Tema: 11 Sistemele de încărcare a automobilelor hibride și electrice 

11.1 Destinația sistemul de încărcare. Moduri de încărcare.

Încărcător extern. Încărcarea de la o priză casnică

MODUL. 2. Există un dispozitiv de comunicare în cablu, ceea ce înseamnă că se poate alege o setare cu privire la curentul maxim de încărcare (Figura 1).

Figura 1 Încărcarea de la o priză casnică cu dispozitiv de setare a curentului maxim

Similar cu modulul 1 menționat anterior, acesta implică încărcarea vehiculului electric prin intermediul unei prize casnice, dar cu un curent de încărcare maxim mai mare de 32 A.

Încărcarea se realizează prin intermediul unui cablu de încărcare care este echipat cu un dispozitiv de protecție numit In-Cable-Control-and-Protection-Device (IC-CPD). Acest dispozitiv nu doar protejează, ci și comunică cu vehiculul pentru a controla procesul de încărcare.

Timpul de încărcare depinde de puterea transmisă baterii care poate fi calculată după relația:

P = U *  I * n  (kw)

Unde: U – tensiune, I – intensitatea, n – numărul de faze.

Admitem că încărcăm o baterie de la o priză de 220V cu curentul de 16 A cu o fază.

Puterea de incărcare depinde de doi factori: tensiune și itensitate P = U *  I * n   (kw)

Exemplu de calcul: admitem ca încărcăm o baterie de la Nissan Leaf, 2016 cu o capacitate de 24kw, de la o priza de 220V cu amperajul de 16 A  

Calculul:

                16 A*220 *  1  V = 3520 W = 3,52 kwh,

                Nissan Leaf ≤2016 = 24kw/3,52h ≈7 h

Încărcarea de la stații.

Stațiile pot micșora timpul de încărcare. Există stații cu puteri variabile, de la niveluri de încărcare mai scăzute (de exemplu, 7 kW) până la niveluri ridicate (de exemplu, 50 kW, 150 kW sau chiar 350 kW în stațiile de încărcare rapidă). Cu cât stația are o putere mai mare, cu atât procesul de încărcare poate fi mai rapid.

MODUL. 4. Încărcare cu curent continuu/încărcare rapidă. Cu ajutorul conectorilor speciali şi a staţiilor de încărcare, este posibilă o încărcare rapidă cu tensiuni maxime de 1,5 kV

Acest mod este singurul care descrie încărcarea cu curent continuu la stațiile de încărcare rapidă. Datorită curenților de încărcare mari de până la 600 A, se aplică cerințe sporite de siguranță. În plus, sunt necesare monitorizarea temperaturii contactelor de putere din conectorul pentru vehicul, precum și funcții de protecție suplimentare în stația de încărcare, cum ar fi de exemplu monitorizarea izolației.

Valorile de temperatură sunt transmise controlerului de încărcare prin ieșirile de semnal corespunzătoare. În caz de supraîncălzire depășește 90 °C, de exemplu din cauza temperaturilor exterioare prea ridicate sau suprasarcinii, controlerul de încărcare poate să întrerupă procesul de încărcare, respectiv să scadă puterea de încărcare (Figura 2).

Figura 2 Încărcarea de la stație cu curent continuu/monitorizarea temperaturii contactelor

11.2 Conectorul de încărcare. Cablul de încărcare

Trei standarde de încărcare cu geometriile lor specifice pentru conectori pentru vehicul și prize de încărcare au devenit consacrate la nivel internațional – originare din America de Nord, Europa și China.

Tipul 1. America de Nord. Este proiectat pentru încărcare lentă sau medie cu curent alternativ. Este cunoscut și ca SAE-J1772-2009 sau Yazaki. (Figura 3).

Există două terminale pentru semnalul de comunicare dintre staţia de încărcare, cablul şi încărcătorul din autovehicul.

• CP - Comunicarea dintre staţia de încărcare şi autovehicul.

• PP - Informaţii despre secţiunea transversală a cablului de încărcare şi dacă mufa este în priza de încărcare.

Este utilizat în mod obișnuit pe mașinile de la producători japonezi și pe modelele destinate în principal pieței americane. În Europa, permite încărcarea la o tensiune de 230 V cu un curent maxim de 32A.

Automobile echipate cu un astfel de conector este, de exemplu, Nissan LEAF, Peugeot iOn, Citroen C-Zero, Mitsubishi i-MiEV, Kia Soul EV, Opel Ampera și Toyota Prius PHEV (prima generație).

• Tipul 2: Europa. Conector dezvoltat de compania germană Mennekes pentru piața europeană, care permite doar încărcarea în curent alternativ, dar diferența esențială este că pot fi disponibile până la trei faze. (Figura 4).

Nu toate automobilele cu conector de Tip 2 pot efectua încărcare trifazată. Aceasta este folosită în principal pe automobile europene (Audi, BMW, Renault, Volkswagen, Volvo).

• GB/T: standarde naționale chineze. Standardul GB/T 20234 descrie geometria de conector pentru vehicul din China (Figura 5).

Există, de asemenea, diferite încărcătoare rapide. Acestea funcţionează cu curenţi foarte mari, folosind o mufă conector specială.

• CCS combo tip 1: America de Nord 

• CCS combo tip 2: Europa 

• GB/T CC: Chinezesc

Împreună cu principalii producători de automobile au fost dezvoltate Combined Charging System (CCS). Particularitatea este priza de încărcare CCS din vehicul, în care se potrivesc atât conectori pentru vehicul de curent alternativ, cât și de curent continuu. Vehiculul electric necesită astfel o singură interfață de încărcare pentru încărcarea cu curent alternativ și curent continuu.

HPC: High Power Charging, cunoscută și ca încărcare ultra-rapidă. Încărcare cu curent continuu cu puteri de la 150 kW. În prezent, este posibilă răcirea cu lichid pentru CCS tip 1 și CCS tip 2 de până la 500 kW.

Standard chinezesc GB/T 20234.3 

Eliberat de Administrația de Standardizare din China, standardul GB/T 20234.3 acoperă un conector capabil atât de încărcare rapidă monofazată, cât și de curent continuu. Practic necunoscut în afara pieței unice de vehicule electrice din China, este evaluat să funcționeze la până la 1.000 V DC și 250 de amperi, oferind viteze de încărcare de până la 250 kW.

Sursa de informarea PHOENIX CONTACT 

În cadrul atelierelor auto apare solicitări de la proprietarii automobilelor care au conectori de tipul CCS combo tip 1 la conectori de tipul CCS combo tip 2

CHAdeMO este un conector standard pentru vehicule electrice care a fost construit în primul rând pentru aplicații de încărcare rapidă. Poate furniza până la 62,5 kW prin conectorul său unic. A fost primul standard care și-a propus să ofere încărcare rapidă în curent continuu pentru vehiculele electrice, indiferent de producător, și are pini de magistrală CAN pentru comunicarea între vehicul și încărcător 

Standardul a fost propus în 2010 pentru uz global, susținut de producătorii auto japonezi. Cu toate acestea, standardul a prins cu adevărat doar în Japonia, Europa rămânând cu Type 2, iar SUA mergând cu Type 1.

Un standard CHAdeMo 3.0 a fost în dezvoltare din 2018. Cunoscut ca ChaoJi, are un design complet nou de conector cu 7 pini (Figura 9), dezvoltat în parteneriat cu Administrația de Standardizare din China. Speră să crească ratele de încărcare până la 900 kW, funcționând la 1,5 kV și furnizând 600 de amperi prin utilizarea cablurilor răcite cu lichid.

Tesla. Fiind una dintre companiile de pionierat în spațiul vehiculelor electrice, Tesla și-a propus să-și proiecteze propriul conector de încărcare. Stațiile originale Tesla Supercharger puteau livra până la 150 kW per mașină, deși modelele ulterioare cu putere redusă pentru zonele urbane aveau o limită inferioară de 72 kW. Cele mai recente încărcătoare ale companiei pot livra până la 250 kW vehiculelor echipate corespunzător.

Figura 10 Conectorul de încărcare a rețelei Supercharger Tesla

11.3 Încărcătorul intern. Protocol de încărcare

Bateriile HV a automobilelor hibride și electrice stochează energie electrică sub formă de curent continuu (DC), însă sursele externe furnizează adesea curent alternativ (AC). Încărcătorul intern are funcția de a converti curentul alternativ în curent continuu pentru a încărca bateria.

Încărcătorul intern este de obicei localizat în apropierea bateriei și este integrat în sistemul de propulsie al vehiculului (Figura 11). Acesta este adesea gestionat de software-ul de control al vehiculului pentru a optimiza procesul de încărcare și pentru a asigura siguranța acestuia.

Figura 11 Localizare încărcătorului intern

Încărcătorul intern permite încărcarea folosind o priză obișnuită sau o stație de încărcare pentru domiciliu, precum și la stațiile publice de încărcare de curent alternativ(AC) sau continuu (DC) (Figura 12). Acesta facilitează procesul de încărcare și oferă flexibilitate utilizatorilor.

Când cablul de încărcare este conectat, vehiculul nu poate fi mișcat, Dar majoritatea vehiculelor hibride și electrice, oferă opțiuni personalizate, activând sistemul de climatizare sau încălzire a salonului în timpul procesului de încărcare (Figura 13). Acest lucru permite conducătorului auto să mențină confortul termic în interiorul vehiculului în timpul procesului de încărcare, indiferent de condițiile meteo externe.

Când un curent electric trece printr-un conductor, acesta generează o anumită cantitate de căldură. Dacă curentul devine mai mare, atunci trebuie folosit un cablu cu suprafaţa secţiunii transversale mai mare. Există unele reglementări privind valoarea curentului care poate trece printr-o anumită secţiune transversală a unui conductor:

1,5 mm2 = 13 A, 2,5 mm2 = 20 A, 4 mm2 = 30 A,  6 mm2 = 32 A, 16 mm2 = 63 A

25 mm2 = 120 A, 35 mm2 = 160 A

Este important ca vehiculul să aibă informaţii despre suprafaţa secţiunii transversale a conductorilor care transportă curentul.

Aceasta se face cu ajutorul unui rezistor  (Figura 14) din interiorul conectorului/ştecherului de încărcare. Rezistorul este poziţionat între pilotul de proximitate (PP) şi pământarea (PE). Valoarea rezistorului este o indicaţie pentru vehicul cu privire la diametrul cablului şi, prin urmare, a curentului maxim care este permis să circule prin cablul respectiv.

Figura 14 Rezistor din interiorul conectorului/ştecherului de încărcare

• 1500 Ω = 13 A, • 680 Ω = 20 A, • 220 Ω = 32 A, • 100 Ω = 63 A.

Înainte de a începe încărcarea, procesul de încărcare este verificat pe două conexiuni.

• Verificarea conectorului conectat la vehicul se face prin terminalul PP (pilot de proximitate), precum şi verificarea suprafeţei secţiunii transversale a cablului (prin rezistenţa din interiorul conectorului).

• Staţia de încărcare trimite un semnal prin terminalul CP (pilot de control) încărcătorului de la bord pentru a verifica atât pregătirea autovehiculului pentru încărcare cât şi curentul maxim de încărcare.

Amplitudinea semnalului PWM oferă informaţii despre starea procesului de încărcare.

• 12 V: gata pentru încărcare

• 9 V: vehiculul este conectat

• 6 V: vehiculul se încarcă

• 3 V: încărcare cu ventilaţie

Ciclu de funcţionare al semnalului PWM indică valoarea curentului care poate fi folosit la încărcare.

• 16%: 10 A

• 25%: 16 A

• 50%: 32 A