השוואה בין מערכות IEC 62196-2 מסוג 1 J1772 וסוג 2

המדריך הטכני הסופי לתקני טעינה גלובליים של רכבים חשמליים: השוואה מקיפה של מערכות IEC 62196-2 מסוג 1 J1772 וסוג 2, טופולוגיית רשת, פרוטוקולי תקשורת ותשתית חכמה

1. מבוא: המעבר העולמי לחשמול ותפקיד הטעינה הסטנדרטית

נוף הרכב העולמי עובר שינוי פרדיגמה, במעבר ממנועי בעירה פנימית (ICE) להנעה חשמלית. מרכזי במעבר זה הוא התשתית התומכת בו: ציוד אספקת רכב חשמלי (EVSE), המכונה בדרך כלל מטעני EV. ככל שאימוץ כלי רכב חשמליים (EV) מואץ, הבנת הניואנסים הטכניים של תקני טעינה הופכת להיות בעלת חשיבות עליונה עבור מהנדסים, קובעי מדיניות וצרכנים כאחד.

פיתוח תקני טעינה לרכבים חשמליים היה מקוטע מבחינה היסטורית, והושפע מארכיטקטורות רשת חשמל אזוריות, סביבות רגולטוריות והאינטרסים האסטרטגיים של יצרני רכב. כיום, שני תקנים עיקריים שולטים בשוק טעינת זרם חילופין (AC): סוג 1 (SAE J1772) וסוג 2 (IEC 62196-2). בעוד ששניהם משרתים את אותה מטרה בסיסית - העברת אנרגיה חשמלית מהרשת למטען המובנה של הרכב - היישומים הטכניים שלהם, העיצובים הפיזיים ופרוטוקולי התקשורת שלהם שונים באופן משמעותי.

מאמר זה מספק ניתוח טכני מעמיק של מערכות טעינה מסוג 1 וסוג 2. נחקור את ההבדלים הארכיטקטוניים ביניהן, את יכולת ההסתגלות שלהן לטופולוגיות רשת עולמיות שונות, את הפיזיקה של אותות התקשורת שלהן ואת מנגנוני הבטיחות המגנים על המשתמש ועל הרכב כאחד. בנוסף, נבחן כיצד מגבלות חשמל ביתיות במדינות שונות משפיעות על מהירויות טעינה ואת המגמות המתפתחות המעצבים את עתיד החיבור החכם והסטנדרטי במערכת האקולוגית של כלי רכב חשמליים.

2. ארכיטקטורת סוג 1 (SAE J1772): היסטוריה, תצורת פינים ודומיננטיות בצפון אמריקה

מחבר Type 1, הידוע בעבר כתקן SAE J1772, הוא ממשק טעינת AC העיקרי המשמש בצפון אמריקה ויפן. הוא פותח על ידי אגודת מהנדסי הרכב (SAE), ותוכנן להתאים לצרכים הספציפיים של רשתות החשמל החד-פאזיות הנמצאות באזורים אלה.

2.1 הקשר היסטורי ופילוסופיית עיצוב

תקן J1772 הוצע לראשונה בשנת 2001 ועבר מספר תיקונים כדי להגיע לצורתו הנוכחית. מטרת התכנון העיקרית הייתה ליצור ממשק בטוח, חזק וידידותי למשתמש לטעינה ברמה 1 (120V) ורמה 2 (240V). בניגוד לדרישות הרב-פאזיות של רשתות חשמל אירופאיות, רשת החשמל הביתית בצפון אמריקה היא בעיקרה מפוצלת-פאזית, המספקת שתי רגלי 120V שניתן לשלב לשירות 240V. כתוצאה מכך, מחבר Type 1 עבר אופטימיזציה לאספקה ​​חד-פאזית בעלת זרם גבוה.

2.2 תצורת פינים פיזיים

מחבר מסוג 1 כולל פריסה של חמישה פינים:

1. L1 (שורה 1):מוליך החשמל העיקרי.
2. L2/N (קו 2 או ניטרלי):בטעינה של 120V רמה 1, זה משמש כאפס. בטעינה של 240V רמה 2, זה משמש כפאזה השנייה של 120V (L2).
3. PE (הארקה/הגנה):חיבור הארקה בטיחותי, המבטיח ששלדת הרכב מחוברת לאדמה של רשת החשמל.
4. CP (פיילוט בקרה):קו התקשורת המשמש לניהול משא ומתן על פרמטרי טעינה בין ה-EVSE לרכב.
5. ניהול בקרה (CS) / פיילוט קירבה (PP):לולאת משוב שמזהה האם התקע מחובר במלואו ומאפשרת לרכב לעכב תנועה בזמן הטעינה.

2.3 מאפיינים חשמליים ומגבלות

תקן Type 1 תומך בטעינת AC עד 80 אמפר, אשר ב-240V מתורגם להספק מרבי של 19.2 קילוואט. עם זאת, רוב מטעני Type 1 למגורים פועלים בין 16A (3.8 קילוואט) ל-48A (11.5 קילוואט), ותואם את היכולות של מטענים נפוצים המובנים. העיצוב הפיזי של הפינים הוא חזק, ונועד להתמודד עם עומסים תרמיים גבוהים לאורך אלפי מחזורים. מאפיין בולט אחד של תקע Type 1 הוא מנגנון הנעילה הידני שלו, הדורש מהמשתמש ללחוץ על ההדק כדי לשחרר את התקע מכניסת הרכב.

3. ארכיטקטורת סוג 2 (IEC 62196-2): תקן Mennekes, עיצוב מודולרי וגמישות אירופאית

כאשר השוק האירופי ביקש לתקנן את טעינת הרכבים החשמליים, הוא עמד בפני אתגר אחר: שכיחותן של מערכות חשמל תלת פאזיות במגורים ומסחר. הפתרון היה מחבר מסוג 2, המכונה לעתים קרובות תקע "Mennekes" על שם החברה הגרמנית שתכננה אותו.

3.1 המעבר לעבר IEC 62196-2

הוועדה האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) אימצה את התכנון מסוג 2 כחלק מתקן IEC 62196. בניגוד למחבר מסוג 1, המוגבל מטבעו לפעולה חד-פאזית, מחבר מסוג 2 תוכנן מלכתחילה להיות מודולרי ועמיד לעתיד. הוא יכול לתמוך באספקת חשמל AC חד-פאזית, מפוצלת ותלת-פאזית.

3.2 פריסה ופונקציונליות של שבעה פינים

מחבר מסוג 2 משתמש בתצורה של שבעה פינים:

1. עמוד 1, עמוד 2, עמוד 3:שלושה מוליכי פאזה נפרדים, המאפשרים אספקת חשמל תלת פאזית.
2. N (נייטרלי):מוליך ניטרלי ייעודי, חיוני למערכות תלת פאזיות בהן העומס עלול להיות לא מאוזן.
3. PE (הארקה מגנה):קרקע הבטיחות.
4. CP (פיילוט בקרה):קו האיתות (זהה בתפקודו ל-J1772).
5. PP (פיילוט קרבה):משמש לזיהוי נוכחות התקע, ובתקן Type 2, להעברת יכולת נשיאת הזרם של הכבל עצמו באמצעות מערכת מקודדת התנגדות.

3.3 גמישות ומגבלות הספק

מחבר Type 2 חזק משמעותית ממחבר Type 1. בתצורת תלת פאזית, הוא יכול לתמוך בעד 63 אמפר לכל פאזה, ומספק תיאורטית עד 43 קילוואט של הספק AC (אם כי 22 קילוואט הוא המגבלה המעשית עבור רוב התקנות תלת פאזיות ציבוריות ומגורים). אפילו במצב חד פאזי, הוא יכול להתאים לביצועים של Type 1. יתר על כן, כניסת Type 2 ברכב תוכננה להיות תואמת ל-CCS2 (מערכת טעינה משולבת) לטעינת DC במהירות גבוהה, תוך הוספת שני פיני DC גדולים מתחת לממשק AC.

4. דינמיקת פאזות הספק: השוואת יעילות חד-פאזית ואספקת חשמל תלת-פאזית

ההבדל הטכני הבסיסי ביותר בין מערכות מסוג 1 וסוג 2 טמון באופן שבו הן מטפלות בפאזות חשמליות. זו אינה רק בחירת מחבר אלא השתקפות של תשתית הרשת הבסיסית.

4.1 מגבלות חד-פאזיות בסוג 1

במערכת מסוג 1, המטען המובנה (OBC) של הרכב מתוכנן לקבל חשמל ממקור AC יחיד. כדי להגביר את מהירות הטעינה, המשתנים היחידים שניתן לכוונן הם המתח (120 וולט עד 240 וולט) והזרם (Amperage). מכיוון שפאנלים למגורים בארה"ב מוגבלים בדרך כלל לשירות כולל של 200 אמפר, מעגלים ייעודיים לרכב חשמלי מעל 50 אמפר דורשים שדרוגי תשתית משמעותיים. טעינה חד-פאזית בעלת זרם גבוה גם מפעילה עומס תרמי כבד על החיווט ופיני המחבר.

4.2 יתרונות תלת-פאזיים בסוג 2

מערכות מסוג 2 ממנפות את רשתות תלת-פאזיות הנפוצות באירופה ובחלקים מאסיה ואוקיאניה. על ידי חלוקת החשמל על פני שלוש פאזות, המערכת יכולה לספק הספק כולל גבוה בהרבה בהספקים נמוכים יותר לכל פאזה. לדוגמה, מטען של 11 קילוואט משתמש ב-16 אמפר על פני שלוש פאזות (3 x 230V x 16A ≈ 11 קילוואט). כדי להשיג את אותם 11 קילוואט במערכת חד-פאזית מסוג 1, הזרם יצטרך להיות כ-46 אמפר (240V x 46A ≈ 11 קילוואט).

הזרם הנמוך יותר לפאזה במערכות מסוג 2 מוביל ל:

• ייצור חום מופחת:פחות חימום התנגדותי בכבלים ובמחברים.
• חתכי כבלים קטנים יותר:כבלים קלים וגמישים יותר עבור אותה הספק.
• יציבות הרשת:טעינה תלת פאזית מספקת עומס מאוזן יותר לרשת, ומפחיתה את הסיכון לחוסר איזון פאזות ובעיות זרם ניטרלי בשנאי החלוקה המקומי.

4.3 יעילות והמרה

מבחינה טכנית, גם יעילות המטען המובנה מושפעת. זרם חילופין תלת פאזי עובר יישור למתח ישר בצורה חלקה יותר מאשר זרם חילופין חד פאזי, ודורש פחות סינון קיבולי כדי להשיג מתח ישר יציב עבור הסוללה. זה יכול להוביל ליעילות המרה מעט גבוהה יותר במטען תלת פאזי OBC בהשוואה למקבילותיו החד פאזיות.

(סוף בלוק 1. המשך בבלוק הבא עד להגעה לאורך ולעומק הנדרשים.)

5. שלמות אותות ותקשורת: ניתוח מפורט של פונקציות CP (פיילוט בקרה) ו-PP (פיילוט קירבה)

התקשורת בין ה-EVSE לרכב החשמלי מטופלת על ידי שני קווי אות ייעודיים במתח נמוך: Control Pilot (CP) ו-Proximity Pilot (PP). בעוד שהמחברים הפיזיים שונים, פרוטוקול האיתות הבסיסי לטעינת AC מתוקנן תחת IEC 61851-1 ו-SAE J1772.

5.1 פיילוט הבקרה (CP) ואפנון רוחב הפולס (PWM)

אות ה-CP הוא גל מרובע של ±12V 1kHz שנוצר על ידי ה-EVSE. אות זה משמש כלחיצת יד ומחוון מצב ראשוניים. רצף התקשורת מוגדר על ידי רמות מתח ספציפיות ומחזור העבודה של אות ה-PWM.

• מצב א' (המתנה):ה-EVSE מוציא זרם ישר קבוע של 12 וולט +. משמעות הדבר היא שהמטען מופעל אך אף רכב אינו מחובר.
• מדינה ב' (רכב מחובר):כאשר התקע מוכנס, הרכב מחבר נגד ודיודה בין קווי ה-CP וה-PE. פעולה זו מורידה את המתח מ-+12V ל-+9V. ה-EVSE מזהה את הירידה הזו ומתחיל לייצר את אות PWM של 1kHz.
• מצב ג' (נדרש חיוב):הרכב מאותת על מוכנותו לקבל חשמל על ידי סגירת מתג שממקם התנגדות נמוכה יותר במעגל, ומוריד את מתח ה-CP עוד יותר ל-+6V. בנקודה זו, ה-EVSE סוגר את המגעים הפנימיים שלו כדי לספק חשמל AC.
• מצב ד' (נדרש אוורור):אם הרכב דורש אוורור (נדיר ברכבים חשמליים מודרניים אך חלק מהסטנדרט), המתח יורד ל-3 וולט+.
• מצב E/F (שגיאות):אות של 0V או -12V מציין תקלה, כגון תקלת הארקה או אובדן תקשורת מוחלט.

המחזור עבודהשל אות ה-PWM המועבר על ידי ה-EVSE אומר לרכב את הזרם המרבי שהוא רשאי לצרוך. לדוגמה:

• מחזור עבודה של 10% = 6 אמפר
• מחזור עבודה של 25% = 15 אמפר
• מחזור עבודה של 50% = 30 אמפר
• מחזור עבודה של 80% = 48 אמפר

זה מאפשר ניהול עומס דינמי; אם צריכת האנרגיה של הבית עולה, ה-EVSE יכול להפחית את מחזור העבודה כדי למנוע הפעלת המפסק הראשי.

5.2 פיילוט הקרבה (PP) והאינטרלוק המכני

אות ה-PP מבטיח שהרכב לא יוכל לנסוע מהמקום כשהוא מחובר לחשמל ועוזר למערכת לקבוע את קיבולת נשיאת הזרם של הכבל.

• בסוג 1 (J1772):קו ה-PP (הנקרא לעתים קרובות פין CS) מחובר למתג בידית התקע. כאשר המשתמש לוחץ על כפתור השחרור, המעגל מנותק. הרכב חש זאת באופן מיידי ומפסיק לצרוך זרם לפני ניתוק פיני החשמל הראשיים, ובכך מונע קשת חשמלית.
• בסוג 2 (IEC 62196):קו PP משמש לזיהוי סוג הכבל. כבלים מצוידים בנגד בין פיני PP ו-PE. כבל של 11 קילוואט (16A) יהיה בעל התנגדות שונה מכבל של 22 קילוואט (32A). ה-EVSE והרכב משתמשים בהתנגדות זו כדי להבטיח שהם לא חורגים ממגבלות התרמיות של הכבל, גם אם הרכב מסוגל להספק גבוה יותר.

6. תכנון מכני ובטיחות: מנגנוני נעילה, דירוגי IP ועמידות פיזית

הסביבה הפיזית לטעינת רכב חשמלי היא קשה - חשופה לגשם, שלג, אבק וטמפרטורות קיצוניות. לכן, התכנון המכני של מחברים מסוג 1 וסוג 2 הוא מהונדס בקפידה.

6.1 מנגנוני נעילה: ידניים לעומת אלקטרוניים

הבדל משמעותי בין שני הסטנדרטים הוא אופן החיבור של התקע לרכב.

• סוג 1 בריח ידני:לתקע מסוג 1 יש תפס מכני המופעל באמצעות האגודל. זהו תפס פשוט ואמין אך חסר אבטחה; כל אחד יכול לגשת ולנתק מכונית טעינה אלא אם כן המשתמש מוסיף מנעול נפרד לידית.
• מנעול אלקטרוני מסוג 2:תקן Type 2 מסתמך על פין נעילה ממונע בתוך פתח הרכב. כאשר הטעינה מתחילה, הרכב נועל אוטומטית את התקע במקומו. זה מונע גניבת הכבל (במקרה של מטענים לא מחוברים הנפוצים באירופה) ומבטיח שלא ניתן יהיה להסיר את התקע בזמן שזרם חשמלי זורם.

6.2 הגנה מפני חדירה (IP) ואיטום סביבתי

שני המחברים מתוכננים לעמוד בדירוגי IP גבוהים (בדרך כלל IP54 ומעלה כאשר הם מחוברים).

• תעלות ניקוז:למחברים מסוג 2 יש חורי ניקוז מיוחדים כדי למנוע הצטברות של מים סביב הפינים.
• מדע החומרים:המארזים עשויים מפולימרים עמידים בפני פגיעות ופגיעות, כמו PBT (פוליבוטילן טרפתאלט), בעלי עמידות בפני נפילות על בטון וחשיפה לאור שמש חזק.
• ציפוי מגע:הפינים בדרך כלל מצופים כסף כדי להבטיח התנגדות מגע נמוכה ועמידות גבוהה לאורך אלפי מחזורי חיבור.

6.3 ניהול תרמי

מטעני AC מודרניים בעלי הספק גבוה כוללים לעתים קרובות תרמיסטורים (חיישני NTC) המוטמעים בתוך התקע. חיישנים אלה מנטרים את טמפרטורת הפינים בזמן אמת. אם הטמפרטורה עולה על סף בטיחות (למשל, עקב חיבור רופף או פסולת בכניסה), ה-EVSE יאותת לרכב להפחית את זרם הטעינה או לכבות אותו לחלוטין כדי למנוע שריפה.

7. טופולוגיות רשת גלובליות: רשתות TN, TT ו-IT והשפעתן על התקנת EVSE

התכנון וההתקנה של EVSE מושפעים במידה רבה ממערכות ההארקה (הארקה) המשמשות באזורים שונים. EVSE חייב לזהות נוכחות של הארקה בטוחה לפני שהוא מאפשר תחילת טעינה.

מערכות TN 7.1 (טרה-נייטרלי)

מערכת TN נפוצה בצפון אמריקה (TN-CS) ובבריטניה. במערכת זו, האפס והארקה מחוברים בכניסת השירות. אמנם זה מספק נתיב אמין לזרמי תקלה, אך הוא מהווה סיכון במקרה של תקלת "PEN פתוח" (Protective Earth Neutral). אם חוט האפס מהרשת נשבר, שלדת הרכב החשמלי עלולה להיכנס למתח במתח קווי. מצב זה הוביל לפיתוח התקני "גילוי PEN פתוח" מיוחדים במטענים בבריטניה.

7.2 מערכות TT (טרה-טרה)

מערכת TT, הנפוצה בחלקים מאירופה היבשתית (כמו צרפת ואיטליה) ויפן, משתמשת במוט הארקה מקומי שאינו מחובר לפס האפס של הרשת. EVSE המותקן ברשתות TT חייב להיות רגיש מאוד לעכבת הארקה. אם מוט הארקה אינו עמוק מספיק או שהאדמה יבשה מדי, המטען עלול לסרב להפעיל את עצמו מכיוון שהוא אינו יכול לאמת נתיב בעל התנגדות נמוכה לאדמה.

7.3 מערכות IT (איזולה-טרה)

מערכת ה-IT, הנמצאת בנורבגיה ובסביבות תעשייתיות מסוימות, אינה מחוברת ישירות בין האפס/פאזות לאדמה. מצב זה מציב אתגר ייחודי עבור רכבים חשמליים, שכן מטענים רבים ברכב מתוכננים לצפות לאפס מוארק. לעתים קרובות נדרשים שנאים בידוד מיוחדים כדי לטעון רכבים חשמליים ברשתות IT בצורה בטוחה.

7.4 שינויים בתדר ובמתח של הרשת

בעוד שסוג 1 וסוג 2 נבדלים בעיקר על ידי תמיכת הפאזה שלהם, תדר הרשת הבסיסי (60 הרץ בארה"ב/יפן לעומת 50 הרץ ברוב שאר העולם) משפיע גם על תכנון הסלילים והקבלים במטען המובנה של הרכב. עם זאת, רוב תקלות ה-OBC המודרניות הן בעלות טווח רחב, המסוגלות להתמודד עם 100V-250V ו-50/60Hz.

8. מגבלות חשמל ביתיות: כיצד תקנות רשת החשמל הארצית ולוחות חלוקה ביתיים מגבילות את מהירויות הטעינה של רכבים חשמליים

מהירויות טעינה תיאורטיות (כמו 22 קילוואט עבור סוג 2 או 19.2 קילוואט עבור סוג 1) מושגות לעיתים רחוקות בסביבות מגורים עקב מגבלות הרשת המקומית ולוח החשמל של הבית.

8.1 צפון אמריקה: מגבלת הפאנל של 200A

בארצות הברית, בבית מודרני טיפוסי יש לוח שירות של 200A. מטען ברמה 2 שצורך 48A דורש מפסק של 60A. על פי קוד החשמל הלאומי (NEC), עומס רציף (כמו טעינת רכב חשמלי) לא צריך לעלות על 80% מדירוג המפסק של המעגל. עבור בתים עם לוחות ישנים יותר של 100A, התקנת EVSE בעל הספק גבוה בלתי אפשרית ללא שדרוג שירות, שיכול לעלות אלפי דולרים. עובדה זו הוביל לפופולריות של מטענים של 32A (7.7 קילוואט), המאזנים בין מהירות טעינה לקיבולת הלוח.

8.2 הממלכה המאוחדת: דומיננטיות חד-פאזית ו-PEN פתוח

למרות שרשת החשמל בבריטניה היא תלת-פאזית ברמת החלוקה, רוב הבתים מסופקים עם פאזה אחת של 230 וולט, 60 אמפר או 100 אמפר. זה מגביל את הטעינה הביתית ל-7.4 קילוואט. בגלל הארקת TN-CS שהוזכרה קודם לכן, תקנות בריטניה דורשות מהמטענים להיות בעלי הגנה יקרה מפני תקלות ניטרליות פתוחות, מה שהופך את EVSE הספציפי לבריטניה למורכב יותר מבחינה טכנית מאשר מקביליהם האירופיים.

8.3 גרמניה וצפון אירופה: תקן 11 קילוואט

בגרמניה, חשמל תלת פאזי הוא סטנדרטי כמעט בכל בניין מגורים. זה מאפשר התקנה נרחבת של תיבות חשמל קיר בהספק של 11 קילוואט (3 x 16A). שלא כמו בארה"ב, שם 11 קילוואט דורש מעגל חד פאזי כבד של 60A, בגרמניה נדרש רק מעגל תלת פאזי של 16A, המשתמש בחיווט דק בהרבה וניתן להתאים אותו בקלות ללוחות חלוקה קיימים. חברות שירות גרמניות רבות דורשות הודעה או אישור עבור מטענים מעל 11 קילוואט (כגון יחידות של 22 קילוואט) כדי להבטיח יציבות רשת החשמל המקומית.

8.4 אוסטרליה וניו זילנד: מתח גבוה, חד פאזי

אוסטרליה משתמשת במערכת 230V/240V בדומה לבריטניה. רוב ההתקנות הביתיות הן חד פאזיות של 7.4 קילוואט. עם זאת, בשל המרחקים הארוכים והאופי הכפרי של הרשת, תנודות מתח שכיחות. EVSE באזורים אלה חייב להיות בעל הגנה חזקה מפני מתח יתר ותת-מתח כדי להתמודד עם "הפסקות מתח" או קפיצות מתח מבלי לפגוע ברכב.

(סוף בלוק 2. המשך בבלוק הבא עד להגעה לאורך ולעומק הנדרשים.)

9. הגנה מקיפה על מעגלים: יישום מפסקים מסוג A/B, גילוי דליפות DC והגנה על זרם יתר בטעינת AC

בטיחות היא אבן הפינה של תכנון EVSE. טעינת רכב חשמלי כרוכה באספקת כמויות גבוהות של אנרגיה לאורך תקופות ארוכות, לעתים קרובות בתנאים רטובים. כתוצאה מכך, מעגלי ההגנה חייבים להיות מתוחכמים בהרבה מאלה של מכשירי חשמל ביתיים סטנדרטיים.

9.1 התקני זרם שיורי (RCD): סוג A לעומת סוג B

מפסק מתח נמוך (RCD) נועד לזהות חוסר איזון בין הזרם הזורם דרך הקו לבין חוטי האפס, דבר המצביע על דליפה לאדמה ("תקלת הארקה"). בטעינת רכב חשמלי, קיים סיכון ספציפי:זרם שיורי DC.

• מפסקים מסוג A:אלה נפוצים בלוחות ביתיים ויכולים לזהות זרמי AC וזרמי DC פועמים. עם זאת, הם עלולים להיות "מסנוורים" על ידי דליפת DC חלקה. אם תקלה במטען המובנה של הרכב החשמלי גורמת ליותר מ-6mA של DC חלק לדלוף לצד ה-AC, ליבת השנאי הפנימית של ה-RCD מסוג A עלולה להצטבר לרוויה, ולמנוע ממנו להיכשל גם אם מתרחשת תקלת AC מסוכנת.
• מפסקים מסוג B:אלה נועדו לזהות זרמי AC, DC פועמים וזרמי DC שיוריים חלקים. למרות שהם מציעים הגנה מעולה, הם יקרים משמעותית.
• RDC-DD (מכשיר לגילוי זרם ישר שיורי):כדי להפחית עלויות תוך שמירה על בטיחות, מערכות EVSE מודרניות רבות משלבות מודול RDC-DD (תואם לתקן IEC 62955). מודול זה מזהה דליפת DC חלקה מעל 6mA ומפעיל את המטען. כאשר קיים RDC-DD, ניתן להשתמש ב-RCD סטנדרטי (וזול יותר) מסוג A בלוח החלוקה במעלה הזרם.

9.2 הגנה מפני זרם יתר וקצר חשמלי

כל מעגל EVSE חייב להיות מוגן על ידי מפסק זעיר (MCB). מכיוון שטעינת רכב חשמלי היא עומס רציף, יש להפחית את ערכי ה-MCB. בארה"ב (NEC), עומס טעינה של 40A דורש מפסק של 50A. באירופה, בחירת ה-MCB (עקומה מסוג B, C או D) תלויה בזרם הכניסה הצפוי של המטען המובנה של הרכב. מפסק עקומה "C" עדיף בדרך כלל כדי למנוע ניתוק מטריד בשלב החיבור הראשוני.

9.3 הגנה מפני נחשולי מתח (SPD)

מערכות EVSE מותקנות לרוב בחוץ ומחוברות לעצם מתכתי גדול (המכונית), מה שהופך אותן לפגיעות לפגיעות ברק עקיפות ולנחשולי מתח ברשת. התקנת התקן הגנה מפני נחשולי מתח מסוג 2 (SPD) מומלצת מאוד (ובאזורים מסוימים, כמו גרמניה, חובה) כדי להגן על האלקטרוניקה הרגישה של המטען ושל הרכב.

9.4 מגענים ובידוד גלווני

לב אספקת החשמל של ה-EVSE הוא ה-מַגָעוֹןזהו ממסר עמיד המחבר או מנתק פיזית את פיני מתח ה-AC. לשם בטיחות, המגען חייב להיות "פתוח בדרך כלל", כלומר אספקת חשמל מסופקת רק כאשר אות ה-CP מציין "מצב C" (מוכן לטעינה). EVSE איכותיים משתמשים במגענים בעלי ארבעה קטבים עבור מערכות תלת פאזיות כדי להבטיח שכל הפאזות והניטרל מבודדים כאשר אינם בשימוש. חלק מהיחידות המתקדמות כוללות גם "זיהוי מגע מרותך", המנטר את מצב המגען; אם המגעים מתמזגים יחד (ומונעים ניתוק של החשמל), ה-EVSE יפעיל אזעקת חומרה ויישאר במצב תקלה.

10. טעינה חכמה ו-ISO 15118: מעבר מעבר ל-PWM לתקשורת דיגיטלית ו-Plug & Charge

בעוד שאיתות CP/PP בסיסי מספיק לטעינת AC פשוטה, עתיד המערכת האקולוגית של רכבי החשמל מסתמך על חילופי נתונים דיגיטליים ועשירים. כאן נכנס לתמונה תקן ISO 15118.

10.1 המגבלות של PWM

איתות PWM סטנדרטי מעביר רק את הזרם המרבי הזמין. הוא אינו מודיע למערכת ה-EVSE על מצב הטעינה (SoC) של הרכב, על קיבולת הסוללה שלו או על המזהה הייחודי שלו. ללא מידע זה, קשה ליישם תכונות כמו חיוב אוטומטי, טעינה מודעת לרשת החשמל והעברת חשמל דו-כיוונית.

10.2 תקשורת PHY ו-PLC של HomePlug Green

תקן ISO 15118 מציגתקשורת קווי חשמל (PLC)מעל חוט טייס הבקרה (CP). על ידי הצבת אות דיגיטלי בתדר גבוה (HomePlug Green PHY) על אות CP של 1kHz, הרכב וה-EVSE יכולים ליצור חיבור TCP/IP. זה מאפשר:

• חבר וטען:הרכב מזהה את עצמו אוטומטית מול המטען. המטען מתקשר עם שרת אחורי כדי לאשר את הסשן ולטפל בתשלום ללא צורך בכרטיס RFID או באפליקציה סלולרית.
• שילוב רשת חכמה:רכב חשמלי יכול לדווח על זמן היציאה המתוכנן שלו ועל צרכי האנרגיה שלו. לאחר מכן, רשת החשמל (או מערכת ניהול אנרגיה ביתית - HEMS) יכולה לתזמן את הטעינה למועדים שבהם מחירי החשמל הנמוכים ביותר או ייצור האנרגיה המתחדשת הגבוה ביותר.

10.3 עתיד הטעינה הדו-כיוונית (V2G, V2H, V2X)

אחד ההיבטים המרגשים ביותר של תקן ISO 15118 (במיוחד את גרסה 20-) הוא התמיכה בטעינת זרם חילופין דו-כיוונית. בעוד שרוב יישומי הרכב V2G (Vehicle-to-Grid) משתמשים כיום בזרם ישר (דרך CHAdeMO או CCS), טעינת זרם חילופין דו-כיוונית מאפשרת לרכב להשתמש במטען המובנה שלו כממיר כדי לדחוף את החשמל בחזרה לבית או לרשת. זה דורש מה-EVSE לפעול כשומר סף מתוחכם, שיבטיח שהחשמל המוזן בחזרה לרשת תואם בצורה מושלמת לפאזה ולתדר של הרשת.

11. ניתוח תקנים אזוריים: GB/T (סין) לעומת סוג 2

בעוד שסוגים 1 וסוג 2 מכסים את רוב העולם, סין - שוק הרכבים החשמליים הגדול בעולם - משתמשת בתקן משלה:GB/T 20234.

11.1 דמיון פיזי לסוג 2

מבחינה פיזית, מחבר GB/T AC נראה דומה מאוד למחבר Type 2. הוא כולל פריסה של שבעה פינים. עם זאת, המינים הפוכים: לתקע יש את הפינים (זכר), ולמכונית יש את השקעים (נקבה), וזה ההפך מתקן Type 2.

11.2 הבדלי תקשורת

האיתות ב-GB/T AC מבוסס גם הוא על אותו עיקרון PWM כמו סוג 1 וסוג 2. עם זאת, ערכי הנגדים המדויקים עבור לחיצות היד של PP ו-CP שונים במקצת. משמעות הדבר היא שמכונית סוג 2 אירופאית אינה יכולה להשתמש במטען GB/T סיני (או להיפך) ללא מתאם מיוחד אשר לא רק משנה את הפינים הפיזיים אלא גם מכיל מעגל המרת אות.

11.3 השפעת השוק

הפער בין תקן GB/T מדגיש את הגורמים הגיאופוליטיים והכלכליים המשפיעים על התקינה הטכנית. על ידי יצירת תקן משלה, סין הבטיחה שליצרן המקומי שלה תהיה מערכת אקולוגית מוגנת, תוך מינוף הלקחים הטכניים שנלמדו מתקני IEC.

12. בדיקות, הסמכה ואבטחת איכות: UL, CE ומעבר לכך

לפני שניתן למכור EVSE, הוא חייב לעבור בדיקות קפדניות כדי להבטיח שהוא לא יגרום להתחשמלות המשתמש או להצית שריפה.

12.1 UL 2594 ו-UL 2231 (צפון אמריקה)

בצפון אמריקה, מעבדות ה-Underwriters (UL) מגדירות את הסטנדרטים עבור EVSE. UL 2594 מכסה את הבנייה הבסיסית והבטיחות של תחנת הטעינה, בעוד ש-UL 2231 מתמקד במערכות הגנת אנשים (פונקציונליות RCD/GFCI). דרישה מרכזית להסמכת UL היא "עמידות בפני פגיעות" - המטען חייב להיות מסוגל לעמוד בפני פגיעות ממשקל כבד מבלי לחשוף חלקים חיים.

12.2 CE ו-IEC 61851 (אירופה/גלובלי)

באירופה, סימן ה-CE מציין עמידה בהנחיית המתח הנמוך ובהנחיית EMC (תאימות אלקטרומגנטית). התקן הטכני העיקרי הואחברת החשמל 61851הבדיקות כוללות:

• חוזק דיאלקטרי:וידוא שהבידוד יכול לעמוד בקפיצות מתח גבוהות.
• עליית טמפרטורה:הפעל את המטען בזרם מקסימלי במשך שעות כדי לוודא שהוא לא יתחמם יתר על המידה.
• חוסן סביבתי:בדיקות ריסוס מלח לאזורי חוף ומבחני חדירת אבק לאזורים צחיחים.

12.3 חשיבותן של בדיקות יכולת פעולה הדדית

מעבר לבטיחות, קיים האתגר שליכולת פעולה הדדיתלא כל מכונית עובדת בצורה מושלמת עם כל מטען. קבוצות כמו CharIN (יוזמת ממשק הטעינה) עורכות "בדיקות" בהן יצרנים מביאים את כלי הרכב והמטענים שלהם כדי לוודא שהלחיצות היד ופרוטוקולי התקשורת פועלים בצורה מושלמת בין מותגים שונים.

(סוף בלוק 3. המשך הרחבת פרטים טכניים על תקעים חכמים וסטנדרטיזציה עתידית.)

13. פירוט רכיבים מתקדם: ההנדסה הפנימית של שקע קיר מודרני

כדי להבין את ההבדל בין מערכות מסוג 1 וסוג 2 באופן פרטני, יש להסתכל לתוך "תיבת הקיר" עצמה. EVSE אינו רק כבל מאריך משוכלל; זהו מחשב ניהול צריכת חשמל מתוחכם.

13.1 הבקר הראשי (MCU)

המוח של ה-EVSE הוא בדרך כלל מיקרו-בקר של 32 סיביות (כגון סדרת ARM Cortex-M). שבב זה מטפל ביצירת אות CP של 1kHz, מנטר את התנגדות ה-PP ומפעיל את לוגיקת הבטיחות. במטענים חכמים, מיקרו-בקר זה מנהל גם את מחסנית ה-Wi-Fi או ה-Ethernet ומתקשר עם אפליקציית המובייל של המשתמש באמצעות פרוטוקולי MQTT או HTTP.

13.2 חישת זרם: אפקט הול לעומת שאנט

כדי לנטר את האנרגיה המסופקת ולזהות מצבי זרם יתר, ה-EVSE משתמש בחיישני זרם.

• חיישני אפקט הול:אלה מודדים את השדה המגנטי שנוצר על ידי הזרם. הם מספקים בידוד גלווני ומצוינים עבור יישומים בעלי זרם גבוה.
• נגדי שאנט:אלה מודדים את ירידת המתח על פני התנגדות ידועה. למרות מדויקותם הגבוהה, הם דורשים מעגל בידוד מורכב יותר.

במטענים תלת-פאזיים מסוג 2, ה-MCU חייב לנטר שלושה נתיבי זרם נפרדים בו זמנית כדי להבטיח איזון פאזות ולזהות אם פאזה אחת נכשלה.

13.3 ספק כוח עזר

האלקטרוניקה הפנימית (MCU, מודול Wi-Fi, תצוגה וסלילי מגען) דורשת ספק כוח DC במתח נמוך (בדרך כלל 12V או 5V). במערכת תלת פאזית מסוג 2, ספק הכוח העזר מתוכנן לרוב לפעול גם אם קיימת רק פאזה אחת, מה שמאפשר למטען להישאר "מקוון" ולדווח למשתמש על שגיאת אובדן פאזה.

14. תקעים חכמים וחיבור סטנדרטי: עתיד הטעינה הניידת

בעוד שתיבות טעינה קבועות הן הסטנדרט הנצחי, בעלי רכבים חשמליים רבים מסתמכים על מטענים ניידים (הנקראים לעתים קרובות "כבלים סבתא" או "IC-CPD" - התקני בקרה והגנה בתוך הכבל).

14.1 הסיכונים הטכניים של תקעים ביתיים

טעינת רכב חשמלי משקע ביתי סטנדרטי (NEMA 5-15 בארה"ב או Schuko באירופה) היא מאתגרת מבחינה טכנית. שקעים אלה לא תוכננו לספק 10-16 אמפר ברציפות במשך 12 שעות.

• בריחה תרמית:עם הזמן, המתח במגעי המתכת של השקע יכול להיחלש, מה שמוביל להתנגדות גבוהה וחום קיצוני.
• תקעים חכמים לעזרה:מטענים ניידים איכותיים כוללים כעת חיישני טמפרטורה המובנים ישירות בשקע החשמלי. אם התקע מתחיל להתחמם יתר על המידה, ה-IC-CPD יאותת למכונית להפחית את צריכת הזרם, ובכך ימנע מהשקע להימס.

14.2 המטען הנייד "אוניברסלי"

במערכת האקולוגית מסוג 2, טרנד חדש הוא המטען הנייד המודולרי (כמו Juice Booster או Tesla Mobile Connector). מכשירים אלה משתמשים בסדרה של מתאמים הניתנים להחלפה. המכשיר מזהה איזה מתאם מחובר (באמצעות מערכת מקודדת נגד בדומה לפין PP) וקובע אוטומטית את זרם הטעינה המרבי. זה מספק פתרון טעינה "אוניברסלי" שעובד במדינות שונות ובסוגי שקעים שונים תוך שמירה על בטיחות של שקע קיר קבוע.

15. המעבר בצפון אמריקה: מסוג 1 (J1772) ל-NACS (SAE J3400)

שינוי משמעותי מתרחש כעת בשוק הצפון אמריקאי, אשר מסבך את ההשוואה בין סוללה מסוג 1 לסוללה מסוג 2: אימוץ תקן הטעינה הצפון אמריקאי (NACS), שפותח על ידי טסלה וכעת מתוקנן כ-SAE J3400.

15.1 סקירה טכנית של NACS

בניגוד למחברים מסוג 1 ו-2, בעלי פינים נפרדים לטעינת זרם חילופין (AC) וזרם ישר (DC), מחבר ה-NACS משתמש באותם שני פינים ראשיים עבור שניהם. זהו עיצוב אלגנטי וקומפקטי המטפל הן בזרם חילופין חד פאזי והן בזרם ישר במהירות גבוהה.

15.2 התכנסות הפרוטוקולים

באופן מכריע, בעוד שמחבר ה-NACS הפיזי שונה, הוא משתמש ב-אותם פרוטוקולי תקשורתכמו התקנים שדנו בהם. עבור טעינת AC, הוא משתמש באיתות PWM J1772. עבור טעינת DC, הוא משתמש בתקשורת PLC ISO 15118. משמעות הדבר היא שבעזרת מתאם פסיבי פשוט, מכונית מסוג 1 יכולה להיטען בתחנת AC NACS, ולהיפך. מעבר זה מדגיש תנועה לעבר קומפקטיות פיזית מבלי לוותר על לוגיקת האיתות הסטנדרטית המבטיחה יכולת פעולה הדדית גלובלית.

16. השפעת טופולוגיית המטען המובנה (OBC) על ביצועי טעינת AC

המחבר ושקע החשמל הם רק חצי מהסיפור. המטען המובנה (OBC) של הרכב מכתיב בסופו של דבר את מהירות הטעינה.

16.1 OBC חד פאזי לעומת OBC תלת פאזי

לרכבים חשמליים רבים ברמת הכניסה (ורכבים היברידיים נטענים) יש רק OBC חד פאזי, אפילו בשווקי Type 2. אם תחברו מכונית עם OBC חד פאזי של 7 קילוואט למטען תלת פאזי Type 2 של 22 קילוואט, היא תמשוך רק 7 קילוואט מאחת משלוש הפאזות הזמינות. זוהי נקודת בלבול נפוצה בקרב צרכנים.

16.2 עיצובים מודולריים של OBC

חלק מהיצרנים (כמו טסלה ורנו) משתמשים במודולרי OBC. בשוק מסוג 2, למכונית עשויים להיות שלושה מודולי טעינה זהים של 3.7 קילוואט. כאשר היא מחוברת לחשמל תלת פאזי, כל מודול מטפל בפאזה אחת, בסך הכל 11 קילוואט. כאשר המכונית מחוברת למטען חד פאזי מסוג 1 (בארה"ב), המכונית יכולה לחבר את המודולים הללו במקביל ולצרוך עד 11 קילוואט מפאזה אחת בעלת זרם גבוה. מודולריות זו היא יצירת מופת של הנדסת אלקטרוניקת הספק, המאפשרת למכור את אותה פלטפורמת רכב ברחבי העולם עם שינויים מינימליים בארכיטקטורת המתח הגבוה שלה.

17. תפקיד התוכנה: OCPP וניהול עומסים מבוסס ענן

ככל שאנו מתקדמים לעבר אלפי מטענים המחוברים לאותה רשת חשמל, תוכנה הופכת לחשובה לא פחות מהנחושת והסיליקון.

17.1 פרוטוקול נקודת טעינה פתוחה (OCPP)

OCPP היא השפה הסטנדרטית בתעשייה המשמשת בין EVSE למערכת ניהול מרכזית (CMS). היא מאפשרת:

• אבחון מרחוק:טכנאי יכול לאתחל מטען או לעדכן את הקושחה שלו ממרחק של אלפי קילומטרים.
• איזון עומסים דינמי:בבניין דירות עם 20 מטענים אך רק אספקת חשמל של 100A, מערכת ניהול המטען (CMS) יכולה להשתמש ב-OCPP כדי לומר לכל מטען כמה זרם הוא יכול לספק בזמן אמת, ובכך להבטיח שהמפסק הראשי של הבניין לעולם לא יכבה, תוך מיקסום האנרגיה הכוללת המסופקת לכל המכוניות.

17.2 חוויית המשתמש (UX) ו"כלכלת האפליקציות"

עבור הצרכן, ההבדל בין סוג 1 לסוג 2 נעלם לעתים קרובות מאחורי אפליקציית סמארטפון. עם זאת, החוסן הטכני של החיבור - כמה מהר לחיצת היד של ה-CP מסתיימת, כמה אמינה ה-Wi-Fi מתחבר מחדש לאחר הפסקת חשמל - נשאר הבסיס לחוויית משתמש חיובית.

18. סיכום: ניווט במורכבויות של עולם טעינה היברידי

ההבדל בין מטענים לרכבים חשמליים מסוג 1 וסוג 2 הוא יותר מסתם מספר הפינים או צורת הפלסטיק. זהו השתקפות של שתי פילוסופיות שונות של תשתית חשמלית.

• סוג 1 (J1772)הוא פתרון חזק ובעל זרם גבוה, המותאם לרשת החשמל החד-פאזית 120V/240V הדומיננטית בצפון אמריקה ויפן. עיצוב חמשת הפינים שלו - שני מעגלי חשמל, הארקה אחת, שני מעגלי אות - הוא פשוט במכוון, ומספק טעינה אמינה ברמה 2 של עד 80A (19.2kW) במעגל 240V. הוא תוכנן לעולם שבו רוב הטעינה מתרחשת בבית או בעבודה, לאורך שעות, ושבו פשטות ועלות שולטות בתפקיד ההנדסי.
• סוג 2 (IEC 62196-2)היא פלטפורמה בעלת שבעה פינים שנבנתה עבור רשת החשמל התלת-פאזית 400V של אירופה וחלק גדול מאסיה. היא נושאת את אותם שני פיני אות אך מוסיפה פיני חשמל תלת-פאזיים, המאפשרים טעינת AC של עד 43 קילוואט (או 22 קילוואט ברוב ההתקנות בעולם האמיתי) ותומכת בצפיפויות ההספק הגבוהות יותר שדורשות תשתיות מגורים ומסחר אירופאיות. הרבגוניות שלה משתרעת גם על DC: משפחת מחברי Type 2 עומדת בבסיס כניסת הקומבו CCS2, בעוד שעיצוב J1772 של Type 1 הוליד את CCS1.
• השורה התחתונה:אף אחד מהסטנדרטים אינו "טוב יותר" במובן המוחלט - כל אחד מהם הוא תגובה הנדסית נאמנה לרשת החשמל הביתית שלו. סוג 1 הוא הבחירה הכלכלית והחזקה עבור אזורים חד-פאזיים; סוג 2 הוא פלטפורמה בעלת הספק גבוה וגמישה לעתיד עבור אזורים תלת-פאזיים. נקודת הכשל אינה המחבר אלא החומרה שמסרבת להסתגל: מטענים ורכבים חשמליים התומכים רק בתקן אחד נועלים את בעליהם מחוץ לרשת הנדידה הגלובלית הגדלה.

הדרך קדימה

עבור יצרנים ומפעילים, התשובה המעשית היא חומרה רב-סטנדרטית. מטעני DC בעלי תקן כפול (CCS1 + CCS2, CCS + CHAdeMO, ויותר ויותר NACS) מאפשרים למוצר יחיד לשרת כל אזור, בעוד שמערכות אקולוגיות של מתאם מאריכות את היקף פעילותם של כלי רכב מדור קודם. עבור צרכנים, הלקח פשוט יותר: בחרו כלי רכב ומטענים התומכים בסטנדרטים של הרשתות בהן תשתמשו בפועל - וצפו שההתכנסות של התעשייה סביב NACS בצפון אמריקה ו-CCS2 באירופה תהפוך את התאימות לפחות כאב ראש עם כל שנה שעוברת.

הערה על הסמכת בטיחות

מאחורי צורת התקע מסתתרת שכבה של הנדסה שצרכנים לעולם לא רואים, אך כל מתקין חייב לכבד: הסמכה. חומרה מסוג 1 נושאת את רישומי UL 2594 / UL 2594-1 ו-CSA בצפון אמריקה, בעוד שחומרה מסוג 2 חייבת לעמוד בתקן IEC 61851-1, ועבור התקנות מסחריות, בהסמכת רכיבים IEC 62196-2 באירופה. סימון CE, UKCA, ועמידה גוברת בתקנות רשת מקומיות (למשל, VDE-AR-N 4100 בגרמניה) קובעים האם ניתן לחבר מטען באופן חוקי לרשת. מפעילים המחפשים חומרה עבור אזורים מרובים צריכים לדרוש אישורים התואמים לכל תחום שיפוט של התקנה - דרישה שמעדיפה באופן לא פרופורציונלי יצרנים שבודקים ומאשרים כל גרסה אזורית במקום לשנות את תיוג העיצוב היחיד.

נקודות מפתח

• סוג 1 (J1772) משקף תשתית חד-פאזית בצפון אמריקה; סוג 2 (IEC 62196-2) משקף תשתית תלת-פאזית אירופאית.
• תכנוני חמשת הפינים מסוג 1 ושבעת הפינים מסוג 2 מסתמכים שניהם על אותה לוגיקת איתות CP/PP, כך שה"שפה" החשמלית משותפת גם כאשר הגיאומטריה שונה.
• יכולת התלת-פאזית של סוג 2 מאפשרת הספק AC גבוה בהרבה, בעוד שפשטותו של סוג 1 שומרת על עלות ומורכבות נמוכות.
• ניהול רשת מבוסס OCPP וחומרה רב-סטנדרטית הופכים את עולם הטעינה ההיברידית לניתן לניהול עבור מפעילים ולחלק עבור נהגים.

MIDA Power מייצרת מטענים לעולם היברידי: מערכות AC ו-DC, אפשרויות מחבר CCS1/CCS2/CHAdeMO/NACS, ותוכנת רשת תואמת OCPP המנהלת כל שילוב של סטנדרטים מלוח מחוונים אחד. צרו קשר עם הצוות שלנו לקבלת הדרכה בנוגע לתאימות, מפרטים טכניים והצעת מחיר המותאמת לתשתית האזור שלכם.