Nabíjanie elektromobilov - EVSE

19.2.2024

Elektromobilta je čoraz rozšírenejšia a preniká stále viac do všetkých oblastí dopravy. Vonku pribúdajú nabíjacie stanice a do garáži Wallboxy. Od zaparkovania a pripojenia nabíjacieho kábla až po ukončenie nabíjania prebehne viacero krokov. Pozrime sa na ne z pohľadu elektroniky a simulácie EVSE testerov na elektrickú revíziu.

V Európe získali na nabíjanie elektrických vozidiel dominanciu konektory Typ 2 (Type 2 Mennekes / IEC 62196-2) pre nabíjanie striedavým prúdom a CCS Combo 2 (IEC 62196-3) na nabíjanie jednosmerným prúdom. Konektor Typ 3 (Scame) presadzovaný vo Francúzku a Taliansku sú na únijnej úrovni označené neschválené. Okrem toho spoločnosť Tesla využíva konektor Type 2 aj na dodávanie jednosmerného prúdu cez fázové vývody. Kladný pól je na L3 a záporný na L2, prípadne sú zdvojené na +(N a L3) a +(L1 a L2). Japonský štandard CHAdeMO aj s navrhovaným Chaoji zostáva vo svojej domovskej krajine. V Číne je zavedený GB/T s konektorom podobným na Type 2 a v Severnej Amerike zostáva Type 1 a CCS 1.

Konektor Type 2 na AC nabíjanie má 7 kontaktov (3φ zapojenie alebo 5 kontaktov pri 1φ). Na strane kábla (z nabíjacej stanice) je samec s dutinkami zatiaľ čo na strane vozidla je samica s kolíkmi ktoré majú plastovú čiapočku ako ochranu proti dotyku.
Vývody majú označenie PE, N, L1, L2, L3, PP, a CP. Pri komunikácii a riadení nabíjania sa uplatňujú hlavne posledné dva. V základnom stave je jediný aktívny vývod CP.
Konektor CCS Combo 2 na DC staniciach je rozšírením AC štandardu a na riadenie používa rovnaké vývody pričom nabíjanie prebieha cez dva zosilnené vývody pridanú do rozšírenia na spodnej strane.

CP - Control pilot je kratší aby k jeho rozpojeniu prišlo ako k prvému čim sa zabezpečí bezpečné vypnutie napätie na L1, L2 a L3 alebo na + a - pri jednosmernom nabíjaní. Tento vývod slúži na riadenie nabíjania. Stanica ním oznamuje svoje možnosti a vozidlo naopak svoje požiadavky. Napájaný je zo stanice, v základnom stave +12 V DC cez 1 kΩ.

PP - Proximity Pilot (plug present) slúži na indikáciu pripojenia kábla, indikáciu prúdovej zaťažiteľnosti vodičov a uzamknutie konektorov. Napájanie ide zo strany vozidla (+5 V cez 330 Ω) a vozidlo ním okrem iného oznamuje požiadavku na odomknutie kábla čím dá stanici čas na riadené vypnutie napätia pred rozpojením obvodu.

Napätie na vývodoch CP a PP je voči PE, všetky ostatné vodiče sú okrem prebiehajúceho nabíjania odpojené.

Čo sa udeje po pripojení kábla z nabíjacej stanice do elektromobilu?

Po zapojení nabíjacieho konektora do vozidla poklesne napätie na vývode CP z 12 na 9 V lebo vozidlo má na vstupe diódu a za ňou rezistor 2.74 kΩ na zem. Stanica toto zdeteguje a odpovedá so signálom 1 kHz a striedou (PWM).
Podobne vozidlo cez signál PP zisťuje pripojenie kábla a stanice (stanica prizemní PP cez dvojicu rezistorov 150 a 330 Ω zapojených do série). V tomto okamihu vozidlo zabraňuje jazde aby nedošlo k vytrhnutiu kábla. Stanica potvrdí uzamknutie vyskratovaním rezistoru 330 Ω na svojej strane.
Nasleduje zaradenie ďalšieho rezistoru do obvodu CP na strane vozidla čim toto oznamuje požiadavku na začatie nabíjania. Podľa hodnoty rezistoru a napätia stanica zisťuje či je požadované vetranie (nabíjanie vonku). Ak sú splnené všetky podmienky, začne nabíjať.
Nakoľko sú oba riadiace signály merané voči PE je jednoducho rozpoznateľné rozpojenie tohto ochranného vodiča. Komunikácia prebieha analógovo a je pomerne jednoduchá na implementáciu a odolná voči rušeniu a chybám.

Príslušné normy popisujú niekoľko stavov ktoré nastávajú alebo môžu nastať pri nabíjaní elektrických vozidiel podľa stavu vozidla a stavu nabíjacej stanice.

Stavy nabíjania podľa SAE J1722 / IEC 61851
Stav	Stav nabíjania	Napätie na CP (V)	Odpor medzi CP a PE (Ω)
A	Nepripojené vozidlo	12 V	∞ Ω
B	Vozidlo pripravené	+9/-12; 1 kHz	2740 Ω
C	Nabíjanie	+6/-12; 1 kHz	882 Ω
D	Nabíjanie, nutné vetranie	+3/-12; 1 kHz	246 Ω
E	Vypnuté	0 V	-
F	Chyba (Fault)	-12 V	-

Polohy prepínača CP-state na testeri elma EVSE-200 zodpovedajú stavom A až D podľa tabuľky stavov vyžšie.
Stav E sa realizuje zatlačením tlačidla CP Error a stav F zatlačením tlačidla PE Error.

Stanica oznamuje podľa striedy PWM signálu aký maximálny prúd je schopná dodať.

Hodnota striedy na CP a maximálny prúd
Strieda (PWM)	Prúd
< 3.00 %	Nabíjanie nieje povolené
3 - 7 %	použi ISO 15118
7- 8 %	nabíjanie nieje povolené
10.00 %	6 A
13.34 %	8 A
16.67 %	10 A
21.67 %	13 A
26.67 %	16 A
33.33 %	20 A
40.00 %	24 A
50.00 %	30 A
53.33 %	32 A
80.00 %	48 A
89.20 %	63 A
96.00 %	80 A

Na výpočet hodnoty striedy sa používajú nasledovné vzorce:

rozsah 6 ... 51 A, strieda = prúd / 0,6
rozsah 50 .. 80 A, strieda = (prúd / 2.5) + 64

Možnosti komunikácie prostredníctvom 1 kHz signálu sa javia ako nedostatočné, preto je podľa ISO 15118 / DIN 70121 zavedený nový signál v pásme širokom 20 MHz nazvaný PLC ako rozšírenie oproti pôvodnému IEC 61851. VF signál OFDM modulácie je supraponovaný na vývode CP a pre staré zariadenia je "neviditeľný" aj ak sa pripoja k novej infraštruktúre. Týmto je zachovaná spätná kompatibilita.

Ochrana proti preťaženiu prívodu

Aby nedošlo k prekročeniu maximálneho prúdu nabíjacieho kábla pri nabíjacích staniciach ktoré disponujú zásuvkou a zákazník používa vlastný kábel majú nabíjacie káble vložený rezistor medzi kontakty PE (zem) a PP (Proximity Pilot). Hodnoty rezistorov podľa IEC 62196 popisuje nasledujúca tabuľka. Pri DC nabíjaní je situácia zložitejšia a hodnoty v tabuľke nemusia platiť vždy.

Maximálny prúd kábla a hodnota rezistoru
Prúd kábla	Rezistor PP-PE
13 A AC	1500 Ω
20 A AC	680 Ω
32 A AC	220 Ω
63 A AC	100 Ω
< 200 A DC	1000 Ω
> 200 A DC	1500 Ω

Prepínač PP-state na Elma EVSE-200 simuluje otvorený obvod a signalizáciu prúdu 13 až 64 A.

Režim nabíjania

Norma IEC 61851-1 definuje 4 spôsoby nabíjania podľa pripojenia vozidla k sieti a konverzie prúdu.

vozidlo priamo pripojené k elektrickej sieti
- max. 16 A, 1φ 250 V, 3φ 480 V
- zväčša elekrické bicykle a skútre
- konverziu AC»DC vykonáva elektronika vo vozidle
- bez ďalšej ochrany prúdovým chráničom
vozidlo pripojené do siete cez externú nabíjačku
- max. 32 A, 1φ 250 V, 3φ 480 V
- prenosné nabíjačky (krabica na kábli) IC-CPD
- pomalé AC nabíjanie
- konverzia AC»DC vo vozidle (on-board charger)
- ochranu pred nebezpečným napätím zabezpečuje nabíjačka
- nabíjačka komunikuje pomocou CP signálov
- konektor podľa IEC 62196-2 na strane vozidla
vozidlo pripojené do nabíjacej stanice
- max. 32 A, 1φ 250 V, 3φ 480 V
- kábel pevne pripojený k nabíjacej stanici alebo dedikovaný kábel medzi vozidlom a zásuvkou na stanici
- rýchle alebo pomalé AC nabíjanie
- konverzia AC»DC vo vozidle (on-board charger)
- ochranu pred nebezpečným napätím zabezpečuje stanica
- stanica s vozidlom komunikuje pomocou CP a PP signálov
- konektor podľa IEC 62196-2 na strane stanice
vozidlo pripojené do nabíjacej DC stanice
- max. 1000 V, 400 A DC
- konektor podľa IEC 62196-3 na strane stanice
- rýchle DC nabíjanie
- požadovaný prúd a napätie pre batériu zabezpečuje stanica podľa riadenia VCCF
- nabíjacia stanica zabezpečuje AC»DC konverziu
- kábel pevne pripojený k nabíjacej stanici, niekedy s aktívnym chladením
- ochranu pred nebezpečným napätím zabezpečuje stanica
- stanica s vozidlom komunikuje pomocou CP a PP signálov alebo ISO 15118
- možný tok energie oboma smermi

Megawatt Charging System - jednosmerné nabíjanie megawattovým výkonom

Nabíjanie ťažkých vozidiel ako napríklad kamióny vyžaduje väčší dodaný výkon preto bol navrhnutý nový štandard MCS (Megawatt Charging System - megawattový nabíjací systém) s napätím do 1250 V DC a prúdom do 3 kA. Tento štandard zavádza nový konektor so 7 vývodmi (2 DC, PE, CP, PP a 2 komunikačné) a možnosťou aktívneho chladenia vodičov. Štandardizáciu pokrýva IEC 63379 / J3271, komunikácia prebieha podľa ISO 15118. Návrh podporuje obojsmerný tok energie, vozidlo môže slúžiť ako zásobáreň energie pre iné zariadenie, budovu, sieť (Vehicle-to-grid V2G) alebo ďalšie vozidlo (Vehicle-to-vehicle V2V). štandardizáciu zastrešuje združenie CharIN.

Uvažuje sa s tromi úrovňami prúdu pri napätí 1250 V DC

Level 1: +350A ... 437 kW
Level 2: +1000A ... 1.25 MW
Level 3: 3000A ... 3.75 MW

Nabitie 100 kWh batérie by pri výkone Level 1 trvalo 14 minút, pri Level 2 by to bolo 5 minút a menej ako dve minúty pri Level 3.
Pri tomto druhu nabíjania sa ráta aj s podporou iných prostriedkov ako vozidiel. Napríklad spoločnosť Lilium vyvýjajúca elektrické lietajúce prostriedky na prepravu osôb oznámila že použije konektor MCS na svojom lietadle - VTOL taxíku.