We wcześniejszych wpisach na blogu opisywaliśmy szerzej podstawy ładowania pojazdów elektrycznych napięciem zmiennym AC, przedstawiliśmy również „gotowe przepisy” na budowę tego rodzaju stacji ładowania
3 sposoby na stację ładowania prądem przemiennym:
- Przydomowa stacja do ładowania pojazdów elektrycznych
- Stacja dla małych firm lub obiektów użyteczności publicznej z nieodpłatnym dostępem
- Stacja ładowania z kontrolą dostępu i systemem opłat
Podstawy procesu ładowania pojazdów elektrycznych napięciem stałym DC
Jak powszechnie wiadomo wszelkiego rodzaju akumulatory czy też pakiety baterii operują na napięciu stałym DC. Główną i podstawową różnicą pomiędzy trybem ładowania DC oraz AC jest lokalizacja głównego prostownika obsługującego ten proces.
W przypadku ładowania napięciem AC prostownik zabudowany jest w pojeździe:
w którym w związku z ograniczoną przestrzenią użytkową i dużymi wymogami bezpieczeństwa nie może być on urządzeniem o dużej mocy.
Producenci samochodów muszą tu iść na wiele kompromisów – większy prostownik z jednej strony umożliwi szybsze naładowanie pakietu baterii, z drugiej jednak strony zwiększa wagę i cenę pojazdu jak również niesie ze sobą konieczność wprowadzenia dodatkowych zabezpieczeń.
W przypadku ładowania napięciem DC główny prostownik jest częścią zewnętrznej stacji ładowania:
Dzięki takiemu rozwiązaniu do pojazdu dostarczane jest w zasadzie gotowe napięcie DC które nie musi być dodatkowo przetworzone przez układy wewnętrzne pojazdu i jest praktycznie wprost podawane do obwodów ładowania pakietu baterii pojazdu. Ładowanie w tym trybie może odbywać się zdecydowanie większym prądem (rzędu setek A) co umożliwia skrócenie czasu potrzebnego do całkowitego naładowania pojazdu do zaledwie kilku minut.
Przeniesienie głównego prostownika poza pojazd, czyli do stacji ładowania wiąże się niestety również z pewnym przeniesieniem odpowiedzialności z producenta pojazdu na producenta stacji ładowania.
To on musi zapewnić odpowiednio większy poziom bezpieczeństwa oraz odpowiednio sterować parametrami elektrycznymi ładowania (poziomem dostarczanego prądu i napięcia DC) dostosowując je do zmieniających się w czasie ładowania parametrów wymaganych przez pokładowy sterownik ładowania. Z punktu widzenia producenta stacji ładowania taki tryb jest niestety dużo bardziej skomplikowany i wymaga użycia szeregu dodatkowych urządzeń.
Proces ładowania DC zdefiniowany przez normę IEC 61851-23 oraz DIN 70121
Nasze rozważania będziemy opierać o standard CCS (Combined Charging System), który od 2012r. jest wspierany przez największych producentów samochodów jak m.in. Audi, BMW, Daimler, Ford, General Motors, Porsche czy Volkswagen.
CCS definiuje pojedynczy wzór złącza po stronie pojazdu, który zapewnia miejsca na wtyk typu 1 (rynek Ameryki Północnej) oraz typu 2 (rynek europejski),a także miejsce na dwupinowe złącze DC umożliwiające ładowanie prądem rzędu setek amperów.
Warto dodać, że standard CCS powstał przy czynnym udziale Phoenix Contact i oprócz kabli, gniazd i wtyków po stronie infrastruktury ładowania również dostawcy gniazd CCS dla producentów pojazdów.
W postach Przewód sterujący CP oraz Styk probierczy PP opisaliśmy dokładniej funkcje, znaczenie i rolę sygnałów CP i PP w procesie ładowania AC. Jak już wspomniałem bazujemy na złączu CCS, czyli umożliwiającym zarówno ładowanie AC jak i DC – jaka jest więc rola tych sygnałów w tym trybie ładowania?
Podczas ładowania AC za pomocą sygnału PP (Proximity Plug) rozpoznawaliśmy przekrój dołączanego do stacji przewodu i w ten sposób wiedzieliśmy, do jakiego poziomu musimy ograniczyć maksymalny prąd ładowania, by nie uszkodzić dołączanego przez użytkownika przewodu.
W trybie ładowania DC stacja ładująca jest zawsze wyposażona w przewód z wtykiem – nie ma tu możliwości dołączania swojego przewodu – funkcja sygnału PP jest więc tu niewykorzystana, pozostaje zarezerwowana do zastosowań określonych w przyszłości.
Sygnał CP (Control Pilot) jest używany do wykrywania statusów pomiędzy stacją ładowania a dołączonym pojazdem elektrycznym (są one określone w IEC 61851-1) oraz do komunikacji cyfrowej, która jest konieczna dla CCS i dokładniej sprecyzowana w IEC 61851-23 oraz DIN70121
Szczegółowe parametry ładowania pomiędzy stacją, a pojazdem wymieniane są za pośrednictwem w pełni cyfrowej komunikacji modulowanej na sygnale CP. Najpierw sygnał na CP jest ustawiony z 5 % współczynnikiem wypełnienia PWM, a następnie uruchomiana jest modulowana komunikacja według standardu HomePlugGreen PHY™ pozwalająca na wymianę szczegółowych danych procesu ładowania.
Fazy procesu ładowania DC zdefiniowane dla CCS
| Faza/etap | Status | Opis akcji i zmiany statusu |
| 1. Pojazd niepodłączony | A1 | Sygnał CP = 12 V DC |
| A1 | W razie potrzeby stacja ładująca przeprowadza cykliczny monitoring izolacji | |
| 2. Pojazd podłączony | – > B1 | Złącze ładowania pojazdu włożone do pojazdu, sygnał CP przełącza się na 9 V DC |
| 3. Inicjalizacja | – > B2 | Sygnał PWM jest ustawiony współczynnikiem wypełnienia 5% . Ustanowiono komunikację cyfrową między pojazdem a stacją ładowania |
| B2 | Wymiana parametrów ładowania między pojazdem a stacją ładowania | |
| B2 | Weryfikacja napięcia wyjściowego pomiędzy DC+ i DC- <60 V | |
| B2 | Pojazd wysyła do stacji ładowania informacje o maksymalnych wartościach granicznych prądu ładowania i napięcia ładowania | |
| B2 | Pojazd blokuje złącze ładowania pojazdu we wlocie ładowania pojazdu | |
| B2 | Stacja ładująca wysyła do pojazdu informacje o dostępnej maksymalnej wartości prądu ładowania i napięcia ładowania | |
| – > C2/B2 | Pojazd zmienia status na C2 lub D2 (poprzez zamknięcie wewnętrznego przełącznika S2) | |
| 4. Test kabla ładowania | C2 | Pojazd potwierdza, że złącze ładowania pojazdu jest zablokowane |
| C2 | Pojazd żąda testu kabla | |
| C2 | Stacja ładująca testuje kabel i zgłasza tą informację do pojazdu | |
| C2 | Test izolacji kabla zakończony | |
| C2 | Pojazd i stacja ładująca gotowe do ładowania | |
| 5. Ładowanie wstępne | C2 | Pojazd wysyła do stacji ładującej żądanie wstępnego ładowania napięciem wymaganym do uruchomienia tego wstępnego procesu oraz prądem < 2 A. |
| C2 | Stacja ładująca dostosowuje napięcie do wartości wymaganej przez pojazd oraz limitu prądu ładowania (maksymalnie 2 A) | |
| C2 | Osiągnięto wymagane napięcie | |
| C2 | Pojazd zamyka swoje styczniki DC, jeśli różnica napięć <20 V | |
| C2 | Kwestie związane z ładowaniem po stronie pojazdu zostają odblokowane i pojazd przełącza się w stan „Gotowy do ładowania” | |
| C2 | Obwód wstępnego ładowania zostaje zablokowany i podłączone zostaje docelowe zasilanie DC | |
| C2 | Stacja ładująca wysyła do pojazdu sygnał gotowości do ładowania | |
| 6. Ładowanie główne | C2 | Pojazd stale wysyła do stacji ładowania żądanie o wymaganym napięciu ładowania |
| C2 | Stacja ładująca w sposób ciągły dostosowuje napięcie do wartości wymaganej przez pojazd | |
| C2 | Stacja ładująca stale wysyła do pojazdu informacje o rzeczywistym prądzie i napięciu ładowania oraz o dostępnych wartościach maksymalnych (np. chwilowe ograniczenia) | |
| C2 | Stacja ładująca dostosowuje prąd ładowania zgodnie ze specyfikacją wynikającą z komunikacji z pojazdem; | |
| 7. Rozłączanie | C2 | Pojazd zmniejsza prąd ładowania zgodnie z systemem zarządzania akumulatorem (BMS) |
| C2 | Stacja ładująca redukuje prąd ładowania do prądu ładowania <1 A | |
| C2 | Pojazd anuluje status „ładowanie włączone” (pojazd nie jest już w stanie „Gotowy do ładowania”) | |
| C2 | Pojazd rozwiera swoje styczniki DC, jeśli prąd ładowania <1 A | |
| C2 | Stacja ładująca rozładowuje obwód pośredni DC | |
| C2 | Stacja ładująca przechodzi w stan „Staja ładowania nie gotowa” | |
| – > B2 | Pojazd przechodzi do stanu B2 poprzez otwarcie przełącznika S2 | |
| B2 | Pojazd odblokowuje złącze ładowania w gnieździe pojazdu, jeśli jest napięcie pomiędzy DC+ a DC- spada poniżej 60 V | |
| B2 | Pojazd zatrzymuje komunikację cyfrową ze stacją ładującą | |
| – > B1 | Trzy do pięciu sekund po zatrzymaniu komunikacji cyfrowej stacja ładująca wyłącza sygnał PWM | |
| 8. Odłączenie pojazdu | – > A1 | Pojazd gotowy do odłączenia – po odłączeniu przewodu status A1 |
Producent stacji ładowania DC musi zapewnić pełną realizację wyżej opisanych faz ładowania, a więc odpowiednio reagować na odczytane z pojazdu parametry (np. sterować napięciem oraz prądem przetwornicy DC, wykonywać procedurę testu izolacji przewodu, itd.). Musi również, za pomocą wspomnianej — modulowanej po CP- komunikacji dostarczać pojazdowi żądane przez niego informacje (np. wartość obecnego napięcia i prądu ładowania, dostępna energia, itp.) Innymi słowy: jak zapewnić prawidłowy przebieg procesu ładowania. Czy jest to trudne?
Nie, jeśli ma się dedykowany do tego sterownik ładowania DC taki jak EV-PLCC-AC1-DC1 – 1624130
Urządzenie to jest typowym sterownikiem PLC programowanym w środowisku Pc Worx. Posiada cały szereg interfejsów komunikacyjnych jak np., CAN, 2x RS232, 2xRS485, 2x Ethernet. Ponadto wbudowany modem GSM pozwala np. na realizację komunikacji OCPP z nadrzędnym system zarządzania i rozliczania płatności a wbudowany web serwer możemy wykorzystać do stworzenia wizualizacji sterującej itd. Posiada dwa przyłącza umożliwiające niezależne i równoczesne realizowanie ładowania w trybie AC oraz DC. Podczas tworzenia oprogramowania sterującego dla tego kontrolera możemy skorzystać z gotowych, dedykowanych bibliotek emobility. Sprawiają, że np. cały proces wspomnianej cyfrowej komunikacji pomiędzy samochodem a stacją jest realizowany przez jedynie dwa poniższe, gotowe bloki funkcyjne (FBD) wstawione do naszego programu:
Więcej na temat programowania sterownika EV-PLCC-AC1-DC1-1624130 dowiesz się podczas dedykowanego szkolenia.
| Autor: | Tomasz Salamon – Ekspert ds. Wsparcia Technicznego |  |
