Справочные документы, нормативно-правовая база.
Одна из главных проблем, с которой может столкнуться новый рынок, такой как рынок подключаемых электромобилей (PEV), — это отсутствие четко определенной нормативно-правовой базы, позволяющей расширять сети и транспортные средства на основе стандартизированных компонентов и систем. Стандартизация рынка является ключом к успеху этой новой возможности для автомобильной и электромобильной промышленности.
Анализируя ситуацию на таких крупных рынках, как американский, европейский и японский, мы видим, что большинство нормативных актов и стандартов в настоящее время находятся на стадии завершения. Мы рассмотрим правила SAE, UL, IEC и ISO.
Справочные документы SAE.
Общество автомобильных инженеров (SAE) разработало ряд рабочих документов, посвященных различным аспектам связи между транспортным средством и интеллектуальной энергосетью. Помимо J1772, устанавливающего требования к типам разъемов, существуют J2836 и J2847. Каждый из этих документов разделен на пять разделов, посвященных следующим областям:
1. Уровни стимулирования, включенные в качестве рекомендации.
2. Подробные требования к оборудованию для внешних зарядных устройств постоянного тока, известных как EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment).
3. Устанавливает показатели для определения будущего перехода от энергии автомобиля к энергии сети.
4. Устанавливает системы диагностики системы зарядки.
5. Будет содержать конкретные варианты для различных производителей автомобилей.
Кроме того, мы находим следующие положения:
- Стандарт SAE J2894 (Требования к качеству питания зарядных устройств) устанавливает ряд стандартов для бортовых зарядных устройств.
- Стандарт SAE J2293 (Система передачи энергии для электромобилей) определяет правила для вспомогательного оборудования.
- Стандарт SAE J2464 (Проверка безопасности и отказоустойчивости перезаряжаемых систем хранения энергии (RESS) для электромобилей и гибридных электромобилей) содержит ряд рекомендаций по тестированию, процедур и анализа данных для систем хранения энергии.
Наконец, в документе J2931 можно найти различные требования к использованию PLC (Power Line Carrier Communication) в качестве элемента связи между транспортным средством и зарядным устройством для электромобилей.
UL
устанавливает ряд эталонных стандартов, таких как:
оборудование для систем зарядки электромобилей (EV) – UL 2202, который устанавливает ряд требований к безопасности зарядных станций и ряд согласований с правилами SAE. Другие эталонные стандарты включают:
- UL 1998, Программное обеспечение в программируемых компонентах.
- UL 2231, Средства индивидуальной защиты для силовых цепей электромобилей (EV).
- UL 2251, ряд обновлений по соединениям (вилки, розетки и соединители для электромобилей).
- UL 2594, Новый стандарт разъемов.
- UL 1741, по оборудованию в целом (инверторы, преобразователи, контроллеры и оборудование систем межсоединений для использования с распределенными источниками энергии).
IEC
- IEC 61851 (IEC TC69/WG4), Системы проводной зарядки электромобилей, Проводная зарядка (Часть 1, 21, 22, 23).
- IEC 61851-24 (IEC TC69/WG4), Системы проводной зарядки электромобилей, Проводная зарядка, Связь между транспортным средством и сетью (Часть 4: Связь между транспортным средством и зарядной станцией)
- IEC 62196 (IEC TC23/SC23H) - Соединительные муфты и разъемы (Часть 1: Вилки, розетки и автомобильные соединители - Проводная зарядка электромобилей)
- IEC 62196 (IEC TC23/SC23H) - Соединительные муфты и разъемы (Часть 2: Требования к взаимозаменяемости размеров штыревых и контактно-трубчатых автомобильных соединителей)
ISO
12405-1 (ISO/TC22/SC21) для литий-ионных батарей в энергетических системах.
Совместный комитет ISO/TC 22/SC 23 - IEC TC69: интерфейсы связи между транспортными средствами и электросетями.
ISO TC22, который объединит работу IEC TC69 с другими рабочими группами (SC3/WG1, SC21).
Отправная точка: будущие архитектуры зарядки.
Для разработки будущих архитектур необходимо понимать потребности в зарядке и связи, которые будут развиваться параллельно с появлением новых транспортных средств и технологий. Отправной точкой для оценки потребностей в зарядке аккумуляторов могут служить современные гибридные автомобили (в частности, полногибридные автомобили, HEV) (Toyota Prius, Honda Insight, Lexus и др.). В этих автомобилях потребность в зарядке аккумулятора оценивается в 1,5 кВт·ч. В этом случае, очевидно, нет необходимости во внешней энергии, поскольку автомобиль сам обеспечивает необходимую мощность. Эволюцию этого можно увидеть в подключаемых гибридах (PHEV, Plug-in hybrid EV), где потребность в зарядке аккумулятора возрастает до 8 кВт·ч. Наконец, в скором времени выходящий на рынок чисто электрический автомобиль (BEV) увеличит потребность в энергии для зарядки аккумулятора до 25 кВт·ч (Рисунок 1).
Понимая, что это часть модели, включающей действия в США, Европе и Азиатско-Тихоокеанском регионе, первоначальный документ J1772 устанавливает основные принципы взаимодействия между транспортным средством и системой EVSE, включая разъем. Эта внешняя система зарядки может быть разделена на три архитектуры:
- Уровень 1, который, как мы понимаем, является базовым уровнем, разработанным для поддержки зарядки аккумуляторов в США/Японии. Потребляемая мощность составляет от 1,5 до 2 кВт·ч (около 120 В, 15-20 А). Время зарядки может варьироваться, но мы установили, что аккумулятор может быть полностью заряжен за 6-8 часов.
- Уровень 2, около 240 В, однофазный, для достижения 19,2 кВт·ч (80 А), и
- Уровень 3, зарядка постоянным током, сверхбыстрая, предназначенная для прямой зарядки аккумулятора и минимизации времени зарядки. Именно при таком типе зарядки особенно важна связь между транспортным средством и системой EVSE (внешним зарядным устройством), что подтверждается требованиями, изложенными в рабочем документе J2293
. Вклад, изложенный в указаниях SAE, объединен в систему ISO/IEC, где представлены режимы 1, 2, 3 и 4, причем последний также предусматривает различные варианты, которые могут различаться в зависимости от страны.
Если построить график зависимости времени зарядки от передаваемой мощности (рисунок 2), то можно обнаружить, что пиковые значения в 7 кВт достигаются за 3 часа зарядки (240 В, 30 А).
Зарядка батареи против времени зарядки
. На этом этапе интересно проанализировать, как батарея заряжается, поддерживая состояние здоровья (SOH), которое максимально увеличивает срок ее службы. Это особенно важно в секторе электромобилей, где стоимость этих батарей (обычно литий-ионных полимерных) довольно значительна (в зависимости от технологии производства, можно оценить в среднем в 400-700 долларов США за кВт⋅ч). Каждая быстрая зарядка ограничивает это значение SOH и может сократить срок службы батареи, если этот метод используется чрезмерно. Концепция SOH довольно сложна, поскольку она должна позволять параметризовать поведение батареи при зарядке и разрядке, чтобы прогнозировать (и, возможно, даже гарантировать) ее будущий срок службы.
Измерение состояния заряда (SOC), гораздо более интуитивно понятный параметр, чем упомянутое выше состояние заряда (SOH), отражает состояние заряда батареи. Как мы уже упоминали, особенно в системах зарядки, использующих трехфазную или постоянную энергию для сокращения времени зарядки, измерение этого параметра и его доступность для системы мониторинга могут иметь ключевое значение для обеспечения того, чтобы мы не оказывали существенного влияния на будущий срок службы батареи. Для определения типичного времени зарядки необходимо проанализировать передаваемую мощность и местоположение зарядного устройства (внутри или снаружи транспортного средства, вне или на борту). В таблице I показано типичное время зарядки в зависимости от пусковой мощности и типа транспортного средства.
Интересно также отметить, как время зарядки меняется в зависимости от начальной мощности.
В той же таблице показано, что для обеспечения связи между автомобилем и зарядной станцией необходима связь ПЛК от автомобиля к контрольному элементу зарядного устройства; если зарядное устройство расположено вне автомобиля, это абсолютно обязательно.
Для систем с более медленной зарядкой такая связь также считается необходимой, поскольку она обеспечит систему мощным инструментом, который может гарантировать эффективную и быструю зарядку, а также добавить интеллектуальные возможности в плане измерения энергии и связи с автомобилем. Типичная система, которая бы включала автомобиль в состав полноценной интеллектуальной энергосети, может быть показана на рисунке 3. Для обеспечения этой связи, помимо мониторинга параметров зарядки (ток, напряжение), компания PREMO совместно с Nagares разрабатывает технологию для так называемых модулей фильтрации и мониторинга для электромобилей и гибридных автомобилей. В основном, это системы, которые предоставляют автомобилю информацию о типе получаемого заряда, а также фильтруют ток, используемый автомобилем для зарядки аккумулятора. Информация о напряжении и токе предоставляется набором датчиков, которые измеряют напряжение, переменный и постоянный ток по каждой линии, а также высокоточное измерение тока в дифференциальном режиме, что позволяет установить уровень безопасности для предотвращения дефектов или повреждений изоляции во время зарядки (рис. 4).
Выводы.
Мы обсудили различные аспекты, такие как установленные уровни зарядки и то, как мы можем влиять на процесс зарядки, управляя им как из автомобиля на уровнях 1 и 2, так и дистанционно с помощью зарядного устройства постоянного тока, оснащенного средствами связи с автомобилем.
Анализируя тенденции и цели, поставленные различными компаниями и организациями, мы можем понять, что зарядка электромобилей и подключаемых гибридов в интеллектуальных сетях позволит достичь следующих четырех основных целей:
1. Системы управления временем использования (TOU) и управления использованием сети.
2. Это откроет широкий спектр возможностей в так называемом прямом управлении нагрузкой (DLC), позволяя анализировать сеть подключенных транспортных средств.
3. Программы периодического/почасового ценообразования (P/HP), адаптированные под потребности пользователей.
4. Возможность управления зарядкой аккумуляторов как активной нагрузкой.
Документ J2836, описывающий передовые методы, также устанавливает эталонные протоколы для структуры сообщений между транспортным средством и сетью (структуры сообщений Smart Energy Profile 2.0). Для разработки сценариев использования можно также обратиться к эталонному документу J2847.
Группа PREMO, совместно со своими различными партнерами по национальным и международным проектам, работает над разработкой технологий для электромобилей и гибридных автомобилей, в частности, индуктивных компонентов для высокоэффективных преобразователей, систем мониторинга тока зарядки аккумуляторов, а также модулей фильтрации и связи.
PREMO разрабатывает технологии для систем фильтрации, связи и измерения энергии совместно с NAGARES. Обе компании были признаны инновационными на конференции SAE 2010
в Детройте.
Автор: Фелипе Херес, технический директор PREMO Group
