Samanburður á gerð 1 J1772 og gerð 2 IEC 62196-2 kerfum

Hin endanlega tæknilega handbók um alþjóðlega hleðslustaðla fyrir rafknúin ökutæki: Ítarleg samanburður á IEC 62196-2 kerfum af gerð 1 J1772 og gerð 2, netkerfisfræði, samskiptareglum og snjallri innviðauppbyggingu.

1. Inngangur: Hnattræn breyting í átt að rafvæðingu og hlutverk staðlaðrar hleðslu

Alþjóðlegt bílaumhverfi er að ganga í gegnum hugmyndabreytingar, þar sem færst er frá brunahreyflum yfir í rafknúna vél. Lykilatriði í þessari breytingu er innviðirnir sem styðja hana: búnaður til að afla rafknúinna ökutækja (EVSE), almennt kallaðir hleðslutæki fyrir rafbíla. Þar sem notkun rafknúinna ökutækja eykst hratt verður skilningur á tæknilegum blæbrigðum hleðslustaðla afar mikilvægur fyrir verkfræðinga, stjórnmálamenn og neytendur.

Þróun hleðslustaðla fyrir rafknúin ökutæki hefur sögulega verið sundurlaus, undir áhrifum frá svæðisbundnum rafmagnsnetaarkitektúr, reglugerðumhverfi og stefnumótandi hagsmunum bílaframleiðenda. Í dag eru tveir meginstaðlar ráðandi á markaði fyrir riðstraumshleðslu: Tegund 1 (SAE J1772) og Tegund 2 (IEC 62196-2). Þó að báðir þjóni sama grundvallartilgangi - að flytja raforku frá raforkukerfinu til hleðslutækisins í ökutækinu - eru tæknilegar útfærslur þeirra, efnisleg hönnun og samskiptareglur mjög mismunandi.

Þessi grein veitir ítarlega tæknilega greiningu á hleðslukerfum af gerð 1 og gerð 2. Við munum skoða muninn á byggingarlist þeirra, aðlögunarhæfni þeirra að ýmsum alþjóðlegum netkerfum, eðlisfræði samskiptamerkja þeirra og öryggiskerfi sem vernda bæði notandann og ökutækið. Ennfremur munum við skoða hvernig takmarkanir á rafmagni í íbúðarhúsnæði í mismunandi löndum hafa áhrif á hleðsluhraða og vaxandi þróun sem móta framtíð staðlaðrar, snjallrar tengingar í vistkerfi rafbíla.

2. Arkitektúr af gerð 1 (SAE J1772): Saga, pinnasamsetning og yfirráð Norður-Ameríku

Tengið af gerð 1, áður þekkt sem SAE J1772 staðallinn, er aðal AC hleðsluviðmótið sem notað er í Norður-Ameríku og Japan. Það var þróað af Félagi bílaverkfræðinga (SAE) og hannað til að mæta sérþörfum einfasa raforkukerfa sem finnast á þessum svæðum.

2.1 Sögulegt samhengi og hönnunarheimspeki

J1772 staðallinn var fyrst lagður til árið 2001 og hefur verið endurskoðaður nokkrum sinnum til að ná núverandi mynd. Meginmarkmið hönnunarinnar var að skapa öruggt, traust og notendavænt viðmót fyrir hleðslu á stigi 1 (120V) og stigi 2 (240V). Ólíkt fjölfasa kröfum evrópskra raforkuneta er norður-ameríska heimilisnetið að mestu leyti tvífasa, sem býður upp á tvær 120V fætur sem hægt er að sameina fyrir 240V þjónustu. Þar af leiðandi var tengið af gerð 1 fínstillt fyrir einfasa afhendingu með miklum straumi.

2.2 Stillingar á efnislegum pinnum

Tengið af gerð 1 er með fimm pinna skipulagi:

1. L1 (Lína 1):Aðalleiðari aflgjafans.
2. L2/N (Lína 2 eða núllleiðari):Í 120V hleðslu á stigi 1 þjónar þetta sem núllleiðari. Í 240V hleðslu á stigi 2 þjónar þetta sem annar 120V fasi (L2).
3. PE (verndandi jarðtenging):Öryggisjarðtengingin, sem tryggir að undirvagn ökutækisins sé tengdur við jarðtengingu raforkukerfisins.
4. Stjórntæki (CP):Samskiptalínan sem notuð er til að semja um hleðslubreytur milli rafknúins rafsegulbúnaðar og ökutækis.
5. Stjórnunarstjórnun (CS) / Nálægðarflugmaður (PP):Viðbragðslykkja sem nemur hvort klóin sé alveg í sambandi og gerir ökutækinu kleift að hindra hreyfingu meðan á hleðslu stendur.

2.3 Rafmagnseiginleikar og takmarkanir

Staðallinn af gerð 1 styður riðstraumshleðslu allt að 80 amperum, sem við 240V þýðir hámarksafl upp á 19,2 kW. Hins vegar starfa flestir hleðslutæki af gerð 1 fyrir heimili á milli 16A (3,8 kW) og 48A (11,5 kW), sem samsvarar getu hefðbundinna hleðslutækja í bílnum. Hönnun pinnanna er sterk og hönnuð til að takast á við mikið hitaálag yfir þúsundir lotna. Eitt af einkennandi eiginleikum tengilsins af gerð 1 er handvirk læsing, sem krefst þess að notandinn ýti á kveikju til að losa tengil úr inntaki ökutækisins.

3. Arkitektúr af gerð 2 (IEC 62196-2): Mennekes staðallinn, mátbygging og fjölhæfni í Evrópu

Þegar evrópski markaðurinn reyndi að staðla hleðslu rafbíla stóð hann frammi fyrir annarri áskorun: útbreiðslu þriggja fasa rafkerfa í íbúðarhúsnæði og atvinnuhúsnæði. Lausnin var tengi af gerð 2, oft kallað „Mennekes“-tengið eftir þýska fyrirtækinu sem hannaði það.

3.1 Þróunin í átt að IEC 62196-2

Alþjóðlega raftækninefndin (IEC) tók upp hönnun af gerð 2 sem hluta af IEC 62196 staðlinum. Ólíkt tengi af gerð 1, sem er í eðli sínu takmarkað við einfasa notkun, var tengi af gerð 2 hannað frá upphafi til að vera mátbundið og framtíðarvænt. Það getur stutt einfasa, tvífasa og þriggja fasa riðstraumsafgreiðslu.

3.2 Sjö pinna skipulag og virkni

Tengið af gerð 2 notar sjö pinna stillingu:

1. L1, L2, L3:Þrír aðskildir fasaleiðarar, sem gerir kleift að afhenda þriggja fasa afl.
2. N (Hlutlaus):Sérstakur núllleiðari, nauðsynlegur fyrir þriggja fasa kerfi þar sem álagið gæti verið ójafnvægi.
3. PE (verndandi jarðtenging):Öryggisvöllurinn.
4. Stjórntæki (CP):Merkjaleiðin (eins að virkni og J1772).
5. PP (Nálægðarflugmaður):Notað til að greina tilvist klóns og, í staðlinum af gerð 2, til að miðla straumburðargetu kapalsins sjálfs í gegnum viðnámskóðað kerfi.

3.3 Fjölhæfni og aflsmörk

Tengið af gerð 2 er mun öflugra en tengið af gerð 1. Í þriggja fasa stillingu getur það stutt allt að 63 amper á fasa, sem í orði kveðnu veitir allt að 43 kW af riðstraumi (þó 22 kW séu hagnýt mörk fyrir flestar þriggja fasa uppsetningar í opinberum og íbúðarhúsnæði). Jafnvel í einfasa stillingu getur það jafnast á við afköst tengisins af gerð 1. Ennfremur er tengið af gerð 2 á ökutækinu hannað til að vera samhæft við CCS2 (Combined Charging System) fyrir háhraða DC hleðslu, með því að bæta við tveimur stórum DC pinnum fyrir neðan AC tengið.

4. Fasavirkni aflgjafar: Samanburður á einfasa skilvirkni og þriggja fasa aflgjafar

Grundvallar tæknilegi munurinn á kerfum af gerð 1 og gerð 2 liggur í því hvernig þau meðhöndla rafmagnsfasa. Þetta er ekki bara val á tengi heldur endurspeglun á undirliggjandi innviðum raforkukerfisins.

4.1 Takmarkanir á einfasa rafeindabúnaði í gerð 1

Í kerfi af gerð 1 er innbyggða hleðslutækið (OBC) í ökutækinu hannað til að taka við afli frá einni riðstraumsgjafa. Til að auka hleðsluhraðann eru einu breyturnar sem hægt er að stilla spennuna (120V til 240V) og strauminn (Amper). Þar sem íbúðarhúsnæðisrafstöðvar í Bandaríkjunum eru yfirleitt takmarkaðar við 200A samtals, þurfa sérstakar rafknúnar rásir yfir 50A verulegar uppfærslur á innviðum. Hástraums einfasa hleðsla setur einnig mikið hitaálag á raflögnina og tengipinnana.

4.2 Kostir þriggja fasa í gerð 2

Kerfi af gerð 2 nýta sér þriggja fasa raforkukerfi sem eru algeng í Evrópu og hlutum Asíu og Eyjaálfu. Með því að dreifa rafmagninu yfir þrjá fasa getur kerfið skilað mun hærri heildarafköstum við lægri straumstyrk á fasa. Til dæmis notar 11 kW hleðslutæki 16 A yfir þrjá fasa (3 x 230V x 16A ≈ 11 kW). Til að ná sömu 11 kW í einfasa kerfi af gerð 1 þyrfti straumurinn að vera um það bil 46 A (240V x 46A ≈ 11 kW).

Lægri straumstyrkur á fasa í kerfum af gerð 2 leiðir til:

• Minnkuð hitamyndun:Minni viðnámshitun í snúrum og tengjum.
• Minni þversnið kapalsins:Léttari og sveigjanlegri kaplar fyrir sama afköst.
• Stöðugleiki netsins:Þriggja fasa hleðsla veitir jafnari álag á raforkunetið, sem dregur úr hættu á fasaójafnvægi og vandamálum með núllstraum í staðbundnum dreifingarspenni.

4.3 Skilvirkni og umbreyting

Tæknilega séð hefur það einnig áhrif á skilvirkni innbyggða hleðslutækisins. Þriggja fasa riðstraumur er leiðréttur í jafnstraum hraðar en einfasa riðstraumur og þarfnast því minni rafrýmdarsíunar til að ná stöðugri jafnstraumsspennu fyrir rafhlöðuna. Þetta getur leitt til örlítið meiri skilvirkni í þriggja fasa hleðslutækjum samanborið við einfasa hleðslutæki.

(Endi á blokk 1. Haldið áfram í næsta blokk til að ná tilskildri lengd og dýpt.)

5. Merkjaheilleiki og samskipti: Ítarleg greining á CP (Control Pilot) og PP (Proximity Pilot) virkni

Samskipti milli rafbílsins (EVSE) og rafbílsins eru meðhöndluð af tveimur sérstökum lágspennumerkjalínum: Control Pilot (CP) og Proximity Pilot (PP). Þó að efnislegu tengingarnar séu mismunandi, þá er undirliggjandi merkjasamskiptareglur fyrir hleðslu á riðstraumi staðlaðar samkvæmt IEC 61851-1 og SAE J1772.

5.1 Stjórntæki (CP) og púlsbreiddarmótun (PWM)

CP merkið er ±12V 1kHz ferningsbylgja sem EVSE myndar. Þetta merki þjónar sem aðal handabands- og stöðuvísir. Samskiptaröðin er skilgreind með tilteknum spennustigum og skylduferli PWM merkisins.

• Ástand A (Biðstaða):EVSE sendir frá sér stöðuga +12V DC spennu. Þetta gefur til kynna að hleðslutækið sé knúið en ekkert ökutæki sé tengt.
• Ríki B (Tengt ökutæki):Þegar klóinn er settur í tengið tengir ökutækið viðnám og díóðu á milli CP og PE línunnar. Þetta lækkar spennuna úr +12V í +9V. EVSE greinir þetta fall og byrjar að mynda 1kHz PWM merki.
• Ríki C (Óskað eftir gjaldtöku):Ökutækið gefur til kynna að það sé tilbúið til að taka við rafmagni með því að loka rofa sem lækkar viðnám í rafrásinni og lækkar spennuna í CP-inu enn frekar niður í +6V. Á þessum tímapunkti lokar EVSE-innri tengibúnaðinum sínum til að veita riðstraum.
• Ástand D (Loftun nauðsynleg):Ef ökutækið þarfnast loftræstingar (sjaldgæft í nútíma rafknúnum ökutækjum en hluti af staðalbúnaði) lækkar spennan niður í +3V.
• Villur í stöðu E/F:0V eða -12V merki gefur til kynna bilun, svo sem jarðtengingu eða algjört sambandsleysi.

HinnVinnuhringrásPWM merkisins sem EVSE sendir segir ökutækinu hámarksstrauminn sem það má draga. Til dæmis:

• 10% virknisferill = 6 amper
• 25% virknisferill = 15 amper
• 50% virknisferill = 30 amper
• 80% virknisferill = 48 amper

Þetta gerir kleift að stjórna álaginu á breytilegan hátt; ef orkunotkun hússins eykst getur EVSE minnkað rekstrarhlutfallið til að koma í veg fyrir að aðalrofanum ljúki.

5.2 Nálægðarstýring (PP) og vélræn samlæsing

PP-merkið tryggir að ekki sé hægt að aka í burtu meðan ökutækið er tengt við rafmagn og hjálpar kerfinu að ákvarða straumburðargetu snúrunnar.

• Í gerð 1 (J1772):PP-línan (oft kölluð CS-pinninn) er tengd við rofa í tengihandfanginu. Þegar notandinn ýtir á losunarhnappinn rofnar rafrásin. Ökutækið nemur þetta samstundis og hættir að draga straum áður en aðalrafmagnspinnarnir eru aftengir, sem kemur í veg fyrir rafbogamyndun.
• Í gerð 2 (IEC 62196):PP-línan er notuð til að bera kennsl á gerð kapalsins. Kaplar eru með viðnámi milli PP- og PE-pinnanna. 11 kW kapall (16A) mun hafa aðra viðnám en 22 kW kapall (32A). EVSE-tækið og ökutækið nota þessa viðnám til að tryggja að þau fari ekki yfir hitamörk kapalsins, jafnvel þótt ökutækið geti notað meira afl.

6. Vélræn hönnun og öryggi: Læsingarkerfi, IP-gildi og líkamlegt traust

Umhverfið fyrir hleðslu rafbíla er erfitt — það verður fyrir rigningu, snjó, ryki og miklum hita. Þess vegna er vélræn hönnun tengja af gerð 1 og gerð 2 mjög nákvæm.

6.1 Læsingarkerfi: Handvirk vs. rafræn

Mikilvægur munur á stöðlunum tveimur er hvernig klóinn er festur við ökutækið.

• Handvirk lás af gerð 1:Tengið af gerð 1 er með vélrænni lás sem ýtt er með þumalfingri. Þetta er einfalt og áreiðanlegt en skortir öryggi; hver sem er getur gengið að hleðslubíl og tekið hann úr sambandi nema notandinn bæti sérstökum hengilás við handfangið.
• Rafræn lás af gerð 2:Staðallinn af gerð 2 byggir á vélknúnum læsingarpinn í inntaki ökutækisins. Þegar hleðsla hefst læsir ökutækið sjálfkrafa tengilinn. Þetta kemur í veg fyrir þjófnað á snúrunni (í tilviki hleðslutækja án hleðslu sem eru algeng í Evrópu) og tryggir að ekki sé hægt að fjarlægja tengilinn á meðan straumur er í gangi.

6.2 Innrásarvörn (IP) og umhverfisþétting

Báðir tengin eru hönnuð til að uppfylla háar IP-mats (venjulega IP54 eða hærri þegar þau eru pöruð).

• Frárennslisrásir:Tengi af gerð 2 eru með sérstökum frárennslisgötum til að koma í veg fyrir að vatn safnist fyrir í kringum pinnana.
• Efnisfræði:Hylkið er úr UV-stöðugum, höggþolnum fjölliðum eins og PBT (pólýbútýlen tereftalati) til að þola fall á steypu og útsetningu fyrir sterku sólarljósi.
• Snertihúðun:Pinnarnir eru venjulega silfurhúðaðir til að tryggja lágt snertimótstöðu og mikla endingu í þúsundir pörunarlotna.

6.3 Hitastjórnun

Nútímaleg háaflshleðslutæki fyrir riðstraum eru oft með hitaskynjurum (NTC skynjurum) sem eru innbyggðir í tengilinn. Þessir skynjarar fylgjast með hitastigi pinnanna í rauntíma. Ef hitastigið fer yfir öryggismörk (t.d. vegna lausrar tengingar eða óhreininda í inntakinu) mun rafknúna hleðslutækið (EVSE) merkja ökutækið um að minnka hleðslustrauminn eða slökkva alveg á honum til að koma í veg fyrir eld.

7. Alþjóðleg netkerfi: TN, TT og upplýsingatækninet og áhrif þeirra á uppsetningu rafsegulrafmagnsrafhlöðu (EVSE)

Hönnun og uppsetning rafknúinna ökutækja (EVSE) er mjög háð jarðtengingarkerfum sem notuð eru á mismunandi svæðum. Rafknúin ökutæki (EVSE) verður að greina örugga jarðtengingu áður en hleðsla hefst.

7.1 TN kerfi (Terra-Neutral)

TN-kerfið er algengt í Norður-Ameríku (TN-CS) og Bretlandi. Í þessari uppsetningu eru núllleiðarinn og jörðin tengd við þjónustuinnganginn. Þó að þetta veiti áreiðanlega leið fyrir bilunarstrauma, þá skapar það áhættu ef „Open PEN“ (Protective Earth Neutral) bilun kemur upp. Ef núllleiðarinn frá raforkukerfinu slitnar gæti undirvagn rafbílsins fengið spennu á línuspennu. Þetta hefur leitt til þróunar sérhæfðra „Open PEN skynjara“ í hleðslutækjum í Bretlandi.

7.2 TT kerfi (Terra-Terra)

Algengt er í hlutum meginlands Evrópu (eins og Frakklandi og Ítalíu) og Japan að TT-kerfið noti staðbundna jarðstreng sem er ekki tengdur við núllleiðara raforkukerfisins. Rafmagnshleðslutæki (EVSE) sem eru sett upp á TT-netum verða að vera mjög næm fyrir jarðviðnámi. Ef jarðstrengurinn er ekki nógu djúpur eða jarðvegurinn er of þurr gæti hleðslutækið neitað að ræsa þar sem það getur ekki staðfest lágviðnámsleið til jarðar.

7.3 Upplýsingakerfi (Isolé-Terra)

Upplýsingakerfi, sem finnst í Noregi og sumum iðnaðarumhverfum, hefur enga beina tengingu milli núllleiðarans/fasa og jarðar. Þetta er einstök áskorun fyrir rafbíla, þar sem margar hleðslutæki um borð eru hannaðar til að búast við jarðtengdum núllleiðara. Sérhæfðir einangrunarspennar eru oft nauðsynlegir til að hlaða rafbíla á öruggan hátt á upplýsingatækninetum.

7.4 Breytingar á tíðni og spennu raforkukerfisins

Þó að gerð 1 og gerð 2 greinist að mestu leyti eftir fasastuðningi sínum, þá hefur undirliggjandi tíðni netsins (60Hz í Bandaríkjunum/Japan á móti 50Hz í flestum öðrum heimshlutum) einnig áhrif á hönnun spóla og þétta í hleðslutækinu í ökutækinu. Hins vegar eru flestir nútíma OBC-hleðslutæki breitt spennusvið og geta meðhöndlað 100V-250V og 50/60Hz.

8. Rafmagnsþröng í íbúðarhúsnæði: Hvernig reglugerðir um raforkukerfi og dreifikerfi heimila takmarka hleðsluhraða rafbíla

Fræðilegur hleðsluhraði (eins og 22 kW fyrir gerð 2 eða 19,2 kW fyrir gerð 1) næst sjaldan í íbúðarhúsnæði vegna takmarkana raforkukerfisins og rafmagnstöflu heimilisins.

8.1 Norður-Ameríka: 200A spjaldamörkin

Í Bandaríkjunum er dæmigert nútímaheimili með 200A þjónustutöflu. Hleðslutæki af 2. stigi sem notar 48A krefst 60A rofa. Samkvæmt rafmagnsreglugerð Bandaríkjanna (NEC) ætti samfelld hleðsla (eins og hleðsla rafbíla) ekki að fara yfir 80% af rofagildi straumrásarinnar. Fyrir heimili með eldri 100A hleðslustöðvar er ómögulegt að setja upp öflugt rafbílahleðslutæki án þess að uppfæra þjónustuna, sem getur kostað þúsundir dollara. Þetta hefur leitt til vinsælda 32A (7,7 kW) hleðslutækja, sem vega og meta hleðsluhraða og afkastagetu hleðslustöðva.

8.2 Bretland: Einfasa yfirráð og opin PEN

Þó að breska dreifikerfið sé þriggja fasa, þá eru flest heimili með einum 230V, 60A eða 100A fasa. Þetta takmarkar hleðslu heimila við 7,4 kW. Vegna TN-CS jarðtengingarinnar sem áður var getið, krefjast breskar reglugerðir þess að hleðslutæki hafi dýra vörn gegn bilunum í opnum núllleiðara, sem gerir bresk rafknúna hleðslutæki tæknilega flóknari en evrópsk sambærileg kerfi.

8.3 Þýskaland og Norður-Evrópa: 11 kW staðallinn

Í Þýskalandi er þriggja fasa rafmagn staðlað í nánast öllum íbúðarhúsnæði. Þetta gerir kleift að setja upp 11 kW (3 x 16A) vegghleðslustöðvar útbreidda. Ólíkt Bandaríkjunum, þar sem 11 kW krefst þungrar 60A einfasa rafrásar, þarf í Þýskalandi aðeins 16A þriggja fasa rafrás, sem notar mun þynnri raflögn og er auðveldlega hægt að koma fyrir í núverandi dreifitöflum. Mörg þýsk veitufyrirtæki krefjast tilkynningar eða samþykkis fyrir hleðslutæki yfir 11 kW (eins og 22 kW einingar) til að tryggja stöðugleika á staðnum.

8.4 Ástralía og Nýja-Sjáland: Háspenna, einfasa

Ástralía notar 230V/240V kerfi svipað og í Bretlandi. Flestar íbúðarhúsnæðisuppsetningar eru einfasa 7,4 kW. Hins vegar, vegna langra vegalengda og dreifbýlis eðlis raforkukerfisins, eru spennusveiflur algengar. Rafmagnsökutæki á þessum svæðum verða að hafa öfluga yfir- og undirspennuvörn til að takast á við spennufall eða spennubylgjur án þess að skemma ökutækið.

(Endi á blokk 2. Haldið áfram í næsta blokk til að ná tilskildri lengd og dýpt.)

9. Alhliða rafrásarvörn: Innleiðing á A/B lekavörnum, lekagreiningu á jafnstraumi og ofstraumsvörn í riðstraumshleðslu

Öryggi er hornsteinn hönnunar rafknúinna ökutækja (EVSE). Hleðsla rafknúinna ökutækja felur í sér að afhenda mikla orku í langan tíma, oft í votviðri. Þar af leiðandi verður verndarrásin að vera mun fullkomnari en í venjulegu heimilistæki.

9.1 Lekastraumstæki (RCDs): Tegund A vs. Tegund B

RCD er hannaður til að greina ójafnvægi milli straumsins sem fer í gegnum línuna og núllvírana, sem bendir til leka til jarðar („jarðskekkja“). Við hleðslu rafbíla er sérstök hætta á:Jafnstraumur afgangsstraumur.

• RCD-rofar af gerð A:Þetta er algengt í íbúðarhúsnæðistöflum og getur greint riðstraum og púlsandi jafnstraum. Hins vegar geta þeir verið „blindaðir“ af sléttum jafnstraumsleka. Ef bilun í hleðslutæki rafbílsins veldur því að meira en 6mA af sléttum jafnstraumi lekur inn á riðstraumshliðina, getur innri kjarni spennisins í A-gerð lekalokaranum mettað sig, sem kemur í veg fyrir að hann sleppi jafnvel þótt hættuleg riðstraumsbilun komi upp.
• RCD-rofar af gerð B:Þessir eru hannaðir til að greina riðstraum, púlsandi jafnstraum og jafna jafnstraumsleifar. Þótt þeir bjóði upp á betri vörn eru þeir mun dýrari.
• RDC-DD (mælitæki fyrir afgangsstraum):Til að lækka kostnað og viðhalda öryggi eru mörg nútíma rafknúin rafsegulkerfi með RDC-DD einingu (í samræmi við IEC 62955). Þessi eining nemur jafnstraumsleka yfir 6mA og slekkur á hleðslutækinu. Þegar RDC-DD er til staðar er hægt að nota staðlaðan (og ódýrari) RCD af gerð A í dreifitöflunni uppstreymis.

9.2 Ofstraums- og skammhlaupsvörn

Sérhver rafknúinn rafknúinn ökutækis (EVSE) verður að vera varinn með smárofa (MCB). Þar sem hleðsla rafknúinna ökutækja er stöðug álag verður að lækka rafmagnsrofa (MCB). Í Bandaríkjunum (NEC) þarf 40A hleðsluálag 50A rofa. Í Evrópu fer val á MCB (gerð B, C eða D ferils) eftir væntanlegum straumi hleðslutækisins í ökutækinu. „C“ ferilsrofi er almennt æskilegri til að forðast óþægilegar útrýmingar á upphafsstigi tengingarinnar.

9.3 Spennuvörn (SPD)

Rafmagnshleðslutæki (EVSE) eru oft sett upp utandyra og tengd stórum málmhlut (bílnum), sem gerir þau viðkvæm fyrir óbeinum eldingum og spennubylgjum. Uppsetning á spennuvarnabúnaði af gerð 2 (SPD) er mjög ráðlögð (og í sumum héruðum, eins og Þýskalandi, skylda) til að vernda viðkvæma rafeindabúnað bæði hleðslutækisins og ökutækisins.

9.4 Tengiliðir og galvanísk einangrun

Hjarta aflgjafar EVSE erTengiliðurÞetta er öflugur rofi sem tengir eða aftengir AC aflgjafann líkamlega. Til öryggis verður tengillinn að vera „venjulega opinn“, sem þýðir að afl er aðeins veitt þegar CP merkið gefur til kynna „State C“ (Ready to Charge). Hágæða EVSE tæki nota fjögurra póla tengila fyrir þriggja fasa kerfi til að tryggja að allir fasar og núllleiðarinn séu einangraðir þegar þeir eru ekki í notkun. Sumar háþróaðar einingar innihalda einnig „Welded Contact Detection“, sem fylgist með stöðu tengilsins; ef tengiliðirnir sameinast (og koma í veg fyrir að aflgjafinn rofni) mun EVSE tækið virkja vélbúnaðarviðvörun og vera í bilunarástandi.

10. Snjallhleðsla og ISO 15118: Að fara lengra en PWM yfir í stafræn samskipti og „Plug & Charge“

Þó að grunn CP/PP merkjagjöf sé nægjanleg fyrir einfalda riðstraumshleðslu, þá byggir framtíð vistkerfis rafknúinna ökutækja á ríkulegri, stafrænni gagnaskipti. Það er þar sem ISO 15118 staðallinn kemur við sögu.

10.1 Takmarkanir PWM

Staðlaða PWM-merkjagjöfin miðlar aðeins hámarks tiltækum straumi. Hún segir EVSE ekki frá hleðslustöðu ökutækisins (SoC), rafhlöðugetu þess eða einstöku auðkenni þess. Án þessara upplýsinga er erfitt að innleiða eiginleika eins og sjálfvirka reikningsfærslu, raforkutengda hleðslu og tvíátta orkuflutning.

10.2 HomePlug Green PHY og PLC samskipti

ISO 15118 kynnirRaflínusamskipti (PLC)yfir stjórntækisvírann (CP). Með því að leggja hátíðni stafrænt merki (HomePlug Green PHY) ofan á 1 kHz CP merkið geta ökutækið og rafknúna ökutækið komið á TCP/IP tengingu. Þetta gerir kleift að:

• Tengdu og hleðdu:Ökutækið auðkennir sig sjálfkrafa fyrir hleðslutækinu. Hleðslutækið hefur samskipti við bakþjón til að heimila lotuna og meðhöndla greiðslu án þess að þörf sé á RFID-korti eða smáforriti.
• Samþætting snjallnets:Rafbíllinn getur tilkynnt áætlaðan brottfarartíma og orkuþörf. Rafmagnsnetið (eða orkustjórnunarkerfi fyrir heimili – HEMS) getur þá skipulagt hleðsluna þegar rafmagnsverð er lægst eða framleiðsla endurnýjanlegrar orku er mest.

10.3 Framtíð tvíátta hleðslu (V2G, V2H, V2X)

Einn af spennandi þáttum ISO 15118 (sérstaklega -20 útgáfunnar) er stuðningurinn við tvíátta riðstraumshleðslu. Þó að flestar útfærslur á ökutæki til raforkukerfisins (V2G) noti nú jafnstraum (í gegnum CHAdeMO eða CCS), þá gerir tvíátta riðstraumshleðsla ökutækinu kleift að nota sinn eigin hleðslutæki sem inverter til að ýta rafmagni aftur inn í heimilið eða raforkukerfið. Þetta krefst þess að EVSE virki sem háþróaður hliðvörður og tryggir að rafmagnið sem er sent aftur inn í raforkukerfið passi fullkomlega við fasa og tíðni raforkukerfisins.

11. Greining á svæðisbundnum stöðlum: GB/T (Kína) samanborið við gerð 2

Þó að gerð 1 og gerð 2 nái yfir stærstan hluta heimsins, notar Kína - stærsti rafbílamarkaður heims - sinn eigin staðal:GB/T 20234.

11.1 Líkamleg líkindi við tegund 2

Líkamlega séð lítur GB/T AC tengið mjög svipað út og Type 2 tengið. Það er með sjö pinna uppsetningu. Hins vegar eru kynin öfug: klóinn hefur pinnana (karl) og bíllinn hefur innstungurnar (kvenkyns), sem er andstæða Type 2 staðalsins.

11.2 Mismunur á samskiptum

Merkjagjöfin í GB/T AC byggist einnig á sömu PWM meginreglu og í gerð 1 og gerð 2. Hins vegar eru nákvæm viðnámsgildi fyrir PP og CP handaband örlítið mismunandi. Þetta þýðir að evrópskur bíll af gerð 2 getur ekki notað kínverskan GB/T hleðslutæki (eða öfugt) án sérstaks millistykkis sem ekki aðeins breytir efnislegum pinnum heldur inniheldur einnig merkjabreytingarrás.

11.3 Áhrif á markaðinn

Ólíkindi GB/T staðalsins undirstrika þá landfræðilegu og efnahagslegu þætti sem hafa áhrif á tæknilega stöðlun. Með því að búa til sinn eigin staðal tryggði Kína að innlendir framleiðendur hefðu verndað vistkerfi en nýtti sér jafnframt tæknilegan lærdóm af IEC stöðlunum.

12. Prófun, vottun og gæðaeftirlit: UL, CE og meira til

Áður en hægt er að selja rafknúna ökutæki verður það að gangast undir strangar prófanir til að tryggja að það valdi ekki raflosti eða kveiki í eldi.

12.1 UL 2594 og UL 2231 (Norður-Ameríka)

Í Norður-Ameríku skilgreina Underwriters Laboratories (UL) staðla fyrir rafknúna hleðslustöð (EVSE). UL 2594 fjallar um grunnbyggingu og öryggi hleðslustöðvarinnar, en UL 2231 leggur áherslu á verndarkerfi fyrir starfsfólk (virkni RCD/GFCI). Lykilkrafa fyrir UL-vottun er „Árekstrarþol“ — hleðslutækið verður að geta þolað að verða fyrir þungu álagi án þess að spennuhafandi hlutar komist í ljós.

12.2 CE og IEC 61851 (Evrópa/Alþjóðlegt)

Í Evrópu gefur CE-merkið til kynna að það sé í samræmi við lágspennutilskipunina og rafsegulsamhæfistilskipunina (EMC). Helsta tæknilega staðallinn erIEC 61851Prófun felur í sér:

• Rafmagnsstyrkur:Gakktu úr skugga um að einangrunin þoli háspennubylgjur.
• Hitastigshækkun:Láttu hleðslutækið keyra á hámarksstraumi í margar klukkustundir til að tryggja að það ofhitni ekki.
• Umhverfisþol:Saltúðaprófanir fyrir strandsvæði og rykinnstreymisprófanir fyrir þurr svæði.

12.3 Mikilvægi samvirkniprófana

Auk öryggis er áskorunin fólgin í því aðSamvirkniEkki virka allir bílar fullkomlega með öllum hleðslutækjum. Hópar eins og CharIN (Charging Interface Initiative) framkvæma „prófanir“ þar sem framleiðendur koma með bíla sína og hleðslutæki til að staðfesta að samskiptareglur og tengingar virki gallalaust milli mismunandi framleiðenda.

(Lok 3. blokkar. Áframhaldandi útfærslu á tæknilegum upplýsingum um snjalltengi og framtíðarstöðlun.)

13. Ítarleg sundurliðun íhluta: Innri verkfræði nútíma vegghleðslustöðvar

Til að skilja muninn á kerfum af gerð 1 og gerð 2 í smáatriðum verður maður að skoða „vegghleðslustöðina“ sjálfa. EVSE er ekki bara uppgerð framlengingarsnúra; hún er háþróuð tölva fyrir orkustjórnun.

13.1 Aðalstýringin (MCU)

Heilinn í EVSE er yfirleitt 32-bita örstýring (eins og ARM Cortex-M serían). Þessi örgjörvi sér um 1kHz CP merkjamyndun, fylgist með PP viðnáminu og keyrir öryggisrökfræðina. Í snjallhleðslutækjum stýrir þessi örgjörvi einnig Wi-Fi eða Ethernet staflanum og hefur samskipti við farsímaforrit notandans í gegnum MQTT eða HTTP samskiptareglur.

13.2 Straumskynjun: Hall-áhrif vs. sköntun

Til að fylgjast með orkunni sem afhent er og greina ofstraumsaðstæður notar EVSE straumskynjara.

• Hall-áhrifaskynjarar:Þessir mæla segulsviðið sem straumurinn myndar. Þeir veita galvaníska einangrun og eru frábærir fyrir notkun með miklum straumi.
• Skjótviðnám:Þessir mæla spennufallið yfir þekkta viðnám. Þótt þeir séu mjög nákvæmir þurfa þeir flóknari einangrunarrásir.

Í þriggja fasa hleðslutækjum af gerð 2 verður örgjörvinn að fylgjast með þremur aðskildum straumleiðum samtímis til að tryggja fasajafnvægi og greina hvort annar fasi hefur bilað.

13.3 Hjálparaflgjafi

Innri rafeindabúnaðurinn (örgjörvi, Wi-Fi eining, skjár og snertispólur) ​​þarfnast lágspennu jafnstraums aflgjafa (venjulega 12V eða 5V). Í þriggja fasa kerfum af gerð 2 er hjálparaflgjafinn oft hannaður til að virka jafnvel þótt aðeins einn fasi sé til staðar, sem gerir hleðslutækinu kleift að vera „tengt“ og tilkynna notandanum um fasatapsvillu.

14. Snjalltengi og stöðluð samtenging: Framtíð færanlegra hleðslutækja

Þótt fastar vegghleðslustöðvar séu gullstaðallinn, treysta margir eigendur rafbíla á flytjanlegar hleðslutæki (oft kallaðar „ömmukaplar“ eða „IC-CPD“ – In-Cable Control and Protection Devices).

14.1 Tæknileg áhætta heimilistengla

Það er tæknilega krefjandi að hlaða rafbíl úr venjulegri heimilisinnstungu (NEMA 5-15 í Bandaríkjunum eða Schuko í Evrópu). Þessar innstungur voru ekki hannaðar til að skila 10-16 amperum samfellt í 12 klukkustundir.

• Hitaupphlaup:Með tímanum getur spennan í málmtengingum innstungunnar veikst, sem leiðir til mikillar viðnáms og mikils hita.
• Snjalltenglar til bjargar:Hágæða flytjanleg hleðslutæki eru nú með hitaskynjurum sem eru innbyggðar beint í heimilistengið. Ef tengið byrjar að ofhitna mun IC-CPD kerfið senda bílnum merki um að minnka straumnotkunina og koma í veg fyrir að innstungan bráðni.

14.2 „Alhliða“ flytjanlegur hleðslutæki

Í vistkerfi Type 2 er ný þróun máttengdra flytjanlegra hleðslutækja (eins og Juice Booster eða Tesla Mobile Connector). Þessi tæki nota röð skiptanlegra millistykki. Tækið þekkir hvaða millistykki er tengt (með því að nota viðnámskóðað kerfi svipað og PP pinna) og stillir sjálfkrafa hámarkshleðslustrauminn. Þetta býður upp á „alhliða“ hleðslulausn sem virkar í mismunandi löndum og gerðum innstungna en viðheldur öryggi fastrar vegghleðslustöðvar.

15. Umskipti í Norður-Ameríku: Frá gerð 1 (J1772) yfir í NACS (SAE J3400)

Mikil breyting er nú að eiga sér stað á Norður-Ameríkumarkaðnum sem flækir samanburðinn á gerð 1 og gerð 2: innleiðing Norður-Ameríska hleðslustaðalsins (NACS), sem Tesla var brautryðjandi í og ​​nú staðlaður sem SAE J3400.

15.1 Tæknilegt yfirlit yfir NACS

Ólíkt gerð 1 og gerð 2, sem hafa aðskilda pinna fyrir AC og DC hleðslu, notar NACS tengið sömu tvo aðalpinna fyrir báðar. Þetta er glæsileg og nett hönnun sem ræður við bæði einfasa AC og háhraða DC.

15.2 Samleitni bókunar

Mikilvægast er að þó að efnislega NACS tengið sé öðruvísi, þá notar þaðsömu samskiptareglureins og staðlarnir sem við höfum rætt. Fyrir riðstraumshleðslu notar það J1772 PWM merkjagjöf. Fyrir jafnstraumshleðslu notar það ISO 15118 PLC samskipti. Þetta þýðir að með einföldum óvirkum millistykki getur bíll af gerð 1 hlaðið á NACS riðstraumsstöð og öfugt. Þessi breyting undirstrikar þróun í átt að þéttri notkun án þess að fórna stöðluðum merkjagjöfum sem tryggja alþjóðlega samvirkni.

16. Áhrif innbyggðrar hleðslutækja (OBC) á afköst hleðslu í riðstraumi

Tengillinn og vegghleðslustöðin segja aðeins hálfa söguna. Innbyggða hleðslutækið (OBC) í bílnum ræður að lokum hleðsluhraðanum.

16.1 Einfasa OBC vs. þriggja fasa OBC

Margir rafmagnsbílar í grunnflokki (og tengiltvinnbílar) eru aðeins með einfasa OBC, jafnvel á mörkuðum af gerð 2. Ef þú stingur bíl með 7 kW einfasa OBC í 22 kW þriggja fasa hleðslutæki af gerð 2, mun hann aðeins draga 7 kW úr einum af þremur tiltækum fösum. Þetta er algengt ruglingsatriði hjá neytendum.

16.2 Einföld OBC hönnun

Sumir framleiðendur (eins og Tesla og Renault) nota einingabundnar hleðslutæki (OBC). Á markaði af gerð 2 gæti bíllinn haft þrjár eins 3,7 kW hleðslueiningar. Þegar bíllinn er tengdur við þriggja fasa aflgjafa sér hver eining um einn fasa, samtals 11 kW. Þegar bíllinn er tengdur við einfasa hleðslutæki af gerð 1 (í Bandaríkjunum) getur hann tengt þessar einingar samsíða til að draga allt að 11 kW úr einum hástraumsfasa. Þessi einingauppbygging er meistaraverk í aflrafeindatækni, sem gerir kleift að selja sama ökutækispall um allan heim með lágmarks breytingum á háspennuarkitektúr hans.

17. Hlutverk hugbúnaðar: OCPP og skýjabundin álagsstjórnun

Þegar við færumst í átt að þúsundum hleðslutækja sem tengjast sama raforkukerfinu verður hugbúnaður jafn mikilvægur og kopar og kísill.

17.1 Opin hleðslustöð (OCPP)

OCPP er staðlað tungumál í greininni sem notað er milli EVSE og miðlægs stjórnunarkerfis (CMS). Það gerir kleift að:

• Fjargreining:Tæknimaður getur endurræst hleðslutæki eða uppfært vélbúnað þess úr þúsundum kílómetra fjarlægð.
• Kvik álagsjöfnun:Í fjölbýlishúsi með 20 hleðslutækjum en aðeins 100A straumi getur CMS kerfið notað OCPP til að segja hverjum hleðslutæki hversu mikinn straum hann getur veitt í rauntíma, sem tryggir að aðalrofi byggingarinnar slái aldrei út og hámarkar heildarorkuna sem afhent er öllum bílum.

17.2 Notendaupplifun (UX) og „apphagkerfið“

Fyrir neytandann hverfur munurinn á gerð 1 og gerð 2 oft á bak við snjallsímaforrit. Hins vegar er tæknilegur styrkur tengingarinnar - hversu hratt CP handshaking lýkur, hversu áreiðanlegt Wi-Fi tengist aftur eftir rafmagnsleysi - enn grunnurinn að jákvæðri notendaupplifun.

18. Niðurstaða: Að sigla í gegnum flækjustig heimsins með hleðslutæki fyrir rafbíla

Munurinn á hleðslutækjum fyrir rafbíla af gerð 1 og gerð 2 er meira en bara fjöldi pinna eða lögun plastsins. Hann endurspeglar tvær ólíkar hugmyndir um rafmagnsinnviði.

• Tegund 1 (J1772)er öflug, öflug lausn sem er fínstillt fyrir einfasa 120V/240V tvífasa raforkukerfið sem er ríkjandi í Norður-Ameríku og Japan. Fimm pinna hönnunin - tveir aflgjafar, einn jarðtenging, tveir merkjatenglar - er vísvitandi einföld og skilar áreiðanlegri 2. stigs hleðslu allt að 80A (19,2kW) á 240V rafrás. Hún var hönnuð fyrir heim þar sem flest hleðsla fer fram heima eða í vinnunni, yfir klukkustundir, og þar sem einfaldleiki og kostnaður ráða ríkjum í verkfræðihlutverkinu.
• Tegund 2 (IEC 62196-2)er sjö pinna kerfi sem er hannað fyrir þriggja fasa 400V raforkukerfi Evrópu og stórum hluta Asíu. Það er með sömu tvo merkjatenna en bætir við þriggja fasa aflgjafatennum, sem gerir kleift að hlaða allt að 43 kW í riðstraumi (eða 22 kW í flestum raunverulegum uppsetningum) og styður þá hærri aflþéttleika sem evrópsk íbúðar- og atvinnuhúsnæði krefst. Fjölhæfni þess nær einnig til jafnstraums: Tengifjölskylda af gerð 2 er undirstaða CCS2 samsetta inntaksins, en J1772 hönnun af gerð 1 leiddi til CCS1.
• Niðurstaðan:Hvorugur staðallinn er „betri“ í algerum skilningi — hvor um sig er trúr verkfræðilegur stuðningur við sitt heimanet. Tegund 1 er hagkvæmur og öflugur kostur fyrir einfasa svæði; Tegund 2 er öflugur og sveigjanlegur pallur fyrir þriggja fasa svæði. Bilunarpunkturinn er ekki tengið heldur vélbúnaðurinn sem neitar að aðlagast: hleðslutæki og rafbílar sem styðja aðeins einn staðal loka eigendum sínum úti frá vaxandi alþjóðlegu reikikerfi.

Leiðin áfram

Fyrir framleiðendur og rekstraraðila er hagnýta svarið fjölstaðlað vélbúnaður. Tvöföld staðlað jafnstraumshleðslutæki (CCS1 + CCS2, CCS + CHAdeMO og í auknum mæli NACS) gera einni vöru kleift að þjóna öllum svæðum, á meðan millistykki vistkerfi lengja eldri ökutæki. Fyrir neytendur er lærdómurinn einfaldari: veldu ökutæki og hleðslutæki sem styðja staðla netkerfanna sem þú munt í raun nota - og búist við að samleitni iðnaðarins á NACS í Norður-Ameríku og CCS2 í Evrópu muni gera samhæfni minni höfuðverk með hverju ári sem líður.

Athugasemd um öryggisvottun

Á bak við lögun tengilsins leynist verkfræðilag sem neytendur sjá aldrei en allir uppsetningaraðilar verða að virða: vottun. Tegund 1 vélbúnaður er með UL 2594 / UL 2594-1 og CSA skráningar í Norður-Ameríku, en tegund 2 vélbúnaður verður að uppfylla IEC 61851-1 og, fyrir viðskiptauppsetningar, IEC 62196-2 íhlutavottun í Evrópu. CE-merking, UKCA og í auknum mæli samræmi við staðbundnar raforkukerfisreglugerðir (t.d. VDE-AR-N 4100 í Þýskalandi) ákvarða hvort hleðslutæki geti verið löglega tengt netinu. Rekstraraðilar sem útvega vélbúnað fyrir mörg svæði ættu að krefjast vottorða sem passa við hvert uppsetningarlögsagnarumdæmi - krafa sem er óhóflega í hag framleiðendum sem prófa og votta hverja svæðisbundna afbrigði frekar en að endurnýja merkið á einni hönnun.

Lykilatriði

• Tegund 1 (J1772) endurspeglar einfasa innviði í Norður-Ameríku; Tegund 2 (IEC 62196-2) endurspeglar þriggja fasa innviði í Evrópu.
• Fimm pinna gerð 1 og sjö pinna gerð 2 hönnunin reiða sig báðar á sömu CP/PP merkjagjöfarrökfræði, þannig að rafmagns „tungumálið“ er sameiginlegt jafnvel þegar rúmfræðin er ólík.
• Þriggja fasa getu tegundar 2 gerir kleift að knýja miklu meiri riðstraum en einfaldleiki tegundar 1 heldur kostnaði og flækjustigi lágum.
• OCPP-byggð netstjórnun og fjölstaðlaður vélbúnaður gerir heiminn á blendingahleðslutækjum meðfærilegan fyrir rekstraraðila og óaðfinnanlegan fyrir ökumenn.

MIDA Power framleiðir hleðslutæki fyrir blendingaheim: AC og DC kerfi, CCS1/CCS2/CHAdeMO/NACS tengimöguleika og OCPP-samhæfan nethugbúnað sem stýrir hvaða blöndu af stöðlum sem er frá einni mælaborði. Hafðu samband við teymið okkar til að fá leiðbeiningar um samhæfni, tæknilegar upplýsingar og tilboð sem er sniðið að innviðum svæðisins.