1 tipo J1772 ir 2 tipo IEC 62196-2 sistemų palyginimas

Išsamus pasaulinių elektromobilių įkrovimo standartų techninis vadovas: išsamus 1 tipo J1772 ir 2 tipo IEC 62196-2 sistemų, tinklo topologijos, ryšio protokolų ir išmaniosios infrastruktūros palyginimas.

1. Įvadas: pasaulinis perėjimas prie elektrifikacijos ir standartizuoto įkrovimo vaidmuo

Pasaulinė automobilių pramonė išgyvena paradigmos pokytį – pereinama nuo vidaus degimo variklių (VDI) prie elektrinių pavarų. Šio perėjimo centre yra jį palaikanti infrastruktūra: elektromobilių tiekimo įranga (EVSE), paprastai vadinama elektromobilių įkrovikliais. Spartėjant elektromobilių (EV) naudojimui, inžinieriams, politikos formuotojams ir vartotojams tampa nepaprastai svarbu suprasti techninius įkrovimo standartų niuansus.

Elektromobilių įkrovimo standartų kūrimas istoriškai buvo fragmentiškas, jam įtakos turėjo regioninės elektros tinklo architektūros, reguliavimo aplinka ir automobilių gamintojų strateginiai interesai. Šiandien kintamosios srovės įkrovimo rinkoje dominuoja du pagrindiniai standartai: 1 tipo (SAE J1772) ir 2 tipo (IEC 62196-2). Nors abu atlieka tą pačią pagrindinę paskirtį – perduoti elektros energiją iš tinklo į transporto priemonės įkroviklį – jų techninis įgyvendinimas, fizinis dizainas ir ryšio protokolai labai skiriasi.

Šiame straipsnyje pateikiama išsami 1 ir 2 tipo įkrovimo sistemų techninė analizė. Išnagrinėsime jų architektūrinius skirtumus, pritaikomumą įvairioms pasaulinėms tinklo topologijoms, jų ryšio signalų fiziką ir saugos mechanizmus, kurie apsaugo tiek naudotoją, tiek transporto priemonę. Be to, išnagrinėsime, kaip gyvenamųjų namų energijos suvartojimo apribojimai skirtingose ​​šalyse veikia įkrovimo greitį ir besiformuojančias tendencijas, kurios formuoja standartizuotų, išmaniųjų sujungimų ateitį elektromobilių ekosistemoje.

2. 1 tipo (SAE J1772) architektūra: istorija, kontaktų konfigūracija ir dominavimas Šiaurės Amerikoje

1 tipo jungtis, anksčiau žinoma kaip SAE J1772 standartas, yra pagrindinė kintamosios srovės įkrovimo sąsaja, naudojama Šiaurės Amerikoje ir Japonijoje. Ją sukūrė Automobilių inžinierių draugija (SAE), kad būtų patenkinti specifiniai šių regionų vienfazių elektros tinklų poreikiai.

2.1 Istorinis kontekstas ir dizaino filosofija

J1772 standartas pirmą kartą buvo pasiūlytas 2001 m. ir buvo kelis kartus peržiūrėtas, kol pasiekė dabartinę formą. Pagrindinis projektavimo tikslas buvo sukurti saugią, patikimą ir patogią naudoti sąsają 1 lygio (120 V) ir 2 lygio (240 V) įkrovimui. Skirtingai nuo Europos tinklų daugiafazių reikalavimų, Šiaurės Amerikos gyvenamųjų namų tinklas daugiausia yra padalintos fazės, turintis dvi 120 V šakas, kurias galima sujungti 240 V paslaugoms. Todėl 1 tipo jungtis buvo optimizuota didelės srovės vienfaziam tiekimui.

2.2 Fizinė kontaktų konfigūracija

1 tipo jungtis turi penkių kontaktų išdėstymą:

1. L1 (1 eilutė):Pirminis maitinimo laidininkas.
2. L2/N (2 linija arba neutralus laidas):120 V 1 lygio įkrovimo metu tai veikia kaip neutralus laidas. 240 V 2 lygio įkrovimo metu tai veikia kaip antroji 120 V fazė (L2).
3. PE (apsauginis įžeminimas):Apsauginis įžeminimo jungtis, užtikrinanti, kad transporto priemonės važiuoklė būtų sujungta su tinklo įžeminimu.
4. CP (valdymo pilotas):Ryšio linija, naudojama įkrovimo parametrams tarp EVSE ir transporto priemonės derinti.
5. CS (valdymo valdymas) / Artumo pilotas (PP):Grįžtamojo ryšio kilpa, kuri aptinka, ar kištukas yra iki galo įkištas, ir leidžia transporto priemonei blokuoti judėjimą įkrovimo metu.

2.3 Elektrinės charakteristikos ir ribos

1 tipo standartas palaiko iki 80 amperų kintamosios srovės įkrovimą, o tai esant 240 V įtampai atitinka maksimalią 19,2 kW galią. Tačiau dauguma gyvenamųjų namų 1 tipo įkroviklių veikia nuo 16 A (3,8 kW) iki 48 A (11,5 kW) srovės, o tai atitinka įprastų įmontuotų įkroviklių galimybes. Kontaktų fizinė konstrukcija yra tvirta, skirta atlaikyti dideles šilumines apkrovas per tūkstančius ciklų. Viena iš išskirtinių 1 tipo kištuko savybių yra rankinis fiksavimo mechanizmas, kai vartotojas turi paspausti gaiduką, kad atjungtų kištuką nuo transporto priemonės įleidimo angos.

3. 2 tipo (IEC 62196-2) architektūra: „Mennekes“ standartas, modulinė konstrukcija ir Europos universalumas

Europos rinkai siekiant standartizuoti elektromobilių įkrovimą, ji susidūrė su kitokiu iššūkiu: trifazių elektros sistemų paplitimu gyvenamosiose ir komercinėse patalpose. Sprendimas buvo 2 tipo jungtis, dažnai vadinama „Mennekes“ kištuku pagal ją sukūrusią vokiečių įmonę.

3.1 Žingsnis link IEC 62196-2

Tarptautinė elektrotechnikos komisija (IEC) priėmė 2 tipo konstrukciją kaip IEC 62196 standarto dalį. Skirtingai nuo 1 tipo jungties, kuri iš esmės apsiriboja vienfaziu veikimu, 2 tipo jungtis nuo pat pradžių buvo sukurta kaip modulinė ir ateičiai pritaikyta. Ji gali palaikyti vienfazę, dvifazę ir trifazę kintamosios srovės maitinimo šaltinį.

3.2 Septynių kontaktų išdėstymas ir funkcionalumas

2 tipo jungtyje naudojama septynių kontaktų konfigūracija:

1. L1, L2, L3:Trys atskiri fazių laidininkai, leidžiantys tiekti trifazę energiją.
2. N (neutralus):Specialus neutralus laidininkas, būtinas trijų fazių sistemoms, kuriose apkrova gali būti nesubalansuota.
3. PE (apsauginis įžeminimas):Saugos aikštelė.
4. CP (valdymo pilotas):Signalizacijos linija (funkcija tokia pati kaip J1772).
5. PP (artėjimo pilotas):Naudojamas kištuko buvimui aptikti ir, pagal 2 tipo standartą, paties kabelio srovės pralaidumui pranešti naudojant varžos kodavimo sistemą.

3.3 Universalumas ir galios ribos

2 tipo jungtis yra žymiai galingesnė nei 1 tipo. Trifazėje konfigūracijoje ji gali palaikyti iki 63 amperų vienai fazei, teoriškai tiekdama iki 43 kW kintamosios srovės galios (nors 22 kW yra praktinė riba daugumai viešųjų ir gyvenamųjų trifazių instaliacijų). Net ir vienfaziame režime ji gali prilygti 1 tipo jungties našumui. Be to, 2 tipo įvadas transporto priemonėje yra suderinamas su CCS2 (kombinuota įkrovimo sistema), skirta greitam nuolatinės srovės įkrovimui, pridedant du didelius nuolatinės srovės kontaktus po kintamosios srovės sąsaja.

4. Maitinimo fazės dinamika: vienfazio ir trifazio energijos tiekimo efektyvumo palyginimas

Svarbiausias techninis skirtumas tarp 1 ir 2 tipo sistemų yra tai, kaip jos apdoroja elektros fazes. Tai ne tik jungties pasirinkimas, bet ir pagrindinės tinklo infrastruktūros atspindys.

4.1 Vienfazio tinklo apribojimai 1 tipo atveju

1 tipo sistemoje transporto priemonės borto įkroviklis (OBC) yra skirtas gauti energiją iš vieno kintamosios srovės šaltinio. Norint padidinti įkrovimo greitį, vieninteliai kintamieji, kuriuos galima reguliuoti, yra įtampa (nuo 120 V iki 240 V) ir srovė (amperais). Kadangi gyvenamųjų namų elektros skydinės JAV paprastai gali veikti ne daugiau kaip 200 A, specialioms elektromobilių grandinėms, kurių srovė viršija 50 A, reikia gerokai atnaujinti infrastruktūrą. Didelės srovės vienfazis įkrovimas taip pat sukelia didelę šiluminę apkrovą laidams ir jungčių kaiščiams.

4.2 Trifazio pranašumai 2 tipo atveju

2 tipo sistemos naudoja trifazius tinklus, įprastus Europoje ir kai kuriose Azijos bei Okeanijos dalyse. Paskirstydama energiją per tris fazes, sistema gali tiekti daug didesnę bendrą galią esant mažesniam kiekvienos fazės srovės stipriui. Pavyzdžiui, 11 kW įkroviklis sunaudoja 16 A trijose fazėse (3 x 230 V x 16 A ≈ 11 kW). Norint pasiekti tokią pačią 11 kW galią vienfazėje 1 tipo sistemoje, srovė turėtų būti maždaug 46 A (240 V x 46 A ≈ 11 kW).

Mažesnė srovės stipris vienai fazei 2 tipo sistemose lemia:

• Sumažintas šilumos generavimas:Mažesnis varžinis laidų ir jungčių įkaitimas.
• Mažesni kabelių skerspjūviai:Lengvesni, lankstesni kabeliai, užtikrinantys tą pačią galią.
• Tinklelio stabilumas:Trifazis įkrovimas užtikrina labiau subalansuotą tinklo apkrovą, sumažindamas fazių disbalanso ir neutralios srovės problemų riziką vietiniame paskirstymo transformatoriuje.

4.3 Efektyvumas ir konversija

Techniniu požiūriu, integruoto įkroviklio efektyvumas taip pat turi įtakos. Trifazė kintamoji srovė į nuolatinę srovę išlyginama sklandžiau nei vienfazė, todėl norint pasiekti stabilią nuolatinę akumuliatoriaus įtampą, reikia mažiau talpinio filtravimo. Tai gali lemti šiek tiek didesnį trifazių OBC konversijos efektyvumą, palyginti su jų vienfaziais atitikmenimis.

(1 bloko pabaiga. Tęsiama kitame bloke, kad būtų pasiektas reikiamas ilgis ir gylis.)

5. Signalo vientisumas ir ryšys: išsami CP (valdymo piloto) ir PP (artumo piloto) funkcijų analizė

Ryšį tarp EVSE ir EV palaiko dvi specialios žemos įtampos signalų linijos: valdymo pilotas (CP) ir artumo pilotas (PP). Nors fizinės jungtys skiriasi, pagrindinis kintamosios srovės įkrovimo signalizacijos protokolas yra standartizuotas pagal IEC 61851-1 ir SAE J1772.

5.1 Valdymo pilotas (CP) ir impulsų pločio moduliacija (PWM)

CP signalas yra ±12 V 1 kHz stačiakampė banga, kurią generuoja EVSE. Šis signalas yra pagrindinis patvirtinimo signalas ir būsenos indikatorius. Ryšio seką apibrėžia konkretūs įtampos lygiai ir PWM signalo darbo ciklas.

• A būsena (budėjimo režimas):EVSE išveda nuolatinę +12 V nuolatinę srovę. Tai rodo, kad įkroviklis įjungtas, bet transporto priemonė neprijungta.
• B būsena (prijungta transporto priemonė):Įjungus kištuką, transporto priemonė prijungia rezistorių ir diodą tarp CP ir PE linijų. Dėl to įtampa sumažėja nuo +12 V iki +9 V. EVSE aptinka šį kritimą ir pradeda generuoti 1 kHz PWM signalą.
• C būsena (prašoma apmokestinti):Transporto priemonė signalizuoja apie savo pasirengimą gauti maitinimą uždarydama jungiklį, kuris sumažina grandinės varžą ir sumažina CP įtampą iki +6 V. Šiuo metu EVSE uždaro vidinius kontaktorius, kad tiektų kintamąją srovę.
• D būsena (reikalinga ventiliacija):Jei transporto priemonei reikalinga ventiliacija (retai pasitaikanti šiuolaikinėse elektromobiliuose, bet standarto dalis), įtampa nukrenta iki +3 V.
• E/F būsena (klaidos):0 V arba -12 V signalas rodo gedimą, pvz., įžeminimą arba visišką ryšio praradimą.

TheDarbo ciklasEVSE perduodamo PWM signalo srovė nurodo transporto priemonei maksimalią srovę, kurią ji gali sunaudoti. Pavyzdžiui:

• 10 % darbo ciklas = 6 amperai
• 25 % darbo ciklas = 15 amperų
• 50 % darbo ciklas = 30 amperų
• 80 % darbo ciklas = 48 amperai

Tai leidžia dinamiškai valdyti apkrovą; jei namo energijos suvartojimas padidėja, EVSE gali sumažinti darbo ciklą, kad nesuveiktų pagrindinis jungiklis.

5.2 Artumo jutiklis (PP) ir mechaninis blokavimas

PP signalas užtikrina, kad transporto priemonė negalėtų nuvažiuoti, kol ji prijungta prie elektros tinklo, ir padeda sistemai nustatyti laido srovės pralaidumą.

• 1 tipo (J1772) atveju:PP linija (dažnai vadinama CS kontaktu) prijungta prie jungiklio kištuko rankenoje. Kai naudotojas paspaudžia atleidimo mygtuką, grandinė nutraukiama. Transporto priemonė tai akimirksniu pajunta ir nutraukia srovės tiekimą prieš atjungiant pagrindinius maitinimo kontaktus, taip išvengiant elektros kibirkščiavimo.
• 2 tipo (IEC 62196):PP linija naudojama kabelio tipui identifikuoti. Kabeliai turi rezistorių tarp PP ir PE kontaktų. 11 kW kabelio (16 A) varža skirsis nuo 22 kW kabelio (32 A). EVSE ir transporto priemonė naudoja šią varžą, kad užtikrintų, jog neviršys kabelio terminių ribų, net jei transporto priemonė gali tiekti didesnę galią.

6. Mechaninis dizainas ir sauga: užrakinimo mechanizmai, IP apsaugos klasės ir fizinis tvirtumas

Elektromobilių įkrovimo fizinė aplinka yra atšiauri – veikiama lietaus, sniego, dulkių ir ekstremalių temperatūrų. Todėl 1 ir 2 tipo jungčių mechaninė konstrukcija yra kruopščiai suprojektuota.

6.1 Užrakinimo mechanizmai: rankiniai ir elektroniniai

Svarbus skirtumas tarp šių dviejų standartų yra tai, kaip kištukas tvirtinamas prie transporto priemonės.

• 1 tipo rankinis skląstis:1 tipo kištukas turi nykščiu valdomą mechaninį skląstį. Tai paprasta ir patikima, tačiau trūksta saugumo; bet kas gali prieiti ir atjungti įkrovimo automobilį nuo elektros tinklo, nebent naudotojas prie rankenos pritvirtintų atskirą spyną.
• 2 tipo elektroninė spyna:2 tipo standartas remiasi motorizuotu fiksavimo kaiščiu transporto priemonės įkrovos angoje. Prasidėjus įkrovimui, transporto priemonė automatiškai užfiksuoja kištuką vietoje. Tai apsaugo nuo laido vagystės (Europoje įprastų nerišlių įkroviklių atveju) ir užtikrina, kad kištuko negalima ištraukti, kol teka įtampa.

6.2 Apsauga nuo įsiskverbimo (IP) ir sandarinimas aplinkos poveikiui

Abi jungtys sukurtos taip, kad atitiktų aukštus IP reitingus (paprastai IP54 arba aukštesnį, kai sujungtos).

• Drenažo kanalai:2 tipo jungtys turi specialias drenažo angas, kad vanduo nesikauptų aplink kaiščius.
• Medžiagų mokslas:Korpusai pagaminti iš UV spinduliams stabilizuotų, smūgiams atsparių polimerų, tokių kaip PBT (polibutileno tereftalatas), kad atlaikytų kritimus ant betono ir intensyvios saulės šviesos poveikį.
• Kontaktinis padengimas:Kaiščiai paprastai yra padengti sidabru, kad būtų užtikrinta maža kontaktinė varža ir didelis patvarumas per tūkstančius poravimosi ciklų.

6.3 Šiluminis valdymas

Šiuolaikiniai didelės galios kintamosios srovės įkrovikliai dažnai turi termistorius (NTC jutiklius), įmontuotus į kištuką. Šie jutikliai realiuoju laiku stebi kontaktų temperatūrą. Jei temperatūra viršija saugią ribą (pvz., dėl atsilaisvinusios jungties ar šiukšlių įleidimo angoje), EVSE siunčia signalą transporto priemonei sumažinti įkrovimo srovę arba visiškai išjungti, kad būtų išvengta gaisro.

7. Pasaulinio tinklo topologijos: TN, TT ir IT tinklai ir jų įtaka EVSE diegimui

EVSE projektavimui ir montavimui didelę įtaką daro skirtinguose regionuose naudojamos įžeminimo sistemos. Prieš leisdama pradėti įkrovimą, EVSE turi aptikti saugaus įžeminimo buvimą.

7.1 TN sistemos (žemės neutralumo)

TN sistema yra paplitusi Šiaurės Amerikoje (TN-CS) ir Jungtinėje Karalystėje. Šioje sistemoje neutralus laidas ir įžeminimas yra sujungti ties elektros tinklo įėjimu. Nors tai užtikrina patikimą kelią gedimo srovėms, tai kelia pavojų „atviro PEN“ (apsauginio įžeminimo neutralės) gedimo atveju. Nutrūkus neutraliam laidui iš tinklo, elektromobilio važiuoklė gali įsijungti esant tinklo įtampai. Dėl to JK specifikaciją atitinkančiuose įkrovikliuose buvo sukurti specializuoti „atviro PEN aptikimo“ įtaisai.

7.2 TT sistemos („Terra-Terra“)

Įprasta kai kuriose kontinentinės Europos dalyse (pvz., Prancūzijoje ir Italijoje) ir Japonijoje, TT sistema naudoja vietinį įžeminimo strypą, kuris nėra prijungtas prie tinklo neutralės. TT tinkluose įrengti EVSE turi būti labai jautrūs įžeminimo varžai. Jei įžeminimo strypas nėra pakankamai giliai arba dirvožemis per sausas, įkroviklis gali atsisakyti paleisti, nes negali patikrinti mažos varžos kelio į žemę.

7.3 IT sistemos (Izolė-Žemė)

Norvegijoje ir kai kuriose pramoninėse aplinkose aptinkama IT sistema neturi tiesioginio ryšio tarp neutralės / fazių ir įžeminimo. Tai kelia unikalų iššūkį elektromobiliams, nes daugelis įmontuotų įkroviklių yra suprojektuoti taip, kad būtų įžemintas neutralus laidas. Norint saugiai įkrauti elektromobilius IT tinkluose, dažnai reikalingi specialūs izoliaciniai transformatoriai.

7.4 Tinklo dažnio ir įtampos pokyčiai

Nors 1 ir 2 tipai daugiausia skiriasi savo fazių palaikymu, pagrindinis tinklo dažnis (60 Hz JAV/Japonijoje, palyginti su 50 Hz daugumoje likusių pasaulio šalių) taip pat turi įtakos transporto priemonės borto įkroviklio induktorių ir kondensatorių konstrukcijai. Tačiau dauguma šiuolaikinių OBC yra plataus diapazono, galintys valdyti 100 V–250 V ir 50/60 Hz įtampas.

8. Gyvenamųjų namų elektros energijos tiekimo apribojimai: kaip nacionaliniai elektros tinklo reglamentai ir namų paskirstymo skydai riboja elektromobilių įkrovimo greitį

Teorinis įkrovimo greitis (pvz., 22 kW 2 tipo įkrovimui arba 19,2 kW 1 tipo įkrovimui) gyvenamosiose patalpose retai pasiekiamas dėl vietinio tinklo ir namo elektros skydinės apribojimų.

8.1 Šiaurės Amerika: 200A skydelio riba

Jungtinėse Amerikos Valstijose tipiškas modernus namas turi 200 A elektros skydinę. 2 lygio įkrovikliui, kurio srovė yra 48 A, reikia 60 A jungiklio. Pagal Nacionalinį elektros kodeksą (NEC), nuolatinė apkrova (pvz., elektromobilių įkrovimas) neturėtų viršyti 80 % grandinės jungiklio vardinės vertės. Namuose su senesnėmis 100 A skydinėmis didelės galios elektromobilių įkrovimo įrenginio įrengimas neįmanomas be aptarnavimo atnaujinimo, kuris gali kainuoti tūkstančius dolerių. Dėl to išpopuliarėjo 32 A (7,7 kW) įkrovikliai, kurie subalansuoja įkrovimo greitį ir skydinės talpą.

8.2 Jungtinė Karalystė: vienfazis dominavimas ir atviras PEN

Nors JK elektros tinklas skirstymo lygmeniu yra trifazis, daugumai namų tiekiama viena 230 V, 60 A arba 100 A fazė. Tai riboja gyvenamųjų namų įkrovimą iki 7,4 kW. Dėl anksčiau minėto TN-CS įžeminimo JK reglamentai reikalauja, kad įkrovikliai turėtų brangią apsaugą nuo atvirų neutralių gedimų, todėl JK būdingi EVSE yra techniškai sudėtingesni nei jų analogai Europoje.

8.3 Vokietija ir Šiaurės Europa: 11 kW standartas

Vokietijoje trifazis maitinimas yra standartinis beveik kiekviename gyvenamajame pastate. Tai leidžia plačiai montuoti 11 kW (3 x 16 A) sieninius įkrovimo įrenginius. Skirtingai nei JAV, kur 11 kW įkrovimui reikalinga galinga 60 A vienfazė grandinė, Vokietijoje tereikia 16 A trifazės grandinės, kurioje naudojami daug plonesni laidai ir kurią lengvai galima pritaikyti esamiems skirstomiesiems skydams. Daugelis Vokietijos komunalinių paslaugų įmonių reikalauja, kad įkrovikliai, kurių galia didesnė nei 11 kW (pvz., 22 kW), būtų notifikuoti arba patvirtinti, kad būtų užtikrintas vietinio tinklo stabilumas.

8.4 Australija ir Naujoji Zelandija: Aukšta įtampa, vienfazis

Australijoje naudojama 230 V / 240 V sistema, panaši į JK. Dauguma gyvenamųjų namų instaliacijų yra vienfazės, 7,4 kW. Tačiau dėl didelių atstumų ir tinklo kaimo pobūdžio įtampos svyravimai yra dažni. Šiuose regionuose esančios elektros variklių sistemos (EVSE) turi turėti patikimą apsaugą nuo viršįtampių ir įtampos kritimo, kad galėtų susidoroti su įtampos kritimais arba viršįtampiais nepažeidžiant transporto priemonės.

(2 bloko pabaiga. Tęsiama kitame bloke, kad būtų pasiektas reikiamas ilgis ir gylis.)

9. Visapusiška grandinės apsauga: A/B tipo RCD, nuolatinės srovės nuotėkio aptikimo ir viršsrovės apsaugos įdiegimas kintamosios srovės įkrovime

Saugumas yra EVSE konstrukcijos kertinis akmuo. Elektromobilio įkrovimas reiškia didelių energijos kiekių tiekimą ilgą laiką, dažnai drėgnomis sąlygomis. Todėl apsaugos grandinė turi būti daug sudėtingesnė nei standartinio buitinio prietaiso.

9.1 Liekamosios srovės įtaisai (RCD): A tipas ir B tipas

RCD skirtas aptikti srovės, tekančios linija ir neutraliais laidais, disbalansą, kuris rodo nuotėkį į žemę („įžeminimo gedimas“). Įkraunant elektromobilius kyla specifinis pavojus:Nuolatinė liekamoji srovė.

• A tipo RCD:Jie dažnai naudojami gyvenamųjų namų skyduose ir gali aptikti kintamąją ir pulsuojančią nuolatinę liekamąją srovę. Tačiau juos gali „apakinti“ sklandus nuolatinės srovės nuotėkis. Jei dėl elektromobilio borto įkroviklio gedimo į kintamosios srovės pusę nuteka daugiau nei 6 mA sklandaus nuolatinės srovės, A tipo RCD vidinė transformatoriaus šerdis gali persotinti save, neleisdama jam suveikti net ir įvykus pavojingam kintamosios srovės gedimui.
• B tipo RCD:Jie skirti aptikti kintamąją srovę, pulsuojančią nuolatinę srovę ir išlyginti nuolatinės srovės liekamąsias sroves. Nors jie siūlo geresnę apsaugą, jie yra žymiai brangesni.
• RDC-DD (nuolatinės srovės liekamosios srovės aptikimo įtaisas):Siekiant sumažinti išlaidas ir kartu išlaikyti saugumą, daugelyje šiuolaikinių elektros prietaisų įkroviklių (EVSE) yra integruotas RDC-DD modulis (suderinamas su IEC 62955). Šis modulis aptinka sklandų nuolatinės srovės nuotėkį, viršijantį 6 mA, ir išjungia įkroviklį. Kai yra RDC-DD, priešsrovio paskirstymo skydelyje galima naudoti standartinį (ir pigesnį) A tipo RCD.

9.2 Apsauga nuo viršsrovės ir trumpojo jungimo

Kiekviena EVSE grandinė turi būti apsaugota miniatiūriniu grandinės pertraukikliu (MCB). Kadangi EV įkrovimas yra nuolatinė apkrova, MCB turi būti sumažinta. JAV (NEC) 40 A įkrovimo apkrovai reikalingas 50 A jungiklis. Europoje MCB pasirinkimas (B, C arba D tipo kreivė) priklauso nuo numatomos transporto priemonės įkroviklio įjungimo srovės. „C“ kreivės jungiklis paprastai yra pageidaujamas, siekiant išvengti nepageidaujamo išjungimo pradinio prijungimo etape.

9.3 Apsauga nuo viršįtampių (SPD)

Elektromobilių įkrovikliai (EVSE) dažnai įrengiami lauke ir prijungiami prie didelio metalinio objekto (automobilio), todėl jie yra pažeidžiami netiesioginių žaibo smūgių ir tinklo viršįtampių. Labai rekomenduojama (o kai kuriuose regionuose, pavyzdžiui, Vokietijoje, tai privaloma) įrengti 2 tipo viršįtampių apsaugos įtaisą (SPD), kad būtų apsaugota jautri įkroviklio ir transporto priemonės elektronika.

9.4 Kontaktoriai ir galvaninė izoliacija

EVSE energijos tiekimo pagrindas yraKontaktoriusTai galinga relė, fiziškai jungianti arba atjungianti kintamosios srovės maitinimo kontaktus. Dėl saugumo kontaktorius turi būti „normaliai atidarytas“, o tai reiškia, kad maitinimas tiekiamas tik tada, kai CP signalas rodo „C būseną“ (pasiruošęs krauti). Aukštos kokybės EVSE naudoja keturių polių kontaktorius trijų fazių sistemoms, kad užtikrintų, jog visos fazės ir neutralė būtų izoliuotos, kai jos nenaudojamos. Kai kuriuose pažangiuose įrenginiuose taip pat yra „suvirintų kontaktų aptikimo“ funkcija, kuri stebi kontaktoriaus būseną; jei kontaktai susilieja (neleidžia nutraukti maitinimo), EVSE suaktyvins aparatinės įrangos aliarmą ir liks gedimo būsenoje.

10. Išmanusis įkrovimas ir ISO 15118: perėjimas nuo PWM prie skaitmeninio ryšio ir „plug & charge“

Nors bazinio CP/PP signalizavimo pakanka paprastam įkrovimui kintamąja srove, elektromobilių ekosistemos ateitis priklauso nuo išsamių skaitmeninių duomenų mainų. Čia ir prasideda ISO 15118 standartas.

10.1 PWM apribojimai

Standartinis PWM signalizavimas perduoda tik maksimalią galimą srovę. Jis nepraneša EVSE transporto priemonės įkrovimo būsenai (SoC), akumuliatoriaus talpai ar unikaliam identifikatoriui. Be šios informacijos sunku įdiegti tokias funkcijas kaip automatinis sąskaitų išrašymas, įkrovimas pagal tinklą ir dvikryptis energijos perdavimas.

10.2 „HomePlug Green“ fizinio modulio ir PLC ryšys

ISO 15118 pristatoElektros linijų ryšys (PLC)per valdymo piloto (CP) laidą. Uždėjus aukšto dažnio skaitmeninį signalą („HomePlug Green PHY“) ant 1 kHz CP signalo, transporto priemonė ir EVSE gali užmegzti TCP/IP ryšį. Tai leidžia:

• Prijunkite ir įkraukite:Transporto priemonė automatiškai identifikuoja save įkrovikliui. Įkroviklis susisiekia su serveriu, kad autorizuotų sesiją ir atliktų mokėjimą be RFID kortelės ar mobiliosios programėlės.
• Išmaniųjų tinklų integravimas:Elektromobilis gali pranešti apie planuojamą išvykimo laiką ir energijos poreikius. Elektros tinklas (arba namų energijos valdymo sistema – HEMS) gali suplanuoti įkrovimą tuo metu, kai elektros energijos kainos yra žemiausios arba atsinaujinančios energijos gamyba yra didžiausia.

10.3 Dvipusio įkrovimo ateitis (V2G, V2H, V2X)

Vienas įdomiausių ISO 15118 (ypač -20 redakcijos) aspektų yra dvikrypčio kintamosios srovės įkrovimo palaikymas. Nors dauguma transporto priemonių į tinklą (V2G) diegimų šiuo metu naudoja nuolatinę srovę (per CHAdeMO arba CCS), dvikryptis kintamosios srovės įkrovimas leidžia transporto priemonei naudoti savo įmontuotą įkroviklį kaip keitiklį, kad tiektų energiją atgal į namus arba tinklą. Tam reikia, kad EVSE veiktų kaip sudėtingas vartininkas, užtikrinantis, kad į tinklą grąžinama energija idealiai atitiktų tinklo fazę ir dažnį.

11. Regioninių standartų analizė: GB/T (Kinija) ir 2 tipas

Nors 1 ir 2 tipai apima didžiąją pasaulio dalį, Kinija – didžiausia pasaulyje elektromobilių rinka – naudoja savo standartą:GB/T 20234.

11.1 Fiziniai panašumai su 2 tipu

Fiziškai GB/T kintamosios srovės jungtis atrodo labai panaši į 2 tipo jungtį. Ji turi septynių kontaktų išdėstymą. Tačiau lytys yra atvirkštinės: kištukas turi kontaktus (vyriškas), o automobilio jungtis – lizdus (moteris), o tai yra priešingai nei 2 tipo standarte.

11.2 Ryšio skirtumai

Signalizavimas GB/T AC sistemoje taip pat pagrįstas tuo pačiu PWM principu kaip ir 1 bei 2 tipo srovių atveju. Tačiau tikslios PP ir CP srovių rezistorių vertės šiek tiek skiriasi. Tai reiškia, kad europietiškas 2 tipo automobilis negali naudoti kiniško GB/T įkroviklio (arba atvirkščiai) be specialaus adapterio, kuris ne tik pakeičia fizinius kontaktus, bet ir turi signalo konvertavimo grandinę.

11.3 Rinkos poveikis

GB/T standarto skirtumai išryškina geopolitinius ir ekonominius veiksnius, darančius įtaką techninei standartizacijai. Sukurdama savo standartą, Kinija užtikrino, kad jos vietiniai gamintojai turėtų apsaugotą ekosistemą, kartu pasinaudodama techninėmis pamokomis, įgytomis taikant IEC standartus.

12. Testavimas, sertifikavimas ir kokybės užtikrinimas: UL, CE ir kiti standartai

Prieš parduodant EVSE, ji turi būti griežtai išbandyta, siekiant užtikrinti, kad ji nesukeltų elektros smūgio naudotojui ir gaisro.

12.1 UL 2594 ir UL 2231 (Šiaurės Amerika)

Šiaurės Amerikoje EVSE standartus apibrėžia „Underwriters Laboratories“ (UL). UL 2594 apima pagrindinę įkrovimo stotelės konstrukciją ir saugą, o UL 2231 – personalo apsaugos sistemas (RCD/GFCI funkcionalumą). Pagrindinis UL sertifikavimo reikalavimas yra „atsparumas smūgiams“ – įkroviklis turi atlaikyti sunkaus svorio smūgius neatidengdamas įtampingųjų dalių.

12.2 CE ir IEC 61851 (Europa / pasaulis)

Europoje CE ženklas rodo atitiktį Žemos įtampos direktyvai ir EMC (elektromagnetinio suderinamumo) direktyvai. Pagrindinis techninis standartas yraIEC 61851Testavimas apima:

• Dielektrinis stiprumas:Užtikrinti, kad izoliacija atlaikytų aukštos įtampos šuolius.
• Temperatūros kilimas:Įkroviklį kelias valandas laikykite maksimalia srove, kad jis neperkaistų.
• Atsparumas aplinkai:Druskos rūko bandymai pakrančių zonose ir dulkių prasiskverbimo bandymai sausringuose regionuose.

12.3 Sąveikumo testavimo svarba

Be saugumo, kyla ir iššūkisSąveikumasNe kiekvienas automobilis puikiai veikia su kiekvienu įkrovikliu. Tokios grupės kaip „CharIN“ (Įkrovimo sąsajos iniciatyva) atlieka „bandymus“, kurių metu gamintojai atveža savo transporto priemones ir įkroviklius, kad patikrintų, ar skirtingų prekių ženklų automobilių skambinimo ir ryšio protokolai veikia nepriekaištingai.

(3 bloko pabaiga. Toliau plėtojamos išmaniųjų kištukų techninės detalės ir būsima standartizacija.)

13. Išplėstinis komponentų suskirstymas: šiuolaikinės sieninės dėžutės vidinė konstrukcija

Norint suprasti skirtumą tarp 1 ir 2 tipo sistemų detaliu lygmeniu, reikia pažvelgti į pačią „sieninę dėžę“. EVSE yra ne tik patobulintas ilgintuvas; tai sudėtingas energijos valdymo kompiuteris.

13.1 Pagrindinis valdiklis (MCU)

EVSE smegenys paprastai yra 32 bitų mikrovaldiklis (pvz., ARM Cortex-M serijos). Šis lustas tvarko 1 kHz CP signalo generavimą, stebi PP varžą ir vykdo saugos logiką. Išmaniuosiuose įkrovikliuose šis mikrovaldiklis taip pat valdo „Wi-Fi“ arba Ethernet steką ir bendrauja su vartotojo mobiliąja programėle per MQTT arba HTTP protokolus.

13.2 Srovės matavimas: Holo efektas ir šuntas

EVSE naudoja srovės jutiklius, kad stebėtų tiekiamą energiją ir aptiktų viršsrovių situacijas.

• Holo efekto jutikliai:Jie matuoja srovės sukuriamą magnetinį lauką. Jie užtikrina galvaninę izoliaciją ir puikiai tinka didelėms srovėms.
• Šunto rezistoriai:Šie matavimai matuoja įtampos kritimą ties žinoma varža. Nors ir labai tikslūs, jiems reikalinga sudėtingesnė izoliacijos grandinė.

Trifaziuose 2 tipo įkrovikliuose MCU turi vienu metu stebėti tris atskirus srovės kelius, kad užtikrintų fazių balansą ir aptiktų, ar kuri nors fazė sugedo.

13.3 Pagalbinis maitinimo šaltinis

Vidinei elektronikai (mikrovaldikliui, „Wi-Fi“ moduliui, ekranui ir kontaktoriaus ritėms) reikalingas žemos įtampos nuolatinės srovės maitinimo šaltinis (paprastai 12 V arba 5 V). 2 tipo trifazėje sistemoje pagalbinis maitinimo šaltinis dažnai suprojektuotas taip, kad veiktų net ir esant tik vienai fazei, todėl įkroviklis gali likti „įjungtas“ ir pranešti vartotojui apie fazės praradimo klaidą.

14. Išmanieji kištukai ir standartizuotas sujungimas: nešiojamojo įkrovimo ateitis

Nors stacionarios sieninės įkrovimo stotelės yra auksinis standartas, daugelis elektromobilių savininkų pasikliauja nešiojamaisiais įkrovikliais (dažnai vadinamais „močiutės kabeliais“ arba „IC-CPD“ – kabelyje įmontuotais valdymo ir apsaugos įrenginiais).

14.1 Buitinių kištukų techniniai pavojai

Elektromobilio įkrovimas iš standartinio buitinio lizdo (NEMA 5-15 JAV arba Schuko Europoje) yra techniškai sudėtingas. Šie lizdai nebuvo skirti tiekti 10–16 amperų nuolat 12 valandų.

• Terminis bėgimas:Laikui bėgant, lizdo metalinių kontaktų įtampa gali susilpnėti, todėl gali padidėti varža ir įkaisti.
• Išmanieji kištukai į pagalbą:Aukštos kokybės nešiojamuose įkrovikliuose dabar yra temperatūros jutikliai, įmontuoti tiesiai į buitinį sieninį kištuką. Jei kištukas pradeda perkaisti, IC-CPD signalizuoja automobiliui sumažinti srovės suvartojimą, neleisdamas lizdui išsilydyti.

14.2 „Universalus“ nešiojamasis įkroviklis

2 tipo ekosistemoje nauja tendencija yra moduliniai nešiojamieji įkrovikliai (pvz., „Juice Booster“ arba „Tesla Mobile Connector“). Šie įrenginiai naudoja keičiamų adapterių seriją. Įrenginys atpažįsta, kuris adapteris yra prijungtas (naudodamas rezistoriaus kodavimo sistemą, panašią į PP kaištį), ir automatiškai nustato maksimalią įkrovimo srovę. Tai suteikia „universalų“ įkrovimo sprendimą, kuris veikia skirtingose ​​šalyse ir su skirtingų tipų lizdais, išlaikant stacionarios sieninės dėžutės saugumą.

15. Šiaurės Amerikos perėjimas: nuo 1 tipo (J1772) iki NACS (SAE J3400)

Šiuo metu Šiaurės Amerikos rinkoje vyksta didelis pokytis, kuris apsunkina 1 ir 2 tipų palyginimą: pradedamas taikyti Šiaurės Amerikos įkrovimo standartas (NACS), kurio pradininkas buvo „Tesla“ ir kuris dabar standartizuotas kaip SAE J3400.

15.1 NACS techninė apžvalga

Skirtingai nuo 1 ir 2 tipo jungčių, kurios turi atskirus kontaktus kintamosios ir nuolatinės srovės įkrovimui, NACS jungtis abiem sritims naudoja tuos pačius du pagrindinius kontaktus. Tai elegantiškas, kompaktiškas dizainas, tinkantis tiek vienfaziam kintamosios srovės, tiek didelės spartos nuolatinės srovės įkrovimui.

15.2 Protokolų konvergencija

Svarbu tai, kad nors fizinė NACS jungtis skiriasi, ji naudojatie patys ryšio protokolaikaip ir aptarti standartai. Kintamosios srovės įkrovimui naudojamas J1772 PWM signalizacija. Nuolatinės srovės įkrovimui naudojamas ISO 15118 PLC ryšys. Tai reiškia, kad naudojant paprastą pasyvų adapterį, 1 tipo automobilis gali įkrauti NACS kintamosios srovės stotyje ir atvirkščiai. Šis perėjimas pabrėžia fizinio kompaktiškumo siekį neaukojant standartizuotos signalizacijos logikos, kuri užtikrina pasaulinį sąveikumą.

16. Borto įkroviklio (OBC) topologijos įtaka kintamosios srovės įkrovimo našumui

Jungtis ir sieninis įkrovimo stotelė – tai tik pusė istorijos. Įkrovimo greitį galiausiai lemia transporto priemonės borto įkroviklis (OBC).

16.1 Vienfazis OBC ir trifazis OBC

Daugelis pradinio lygio elektromobilių (ir įkraunamų hibridų) turi tik vienfazį OBC, net ir 2 tipo rinkose. Jei automobilį su 7 kW vienfaziu OBC prijungsite prie 22 kW trifazio 2 tipo įkroviklio, jis iš vienos iš trijų galimų fazių sunaudos tik 7 kW. Tai dažnas vartotojų painiavos šaltinis.

16.2 Moduliniai OBC modeliai

Kai kurie gamintojai (pvz., „Tesla“ ir „Renault“) naudoja modulinius OBC. 2 tipo rinkoje automobilis gali turėti tris identiškus 3,7 kW įkrovimo modulius. Prijungus prie trifazės maitinimo, kiekvienas modulis apdoroja vieną fazę, iš viso 11 kW. Prijungus prie vienfazio 1 tipo įkroviklio (JAV), automobilis gali lygiagrečiai sujungti šiuos modulius ir iš vienos didelės srovės fazės paimti iki 11 kW. Šis moduliškumas yra galios elektronikos inžinerijos šedevras, leidžiantis tą pačią transporto priemonės platformą parduoti visame pasaulyje, atliekant minimalius jos aukštos įtampos architektūros pakeitimus.

17. Programinės įrangos vaidmuo: OCPP ir debesijos pagrindu veikiantis apkrovos valdymas

Artėjant prie tūkstančių prie to paties tinklo prijungtų įkroviklių, programinė įranga tampa tokia pat svarbi kaip varis ir silicis.

17.1 Atvirojo įkrovimo taškų protokolas (OCPP)

OCPP yra pramonės standartinė kalba, naudojama tarp EVSE ir centrinės valdymo sistemos (TVS). Ji leidžia:

• Nuotolinė diagnostika:Technikas gali perkrauti įkroviklį arba atnaujinti jo programinę įrangą būdamas už tūkstančių mylių.
• Dinaminis apkrovos balansavimas:Daugiabutyje, kuriame yra 20 įkroviklių, bet tik 100 A srovės tiekimas, CMS gali naudoti OCPP, kad realiuoju laiku nurodytų kiekvienam įkrovikliui, kiek srovės jis gali tiekti, užtikrindamas, kad pagrindinis pastato saugiklis niekada nesuveiktų, ir maksimaliai padidintų visiems automobiliams tiekiamą bendrą energiją.

17.2 Naudotojo patirtis (UX) ir „programėlių ekonomika“

Vartotojui skirtumas tarp 1 ir 2 tipų dažnai išnyksta už išmaniojo telefono programėlės. Tačiau techninis ryšio patikimumas – kaip greitai užbaigiamas CP paspaudimas, kaip patikimai „Wi-Fi“ vėl prisijungia po elektros energijos tiekimo nutraukimo – išlieka teigiamos naudotojo patirties pagrindu.

18. Išvada: hibridinio įkrovimo pasaulio sudėtingumas

Skirtumas tarp 1 ir 2 tipo elektromobilių įkroviklių yra ne tik kontaktų skaičius ar plastiko forma. Tai atspindi dvi skirtingas elektros infrastruktūros filosofijas.

• 1 tipas (J1772)yra tvirtas, didelės srovės sprendimas, optimizuotas vienfaziam 120 V / 240 V fazių tinklui, kuris dominuoja Šiaurės Amerikoje ir Japonijoje. Jo penkių kontaktų konstrukcija – du maitinimo, vienas įžeminimo, du signalo kontaktai – yra sąmoningai paprasta, užtikrinanti patikimą 2 lygio įkrovimą iki 80 A (19,2 kW) 240 V grandinėje. Jis buvo sukurtas pasauliui, kuriame dažniausiai įkrovimas vyksta namuose arba darbe, per kelias valandas, ir kuriame paprastumas bei kaina dominuoja inžinerijos srityje.
• 2 tipas (IEC 62196-2)yra septynių kontaktų platforma, sukurta Europos ir didžiosios Azijos dalies trifaziam 400 V tinklui. Joje yra tie patys du signaliniai kontaktai, bet pridėti trifaziai maitinimo kontaktai, leidžiantys įkrauti kintamąja srove iki 43 kW (arba 22 kW daugumoje realių instaliacijų) ir palaikant didesnį galios tankį, kurio reikalauja Europos gyvenamoji ir komercinė infrastruktūra. Jos universalumas apima ir nuolatinę srovę: 2 tipo jungčių šeima yra CCS2 kombinuoto įleidimo angos pagrindas, o 1 tipo J1772 konstrukcija pagimdė CCS1.
• Esmė:Nei vienas standartas nėra „geresnis“ absoliučia prasme – kiekvienas yra ištikimas inžinerinis atsakas į savo namų tinklą. 1 tipas yra ekonomiškas ir patikimas pasirinkimas vienfaziams regionams; 2 tipas yra didelės galios, ateities lanksti platforma trifaziams regionams. Gedimo taškas yra ne jungtis, o aparatinė įranga, kuri atsisako prisitaikyti: įkrovikliai ir elektromobiliai, palaikantys tik vieną standartą, atjungia savo savininkus nuo augančio pasaulinio tarptinklinio ryšio tinklo.

Kelias į priekį

Gamintojams ir operatoriams praktiškas atsakymas – daugiastandartė įranga. Dviejų standartų nuolatinės srovės įkrovikliai (CCS1 + CCS2, CCS + CHAdeMO ir vis dažniau NACS) leidžia vienam produktui aptarnauti kiekvieną regioną, o adapterių ekosistemos plečia senesnes transporto priemones. Vartotojams pamoka paprastesnė: rinkitės transporto priemones ir įkroviklius, kurie palaiko tinklų, kuriuos iš tikrųjų naudosite, standartus, ir tikėkitės, kad pramonės konvergencija NACS srityje Šiaurės Amerikoje ir CCS2 Europoje kasmet sumažins suderinamumo problemą.

Pastaba apie saugos sertifikavimą

Už kištuko formos slypi inžinerijos sluoksnis, kurio vartotojai niekada nemato, bet kiekvienas montuotojas privalo laikytis: sertifikavimas. 1 tipo įranga Šiaurės Amerikoje turi UL 2594 / UL 2594-1 ir CSA sąrašus, o 2 tipo įranga turi atitikti IEC 61851-1 ir, komerciniams įrenginiams, IEC 62196-2 komponentų sertifikatus Europoje. CE ženklas, UKCA ir vis dažniau vietinių tinklo kodeksų atitiktis (pvz., VDE-AR-N 4100 Vokietijoje) lemia, ar įkroviklį galima teisėtai prijungti prie tinklo. Operatoriai, tiekiantys įrangą keliems regionams, turėtų reikalauti sertifikatų, atitinkančių kiekvieną įrengimo jurisdikciją – reikalavimas, kuris neproporcingai suteikia pirmenybę gamintojams, kurie testuoja ir sertifikuoja kiekvieną regioninį variantą, o ne iš naujo ženklina vieną dizainą.

Svarbiausios išvados

• 1 tipas (J1772) atspindi vienfazę Šiaurės Amerikos infrastruktūrą; 2 tipas (IEC 62196-2) atspindi trifazę Europos infrastruktūrą.
• Penkių kontaktų 1 tipo ir septynių kontaktų 2 tipo konstrukcijos remiasi ta pačia CP/PP signalizacijos logika, todėl elektrinė „kalba“ naudojama net ir tada, kai geometrija skiriasi.
• 2 tipo trifazis jungimas leidžia naudoti daug didesnę kintamosios srovės galią, o 1 tipo paprastumas sumažina kainą ir sudėtingumą.
• OCPP pagrįstas tinklo valdymas ir daugiastandartė aparatinė įranga leidžia hibridinio įkrovimo pasaulį valdyti operatoriams ir sklandų vairuotojams.

„MIDA Power“ gamina įkroviklius hibridiniam pasauliui: kintamosios ir nuolatinės srovės sistemas, CCS1/CCS2/CHAdeMO/NACS jungčių parinktis ir su OCPP suderinamą tinklo programinę įrangą, kuri valdo bet kokį standartų derinį iš vieno valdymo skydelio. Susisiekite su mūsų komanda dėl suderinamumo rekomendacijų, techninių specifikacijų ir jūsų regiono infrastruktūrai pritaikytos kainos pasiūlymo.