Зарядка электротранспорта

Заряд электромобиля и скорость заряда аккумуляторов

Если Вы хотите приобрести электромобиль, то наверняка планируете производить его зарядку от обычной розетки дома или на работе. Требования к зарядке электромобиля среднего размера аналогичны электрическим параметрам электроплиты, которая при напряжении сети 220 В требует силу тока 40 А, имея мощность 9,6 кВт. В большинство среднеразмерных электромобилей встраивают 6,6 кВт зарядное устройство, способное зарядить аккумуляторную батарею за время от 4 до 5 часов (6,6 кВт определяется умножением 220 В на 30 А).

Мощность бортового зарядного устройства часто ограничена стоимостью, размерами или проблемой тепловыделения. При наличии трехфазной сети переменного тока, доступной, к слову, на большинстве территории Европы, бортовое зарядное устройство можно сделать меньше, чем при двухфазной системе. Например, компания Renault производит компактные трехфазные бортовые зарядные устройства, мощность которых варьируется от 3 до 43 кВт.

По всему миру неуклонно растет количество зарядных станций для электромобилей, которые поделены на три категории исходя из своих параметров:

Категория 1. Подключение к обычной бытовой розетке 230 В, ~6 А (115 В, 15 А в Америке). Это однофазное подключение имеет около 1,5 кВт мощности, а время зарядки составляет от 7 до 30 часов в зависимости от размера аккумуляторной батареи. Категория 1 соответствует требованиям ночной зарядки электровелосипедов, скутеров, электроколясок и подключаемых гибридных автомобилей с мощностью, не превышающей 12 кВт*ч.

Категория 2. Двухполюсное подключение, 230 В, 30 А; время зарядки среднеразмерного электромобиля составляет от 4 до 5 часов. Зарядные станции этой категории являются наиболее распространенным как в домашних, так и в общественных условиях. Такая станция имеет мощность около 7 кВт, что вполне достаточно для 6,6 кВт бортового зарядного устройства электромобиля. Стоимость материалов и установки этой станции составляет порядка $750. Но все же при зарядке в домашних условиях ее не следует проводить одновременно с другими энергопотребляющими мероприятиями, такими как приготовление еды на электроплите или стирка в большой стиральной машине.

Категория 3. Быстрое зарядное устройство постоянного тока; 400-600 В, до 300 А; служит для ультрабыстрой зарядки в обход бортового зарядного устройства путем подачи питания непосредственно к аккумуляторной батарее. Зарядные устройства третьей категории обеспечивают мощность до 120 кВт, что позволяет зарядить литий-ионный аккумулятор до 80% в течение 30 минут. Потребляемая мощность сопоставима с пятью домохозяйствами.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

В 1990-е и 2000-е годы производители электромобилей предприняли совместные усилия по разработке универсального порта для зарядки, это привело к появлению SAE J1772, 5-клеммного разъема для переменного тока с возможностью передачи данных. Недостатком этого порта является время зарядки, соответствующее второй категории, то есть длящееся несколько часов.

Производители электромобилей соглашаются, что будущее электротранспорта лежит в быстрой зарядке. В то время как вторая категория зарядных станций может обеспечить около 40 км пробега за час зарядки, ультрабыстрая зарядка постоянным током заполнит аккумулятор до 80% всего лишь за 30 минут. Это позволяет избавить электромобиль от славы “пригородной” машины и позиционироваться как туристическое транспортное средство, что сейчас активно и используется в маркетинге.

Впервые ультрабыстрая зарядка постоянным током была разработана в Японии для Nissan Leaf и Mitsubishi MiEV и получила название CHAdeMO; этот стандарт состоит из 2 разъемов - один двухклеммный непосредственно для зарядки постоянным током, а второй – для передачи данных через CAN-BUS. Стандарт CHAdeMO был разработан в 2008 году такими компаниями как TEPCO (Токийская энергетическая компания), Nissan, Mitrubishi, Fuji Heavy Industries и Toyota. Этот разъем заряжает аккумуляторную батарею напряжением 500 В и током 125 А, что образует мощность на уровне 62,5 кВт. CHAdeMO расшифровывается как “CHArge on the MOve”, что в переводе с английского - «зарядка на ходу». Сам разъем можно увидеть на рисунке 1.

Заряд электромобиля и скорость заряда аккумуляторов

Рисунок 1: Штепсель стандарта CHAdeMO, разработанный в Японии в 2008 году. Электромобили Nissan и Mitsubishi используют именно эту технологию для ультрабыстрой зарядки. CHAdeMO использует постоянный ток напряжением 500 В и силой 125 А, что обеспечиват до 62,5 кВт мощности.

Несмотря на то что разъем CHAdeMO неплохо зарекомендовал себя, на Западе его не поддержали, ссылаясь на «технические проблемы». О реальных причинах такого неприятия мы можем только догадываться, но факт остается фактом - Сообщество автомобильных инженеров (англ. Society of Automotive Engineers - SAE) отвергло CHAdeMO.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров для глубоких циклических разрядов для солнечных электростанций

После долгих задержек, в 2012 году, SAE разработал свой собственный стандарт ультрабыстрой зарядки постоянным током, известный также как Combo Charging System (CСS). Задержка в принятии стандарта мешала развитию инфраструктуры CHAdeMO, и поговаривают, что эти действия были преднамеренными.

Чтобы сохранить совместимость с зарядкой второй категории, CCS был создан на основе существующего стандарта J1772 путем добавления к нему дополнительного двухклеммного разъема для постоянного тока. Во время зарядки от сети переменного тока CCS работает аналогично своему родителю, используя клеммы для переменного тока и для передачи данных, которые включают в себя информацию для регулировки напряжения, скорости зарядки и момента окончания зарядного процесса. Ультрабыстрая зарядка постоянным током использует тот же протокол связи, но уже другие зарядные клеммы. На рисунке 2 показаны штепсели и разъемы для зарядки переменным и постоянным током.

Заряд электромобиля и скорость заряда аккумуляторов

Рисунок 2: SAE J1772 Combo Charging System (CCS). CCS совместим со второй категорией зарядки при использовании верхнего круглого разъема, а для третьей категории необходимо дополнительно подключать и второй разъем с клеммами для постоянного тока. SAE J1772 делит зарядку на 4 уровня:

  • Уровень 1: переменный ток, 120 В, 12-16 А, до 1,92 кВт

  • Уровень 2: переменный ток, 240 В, 80 А, 19,2 кВт

  • Уровень 3: постоянный ток, 200-500 В, до 80 А (40 кВт)

  • Уровень 4: постоянный ток, 200-500 В, до 200 А (100 кВт)

Стандарт SAE Combo или CCS де-факто является мировым стандартом для зарядки второй и третьей категории, так как его в 2011 году поддержали такие автопроизводители как Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porshe и Volkswagen. Chevy Spark, выпущенный в 2013 году, стал первым электромобилем с поддержкой SAE Combo. В связи с этим ведутся разговоры о прекращении использования CHAdeMO. Для совместимости некоторые электромобили с CHAdeMO, например, новые Nissan Leaf, дополнительно оборудуются разъемом SAE J1772, способным производить зарядку второй категории. Некоторые же производители зарядных устройств, в том числе и ABB, размещают оба зарядных разъема на своих устройствах.

Компания Tesla Motors имеет собственное мнение насчет стандартов зарядки и решила пойти по пути создания уникальной системы. Их эксклюзивная «Суперзарядка» заполняет аккумуляторную батарею до 80% в течение 40 минут, обеспечивая этим дальность пробега в 270 км. В то время как некоторые игроки рынка электромобилей критикуют Tesla за создание собственного стандарта зарядки, другие вполне понимают их желание возглавить это направление. Tesla ведет переговоры c Nissan и BMW, предлагая этим автопроизводителям присоединиться к своему стандарту, но в то же время и разрабатывает адаптер, который позволял бы заряжать на их зарядных станциях электромобили с разъемами CHAdeMO и SAE J1772.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

Зарядка Tesla S85 с помощью «суперзарядки» стартует с 375 В и 240 А, потребляя 90 кВт. По мере зарядки аккумуляторной батареи напряжение повышается до 390 В, а ток падает примерно до 120 А. Соответственно, первоначальная мощность зарядного устройства в 85-90 кВт имеет скорость зарядки лишь немного выше С-рейтинга [BU-402] 1С, и то, такое воздействие не особо продолжительное, вскоре С-рейтинг опускается до 0,8С, а затем дальше снижается, защищая аккумуляторную батарею от вредного воздействия ультрабыстрой зарядки [BU-401a].

Противостояние трех несовместимых систем зарядки явно не входит в планы производителей электромобилей, но вина за эту ситуации лежит на них самих, ведь вполне можно было бы принять уже имеющуюся технологию или не задерживать разработку новых стандартов. Tesla захватила лидерство в сфере электротранспорта со своей собственной технологией зарядки, и в данный момент вкладывает большие средства в развитие эксклюзивной сети “суперзарядок”, услуги которых полностью бесплатны. Стоит отметить, что и другие производители электромобилей предлагают бесплатную зарядку, по крайней мере сейчас. Существующее несоответствие имеет сходство с железнодорожным транспортом в 1800-х годах, когда железнодорожные компании имели различную ширину колеи для своих поездов. Также вспоминаются противостояния различных форматов виниловых пластинок или видеокассет.

BMW хоть и использует стандарт CСS, ограничил его максимальную мощность с более чем 50 кВт до 24 кВт. По их мнению, 24 кВт зарядная система дешевле, легче и проще в установке. Хоть 50 кВт и будут заряжать быстрее, это преимущество распространится лишь на недолгое время полностью исправного состояния аккумуляторной батареи. Износ будет особенно заметен с небольшой аккумуляторной батареей BMW i3, а также в случаях ее преклонного возраста или других аномалий. Тесты показывают, то 50 кВт зарядное устройство заполняет аккумуляторную батарею до 80% за 20 минут, 24 кВт же делает это примерно за 30 минут.

Удвоение мощности не сокращает время зарядки в два раза, зависимость в этом случае не линейная. Основной причиной существования мощных зарядных устройств являются размеры аккумуляторных батарей. Например, BMW i3 комплектуется 22 кВт*ч аккумуляторной батареей в сравнении с 85 кВт*ч монстром в Tesla S85. Обе зарядные системы будут поддерживать зарядный С-рейтинг на уровне около 1С при быстрой зарядке, чтобы сдержать излишний износ.

Быстрая зарядка постоянным током сложна тем, что необходимо оценивать состояние аккумуляторный батареи и применять безопасные параметры. Холодный аккумулятор должен заряжаться меньшим током в сравнении с теплым, также уменьшение зарядного тока необходимо при высоком внутреннем сопротивлении и при неспособности балансировочной цепи компенсировать несоответствие элементов. (Смотрите BU-410: Зарядка аккумуляторных батарей в условиях высоких и низких температур.)

Ультрабыстрая зарядка постоянным током не предназначена для полного заполнения аккумуляторной батареи, необходимо лишь обеспечить транспортное средство энергией, достаточной для достижения следующей зарядной станции. Использование зарядки второй категории является более предпочтительным для ежедневного использования.

В таблице 3 приведено время зарядки при использовании различных ее категорий. Полученные данные могут не совпадать с афишированными в рекламе, так как расчеты основаны на зарядке полностью разряженной аккумуляторной батареи до 100%, в то время как некоторые производители электромобилей считают аккумулятор полностью заряженным при 80%. Время зарядки также снижается, так как со временем доступная емкость уменьшается.

Категории зарядки

Категория 1
Через розетку
1,5 кВт
240 В
6 А

Категория 2
Двухполюсное подключение
6,6 кВт*
240 В
30 А**

Категория 3
Быстрая зарядка постоянным током
20-120 кВт
400-600 В
до 300 А

Дальность пробега

8 км за 1 час зарядки

36 км за 1 час зарядки

110, 270 км за 30 минут зарядки

4.4 кВт*ч Toyota Prius

4 часа

1 час

Данных нет

16 кВт*ч Chevy Volt

12 часов

3 часа

Данных нет

22 кВт*ч BMW i3

15 часов

3 часа

24 кВт: до 80% за 30 минут

32 кВт*ч Nissan Leaf

16 часов

5 часов

50 кВт: до 80% за 20 мин

90 кВт*ч Tesla S85

60 часов

15 часов

120 кВт: до 80% за 40 минут

Таблица 3: Оценочное время зарядки при применении различных категорий зарядного процесса. Электромобили имеют бортовое зарядное устройство мощностью, как правило, 6,6 кВт. У Tesla же эта мощность составляет 10 кВт.

* - электромобили Tesla поставляются с 10 кВт и 20 кВт бортовыми зарядными устройствами; Renault использует 3-43 кВт трехфазные бортовые зарядные устройства.

** - 30 А зарядная станция требует предохранитель с ограничением силы тока в 40 А, некоторые электромобили поставляются с более мощным бортовым зарядным устройством.


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

Последнее обновление 2016-06-01


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 4/5 на основе 9 голосов