Globālās EV uzlādes atšifrēšana: CCS salīdzinājumā ar CHAdeMO, V2G Evolution un ChaoJi standartiem

Globālās elektroautomobiļu uzlādes ainavas atšifrēšana: visaptverošs tehnisks padziļināts ieskats CCS un CHAdeMO protokolos, ISO 15118 un CAN kopnes komunikācijā, V2G evolūcijā un ChaoJi standarta rašanās.

1. Ievads: līdzstrāvas ātrās uzlādes evolūcija un standartizācijas centieni

Pāreja uz elektromobilitāti nav tikai automobiļu piedziņas sistēmas maiņa, bet gan fundamentāla enerģijas sadales un patērētāju uzvedības pārstrukturēšana. Šīs pārejas centrā ir uzlādes infrastruktūra, īpaši tehnoloģijas, kas nodrošina ātru uzlādi ar līdzstrāvas (DC) tehnoloģiju (DCFC). Tā kā elektrotransportlīdzekļi (EV) ir pārgājuši no nišas eksperimentāliem projektiem uz plaši izplatītiem transporta risinājumiem, nepieciešamība pēc ātras, uzticamas un standartizētas uzlādes ir kļuvusi ārkārtīgi svarīga. Tomēr ceļš uz standartizāciju nebūt nav bijis lineārs. Nozari ir definējusi daudzu gadu konkurence starp divām galvenajām arhitektūrām: kombinēto uzlādes sistēmu (CCS) un CHAdeMO standartu.

Mūsdienu elektroautomobiļu pirmsākumos — aptuveni 2000. gadu beigās un 2010. gadu sākumā — ainava bija patentētu un agrīnās stadijas standartu “Mežonīgie Rietumi”. Nissan LEAF, kas tika ieviests 2010. gadā, aizstāvēja CHAdeMO standartu, kura izcelsme meklējama Japānā. To izstrādāja CHAdeMO asociācija (TEPCO, Nissan, Mitsubishi un citu uzņēmumu koalīcija), un tā bija pirmā plaši ieviestā līdzstrāvas ātrās uzlādes sistēma pasaulē. CHAdeMO piedāvāja robustu, divvirzienu platformu, kas komunikācijai izmantoja kontrollera apgabala tīkla (CAN) kopni — protokolu, kas jau ir dziļi iesakņojies autobūves inženierijā.

Turpretī Eiropas un Amerikas ražotāji meklēja integrētāku pieeju. Tā vietā, lai izmantotu atsevišķas pieslēgvietas maiņstrāvas un līdzstrāvas uzlādei, kā tas bija CHAdeMO transportlīdzekļiem, viņi ierosināja kombinēto uzlādes sistēmu (CCS). CCS izmantoja “Combo” savienotāju, kas pievienoja līdzstrāvas tapas esošajiem maiņstrāvas standartiem (1. tips Ziemeļamerikā un 2. tips Eiropā). Papildus fiziskajam savienotājam CCS izvēlējās ievērojami atšķirīgu komunikācijas ceļu: elektrolīnijas komunikāciju (PLC), kuras pamatā ir ISO 15118 un DIN 70121 standarti.

Šī arhitektūras atšķirība radīja divdaļīgu tirgu. Vairāk nekā desmit gadus elektrotransportlīdzekļu vadītāji, uzlādes staciju operatori (CPO) un autoražotāji ir orientējušies sarežģītā vidē, kurā transportlīdzekļu saderība ir atkarīga no ģeogrāfiskās atrašanās vietas un ražotāja vēlmēm. Konkurence starp CCS un CHAdeMO nav tikai par kontaktdakšas formu; tā ir komunikācijas filozofiju, shēmu topoloģiju un ģeopolitiskās ietekmes cīņa.

Raugoties 2030. gadu virzienā, ainava atkal mainās. Līdz ar Ziemeļamerikas uzlādes standarta (NACS) parādīšanos, kas būtībā pārņem CCS komunikācijas protokolu citā formā, un nākamās paaudzes ChaoJi standarta izstrādi nozare virzās uz iespējamu, kaut arī sarežģītu, konverģenci. Šajā rakstā sniegta padziļināta CCS un CHAdeMO atšķirību tehniskā analīze, izpētot detalizētas detaļas par to komunikācijas steku, to savienotāju fiziku, tirgus spēkus, kas virza to attīstību, un īpaši lielas jaudas uzlādes nākotni.

2. Komunikācijas protokoli: ISO 15118 (PLC) salīdzinājumā ar CHAdeMO (CAN)

Būtiskākā tehniskā atšķirība starp CCS un CHAdeMO ir tajā, kā transportlīdzeklis (EV) un elektrotransportlīdzekļu piegādes iekārta (EVSE) sazinās viens ar otru. Šī saziņa ir kritiski svarīga drošības pārvaldībai, akumulatora stāvokļa pārbaudei, sprieguma un strāvas līmeņu saskaņošanai un norēķinu informācijas apstrādei.

2.1 CHAdeMO pieeja: CAN kopnes komunikācija

CHAdeMO izmanto kontrollera apgabala tīkla (CAN) kopnes protokolu. Automobiļu inženierijas kontekstā CAN ir “lingua franca”. To izstrādāja Bosch 20. gs. astoņdesmitajos gados, lai nodrošinātu stabilu, pret troksni aizsargātu saziņu starp elektroniskajām vadības blokiem (ECU) transportlīdzeklī. CHAdeMO izmanto īpašu CAN pāri uzlādes kabelī, lai atvieglotu saziņu starp lādētāju un automašīnu.

CHAdeMO protokols ir samērā vienkāršs. Tas seko stingri noteiktai signālu secībai. Ievietojot CHAdeMO spraudni, fizisks 12 V signāls sāk procesu. Pēc tam automašīna un lādētājs apmainās ar pamatinformāciju, izmantojot CAN kopni, piemēram, maksimālo spriegumu, ko akumulators var pieņemt, un maksimālo strāvu, ko lādētājs var nodrošināt. Tā kā CAN ir zema latentuma reāllaika protokols, CHAdeMO var ļoti ātri reaģēt uz akumulatora stāvokļa izmaiņām vai drošības pārtraukumiem.

Viena no CHAdeMO/CAN arhitektūras būtiskajām priekšrocībām ir tās iekšējais atbalsts divvirzienu jaudas plūsmai (V2G/V2H). Tā kā komunikācija ir balstīta uz vienkāršiem, precīzi definētiem CAN ID, transportlīdzekļa un tīkla funkciju ieviešana bija iespējama gandrīz jau no paša sākuma. CHAdeMO ļauj lādētājam pieprasīt jaudu no automašīnas akumulatora, atvieglojot frekvences regulēšanu un mājas rezerves barošanu.

2.2 CCS pieeja: PLC un ISO 15118

CCS izmanto ievērojami sarežģītāku pieeju, izmantojot elektrolīnijas komunikāciju (PLC). Konkrēti, CCS izmanto HomePlug Green PHY standartu, lai pārraidītu augstfrekvences datus caur savienotāja vadības pilota (CP) tapu. Šie dati pēc tam tiek interpretēti, izmantojot ISO 15118 un DIN 70121 standartus.

Kāpēc izvēlēties PLC, nevis CAN? Galvenais iemesls bija nākotnes atbilstība un datu ietilpība. ISO 15118 tika izstrādāts ne tikai pamata uzlādes vadībai, bet arī kā visaptverošs digitālās komunikācijas ietvars. Tas atbalsta tādas uzlabotas funkcijas kā “Plug & Charge”, kur transportlīdzeklis automātiski identificē sevi un apstrādā maksājumus, neizmantojot RFID karti vai mobilo lietotni. Lai atbalstītu šīm funkcijām nepieciešamo šifrēšanu un sarežģītās datu struktūras, tika uzskatīts par nepieciešamu lielāku joslas platumu nekā tipiska CAN kopne.

Tomēr PLC izmantošana rada ievērojamu sarežģītību. Tā kā CP pieslēgvieta tiek izmantota arī pamata impulsa platuma modulācijas (PWM) signālam (pārnešana no J1772 maiņstrāvas uzlādes standarta), PLC signāls ir jāuzliek uz šī analogā signāla. Tas prasa sarežģītus raidītājus un filtrus, lai nodrošinātu, ka elektriskais troksnis no lieljaudas līdzstrāvas uzlādes procesa nebojā saziņu. "Rokspiediena" process CCS ir ievērojami lēnāks nekā CHAdeMO, jo sistēmai ir jāizveido tīkla saite, jāveic uz IP balstīta komunikācija (TCP/IPv6) un jāapmainās ar XML balstītiem ziņojumiem.

2.3 Protokolu salīdzināšanas kopsavilkums

Kompromiss starp CAN un PLC ir vienkāršības un iespēju attiecība. CHAdeMO CAN balstītā sistēma ir ātra, uzticama un relatīvi viegli ieviešama, taču tai trūkst sarežģītas, slāņveida komunikācijas arhitektūras, kas nepieciešama netraucētai, drošai globālai viesabonēšanai un augsta līmeņa datu apmaiņai. CCS ISO 15118/PLC sistēma ir jaudīga, uzņēmuma līmeņa komunikācijas sistēma, kas nodrošina uzlabotas viedtīklu funkcijas, taču tas notiek uz augstākas aparatūras sarežģītības un trauslākas fiziskā slāņa komunikācijas vides rēķina.

3. Pamata shēmas topoloģija un jaudas elektronika

Atšķirības starp CCS un CHAdeMO sniedzas tālāk par programmatūru un komunikāciju, iekļaujot uzlādes procesa pamata elektrisko arhitektūru. Abu sistēmu mērķis ir piegādāt augstsprieguma līdzstrāvu tieši akumulatoram, apejot transportlīdzekļa iebūvēto maiņstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāju, taču tās apstrādā jaudas elektroniku un drošības izolāciju atšķirīgi.

3.1 Rokasspiedieni un drošības cilpas

Līdzstrāvas ātrās uzlādes scenārijā EVSE būtībā ir jaudīgs līdzstrāvas barošanas avots, ko kontrolē transportlīdzeklis. Šīs sistēmas drošība ir atkarīga no dublētām aparatūras un programmatūras bloķēšanas sistēmām.

CHAdeMO topoloģija:CHAdeMO uzlādes ķēdes stāvokļa pārvaldībai izmanto virkni fizisku kontaktoru un 12 V signāla līnijas. Secība ir šāda:

1. Fizisks savienojums un noteikšana.
2. 12 V rokasspiediena signāls no EV uz EVSE.
3. Sākas CAN kopnes komunikācija.
4. EVSE veic izolācijas pārbaudi, lai pārliecinātos, ka kabelī vai savienotājā nav zemējuma kļūdu.
5. Transportlīdzeklis aizver savus iekšējos līdzstrāvas kontaktorus.
6. EVSE sāk nodrošināt strāvu.

CHAdeMO shēma ir izstrādāta tā, lai aparatūras līmenī tā būtu “droša pret atteici”. Ja 12 V signāls tiek pazaudēts, EVSE nekavējoties jāpārtrauc strāvas plūsma.

CCS topoloģija:CCS izmanto integrētāku topoloģiju, kas atvasināta no maiņstrāvas uzlādes standartiem. Tajā tiek izmantoti vadības pilota (CP) un tuvuma pilota (PP) pieslēgumi.

1. PP tapa norāda, ka spraudnis ir ievietots un aizbīdnis ir aizvērts.
2. CP pieslēgvieta izmanto PWM signālu, lai norādītu EVSE stāvokli un strāvas jaudu.
3. PLC komunikācija tiek izveidota pa CP līniju.
4. Digitālās sarunas notiek, izmantojot ISO 15118.
5. Tiek veikta izolācijas uzraudzība.
6. Līdzstrāvas kontaktori ir slēgti.

CCS sistēmā pāreju no maiņstrāvas uz līdzstrāvas uzlādi apstrādā tā pati Control Pilot loģika, kas ražotājiem atvieglo tādu transportlīdzekļu ražošanu, kas atbalsta abus uzlādes veidus, izmantojot vienu vienotu portu.

3.2 Jaudas līmeņi un termiskie ierobežojumi

Uzlādes stacijas jaudas elektronikai jāspēj dinamiski modulēt spriegumu un strāvu.

• CHAdeMO:Vēsturiski CHAdeMO bija ierobežots līdz 50 kW (500 V, 125 A). Lai gan standarts ir atjaunināts (CHAdeMO 2.0), lai atbalstītu līdz 400 kW, ļoti maz transportlīdzekļu vai uzlādes ierīču ir ieviesušas šos augstākos līmeņus. Ierobežojums bieži vien ir termisks; bez aktīvas šķidruma dzesēšanas kabelī CHAdeMO savienotājam ir grūti izturēt vairāk nekā 200 A kontakta pretestības dēļ.
• CCS:CCS tika izstrādāts, domājot par augstākiem griestiem. Izmantojot ar šķidrumu dzesējamus kabeļus un savienotājus, CCS2 (Eiropas versija) var uzturēt strāvu līdz 500 A un spriegumu līdz 1000 V, nodrošinot uzlādes ātrumu 350 kW un vairāk. CCS arhitektūra, īpaši 2. tipa formātā, nodrošina labāku virsmas laukumu augstas strāvas līdzstrāvas pieslēgvietām, samazinot saskarnē radīto siltumu.

3.3 Izolācijas uzraudzība un iezemēšana

Kritisks līdzstrāvas ķēdes topoloģijas aspekts ir izolācijas uzraudzības sistēma (IMS). Tā kā līdzstrāvas ātrā uzlāde ietver spriegumu, kas var pārsniegt 800 V, sistēmai ir nepārtraukti jāuzrauga pretestība starp pozitīvajām/negatīvajām līdzstrāvas sliedēm un šasijas zemējumu.

• CHAdeMO lādētājiem parasti ir integrēta IMS (Integrētās vadības sistēma), kas izslēdz barošanas posmu, ja izolācija nokrītas zem noteikta sliekšņa (parasti 100 omi uz voltu).
• CCS sistēmām ir nepieciešama arī izolācijas uzraudzība, taču, tā kā PLC komunikācija notiek CP pieslēgvietā (kas ir saistīta ar zemi), pastāv teorētisks traucējumu risks starp augstsprieguma līdzstrāvas sliedēm un komunikācijas signālu, ja izolācija tiek apdraudēta. Lai to mazinātu, ir nepieciešama uzlabota filtrēšana CCS aparatūrā.

3.4 Divvirzienu jaudas elektronika

Divvirzienu uzlādes shēmas topoloģija pēc savas būtības ir sarežģītāka. Tai ir nepieciešams invertors EVSE (vai automašīnā), kas var sinhronizēties ar tīkla maiņstrāvas frekvenci.

• CHAdeMO:Standarts definē V2X (Vehicle to Everything — no transportlīdzekļa uz visu) protokolu CAN līmenī, ļaujot ārējam lādētājam darboties kā invertoram. Tas vienkāršo automašīnas elektroniku, bet padara “V2G lādētāju” dārgāku.
• CCS:Standarts ISO 15118-20 (jaunākā versija) beidzot nodrošina stabilu divvirzienu atbalstu CCS. Tomēr, lai to ieviestu, ir nepieciešamas būtiskas izmaiņas transportlīdzekļa borta jaudas elektronikā un PLC komunikācijas kaudzē, kā rezultātā V2G funkciju ieviešana CCS saderīgās automašīnās notiek lēnāk nekā to CHAdeMO analogos.

[Turpinājums sekos nākamajā atjauninājumā...]

4. Savienotāju inženierija: mehāniskā izturība, termiskā vadība un drošības pārbaude

Fiziskā saskarne starp elektromobili un uzlādes ierīci ir precīzas inženierijas sasniegums. Tai jāspēj apstrādāt simtiem kilovatu jaudas, izturēt tūkstošiem savienojuma ciklu un izturēt ekstremālus laikapstākļus, vienlaikus saglabājot drošību vidusmēra patērētājam. CCS un CHAdeMO savienotāju dizaina filozofijas pārstāv divas dažādas pieejas šo problēmu risināšanai.

4.1 Mehāniskā konstrukcija un bloķēšanas mehānismi

Līdzstrāvas ātrās uzlādes savienotājs nav tikai spraudnis; tā ir bloķēta augstsprieguma saskarne.

• CHAdeMO savienotājs:CHAdeMO spraudnis ir pazīstams ar savu relatīvi lielo, apaļo formu un mehānisko fiksācijas sviru. Tajā tiek izmantota virkne tapu gan barošanai, gan signālam. CHAdeMO dizaina galvenā iezīme ir tā, ka bloķēšanas mehānisms bieži vien ir integrēts pašā savienotājā. Kad lietotājs nospiež sprūdu un ievieto spraudni, mehāniskās bloķēšanas ierīces nodrošina, ka to nevar izņemt, kamēr plūst strāva. Tapas ir konstruētas tā, lai tās būtu "apsegtas", lai novērstu nejaušu saskari, un savienotājs ir izstrādāts tā, lai izturētu ievērojamus kritienus un triecienus.
• CCS savienotājs (1. kombinācija un 2. kombinācija):CCS savienotājs ir 1. tipa (J1772) un 2. tipa (Mennekes) maiņstrāvas spraudņu evolūcija. Zem maiņstrāvas kontaktu komplekta tam ir pievienoti divi lieli līdzstrāvas barošanas kontakti. Atšķirībā no CHAdeMO, CCS bloķēšanas mehānisms parasti atrodas transportlīdzekļa uzlādes portā, nevis savienotājā. Automašīnā esošs elektromagnētiskais izpildmehānisms saspiež savienotājā iecirtumu, lai to noturētu vietā. Tas ļauj izveidot elegantāku savienotāja dizainu, bet mehāniskās uzticamības slogu uzliek transportlīdzekļa ražotājam.

4.2 Mehāniskās izturības un ilgmūžības pārbaude

Abi standarti ir pakļauti stingriem testēšanas protokoliem, piemēram, tiem, kas noteikti IEC 62196. Šie testi ietver:

• Ievietošanas un izvilkšanas spēks:Savienotājam jābūt pietiekami viegli iespraužamam, bet pietiekami drošam, lai saglabātu zemu kontakta pretestību. Laika gaitā sudrabotie kontakti var nolietoties, palielinot pretestību un karstumu.
• Saspiešanas tests:Gan CCS, gan CHAdeMO savienotāji tiek pārbaudīti, lai izturētu transportlīdzekļa sadursmi. Korpuss nedrīkst saplaisāt tā, lai atsegtu augstsprieguma komponentus.
• Triecienizturība:Savienotāji vairākas reizes tiek mesti no viena metra augstuma uz betona grīdas, lai nodrošinātu iekšējās izolācijas un mehānisko komponentu neskartību.

4.3 Termiskā pārvaldība: lielas strāvas izaicinājums

Karstums ir ātrās uzlādes ienaidnieks. Palielinoties strāvai (I), saražotais siltums (P = I²R) pieaug eksponenciāli.

• Pasīvā dzesēšana:Agrīnajos 50 kW lādētājos tika izmantoti biezi vara kabeļi, kas balstījās uz pasīvo izkliedi. Tas ierobežoja strāvu līdz aptuveni 125 A vai 150 A.
• Aktīva šķidruma dzesēšana:Lai sasniegtu 350 kW (500 A), CCS sistēmas pirmo reizi ieviesa ar šķidrumu dzesējamus kabeļus. Dzesēšanas šķidrums (bieži vien ūdens un glikola maisījums vai specializēta dielektriskā eļļa) tiek cirkulēts caur kabeli un līdz pat kontaktu aizmugurei. Tas ļauj izveidot plānāku un elastīgāku kabeli, vienlaikus pārvaldot lielo siltuma slodzi.
• CHAdeMO termiskais ceļš:Lai gan CHAdeMO 2.0 atbalsta šķidruma dzesēšanu, standarta vēlāka ieviešana lieljaudas uzlādes jomā nozīmēja, ka lielākā daļa esošās CHAdeMO infrastruktūras ir iestrēgusi 50–100 kW jaudā. CHAdeMO spraudņa iekšējais izkārtojums ar daudzajiem mazajiem signāla kontaktiem ap barošanas kontaktiem padara šķidruma dzesēšanas ieviešanu sarežģītāku salīdzinājumā ar CCS Combo savienotāja segregētāko izkārtojumu.

4.4 Vides blīvējums (IP aizsardzības pakāpe)

Uzlādes stacijas ir pakļautas lietum, sniegam un putekļiem. Lielākā daļa savienotāju ir novērtēti kā IP54 vai augstāks. Būtiska atšķirība ir tā, kā tie tiek galā ar mitrumu, kadatvienots no strāvasCCS savienotājiem bieži ir notekas caurumi, lai novērstu ūdens uzkrāšanos maiņstrāvas kontaktligzdās, savukārt CHAdeMO izturīgā apvalka un vāciņu sistēma ir izstrādāta tā, lai visa savienotāja virsma būtu sausa.

5. Elektroautomobiļu standartu ģeopolitika: cīņa par globālo dominanci

CCS un CHAdeMO stāsts ir tikpat daudz par starptautisko tirdzniecību un reģionālo protekcionismu, cik par inženieriju. Uzlādes standarta izvēlei ir milzīga ietekme uz valsts enerģētisko drošību un tās vietējo autoražotāju konkurētspēju.

5.1 Eiropas cietoksnis: CCS2

Eiropas Savienība bija izšķiroša dalībniece “Standartu karos”. Nosakot obligātu 2. tipa savienotāja izmantošanu maiņstrāvas uzlādei un CCS2 — līdzstrāvas uzlādei, ES nodrošināja vienotu tirgu. Tas piespieda Japānas un Amerikas ražotājus pielāgoties. Pat Tesla, kas ASV ilgi izmantoja patentētu savienotāju, Eiropā pārgāja uz CCS2 Model 3 un Model Y modeļiem. ES lēmumu noteica vēlme pēc sadarbspējas pāri robežām un priekšroka elastīgākam PLC/ISO 15118 komunikācijas standartam, kas atbilda viņu “Viedā tīkla” plānam.

5.2 Japāņu nostāja: CHAdeMO izcelsme

Japānas apņemšanās ieviest CHAdeMO bija tās vadošās pozīcijas paplašināšana agrīnajā elektrotransportlīdzekļu tirgū. Pirmā masveida tirgus elektrotransportlīdzekļa (LEAF) laišana klajā nozīmēja, ka Japāna kontrolēja agrīno uzlādes naratīvu. Tomēr, mainoties globālajam tirgum, Japāna nonāca arvien izolētākā situācijā. Reakcija bija ChaoJi izstrāde — sadarbība ar Ķīnu, lai izveidotu nākamās paaudzes standartu, kas galu galā varētu aizstāt gan CHAdeMO, gan Ķīnas GB/T standartu.

5.3 Ziemeļamerikas sarežģītība: CCS1 pret NACS

Ziemeļamerikā situācija bija sadrumstalota. Ford, GM un citi ieviesa CCS1 (1. tipa kombināciju). Tikmēr Tesla, izmantojot savu patentēto savienotāju, izveidoja pasaulē veiksmīgāko uzlādes tīklu. Šokējošā notikumu pavērsienā 2023. gadā nozare mainījās. Ford paziņoja, ka ieviesīs Tesla savienotāju, kas tika pārdēvēts par Ziemeļamerikas uzlādes standartu (NACS). Svarīgi ir tas, ka NACS izmanto…tas patsISO 15118 PLC komunikācijas protokols kā CCS. Tādējādi, lai gan kontaktdakša mainīja formu, sistēmas "smadzenes" palika saderīgas ar CCS. Tas faktiski iezīmēja CHAdeMO ceļa beigas ASV tirgū, jo pat pēdējais konkurents (Nissan) sāka pāreju.

5.4 Ķīnas suverēnais ceļš: GB/T

Ķīna, pasaulē lielākais elektrotransportlīdzekļu tirgus, izvēlējās savu ceļu ar GB/T standartu. Tāpat kā CHAdeMO, GB/T izmanto CAN kopnes komunikāciju, bet tam ir atšķirīga fiziskā pieslēgvietu izvietojuma shēma. Ķīnas tirgus milzīgais apjoms nozīmē, ka GB/T pēc pieslēgvietu skaita ir visplašāk izmantotais standarts pasaulē. Tomēr Ķīnas iesaistīšanās ChaoJi projektā liecina par vēlmi pēc globālas saskaņošanas un īpaši lielas jaudas iespējām, ko pašreizējais GB/T standarts nevar viegli sasniegt.

6. Transportlīdzekļa un tīkla (V2G) iespējas: divvirzienu uzlādes potenciāls

Tehnoloģija “Vehicle-to-Grid” (V2G) ļauj elektrotransportlīdzekļiem darboties kā milzīgām mobilajām baterijām, pievadot enerģiju atpakaļ tīklā maksimālās pieprasījuma laikā vai nodrošinot rezerves enerģiju mājām (V2H).

6.1 CHAdeMO pārsvars

Gadiem ilgi, ja vēlējāties V2G, jūs iegādājāties CHAdeMO transportlīdzekli. Tā kā CAN kopnes komunikācija bija vienkārša un divvirzienu jau no pirmās dienas, CHAdeMO lādētāji varēja viegli pieprasīt enerģiju no automašīnas. Nissan LEAF jau vairāk nekā desmit gadus tiek izmantots V2G izmēģinājuma projektos visā pasaulē. Protokols (CHAdeMO V2X) ir nobriedis un labi dokumentēts.

6.2 CCS cīņa un ISO 15118-20

CCS nokavēja V2G ieviešanu. Sākotnējam standartam ISO 15118-2 nebija stabila atbalsta divvirzienu jaudas plūsmai. Tikai pēc ISO 15118-20 izlaišanas CCS ekosistēmai bija standartizēts veids, kā apstrādāt sarežģītās V2G nepieciešamās sarunas, piemēram, tīkla sinhronizācijas datus un izlādes ierobežojumus. -20 ieviešana ir tehniski sarežģīta, un tai ir nepieciešama jauna aparatūra gan transportlīdzeklī, gan uzlādes ierīcē. Lai gan CCS panāk pārējos, CHAdeMO mantojums šajā jomā joprojām ir spēcīgs arguments tā turpmākai izmantošanai konkrētos autoparkos un komunālo pakalpojumu lietojumos.

6.3 V2G ekonomika

Tehniskās atšķirības ietekmē arī izmaksas. CHAdeMO V2G konfigurācijā dārgais līdzstrāvas-maiņstrāvas invertors parasti atrodas uzlādes stacijā. Tas samazina automašīnas izmaksas, bet padara lādētāju ļoti dārgu (bieži vien vairāk nekā 10 000 USD). CCS ražotāji pēta gan “DC V2G” (līdzīgi kā CHAdeMO), gan “AC V2G”, kur automašīnas iebūvētais lādētājs veic inversiju. Pēdējais varētu ievērojami samazināt mājas V2H sistēmu izmaksas, taču tas prasa, lai transportlīdzekļa aparatūra būtu daudz izturīgāka.

7. Tirgus daļas evolūcija: CCS uzplaukums un CHAdeMO nišas izdzīvošana

Ja aplūkojam 2015. un 2024. gada datus, tendence ir skaidra: CCS ir uzvarējis cīņā par galveno tirgu, savukārt CHAdeMO lielākajā daļā reģionu ārpus Japānas ir pārgājis uz mantojuma vai nišas atbalsta fāzi.

7.1 Lūzuma punkts

CHAdeMO samazināšanos var izsekot vairāku galveno faktoru dēļ:

1. Ražotāja atteikšanās:Kad Volkswagen, BMW un vēlāk Ford un GM apņēmās ieviest CCS, CHAdeMO liktenis Rietumos bija izlemts.
2. Infrastruktūras stimuli:Valdības subsīdijas ASV un Eiropā (piemēram, NEVI programma ASV) arvien vairāk deva priekšroku CCS, padarot CPO mazāk ienesīgu CHAdeMO aizbāžņu uzstādīšanu.
3. Jaudas ierobežojumi:Lielākās daļas CHAdeMO infrastruktūras nespēja pārsniegt 50 kW jaudu padarīja to mazāk pievilcīgu mūsdienu elektrotransportlīdzekļu īpašniekiem ar lieliem akumulatoru blokiem, kas var apstrādāt vairāk nekā 150 kW.

7.2 Nišas izdzīvošana

Neskatoties uz CHAdeMO norietu, tas nav miris. Miljoniem ar CHAdeMO aprīkotu transportlīdzekļu joprojām brauc pa ceļiem. Tādos tirgos kā Apvienotā Karaliste un Japāna CHAdeMO joprojām ir būtiska publiskā tīkla sastāvdaļa. Turklāt smago transportlīdzekļu un autobusu pasaulē daži ražotāji joprojām dod priekšroku CHAdeMO CAN balstītajai vienkāršībai, pateicoties tā uzticamībai un V2G gatavībai.

7.3 Datu analīze: Porti atbilstoši standartam

Jaunākie tirgus ziņojumi liecina, ka Eiropā CCS2 pieslēgvietu skaits tagad pārsniedz CHAdeMO pieslēgvietu skaitu attiecībā vairāk nekā 10 pret 1. Ziemeļamerikā pāreja ir vēl dramatiskāka, daudzām jaunām stacijām pilnībā atsakoties no CHAdeMO par labu divējādām CCS/NACS konfigurācijām. CHAdeMO "garā aste", visticamāk, saglabāsies vēl desmit gadus, taču tā ēra kā dominējošam globālam standartam ir pagājusi.

[Turpinājums sekos nākamajā atjauninājumā...]

8. Starpstandartu adapteri un sadarbspējas izaicinājumi: “Plaisu pārvarēšanas” fizika

Tā kā pasaule pāriet uz dažiem dominējošiem standartiem, daudziem elektroautomobiļu īpašniekiem miljona dolāru jautājums ir: “Vai es varu izmantot adapteri?” Atbilde ir tehniski sarežģīta un ietver vairāk nekā tikai fizisku kontaktu pārkārtošanu.

8.1 Vienkāršs gadījums: maiņstrāvas adapteri

Pielāgošanās maiņstrāvas standartiem (piemēram, no 1. tipa uz 2. tipu) ir samērā vienkārša. Tie ir "nepilnīgi" adapteri, kas vienkārši novirza vara vadus. Komunikācijas protokols (PWM signalizācija) ir identisks visās J1772 un Mennekes bāzes maiņstrāvas sistēmās.

8.2 Sarežģītais gadījums: līdzstrāvas adapteri

Līdzstrāvas adapteri, piemēram, Tesla-to-CHAdeMO vai CCS1-to-NACS adapteri, ir ievērojami sarežģītāki.

• Protokola tulkošana:Pielāgojoties divām dažādām saziņas valodām (piemēram, CHAdeMO automašīna mēģina izmantot CCS lādētāju), adapterim ir jāietver aktīvs mikrokontrolleris. Šī mikroshēma darbojas kā "tulks", klausoties CAN kopnes signālus no automašīnas un ģenerējot atbilstošos PLC/ISO 15118 signālus lādētājam. Tas rada latentumu un potenciālu kļūmes punktu.
• Termiskā uzraudzība:Tā kā adapteri ievieš papildu kontakta punktus, tie ir pakļauti pārkaršanai. Augstas kvalitātes līdzstrāvas adapterim ir jābūt saviem iekšējiem temperatūras sensoriem, kas var signalizēt automašīnai samazināt strāvu, ja savienojums kļūst pārāk karsts.
• Sprieguma loka veidošanās un drošība:Ātrā līdzstrāvas uzlāde ietver augstu spriegumu. Ja lietotājs mēģina atvienot adapteri, kamēr plūst strāva, var rasties spēcīga elektriskā loka izlāde, kas var sabojāt aprīkojumu vai izraisīt traumas. Adapteriem jābūt aprīkotiem ar mehāniskiem vai elektroniskiem bloķēšanas mehānismiem, kas sinhronizējas ar transportlīdzekļa komandu “pārtraukt uzlādi”.

8.3 Tesla/NACS pāreja

Visveiksmīgākais līdzstrāvas adapteru ieviešanas veids ir bijis Tesla “Magic Dock” un tā atsevišķie CCS-Tesla adapteri. Tā kā NACS izmanto CCS komunikācijas protokolu, šie adapteri tehniski ir “pasīvi” loģikas ziņā, taču tiem joprojām ir nepieciešama ārkārtīgi augstas kvalitātes termiskā pārvaldība un fiziski bloķēšanas mehānismi, lai apstrādātu uzlādes ātrumu virs 250 kW.

9. ChaoJi standarts: tilts uz globālu harmonizāciju un īpaši augstu jaudu

Atzīstot pašreizējo CHAdeMO un GB/T standartu ierobežojumus, CHAdeMO asociācija un Ķīnas Elektroenerģijas padome (CEC) apvienoja spēkus, lai izstrādātuChaoJi(pazīstams arī kā CHAdeMO 3.0).

9.1 Projektēšanas mērķi: vairāk nekā 500 kW

ChaoJi ir izstrādāts nākotnei. Tā galvenais mērķis ir atbalstīt īpaši lielas jaudas uzlādi — līdz 900 kW (1500 V un 600 A). Tas ir paredzēts smago kravas automašīnu un autobusu tirgum, kur 500 kWh akumulatoru bloka uzlāde 20 minūtēs ir darbības efektivitātes prasība.

9.2 Tehniskā arhitektūra

• Atpakaļejoša saderība:Viena no ChaoJi iespaidīgākajām funkcijām ir tā atpakaļsaderība. Savienotājs ir izstrādāts tā, lai adapteri varētu viegli savienot ChaoJi transportlīdzekļus ar esošajiem CHAdeMO, GB/T un pat CCS uzlādes stacijām.
• Vienkāršots savienotājs:ChaoJi spraudnis ir ievērojami mazāks un vieglāks nekā pašreizējie CHAdeMO vai CCS Combo 2 savienotāji. Tajā izmantots jauns kontaktu izkārtojums, kas optimizē strāvas blīvumu un samazina ievietošanai nepieciešamo spēku.
• Uzlabotā vadības pilota:ChaoJi ievieš “divējāda režīma” komunikācijas stratēģiju. Tā var atbalstīt gan tradicionālo CAN kopni (mantotajām sistēmām), gan ātrākus digitālos protokolus nākotnes lietojumprogrammām.
• Drošības funkcijas:ChaoJi ietver tādas uzlabotas funkcijas kā “zemējuma noplūdes ķēdes pārtraucējs” (ELCB) un sarežģīta mitruma noteikšana savienotāja galvā, nodrošinot drošību pat pie 1500 V.

9.3 Globālās sekas

ChaoJi ir potenciāls standartu karu “atiestatīšanas” taustiņš. Ja tas tiktu plaši ieviests Āzijā un lieljaudas transportlīdzekļos visā pasaulē, tas varētu kļūt par faktisko standartu visam, kas ir lielāks par vieglo automašīnu, kamēr CCS/NACS dominē patēriņa transportlīdzekļu tirgū.

10. Nākotnes perspektīvas: megavatu uzlāde, cietvielu akumulatori un bezvadu integrācija

2024. gada tehnoloģijas ir tikai sākums. Nākamajā desmitgadē notiks trīs būtiskas pārmaiņas tajā, kā mēs enerģiju pārnesam uz transportlīdzekļiem.

10.1 Megavatu uzlādes sistēma (MCS)

Lielākajiem transportlīdzekļiem — 8. klases kravas automašīnām, kuģiem un pat mazām lidmašīnām — pat 350 kW ir pārāk lēna jauda. Megavatu uzlādes sistēma (MCS) ir jauns standarts, kas paredzēts jaudai līdz 3,75 MW (3000 A pie 1250 V). MCS izmanto pilnīgi jaunu savienotāju un specializētu ISO 15118 protokola versiju. Tā aizņemas PLC komunikāciju no CCS, bet fiziskās aparatūras mērogošanu līdz vēl nebijušam līmenim.

10.2 Cietvielu akumulatori un uzlādes līknes

Mūsdienu "uzlādes līkni" ierobežo litija jonu akumulatoru ķīmiskās īpašības. Akumulatoram uzpildot, uzlādes ātrumam ir jāsamazinās, lai novērstu bojājumus. Cietvielu akumulatori (SSB) sola to mainīt. SSB var tikt galā ar daudz augstākiem C ātrumiem, kas nozīmē, ka tie potenciāli varētu uzturēt maksimālo uzlādes ātrumu (piemēram, 350 kW) no 0% līdz pat 80% vai 90% SoC. Tas radīs milzīgu spiedienu uz uzlādes stacijām, lai nodrošinātu ilgstošu, lielu jaudu bez termiskās ierobežošanas.

10.3 Bezvadu līdzstrāvas uzlāde

Lai gan galvenā uzmanība tiek pievērsta kontaktdakšām, bezvadu (induktīvā) uzlāde nobriest. Statiskā bezvadu uzlāde jau tiek ieviesta sabiedriskā transporta autobusos. Nākamā robeža irdinamisksbezvadu uzlāde — brauktuvē iestrādātas spoles, kas uzlādē transportlīdzekli braukšanas laikā. No protokola viedokļa tas, visticamāk, balstīsies uz modificētu ISO 15118 versiju, kurā rokasspiedienam tiks izmantots Wi-Fi vai DSRC, nevis fizisks Control Pilot vads.

11. Tehniska padziļināta analīze: PLC un CAN signālu integritāte un elektromagnētiskā saderība (EMS)

Telpā esošajiem inženieriem izvēle starp PLC un CAN bieži tiek apspriesta signāla integritātes ziņā.

11.1 CAN kopnes priekšrocība

CAN ir diferenciālais signāls, kas nozīmē, ka tas pēc savas būtības ir izturīgs pret kopējā režīma troksni. Elektriski trokšņainā 300 kW līdzstrāvas lādētāja vidē, kur jaudas elektronikas ātrgaitas komutācija rada milzīgu elektromagnētisko traucējumu (EMI) daudzumu, CAN kopne darbojas nevainojami. Tai nepieciešama vienkārša vītā pāra elektroinstalācija, un to ir ļoti grūti "sajaukt".

11.2 PLC izaicinājums

PLC (HomePlug Green PHY) darbojas 2 MHz līdz 30 MHz diapazonā. Šajā frekvenču diapazonā daudzi līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāji rada troksni. Lai PLC darbotos droši CCS lādētājā, inženieriem jāievieš:

• Uzlabota joslas caurlaides filtrēšana:Lai izolētu komunikācijas signālu no barošanas pārslēgšanas trokšņa.
• Impedances saskaņošana:Uzlādes kabeļa pretestība mainās, to atritinot vai pārvietojot, kas var atstarot PLC signālus un izraisīt datu zudumu.
• Kļūdu labojums:ISO 15118 ietver stabilu programmatūras līmeņa kļūdu labošanu, lai apstrādātu neregulārus "pakešu zudumus", ko izraisa elektriskās strāvas svārstības.

Šīs tehniskās izmaksas ir iemesls, kāpēc CCS uzlādes staciju projektēšana un sertifikācija bieži vien ir dārgāka nekā CHAdeMO uzlādes staciju projektēšana un sertificēšana.

12. Secinājums: orientēšanās vienotajā elektrotransportlīdzekļu infrastruktūras nākotnē

CCS un CHAdeMO sāncensība ir bijusi nozīmīga nodaļa ilgtspējīga transporta vēsturē. Tā bija kultūru sadursme: Japānas pragmatiskā, uz CAN balstītā uzticamība pret Rietumu pasaules vīziju par sarežģītu, uz PLC balstītu viedtīklu ekosistēmu.

Noslēdzot šo padziļināto analīzi, kļūst acīmredzamas vairākas patiesības:

1. Konsolidācija ir neizbēgama:Tirgus nevar mūžīgi uzturēt trīs vai četrus dažādus līdzstrāvas standartus. Ziemeļamerikā uzvarētājs ir NACS (kas izmanto CCS loģiku). Eiropā karalis ir CCS2. Āzijā CHAdeMO un GB/T apvienošanās ChaoJi ir jauns lielvaronis.
2. Programmatūra ir jaunais savienotājs:Tā kā fiziskie adapteri kļūst arvien izplatītāki un uzticamāki,fizisksspraudņa forma kļūst mazāk svarīga nekāprogrammatūraprotokols. Šķiet, ka ISO 15118/PLC dominance ir garantēta, jo to ir pieņēmušas pat NACS un MCS.
3. V2G ir īstā lietotne:Pāreja no “automašīnas uzlādes” uz “tīkla balansēšanu” ir nākamais lielais izaicinājums. CHAdeMO mums parādīja ceļu, taču nākotne tiks veidota uz ISO 15118 mērogojamā, drošā ietvara.

Elektroautomobiļu nozarē “Standartu kari” beidzas nevis ar vienu globālu uzvarētāju, bet gan ar reģionālu harmoniju. Neatkarīgi no tā, vai pievienojat CHAdeMO sviru vai elegantu NACS savienotāju, pamatmērķis paliek nemainīgs: ātra, efektīva un tīra enerģijas plūsma, lai nodrošinātu mobilitātes nākotni. CCS un CHAdeMO laikmetā gūtās inženiertehniskās mācības kalpos par pamatu nākamajam elektrisko inovāciju gadsimtam.

Paplašināts tehniskais pielikums: ISO 15118 slāņu un CHAdeMO CAN kadru salīdzinošā analīze

Lai vēl vairāk ilustrētu šo tehnoloģiju dziļumu, aplūkosim konkrētos iesaistītos OSI slāņus.

CHAdeMO komunikācijas steks:

• Fiziskais slānis:CAN 2.0B (500 kbps), 12 V diskrēti signāli.
• Datu saites slānis:Standarta CAN kadri ar konkrētiem ID (piemēram, 0×100 EVSE statusam, 0×101 EV statusam).
• Lietojumprogrammas slānis:Patentēts CHAdeMO ziņojumu kopums, stingri secīgs.

CCS (ISO 15118) komunikācijas steks:

• Fiziskais slānis:IEEE 1901 (HomePlug Green PHY) pār vadības pilotu.
• Datu saites slānis:Ethernet (MAC slānis).
• Tīkla/transporta slānis:IPv6, TCP, UDP.
• Sesijas/prezentācijas slānis:V2GTP (transportlīdzekļa un tīkla pārsūtīšanas protokols), XML/EXI (efektīva XML apmaiņa) kodējums.
• Lietojumprogrammas slānis:ISO 15118-2/20 funkcionālie ziņojumi (piemēram, ChargeParameterDiscovery, PowerDelivery).

CCS steka sarežģītība ir par daudzkārt augstāka nekā CHAdeMO. ISO 15118 ieviešanai ir nepieciešama pilna operētājsistēma (parasti Linux versija vai sarežģīta RTOS), lai apstrādātu tīkla steku, savukārt CHAdeMO var ieviest uz vienkārša 8 bitu vai 16 bitu mikrokontrollera. Šī atšķirība izskaidro, kāpēc agrīnajiem CCS lādētājiem bija vairāk "programmatūras kļūdu" un sadarbspējas problēmu nekā CHAdeMO lādētājiem, taču tā arī izskaidro, kāpēc CCS ir daudz labāk piemērots nākotnes kiberdrošības izaicinājumiem.

Galveno tehnisko atšķirību galīgais kopsavilkums

Automobiļu pasaulei virzoties uz nulles emisiju nākotni, šo standartu konverģence, izmantojot tādas tehnoloģijas kā ChaoJi un ISO 15118 komunikācijas loģikas ieviešanu, iezīmē patiesi globālas elektrotransportlīdzekļu ekosistēmas sākumu. “Kontaktdakšu cīņa” beidzot dod ceļu “kontaktdakšu harmonijai”. Konverģence, ko pārstāv ChaoJi, ISO 15118 komunikācijas loģikas kopīgā DNS, un megavatu klases sistēmu (MCS) pieaugums nozīmē, ka rītdienas uzlādes stacijas runās kopīgā valodā pat tad, ja tām būs dažādas fiziskās virsmas.

Ko “harmonija” patiesībā nozīmē praksē

Tīkla operatoriem vienotā nākotne nozīmē trīs praktiskas pārliecības:

• Protokola konverģence:ISO 15118-20 būs pamatā V2G, Plug & Charge un viedajai uzlādei visos savienotāju standartos. Lādētājs, kas šodien atbilst ISO 15118 standartam, desmit gadus saglabās programmatūras atbilstību prasībām, pat attīstoties savienotājiem.
• Fiziskā sadarbspēja:Divu savienotāju dozatori (CCS + NACS vai CCS + ChaoJi adapteri) un laukā maināmi savienotāju moduļi nozīmē, ka aparatūrai vairs nav jāpaļaujas uz vienu standartu.
• Ķīnas un Japānas saskaņotība:Ķīnas un Japānas standartizācijas institūciju sadarbība ChaoJi projektā ir skaidrākais signāls tam, ka pat vēsturiski konkurējoši standarti var apvienoties — ChaoJi ir izstrādāts kā globāla līdzstrāvas ātrās uzlādes saskarne, kas, izmantojot adapterus, ir saderīga ar GB/T, CHAdeMO un CCS ekosistēmām.

Stratēģiskā atziņa

“Kontaktdakšu cīņa” patērēja milzīgu inženiertehnisko un mārketinga enerģiju, taču uzvarētāji vienmēr bija transportlīdzekļi un tīkli, kas saglabāja elastību. Standarti saplūst, jo fizika ir kopīga: katrs standarts galu galā piegādā līdzstrāvas enerģiju no tīklam pieslēgta pārveidotāja akumulatorā, un komunikācijas slāņi apvienojas ap ISO 15118. Atšķirīgā iezīme vairs nav tas, kuru savienotāju lādētājs lieto, bet gan tas, cik labi tas uzlādējas — jaudas piegādes konsekvence, efektivitāte, darbības laiks un kiberdrošība.

V2G dividendes

Šī konverģence nav tikai kosmētiska — tā atver nozares lielāko neizmantoto vērtību plūsmu: transportlīdzekļa un tīkla savienojumu. ISO 15118-20 ir pirmais globālais standarts, kas vienā saskaņotā sistēmā definē divvirzienu enerģijas pārnesi, V2G tarifus un drošu Plug & Charge autentifikāciju. Ja CCS2 lādētājs un NACS lādētājs runā vienā un tajā pašā ISO 15118 valodā, gan Eiropas, gan Ziemeļamerikas transportlīdzeklis var piedalīties vienās un tajās pašās pieprasījuma reaģēšanas programmās, frekvences regulēšanas tirgos un avārijas barošanas shēmās. CHAdeMO bija V2G pionieris, taču tā CAN balstītais protokols nekad nebija paredzēts interneta mēroga drošībai un viedās uzlādes sarunām, ko nodrošina ISO 15118. Tāpēc standarts, kas "zaudēja" savienotāju karā, uzvar enerģijas karā, un tāpēc katrs nopietns tīkla operators tagad norāda ISO 15118-20 iespējas jaunajā aparatūrā.

Galvenie secinājumi

• CCS PLC balstītā ISO 15118 arhitektūra uzvarēja komunikācijas karā, jo tā ir pielāgojama V2G, Plug & Charge un nākotnes megavatu lietojumprogrammām, savukārt CHAdeMO CAN kopne joprojām ir mantojuma mugurkauls.
• ChaoJi demonstrē, ka Ķīna, Japāna un CCS ekosistēma var saplūst vienotā lieljaudas līdzstrāvas saskarnē.
• Operatoriem standartu risks ir pārvaldāms: izvēlieties ISO 15118 saderīgu aparatūru ar maināmiem savienotājiem, un jūs būsiet apdrošināts neatkarīgi no tā, kurš spraudnis ir labākais reģionā.
• Nākamais konkurences cīņas lauks nav savienotājs — tā ir uzlādes ātrums, uzticamība un integrācija tīklā.

MIDA Power ražo līdzstrāvas ātrās uzlādes ierīces, kas ir gatavas vienotajai nākotnei: ISO 15118 Plug & Charge atbalsts, OCPP atbilstība un lauka konfigurējami savienotāji, tostarp CCS1, CCS2, CHAdeMO, NACS un GB-T. Neatkarīgi no tā, vai jūs būvējat Ķīnas, Eiropas vai Ziemeļamerikas tirgum, mūsu aparatūra ir izstrādāta tā, lai tā saglabātu atbilstību standartiem. Sazinieties ar mums, lai saņemtu tehniskās specifikācijas un cenu piedāvājumu.