Как работает зарядная станция для электромобилей? Принцип действия (AC, DC, безопасность)

Когда вы подключаете электромобиль к сети, на самом деле запускается сложный, но довольно упорядоченный процесс: автомобиль и станция распознают друг друга, принимается решение о том, сколько тока можно потреблять, выполняются проверки безопасности, и лишь после этого начинает течь энергия. В этой статье мы от начала до конца, технично, но понятно, объясняем принцип действия зарядной станции для электромобилей.

Короткий ответ: зарядная станция EV — это управляемый интерфейс, который безопасно передаёт автомобилю электричество из сети. Станция и автомобиль постоянно обмениваются данными; станция направляет энергию, отслеживает защитные цепи и управляет авторизацией. А настоящая «умная» работа скрыта в том, как энергия преобразуется и как поддерживается её безопасность.

Какова основная задача зарядной станции?

Распространённое заблуждение — что зарядное устройство напрямую «заряжает» батарею. При AC-зарядке (переменный ток) станция по сути является управляемым выключателем и блоком безопасности: она передаёт автомобилю напряжение сети, сообщает, сколько тока можно потреблять, и в случае неполадки размыкает цепь. Настоящую работу по преобразованию выполняет блок внутри автомобиля. А при DC-быстрой зарядке (постоянный ток) большая часть преобразования происходит внутри станции.

Таким образом, у зарядной станции EV три основные задачи: (1) установить безопасную связь с автомобилем, (2) передать правильное и безопасное количество энергии, (3) обеспечить авторизацию и при необходимости удалённое управление.

Как автомобиль и станция обмениваются данными? (Control Pilot / пилотный сигнал)

Прежде чем начнётся зарядка, автомобиль и станция «разговаривают» друг с другом. В розетках Type 2 и CCS2 в центре этого обмена находится Control Pilot (CP), то есть пилотный сигнал. По линии пилота станция и автомобиль подтверждают, что соединены друг с другом, и согласуют, ток какой силы (в амперах) разрешён.

В общих чертах это работает так: станция отправляет по линии пилота сигнал. При подключении автомобиль изменяет этот сигнал, сообщая такие состояния, как «подключён» и «готов к зарядке». По форме сигнала станция передаёт автомобилю предельный ток, а автомобиль в соответствии с ёмкостью своего onboard charger потребляет ток ниже этого предела. Так с самого начала исключается потребление тока больше того, что может выдержать кабель или станция.

При DC-быстрой зарядке к этому базовому обмену сигналами добавляется более совершенный уровень цифровой связи. Автомобиль и станция на протяжении секунд постоянно обмениваются такой информацией, как напряжение батареи, температура, целевой уровень заряда и мгновенный запрос тока. Станция в соответствии с этими данными в реальном времени регулирует выходное напряжение и ток.

Обнаружение приближения (proximity) и распознавание кабеля

Помимо пилотного сигнала, в большинстве систем есть ещё и сигнал приближения (proximity). Благодаря этой линии станция может определить, что кабель действительно подключён и какому пределу тока соответствует используемый кабель. Например, кабель на 16A и кабель на 32A распознаются по-разному, и система соответственно устанавливает предел.

Путь AC: преобразование происходит внутри автомобиля (Onboard Charger)

Большинство настенных зарядных устройств (wallbox) дома и на предприятии выполняют AC-зарядку. Переменный ток из сети по кабелю передаётся напрямую автомобилю. Однако батарея автомобиля заряжается постоянным током (DC). Вот тут в дело вступает 'onboard charger' (бортовое зарядное устройство) внутри автомобиля: он преобразует поступающий AC в DC и питает батарею подходящим напряжением.

Поэтому верхний предел скорости AC-зарядки чаще всего определяет не станция, а ёмкость onboard charger автомобиля. Например, даже если станция может выдать 22 kW, но onboard charger автомобиля рассчитан на 11 kW, автомобиль на практике заряжается на 11 kW. При AC-зарядке при однофазном (одна фаза) или трёхфазном (три фазы) подключении мощность может составлять от 7,4 kW до 22 kW.

Модели Bemis E-V Charge AC Wallbox (7,4–22 kW, Type 2) и кабели Type 2 работают именно на этом пути AC: станция безопасно и под контролем передаёт энергию AC, а преобразование берёт на себя автомобиль.

Путь DC: преобразование происходит внутри станции (быстрая зарядка)

При DC-быстрой зарядке логика меняется на обратную. Чтобы не упираться в ограниченную мощность onboard charger, работа по преобразованию выносится наружу автомобиля, внутрь станции. В DC-станциях быстрой зарядки, таких как CCS2, мощные преобразователи (выпрямители/силовые модули) внутри станции преобразуют переменный ток сети в постоянный ток высокой мощности и подают этот постоянный ток напрямую в батарею.

Поскольку onboard charger выведен из процесса, при DC-зарядке можно достичь гораздо более высокой мощности; поэтому DC-станции называют «быстрой зарядкой». Здесь автомобиль постоянно сообщает станции «я хочу такое-то напряжение и ток»; станция своими силовыми модулями удовлетворяет этот запрос и регулирует выход в зависимости от мгновенного состояния батареи.

• AC-зарядка: станция передаёт AC, а преобразование выполняет onboard charger внутри автомобиля. Предел мощности обычно определяет автомобиль.
• DC-зарядка: преобразователи внутри станции преобразуют AC в DC и подают напрямую в батарею. Возможна гораздо более высокая мощность.
• Type 2: стандартная розетка AC-зарядки в Турции и Европе.
• CCS2: стандарт DC-быстрой зарядки в Турции и Европе; работает благодаря двум DC-контактам, добавленным под розетку Type 2.
• kW — это мощность (скорость), kWh — это энергия (запасённое/переданное количество).

При AC-зарядке преобразование выполняет onboard charger внутри автомобиля; при DC-зарядке преобразование выполняет станция. Настоящая задача станции в любом случае — передавать энергию безопасно и под контролем.

Как обеспечивается безопасность? (защита, заземление, блокировка розетки)

Поскольку во время зарядки речь идёт о высокой мощности, безопасность — самая критичная часть зарядной станции EV. В принцип её действия входит многоуровневая защита.

Защита от тока утечки при обнаружении в цепи нежелательной утечки (например, при нарушении изоляции) мгновенно размыкает подачу энергии, предотвращая риск поражения током. Заземление в случае неисправности обеспечивает току утечки безопасный путь, не допуская, чтобы такие поверхности, как корпус, оставались под напряжением. Станция также отслеживает такие состояния, как сверхток и перегрев; при обнаружении аномалии она останавливает зарядку.

Блокировка розетки тоже является частью безопасности: во время зарядки штекер блокируется станцией или автомобилем. Так исключается случайное извлечение кабеля, пока течёт энергия; блокировка не откроется, пока зарядка не будет безопасно завершена. Что касается физической прочности, класс защиты IP65–IP66 показывает, что устройство пригодно для наружных условий по стойкости к пыли и воде; а маркировка CE указывает, что изделие отвечает соответствующим европейским требованиям соответствия.

Что станция постоянно отслеживает во время зарядки?

• Что связь с автомобилем по пилотному сигналу постоянно надёжна
• Остаётся ли потребляемый ток в пределах согласованного лимита
• Есть ли ток утечки, короткое замыкание или неисправность заземления
• Значения температуры (штекер, кабель, силовые модули)
• Что блокировка розетки остаётся закрытой на протяжении всей зарядки

Авторизация: кто начинает зарядку? (RFID / приложение / OCPP)

В домашних условиях большинство настенных зарядников можно использовать так, чтобы зарядка начиналась сразу при подключении автомобиля. В общих зонах, на предприятиях и в общественных станциях желательно, чтобы зарядку начинали уполномоченные лица. Для этого самые распространённые способы — RFID-карта и мобильное приложение: пользователь прикладывает карту или запускает сессию из приложения, станция подтверждает авторизацию, а затем разрешает поток энергии.

Здесь в дело вступает OCPP. OCPP-совместимые модели позволяют подключить станцию к системе централизованного управления (CSMS). Благодаря этому такими функциями, как авторизация, удалённый запуск/остановка, учёт использования и измерение энергии, можно управлять централизованно. Это особенно важно в сценариях предприятий и автопарков, где эксплуатируется несколько станций.

Если вы хотите подробнее изучить OCPP и связанные с ним понятия, у нас есть отдельное руководство, объясняющее, для чего служит этот протокол.

Этапы сессии зарядки

Лучше всего принцип действия обобщает то, как от начала до конца проходит одна сессия зарядки. Типичная сессия проходит следующие этапы:

• 1) Подключение: кабель подключается к автомобилю и станции; соединение определяется по сигналу proximity.
• 2) Распознавание и согласование: по пилотному сигналу автомобиль и станция распознают друг друга, определяется предельный ток.
• 3) Авторизация: при необходимости сессия авторизуется с помощью RFID-карты или приложения.
• 4) Блокировка и контроль: розетка блокируется, завершаются проверки безопасности (ток утечки, заземление, температура).
• 5) Передача энергии: на пути AC автомобиль заряжает батарею с помощью onboard charger, на пути DC — с помощью преобразователей станции.
• 6) Управление: станция постоянно отслеживает ток; по мере заполнения батареи постепенно снижает мощность.
• 7) Завершение: при достижении цели или остановке пользователем энергия отключается, блокировка открывается, кабель безопасно извлекается.

Почему батарея замедляется после 80%? (Taper / постепенное снижение)

Особенно при DC-быстрой зарядке вы заметите, что после достижения батареей определённого уровня заряда, часто около 80%, скорость зарядки заметно снижается. Это называется 'taper', то есть постепенное замедление, и является не неисправностью, а осознанным защитным поведением.

Когда батарея заполнена, она не может безопасно принимать высокий ток; чтобы предотвратить перегрев и сокращение срока службы ячеек, автомобиль запрашивает у станции всё меньший ток. Станция, следуя этому запросу, снижает свой выход. Поэтому при быстрой зарядке самый эффективный диапазон — обычно от низкого уровня заряда до 80%; последние же 20% могут занять непропорционально больше времени. При AC-зарядке мощности и так ниже, поэтому это замедление чаще всего менее заметно.

Итог: что зарядная станция на самом деле делает?

Зарядная станция EV — это управляемое устройство, которое обменивается данными с автомобилем, безопасно направляет энергию и при необходимости авторизует и позволяет управлять собой удалённо. В AC-моделях преобразование берёт на себя автомобиль, в DC-моделях — станция; но в любом случае безопасность (защита от тока утечки, заземление, блокировка розетки) и правильная связь (пилотный сигнал) — это сердце принципа её действия.

Bemis E-V Charge — это расположенная в Бурсе отечественная марка, которая производит все звенья этого принципа действия: AC Wallbox, переносные зарядные устройства, кабели Type 2, адаптеры V2L/C2L и DC-станции быстрой зарядки CCS2. Со своими моделями, отвечающими требованиям CE и IP65–IP66, а также OCPP-совместимыми, она предлагает изделия как для индивидуального, так и для корпоративного использования.