Išsami CCS1 ir CCS2 standartų analizė: ryšio protokolai ir NACS integracija

Iššifruojant pasaulinį įkrovimo paradoksą: daugiamatis techninis giluminis CCS1 ir CCS2 standartų, fizinio sluoksnio ryšio protokolų, izoliacijos stebėjimo architektūrų ir geopolitinio poslinkio NACS integracijos link tyrimas.

1 skyrius: Įvadas: Pasaulinės elektrifikacijos ir standartinio karo peizažas

Pasaulinė automobilių pramonė šiuo metu išgyvena vieną reikšmingiausių technologinių pokyčių per visą savo šimtmetį trukusią istoriją: perėjimą nuo vidaus degimo variklių (ICE) prie elektrinių transporto priemonių (EV). Nors ličio jonų akumuliatorių cheminė sudėtis ir silicio karbido (SiC) keitiklių efektyvumas dažnai patenka į antraštes, šios revoliucijos nepastebėtas herojus ir dažna kliūtis yra įkrovimo sąsaja.

Įkrovimo standartas yra elektromobilių ekosistemos bambagyslė. Tai ne tik kištukas ir lizdas; tai sudėtinga aukštos įtampos galios elektronikos, skaitmeninio ryšio protokolų ir saugos blokavimo sistema. Šiandien pasaulis daugiausia yra susiskaldęs į dvi kombinuotos įkrovimo sistemos (CCS) stovyklas: CCS1 (įprasta Šiaurės Amerikoje ir Korėjoje) ir CCS2 (įprasta Europoje ir daugumoje kitų regionų).

Tačiau šis dvejetainis susiskaldymas yra ardomas. Šiaurės Amerikos įkrovimo standarto (NACS), neseniai kodifikuoto kaip SAE J3400, atsiradimas sukėlė šoką visoje pramonėje ir grasino CCS1 pasenti savo vidaus rinkoje. Tuo tarpu CCS2 subtilybės toliau tobulėja įdiegus ISO 15118-20, kuris suteikia galimybę naudoti tokias funkcijas kaip „Plug & Charge“ ir transporto priemonės prijungimo prie elektros tinklo (V2G).

Šiame straipsnyje pateikiama išsami, 360 laipsnių techninė CCS1 ir CCS2 analizė. Išnagrinėsime jų mechaninius skirtumus, pagrindinę impulsų pločio moduliacijos (PWM) ir elektros linijų ryšio (PLC) signalo logiką, svarbiausią izoliacijos stebėjimo įrenginių (IMD) saugos funkciją ir sudėtingas geopolitines bei tiekimo grandinės jėgas, kurios formavo šiuos standartus. Taip pat išnagrinėsime sąveikumo iššūkius, kurie kamuoja viešuosius įkrovimo tinklus, ir svarbią teisinę aplinką, susijusią su trečiųjų šalių adapterių naudojimu.

2 skyrius: Evoliucinės šaknys: SAE J1772 ir IEC 62196-2 bei kelias į CCS

Norint suprasti kombinuotąją įkrovimo sistemą, pirmiausia reikia pažvelgti į ankstesnius kintamosios srovės įkrovimo standartus. CCS iš esmės yra „priedas“ prie esamų kintamosios srovės kištukų, todėl ji vadinama „kombinuota“.

1 tipo gimimas (SAE J1772)

XXI a. pradžioje Jungtinių Valstijų Automobilių inžinierių draugija (SAE) sukūrė J1772 standartą. Fizinė jungtis, dažnai vadinama „Yazaki“ kištuku arba 1 tipo kištuku, buvo sukurta vienfaziam kintamosios srovės įkrovimui. Ji turėjo penkis kontaktus: L1 (1 linija), N (neutrali), PE (apsauginė įžeminimo linija), CP (valdymo pilotas) ir PP (artumo pilotas).

1 tipo įkrovimo stotelė buvo optimizuota Šiaurės Amerikos elektros tinklui, kuriame gyvenamųjų namų elektros įtampa paprastai yra 120 V arba 240 V vienfazė. Mechaninėje konstrukcijoje buvo numatytas rankinis užraktas jungčiai pritvirtinti prie transporto priemonės ir mikrojungiklis, signalizuojantis apie įkrovimo seanso pradžią ir pabaigą.

2 tipo iškilimas (IEC 62196-2)

Tuo pačiu metu Tarptautinė elektrotechnikos komisija (IEC) Europoje rengė Europos tinklui tinkamą standartą, kuris palaiko trifazę kintamąją srovę. Rezultatas buvo „Mennekes“ kištukas, arba 2 tipo, kodifikuotas pagal IEC 62196-2.

Skirtingai nuo 1 tipo, 2 tipo jungtis yra septynių kontaktų: L1, L2, L3, N, PE, CP ir PP. Palaikydama tris fazes, 2 tipo jungtis galėjo tiekti iki 22 kW kintamosios srovės galią (32 A esant 400 V įtampai), o 1 tipo galia paprastai buvo apribota iki 7,4 kW arba 19,2 kW retomis didelės srovės konfigūracijomis. Be to, 2 tipo jungtyje atsisakyta rankinio skląsčio ir pasirinktas elektroninis užrakinimo solenoidas transporto priemonės įleidimo angoje.

„Kombinuotas“ sprendimas

Augant greitojo įkrovimo poreikiui, inžinieriai susidūrė su dilema: kaip įdiegti didelės galios nuolatinės srovės įkrovimą, nereikalaujant antro, atskiro prievado transporto priemonėje? Sprendimas buvo kombinuota įkrovimo sistema.

• CCS1 (1 derinys):Paima 1 tipo kintamosios srovės jungtį ir po ja prideda du didelius nuolatinės srovės maitinimo kontaktus (DC+ ir DC-).
• CCS2 (2 derinys):Paima 2 tipo kintamosios srovės jungtį ir po ja prideda tokius pačius du nuolatinės srovės maitinimo kontaktus.

Abiem atvejais esami valdymo piloto (CP) ir apsauginio įžeminimo (PE) kontaktai pakartotinai naudojami nuolatinės srovės ryšiui, taip užtikrinant atgalinį suderinamumą ir sumažinant transporto priemonės vidinių laidų sudėtingumą.

3 skyrius: Išsami fizinės architektūros apžvalga: „Combo 1“ ir „Combo 2“ mechaninis dizainas ir kontaktų išdėstymas

Fiziniai CCS1 ir CCS2 skirtumai yra ne tik estetiniai; jie atspindi esminius tinklo infrastruktūros ir saugos filosofijos skirtumus.

CCS1 (SAE J1772 derinys)

CCS1 jungčiai būdingas „apvalaus viršaus“ dizainas, paveldėtas iš J1772.

• Kontaktų konfigūracija:5 kontaktai viršuje (L1, N, PE, CP, PP) ir 2 dideli kontaktai apačioje (DC+, DC-).
• Užfiksavimo mechanizmas:CCS1 veikia mechaniniu fiksatoriumi ant rankenos. Vartotojas paspaudžia mygtuką, kad atlaisvintų kištuką. Ši konstrukcija buvo kritikuojama dėl to, kad yra linkusi lūžti ir leidžia vartotojams ištraukti kištuką, kai dar gali tekėti srovė (nors CP signalas yra skirtas sustabdyti srovę iš karto atleidus fiksatorių).
• Aušinimas:Šiuolaikiniai itin greiti CCS1 įkrovikliai (350 kW+) naudoja skysčiu aušinamus kabelius, kuriuose aušinimo skystis cirkuliuoja aplink nuolatinės srovės laidininkus, o kartais ir pačius kontaktus, kad būtų išvengta perkaitimo didelės srovės (500 A+) seansų metu.

CCS2 (IEC 62196-3 derinys)

CCS2 jungtyje naudojamas 2 tipo „plokščias“ dizainas.

• Kontaktų konfigūracija:7 kontaktai viršuje (L1, L2, L3, N, PE, CP, PP) ir 2 dideli kontaktai apačioje (DC+, DC-).
• Užfiksavimo mechanizmas:CCS2 visada užrakinamas elektroniniu būdu transporto priemonės. Ant rankenos nėra mygtuko. Tai paprastai laikoma tvirtesne ir saugesne sistema, nes transporto priemonė visiškai kontroliuoja, kada jungtį galima atjungti.
• Tinklelio suderinamumas:Kadangi CCS2 turi L2 ir L3 kontaktus, transporto priemonė su CCS2 sistema gali visapusiškai išnaudoti trifazio kintamosios srovės įkrovimo privalumus namuose ar darbe, todėl ji yra žymiai universalesnė Europos ir Azijos rinkose.

Palyginamoji lentelė: CCS1 ir CCS2 fizinės specifikacijos

4 skyrius: Valdymo signalo logika: PWM (impulsų pločio moduliacija) ir pagrindinis paspaudimas

Prieš pradedant tekėti aukštos įtampos elektronams, elektromobilio maitinimo įranga (EVSE) ir elektromobilis (EV) turi atlikti žemos įtampos pasisveikinimą. Šį procesą valdo du ryšio sluoksniai: senasis PWM signalas ir modernus PLC signalas.

PWM signalas (IEC 61851-1)

Valdymo piloto (CP) linija pagrindinėms būsenoms perduoti naudoja 12 V impulsų pločio moduliacijos (PWM) signalą, kurio dažnis yra 1 kHz. Tai patikimas analoginis metodas, kuris jau daugiau nei dešimtmetį yra elektromobilių įkrovimo pagrindas.

• A būsena (12 V):Nėra prijungtos transporto priemonės.
• B būsena (9V):Transporto priemonė prijungta, nepasiruošusi įkrovimui.
• C būsena (6V):Transporto priemonė prijungta ir paruošta įkrovimui (ventiliacija nereikalinga).
• D būsena (3V):Transporto priemonė prijungta ir paruošta įkrovimui (reikalingas vėdinimas).
• Darbo ciklas:1 kHz signalo įjungimo laiko procentinė dalis nurodo transporto priemonei maksimalią srovę, kurią gali tiekti EVSE. Pavyzdžiui, 25 % darbo ciklas gali reikšti 15 amperų.

Perėjimas prie DC

Kintamosios srovės įkrovimui pakanka PWM signalo. Tačiau nuolatinės srovės įkrovimui elektromobilis ir elektromobilių priekaba turi keistis sudėtingais duomenimis, tokiais kaip akumuliatoriaus įkrovos būsena (SoC), pageidaujama įtampa ir skaitmeniniai parašai sąskaitoms išrašyti. Čia PWM pasiekia savo ribą.

CCS sistemoje CP linija yra „perpanaudojama“. Kai PWM būdu aptinkamas fizinis ryšys, sistema, naudodama maitinimo linijos ryšį (PLC), CP linijoje siunčia aukšto dažnio skaitmeninį signalą. PWM signalas išlieka fiksuoto 5 % darbo ciklo, kuris veikia kaip „skaitmeninis perjungiklis“, signalizuojantis elektromobiliui inicijuoti „HomePlug Green PHY“ (HPGP) PLC protokolą.

5 skyrius: Pažangios komunikacijos: ISO 15118, DIN 70121 ir PLC (elektros linijų komunikacijos) vaidmuo

Nors fiziniai CCS1 ir CCS2 kontaktai skiriasi, sistemos „smegenys“ yra nepaprastai panašios. Abi sistemos remiasi ISO/IEC 15118 ir DIN 70121 nuolatinės srovės ryšio standartais.

DIN 70121: Tiltas į nuolatinę srovę

DIN 70121 buvo pirmasis nuolatinės srovės įkrovimo ryšio, skirto CCS, įgyvendinimas. Tai yra ankstyvųjų ISO 15118 projektų dalis. Jis leidžia transporto priemonei ir įkrovikliui keistis tokiais pranešimais kaip:

• Paslaugų aptikimas:Kokias paslaugas (kintamosios/nuolatinės srovės) siūlo įkroviklis?
• Įkrovimo parametro atradimas:Kokios yra akumuliatoriaus ir įkroviklio įtampos ir srovės ribos?
• Maitinimo tiekimas:Tikrasis įsakymas pradėti arba sustabdyti energijos srautą.

ISO 15118: Išmaniojo įkrovimo standartas

ISO 15118 yra „auksinis standartas“ elektromobilių komunikacijos srityje. Tai daugialypis standartas, kuriame pristatomos kelios pažangios funkcijos:

1. Prijunkite ir įkraukite (PnC):Naudodamas viešojo rakto infrastruktūrą (PKI), automobilis gali saugiai identifikuoti save įkrovikliui ir automatiškai apdoroti sąskaitas. Nereikia jokių RFID kortelių ar programėlių.
2. Pridėtinės vertės paslaugos:Informacija apie vietines energijos kainas arba integraciją su išmaniųjų namų sistemomis.
3. Dvikryptis įkrovimas (ISO 15118-20):Įgalina automobilį iškrauti energiją atgal į tinklą arba namus.

PLC fizinis sluoksnis

Tam reikalinga techninė įranga yra „HomePlug Green PHY“ modemas. Kadangi ryšys vyksta per valdymo piloto liniją, kuria taip pat perduodamas 1 kHz PWM signalas, skleidžiamas didelis triukšmas. PLC naudoja ortogonalinį dažnio dalijimo multipleksavimą (OFDM), kad užtikrintų, jog duomenys, perduodami 2–30 MHz dažniais, būtų priimami patikimai, nepaisant atšiaurios elektromagnetinės aplinkos, kurią sukelia didelės galios įkrovimo stotelė.

6 skyrius: Saugos protokolai ir izoliacijos stebėjimas (IMD): nuotėkio aptikimas aukštos įtampos sistemose

Saugumas yra svarbiausias rūpestis nuolatinės srovės greitojo įkrovimo srityje, kai įtampa gali viršyti 900 V, o srovės – 500 A. Svarbus šios saugos architektūros komponentas yra izoliacijos stebėjimo įtaisas (IMD).

Plaukiojanti sistema

Skirtingai nuo gyvenamųjų namų kintamosios srovės maitinimo, kur neutralė yra įžeminta, nuolatinės srovės įkrovimo sistemos yra „plūduriuojančios“ arba „izoliuotos“. Nei nuolatinės srovės teigiamas (DC+), nei nuolatinės srovės neigiamas (DC-) kontaktas nėra prijungtas prie transporto priemonės važiuoklės (įžeminimo). Tai reiškia, kad jei žmogus vienu metu paliečia vieną iš nuolatinės srovės linijų ir važiuoklę, per jas neturėtų tekėti srovė, nes nėra pilnos grandinės atgal į šaltinį.

IMD vaidmuo

Tačiau jei yra izoliacijos pažeidimas, pavyzdžiui, nutrūkęs laidas arba aušinimo skysčio nuotėkis akumuliatorių bloke, viena iš nuolatinės srovės linijų gali netyčia įžeminti. Jei kitoje linijoje įvyksta antras gedimas, įvyksta pavojingas trumpasis jungimas.

IMD nuolat stebi varžą tarp nuolatinės srovės šynos ir apsauginio įžeminimo (PE).

• Prieš įkrovimą atliekamas bandymas:Prieš užsidarant pagrindiniams kontaktoriams ir pradedant įkrovimą, EV ir EVSE atlieka izoliacijos patikrinimą. Jei varža yra mažesnė už tam tikrą ribą (paprastai 100 omų voltui), sesija nutraukiama.
• Nuolatinis stebėjimas:Įkrovimo metu IMD toliau siunčia nedidelį signalą, kad stebėtų degradaciją.

CCS1 ir CCS2 IMD įgyvendinimas

Nors principas yra tas pats, konkrečios ribos ir atsako laikas gali skirtis priklausomai nuo SAE ir IEC įgyvendinimo variantų. Europoje naudojamos CCS2 sistemos IMD dažnai integruoja tiesiai į EVSE valdiklį, o CCS1 sistemos gali turėti labiau paskirstytą stebėjimą tarp maitinimo spintos ir dozatoriaus. Sudėtingumas padidėja „dalijimosi vietoje“ scenarijuose, kai keli dozatoriai dalijasi vienu dideliu energijos konversijos įrenginiu.

7 skyrius: Užrakinimo mechanizmai ir šilumos valdymas: rankiniai skląsčiai ir elektroniniai solenoidai

Kištuko mechaninis patikimumas yra pagrindinis skirtumas tarp dviejų standartų.

CCS1: Atsakomybė už skląstį

Silpniausia CCS1/J1772 kištuko vieta yra rankinis fiksatorius. Viešose vietose šiuos fiksatorius dažnai sulaužo vartotojai arba jie užšąla ledu. Jei fiksatorius sulaužytas, artumo piloto (PP) grandinė gali neužsidaryt, todėl automobilis negalės pradėti įkrovimo. Dar blogiau, iš dalies sulaužytas fiksatorius gali leisti jungtiai judėti didelės galios seanso metu, dėl to gali kilti kibirkštis ir atsirasti terminė žala.

CCS2: solenoido pranašumas

CCS2 panaikina rankenos skląstį. Transporto priemonės įleidimo angoje yra motorizuotas kaištis (solenoidas), kuris, iki galo įkišus jungtį, įslysta į joje esančią angą.

• Blokavimo sauga:Transporto priemonė neuždarys aukštos įtampos kontaktorių, kol solenoidas nepatvirtins „užrakintos“ būsenos.
• Vagysčių prevencija:Jungties negalima atjungti, kol vartotojas neatrakina automobilio arba nesustabdo sesijos per transporto priemonės sąsają, taip užkertant kelią neteisėtam atjungimui.

Šiluminis valdymas

Įkrovimo greičiui artėjant prie 400 kW, šilumos valdymas nebėra pasirenkamas. Tiek CCS1, tiek CCS2 naudoja temperatūros jutiklius (dažniausiai NTC termistorius), įmontuotus šalia nuolatinės srovės kontaktų.

• Sumažinimas:Jei temperatūra ties kontaktais viršija saugią ribą (pvz., 85 °C), EVSE automatiškai „sumažins“ srovę, kad plastikinis korpusas neišsilydytų.
• Skysčio aušinimas:Didelės galios dozatoriuose kabeliai yra pastebimai storesni, nes juose yra kanalai glikolio pagrindo aušinimo skysčiui. Tai leidžia naudoti plonesnius varinius laidininkus (sumažinant kabelio svorį), išlaikant saugią 500 A temperatūrą.

8 skyrius: Sąveikumo (IOP) testavimas: iššūkiai daugelio tiekėjų infrastruktūroje

Vienas labiausiai elektromobilio vairuotoją varginančių patirčių yra „rankos paspaudimo sutrikimas“ – automobilis ir įkroviklis tiesiog atsisako bendrauti. Tai yra sąveikumo (IOP) problema.

Programinės įrangos rinkinio sudėtingumas

CCS komunikacijos sistemą sudaro keli sluoksniai:

1. Fizinis sluoksnis:HPGP PLC signalo kokybė.
2. Duomenų ryšio sluoksnis:MAC adresai ir prisijungimas prie tinklo.
3. Tinklo sluoksnis:IPv6 adresavimas (reikalaujama pagal ISO 15118).
4. Taikymo sluoksnis:XML pagrindu siunčiami pranešimai (EXI glaudinimas).

Jei įkroviklio programinė įranga (įdiegta „Linux“ arba realaus laiko OS) turi nedidelį laiko neatitikimą savo IPv6 kaimynų aptikimo protokole arba jei automobilio XML analizatorius tikisi šiek tiek kitokios schemos, sesija nepavyksta.

Bandymai ir sertifikavimas

Siekdama su tuo kovoti, pramonė rengia „Testivals“ (testavimo festivalius), kuriuos rengia tokios organizacijos kaip „CharIN“. „Tesla“, „VW“, „ABB“ ir „Siemens“ inžinieriai savo transporto priemones ir įkroviklius atveža į centrinę vietą, kad išbandytų visus įmanomus derinius. Nepaisant to, senesnės EVSE programinės įrangos ir naujų transporto priemonių modelių „ilga uodega“ užtikrina, kad IOP išlieka nuolatiniu iššūkiu CCS ekosistemoje.

9 skyrius: Geopolitinis slinkimas: regioninė atskirtis ir pasaulinė tiekimo grandinės ekonomika

Pasirinkimas tarp CCS1 ir CCS2 retai priklausė nuo techninio pranašumo; tai buvo susiję su esama infrastruktūra ir regioniniu suverenitetu.

Europos konsolidacija

Europa anksti ėmėsi žengti žingsnį prieš įdiegiant CCS2 privalomąjį sprendimą pagal Alternatyviųjų degalų infrastruktūros direktyvą (AFID). Priversdama visus viešuosius įkrovimo stoteles teikti 2 tipo arba CCS2 sąsają, Europa išvengė „standartų karo“, kuris daugelį metų kamavo Šiaurės Ameriką. Tai leido sukurti tvirtą antrinę komponentų rinką ir supaprastino tiekimo grandinę Europos originalios įrangos gamintojams, tokiems kaip BMW ir „Renault“.

Šiaurės Amerikos susiskaldymas

Tuo tarpu Šiaurės Amerikoje buvo leidžiama kartu egzistuoti keliems standartams: CCS1, CHAdeMO (kurį stūmė „Nissan“) ir patentuotai „Tesla“ jungčiai. Šis susiskaldymas atgrasė investicijas į viešąją infrastruktūrą, nes svetainių prižiūrėtojai buvo priversti pirkti brangius daugiaprotokolius skirstytuvus.

Pietų Korėja ir Taivanas

Pietų Korėja priėmė CCS1, daugiausia sekdama JAV pavyzdžiu dėl stipraus „GM“ dalyvavimo ir JAV rinkos įtakos ankstyvajam „Hyundai“ / „Kia“ elektromobilių eksportui. Tačiau Taivanas yra įdomus atvejo analizės pavyzdys, kur vyriausybė iš pradžių linko prie CCS1, tačiau pastebėjo didžiulį CCS2 ir NACS transporto priemonių antplūdį, dėl kurio susidarė sudėtinga daugiastandartė aplinka.

10 skyrius: NACS trikdytojas: kaip SAE J3400 konsoliduoja Šiaurės Ameriką ir kelia grėsmę CCS1

2022 m. pabaigoje „Tesla“ pasauliui pristatė savo patentuotą jungties dizainą, pervadindama jį Šiaurės Amerikos įkrovimo standartu (NACS). Per kelis mėnesius beveik visi didžiausi Šiaurės Amerikos automobilių gamintojai – „Ford“, „GM“, „Rivian“, „Volvo“ – paskelbė apie perėjimą nuo CCS1 prie NACS.

NACS (SAE J3400) techniniai pranašumai

1. Formos faktorius:NACS jungtis yra žymiai mažesnė ir lengvesnė nei didelė CCS1 jungtis.
2. Integruoti kaiščiai:Skirtingai nuo CCS, kuriame kintamosios ir nuolatinės srovės jungtys turi atskirus kontaktus, NACS abiem srovėms naudoja tuos pačius du didelius kontaktus. Tai sumažina transporto priemonės įleidimo angos dydį.
3. Senasis protokolas:Svarbiausia, kad NACS naudojatas patsISO 15118 PLC ryšio protokolas kaip CCS. Tai reiškė, kad automobilių gamintojai galėjo pakeisti fizinį kištuką neperprojektuodami viso programinės įrangos paketo.

CCS1 mirties varpas?

Kodifikavus NACS kaip SAE J3400, CCS1 Jungtinėse Valstijose iš esmės tapo „negyvu standartu“. Nors šiuo metu pagal NEVI (Nacionalinę elektromobilių infrastruktūros) programą įrengiama tūkstančiai CCS1 įkroviklių, ateitis neabejotinai priklauso NACS. Šis pokytis privertė įkroviklių gamintojus, tokius kaip „SK Signet“ ir „ChargePoint“, greitai pakeisti savo surinkimo linijas, kad būtų galima įtraukti NACS kabelius.

11 skyrius: Adapterių rinkos ir atitiktis: tarpstandartinės įrangos teisinė ir techninė rizika

Pasauliui keičiantis, adapteriai tapo daugelio milijonų dolerių vertės pramone. Dabar galite įsigyti adapterių, skirtų CCS2 konvertuoti į CCS1, CCS1 į „Tesla“ ir „Tesla“ į CCS1. Tačiau šis patogumas yra susijęs su didele rizika.

Saugos spraga

Sertifikuota CCS jungtis skirta 500 A srovei ir turi sudėtingą šilumos stebėjimą. Daugelyje trečiųjų šalių adapterių, parduodamų el. prekybos platformose, šios apsaugos nėra.

• Arkingo rizika:Jei adapteris netinkamai įstatytas, sąsajoje gali atsirasti mikrokibirkštis, kuri galiausiai gali išlydyti adapterį ir sugadinti brangų automobilio integruotą įkroviklį.
• Ryšio delsa:Kai kurie adapteriai naudoja „žmogaus tarpininko“ elektroniką protokolams versti (pvz., CHAdeMO į CCS), todėl gali atsirasti delsa, sukelianti saugos skirtojo laiko apribojimus EVSE.

Atsakomybė ir draudimas

Teisiniu požiūriu, naudojant nesertifikuotą adapterį, transporto priemonės garantija dažnai nustoja galioti. Jei dėl sugedusio adapterio įkrovimo stotelėje kyla gaisras, atsakomybė tenka vartotojui. Pagrindinės standartų institucijos dabar skuba kurti adapterių sertifikavimo programas (pvz., UL 2251), tačiau rinka pirmiesiems vartotojams išlieka „Laukiniais Vakarais“.

12 skyrius: Ateities perspektyvos: megavatų įkrovimas (MCS), V2X ir vieninga konvergencija

Žvelgiant į 2030 m., CCS1 ir CCS2 diskusijas gali užgožti naujosios technologijos.

Megavatų įkrovimo sistema (MCS)

Sunkvežimiams net 350 kW yra per lėta. Šioje pramonės šakoje kuriamos MCS jungtys, galinčios tiekti iki 3,75 megavatų (3 000 A esant 1 250 V įtampai). Įdomu tai, kad MCS jungtis yra vieno pasaulinio dizaino, galintis panaikinti regioninį susiskaldymą komerciniame sektoriuje.

Transporto priemonės ir viskas (V2X)

Integravus ISO 15118-20 standartą, elektromobiliai taps mobiliomis elektrinėmis. Nesvarbu, ar automobilis naudoja CCS2, ar NACS, galimybė stabilizuoti tinklą piko valandomis bus pagrindinis elektromobilių savininkų pajamų šaltinis.

Išvada

CCS1 ir CCS2 skirtumai liudija apie pasaulinių standartų nustatymo sudėtingumą. Nors CCS2 tarptautinėje rinkoje tapo aiškiu nugalėtoju, NACS iškilimas perrašė taisykles Šiaurės Amerikai. Inžinieriams ir politikos formuotojams pamoka aiški: fizinė įranga yra laikina, tačiau pagrindiniai skaitmeniniai protokolai (ISO 15118) ir saugos principai (IMD) yra tikrieji elektrifikuotos ateities pamatai. Šių techninių niuansų supratimas yra būtinas kiekvienam, besiorientuojančiam aukštos įtampos elektromobilių infrastruktūros pasaulyje.

13 skyrius: Izoliacijos varžos matematika: R_iso ​​skaičiavimai ir nuotėkio srovė

Aukštosios įtampos (HV) srityje, kai naudojamas nuolatinės srovės greitasis įkrovimas, izoliacijos varža ($R_{iso}$) yra ne tik saugos parametras, bet ir išmatuojamas kintamasis, kuris lemia įkrovimo seanso veikimo būseną. Pagal IEC 61851-23 ir SAE J1772, sistema turi išlaikyti minimalią izoliacijos varžą, kad būtų išvengta pavojingų nuotėkio srovių ($I_{leakage}$), kurios galėtų tekėti per žmogaus kūną važiuoklės gedimo atveju.

Matavimo principas

Izoliacijos stebėjimo įrenginys (IMD) paprastai naudoja „perjungiamo rezistoriaus“ arba „impulsų injekcijos“ metodą, kad matuotų varžą tarp nuolatinės srovės laidininkų ir apsauginio įžeminimo (PE). Bendra izoliacijos varža apibrėžiama kaip lygiagretus teigiamos linijos į žemę ($R_p$) ir neigiamos linijos į įžeminimą ($R_n$) varžų derinys:

$$R_{iso} = \frac{R_p \cdot R_n}{R_p + R_n}$$

Nuolatinės srovės sistemoms saugos reikalavimas paprastai nustatomas ties 100 $\Omega/V$. Įkraunant transporto priemonę esant 800 V įtampai, minimalus leistinas $R_{iso}$ būtų:

800 V × 100 Omega/V = 80 000 Omega = 80 k Omega

Nuotėkio srovės dinamika

Nuotėkio srovė yra sistemos parazitinės talpos ($C_y$) ir izoliacijos varžos funkcija. Idealiai subalansuotoje sistemoje $R_p = R_n$, o įtampa vidurio taške žemės atžvilgiu lygi nuliui. Tačiau jei teigiamame bėgelyje ($R_p \rightarrow 0$) įvyksta gedimas, neigiamas bėgelis pasislenka iki $-800V$ važiuoklės atžvilgiu. IMD turi aptikti šį poslinkį per milisekundes.

Lentelė: CCS1 ir CCS2 saugos ribos

14 skyrius: PLC signalo vientisumas: triukšmo valdymas 500 kW įkrovimo aplinkoje

CCS naudojamas elektros linijų ryšio (PLC) principas pagrįstas „HomePlug Green PHY“ (HPGP) specifikacija. Nors HPGP iš pradžių buvo sukurtas mažos galios išmaniųjų namų taikymams, jo diegimas 500 kW įkrovimo aplinkoje kelia didelių elektromagnetinio suderinamumo (EMS) iššūkių.

Triukšmo grindys

Didelės galios nuolatinės srovės įkrovikliuose savo galios pakopose naudojami greitai perjungiantys silicio karbido (SiC) arba izoliuotų užtūrų bipoliniai tranzistoriai (IGBT). Šie komponentai perjungia dažnius nuo 20 kHz iki 100 kHz, sukurdami didelį harmoninį triukšmą. Kadangi PLC veikia nuo 2 MHz iki 30 MHz diapazone, teoriškai jis yra už pirminio perjungimo triukšmo juostos ribų, tačiau aukšto dažnio „skambėjimas“ ir bendrojo režimo pereinamieji procesai gali lengvai perkrauti PLC modemo priekinę dalį.

Silpninimas ir sujungimas

Valdymo piloto (CP) signalas perduodamas neekranuotu laidu įkrovimo kabelio viduje. Esant 30 MHz dažniui, kabelis veikia kaip sudėtinga perdavimo linija su dideliais indukciniais ir talpiniais nuostoliais.

• CCS1 kabeliai:Ilgesni, dažnai sunkesni kabeliai JAV gali lemti didesnį signalo slopinimą.
• CCS2 kabeliai:Europoje tankiai apgyvendintose miesto teritorijose trumpesni kabeliai gali nukentėti nuo gretimų skirstytuvų tarpusavio trukdžių.

Siekdami tai sušvelninti, inžinieriai naudoja „signalo įpurškimo įrenginius“ (SIU), kuriuose naudojamos didelio pralaidumo ferito šerdys, kad PLC signalas būtų prijungtas prie CP linijos, tuo pačiu blokuojant 1 kHz PWM signalą ir aukšto dažnio triukšmą.

15 skyrius: ISO 15118-2 ir -20 palyginimai: pranešimų sekų architektūrinė evoliucija

Perėjimas nuo pradinio ISO 15118-2 standarto prie naujojo ISO 15118-20 (dažnai vadinamo „Dash 20“) yra reikšmingiausias programinės įrangos atnaujinimas elektromobilių įkrovimo istorijoje.

ISO 15118-2: Pagrindas

„-2“ versija sukūrė pagrindinį XML pagrindu veikiantį rankos paspaudimą:

1. Palaikomos programos protokolas:Derasi dėl versijos.
2. Sesijos nustatymas:Užmezga ryšį.
3. Identifikavimas:Palaiko RFID arba „Plug & Charge“.
4. Įkrovimo parametro atradimas:Mainų akumuliatoriaus ribos.
5. Maitinimo tiekimas:Valdo srautą.

ISO 15118-20: Ateitis

„Dash 20“ pristato visiškai naują pranešimų struktūrą, skirtą naujos kartos energetikos paslaugoms:

• Dvipusis palaikymas:Specialūs pranešimai, skirti V2G (transporto priemonės ir tinklo) ir V2H (transporto priemonės ir namų) iškrovimui.
• Dinaminis režimas:Leidžia įkrovikliui nurodyti automobiliui keisti srovę realiuoju laiku pagal tinklo apkrovą, neperkraunant sesijos.
• Patobulintas saugumas:Perėjimas nuo TLS 1.2 prie TLS 1.3, užtikrinant greitesnius pasisveikinimus ir stipresnį šifravimą.
• Multipleksavimas:Leidžia kelioms paslaugoms (pvz., įkrovimui + duomenų sinchronizavimui) veikti per tą patį PLC ryšį.

Pranešimų sekos diagrama: „Plug & Charge“ (PnC) ir išorinis identifikavimas (EIM)

PnC atvejuSutarties parašo sertifikatų grandinėsiunčiamas iš automobilio į įkroviklį. Įkroviklis tai patikrina naudodamas savo vidinį OCSP (internetinio sertifikato būsenos protokolo) serverį. EIM sistemoje vartotojas turi pateikti fizinę kortelę, o įkroviklis siunčiaĮgaliotiužklausa serveriui. PnC delsa yra žymiai mažesnė, todėl vartotojo patirtis yra panaši į „Tesla“.

16 skyrius: Didelės galios jungčių šiluminė inžinerija: medžiagos, kontaktinė varža ir aušinimas skysčiu

Artėjant prie CCS fizinės sąsajos ribų, pagrindiniu projektavimo apribojimu tampa šiluminė inžinerija.

Kontaktinė varža ($R_{contact}$)

Jungtyje susidaranti šiluma apibrėžiama Džaulio dėsniu: $P_{heat} = I^2 \cdot R_{contact}$. Esant 500 A krūviui:

• Jei $R_{kontaktas} = 0,5 m\Omega$, $P_{šiluma} = 500^2 \cdot 0,0005 = 125 W$.
• Jei $R_{contact}$ suskyla iki $2,0 m\Omega$, $P_{heat} = 500^2 \cdot 0,002 = 500 W$.

500 vatų karštis uždaroje plastikinėje rankenoje per kelias minutes sukels katastrofišką gedimą. Štai kodėl sidabravimas ant kaiščių yra labai svarbus. Sidabras turi mažiausią elektrinę varžą iš visų metalų ir suteikia savaime sutepantį paviršių, kuris sumažina nusidėvėjimą tūkstančių sujungimo ciklų metu.

Skysčio aušinimo sistemos

Norint valdyti sroves, viršijančias 350 A, būtinas aušinimas skysčiu. Sistemoje paprastai naudojamas uždaros grandinės šaldymo įrenginys maitinimo spintoje.

• Aušinimo skysčio tipas:Dielektriniai skysčiai yra tinkamesni siekiant išvengti trumpųjų jungimų nuotėkio atveju, tačiau vandens ir glikolio mišiniai yra dažnesni dėl jų didesnio šiluminio talpumo.
• Žarnos konstrukcija:DC+ ir DC- laidininkai yra tuščiaviduriai arba apsupti aušinimo skysčio kanalų. „Šaltoji plokštė“ yra tiesiai už kontaktų, kad pašalintų šilumą nuo kontaktinės sąsajos.

17 skyrius: Sąveikumo atvejų analizės: „VW ID.4“ ir „Electrify America Chargers“ ryšio derinimas

Garsus CCS1 sąveikumo problemų pavyzdys buvo ankstyvasis VW ID.4 pristatymas Jungtinėse Valstijose. Daugelis savininkų pranešė apie „raudono žiedo“ klaidas (įkrovimas nepavyko) „Electrify America“ (EA) degalinėse.

Pagrindinė priežastis: laikas ir XML

Po kelių mėnesių duomenų registravimo inžinieriai aptiko lenktynių sąlygąSesijos nustatymasetapas. EA įkroviklis (pagamintas trečiosios šalies) siuntė savoPalaikomos programos protokolo raiškagreičiau nei ID.4 borto įkroviklio (OBC) programinė įranga galėtų inicijuoti savo IPv6 protokolą. Automobilis praleistų pranešimą, užstrigtų ir sesija būtų nutraukta.

Pataisymas: programinės įrangos buferizavimas

Sprendimui reikėjo atnaujinti tiek automobilio, tiek įkroviklio programinę įrangą. Įkroviklis buvo modifikuotas taip, kad prieš siunčiant pirmąjį PLC pranešimą, lauktų „ICMPv6 kaimyno aptikimo“ signalo, o automobilio skirtasis laikas buvo pailgintas nuo 2 sekundžių iki 5 sekundžių. Šis atvejo tyrimas pabrėžia, kodėl „testai“ yra būtini, bet nepakankami; realaus pasaulio aplinkos veiksniai ir tinklo delsa prideda sudėtingumo sluoksnių, kurių laboratoriniai tyrimai negali visiškai atkartoti.

18 skyrius: Pasaulinės tiekimo grandinės pasekmės: varis, sidabravimas ir HPGP lustų trūkumas

CCS jungčių gamyba yra labai specializuota pramonės šaka, kurioje dominuoja keli žaidėjai, tokie kaip „Phoenix Contact“, „Huber+Suhner“ ir „TE Connectivity“.

Žaliavų priklausomybės

• Varis:Viename 350 kW skysčiu aušinamame kabelyje gali būti daugiau nei 15 kg labai gryno vario. Vario kainų svyravimai tiesiogiai veikia įkrovimo tinklų kapitalines išlaidas.
• Sidabras:CCS2 kontaktų dengimo procesas reikalauja tikslių galvanizavimo metodų, kad būtų užtikrintas vienodas 5–10 mikronų sluoksnis. Bet koks plonėjimas padidina atsparumą ir priešlaikinį senėjimą.

HPGP mikroschemų rinkinio monopolija

HPGP („HomePlug Green PHY“) modemo lustai yra kiekvienos CCS transporto priemonės ir įkroviklio smegenys. Daugelį metų pagrindinis tiekėjas buvo „Qualcomm“ (QCA7000 serija). 2021–2022 m. pasaulinio puslaidininkių trūkumo metu šių lustų trūkumas sustabdė tūkstančių įkrovimo stotelių gamybą. Dėl to atsirado antrinių tiekėjų poreikis, į rinką įžengė tokios įmonės kaip „Lumissil“ ir „Vertexcom“, tačiau naujo silicio sertifikavimo procesas automobilių sektoriuje yra pagarsėjęs savo lėtumu.

19 skyrius: Reguliavimo sistemos: NEVI JAV ir AFIR ES

Vyriausybės nebepalieka standartų diegimo rinkai.

ES: AFIR (Alternatyviųjų degalų infrastruktūros reglamentas)

ES AFIR mandatas yra pats agresyviausias pasaulyje. Pagal jį reikalaujama:

• Greitojo įkrovimo stotelės kas 60 km pagrindinėse magistralėse.
• CCS2 kaip privalomas standartas.
• Integruoti ad hoc mokėjimai (kreditinių kortelių skaitytuvai), atsitraukiant nuo uždarų RFID ekosistemų.

JAV: NEVI (Nacionalinė elektromobilių infrastruktūra)

JAV dvipartinis infrastruktūros įstatymas apmokestinimui skyrė 5 mlrd. dolerių. Iš pradžių NEVI taisyklės numatė CCS1. Tačiau po NACS pokyčio taisyklės buvo pakeistos, kad būtų leidžiami NACS kabeliai, jei kiekvienoje vietoje yra bent vienas CCS1 kabelis. Šis „hibridinis modelis“ yra laikinas tiltas, JAV artėjant prie visiško SAE J3400 standarto įgyvendinimo.

20 skyrius: Konvergencija link SAE J3400 (NACS) ir jos poveikis CCS1 gamybai

Perėjimas prie NACS (SAE J3400) Šiaurės Amerikoje iš esmės pakeitė CCS1 planą.

Gamybos posūkis

Gamyklos, kurios buvo optimizuotos didelių gabaritų CCS1 rankenoms, dabar yra pertvarkomos, kad atitiktų mažesnio dizaino NACS reikalavimus. NACS sudėtingumas slypi jo „dvejopo naudojimo“ kontaktuose, kuriems reikalingi greitaeigiai nuolatinės srovės perjungimo kontaktoriai automobilio viduje, kad būtų galima perjungti tarp borto kintamosios srovės įkroviklio ir nuolatinės srovės akumuliatoriaus magistralės.

CCS1 išlikimas

CCS1 greičiausiai išliks Pietų Korėjoje ir kaip senasis standartas JAV ateinantį dešimtmetį. Tačiau CCS1 mokslinių tyrimų ir plėtros biudžetas faktiškai sumažėjo iki nulio, nes pramonė daugiausia dėmesio skiria NACS ir MCS. Pasauliniams gamintojams tai reiškia, kad reikia išlaikyti tris atskiras produktų linijas:

1. CCS2:Pasaulinei rinkai.
2. NACS (J3400):Šiaurės Amerikai.
3. MCS:Pasauliniam sunkiųjų transporto priemonių sektoriui.

21 skyrius: Išvada: Vieningas protokolas susiskaldžiusiame fiziniame pasaulyje

Kaip matėme, „CCS1 ir CCS2 skirtumas“ yra pasakojimas apie dvi fizines vienos skaitmeninės sielos apraiškas. Nesvarbu, ar transporto priemonėje naudojamas apvalus CCS1 kištukas, ar plokščias CCS2 kištukas, pagrindinė ISO 15118 logika, IMD stebėjimo saugumas ir PLC signalo vientisumo iššūkis išlieka tas pats.

2020-ųjų įkrovimo standartų karas mus išmokė, kad sąveikumas susijęs ne tik su kištuku – tai su programine įranga, tinklu ir naudotojo patirtimi. Pasauliui artėjant prie kelių dominuojančių standartų, dėmesys nukryps nuo klausimo „Ar galiu prisijungti prie elektros tinklo?“ į klausimą „Koks greitas ir išmanus yra įkrovimas?“. Perėjimas prie NACS JAV ir CCS2 įtvirtinimas Europoje žymi elektromobilių revoliucijos pradžios pabaigą. Kitą dešimtmetį apibrėš V2G, megavatų greitis ir tikrai sklandus pasaulinis įkrovimo tinklas.

22 skyrius: Išsami artumo piloto (PP) ir valdymo piloto (CP) grandinių schemų analizė

Norint iš tikrųjų suprasti CCS inžineriją, reikia išnagrinėti pilotinių linijų ekvivalentinę grandinę. Šios linijos yra įkrovimo sistemos „nervai“, užtikrinantys, kad atviruose kontaktuose niekada nebūtų aukštos įtampos ir kad transporto priemonė negalėtų nuvažiuoti, kai ji prijungta.

Valdymo piloto (CP) grandinė

CP grandinė yra 1 kHz, $\pm 12V$ signalas, generuojamas EVSE. Transporto priemonės pusėje grandinę sudaro diodas ir rezistorių serija ($R_1, R_2, R_3$), kuriuos transporto priemonė gali įjungti į grandinę naudodama tranzistorius arba reles.

• Diodo paskirtis:Diodas užtikrina, kad transporto priemonės rezistoriai paveiktų tik teigiamą PWM signalo dalį. Tai leidžia EVSE aptikti „trumpąjį jungimą su įžeminimu“, jei neigiamą PWM signalo dalį netikėtai paveikia transporto priemonės rezistorių tinklo gedimas – tai esminė saugos patikra, neleidžianti EVSE įjungti pažeisto kabelio ar jungties.

Darbo ciklo skaitymas

EVSE koduoja turimą srovę 1 kHz stačiakampės bangos PWM darbo cikle, o transporto priemonė ją interpretuoja prieš uždarydama pagrindinius kontaktorius:

• 5 % darbo ciklas:EVSE neparengtas – įkrovimas neleidžiamas (naudojamas būsenos signalizavimui).
• 10 % darbo ciklas:EVSE paruoštas, nereikia ventiliacijos (standartinė šiuolaikinių sandarių nuolatinės srovės sistemų būsena).
• 16–85 % darbo ciklas:Galima srovė yra proporcinga darbo ciklui – pavyzdžiui, 50 % rodo 50 A ribą, leidžiančią transporto priemonės įkrovikliui teisingai apskaičiuoti savo suvartojamos srovės dydį.
• 90–97 % darbo ciklas:Rezervuota specialioms būsenoms, tokioms kaip ventiliacijos reikalaujančios (senosios švino-rūgštinės baterijos) arba specifinė nuolatinės srovės signalizacija.

CP sistemos grožis slypi jos gedimų nepažeidžiančioje asimetrijoje: jei transporto priemonė negauna galiojančios stačiakampės bangos, ji daro prielaidą apie blogiausią įvykį ir atsisako krauti; jei EVSE negauna galiojančio atsako, ji atsisako krauti. Jei kuri nors pusė sugenda, įkrovimo sesija negali prasidėti pavojingai.

Artumo piloto (PP) grandinė

PP grandinė yra jungties mechaninė sąžinė. Joje naudojamas paprastas rezistorius, įžeminantis kištuko viduje, kad abi pusės žinotų, ar laidas yra iki galo įkištas, ir kad laidas nebūtų išjudintas, kai jis prijungtas.

• Rezistoriaus vertės:150 Ω rezistorius rodo, kad laidas prijungtas prie transporto priemonės, bet neužfiksuotas; 680 Ω rezistorius rodo, kad laidas prijungtas ir užfiksuotas; atvira grandinė (nėra rezistoriaus) reiškia, kad jungtis atjungta. EVSE ir transporto priemonė nuolat nuskaito šias vertes.
• Apsauga nuo išvažiavimo iš automobilio:Jei automobilio sistema aptinka 150 Ω būseną, kai atleistas stovėjimo stabdys, ji neleis įjungti pavaros. Jei laidas užfiksuotas (680 Ω), automobilis neleis atjungti jungties, kol teka įkrovimo srovė, taip pašalinant pavojų, kad ištrauksite įjungtą kištuką.
• Kabelio buvimo aptikimas:Nuolatinės srovės sistemose PP linija taip pat patvirtina, kad įkrovimo kabelis tinkamai pritvirtintas abiejuose galuose, prieš EVSE leidžiant uždaryti aukštos įtampos kontaktorius.

Kodėl pilotai svarbūs realiame pasaulyje

CP ir PP grandinės kartu lemia, kodėl įkrovimo seansas yra saugus net ir tada, kai teka tūkstančio amperų srovė. Jos taip pat yra pirmoji vieta, į kurią inžinieriai atkreipia dėmesį, kai seansas neprasideda: surūdijęs PP įžeminimas, nuskilęs CP rezistorius arba pažeistas pilotinis kontaktas sudaro stebėtiną dalį iškvietimų dėl „įkroviklis neužsiveda“. Šių grandinių supratimas paslaptingą gedimą paverčia 10 minučių diagnoze.

Svarbiausios išvados

• CP grandinė perduoda 1 kHz PWM signalą, kurio darbo ciklas koduoja turimą srovę; diodinė konstrukcija leidžia aptikti trumpąjį jungimą su įžeminimu.
• PP grandinėje naudojamas rezistorių tinklas kabelio buvimui ir užsifiksavimo būsenai aptikti, užtikrinant apsaugą nuo išjungimo ir jungties lizdo patvirtinimą.
• Abi grandinės yra saugios gedimams: trūkstamas arba negaliojantis pilotinis signalas nutraukia sesiją prieš uždarant bet kurį aukštos įtampos kontaktorių.
• Pilotinės linijos gedimai yra vieni iš dažniausiai pasitaikančių įkroviklio užvedimo gedimų – multimetras ir šios grandinės žinios daugelį jų išsprendžia per kelias minutes.

Susisiekite su „MIDA Power“ inžinieriais, siūlančiais CCS1/CCS2 įkroviklius su bandomąja grandine, skirta diagnostikai lauke: aiškiai paženklinti bandymo taškai, standartizuoti gedimų kodai ir techninės priežiūros dokumentai, kuriuose technikams pateikiami CP/PP trikčių šalinimo patarimai. Susisiekite su mumis dėl techninės dokumentacijos, mokymo pagalbos ir produkto specifikacijų.