Afkóðun alþjóðlegrar hleðslu rafbíla: CCS vs CHAdeMO, V2G Evolution og ChaoJi staðlar

Afkóðun alþjóðlegs hleðslulandslags rafknúinna ökutækja: Ítarleg tæknileg djúpskoðun á CCS á móti CHAdeMO samskiptareglum, ISO 15118 á móti CAN Bus samskiptum, þróun V2G og tilkomu ChaoJi staðalsins.

1. Inngangur: Þróun jafnstraumshleðslu og leit að stöðlun

Umskiptin í átt að rafknúnum samgöngum eru ekki bara breyting á knúningskerfi bifreiða heldur grundvallarbreyting á orkudreifingu og neytendahegðun. Í hjarta þessara umbreytinga liggur hleðsluinnviðirnir, sérstaklega tæknin sem gerir kleift að nota jafnstraumshraðahleðslu (DCFC). Þar sem rafknúin ökutæki hafa færst frá því að vera sérhæfð tilraunaverkefni yfir í almennar samgöngulausnir hefur þörfin fyrir hraðvirka, áreiðanlega og stöðluð hleðslu orðið mikilvæg. Leiðin að stöðlun hefur þó verið allt annað en línuleg. Iðnaðurinn hefur verið skilgreindur af margra ára samkeppni milli tveggja meginarkitektúra: samsetta hleðslukerfisins (CCS) og CHAdeMO staðalsins.

Á fyrstu dögum nútíma rafknúinna ökutækja – um það bil seint á fyrsta áratug 21. aldar og snemma á fyrsta áratug 21. aldar – var landslagið eins og „villta vestur“ sérhæfðra staðla og staðla á frumstigi. Nissan LEAF, sem kynntur var árið 2010, var talsmaður CHAdeMO staðalsins, sem á rætur sínar að rekja til Japans. Þetta var þróað af CHAdeMO samtökunum (samstarfi TEPCO, Nissan, Mitsubishi og fleiri) og var fyrsta útbreidda jafnstraumshleðslukerfið á heimsvísu. CHAdeMO bauð upp á öflugt, tvíátta kerfi sem notaði Controller Area Network (CAN) strætó til samskipta, samskiptareglu sem þegar er djúpt rótgróin í bílaverkfræði.

Evrópskir og bandarískir framleiðendur leituðu hins vegar að samþættari nálgun. Í stað þess að hafa aðskildar tengingar fyrir AC og DC hleðslu – eins og CHAdeMO ökutæki gerðu – lögðu þeir til samsetta hleðslukerfið (CCS). CCS notaði „Combo“ tengi sem bætti DC pinnum við núverandi AC staðla (gerð 1 í Norður-Ameríku og gerð 2 í Evrópu). Auk efnislegs tengis valdi CCS verulega aðra samskiptaleið: Power Line Communication (PLC) byggt á ISO 15118 og DIN 70121 stöðlunum.

Þessi byggingarfræðilegi frávik skapaði tvískiptan markað. Í meira en áratug hafa ökumenn rafknúinna ökutækja, rekstraraðilar hleðslustöðva og bílaframleiðendur siglt í gegnum flókið umhverfi þar sem samhæfni ökutækja var háð landfræðilegri staðsetningu og óskum framleiðanda. Samkeppnin milli CCS og CHAdeMO snýst ekki bara um lögun tengilsins; hún er barátta samskiptaheimspeki, rafrásarkerfis og landfræðilegra áhrifa.

Þegar við horfum til ársins 2030 er landslagið að breytast á ný. Með tilkomu Norður-Ameríska hleðslustaðals (NACS) – sem í raun notar CCS samskiptareglurnar í öðru formi – og þróun næstu kynslóðar ChaoJi staðalsins, er iðnaðurinn að stefna að mögulegri, þótt óþægilegri, samleitni. Þessi grein veitir ítarlega tæknilega greiningu á muninum á CCS og CHAdeMO, þar sem kannað er ítarlegar upplýsingar um samskiptakerfi þeirra, eðlisfræði tengja þeirra, markaðsöflin sem knýja þróun þeirra áfram og framtíð hleðslu með mikilli afköstum.

2. Samskiptareglur: ISO 15118 (PLC) vs. CHAdeMO (CAN)

Grundvallar tæknilegi munurinn á CCS og CHAdeMO liggur í því hvernig ökutækið (EV) og rafmagnsökutækið (EVSE) eiga samskipti sín á milli. Þessi samskipti eru mikilvæg til að stjórna öryggi, staðfesta stöðu rafhlöðunnar, semja um spennu og straum og meðhöndla reikningsupplýsingar.

2.1 CHAdeMO aðferðin: CAN-rútu samskipti

CHAdeMO notar CAN-samskiptareglur (Controller Area Network). Í samhengi bílaverkfræði er CAN „alþjóðlegt mál“. Það var þróað af Bosch á níunda áratugnum fyrir öfluga, hávaðaþolna samskipti milli rafeindastýrieininga (ECU) í ökutæki. CHAdeMO notar sérstakt CAN-par innan hleðslusnúrunnar til að auðvelda samskipti milli hleðslutækisins og bílsins.

CHAdeMO samskiptareglurnar eru tiltölulega einfaldar. Þær fylgja strangt skilgreindri röð merkja. Þegar CHAdeMO tengi er sett í, hefst ferlið með 12V merki. Bíllinn og hleðslutækið skiptast síðan á grunnupplýsingum í gegnum CAN-bussann, svo sem hámarksspennu sem rafhlaðan getur tekið við og hámarksstraum sem hleðslutækið getur veitt. Þar sem CAN er rauntíma samskiptaregla með lágum seinkunartíma getur CHAdeMO brugðist mjög hratt við breytingum á stöðu rafhlöðunnar eða öryggistruflunum.

Einn af mikilvægustu kostum CHAdeMO/CAN arkitektúrsins er innbyggður stuðningur hennar við tvíátta orkuflæði (V2G/V2H). Þar sem samskiptin byggjast á einföldum, vel skilgreindum CAN auðkennum, var mögulegt að innleiða eiginleika ökutækis-til-nets nánast frá upphafi. CHAdeMO gerir hleðslutækinu kleift að óska ​​eftir orku frá rafhlöðu bílsins, sem auðveldar tíðnistjórnun og varaafl heimila.

2.2 CCS aðferðin: PLC og ISO 15118

CCS notar mun flóknari nálgun með því að nota Power Line Communication (PLC). Nánar tiltekið notar CCS HomePlug Green PHY staðalinn til að senda hátíðnigögn yfir Control Pilot (CP) pinna tengisins. Þessi gögn eru síðan túlkuð í gegnum linsu ISO 15118 og DIN 70121 staðlanna.

Hvers vegna að velja PLC frekar en CAN? Helsta ástæðan var framtíðaröryggi og gagnageymslugeta. ISO 15118 var ekki aðeins hannaður fyrir grunnhleðslustýringu, heldur sem alhliða stafrænt samskiptakerfi. Það styður háþróaða eiginleika eins og „Plug & Charge“, þar sem ökutækið auðkennir sig og afgreiðir greiðslur sjálfkrafa án þess að þörf sé á RFID-korti eða snjallsímaforriti. Til að styðja dulkóðun og flóknar gagnauppbyggingar sem krafist er fyrir þessa eiginleika var talið nauðsynlegt að nota meiri bandvídd en það sem dæmigerður CAN-busi býður upp á.

Notkun PLC kerfisins flækir þó verulega. Þar sem CP pinninn er einnig notaður fyrir grunn PWM merki (Puls Width Modulation) (sem er flutt frá J1772 AC hleðslustaðlinum), verður PLC merkið að vera lagt ofan á þetta hliðræna merki. Þetta krefst háþróaðra sendi- og móttakara og sía til að tryggja að rafmagnssuð frá öflugu DC hleðsluferlinu spilli ekki samskiptunum. „Handabandsferlið“ í CCS er mun hægara en í CHAdeMO þar sem kerfið verður að koma á nettengingu, framkvæma IP-samskipti (TCP/IPv6) og skiptast á XML-skilaboðum.

2.3 Yfirlit yfir samanburð á samskiptareglum

Munurinn á CAN og PLC er einfaldleiki á móti getu. CAN-byggða kerfið frá CHAdeMO er hratt, áreiðanlegt og tiltölulega auðvelt í framkvæmd, en það skortir þá háþróuðu, lagskipta samskiptaarkitektúr sem krafist er fyrir óaðfinnanlega, örugga alþjóðlega reiki og gagnaskipti á háu stigi. ISO 15118/PLC kerfið frá CCS er öflugt samskiptakerfi í fyrirtækjaflokki sem gerir kleift að þróa háþróaða snjallnetseiginleika, en það kostar meiri flækjustig vélbúnaðar og viðkvæmara samskiptaumhverfi á efnislaginu.

3. Undirliggjandi rafrásarkerfi og aflrafmagnstækni

Munurinn á CCS og CHAdeMO nær lengra en hugbúnaður og samskipti og inn í grunnrafmagnsarkitektúr hleðsluferlisins. Bæði kerfin miða að því að afhenda háspennu jafnstraum beint í rafhlöðuna, framhjá AC-til-DC breyti ökutækisins, en þau sjá um aflrafmagn og öryggiseinangrun á mismunandi vegu.

3.1 Handaband og öryggislykkjur

Í hraðhleðslu með jafnstraumi er rafknúna hleðslutækið (EVSE) í raun öflug jafnstraumsaflgjafi sem ökutækið stýrir. Öryggi þessarar uppsetningar byggir á óþarfa vélbúnaðar- og hugbúnaðarlæsingum.

CHAdeMO grannfræði:CHAdeMO notar röð af efnislegum tengibúnaði og 12V merkjalínum til að stjórna stöðu hleðslurásarinnar. Röðin er sem hér segir:

1. Líkamleg tenging og uppgötvun.
2. 12V handabandsmerki frá rafbílnum til rafbílsins.
3. CAN-bus samskipti hefjast.
4. EVSE framkvæmir einangrunarpróf til að tryggja að engar jarðgallar séu í snúrunni eða tenginu.
5. Ökutækið lokar innri jafnstraumsrofa sínum.
6. EVSE byrjar að veita straum.

CHAdeMO rafrásin er hönnuð til að vera „bilunarörugg“ á vélbúnaðarstigi. Ef 12V merkið tapast verður EVSE að stöðva aflgjafann tafarlaust.

CCS Topology:CCS notar samþættari kerfi sem er dregið af AC hleðslustöðlum. Það notar Control Pilot (CP) og Proximity Pilot (PP) pinna.

1. PP-pinninn gefur til kynna að klóinn sé í sambandi og lásinn sé lokaður.
2. CP pinninn notar PWM merki til að gefa til kynna stöðu og núverandi afkastagetu EVSE.
3. PLC-samskipti eru komin á yfir CP-línuna.
4. Stafrænar samningaviðræður fara fram samkvæmt ISO 15118.
5. Einangrunareftirlit er framkvæmt.
6. Jafnstraumsrofar eru lokaðir.

Í CCS er umskipti úr riðstraums- yfir í jafnstraumshleðslu stjórnað af sömu Control Pilot-rökfræði, sem auðveldar framleiðendum að smíða ökutæki sem styðja báðar gerðir hleðslu í gegnum eina sameinaða tengi.

3.2 Aflstig og hitamörk

Rafmagnsbúnaðurinn í hleðslustöðinni verður að geta stjórnað spennu og straumi á kraftmikinn hátt.

• CHAdeMO:Sögulega séð var CHAdeMO takmarkað við 50 kW (500V, 125A). Þó að staðallinn hafi verið uppfærður (CHAdeMO 2.0) til að styðja allt að 400 kW, hafa mjög fá ökutæki eða hleðslutæki innleitt þessi hærri stig. Takmörkunin er oft hitauppstreymi; án virkrar vökvakælingar í snúrunni er erfitt fyrir CHAdeMO tengið að viðhalda meira en 200A vegna snertiviðnáms.
• CCS:CCS var hannað með hærri lofthæð í huga. Með því að nota vökvakælda kapla og tengi getur CCS2 (evrópska útgáfan) þolað straum allt að 500A og spennu allt að 1000V, sem gerir kleift að hlaða hraða allt að 350 kW og meira. Arkitektúr CCS, sérstaklega í Type 2 sniði, býður upp á betra yfirborðsflatarmál fyrir DC pinna með miklum straumi, sem dregur úr hita sem myndast við tengiflötinn.

3.3 Einangrunareftirlit og jarðtenging

Mikilvægur þáttur í jafnstraumsrásarkerfinu er einangrunareftirlitskerfið (IMS). Þar sem hraðhleðsla með jafnstraumi felur í sér spennu sem getur farið yfir 800V, verður kerfið stöðugt að fylgjast með viðnáminu milli jákvæðra/neikvæðra jafnstraumsspenna og jarðtengingar undirvagnsins.

• CHAdeMO hleðslutæki eru yfirleitt með innbyggt IMS sem slekkur á aflstiginu ef einangrunin fer niður fyrir ákveðið þröskuld (venjulega 100 ohm á volt).
• CCS kerfi þurfa einnig einangrunareftirlit, en þar sem PLC samskipti eiga sér stað á CP pinnanum (sem er tengdur við jörð), er fræðileg hætta á truflunum milli háspennu jafnstraumsteina og samskiptamerkisins ef einangrunin er í hættu. Ítarleg síun í CCS vélbúnaði er nauðsynleg til að draga úr þessu.

3.4 Tvíátta rafeindatækni

Rásargerðin fyrir tvíátta hleðslu er í eðli sínu flóknari. Hún krefst invertera innan rafknúins raforkukerfisins (eða bílsins) sem getur samstillt sig við riðstraumstíðni raforkukerfisins.

• CHAdeMO:Staðallinn skilgreinir V2X (Vehicle to Everything) samskiptareglurnar á CAN-stigi, sem gerir ytri hleðslutækinu kleift að virka sem inverter. Þetta einfaldar rafeindabúnað bílsins en gerir „V2G hleðslutækið“ dýrara.
• CCS:ISO 15118-20 staðallinn (nýjasta útgáfan) færir loksins öflugan tvíátta stuðning við CCS. Hins vegar krefst innleiðing þessa verulegra breytinga á aflstýringu ökutækisins og PLC samskiptakerfinu, sem leiðir til hægari innleiðingar á V2G eiginleikum í CCS-samhæfum bílum samanborið við CHAdeMO hliðstæður þeirra.

[Framhald kemur í næstu uppfærslu...]

4. Tengiverkfræði: Vélrænn styrkur, hitastjórnun og öryggisprófanir

Efnislegi tengipunkturinn milli rafbílsins og hleðslutækisins er nákvæmnisverkfræði. Hann verður að höndla hundruð kílóvötta af afli, þola þúsundir tengihringrása og þola öfgakenndar veðuraðstæður en vera samt öruggur fyrir meðalneytandann. Hönnunarheimspeki CCS og CHAdeMO tengjanna eru tvær mismunandi aðferðir til að leysa þessar áskoranir.

4.1 Vélræn hönnun og læsingarkerfi

Hraðhleðslutengi fyrir jafnstraum er ekki bara tappi; það er læst háspennutengi.

• CHAdeMO tengi:CHAdeMO-tengið er þekkt fyrir tiltölulega stóra, kringlótta lögun sína og vélræna lásstöng. Það notar röð pinna fyrir bæði afl og merki. Lykilatriði í CHAdeMO-hönnuninni er að læsingarbúnaðurinn er oft samþættur tenginu sjálfu. Þegar notandinn kreistir á kveikjuna og setur tengið í, tryggja vélrænar læsingar að ekki sé hægt að fjarlægja það á meðan straumur er í gangi. Pinnarnir eru hannaðir til að vera „huldir“ til að koma í veg fyrir óvart snertingu og tengið er hannað til að þola mikil fall og högg.
• CCS tengi (samsetning 1 og samsetning 2):CCS tengið er þróun af 1. gerð (J1772) og 2. gerð (Mennekes) AC tengjum. Það bætir við tveimur stórum jafnstraumspennum fyrir neðan AC pinnasettið. Ólíkt CHAdeMO er læsingarbúnaðurinn fyrir CCS venjulega staðsettur í hleðslutengi ökutækisins, ekki í tenginu. Rafsegulstýring í bílnum klemmir hak á tenginu til að halda því á sínum stað. Þetta gerir tengið kleift að hanna sléttari en leggur ábyrgðina á vélrænan áreiðanleika á framleiðanda ökutækisins.

4.2 Prófun á vélrænum styrk og endingu

Báðir staðlarnir lúta ströngum prófunarferlum, eins og þeim sem skilgreindar eru í IEC 62196. Þessar prófanir fela í sér:

• Innsetningar- og útdráttarkraftur:Tengið verður að vera nógu auðvelt fyrir manneskju að stinga í samband en nógu öruggt til að viðhalda lágu snertimótstöðu. Með tímanum geta silfurhúðuðu tengipunktarnir slitnað, sem eykur viðnám og hiti.
• Myljunarpróf:Bæði CCS og CHAdeMO tengi eru prófuð til að þola ákeyrslu ökutækis. Hylkið má ekki springa þannig að háspennuíhlutir komist í ljós.
• Áhrifþol:Tengi eru látin falla úr eins metra hæð á steypugólf margoft til að tryggja að innri einangrun og vélrænir íhlutir haldist óskemmdir.

4.3 Hitastjórnun: Áskorunin sem fylgir miklum straumi

Hiti er óvinur hraðhleðslu. Þegar straumurinn (I) eykst, eykst hitinn sem myndast (P = I²R) veldishraða.

• Óvirk kæling:Fyrstu 50 kW hleðslutækin notuðu þykkar koparstrengi sem byggðust á óvirkri dreifingu. Þetta takmarkaði strauminn við um 125A eða 150A.
• Virk vökvakæling:Til að ná 350 kW (500A) voru CCS kerfi brautryðjendur í notkun vökvakældra kapla. Kælivökvi (oft vatns-glýkól blanda eða sérhæfð díelektrísk olía) er dreifður í gegnum kapalinn og alveg upp að aftanverðu tengipunktunum. Þetta gerir kapalinn þynnri og sveigjanlegri en um leið ræður hann við gríðarlega hitaálagið.
• Varmaleið CHAdeMO:Þó að CHAdeMO 2.0 styðji vökvakælingu, þá þýddi síðari útfærsla staðalsins á háaflshleðslu að flest núverandi CHAdeMO innviði festist við 50-100 kW. Innra skipulag CHAdeMO tengisins, með mörgum litlum merkjatengjum sem umlykja aflgjafatengin, gerir vökvakælingu flóknari í framkvæmd samanborið við aðskilnaðarlegri skipulag CCS Combo tengisins.

4.4 Umhverfisþétting (IP-einkunnir)

Hleðslustöðvar eru berskjaldaðar fyrir rigningu, snjó og ryki. Flest tengi eru með IP54 eða hærri vernd. Mikilvægur munur er hvernig þau þola raka þegar þau eruúr sambandiCCS-tengi eru oft með frárennslisgöt til að koma í veg fyrir að vatn safnist fyrir í AC-pinnafestingunum, en sterkt hlífðar- og lokkerfi CHAdeMO er hannað til að halda allri yfirborði tengisins þurri.

5. Landfræðileg stjórnmál rafmagnsstöðla: Baráttan um alþjóðlega yfirráð

Sagan af CCS á móti CHAdeMO snýst jafn mikið um alþjóðaviðskipti og svæðisbundna verndarstefnu og verkfræði. Val á hleðslustaðli hefur gríðarleg áhrif á orkuöryggi þjóðar og samkeppnishæfni innlendra bílaframleiðenda.

5.1 Evrópska virkið: CCS2

Evrópusambandið gegndi lykilhlutverki í „Staðlastríðunum“. Með því að skylda notkun tengis af gerð 2 fyrir riðstraumshleðslu og CCS2 fyrir jafnstraumshleðslu tryggði ESB sameinaðan markað. Þetta neyddi japanska og bandaríska framleiðendur til að aðlagast. Jafnvel Tesla, sem lengi notaði sértengi í Bandaríkjunum, skipti yfir í CCS2 fyrir Model 3 og Model Y í Evrópu. Ákvörðun ESB var knúin áfram af löngun til samvirkni yfir landamæri og vali á sveigjanlegri PLC/ISO 15118 samskiptakerfi, sem var í samræmi við „Smart Grid“ vegvísi þeirra.

5.2 Japanska afstaðan: Uppruni CHAdeMO

Skuldbinding Japans við CHAdeMO var framlenging á forystu þeirra á fyrstu markaði rafbíla. Með því að eiga fyrsta fjöldaframleidda rafbílinn (LEAF) réðu Japan ríkjum í sögu hleðslu á fyrstu stigum. Hins vegar, eftir því sem heimsmarkaðurinn breyttist, einangraði Japan sig sífellt meira. Viðbrögðin voru þróun ChaoJi, samstarfsverkefnis við Kína til að búa til næstu kynslóð staðals sem gæti að lokum komið í stað bæði CHAdeMO og kínverska GB/T staðalsins.

5.3 Norður-Ameríku flækjustigið: CCS1 vs. NACS

Í Norður-Ameríku var ástandið sundurleitt. Ford, GM og fleiri tóku upp CCS1 (Type 1 samsetninguna). Á sama tíma byggði Tesla upp farsælasta hleðslunet heims með því að nota tengi sitt. Í óvæntum atburðarás árið 2023 breyttist iðnaðurinn. Ford tilkynnti að það myndi taka upp tengi Tesla, sem var endurnefnt sem North American Charging Standard (NACS). Mikilvægast er að NACS notar ...samaISO 15118 PLC samskiptareglur sem CCS. Þannig, þótt lögun tengilsins breyttist, var „heilinn“ í kerfinu áfram CCS-samhæfur. Þetta markaði í raun endalok CHAdeMO á bandaríska markaðnum, þar sem jafnvel síðasti búnaðurinn sem stóð eftir (Nissan) byrjaði að breytast.

5.4 Fullveldisleið Kína: GB/T

Kína, stærsti rafknúinna ökutækjamarkaðar í heimi, fór sínar eigin leiðir með GB/T staðlinum. Líkt og CHAdeMO notar GB/T CAN-bus samskipti en hefur aðra líkamlega pinnaútgáfu. Mikil stærð kínverska markaðarins þýðir að GB/T er, miðað við fjölda tengja, mest notaði staðallinn í heiminum. Þátttaka Kína í ChaoJi verkefninu sýnir þó löngun til alþjóðlegrar samræmingar og afkastamikils afkastagetu sem núverandi GB/T staðall getur ekki auðveldlega náð.

6. Geta ökutækis til raforkukerfis (V2G): Möguleiki á tvíátta hleðslu

Tækni sem tengir rafbíla við raforkukerfið (V2G) gerir rafknúnum ökutækjum kleift að virka eins og risastórar rafhlöður sem geta sent rafmagn aftur inn á raforkukerfið þegar eftirspurn er mikil eða veitt varaafl fyrir heimili (V2H).

6.1 Forskot CHAdeMO

Í mörg ár keypti maður CHAdeMO ökutæki ef maður vildi V2G. Þar sem CAN-bus samskipti voru einföld og tvíátta frá fyrsta degi gátu CHAdeMO hleðslutæki auðveldlega óskað eftir rafmagni frá bílnum. Nissan LEAF hefur verið notaður í V2G tilraunaverkefnum um allan heim í meira en áratug. Samskiptareglurnar (CHAdeMO V2X) eru vel þroskaðar og vel skjalfestar.

6.2 Baráttan við CCS og ISO 15118-20

CCS kom seint á markaðinn fyrir V2G. Upprunalega staðallinn ISO 15118-2 hafði ekki traustan stuðning við tvíátta orkuflæði. Það var ekki fyrr en með útgáfu ISO 15118-20 að CCS vistkerfið hafði staðlaða leið til að takast á við flóknar samningaviðræður sem V2G krefst, svo sem samstillingargögn fyrir raforkukerfið og útblástursmörk. Innleiðing -20 er tæknilega krefjandi og krefst nýs vélbúnaðar bæði í ökutækinu og hleðslutækinu. Þó að CCS sé að ná í kapphlaupið, þá er arfleifð CHAdeMO á þessu sviði enn sterkur þáttur í áframhaldandi notkun þess í tilteknum flota- og veituforritum.

6.3 Hagfræði V2G

Tæknilegur munur hefur einnig áhrif á kostnaðinn. Í CHAdeMO V2G uppsetningu er dýri DC-til-AC inverterinn venjulega í hleðslustöðinni. Þetta heldur kostnaði bílsins niðri en gerir hleðslutækið mjög dýrt (oft yfir $10.000). Framleiðendur CCS eru að kanna bæði „DC V2G“ (svipað og CHAdeMO) og „AC V2G“, þar sem innbyggður hleðslutæki bílsins sér um inversunina. Hið síðarnefnda gæti lækkað kostnað við V2H heimiliskerfum verulega, en það krefst þess að vélbúnaður ökutækisins sé mun öflugri.

7. Þróun markaðshlutdeildar: Uppgangur CCS og sérhæfðrar afkomu CHAdeMO

Ef við skoðum gögnin frá 2015 samanborið við 2024, þá er þróunin skýr: CCS hefur unnið baráttuna um almenna markaðinn, en CHAdeMO hefur færst yfir í arfleifð eða sérhæfðan stuðning í flestum svæðum utan Japans.

7.1 Vendipunkturinn

Hnignun CHAdeMO má rekja til nokkurra lykilþátta:

1. Framleiðandi yfirgaf framleiðslu:Þegar Volkswagen, BMW og síðar Ford og GM höfðu skuldbundið sig til að nota CCS (Computer-, CCS- og CS-kerfi voru örlög CHAdeMO á Vesturlöndum ráðin.
2. Hvatar í innviðum:Ríkisstyrkir í Bandaríkjunum og Evrópu (eins og NEVI-áætlunin í Bandaríkjunum) forgangsraðuðu í auknum mæli CCS, sem gerði það minna arðbært fyrir orkuframleiðendur að setja upp CHAdeMO-tengi.
3. Takmarkanir á afli:Vanhæfni flestra CHAdeMO innviða til að fara yfir 50 kW gerði þær minna aðlaðandi fyrir eigendur nútíma rafknúinna ökutækja með stórum rafhlöðum sem geta höndlað 150 kW+.

7.2 Lifun sessmarkaðarins

Þrátt fyrir hnignun sína er CHAdeMO ekki dautt. Milljónir ökutækja með CHAdeMO eru enn á veginum. Á mörkuðum eins og Bretlandi og Japan er CHAdeMO enn mikilvægur hluti af almenna netkerfinu. Þar að auki, í heimi þungaflutningabíla og strætisvagna, kjósa sumir framleiðendur enn CAN-byggða einfaldleika CHAdeMO vegna áreiðanleika þess og V2G-tilbúinleika.

7.3 Gagnagreining: Tengingar samkvæmt staðli

Nýlegar markaðsskýrslur sýna að í Evrópu eru CCS2 tengi nú meira en 10 á móti 1 fleiri en CHAdeMO tengi. Í Norður-Ameríku er umbreytingin enn dramatískari, þar sem margar nýjar stöðvar sleppa CHAdeMO alveg og í þágu tvöfaldrar CCS/NACS stillingar. „Langi halinn“ á CHAdeMO mun líklega vara í annan áratug, en tími þess sem ríkjandi alþjóðlegur staðall er liðinn.

[Framhald kemur í næstu uppfærslu...]

8. Millistykki sem ná yfir staðla og áskoranir varðandi samvirkni: Eðlisfræði „að brúa bilið“

Þegar heimurinn færist í átt að fáum ríkjandi stöðlum er milljón dollara spurningin fyrir marga rafknúna bílaeigendur: „Get ég notað millistykki?“ Svarið er tæknilega flókið og felur í sér meira en bara endurskipulagningu pinna.

8.1 Einfalda málið: Rafmagns millistykki

Aðlögun á milli AC staðla (t.d. gerð 1 yfir í gerð 2) er tiltölulega einföld. Þetta eru „heimsk“ millistykki sem einfaldlega umleiða koparvíra. Samskiptareglurnar (PWM merkjagjöf) eru eins í öllum J1772 og Mennekes byggðum AC kerfum.

8.2 Flókið tilfelli: Jafnstraums millistykki

Jafnstraumsmillistykki, eins og Tesla-í-CHAdeMO eða CCS1-í-NACS millistykki, eru mun flóknari.

• Þýðing samskiptareglna:Þegar skipt er á milli tveggja mismunandi samskiptatungumála (t.d. CHAdeMO-bíll sem reynir að nota CCS hleðslutæki) verður millistykkið að innihalda virkan örstýringu. Þessi flís virkar sem „þýðandi“ og hlustar á CAN-busmerki frá bílnum og býr til samsvarandi PLC/ISO 15118 merki fyrir hleðslutækið. Þetta veldur töf og hugsanlegum bilunarpunkti.
• Hitamælingar:Þar sem millistykki bjóða upp á auka snertipunkta eru þau viðkvæm fyrir ofhitnun. Hágæða jafnstraumsmillistykki verður að hafa sína eigin innri hitaskynjara sem geta gefið bílnum merki um að minnka strauminn ef tengingin verður of heit.
• Spennubylgjur og öryggi:Hraðhleðsla jafnstraums felur í sér háspennu. Ef notandi reynir að aftengja millistykki á meðan straumur er í gangi getur myndast mikill rafbogi sem skemmir búnaðinn eða veldur meiðslum. Millistykki verða að hafa vélrænar eða rafrænar samlæsingar sem samstillast við skipunina „stöðva hleðslu“ í ökutækinu.

8.3 Umskipti Tesla/NACS

Besta notkunin á jafnstraumsmillistykki hefur verið „Magic Dock“ frá Tesla og sjálfstæðir CCS-til-Tesla millistykki þess. Þar sem NACS notar CCS samskiptareglurnar eru þessir millistykki tæknilega „óvirkir“ hvað varðar rökfræði en þurfa samt mjög hágæða hitastýringu og líkamlega læsingarkerfi til að takast á við hleðsluhraða upp á 250 kW+.

9. ChaoJi staðallinn: Brú að alþjóðlegri samræmingu og afar mikilli orku

CHAdeMO samtökin og kínverska raforkuráðið (CEC) sameinuðu krafta sína til að þróa, í ljósi takmarkana núverandi CHAdeMO og GB/T staðla.ChaoJi(einnig þekkt sem CHAdeMO 3.0).

9.1 Hönnunarmarkmið: Yfir 500 kW

ChaoJi er hannað fyrir framtíðina. Meginmarkmið þess er að styðja við afar öfluga hleðslu — allt að 900 kW (1500V og 600A). Þetta er ætlað markaði þungaflutningabíla og rútu, þar sem hleðsla 500 kWh rafhlöðupakka á 20 mínútum er forsenda fyrir rekstrarhagkvæmni.

9.2 Tæknileg arkitektúr

• Afturábakssamhæfni:Einn af áhrifamestu eiginleikum ChaoJi er afturvirk samhæfni þess. Tengið er hannað þannig að millistykki geti auðveldlega tengt ChaoJi ökutæki við núverandi CHAdeMO, GB/T og jafnvel CCS hleðslutæki.
• Einfaldað tengi:ChaoJi-tengið er mun minni og léttara en núverandi CHAdeMO eða CCS Combo 2 tengi. Það notar nýja pinnauppsetningu sem hámarkar straumþéttleika og dregur úr kraftinum sem þarf til innsetningar.
• Ítarleg stjórnunarstýring:ChaoJi kynnir „tvískipt“ samskiptaaðferð. Það getur stutt bæði hefðbundna CAN-rútu (fyrir eldri kerfi) og hraðari stafrænar samskiptareglur fyrir framtíðarforrit.
• Öryggiseiginleikar:ChaoJi inniheldur háþróaða eiginleika eins og „jarðlekakerfisrofa“ (ELCB) og háþróaða rakagreiningu í tengihausnum, sem tryggir öryggi jafnvel við 1500V.

9.3 Alþjóðleg áhrif

ChaoJi er hugsanlegur „endurstillingarhnappur“ fyrir staðlastríðin. Ef það verður víða tekið upp í Asíu og fyrir þungaflutninga um allan heim, gæti það orðið staðallinn í raun fyrir allt sem er stærra en fólksbílar, en CCS/NACS eru ráðandi á markaði neytendabíla.

10. Framtíðarhorfur: Megavatta hleðsla, rafgeymar og þráðlaus samþætting

Tækni ársins 2024 er bara byrjunin. Á næsta áratug verða þrjár meginbreytingar í því hvernig við færum orku inn í farartæki.

10.1 Megavatta hleðslukerfið (MCS)

Fyrir stærstu farartækin — vörubíla af gerð 8, skip og jafnvel litlar flugvélar — er jafnvel 350 kW of hægt. Megawatt Charging System (MCS) er nýr staðall hannaður fyrir allt að 3,75 MW (3.000A við 1.250V). MCS notar alveg nýjan tengibúnað og sérhæfða útgáfu af ISO 15118 samskiptareglunum. Hann notar PLC samskipti frá CCS en stækkar efnislegan vélbúnað á fordæmalaus stig.

10.2 Rafhlöður og hleðsluferlar

„Hleðsluferillinn“ í dag er takmarkaður af efnafræðilegum eiginleikum litíum-jón rafhlöðu. Þegar rafhlaðan fyllist verður hleðsluhraðinn að hægja á sér til að koma í veg fyrir skemmdir. Rafhlöður með föstu efnasambandi (SSB) lofa breytingum á þessu. SSB geta tekist á við mun hærri kolefnishleðsluhraða, sem þýðir að þær gætu hugsanlega viðhaldið hámarkshleðsluhraða (t.d. 350 kW) frá 0% alla leið upp í 80% eða 90% af hleðslutíma jónarinnar. Þetta mun setja gríðarlegan þrýsting á hleðslustöðvar til að veita viðvarandi, mikla afköst án hitastýringar.

10.3 Þráðlaus DC hleðsla

Þó að mest áhersla sé lögð á innstungur, þá er þráðlaus (inductive) hleðsla að þroskast. Þráðlaus stöðvunarhleðsla er þegar farin að vera notuð í strætisvögnum. Næsta landamæri erkraftmikillÞráðlaus hleðsla — spólur sem eru innbyggðar í veginn og hlaða ökutækið á meðan það er í akstri. Frá sjónarhóli samskiptareglna mun þetta líklega reiða sig á breytta útgáfu af ISO 15118, sem notar Wi-Fi eða DSRC fyrir handabandið í stað raunverulegs Control Pilot-vírs.

11. Tæknileg ítarleg rannsókn: PLC vs. CAN merkjaheilleiki og rafsegulsamhæfi (EMC)

Fyrir verkfræðingana í herberginu er valið á milli PLC og CAN oft umdeilt út frá merkjaheilleika.

11.1 Kostir CAN-bussins

CAN er mismunarmerki, sem þýðir að það er í eðli sínu ónæmt fyrir algengum hávaða. Í rafmagnshávaða í 300 kW jafnstraumshleðslutæki - þar sem hraðvirk rofi á aflrafmagnstækjum skapar gríðarlegt magn rafsegultruflana (EMI) - er CAN-businn afar traustur. Hann krefst einfaldrar snúinnar parvírunar og er mjög erfitt að „rugla“ hann saman.

11.2 Áskorunin með PLC-kerfinu

PLC (HomePlug Green PHY) starfar á sviðinu 2 MHz til 30 MHz. Þetta er sama tíðnisviðið og margir DC-DC breytir gefa frá sér hávaða. Til að PLC virki áreiðanlega í CCS hleðslutæki verða verkfræðingar að útfæra:

• Ítarleg bandpassasíun:Til að einangra samskiptamerkið frá hávaða frá aflrofa.
• Viðnámssamsvörun:Impedans hleðslusnúrunnar breytist þegar hún er afrúlluð eða færð til, sem getur endurkastað merki frá PLC og valdið gagnatapi.
• Villuleiðrétting:ISO 15118 inniheldur öfluga villuleiðréttingu á hugbúnaðarstigi til að takast á við einstaka „tappað pakka“ af völdum rafmagnstoppa.

Þessi tæknilegi kostnaður er ástæðan fyrir því að CCS hleðslutæki eru oft dýrari í hönnun og vottun en CHAdeMO hleðslutæki.

12. Niðurstaða: Að sigla í átt að sameinaðri framtíð rafknúinna ökutækjainnviða

Keppnin milli CCS og CHAdeMO hefur verið afgerandi kafli í sögu sjálfbærra samgangna. Þetta var árekstur menningarheima: raunsæisrík, CAN-byggð áreiðanleiki Japans á móti framtíðarsýn vesturlanda um háþróað, PLC-drifið snjallnetsvistkerfi.

Þegar við ljúkum þessari djúpu rannsókn koma nokkrir sannleikar í ljós:

1. Sameining er óhjákvæmileg:Markaðurinn getur ekki haldið uppi þremur eða fjórum mismunandi jafnstraumsstöðlum að eilífu. Í Norður-Ameríku er NACS (sem nýtir CCS-rökfræði) sigurvegarinn. Í Evrópu er CCS2 konungur. Í Asíu er sameining CHAdeMO og GB/T í ChaoJi nýtt afl.
2. Hugbúnaðurinn er nýi tengillinn:Þar sem líkamlegir millistykki verða algengari og áreiðanlegri, þálíkamlegtlögun klónsins verður minna mikilvæg enhugbúnaðurYfirráð ISO 15118/PLC virðist öruggt, þar sem jafnvel NACS og MCS hafa tekið það upp.
3. V2G er Killer App:Umskiptin frá því að „hlaða bíl“ yfir í að „jafna raforkukerfið“ eru næsta stóra áskorunin. CHAdeMO sýndi okkur veginn, en framtíðin verður byggð á stigstærðanlegum, öruggum ramma ISO 15118.

Fyrir rafbílaiðnaðinn eru „staðlaðar stríðin“ ekki að enda með einum alþjóðlegum sigurvegara, heldur með svæðisbundinni sátt. Hvort sem þú tengir CHAdeMO-tengi eða glæsilegan NACS-tengi, þá er undirliggjandi markmiðið það sama: hraður, skilvirkur og hreinn orkuflutningur til að knýja framtíð samgangna. Verkfræðireynslan sem lærð er af CCS- og CHAdeMO-tímabilinu mun þjóna sem grunnur að næstu öld rafknúinna nýsköpunar.

Ítarlegur tæknilegur viðauki: Samanburðargreining á ISO 15118 lögum samanborið við CHAdeMO CAN ramma

Til að skýra betur dýpt þessara tækni skulum við skoða þau sérstöku OSI lög sem um ræðir.

CHAdeMO samskiptastafla:

• Líkamlegt lag:CAN 2.0B (500 kbps), 12V stakræn merki.
• Gagnatengilslag:Staðlaðar CAN-rammar með sérstökum auðkennum (t.d. 0×100 fyrir stöðu EVSE, 0×101 fyrir stöðu EV).
• Umsóknarlag:Sérstakt CHAdeMO skilaboðasett, stranglega raðbundið.

CCS (ISO 15118) Samskiptakerfi:

• Líkamlegt lag:IEEE 1901 (HomePlug Green PHY) yfir stjórntæki.
• Gagnatengilslag:Ethernet (MAC lag).
• Net-/flutningslag:IPv6, TCP, UDP.
• Fundar-/kynningarlag:V2GTP (Vehicle-to-Grid Transfer Protocol), XML/EXI (Efficient XML Interchange) kóðun.
• Umsóknarlag:ISO 15118-2/20 hagnýt skilaboð (t.d. ChargeParameterDiscovery, PowerDelivery).

Flækjustig CCS-hleðslukerfisins er töluvert meira en CHAdeMO. ISO 15118 útfærsla krefst fullkomins stýrikerfis (venjulega útgáfa af Linux eða háþróaðs RTOS) bara til að takast á við netkerfishleðslukerfið, en CHAdeMO er hægt að útfæra á einföldum 8-bita eða 16-bita örstýringum. Þessi munur skýrir hvers vegna fyrri CCS-hleðslutæki þjáðust af fleiri „hugbúnaðargöllum“ og samvirknivandamálum en CHAdeMO-hleðslutæki, en það skýrir einnig hvers vegna CCS hentar mun betur fyrir netöryggisáskoranir framtíðarinnar.

Lokayfirlit yfir helstu tæknilega muninn

Þar sem bílaiðnaðurinn stefnir að núlllosunar framtíð markar samleitni þessara staðla í gegnum tækni eins og ChaoJi og innleiðing ISO 15118 samskiptareglunnar upphafið að sannarlega alþjóðlegu vistkerfi rafbíla. „Barátta tengjanna“ er loksins að víkja fyrir „samhljómi tengjanna“. Samleitnin sem ChaoJi táknar, sameiginlegt DNA ISO 15118 samskiptareglunnar og uppgangur megavattakerfa (MCS) þýðir að hleðslutæki framtíðarinnar munu tala sameiginlegt tungumál jafnvel þótt þau beri mismunandi útlit.

Hvað „samhljómur“ þýðir í raun og veru í reynd

Fyrir netrekstraraðila þýðir sameinað framtíð þrjár raunhæfar vissur:

• Samleitni samskiptareglna:ISO 15118-20 mun styðja V2G, Plug & Charge og snjallhleðslu í öllum tengistöðlum. Hleðslutæki sem notar ISO 15118 í dag mun halda hugbúnaðarþörf sinni í áratug, jafnvel þótt tengi þróist.
• Líkamleg samvirkni:Tvöfaldur tengibúnaður (CCS + NACS, eða CCS + ChaoJi millistykki) og tengieiningar sem hægt er að skipta um á staðnum þýða að vélbúnaður þarf ekki lengur að „veðja“ á einn staðal.
• Samræmi Kína og Japans:Samstarf kínversku og japansku staðlastofnananna ChaoJi er skýrasta merkið um að jafnvel sögulega samkeppnisstaðlar geti sameinast — ChaoJi er hannað sem alþjóðlegt jafnstraumshleðsluviðmót sem er samhæft við GB/T, CHAdeMO og CCS vistkerfi í gegnum millistykki.

Stefnumótandi niðurstaða

„Barátta tenginganna“ krafðist gríðarlegrar orku í verkfræði og markaðssetningu, en sigurvegararnir yrðu alltaf ökutækin og netin sem héldu sveigjanleika sínum. Staðlarnir eru að sameinast vegna þess að eðlisfræðin er sameiginleg: hver staðall afhendir að lokum jafnstraum frá breyti tengdum við raforkukerfi í rafhlöðu og samskiptalögin eru að renna saman í kringum ISO 15118. Aðgreiningarþátturinn er ekki lengur hvaða tengi hleðslutæki notar, heldur hversu vel það hleðst - stöðugleiki í aflgjafa, skilvirkni, spenntími og netöryggi.

Arðurinn frá V2G

Samleitnin er ekki bara snyrtileg – hún opnar fyrir stærsta ónotaða verðmætastrauma iðnaðarins: tengingu ökutækis við raforkunet. ISO 15118-20 er fyrsti alþjóðlegi staðallinn sem skilgreinir tvíátta orkuflutning, V2G gjaldskrár og örugga Plug & Charge auðkenningu í einu samhangandi ramma. Þegar CCS2 hleðslutæki og NACS hleðslutæki tala sama ISO 15118 tungumálið geta bæði evrópskt og norður-amerískt ökutæki tekið þátt í sömu eftirspurnarviðbragðsáætlunum, tíðnistýringarmörkuðum og neyðaraflsáætlunum. CHAdeMO var brautryðjandi í V2G, en CAN-byggða samskiptareglur þess voru aldrei hannaðar fyrir netöryggi og snjallhleðsluviðræður sem ISO 15118 býður upp á. Þess vegna er staðallinn sem „tapaði“ tengistríðið að vinna orkustríðið – og ástæðan fyrir því að allir alvarlegir netrekstraraðilar tilgreina nú ISO 15118-20 getu í nýjum vélbúnaði.

Lykilatriði

• PLC-byggða ISO 15118 arkitektúr CCS vann samskiptastríðið þar sem hún getur aukið á V2G, Plug & Charge og framtíðar megawatta forrit, en CAN-rúta CHAdeMO er enn gamall burðarás.
• ChaoJi sýnir fram á að Kína, Japan og CCS vistkerfið geta sameinast í einu háafls jafnstraumsviðmóti.
• Fyrir rekstraraðila er áhætta tengd stöðlum viðráðanleg: veldu ISO 15118-hæfan vélbúnað með skiptanlegum tengjum og þú ert tryggður óháð því hvor tengillinn vinnur á svæðinu.
• Næsti samkeppnisvettvangur er ekki tengillinn heldur hleðsluhraði, áreiðanleiki og samþætting við raforkukerfið.

MIDA Power framleiðir hraðhleðslutæki fyrir jafnstraum sem eru tilbúin fyrir sameinaða framtíð: ISO 15118 Plug & Charge stuðningur, OCPP samræmi og stillanleg tengi á staðnum, þar á meðal CCS1, CCS2, CHAdeMO, NACS og GB-T. Hvort sem þú ert að smíða fyrir kínverska, evrópska eða norður-ameríska markaðinn, þá er vélbúnaður okkar hannaður til að vera viðeigandi þegar staðlar sameinast. Hafðu samband við okkur til að fá tæknilegar upplýsingar og tilboð.