Каков предельный уровень постоянного тока для зарядки электромобилей?

Ограничение мощности зарядки постоянным током для электромобилей (ЭМ) обычно определяется бортовым зарядным устройством автомобиля. Большинство легковых электромобилей поддерживают мощность от 60 кВт до 480 кВт, а некоторые модели достигают 360 кВт в трехфазной системе. На практике это означает, что даже если зарядная станция могла бы обеспечить большую мощность, истинным ограничивающим фактором мощности зарядки часто является сам автомобиль.

Понимание этого ограничения имеет решающее значение для проектирования системы, контроля затрат и использования зарядных устройств в коммерческих условиях зарядки.

Ограничения на зарядку постоянным током обусловлены множеством факторов, включая зарядные станции для электромобилей, автомобильные аккумуляторы, окружающую среду и внешнюю электросеть.

Система управления аккумулятором (BMS): BMS — это «мозг» аккумулятора. Она отслеживает состояние аккумулятора в режиме реального времени и взаимодействует с зарядной станцией, динамически регулируя напряжение и ток зарядки для обеспечения безопасности.

Уровень заряда (SoC): Скорость приема заряда аккумулятора обычно максимальна при низком уровне заряда и снижается по мере увеличения заряда. Когда заряд достигает примерно 80%, BMS активно снижает ток зарядки, переходя в «режим медленного восстановления», чтобы постепенно пополнять аккумулятор и предотвращать перезарядку и повреждение.

Физические ограничения аккумуляторного блока: Каждый аккумулятор имеет свой собственный максимальный уровень приема энергии (кВт). Если мощность зарядной станции превышает максимальную емкость аккумулятора, скорость зарядки будет ограничена этим пределом.

Старение аккумулятора и количество циклов зарядки/разрядки: По мере старения аккумуляторов или частого использования с быстрой зарядкой постоянным током внутри ячеек происходят физические и химические изменения. Для защиты срока службы аккумулятора и обеспечения безопасности BMS может ограничивать максимальную мощность зарядки с помощью программного обеспечения.

Номинальная мощность зарядной станции: Фактическая мощность зарядки ограничена максимальной выходной мощностью зарядной станции. Например, при использовании стандартной станции быстрой зарядки мощностью 120 кВт, даже если автомобиль поддерживает более высокую мощность, фактическая мощность будет ограничена мощностью станции.

Совместимость протоколов быстрой зарядки: Зарядная станция и автомобиль должны поддерживать один и тот же протокол быстрой зарядки (например, китайский национальный стандарт GB/T, Tesla NACS и т. д.). Если протоколы не полностью совместимы, обе стороны могут заряжать только с меньшей, более безопасной мощностью.

Аккумуляторы чрезвычайно чувствительны к температуре. При экстремально высоких температурах система активирует защиту от перегрева и активно снижает мощность зарядки; в экстремально холодных условиях активность литий-ионных аккумуляторов снижается, и скорость зарядки естественным образом замедляется.

Нагрузка и мощность электросети: Выходная мощность зарядной станции ограничена входной мощностью электросети. Если пропускная способность электросети на объекте недостаточна или если несколько транспортных средств заряжаются одновременно в периоды пикового потребления электроэнергии, фактическая выделяемая мощность будет значительно снижена.

Перераспределение энергии в транспортном средстве: Если во время зарядки включены мощные электроприборы, такие как кондиционер автомобиля, часть электрической энергии будет перенаправляться, что замедлит скорость зарядки аккумулятора.

Класс мощности	Тип охлаждения	Пиковый ток одного пистолета	Основные типы транспортных средств	Типичные сферы применения
60/80 кВт	Воздушное	≤150 А	Легковые авто с платформой 400 В	Жилые комплексы, парковки торговых центров
120/180 кВт	Воздушное	200–250 А	Авто с платформой 400 В и начальные модели 800 В	Городские общественные зарядные станции
240/250 кВт	Воздушное / упрощенное жидкостное	250 А	Основные модели с платформой 800 В	Обычные зоны отдыха на автодорогах
350 кВт	Полное жидкостное	300–500 А	Все модели с платформой 800 В	Магистральные автодороги, фирменные сверхбыстрые станции автопроизводителей
480 кВт	Раздельная конструкция с полным жидкостным охлаждением	500 А	Легковые авто, легкие и тяжелые электрогрузовики	Транспортные узлы, крупные центры подзарядки для грузовиков
600 кВт и выше	Жидкостное охлаждение ChaoJi	800–1000 А	Электрогрузовики, автобусы	Грузовые парки, порты

Трехфазная сеть 480 В/60 Гц, однофазная бытовая сеть 240 В; слабая стабильность сети и большие колебания напряжения требуют усиленной адаптации зарядных станций к широкому диапазону напряжений; основная мощность составляет 150–350 кВт, при этом зарядные станции раздельного типа мощностью 480 кВт широко не применяются.

Трехфазная сеть 400 В/50 Гц; основная мощность быстрой зарядки составляет 50/150 кВт, при этом 350 кВт является верхним пределом для высокоскоростной зарядки; правила ЕС AFIR устанавливают 350 кВт в качестве стандарта для высокоскоростной зарядки к 2030 году, изначально поддерживая двунаправленный разряд V2G.

Трехфазная сеть 380 В/50 Гц, пятипроводная система TN-S; основное выходное напряжение зарядных станций составляет 200–1000 В постоянного тока; Верхний предел мощности для систем с воздушным охлаждением составляет 250 кВт, при этом для коммерческого использования наиболее распространены силовые батареи с раздельным жидкостным охлаждением мощностью 350/480 кВт; для большегрузных автомобилей используются специализированные зарядные станции ChaoJi мощностью от 600 кВт до 1 МВт.

Дальность полета составляет приблизительно 100 километров в час.

Подходит для: торговых центров, жилых районов, промышленных зон, ежедневных поездок на работу и зарядки, а также для длительных стоянок.

Дальность полета составляет приблизительно 300 километров в час.

Подходит для подзарядки во время длительных поездок.

Дальность полета составляет приблизительно 3200 километров в час.

Для легковых автомобилей услуга недоступна; услуга предоставляется только для автопарков. Одной заправки достаточно для грузовых перевозок на дальние расстояния, но весь процесс занимает больше времени.

Быстрая зарядка постоянным током не повреждает аккумуляторы, но принцип зарядки, выделение тепла и высокий ток являются основными факторами, ускоряющими старение элементов.

Зарядка постоянным током напрямую подает высокую мощность в элемент, при этом зарядный ток значительно превышает ток при медленной зарядке переменным током:

Медленная зарядка переменным током: ток обычно 10–30 А, низкий нагрев, меньшая нагрузка на теплоотвод батареи;

Быстрая зарядка постоянным током: ток 150–500 А, бурные внутренние химические реакции, быстрый нагрев элемента.

Высокие температуры вызывают осаждение лития в литиевых батареях: металлический литий откладывается и прилипает к отрицательному электроду, необратимо снижая полезную емкость, а в тяжелых случаях вызывая вздутие и скачок внутреннего сопротивления.

Для ускорения зарядки быстрая зарядка постоянным током поддерживает высокий ток даже в диапазоне средних и высоких значений SOC:

Основной диапазон для быстрой зарядки — ниже 80% емкости батареи, при напряжении, близком к порогу полной зарядки. На этом этапе зарядка высоким током вызывает значительный износ материала отрицательного электрода;

Медленная зарядка переменным током характеризуется постепенным нарастанием тока с плавным повышением напряжения, что приводит к меньшему напряжению материала.

При температуре ниже 10℃ активность литий-ионов снижается, а мощная зарядка постоянным током легко приводит к осаждению металлического лития, вызывая необратимые повреждения.

Система управления батареей (BMS) автомобиля будет активно ограничивать ток, но она не может
полностью компенсировать потери от быстрой зарядки при низких температурах.

Зарядка высоким током вызывает поляризацию элементов, при этом локальные мгновенные напряжения превышают стандартное зарядное напряжение. Это повреждает электролит и защитную пленку SEI, что приводит к непрерывному увеличению внутреннего сопротивления батареи с течением времени.

Передовые технологии позволили увеличить верхний предел мощности зарядки постоянным током до 900 кВт или даже 1000 кВт, но в повседневной эксплуатации максимальная мощность зарядки, которую фактически испытывают обычные потребители, обычно ограничена напряжением автомобиля (в основном от 150 кВт до 600 кВт).

Нет. Скорость зарядки ограничена встроенным зарядным устройством автомобиля. Зарядное устройство большей мощности не увеличит скорость, если автомобиль не может его принять.

Зарядка мощностью 60 кВт занимает более 35 минут, 120–180 кВт — 25–38 минут, сверхбыстрая зарядка с жидкостным охлаждением мощностью 350 кВт — 13–18 минут, а топовая сверхбыстрая зарядка с жидкостным охлаждением мощностью 480 кВт — всего 10–14 минут.