Источником энергии для привода электрического транспорта являются аккумуляторные батареи, которые накапливают заряд. Чтобы производить заряд накопителя электротранспорта от внешнего источника питания, необходимы специальные устройства – зарядные станции. Они являются заправками для электромобилей и электробусов.
Зарядные станции (рис. 12.1) или электрозаправки являются элементами инфраструктуры города, которые находятся на придорожной территории и предназначены для зарядки аккумуляторов электрического транспорта: электромобили, электробусы, электросамокаты, гироскутеры и др. Электрозаправки как и любое зарядное устройство являются преобразователем одного вида энергии в другой. Для того чтобы запитать АКБ электромобиля, которая использует постоянный ток, необходимо преобразовать переменный ток внешней сети. Помимо этого, зарядные устройства выравнивают напряжение общих сетей электроснабжения на напряжение, подходящее электродвигателю автомобиля.
Общая электрическая схема зарядной станции показана на рис. 12.2, а ее компоненты на рис. 12.3.
1 – контроль изоляции; 2 – устройство защитного отключения; 3 – изолированный трансформатор; 4 – корпус; 5 – изоляция вторичной цепи; 6 – разъем; 7 – защита
1 – ввод электроэнергии с линии электропередач; 2 – сигналы напряжения, силы тока и управления затворами силовых цепей; 3 – выпрямитель тока; 4 – регулируемый преобразователь постоянного тока; 5 – интерфейс транспортного средства; 6 – модуль контроля сопротивления изоляции; 7 – транспортное средство; 8 – интерфейс пользователя; 9 – главный интерфейс; 10 – шина передачи информации CAN; 11 – внешние устройства; 12 – специальная плата (микроконтроллер; 13 – блок питания
Ввод электроэнергии с линии электропередач 1 (в зависимости от назначения зарядной станции по скорости зарядки и мощности) (рис. 12.3) может быть осуществлен от сети 220, 380 или 1 000 вольт, достигая 11 000 вольт при наличии собственной подстанции.
Сигналы 2 напряжения, силы тока поступают в контроллер, на основании которых последний вырабатывает управляющие сигналы для силовых цепей в целях поддержания необходимых и достаточных мощностных показателей зарядной станции в соответствии с заряжаемым электрическим транспортным средством.
Выпрямитель тока 3 (Rectifer) с коррекцией коэффициента мощности это регулируемый выпрямитель, величина постоянного напряжения в котором поддерживается с помощью контроллера в зависимости от требуемых условий зарядки, с учетом фактических значений, потребляемых силы тока и напряжения в силовых цепях зарядной станции. Корректор коэффициента мощности предназначен для ограничения содержания гармонических и нелинейных искажений тока во входном токе вторичных источников электропитания и электронных нагрузках, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой преобразователь переменного тока в постоянный с широтно-импульсной модуляцией. Модулятор управляет мощным ключом (транзистором), который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.
Регулируемый преобразователь постоянного тока в постоянный 4 с промежуточной гальванической развязкой (для обеспечения электробезопасности), величина силы тока и напряжения в котором приводится в соответствие с требуемой характеристикой заряда для конкретного случая (от состояния АКБ и степени заряда) путем постоянного контроля этих параметров во времени контроллером с выработкой управляющих сигналов широтно-импульсной модуляции для силовых элементов — биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT).
Интерфейс транспортного средства 5 предназначен для коммуникации с транспортным средством путем подключения вилки зарядной станции к розетке транспортного средства. В кабеле и вилке подключения помимо силовых проводов имеются коммуникационные провода для обмена информацией между зарядной станцией и транспортным средством. Благодаря этой системе контроллер распознает потребности транспортного средства и определяет способ и время заряда, одновременно производится калькуляция стоимости зарядки транспортного средства. Эта система имеет гальваническую развязку от сетевого тока. В этом же блоке имеется модуль 6 (insulation resistance monitoring) осуществляющий контроль сопротивления изоляции. Этот модуль определяет сопротивление изоляции транспортного средства, и в случае определения уменьшения сопротивления до критического значения, прекращает зарядку с указанием ошибки, что требует устранения причин снижения сопротивления. Обмен информацией между контроллером и интерфейсом транспортного средства производится посредством обмена по CAN – шине (10).
Интерфейс пользователя 8 представляет собой графический дисплей с функцией тактильного управления, что позволяет владельцу транспортного средства выбрать из перечня предлагаемый способ заряда (по времени), желаемое время заряда, способ оплаты. Кроме этого можно увидеть энергетические параметры транспортного средства, неисправности и другие факторы, препятствующие выполнению заряда.
Главный интерфейс 9, выполняет функцию связующего предающего устройства, посредством которого производится обмен данными между интерфейсом пользователя 8 и интерфейсом транспортного средства 5, контроллером и внешними устройствами 11, к которому в первую очередь относится программатор, с помощью которого производится переналадка зарядной станции и/или системой дистанционного контроля.
Специальная плата 12 MCU (microcontroller unit) микроконтроллер, является основным управляющим элементом, который воспринимает информацию с различных устройств, управляет процессом коммуникации с пользователем, транспортным средством и управляет режимами преобразования и заряда.
Блок питания 13 осуществляет питание контроллера и всех узлов зарядной станции с гальванической развязкой.
На сегодняшний день существует 4 способа зарядки электромобилей:
1. Использование бытовых электросетей в 220 В. Самый популярный способ зарядки, который согласно статистике, использует 90% владельцев электромобилей.
2. Зарядка с использованием переменного тока с защитой внутри кабеля для подзарядки, входящего в комплектацию автомобиля.
3. Зарядка от однофазной или трехфазной электросети АЗС с применением специального разъема кабеля.
4. Зарядка электромобиля от специальных электрических заправочных станций быстрым током.
Зарядные станции подразделяются на станции переменного тока или постоянного тока, беспроводной зарядки.
По мощности зарядные станции можно подразделить на следующие:
— Для бытовых электрических сетей переменного тока — 230 В до 16 А (3,7 кВт). Их часто называют кабелем, так как они имеют малый корпус.
— Для ускоренной зарядки от электрических сетей переменного тока — 230 В/400 В от 16А до 40А (от 3,7 кВт до 30 кВт).
— Быстрая зарядка «Supercharger» с постоянным током, подаем питание на аккумуляторную батарею в обход инвертора. Представляет габаритное стационарное оборудование — от 10 кВт до 400 кВт.
Зарядные станции классифицируются и по принципу использования:
- стационарные;
- портативные;
- персональные;
- коммерческие;
- скоростные;
- ускоренные;
- замены батарей.
Отдельно можно отметить тип зарядных станций Tesla Supercharger , которые отличаются от указанных выше, обособленностью использования, называемые нагнетателями энергии. Они в течении 20 минут заряжают батареи до 50% объема, за 40 минут до 80% и за 75 минут до 100%. Tesla Supercharger обеспечивают высокую зарядную мощность 135 кВт постоянного тока (DC).
Как правило, высоковольтная (HV) аккумуляторная батарея автомобиля может заряжаться от внешнего источника напряжения переменного (AC) или постоянного тока (DC).
Для зарядки высоковольтной аккумуляторной батареи автомобиля используется кабель для зарядки, подключаемый к соответствующему зарядному разъему. В зависимости от рынка разъем для зарядки может быть расположен за лючком на левой и/или правой стороне автомобиля, спереди автомобиля или т.д.
Учитывая высокие токи и наличие контрольных проводов разъемы для зарядки делаются массивными. Во многих электромобилях под заправочным лючком имеется два разъема: один – для зарядки переменным током, второй – для подключения к постоянному току и быстрой зарядки.
В качестве примера зарядной станции рассмотрим станцию электрического постоянного тока ЕС-401 производства ОА Витязь, г. Витебск, Беларусь (рис. 12.4 и рис. 12.5). Станция имеет 2 кабеля для зарядки одного автомобиля, номинальное напряжение питания (400 ± 40) В, трехфазное подсоединение, мощность 50 кВт. В настоящее время ОА Витязь выпускает зарядные стации без жидкостного охлаждения мощностью 90 и 129 кВт, а также с жидкостным охлаждением мощностью 150, 180 и 200 кВт.
В 2023 году ОА Витязь начинает выпуск супербыстрого зарядного комплекса мощностью 350 квт с распределением выходной мощности. Напряжение зарядки 1000В, сила тока 500А. Комплекс имеет 2 зарядных поста. Если заряжается 2 электромобиля мощность зарядки составит 175 кВт, если один – 350 кВт.
 |
1, 2, 3 − индикаторы состояния станции (зеленый − питание подключено, станция свободна; синий − идет процесс зарядки электромобиля; красный − аварийное состояние); 4 − LCD сенсорный экран; 5 − считыватель RFID и NFC карт; 6 − кнопка аварийного отключения; 7 − держатели соединителей зарядных кабелей; 8 − соединитель CCS Combo 2; 9 − соединитель CHAdeMO; 10 − ручка-замок; 11 − кабельный ввод CHAdeMO; 12 − кабельный ввод CCS Combo 2; 13 − правая дверь; 14 – левая дверь; 15 − рым-болты; 16 − место пломбировки на ручках правой и левой дверей. |
(фронтальная часть)
1 − автоматические выключатели силовых модулей; 2 − силовые модули; 3 – дифференциальный автоматический выключатель станции; 4 − экран и светодиоды силового модуля; 5 − роутер 3G; 6 – блок вентиляторов; 7 − входной счетчик переменного тока; 8 − клеммная колодка для подключения кабеля питания; 9 − модуль защиты от перенапряжений; 10 − выходной счетчик постоянного тока; 11 − клеммная колодка для подключения зарядного кабеля CHAdeMO; 12 − клеммная колодка для подключения зарядного кабеля CCS Combo 2
Конструктивно станция выполнена в металлическом корпусе из листовой стали, с дверцами. Внутри корпуса расположены элементы и узлы станции.
На переднюю стенку выведены LCD сенсорный экран, светодиодные индикаторы состояния станции и кнопка аварийного отключения. Для удобства контроля режимов работы станции при запуске и эксплуатации предусмотрена светодиодная индикация режимов работы.
Станция имеет гальваническую развязку между входом и выходом. Ввод силового питающего кабеля находится внизу. Сетевой ввод подключается к станции с помощью шинопроводов. Цепь подключения имеет автоматический выключатель. В нештатных ситуациях станция отключает входные силовые электрические цепи и автоматически отключается при пропадании хотя бы одной фазы.
Для подключения электромобиля силовой цепи предусмотрен контактор. Электромобиль в зависимости от конструкции разъема подключается к станции с помощью одного из кабелей, оснащенного соединителем стандарта СHAdeMO или CCS Combo 2.
Режимы работы станции:
– режим ожидания заряда;
– заряд электромобиля постоянным током под управлением коммуникационного контроллера.
Заряд проходит по следующей схеме:
– станция заряжает автомобиль постоянным током согласно протоколу обмена, данными с электромобилем;
– при достижении полной зарядки аккумуляторов станция автоматически отключается и выводит сообщение об окончании заряда на экран дисплея;
– после отключения силового кабеля от электромобиля, станция переходит в режим ожидания подключения следующего электромобиля.
Алгоритм процесса зарядки стандартной зарядной станции мощностью 50 кВт показан на рис. 12.6.
Тем же производителем ОА Витязь выпускается настенные варианты зарядных станций на 230 В (однофазное подсоединение) и 400 В (трехфазное соединение).
Станция имеет 2 кабеля для зарядки одного автомобиля, номинальное напряжение питания (230 ± 23 или 400 ± 40) В, однофазное или трехфазное подсоединение, мощность 7,2 или 22,0 кВт.
Структурная схема станции показан на рис. 12.7.
После подключения соединителя зарядного кабеля к электромобилю контроллер заряда анализирует связь с подключаемым электромобилем, значение допустимого тока зарядки, который требуется для электромобиля, соединение электромобиля с проводником заземления. При выполнении всех условий корректного подключения, по команде контроллера происходит коммутация модульного контактора и подача напряжения на внешний соединитель зарядной станции. При этом внешний соединитель зарядного кабеля может быть заблокирован в розетке электромобиля.
Общий вид станции показан на рис. 12.8.
1 – питающий кабель; 2 – кронштейн; 3 – место пломбировки; 4 – корпус; 5 – контроллер заряда; 6 – модульный контактор; 7 – кабельные выводы; 8 – зарядный кабель
Существуют также передвижные зарядные станции. Российской кампанией «Милард» предлагается зарядная станция MCS-1T22-A (далее — ЗС) (рис. 12.9), которое обеспечивает зарядку электромобиля постоянным током в соответствии со спецификацией CHAdeMO.
Конструктивно ЗС выполнена в металлическом корпусе, в котором смонтированы все узлы. На передней стенке закреплены разъемы для подключения кабеля зарядки и кабеля питания. Данное решение позволяет отключить кабели от ЗС при транспортировке, легко заменить кабель в случае его повреждения, а также имеется возможность при необходимости использовать различные кабели питания (с разными типами сетевых вилок). Жидкокристаллический дисплей и кнопки управления расположены на верхней панели. Для удобства пользователя ЗС оснащена удобным интерфейсом управления с возможностью выбора мощности заряда электромобиля. Дисплей отображает информацию о состоянии зарядного устройства, о времени заряда и времени завершения заряда электромобиля. Там же, на верхней панели, располагается кнопка отключения, которая позволяет быстро отключить ЗС в случае каких-либо нештатных ситуаций. Устройство снабжено двумя ручками для комфортной переноски.
Зарядная станция MCS-1T22-A обеспечивает следующие характеристики: • максимальная выходная мощность 22,5 кВт, что позволяет зарядить аккумулятор электромобиля емкостью 30 кВт·ч до уровня 80% примерно за 1 ч; • питание от трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В, 50 Гц; • масса ЗУ без кабелей питания и подключения к электромобилю: 30 кг.
На рис. 12.10 представлена структура ЗС. Составные части выполняют строго определенные функции. Защитные элементы обеспечивают отключение питания от ЗУ в случае его отказа (например, короткое замыкание силовых цепей) и представляют собой автоматические выключатели для силовых цепей и цепей вторичного питания. Фильтр обеспечивает необходимую фильтрацию кондуктивных помех. Корректор мощности и выпрямитель обеспечивают выпрямление входного напряжения (трехфазная сеть) и корректировку коэффициента мощности, а также стабильное напряжение на входе инвертора. Инвертор необходим для формирования силового напряжения на первичной обмотке силового трансформатора. Силовой трансформатор применяется для обеспечения передачи энергии на выход ЗС и гальванической развязки выхода ЗС от входной питающей сети. Выпрямитель выходной выполняет выпрямление и фильтрацию напряжения с вторичной обмотки силового трансформатора. Система охлаждения представляет собой совокупность радиатора и нескольких вентиляторов, необходимых для охлаждения силовых компонентов ЗС (силовых ключей в корректоре мощности и инверторе, диодов в выходном выпрямителе и на входе силового питания, силового трансформатора и выходного дросселя). Контроллер управления — узел, выполняющий контроль над всем ЗС. Здесь обеспечивается сбор данных о состоянии устройства (величины входных и выходных напряжений и токов, сигнал потери изоляции), взаимодействие с пользователем (вывод необходимой информации на ЖК-индикатор, обработка нажатий на кнопки «Старт» / «Стоп»), обмен данными с электромобилем и выполнение предписанных спецификацией CHAdeMO алгоритмов при заряде аккумулятора автомобиля. Источник вторичного питания обеспечивает необходимые номиналы напряжений для питания составных частей узлов ЗУ.
В составе электромобиля и гибрида имеется встроенное зарядное устройство. Задачей бортового зарядного устройства OBC (бортового зарядного устройства) является «преобразование» зарядного тока высоковольтной батареи в электромобилях и гибридных автомобилях, заряжаемых от сети, подаваемой извне через зарядную розетку автомобиля, чтобы эффективно заряжать его для поддержания максимального срока службы батареи. Встроенное зарядное устройство связывается с контроллером батареи, чтобы согласовать зарядный ток с состоянием заряда и температурой элемента. В зависимости от уровня заряда аккумулятора напряжение, подаваемое через разъем для зарядки, должно преобразовываться инвертором (преобразователь переменного тока в постоянный) или преобразователем (преобразователь постоянного тока в постоянный).