Как работает зарядное устройство для электроавтомобиля?
Электрозаправочные станции (EV charging stations), ЭЗС или электрозаправки представляют собой блоки питания, которые выполняют заправку аккумуляторных батарей электромобилей и их гибридов определенным напряжением и током. Основная их роль – безопасная и надёжная зарядка батарей с сохранением срока их службы.
Зарядки бывают бытовыми портативными и городскими стационарными. В нашей статье рассматривается именно первый тип изделий, который рассчитан на массового пользователя и приобретается для повседневной эксплуатации в частных домах и коттеджах, в коммерческих организациях и во дворах многоквартирных домов.
В основном бытовые зарядники выпускаются в двух корпусных исполнениях:
- настенном – вешаются на вертикальную поверхность;
- напольном – в виде прямоугольной колонки, которая устанавливается на пол, например, в гараже или рядом с подъездом дома.
Большинство ЭЗС имеют защиту от пыли и влаги IP66, поэтому они не боятся прямого попадания воды и рассчитаны на установку на улице.
Особенности электропитания зарядных станций
Бытовые зарядные станции для электромобилей подключаются к электросети переменного тока (AC) с вольтажом 220/230 В или 380/400 В и с помощью преобразователя вырабатывают постоянный ток (DC), которым питают автомобильные тяговые аккумуляторы. Их мощность потребления начинается от 2 кВт для однофазных ЭЗС и от 11 кВт – для трехфазных.
Этот параметр определяет способ их подключения к электросети – через силовую вилку Schuko или через клеммный терминал с 3-х или 4-х проводной системой с заземлением.
К электроавтомобилю подсоединяется зарядный пистолет. Ток заряда аккумуляторов можно регулировать. У большинства электрозаправок его значение может быть от 8 до 63 А.
В основном зарядным устройствам для электроавтомобилей требуется сигнал с погрешностью не более 10% от номинального значения (230 В или 400 В, в зависимости от фазности электросети) и частотой 50/60 Гц. Некоторым электрозаправочным станциям требуются напряжение с меньшим отклонением.
Когда зарядке нужен стабилизатор напряжения?
Колебания напряжения в электросети дома или офиса не являются большой редкостью. Без защиты от них зарядник электромобиля будет уязвим для негативного воздействия «вредного» сигнала:
- при пониженном вольтаже, он будет увеличивать время заряда аккумуляторов или вовсе откажется это делать;
- при скачках или постоянно повышенном напряжении у него могут выйти из строя внутренние силовые компоненты.
Чтобы обеспечить качественное электропитание оборудования, потребуется установить стабилизатор, который будет:
- защищать нагрузку от сетевых проблем;
- непрерывно подавать на неё вольтаж требуемого качества.
Стабильное и качественное электропитание позволит всегда вовремя заряжать электроавтомобиль и сохранять зарядку электромобиля в рабочем состоянии. Некоторые приборы также обладают защитой от сверхтоков и короткого замыкания, что позволяет дополнительно защитить приоритетную технику при возникновении возможных угроз из электросети.
Какой стабилизатор подойдет для зарядных станций
Подбор защитного прибора для зарядки электроавтомобиля выполняется по таким же параметрам, как и для другой ответственной техники. Рассмотрим их подробнее.
Фазность
Для однофазных зарядников подойдут следующие модели стабилизаторов:
- однофазные, если заряднику требуется трехпроводное соединение (L, N, PE) и в месте установки однофазная электросеть.
- модели 3 в 1 (имеющие трехфазный вход и однофазный выход), если подведена сеть 380/400 В. Популярный вариант, когда у однофазного зарядного устройства мощность потребления превышает возможности одой фазы. В этом случае стабилизатор равномерно распределяет потребляемую мощность зарядки по каждой питающей фазе.
Для трехфазных зарядок электромобилей подойдет модель, которая имеет входные и выходные разъемы для трех разноименных фаз (L1, L2 и L3).
По сути, любой трехфазный стабилизатор представляет собой три однофазных прибора, которые синхронизированы между собой. Они наделены защитой от пропадания фаз.
Если подключать по одной однофазной модели на каждый проводник, то при отключении одного из токопроводящих проводов две другие фазы продолжат работать, что может не понравиться зарядной станции. Перед организацией такого варианта защиты лучше заранее выяснить у производителя, как себя поведет трехфазная ЭЗС при пропадании фазы или нескольких проводников.
Мощность
Полная (в вольт-амперах) и активная (в ваттах) мощность стабилизатора должна превышать потребляемую мощность зарядного устройства на 20-30%. Хоть пусковых токов у данной нагрузки не возникает, запас требуется для компенсации потери мощностного ресурса при значительном снижении входного вольтажа в электросети. Например, при просадке сигнала менее 160 В у прибора будет снижаться выходная мощность и, если не будет обеспечен запас, он уже не сможет обеспечить электропитание ЭЗС и возникнет перегрузка. В итоге процесс заряда аккумуляторов может прерваться.
Потребляемую мощность зарядки электромобиля можно узнать на заводской табличке (размещается на корпусе оборудования) или в инструкции по эксплуатации. Если данные найти не удается, то их можно запросить у компании, которая занимается продажей и установкой техники.
Качество выходного сигнала
Стабилизатор должен справляться с колебаниями входного сигнала, иначе он будет бесполезен. Например, релейные модели имеют диапазон входного напряжения 120-275 В. Если амплитуда скачков электросети его превышает, то устройство будет постоянно отключать зарядку и аккумуляторы транспортного средства не смогут зарядиться. Инверторные модели, наоборот, обладают самым широким диапазоном входных напряжений – 90-310 В, что позволяет им функционировать в условиях постоянных и значительных «прыжков» вольтажа.
Важно учитывать и качество выходного напряжение. Данный параметр должен отвечать требованиям зарядки электромобиля. Например, если ему необходимо 220-230 В, то погрешность сигнала стабилизатора на выходе должна быть не больше данного параметра. Инверторные типы считаются самыми высокоточными – они выдают напряжение с отклонением не более 2% от номинала.
Нельзя забывать и о скорости срабатывания, которая также важна при электропитании критически важной нагрузки. Чем быстрее выполняется корректировка, тем меньше риск попадания на неё «вредного» напряжения.
В таблице представлены усреднённые характеристики основных типов стабилизаторов: релейного, электромеханического, электронного и инверторного.
| Параметры | Релейный | Электромеханический | Электронный (тиристорный/симисторный) | Инверторный |
| Скорость коррекции, мс | 5-20 | более 100 | 5-10 | 0 (мгновенная) |
|---|---|---|---|---|
| Диапазон входного напряжения, В | 125-275 | 135-275 | 125-280 | 90-310 |
| Точность, % | 5-15 | 2-4 | 5-15 | 2 |
| Реакция | ступенчатая | плавная | ступенчатая | непрерывная (преобразование выполняется постоянно) |
Конструктивное исполнение
Если зарядка электромобиля в основном размещается на улице, то стабилизатору в большинстве случаев требуется отапливаемое помещение с постоянной температурой от +5 до +40 ℃ и важностью не более 80% без конденсата.
Выбирать форм-фактор защитного устройства нужно, учитывая особенности помещения – имеющееся пространство, элементы интерьера и расположение электропроводки. При этом важно учитывать систему его охлаждения, которая не должна нарушаться, иначе прибор будет постоянно перегреваться и отключаться, обесточивая зарядное устройство.
В магазинах можно найти следующие стабилизаторы:
- настенные – хорошо подходят для узких пространств, где нет возможности поставить оборудование на пол или полку;
- напольные – обычно приобретают для установки в небольших помещениях, где, наоборот, стены заняты элементами интерьера;
- стоечные – подходят для установки в телекоммуникационных шкафах, специальных металлических стойках или стеллажах.
В домашних условиях в основном выбирают настенные и напольные исполнения. Такие модели обычно размещаются в помещении рядом с электрощитом.
Подключение стабилизатора к зарядной станции
Стабилизатор устанавливается между источником электропитания и защищаемой техникой. В зависимости от выходной мощности для подключения защищаемой электротехники он может иметь разъемы в виде евророзетки или клеммной колодки.
Зарядные станции электромобилей для подключения к электросети также обладают разными входными штекерами:
- модели менее 3 кВт подключаются через евровилку. Её необходимо воткнуть в розетку на корпусе стабилизатора. Установка не требуется сложного монтажа. Если у прибора нет такого разъема, то подключение выполняется через клеммное соединение. Для этого потребуется обрезать провод с евровилкой и подключить кабель в клеммную колодку стабилизатора с соблюдением фазировки;
- модели более 3,5 кВт имеют клеммный терминал. Обычная электрическая розетка не сможет выдержать такую нагрузку. Поэтому соединение выполняется только через клеммы кабелем с медными жилами и с сечением, которое рекомендует производитель стабилизатора и зарядного устройства. Для зарядок мощностью от 3 кВт применяется кабель с сечением не менее 2,5 мм2.
Стабилизатор может подключаться к электросети через розетку с максимальным током 16 А. Если это ЭЗС на более 3 кВА, то приборы подключаются через клеммные колодки обычно сразу после автоматического выключателя. Он выделяется конкретно для питания зарядки электромобиля.
Перед стабилизатором рекомендуется установить УЗИП для дополнительной защиты прибора и нагрузки от сверхтоков, например, вызванных наводками от ударов молний.
Инверторные стабилизаторы для зарядных станций электроавтомобилей
Российский производитель систем электропитания «Штиль» выпускает инверторные стабилизаторы, которые функционируют на основе технологии двойного преобразования энергии. В их конструкции нет силового трансформатора и коммутирующих компонентов. Коррекция сигнала выполняется выпрямителем и инвертором – сначала нестабильный переменный сигнал выпрямляется, теряя свои «вредные» качества, а затем через инвертор снова возвращается в переменный, но уже с надлежащими параметрами.
Благодаря такому принципу действия приборы способны:
- моментально срабатывать при сетевых колебаниях (за 0 мс);
- корректировать скачки и перепады в диапазоне 90-310 В;
- непрерывно питать зарядное устройство напряжением с погрешностью ±2% и идеальной синусоидальной формой;
- обеспечивать бесперебойность работы нагрузки во время кратковременных обрывах сети (до 200 мс).
Решения «Штиль» для зарядки электромобиля представлены:
- однофазными моделями 3,5-20 кВА настенного и напольного/стоечного исполнения;
- трёхфазными изделиями и приборами конфигурации три в один 6-20 кВА напольного/стоечного исполнения.