Как работает быстрое зарядное устройство постоянного тока?

Быстрозарядные устройства постоянного тока объединяют в себе полноценный преобразовательный модуль, напрямую выдающий высоковольтный постоянный ток для питания аккумулятора. В данной статье будет представлен всесторонний обзор быстрозарядных устройств постоянного тока с различных точек зрения, включая основную структуру, принцип работы, полный процесс зарядки, ключевые механизмы защиты и основные технологии электропитания.

Являясь основным источником питания для всей подстанции, он использует преимущественно трехфазное переменное напряжение 380 В (европейское 400 В, североамериканское 480 В) и включает в себя главный выключатель, предохранители, устройства защитного отключения (УЗО) и устройства защиты от перенапряжения. Его основная функция — подключение к электросети с одновременным отключением цепи, защита от ударов молнии и тока утечки, тем самым обеспечивая электробезопасность от источника.

Весь модуль разделен на два уровня преобразования:

Этап 1: Этап выпрямления переменного тока в постоянный

На этом этапе трехфазное переменное напряжение, поступающее из сети, преобразуется в низковольтное постоянное напряжение. Он также оптимизирует форму тока, снижает гармонические помехи в сети и обеспечивает качество электроэнергии.

Этап 2: Повышающий/регуляторный DC-DC преобразователь

На этом этапе происходит дальнейшее преобразование низковольтного постоянного тока в высоковольтный постоянный ток, совместимый с аккумулятором автомобиля (напряжение аккумуляторов большинства легковых автомобилей 200–800 В, в моделях высокого класса — до 1000 В). Этот модуль определяет номинальную мощность зарядного устройства и является самой дорогой и технологически сложной частью оборудования.

Состоящий из материнской платы, модуля связи и микросхемы протокола, он отвечает за логическое управление всем устройством:

Обмен данными в режиме реального времени с системой управления аккумулятором (BMS) электромобиля;

Сбор данных, таких как напряжение, ток и температура;

Выполнение команд, таких как запуск/остановка, регулировка мощности и отключение питания в случае неисправности;

Одновременное подключение к облачной платформе управления и обслуживания для удаленного мониторинга, выставления счетов и загрузки данных.

Включает сенсорный экран, область сканирования QR-кода, индикаторные лампы, пистолет для зарядки постоянным током и кабели. Пользователи инициируют команды зарядки через экран или путем сканирования QR-кода. Пистолет для зарядки, выступая в качестве выходного терминала питания, подает высоковольтное питание постоянного тока на транспортное средство. Основные интерфейсы: китайский GB/T, европейский CCS2 и североамериканский NACS/CCS1.

Включает систему отвода тепла (воздушное/жидкостное охлаждение), датчик температуры, устройство контроля изоляции и кнопку аварийной остановки. Работа на высокой мощности генерирует большое количество тепла, которое система отвода тепла непрерывно охлаждает; она круглосуточно контролирует состояние изоляции и температуру сопла и немедленно отключает питание в случае каких-либо отклонений.

С момента сканирования пользователем кода до момента извлечения зарядного пистолета и ухода весь процесс состоит из пяти этапов: установление связи, согласование параметров, начало зарядки, динамическая регулировка и выключение питания. Весь процесс контролируется связью между зарядной станцией и системой управления батареей (BMS) автомобиля.

Владелец автомобиля вставляет зарядный пистолет постоянного тока в зарядный порт автомобиля, и внутренние контакты головки пистолета обеспечивают физическую целостность. Зарядная станция немедленно проверяет изоляцию цепи и надежность соединения. После подтверждения отсутствия риска короткого замыкания или утечки она переходит в фазу связи.

Зарядная станция и система управления батареей (BMS) автомобиля устанавливают связь, передавая основные данные в двустороннем режиме:

Автомобиль сообщает: текущее напряжение батареи, оставшийся заряд, температуру батареи, максимально допустимый зарядный ток/мощность и состояние батареи;

Зарядная станция сообщает: собственное номинальное выходное напряжение, номинальную мощность и текущую доступную емкость.

Зарядка будет разрешена только после завершения сопоставления информации и подтверждения совместимости параметров. Если протокол несовместим или температура батареи ненормальна, зарядка будет немедленно прекращена, и будет сообщено об ошибке.

После успешной проверки связи внутреннее реле зарядного устройства замыкается, позволяя трехфазному переменному току поступать в силовой модуль. После выпрямления и повышения напряжения на выходе появляется высоковольтный постоянный ток, который непрерывно поступает в батарею. В это время на экране отображается мощность зарядки в реальном времени, напряжение, ток, оставшееся время и стоимость.

Аккумуляторы электромобилей не будут заряжаться на полную мощность на протяжении всего процесса. Зарядная станция будет автоматически регулировать выходную мощность в соответствии с инструкциями BMS, что разделено на три этапа:

Этап быстрой зарядки постоянным током: Когда уровень заряда батареи низкий, BMS разрешает подачу высокого тока, и зарядная станция работает на своей номинальной полной мощности. Это самый быстрый этап зарядки.

Этап восстановления при постоянном напряжении: Когда уровень заряда батареи достигает примерно 80%, система управления батареей (BMS) активно снижает ток для защиты элементов батареи, и зарядная станция переключается на выход постоянного напряжения, значительно замедляя скорость зарядки.

Этап медленной зарядки до полной зарядки: Когда уровень заряда батареи приближается к 100%, ток дополнительно снижается для завершения зарядки небольшим током, предотвращая перезарядку и повреждение батареи.

Нормальное завершение: После того, как владелец вручную останавливает зарядку, баланс счета недостаточен или батарея полностью заряжена, BMS выдает команду остановки. Зарядная станция сначала отключает высоковольтное питание, затем разрывает связь, и владелец может снять зарядный пистолет и уйти.

Аварийное отключение питания: В случае утечки, перегрева, повреждения изоляции, нажатия кнопки аварийной остановки или неисправности транспортного средства система отключает высоковольтное питание за миллисекунды и записывает код ошибки для обеспечения безопасности персонала и оборудования.

Используя вентиляторы и радиаторы для вентиляции и охлаждения, этот метод прост по конструкции, недорог и прост в обслуживании, что делает его основным выбором для обычных станций быстрой зарядки мощностью 60–120 кВт. Недостатками являются относительно высокий уровень шума и ограниченная эффективность рассеивания тепла при высокой мощности.

Используя циркулирующую охлаждающую жидкость для отвода тепла, этот метод обеспечивает более высокую эффективность рассеивания тепла, чрезвычайно низкий уровень шума и более легкие кабели. Он в основном используется на станциях быстрой зарядки мощностью более 180 кВт (таких как Tesla V4 Supercharger и мощные станции с жидкостным охлаждением) и подходит для крупных станций, работающих на полную мощность в течение длительного времени.

Все модели снижают мощность после того, как батарея зарядится на 80%, и преимущество высокой мощности проявляется только в первой половине процесса зарядки.

Оригинальные зарядные станции строго следуют инструкциям BMS по регулированию тока и напряжения и не повреждают батарею при кратковременном нормальном использовании; однако частая быстрая зарядка на полной мощности при низких температурах ускоряет старение батареи.

При использовании одного и того же стандарта зарядки (например, отечественного GB/T) протокол унифицирован, и все марки зарядных станций и транспортных средств совместимы.

Быстрые зарядные устройства постоянного тока для электромобилей в несколько раз быстрее, чем зарядка переменным током, поскольку они переносят процесс преобразования энергии из автомобиля на зарядную станцию, устраняя ограничения по мощности бортовых зарядных устройств. От обычной быстрой зарядки мощностью 60 кВт до сверхбыстрой зарядки с жидкостным охлаждением мощностью 500 кВт, технологические усовершенствования неизменно были направлены на повышение мощности, улучшение теплоотвода, более интеллектуальное согласование батарей и усиление защиты.