Pasaulinio elektromobilių įkrovimo dekodavimas: CCS ir CHAdeMO, V2G evoliucija ir ChaoJi standartai

Pasaulinės elektromobilių įkrovimo aplinkos dekodavimas: išsami techninė CCS ir CHAdeMO protokolų, ISO 15118 ir CAN magistralės ryšio, V2G evoliucijos ir ChaoJi standarto atsiradimo analizė.

1. Įvadas: nuolatinės srovės greitojo įkrovimo evoliucija ir standartizacijos siekis

Perėjimas prie elektromobilumo yra ne tik automobilių varymo sistemos pokytis, bet ir esminis energijos paskirstymo bei vartotojų elgsenos pertvarkymas. Šio perėjimo pagrindas yra įkrovimo infrastruktūra, o ypač technologijos, leidžiančios naudoti nuolatinės srovės (DC) greitąjį įkrovimą (DCFC). Elektromobiliams (EV) iš nišinių eksperimentinių projektų pereinant prie įprastų transporto sprendimų, greito, patikimo ir standartizuoto įkrovimo poreikis tapo itin svarbus. Tačiau standartizacijos kelias toli gražu nebuvo tiesinis. Pramonę apibrėžė daugiametė konkurencija tarp dviejų pagrindinių architektūrų: kombinuotos įkrovimo sistemos (CCS) ir CHAdeMO standarto.

Šiuolaikinių elektromobilių atsiradimo pradžioje – maždaug XXI a. pabaigoje ir XXI a. pradžioje – vyravo „Laukiniai Vakarai“, kupini patentuotų ir ankstyvosios stadijos standartų. 2010 m. pristatytas „Nissan LEAF“ propagavo Japonijoje kilusį CHAdeMO standartą. Sukurta CHAdeMO asociacijos (TEPCO, „Nissan“, „Mitsubishi“ ir kitų koalicijos), tai buvo pirmoji plačiai pasaulyje naudojama nuolatinės srovės greitojo įkrovimo sistema. CHAdeMO pasiūlė tvirtą, dvikryptę platformą, kuri ryšiui naudojo valdiklio srities tinklo (CAN) magistralę – protokolą, jau giliai įsitvirtinusį automobilių inžinerijoje.

Ir atvirkščiai, Europos ir Amerikos gamintojai siekė labiau integruoto požiūrio. Užuot turėję atskirus prievadus kintamosios ir nuolatinės srovės įkrovimui, kaip tai darė CHAdeMO transporto priemonės, jie pasiūlė kombinuotą įkrovimo sistemą (CCS). CCS naudojo „Combo“ jungtį, kuri prie esamų kintamosios srovės standartų (1 tipo Šiaurės Amerikoje ir 2 tipo Europoje) pridėjo nuolatinės srovės kontaktus. Be fizinės jungties, CCS pasirinko gerokai kitokį ryšio kelią: elektros linijos ryšį (PLC), pagrįstą ISO 15118 ir DIN 70121 standartais.

Dėl šio architektūrinio skirtumo rinka buvo susiskaldžiusi. Daugiau nei dešimtmetį elektromobilių vairuotojai, įkrovimo stotelių operatoriai (CPO) ir automobilių gamintojai lavino sudėtingą aplinką, kurioje transporto priemonių suderinamumas priklausė nuo geografinės padėties ir gamintojo pageidavimų. Konkurencija tarp CCS ir CHAdeMO vyksta ne tik dėl kištuko formos; tai komunikacijos filosofijų, grandinių topologijų ir geopolitinės įtakos kova.

Žvelgiant į 2030-uosius, situacija vėl keičiasi. Atsiradus Šiaurės Amerikos įkrovimo standartui (NACS), kuris iš esmės perima CCS ryšio protokolą kitokia forma, ir kuriant naujos kartos „ChaoJi“ standartą, pramonė juda link galimo, nors ir nelengvo, konvergencijos. Šiame straipsnyje pateikiama išsami techninė CCS ir CHAdeMO skirtumų analizė, nagrinėjamos jų ryšio stekų detalės, jungčių fizika, rinkos jėgos, skatinančios jų evoliuciją, ir itin didelės galios įkrovimo ateitis.

2. Ryšio protokolai: ISO 15118 (PLC) ir CHAdeMO (CAN)

Svarbiausias techninis skirtumas tarp CCS ir CHAdeMO yra tai, kaip transporto priemonė (EV) ir elektromobilių tiekimo įranga (EVSE) bendrauja tarpusavyje. Šis ryšys yra labai svarbus saugai valdyti, akumuliatoriaus būsenai tikrinti, įtampos ir srovės lygiams derinti bei atsiskaitymo informacijai tvarkyti.

2.1 CHAdeMO metodas: CAN magistralės ryšys

„CHAdeMO“ naudoja valdiklio srities tinklo (CAN) magistralės protokolą. Automobilių inžinerijos kontekste CAN yra „lingua franca“. Ją devintajame dešimtmetyje sukūrė „Bosch“, kad būtų užtikrintas patikimas, triukšmui atsparus ryšys tarp elektroninių valdymo blokų (ECU) transporto priemonėje. „CHAdeMO“ naudoja specialią CAN porą įkrovimo kabelyje, kad palengvintų ryšį tarp įkroviklio ir automobilio.

CHAdeMO protokolas yra gana paprastas. Jis vykdo griežtai apibrėžtą signalų seką. Įjungus CHAdeMO kištuką, fizinis 12 V signalas inicijuoja procesą. Tada automobilis ir įkroviklis per CAN magistralę apsikeičia pagrindine informacija, pavyzdžiui, maksimalia įtampa, kurią gali priimti akumuliatorius, ir maksimalia srove, kurią gali tiekti įkroviklis. Kadangi CAN yra mažo delsos laiko, realaus laiko protokolas, CHAdeMO gali labai greitai reaguoti į akumuliatoriaus būsenos pokyčius arba saugos pertraukimus.

Vienas iš reikšmingų CHAdeMO/CAN architektūros privalumų yra jos būdingas dvikrypčio energijos srauto (V2G/V2H) palaikymas. Kadangi ryšys pagrįstas paprastais, tiksliai apibrėžtais CAN ID, transporto priemonės ir elektros tinklo funkcijų įdiegimas buvo įmanomas beveik nuo pat pradžių. CHAdeMO leidžia įkrovikliui prašyti energijos iš automobilio akumuliatoriaus, taip palengvinant dažnio reguliavimą ir atsarginį energijos tiekimą namuose.

2.2 CCS metodas: PLC ir ISO 15118

CCS taiko daug sudėtingesnį metodą, naudodamas elektros linijų ryšį (PLC). Tiksliau, CCS naudoja „HomePlug Green PHY“ standartą aukšto dažnio duomenims perduoti per jungties „Control Pilot“ (CP) kontaktą. Šie duomenys tada interpretuojami per ISO 15118 ir DIN 70121 standartų prizmę.

Kodėl verta rinktis PLC, o ne CAN? Pagrindinė priežastis – ateities perspektyvos ir duomenų talpa. ISO 15118 buvo sukurtas ne tik pagrindiniam įkrovimo valdymui, bet ir kaip išsami skaitmeninio ryšio sistema. Jis palaiko pažangias funkcijas, tokias kaip „Plug & Charge“, kai transporto priemonė automatiškai identifikuoja save ir tvarko mokėjimus, nereikalaujant RFID kortelės ar mobiliosios programėlės. Norint palaikyti šioms funkcijoms reikalingą šifravimą ir sudėtingas duomenų struktūras, buvo nuspręsta, kad reikalingas didesnis pralaidumas nei įprasta CAN magistralė.

Tačiau PLC naudojimas yra labai sudėtingas. Kadangi CP išvestis taip pat naudojama pagrindiniam impulsų pločio moduliacijos (PWM) signalui (perkėlimui iš J1772 AC įkrovimo standarto), PLC signalas turi būti uždėtas ant šio analoginio signalo. Tam reikalingi sudėtingi siųstuvai-imtuvai ir filtrai, siekiant užtikrinti, kad didelio galingumo nuolatinės srovės įkrovimo proceso keliamas elektrinis triukšmas neiškraipytų ryšio. „Paspaudimo“ procesas CCS yra pastebimai lėtesnis nei CHAdeMO, nes sistema turi užmegzti tinklo ryšį, vykdyti IP pagrindu veikiantį ryšį (TCP/IPv6) ir keistis XML pagrindu sukurtais pranešimais.

2.3 Protokolų palyginimo santrauka

CAN ir PLC kompromisas yra paprastumo ir galimybių skirtumas. CHAdeMO CAN pagrindu sukurta sistema yra greita, patikima ir gana lengvai įdiegiama, tačiau jai trūksta sudėtingos, sluoksniuotos ryšio architektūros, reikalingos sklandžiam ir saugiam pasauliniam tarptinkliniam ryšiui ir aukšto lygio duomenų mainams. CCS ISO 15118/PLC sistema yra galingas, įmonės lygio ryšio paketas, leidžiantis naudoti pažangias išmaniųjų tinklų funkcijas, tačiau tai kainuoja didesnį aparatinės įrangos sudėtingumą ir trapesnę fizinio sluoksnio ryšio aplinką.

3. Pagrindinė grandinės topologija ir galios elektronika

CCS ir CHAdeMO skirtumai apima ne tik programinę įrangą ir ryšį, bet ir pagrindinę įkrovimo proceso elektros architektūrą. Abi sistemos siekia tiekti aukštos įtampos nuolatinę srovę tiesiai į akumuliatorių, apeidamos transporto priemonės integruotą kintamosios-nuolatinės srovės keitiklį, tačiau jos skirtingai tvarko galios elektroniką ir saugos izoliaciją.

3.1 Rankos paspaudimas ir saugos kilpos

Nuolatinės srovės greitojo įkrovimo atveju EVSE iš esmės yra didelės galios nuolatinės srovės maitinimo šaltinis, kurį valdo transporto priemonė. Šios sistemos saugumas priklauso nuo perteklinių aparatinės ir programinės įrangos blokavimų.

CHAdeMO topologija:CHAdeMO įkrovimo grandinės būsenai valdyti naudoja fizinių kontaktorių ir 12 V signalo linijų seriją. Seka yra tokia:

1. Fizinis ryšys ir aptikimas.
2. 12 V pasisveikinimo signalas iš EV į EVSE.
3. Prasideda CAN magistralės ryšys.
4. EVSE atlieka izoliacijos bandymą, kad įsitikintų, jog kabelyje ar jungtyje nėra įžeminimo gedimų.
5. Transporto priemonė uždaro savo vidinius nuolatinės srovės kontaktorius.
6. EVSE pradeda tiekti srovę.

CHAdeMO grandinė sukurta taip, kad būtų „apsaugota nuo gedimų“ aparatinės įrangos lygmeniu. Jei 12 V signalas dingsta, EVSE turi nedelsdamas nutraukti energijos tiekimą.

CCS topologija:CCS naudoja labiau integruotą topologiją, pagrįstą kintamosios srovės įkrovimo standartais. Jame naudojami valdymo piloto (CP) ir artumo piloto (PP) kontaktai.

1. PP kaištis rodo, kad kištukas įkištas ir skląstis uždarytas.
2. CP kaištis naudoja PWM signalą, kad nurodytų EVSE būseną ir dabartinę talpą.
3. PLC ryšys užmezgamas per CP liniją.
4. Skaitmeninės derybos vyksta pagal ISO 15118 standartą.
5. Atliekamas izoliacijos stebėjimas.
6. Nuolatinės srovės kontaktoriai yra uždaryti.

CCS sistemoje perėjimas nuo kintamosios srovės prie nuolatinės srovės įkrovimo atliekamas naudojant tą pačią „Control Pilot“ logiką, todėl gamintojams lengviau kurti transporto priemones, kurios palaiko abiejų tipų įkrovimą per vieną vieningą prievadą.

3.2 Galios lygiai ir terminės ribos

Įkrovimo stoties galios elektronika turi galėti dinamiškai moduliuoti įtampą ir srovę.

• CHAdeMO:Istoriškai CHAdeMO buvo ribojama iki 50 kW (500 V, 125 A). Nors standartas buvo atnaujintas (CHAdeMO 2.0) ir palaiko iki 400 kW, labai nedaug transporto priemonių ar įkroviklių įdiegė šiuos aukštesnius lygius. Apribojimas dažnai būna terminis; be aktyvaus skysčio aušinimo kabelyje CHAdeMO jungčiai sunku išlaikyti daugiau nei 200 A srovę dėl kontaktinės varžos.
• CCS:CCS buvo sukurtas galvojant apie aukštesnes lubas. Naudodama skysčiu aušinamus kabelius ir jungtis, CCS2 (europietiška versija) gali palaikyti iki 500 A srovę ir iki 1000 V įtampą, todėl galimas 350 kW ir didesnis įkrovimo greitis. CCS architektūra, ypač 2 tipo formato, suteikia geresnį paviršiaus plotą didelės srovės nuolatinės srovės kontaktams, taip sumažinant sąsajoje susidarančią šilumą.

3.3 Izoliacijos stebėjimas ir įžeminimas

Svarbus nuolatinės srovės grandinės topologijos aspektas yra izoliacijos stebėjimo sistema (IMS). Kadangi nuolatinės srovės greitojo įkrovimo įtampa gali viršyti 800 V, sistema turi nuolat stebėti varžą tarp teigiamų / neigiamų nuolatinės srovės bėgelių ir važiuoklės įžeminimo.

• CHAdeMO įkrovikliai paprastai turi integruotą IMS, kuri išjungia maitinimo pakopą, jei izoliacijos varža nukrenta žemiau tam tikros ribos (paprastai 100 omų voltui).
• CCS sistemoms taip pat reikalingas izoliacijos stebėjimas, tačiau kadangi PLC ryšys vyksta CP kaištyje (kuris yra susietas su įžeminimu), kyla teorinė interferencijos rizika tarp aukštos įtampos nuolatinės srovės bėgių ir ryšio signalo, jei izoliacija bus pažeista. Norint tai sumažinti, reikalingas pažangus CCS įrangos filtravimas.

3.4 Dvikryptė galios elektronika

Dvipusio įkrovimo grandinės topologija iš esmės yra sudėtingesnė. Jai reikalingas keitiklis EVSE (arba automobilyje), kuris galėtų sinchronizuotis su tinklo kintamosios srovės dažniu.

• CHAdeMO:Standartas apibrėžia V2X (Vehicle to Everything) protokolą CAN lygmeniu, leidžiantį išoriniam įkrovikliui veikti kaip keitiklio. Tai supaprastina automobilio elektroniką, bet padaro „V2G įkroviklį“ brangesnį.
• CCS:ISO 15118-20 standartas (naujausia versija) pagaliau suteikia tvirtą dvikryptį CCS palaikymą. Tačiau norint tai įgyvendinti, reikia atlikti didelius transporto priemonės borto galios elektronikos ir PLC ryšio sistemos pakeitimus, todėl V2G funkcijų diegimas su CCS suderinamuose automobiliuose bus lėtesnis, palyginti su CHAdeMO atitikmenimis.

[Tęsinys bus pateiktas kitame atnaujinime...]

4. Jungčių inžinerija: mechaninis stiprumas, šilumos valdymas ir saugos bandymai

Fizinė sąsaja tarp elektromobilio ir įkroviklio yra tiksliosios inžinerijos šedevras. Ji turi atlaikyti šimtus kilovatų galios, tūkstančius prijungimo ciklų ir ekstremalias oro sąlygas, tuo pačiu išlikdama saugi paprastam vartotojui. CCS ir CHAdeMO jungčių projektavimo filosofija atspindi du skirtingus šių iššūkių sprendimo būdus.

4.1 Mechaninė konstrukcija ir fiksavimo mechanizmai

Nuolatinės srovės greito įkrovimo jungtis yra ne tik kištukas; tai užrakinta, aukštos įtampos sąsaja.

• CHAdeMO jungtis:CHAdeMO kištukas žinomas dėl savo gana didelės, apvalios formos ir mechaninio fiksavimo svirties. Jame naudojama eilė kontaktų tiek maitinimui, tiek signalui. Svarbiausias CHAdeMO dizaino bruožas yra tas, kad fiksavimo mechanizmas dažnai yra integruotas į pačią jungtį. Kai vartotojas paspaudžia gaiduką ir įkiša kištuką, mechaniniai blokatoriai užtikrina, kad jo negalima ištraukti, kol teka srovė. Kontaktai yra sukurti taip, kad būtų „apgaubti“, kad būtų išvengta atsitiktinio kontakto, o jungtis sukurta taip, kad atlaikytų didelius kritimus ir smūgius.
• CCS jungtis (1 ir 2 jungtys):CCS jungtis yra 1 tipo (J1772) ir 2 tipo (Mennekes) kintamosios srovės kištukų evoliucija. Po kintamosios srovės kontaktų rinkiniu joje yra du dideli nuolatinės srovės maitinimo kontaktai. Skirtingai nuo CHAdeMO, CCS fiksavimo mechanizmas paprastai yra transporto priemonės įkrovimo prievado viduje, o ne jungtyje. Automobilyje esantis elektromagnetinis pavaros mechanizmas suspaudžia jungties įpjovą, kad ją laikytų vietoje. Tai leidžia sukurti elegantiškesnį jungties dizainą, tačiau mechaninio patikimumo našta tenka transporto priemonės gamintojui.

4.2 Mechaninio stiprumo ir ilgaamžiškumo bandymai

Abiem standartams taikomi griežti bandymų protokolai, tokie kaip apibrėžti IEC 62196. Šie bandymai apima:

• Įdėjimo ir ištraukimo jėga:Jungtis turi būti pakankamai lengva, kad žmogus galėtų ją įjungti, tačiau pakankamai tvirta, kad kontaktinė varža būtų maža. Laikui bėgant, sidabruoti kontaktai gali susidėvėti, padidės varža ir įkais.
• Smūgio bandymas:Tiek CCS, tiek CHAdeMO jungtys yra išbandytos, siekiant nustatyti, ar jos atlaiko transporto priemonės pervažiavimą. Korpusas neturi įtrūkti taip, kad matytųsi aukštos įtampos komponentai.
• Atsparumas smūgiams:Jungtys kelis kartus krenta iš vieno metro aukščio ant betoninių grindų, siekiant užtikrinti, kad vidinė izoliacija ir mechaniniai komponentai liktų nepažeisti.

4.3 Šilumos valdymas: didelės srovės iššūkis

Karštis yra greito įkrovimo priešas. Didėjant srovei (I), susidaranti šiluma (P = I²R) auga eksponentiškai.

• Pasyvus aušinimas:Ankstyvieji 50 kW įkrovikliai naudojo storus varinius kabelius, kurie rėmėsi pasyviu išsklaidymu. Tai apribojo srovę iki maždaug 125 A arba 150 A.
• Aktyvus skysčio aušinimas:Siekdamos pasiekti 350 kW (500 A), CCS sistemos pirmoji sukūrė skysčiu aušinamus kabelius. Aušinimo skystis (dažnai vandens ir glikolio mišinys arba specializuota dielektrinė alyva) cirkuliuoja per kabelį iki pat kontaktinių kaiščių galo. Tai leidžia pagaminti plonesnį, lankstesnį kabelį, tuo pačiu valdant didelę šilumos apkrovą.
• CHAdeMO terminis kelias:Nors „CHAdeMO 2.0“ palaiko aušinimą skysčiu, vėlesnis standarto atsiradimas dėl didelės galios įkrovimo reiškė, kad dauguma esamų „CHAdeMO“ infrastruktūros yra įstrigusios ties 50–100 kW galia. „CHAdeMO“ kištuko vidinis išdėstymas su daugybe mažų signalinių kontaktų aplink maitinimo kontaktus apsunkina aušinimą skysčiu, palyginti su labiau atskirtu „CCS Combo“ jungties išdėstymu.

4.4 Apsauga nuo aplinkos poveikio (IP apsaugos klasės)

Įkrovimo stotelės yra veikiamos lietaus, sniego ir dulkių. Dauguma jungčių yra IP54 arba aukštesnės apsaugos klasės. Svarbus skirtumas yra tai, kaip jos reaguoja į drėgmę, kai...atjungtas nuo elektros tinkloCCS jungtys dažnai turi išleidimo angas, kad vanduo nesikauptų kintamosios srovės lizduose, o tvirta CHAdeMO gaubtų ir dangtelių sistema sukurta taip, kad visas jungties paviršius būtų sausas.

5. Elektromobilių standartų geopolitika: kova dėl pasaulinio dominavimo

CCS ir CHAdeMO istorija yra tiek pat svarbi tiek tarptautinei prekybai ir regioniniam protekcionizmui, tiek inžinerijai. Įkrovimo standarto pasirinkimas turi didžiulę įtaką šalies energetiniam saugumui ir šalies automobilių gamintojų konkurencingumui.

5.1 Europos tvirtovė: CCS2

Europos Sąjunga buvo lemiamas žaidėjas „Standartų karuose“. Įgaliodama naudoti 2 tipo jungtį kintamosios srovės įkrovimui ir CCS2 jungtį nuolatinės srovės įkrovimui, ES užtikrino vieningą rinką. Tai privertė Japonijos ir Amerikos gamintojus prisitaikyti. Net „Tesla“, kuri ilgą laiką JAV naudojo patentuotą jungtį, Europoje perėjo prie CCS2 „Model 3“ ir „Model Y“ modeliams. ES sprendimą lėmė noras užtikrinti sąveikumą tarpvalstybiniu mastu ir pirmenybė lankstesniam PLC/ISO 15118 ryšio paketui, kuris atitiko jų „Išmaniojo tinklo“ veiksmų planą.

5.2 Japonų pozicija: CHAdeMO ištakos

Japonijos įsipareigojimas CHAdeMO buvo jos lyderystės ankstyvojoje elektromobilių rinkoje pratęsimas. Turėdama pirmąjį masinės gamybos elektromobilį („LEAF“) Japonija kontroliavo ankstyvojo įkrovimo naratyvą. Tačiau keičiantis pasaulinei rinkai, Japonija atsidūrė vis labiau izoliuota. Reaguodamas į tai, ji sukūrė „ChaoJi“ – bendradarbiaujant su Kinija, siekiant sukurti naujos kartos standartą, kuris galiausiai pakeistų ir CHAdeMO, ir Kinijos GB/T standartą.

5.3 Šiaurės Amerikos sudėtingumas: CCS1 ir NACS

Šiaurės Amerikoje situacija buvo suskaidyta. „Ford“, „GM“ ir kiti pritaikė CCS1 (1 tipo derinį). Tuo tarpu „Tesla“ sukūrė sėkmingiausią pasaulyje įkrovimo tinklą, naudodama savo patentuotą jungtį. Šokiruojančiu įvykių posūkiu 2023 m. pramonė pasikeitė. „Ford“ paskelbė, kad pritaikys „Tesla“ jungtį, pervadintą į Šiaurės Amerikos įkrovimo standartą (NACS). Svarbiausia, kad NACS naudoja...tas patsISO 15118 PLC ryšio protokolas kaip CCS. Taigi, nors kištuko forma keitėsi, sistemos „smegenys“ išliko suderinamos su CCS. Tai iš esmės pažymėjo CHAdeMO kelio pabaigą JAV rinkoje, nes net ir paskutinis konkurentas („Nissan“) pradėjo pereiti prie naujos kartos.

5.4 Kinijos suverenus kelias: GB/T

Kinija, didžiausia pasaulyje elektromobilių rinka, pasirinko savo kelią su GB/T standartu. Kaip ir CHAdeMO, GB/T naudoja CAN magistralės ryšį, tačiau turi kitokią fizinę kontaktų išdėstymo schemą. Dėl didelės Kinijos rinkos apimties GB/T pagal prievadų skaičių yra plačiausiai naudojamas standartas pasaulyje. Tačiau Kinijos dalyvavimas „ChaoJi“ projekte rodo norą siekti pasaulinio suderinamumo ir itin didelės galios galimybių, kurių dabartinis GB/T standartas negali lengvai pasiekti.

6. Transporto priemonės įkrovimo iš elektros tinklo (V2G) galimybės: dvikrypčio įkrovimo potencialas

„Vehicle-to-Grid“ (V2G) technologija leidžia elektromobiliams veikti kaip milžiniškoms mobilioms baterijoms, tiekiančioms energiją atgal į tinklą esant didžiausiai paklausai arba teikiančioms atsarginę energiją namams (V2H).

6.1 CHAdeMO pranašumas

Metų metus, jei norėjote V2G, pirkdavote CHAdeMO transporto priemonę. Kadangi CAN magistralės ryšys nuo pat pirmos dienos buvo paprastas ir dvikryptis, CHAdeMO įkrovikliai galėjo lengvai tiekti energiją iš automobilio. „Nissan LEAF“ V2G bandomuosiuose projektuose visame pasaulyje naudojamas jau daugiau nei dešimtmetį. Protokolas (CHAdeMO V2X) yra brandus ir gerai dokumentuotas.

6.2 CCS kova ir ISO 15118-20

CCS pavėlavo prisijungti prie V2G. Originalus ISO 15118-2 standartas neturėjo tvirtos dvikrypčio energijos srauto palaikymo. Tik išleidus ISO 15118-20, CCS ekosistema turėjo standartizuotą būdą tvarkyti sudėtingas V2G reikalingas derybas, pvz., tinklo sinchronizavimo duomenis ir iškrovimo ribas. -20 įdiegimas yra techniškai sudėtingas, nes reikia naujos įrangos tiek transporto priemonėje, tiek įkroviklyje. Nors CCS vejasi, CHAdeMO palikimas šioje srityje išlieka stipriu argumentu, kodėl jį galima toliau naudoti konkrečiuose transporto priemonių parkuose ir komunalinėse programose.

6.3 V2G ekonomika

Techninis skirtumas taip pat turi įtakos kainai. CHAdeMO V2G sistemoje brangus nuolatinės srovės ir kintamosios srovės keitiklis paprastai yra įkrovimo stotelėje. Tai sumažina automobilio kainą, tačiau įkroviklis yra labai brangus (dažnai viršija 10 000 USD). CCS gamintojai tyrinėja tiek „DC V2G“ (panašų į CHAdeMO), tiek „AC V2G“, kur automobilio įkroviklis atlieka inversiją. Pastarasis variantas galėtų gerokai sumažinti namų V2H sistemų kainą, tačiau tam reikalinga daug tvirtesnė transporto priemonės įranga.

7. Rinkos dalies evoliucija: CCS iškilimas ir CHAdeMO nišos išlikimas

Jei pažvelgsime į 2015 ir 2024 m. duomenis, tendencija aiški: CCS laimėjo kovą dėl pagrindinės rinkos, o CHAdeMO daugumoje regionų už Japonijos ribų perėjo į palikimo arba nišinės paramos fazę.

7.1 Lūžio taškas

CHAdeMO nuosmukį galima sieti su keliais pagrindiniais veiksniais:

1. Gamintojo atsisakymas:Kai „Volkswagen“, BMW, o vėliau ir „Ford“ bei „GM“ įsipareigojo CCS, CHAdeMO likimas Vakaruose buvo užantspauduotas.
2. Infrastruktūros paskatos:Vyriausybės subsidijos JAV ir Europoje (pvz., NEVI programa JAV) vis dažniau teikė pirmenybę CCS, todėl CPO buvo mažiau pelninga montuoti CHAdeMO kištukus.
3. Galios apribojimai:Dėl to, kad dauguma CHAdeMO infrastruktūros įrenginių negali viršyti 50 kW galios, jie tapo mažiau patrauklūs šiuolaikinių elektromobilių su dideliais akumuliatorių blokais, galinčiais atlaikyti daugiau nei 150 kW galią.

7.2 Nišos išlikimas

Nepaisant nuosmukio, CHAdeMO nėra miręs. Milijonai CHAdeMO įrengtų transporto priemonių vis dar važinėja keliais. Tokiose rinkose kaip JK ir Japonija CHAdeMO išlieka gyvybiškai svarbia viešojo tinklo dalimi. Be to, sunkiųjų transporto priemonių ir autobusų pasaulyje kai kurie gamintojai vis dar renkasi CAN pagrindu sukurtą CHAdeMO paprastumą dėl jo patikimumo ir V2G parengties.

7.3 Duomenų analizė: prievadai pagal standartą

Naujausios rinkos ataskaitos rodo, kad Europoje CCS2 prievadų skaičius dabar viršija CHAdeMO prievadų skaičių daugiau nei 10 kartų. Šiaurės Amerikoje perėjimas dar dramatiškesnis – daugelis naujų stočių visiškai atsisako CHAdeMO ir renkasi dvigubas CCS/NACS konfigūracijas. CHAdeMO „ilgoji uodega“ greičiausiai išliks dar dešimtmetį, tačiau jo, kaip dominuojančio pasaulinio standarto, era jau praėjo.

[Tęsinys bus pateiktas kitame atnaujinime...]

8. Tarpusavio adapteriai ir sąveikumo iššūkiai: „Spragos mažinimo“ fizika

Pasauliui pereinant prie kelių dominuojančių standartų, daugeliui elektromobilių savininkų kyla milijono dolerių vertės klausimas: „Ar galiu naudoti adapterį?“ Atsakymas yra techniškai sudėtingas ir apima daugiau nei vien fizinį kontaktų perskirstymą.

8.1 Paprastas atvejis: kintamosios srovės adapteriai

Prisitaikymas prie vieno kintamosios srovės standarto (pvz., nuo 1 tipo prie 2 tipo) yra gana paprastas. Tai „nepaprasti“ adapteriai, kurie tiesiog nukreipia varinius laidus. Ryšio protokolas (PWM signalizacija) yra identiškas visose J1772 ir „Mennekes“ pagrindu sukurtose kintamosios srovės sistemose.

8.2 Sudėtingas atvejis: nuolatinės srovės adapteriai

Nuolatinės srovės adapteriai, tokie kaip „Tesla-to-CHAdeMO“ arba „CCS1-to-NACS“ adapteriai, yra daug sudėtingesni.

• Protokolo vertimas:Adapteriui prisitaikant tarp dviejų skirtingų komunikacijos kalbų (pvz., CHAdeMO automobilis bando naudoti CCS įkroviklį), adapteryje turi būti aktyvus mikrovaldiklis. Šis lustas veikia kaip „vertėjas“, klausantis CAN magistralės signalų iš automobilio ir generuojantis atitinkamus PLC/ISO 15118 signalus įkrovikliui. Dėl to atsiranda delsa ir gali kilti gedimo pavojus.
• Terminis stebėjimas:Kadangi adapteriuose yra papildomų kontaktų, jie linkę perkaisti. Aukštos kokybės nuolatinės srovės adapteris turi turėti savo vidinius temperatūros jutiklius, kurie galėtų signalizuoti automobiliui sumažinti srovę, jei jungtis per daug įkaista.
• Įtampos lankas ir sauga:Greitasis nuolatinės srovės įkrovimas apima aukštą įtampą. Jei naudotojas bandys atjungti adapterį, kai teka srovė, gali susidaryti galingas elektros lankas, kuris gali sugadinti įrangą arba sukelti sužalojimų. Adapteriai turi turėti mechaninius arba elektroninius blokavimo mechanizmus, kurie sinchronizuotųsi su transporto priemonės komanda „sustabdyti įkrovimą“.

8.3 Teslos/NACS perėjimas

Sėkmingiausias nuolatinės srovės adapterių diegimas buvo „Tesla“ „Magic Dock“ ir jos atskiri CCS-Tesla adapteriai. Kadangi NACS naudoja CCS ryšio protokolą, šie adapteriai techniškai yra „pasyvūs“ logikos požiūriu, tačiau jiems vis tiek reikalingas itin aukštos kokybės šilumos valdymas ir fiziniai fiksavimo mechanizmai, kad būtų galima valdyti 250 kW ir didesnį įkrovimo greitį.

9. ChaoJi standartas: tiltas į pasaulinę harmonizaciją ir itin didelę galią

Pripažindamos dabartinių CHAdeMO ir GB/T standartų apribojimus, CHAdeMO asociacija ir Kinijos elektros taryba (CEC) suvienijo jėgas, kad sukurtųChaoJi(taip pat žinomas kaip CHAdeMO 3.0).

9.1 Projektavimo tikslai: daugiau nei 500 kW

„ChaoJi“ sukurtas ateičiai. Pagrindinis jo tikslas – palaikyti itin didelės galios įkrovimą – iki 900 kW (1500 V ir 600 A). Jis skirtas sunkiųjų sunkvežimių ir autobusų rinkai, kur 500 kWh akumuliatorių bloko įkrovimas per 20 minučių yra eksploatavimo efektyvumo reikalavimas.

9.2 Techninė architektūra

• Atgalinis suderinamumas:Viena įspūdingiausių „ChaoJi“ savybių yra atgalinis suderinamumas. Jungtis sukurta taip, kad adapteriai galėtų lengvai prijungti „ChaoJi“ transporto priemones prie esamų CHAdeMO, GB/T ir net CCS įkroviklių.
• Supaprastinta jungtis:„ChaoJi“ kištukas yra gerokai mažesnis ir lengvesnis nei dabartinės „CHAdeMO“ arba „CCS Combo 2“ jungtys. Jame naudojamas naujas kontaktų išdėstymas, kuris optimizuoja srovės tankį ir sumažina įkišimui reikalingą jėgą.
• Pažangus valdymo pilotas:„ChaoJi“ pristato „dvigubo režimo“ ryšio strategiją. Ji gali palaikyti tiek tradicinę CAN magistralę (skirtą senesnėms sistemoms), tiek spartesnius skaitmeninius protokolus ateities programoms.
• Saugos funkcijos:„ChaoJi“ turi pažangias funkcijas, tokias kaip „įžeminimo nuotėkio jungiklis“ (ELCB) ir modernus drėgmės aptikimas jungties galvutėje, užtikrinantis saugumą net esant 1500 V įtampai.

9.3 Pasaulinės pasekmės

„ChaoJi“ yra potencialus standartų karų „atstatymo“ mygtukas. Jei jis bus plačiai pritaikytas Azijoje ir visame pasaulyje sunkiosioms transporto priemonėms, jis gali tapti faktiniu standartu viskam, kas yra didesni už lengvąjį automobilį, o CCS/NACS dominuoja plataus vartojimo transporto priemonių rinkoje.

10. Ateities perspektyvos: megavatų įkrovimas, kietojo kūno baterijos ir belaidė integracija

2024 m. technologijos tėra pradžia. Per ateinantį dešimtmetį įvyks trys svarbūs pokyčiai, kaip energiją perkelsime į transporto priemones.

10.1 Megavatų įkrovimo sistema (MCS)

Didžiausioms transporto priemonėms – 8 klasės sunkvežimiams, laivams ir net mažiems orlaiviams – net 350 kW yra per lėta. Megavatų įkrovimo sistema (MCS) – tai naujas standartas, skirtas iki 3,75 MW (3 000 A esant 1 250 V įtampai). MCS naudoja visiškai naują jungtį ir specializuotą ISO 15118 protokolo versiją. Ji pasiskolina PLC ryšį iš CCS, tačiau fizinę įrangą išplečia iki precedento neturinčio lygio.

10.2 Kietojo kūno baterijos ir įkrovimo kreivės

Šiandieninę „įkrovimo kreivę“ riboja ličio jonų akumuliatorių cheminės savybės. Akumuliatoriui pildantis, įkrovimo greitis turi sulėtėti, kad būtų išvengta pažeidimų. Kietojo kūno akumuliatoriai (SSB) žada tai pakeisti. SSB gali atlaikyti daug didesnius C dažnius, o tai reiškia, kad jie gali išlaikyti maksimalų įkrovimo greitį (pvz., 350 kW) nuo 0 % iki pat 80 % arba 90 % „SoC“. Tai sukels didžiulį spaudimą įkrovimo stotims, kad jos užtikrintų nuolatinę, didelę galią be šiluminio ribojimo.

10.3 Belaidis nuolatinės srovės įkrovimas

Nors daugiausia dėmesio skiriama kištukams, belaidis (indukcinis) įkrovimas bręsta. Statinis belaidis įkrovimas jau diegiamas viešojo transporto autobusuose. Kita sritis –dinamiškasBelaidis įkrovimas – kelio dangoje įmontuotos ritės, kurios įkrauna transporto priemonę jai važiuojant. Protokolo požiūriu, tai greičiausiai priklausys nuo modifikuotos ISO 15118 versijos, kurioje vietoj fizinio „Control Pilot“ laido bus naudojamas „Wi-Fi“ arba DSRC.

11. Techninė analizė: PLC ir CAN signalų vientisumas ir elektromagnetinis suderinamumas (EMS)

Inžinieriams pasirinkimas tarp PLC ir CAN dažnai diskutuojamas signalo vientisumo požiūriu.

11.1 CAN magistralės pranašumas

CAN yra diferencialinis signalas, o tai reiškia, kad jis iš esmės yra atsparus bendrojo režimo triukšmui. 300 kW nuolatinės srovės įkroviklio elektriškai triukšmingoje aplinkoje, kur greitas galios elektronikos perjungimas sukuria didžiulį elektromagnetinių trukdžių (EMI) kiekį, CAN magistralė veikia nepriekaištingai. Jai reikia paprastų susuktos poros laidų ir ją labai sunku „supainioti“.

11.2 PLC iššūkis

PLC („HomePlug Green PHY“) veikia 2 MHz–30 MHz dažnių diapazone. Tai tas pats dažnių diapazonas, kuriame daugelis nuolatinės srovės keitiklių skleidžia triukšmą. Kad PLC patikimai veiktų CCS įkroviklyje, inžinieriai turi įdiegti:

• Išplėstinis juostinio pralaidumo filtravimas:Norint izoliuoti ryšio signalą nuo maitinimo perjungimo triukšmo.
• Impedanso suderinimas:Įkrovimo kabelio varža kinta jam išvyniojant arba judinant, todėl gali atsispindėti PLC signalai ir prarasti duomenis.
• Klaidos taisymas:ISO 15118 standarte yra patikimas programinės įrangos lygio klaidų taisymas, skirtas susidoroti su retkarčiais dėl elektros šuolio atsirandančiais „prarastais paketais“.

Dėl šių techninių išlaidų CCS įkroviklių projektavimas ir sertifikavimas dažnai yra brangesnis nei CHAdeMO įkroviklių.

12. Išvada: Naršymas vieningoje elektromobilių infrastruktūros ateityje

CCS ir CHAdeMO konkurencija buvo esminis tvaraus transporto istorijos skyrius. Tai buvo kultūrų susidūrimas: pragmatiškas, CAN pagrįstas Japonijos patikimumas ir Vakarų pasaulio vizija apie sudėtingą, PLC valdomą išmaniųjų tinklų ekosistemą.

Baigdami šį gilų pasinėrimą, išryškėja kelios tiesos:

1. Konsolidacija neišvengiama:Rinka negali amžinai išlaikyti trijų ar keturių skirtingų nuolatinės srovės standartų. Šiaurės Amerikoje nugalėtojas yra NACS (pasinaudojanti CCS logika). Europoje karaliauja CCS2. Azijoje CHAdeMO ir GB/T susijungimas į „ChaoJi“ yra nauja jėgainė.
2. Programinė įranga yra nauja jungtis:Fiziniams adapteriams tampant vis dažnesniems ir patikimesniems,fiziniskištuko forma tampa mažiau svarbi neiprograminė įrangaprotokolas. ISO 15118/PLC dominavimas atrodo užtikrintas, nes jį priėmė net NACS ir MCS.
3. V2G yra geriausia programėlė:Perėjimas nuo „automobilio įkrovimo“ prie „tinklo balansavimo“ yra kitas didelis iššūkis. CHAdeMO parodė mums kelią, tačiau ateitis bus kuriama remiantis keičiamo dydžio, saugia ISO 15118 sistema.

Elektromobilių pramonei „Standartų karai“ baigiasi ne vienu pasauliniu nugalėtoju, o regionine harmonija. Nesvarbu, ar prijungiate CHAdeMO svirtį, ar elegantišką NACS jungtį, pagrindinis tikslas išlieka tas pats: greitas, efektyvus ir švarus energijos judėjimas, kuris skatintų ateities mobilumą. CCS ir CHAdeMO eros inžinerijos pamokos bus pagrindas kitam elektromobilių inovacijų amžiui.

Išplėstinis techninis priedas: ISO 15118 sluoksnių ir CHAdeMO CAN rėmelių lyginamoji analizė

Norėdami dar labiau iliustruoti šių technologijų gylį, panagrinėkime konkrečius OSI sluoksnius.

CHAdeMO komunikacijos paketas:

• Fizinis sluoksnis:CAN 2.0B (500 kbps), 12 V diskretiniai signalai.
• Duomenų ryšio sluoksnis:Standartiniai CAN kadrai su konkrečiais ID (pvz., 0×100 – EVSE būsena, 0×101 – EV būsena).
• Taikymo sluoksnis:Patentuotas CHAdeMO pranešimų rinkinys, griežtai nuoseklus.

CCS (ISO 15118) ryšio paketas:

• Fizinis sluoksnis:IEEE 1901 („HomePlug Green PHY“) per valdymo pilotą.
• Duomenų ryšio sluoksnis:Ethernet (MAC sluoksnis).
• Tinklo / transporto sluoksnis:IPv6, TCP, UDP.
• Sesijos / pristatymo sluoksnis:V2GTP (transporto priemonės ir tinklo perdavimo protokolas), XML/EXI (efektyvus XML mainai) kodavimas.
• Taikymo sluoksnis:Funkciniai pranešimai pagal ISO 15118-2/20 (pvz., „ChargeParameterDiscovery“, „PowerDelivery“).

CCS steko sudėtingumas yra daug didesnis nei CHAdeMO. ISO 15118 įgyvendinimui reikalinga visa operacinė sistema (dažniausiai „Linux“ versija arba sudėtinga RTOS), kad būtų galima tvarkyti tinklo steko darbą, o CHAdeMO galima įdiegti naudojant paprastą 8 bitų arba 16 bitų mikrovaldiklį. Šis skirtumas paaiškina, kodėl ankstyvieji CCS įkrovikliai turėjo daugiau „programinės įrangos klaidų“ ir sąveikumo problemų nei CHAdeMO įkrovikliai, tačiau tai taip pat paaiškina, kodėl CCS daug geriau tinka ateities kibernetinio saugumo iššūkiams.

Galutinė pagrindinių techninių skirtumų santrauka

Automobilių pasauliui artėjant prie nulinės emisijos ateities, šių standartų konvergencija, pasitelkiant tokias technologijas kaip „ChaoJi“ ir pritaikant ISO 15118 ryšio logiką, žymi tikrai pasaulinės elektromobilių ekosistemos pradžią. „Kištukų mūšis“ pagaliau užleidžia vietą „kištukų harmonijai“. „ChaoJi“ atstovaujama konvergencija, bendra ISO 15118 ryšio logikos DNR ir megavatų klasės sistemų (MCS) iškilimas reiškia, kad rytojaus įkrovikliai kalbės bendra kalba net ir turėdami skirtingus fizinius paviršius.

Ką „harmonija“ iš tikrųjų reiškia praktikoje

Tinklo operatoriams vieninga ateitis reiškia tris praktinius neabejotinumus:

• Protokolo konvergencija:ISO 15118-20 standartas bus V2G, „Plug & Charge“ ir išmaniojo įkrovimo pagrindas visuose jungčių standartuose. Įkroviklis, kuris šiandien atitinka ISO 15118 standartą, išliks programiškai aktualus dešimtmetį, net ir jungčių tobulėjimo metu.
• Fizinis sąveikumas:Dviejų jungčių skirstytuvai (CCS + NACS arba CCS + ChaoJi adapteriai) ir keičiamų jungčių moduliai reiškia, kad aparatinei įrangai nebereikia „statyti“ ant vieno standarto.
• Kinijos ir Japonijos sąjunga:Kinijos ir Japonijos standartizacijos institucijų bendradarbiavimas „ChaoJi“ projekte yra aiškiausias signalas, kad net istoriškai konkuruojantys standartai gali susijungti – „ChaoJi“ sukurta kaip pasaulinė nuolatinės srovės greitojo įkrovimo sąsaja, suderinama su GB/T, CHAdeMO ir CCS ekosistemomis per adapterius.

Strateginė išvada

„Kištukų mūšis“ pareikalavo milžiniškų inžinerinių ir rinkodaros pastangų, tačiau nugalėtojais visada buvo laikomos tos transporto priemonės ir tinklai, kurie išliko lankstūs. Standartai suartėja, nes fizikiniai principai yra bendri: kiekvienas standartas galiausiai tiekia nuolatinę srovę iš prie tinklo prijungto keitiklio į akumuliatorių, o ryšio sluoksniai susilieja aplink ISO 15118. Skiriamasis veiksnys nebėra tai, kurią jungtį jungia įkroviklis, o tai, kaip gerai jis įkrauna – energijos tiekimo nuoseklumas, efektyvumas, veikimo laikas ir kibernetinis saugumas.

V2G dividendas

Ši konvergencija nėra vien kosmetinė – ji atveria didžiausią neišnaudotą pramonės vertės srautą: transporto priemonių ir elektros tinklų jungtį. ISO 15118-20 yra pirmasis pasaulinis standartas, apibrėžiantis dvikryptį energijos perdavimą, V2G tarifus ir saugų „Plug & Charge“ autentifikavimą vienoje darnioje sistemoje. Kai CCS2 įkroviklis ir NACS įkroviklis kalba ta pačia ISO 15118 kalba, Europos ir Šiaurės Amerikos transporto priemonės gali dalyvauti tose pačiose paklausos valdymo programose, dažnio reguliavimo rinkose ir avarinio maitinimo schemose. CHAdeMO buvo V2G pradininkas, tačiau jo CAN pagrindu sukurtas protokolas niekada nebuvo sukurtas interneto masto saugumui ir išmaniojo įkrovimo deryboms, kurias suteikia ISO 15118. Štai kodėl standartas, kuris „pralaimėjo“ jungčių karą, laimi energetikos karą ir kodėl kiekvienas rimtas tinklo operatorius dabar nurodo ISO 15118-20 galimybes naujoje įrangoje.

Svarbiausios išvados

• CCS PLC pagrindu sukurta ISO 15118 architektūra laimėjo komunikacijos karą, nes ji pritaikoma V2G, „Plug & Charge“ ir būsimoms megavatų programoms, o CHAdeMO CAN magistralė išlieka senąja magistrale.
• „ChaoJi“ parodo, kad Kinija, Japonija ir CCS ekosistema gali susijungti vieningoje didelės galios nuolatinės srovės sąsajoje.
• Operatoriams standartų rizika yra valdoma: rinkitės ISO 15118 standartą atitinkančią įrangą su keičiamomis jungtimis ir būsite apsaugoti, nepriklausomai nuo to, kuris kištukas yra geriausias konkrečiame regione.
• Kitas konkurencinis mūšio laukas yra ne jungtis – tai įkrovimo greitis, patikimumas ir integracija į tinklą.

„MIDA Power“ gamina nuolatinės srovės greituosius įkroviklius, paruoštus vieningai ateičiai: palaiko ISO 15118 „Plug & Charge“ standartą, atitinka OCPP reikalavimus ir turi konfigūruojamas jungtis, įskaitant CCS1, CCS2, CHAdeMO, NACS ir GB-T. Nesvarbu, ar kuriate Kinijos, Europos, ar Šiaurės Amerikos rinkai, mūsų įranga sukurta taip, kad išliktų aktuali, kai standartai suartėja. Susisiekite su mumis dėl techninių specifikacijų ir kainos pasiūlymo.