érzékelje a vezetéken folyó áram és a nullavezetők közötti egyensúlyhiányt, ami földelési szivárgást („földzárlat”) jelez. Az elektromos járművek töltése során különleges kockázatok merülnek fel:DC maradékáram.

• A típusú RCD-k:Ezek gyakoriak a lakossági panelekben, és képesek a váltakozó áramú és a pulzáló egyenáramú maradékáramok érzékelésére. Azonban a sima egyenáramú szivárgás „elvakíthatja” őket. Ha az elektromos jármű fedélzeti töltőjének hibája miatt több mint 6 mA sima egyenáram szivárog a váltakozó áramú oldalra, az A típusú RCD belső transzformátormagja telítődhet, megakadályozva a kioldást még veszélyes váltakozó áramú hiba esetén is.
• B típusú RCD-k:Ezeket váltakozó áram, pulzáló egyenáram és egyenáram maradékáramainak érzékelésére tervezték. Bár kiváló védelmet nyújtanak, jelentősen drágábbak.
• RDC-DD (maradék egyenáram-érzékelő eszköz):A költségek csökkentése és a biztonság megőrzése érdekében számos modern elektromos töltőberendezés (EVSE) tartalmaz egy RDC-DD modult (amely megfelel az IEC 62955 szabványnak). Ez a modul érzékeli a 6 mA feletti sima egyenáramú szivárgást, és lekapcsolja a töltőt. RDC-DD jelenléte esetén egy szabványos (és olcsóbb) A típusú RCD használható a felső elosztópanelen.

9.2 Túláram- és rövidzárlatvédelem

Minden elektromos jármű töltése (EVSE) áramkört kismegszakítóval (MCB) kell védeni. Mivel az elektromos járművek töltése folyamatos terhelés, a kismegszakítót le kell értékelni. Az Egyesült Államokban (NEC) egy 40 A-es töltési terheléshez 50 A-es megszakító szükséges. Európában a kismegszakító (B, C vagy D típusú görbe) kiválasztása a jármű beépített töltőjének várható bekapcsolási áramától függ. A „C” görbéjű megszakítót általában előnyben részesítik, hogy elkerüljék a zavaró kioldásokat a kezdeti csatlakoztatási fázisban.

9.3 Túlfeszültség-védelem (SPD)

Az elektromos töltőket (EVSE) gyakran kültéren telepítik, és egy nagy fémtárgyhoz (az autóhoz) csatlakoztatják, így sebezhetővé teszik őket a közvetett villámcsapásokkal és a hálózati túlfeszültségekkel szemben. A töltő és a jármű érzékeny elektronikájának védelme érdekében erősen ajánlott (és egyes régiókban, például Németországban kötelező) egy 2-es típusú túlfeszültség-védelmi eszköz (SPD) telepítése.

9.4 Kontaktorok és galvanikus leválasztás

Az EVSE teljesítményleadásának lelke aKontaktorEz egy nagy teljesítményű relé, amely fizikailag összekapcsolja vagy leválasztja a váltakozó áramú tápcsatlakozókat. Biztonsági okokból a kontaktornak „alapértelmezetten nyitott” állapotban kell lennie, ami azt jelenti, hogy a tápellátás csak akkor történik meg, ha a CP jel „C állapotot” (töltésre kész) jelez. A kiváló minőségű EVSE-k négypólusú kontaktorokat használnak háromfázisú rendszerekhez, hogy biztosítsák, hogy minden fázis és a nullavezető le legyen választva, amikor nincsenek használatban. Néhány fejlett egység „hegesztett érintkezőérzékeléssel” is rendelkezik, amely figyeli a kontaktor állapotát; ha az érintkezők összeolvadnak (megakadályozva az áramkimaradást), az EVSE hardveres riasztást vált ki, és hibaállapotban marad.

10. Intelligens töltés és az ISO 15118 szabvány: A PWM-en túl a digitális kommunikáció és a plug & charge felé

Míg az alapvető CP/PP jelzés elegendő az egyszerű AC töltéshez, az elektromos járművek ökoszisztémájának jövője a gazdag, digitális adatcserén múlik. Itt jön képbe az ISO 15118 szabvány.

10.1 A PWM korlátai

A szabványos PWM jelzés csak a maximálisan elérhető áramot közli. Nem közli az EVSE-vel a jármű töltöttségi állapotát (SoC), akkumulátorának kapacitását vagy egyedi azonosítóját. Ezen információk nélkül nehéz megvalósítani az olyan funkciókat, mint az automatikus számlázás, a hálózattudatos töltés és a kétirányú energiaátvitel.

10.2 HomePlug Green PHY és PLC kommunikáció

Az ISO 15118 bevezetéseHálózati kommunikáció (PLC)a Control Pilot (CP) vezetéken keresztül. Egy nagyfrekvenciás digitális jel (HomePlug Green PHY) rávetítésével az 1 kHz-es CP jelre a jármű és az EVSE TCP/IP kapcsolatot tud létrehozni. Ez lehetővé teszi:

• Csatlakoztasd és töltsd:A jármű automatikusan azonosítja magát a töltő felé. A töltő kommunikál egy háttérszerverrel a munkamenet engedélyezéséhez és a fizetés kezeléséhez RFID-kártya vagy mobilalkalmazás nélkül.
• Intelligens hálózat integráció:Az elektromos jármű képes közölni a tervezett indulási idejét és energiaigényét. A hálózat (vagy egy otthoni energiagazdálkodási rendszer – HEMS) ezután a töltést a legalacsonyabb áramárakra vagy a legmagasabb megújulóenergia-termelésre ütemezheti.

10.3 A kétirányú töltés jövője (V2G, V2H, V2X)

Az ISO 15118 szabvány (különösen a -20-as revízió) egyik legizgalmasabb aspektusa a kétirányú váltakozó áramú töltés támogatása. Míg a legtöbb járműből hálózatba (V2G) rendszer jelenleg egyenáramot használ (CHAdeMO vagy CCS protokollon keresztül), a kétirányú váltakozó áramú töltés lehetővé teszi a jármű számára, hogy saját fedélzeti töltőjét inverterként használja az otthonba vagy a hálózatba való visszatápláláshoz. Ehhez az EVSE-nek kifinomult kapuőrként kell működnie, biztosítva, hogy a hálózatba visszatáplált energia tökéletesen illeszkedjen a hálózat fázisához és frekvenciájához.

11. Regionális szabványelemzés: GB/T (Kína) vs. 2. típus

Míg az 1-es és a 2-es típus a világ nagy részét lefedi, Kína – a világ legnagyobb elektromos járműpiaca – saját szabványt használ:GB/T 20234.

11.1 Fizikai hasonlóságok a 2. típushoz

Fizikailag a GB/T AC csatlakozó nagyon hasonlít a 2-es típusú csatlakozóhoz. Hét tűs elrendezésű. A nemek azonban fordítottak: a csatlakozódugóban vannak a tűk (hím), az autóban pedig a foglalatok (nő), ami ellentétes a 2-es típusú szabványéval.

11.2 Kommunikációs különbségek

A GB/T AC jelátvitele ugyanazon a PWM elven alapul, mint az 1-es és 2-es típus. A PP és CP kézfogások pontos ellenállásértékei azonban kissé eltérnek. Ez azt jelenti, hogy egy európai 2-es típusú autó nem használhat kínai GB/T töltőt (vagy fordítva) speciális adapter nélkül, amely nemcsak a fizikai csatlakozókat változtatja meg, hanem egy jelátalakító áramkört is tartalmaz.

11.3 Piaci hatás

A GB/T szabvány eltérése rávilágít a műszaki szabványosítást befolyásoló geopolitikai és gazdasági tényezőkre. Saját szabvány létrehozásával Kína biztosította, hogy hazai gyártói védett ökoszisztémával rendelkezzenek, miközben továbbra is hasznosította az IEC szabványokból levont technikai tanulságokat.

12. Tesztelés, tanúsítás és minőségbiztosítás: UL, CE és azon túl

Mielőtt egy elektromos autóipari eszközt (EVSE) értékesíteni lehetne, szigorú tesztelésen kell átesnie annak biztosítására, hogy ne okozzon áramütést a felhasználónak, és ne okozzon tüzet.

12.1 UL 2594 és UL 2231 (Észak-Amerika)

Észak-Amerikában az Underwriters Laboratories (UL) határozza meg az EVSE szabványait. Az UL 2594 a töltőállomás alapvető felépítését és biztonságát tárgyalja, míg az UL 2231 a személyvédelmi rendszerekre (RCD/GFCI funkcionalitás) összpontosít. Az UL-tanúsítvány egyik kulcsfontosságú követelménye az „ütésállóság” – a töltőnek képesnek kell lennie arra, hogy ellenálljon a nehéz súlyok ütéseinek anélkül, hogy az élő alkatrészek kitennednének.

12.2 CE és IEC 61851 (Európa/Globális)

Európában a CE jelölés a kisfeszültségű irányelvnek és az elektromágneses kompatibilitási (EMC) irányelvnek való megfelelést jelzi. Az elsődleges műszaki szabvány aIEC 61851A tesztelés a következőket foglalja magában:

• Átütési szilárdság:A szigetelés nagyfeszültségű tüskékkel való megbirkózásának biztosítása.
• Hőmérséklet-emelkedés:Órákon át maximális áramerősséggel járatva a töltőt, hogy ne melegedjen túl.
• Környezeti ellenálló képesség:Sópermet-tesztek tengerparti területeken és por behatolási vizsgálatok száraz régiókban.

12.3 Az interoperabilitási tesztelés fontossága

A biztonságon túl ott van a kihívás, hogyInteroperabilitásNem minden autó működik tökéletesen minden töltővel. Az olyan csoportok, mint a CharIN (a Töltési Interfész Kezdeményezés), „teszteket” végeznek, ahol a gyártók bemutatják járműveiket és töltőiket, hogy ellenőrizzék, a kézfogások és a kommunikációs protokollok hibátlanul működnek-e a különböző márkák között.

(3. blokk vége. Az okoscsatlakozók technikai részleteinek további bővítése és a jövőbeli szabványosítás.)

13. Speciális alkatrészek lebontása: Egy modern fali doboz belső mérnöki felépítése

Ahhoz, hogy részletesebben megértsük az 1-es és 2-es típusú rendszerek közötti különbséget, be kell néznünk magába a „fali dobozba”. Az EVSE nem csupán egy felmagasztalt hosszabbító kábel; egy kifinomult energiagazdálkodási számítógép.

13.1 A fővezérlő (MCU)

Az EVSE agya jellemzően egy 32 bites mikrovezérlő (például egy ARM Cortex-M sorozat). Ez a chip kezeli az 1 kHz-es CP jelgenerálást, figyeli a PP ellenállást, és futtatja a biztonsági logikát. Az intelligens töltőkben ez az MCU kezeli a Wi-Fi vagy Ethernet hálózatot is, és MQTT vagy HTTP protokollon keresztül kommunikál a felhasználó mobilalkalmazásával.

13.2 Áramérzékelés: Hall-effektus vs. sönt

A leadott energia monitorozására és a túláram észlelésére az EVSE áramérzékelőket használ.

• Hall-effektus-érzékelők:Ezek az áram által generált mágneses mezőt mérik. Galvanikus leválasztást biztosítanak, és kiválóan alkalmasak nagyáramú alkalmazásokhoz.
• Sönt ellenállások:Ezek egy ismert ellenállás feszültségesését mérik. Bár nagyon pontosak, bonyolultabb leválasztó áramkört igényelnek.

Háromfázisú, 2-es típusú töltőkben az MCU-nak három különálló áramutat kell egyidejűleg figyelnie a fáziskiegyenlítés biztosítása és az egyik fázis meghibásodásának észlelése érdekében.

13.3 Segédtápegység

A belső elektronika (MCU, Wi-Fi modul, kijelző és kontaktortekercsek) alacsony feszültségű egyenáramú tápegységet igényel (általában 12 V vagy 5 V). Egy 2-es típusú háromfázisú rendszerben a segédtápegységet gyakran úgy tervezték, hogy akkor is működjön, ha csak egy fázis van jelen, lehetővé téve a töltő számára, hogy „online” maradjon, és fáziskiesési hibát jelezzen a felhasználónak.

14. Okoscsatlakozók és szabványosított összekapcsolás: A hordozható töltés jövője

Míg a fix fali töltődobozok az etalonnak számítanak, sok elektromosjármű-tulajdonos hordozható töltőkre hagyatkozik (gyakran „nagymamakábeleknek” vagy „IC-CPD”-nek – kábelbe épített vezérlő- és védőeszközöknek – nevezik).

14.1 A háztartási csatlakozók műszaki kockázatai

Egy elektromos jármű töltése szabványos háztartási konnektorból (NEMA 5-15 az Egyesült Államokban vagy Schuko Európában) technikailag kihívást jelent. Ezeket a konnektorokat nem arra tervezték, hogy 12 órán át folyamatosan 10-16 ampert biztosítsanak.

• Termikus megfutás:Idővel a foglalat fémérintkezőinek feszültsége gyengülhet, ami nagy ellenállást és extrém hőt eredményezhet.
• Okoscsatlakozók a segítségünkre:A kiváló minőségű hordozható töltők ma már közvetlenül a háztartási fali aljzatba épített hőmérséklet-érzékelőkkel rendelkeznek. Ha a csatlakozó túlmelegedni kezd, az IC-CPD jelzést küld az autónak az áramfelvétel csökkentésére, megakadályozva a csatlakozó megolvadását.

14.2 Az „univerzális” hordozható töltő

A 2-es típusú ökoszisztémában új trend a moduláris hordozható töltő (mint például a Juice Booster vagy a Tesla Mobile Connector). Ezek az eszközök cserélhető adapterek sorozatát használják. Az eszköz felismeri, hogy melyik adapter van csatlakoztatva (egy ellenállás-kódolású rendszer segítségével, hasonlóan a PP tűhöz), és automatikusan beállítja a maximális töltési áramot. Ez egy „univerzális” töltési megoldást kínál, amely különböző országokban és aljzattípusokban működik, miközben megőrzi a fix fali töltődobozok biztonságát.

15. Az észak-amerikai átmenet: 1-es típustól (J1772) az NACS-ig (SAE J3400)

Jelenleg egy jelentős változás zajlik az észak-amerikai piacon, amely bonyolítja az 1-es és 2-es típusú összehasonlítást: a Tesla által úttörő módon kidolgozott és most SAE J3400 szabványként szabványosított Észak-Amerikai Töltési Szabvány (NACS) elfogadása.

15.1 NACS technikai áttekintés

Az 1-es és 2-es típussal ellentétben, amelyek különálló érintkezőkkel rendelkeznek az AC és DC töltéshez, az NACS csatlakozó ugyanazt a két elsődleges érintkezőt használja mindkettőhöz. Elegáns, kompakt kialakítású, amely mind az egyfázisú AC, mind a nagysebességű DC töltéshez használható.

15.2 A protokollok konvergenciája

Fontos, hogy bár a fizikai NACS csatlakozó eltérő, augyanazok a kommunikációs protokollokmint a már tárgyalt szabványok. AC töltéshez a J1772 PWM jelzést használja. DC töltéshez az ISO 15118 PLC kommunikációt. Ez azt jelenti, hogy egy egyszerű passzív adapterrel egy 1-es típusú autó tölthet egy NACS AC állomáson, és fordítva. Ez az átmenet a fizikai kompaktság felé tett lépést emeli ki anélkül, hogy feláldozná a globális interoperabilitást biztosító szabványosított jelzési logikát.

16. A fedélzeti töltő (OBC) topológiájának hatása a hálózati töltési teljesítményre

A csatlakozó és a fali töltődoboz csak a történet fele. A jármű fedélzeti töltője (OBC) végső soron meghatározza a töltési sebességet.

16.1 Egyfázisú OBC vs. Háromfázisú OBC

Sok belépő szintű elektromos jármű (és plug-in hibrid) csak egyfázisú OBC-vel rendelkezik, még a 2-es típusú piacokon is. Ha egy 7 kW-os egyfázisú OBC-vel felszerelt autót egy 22 kW-os háromfázisú 2-es típusú töltőhöz csatlakoztatunk, akkor az csak 7 kW-ot fog felvenni a három rendelkezésre álló fázis egyikéből. Ez gyakori zavaró tényező a fogyasztók körében.

16.2 Moduláris OBC-kialakítások

Néhány gyártó (mint például a Tesla és a Renault) moduláris OBC-ket használ. Egy 2-es típusú piacon az autónak három azonos, 3,7 kW-os töltőmodulja lehet. Háromfázisú hálózatra csatlakoztatva minden modul egy fázist kezel, összesen 11 kW-ot. Egyfázisú 1-es típusú töltőhöz csatlakoztatva (az Egyesült Államokban), az autó párhuzamosíthatja ezeket a modulokat, így akár 11 kW-ot is felvehet egyetlen nagy áramerősségű fázisból. Ez a modularitás a teljesítményelektronikai mérnöki mérnöki munka remekműve, amely lehetővé teszi, hogy ugyanazt a járműplatformot világszerte értékesítsék a nagyfeszültségű architektúrájának minimális változtatásával.

17. A szoftver szerepe: OCPP és felhőalapú terheléskezelés

Ahogy egyre több ezer töltő csatlakozik ugyanahhoz a hálózathoz, a szoftver ugyanolyan fontossá válik, mint a réz és a szilícium.

17.1 Nyílt Töltési Pont Protokoll (OCPP)

Az OCPP egy iparági szabványnak számító nyelv, amelyet egy EVSE és egy központi felügyeleti rendszer (CMS) között használnak. Lehetővé teszi:

• Távoli diagnosztika:Egy technikus több ezer kilométer távolságból is újraindíthat egy töltőt, vagy frissítheti annak firmware-jét.
• Dinamikus terheléselosztás:Egy 20 töltővel rendelkező, de csak 100 A-es tápellátással rendelkező társasházban a CMS az OCPP segítségével valós időben meg tudja mondani az egyes töltőknek, hogy mennyi áramot tudnak leadni, biztosítva, hogy az épület főbiztosítéka soha ne oldjon ki, miközben maximalizálja az összes autóhoz eljutó energia teljes mennyiségét.

17.2 A felhasználói élmény (UX) és az „alkalmazásgazdaság”

A fogyasztó számára az 1-es és 2-es típus közötti különbség gyakran eltűnik egy okostelefon-alkalmazás mögött. A kapcsolat technikai robusztussága – milyen gyorsan fejeződik be a CP kézfogás, mennyire megbízhatóan csatlakozik újra a Wi-Fi áramkimaradás után – továbbra is a pozitív felhasználói élmény alapja.

18. Konklúzió: Eligazodni a hibrid töltés világának összetettségében

Az 1-es és 2-es típusú elektromos járműtöltők közötti különbség nem csupán a csatlakozótüskék számában vagy a műanyag alakjában rejlik. Ez az elektromos infrastruktúra két különböző filozófiáját tükrözi.

• 1. típus (J1772)egy robusztus, nagyáramú megoldás, amelyet az Észak-Amerikában és Japánban elterjedt egyfázisú 120V/240V-os osztott fázisú hálózatra optimalizáltak. Öt tűs kialakítása – két táp, egy föld, két jel – szándékosan egyszerű, megbízható 2. szintű töltést biztosít akár 80A (19,2 kW) áramerősséggel egy 240V-os áramkörön. Olyan világra tervezték, ahol a töltés nagy része otthon vagy a munkahelyen, órákon át történik, és ahol az egyszerűség és a költséghatékonyság dominál a mérnöki feladatokat.
• 2. típus (IEC 62196-2)egy héttűs platform, amelyet Európa és Ázsia nagy részének háromfázisú, 400 V-os hálózatához terveztek. Ugyanazt a két jellábat hordozza, de háromfázisú táplábbal van kiegészítve, így akár 43 kW (vagy a legtöbb valós telepítésnél 22 kW) teljesítményű váltakozó áramú töltést is lehetővé tesz, és támogatja az európai lakossági és kereskedelmi infrastruktúra által megkövetelt nagyobb teljesítménysűrűséget. Sokoldalúsága az egyenáramra is kiterjed: a 2-es típusú csatlakozócsalád a CCS2 kombinált bemenet alapját képezi, míg az 1-es típusú J1772 kialakítás a CCS1-et hívta életre.
• A lényeg:Egyik szabvány sem „jobb” abszolút értelemben – mindkettő hű mérnöki válasz az otthoni hálózatára. Az 1-es típus a gazdaságos, robusztus választás az egyfázisú régiók számára; a 2-es típus a nagy teljesítményű, jövőorientált platform a háromfázisú régiók számára. A hiba oka nem a csatlakozó, hanem az alkalmazkodni nem hajlandó hardver: a csak egyetlen szabványt támogató töltők és elektromos járművek kizárják tulajdonosaikat a növekvő globális roaminghálózatból.

Az előrevezető út

A gyártók és az üzemeltetők számára a gyakorlati megoldás a több szabványos hardver. A kettős szabványú egyenáramú töltők (CCS1 + CCS2, CCS + CHAdeMO, és egyre inkább a NACS) lehetővé teszik, hogy egyetlen termék szolgáljon ki minden régiót, míg az adapter ökoszisztémák kiterjesztik a hagyományos járműveket. A fogyasztók számára a tanulság egyszerűbb: olyan járműveket és töltőket válasszon, amelyek támogatják a ténylegesen használt hálózatok szabványait – és számítson arra, hogy az iparág konvergenciája a NACS tekintetében Észak-Amerikában és a CCS2 tekintetében Európában évről évre kevésbé okoz majd fejfájást a kompatibilitás terén.

Megjegyzés a biztonsági tanúsítvánnyal kapcsolatban

A csatlakozó formája mögött egy olyan mérnöki réteg rejlik, amelyet a fogyasztók soha nem látnak, de minden szerelőnek tiszteletben kell tartania: a tanúsítvány. Az 1-es típusú hardverek Észak-Amerikában UL 2594 / UL 2594-1 és CSA listákkal rendelkeznek, míg a 2-es típusú hardvereknek meg kell felelniük az IEC 61851-1 szabványnak, kereskedelmi telepítések esetén pedig az IEC 62196-2 alkatrész-tanúsítványnak Európában. A CE-jelölés, az UKCA és egyre inkább a helyi hálózati előírásoknak való megfelelés (pl. VDE-AR-N 4100 Németországban) határozza meg, hogy egy töltő jogszerűen csatlakoztatható-e a hálózathoz. A több régió számára hardvert beszerző üzemeltetőknek olyan tanúsítványokat kellene követelniük, amelyek megfelelnek az egyes telepítési joghatóságoknak – ez a követelmény aránytalanul előnyben részesíti azokat a gyártókat, akik minden regionális változatot tesztelnek és tanúsítanak, ahelyett, hogy egyetlen tervet újracímkéznének.

Főbb tanulságok

• Az 1-es típus (J1772) az egyfázisú észak-amerikai infrastruktúrát, a 2-es típus (IEC 62196-2) pedig a háromfázisú európai infrastruktúrát tükrözi.
• Az öttűs 1-es típusú és a héttűs 2-es típusú kialakítások ugyanazon a CP/PP jelzőlogikán alapulnak, így az elektromos „nyelv” akkor is közös, ha a geometria eltér.
• A 2-es típus háromfázisú képessége sokkal nagyobb váltakozó áramú teljesítményt tesz lehetővé, míg az 1-es típus egyszerűsége alacsonyan tartja a költségeket és a bonyolultságot.
• Az OCPP-alapú hálózatkezelés és a több szabványt képviselő hardver a hibrid töltési világot kezelhetővé teszi az üzemeltetők számára, és zökkenőmentessé a sofőrök számára.

A MIDA Power hibrid világ számára gyárt töltőket: AC és DC rendszereket, CCS1/CCS2/CHAdeMO/NACS csatlakozóopciókat és OCPP-kompatibilis hálózati szoftvert, amely egyetlen irányítópultról kezeli a szabványok bármilyen keverékét. Kompatibilitási útmutatásért, műszaki specifikációkért és az Ön régiójának infrastruktúrájára szabott árajánlatért forduljon csapatunkhoz.