Почему бортовое зарядное устройство намеренно проектируют маленьким?

Скорость зарядки электромобиля дома определяет не настенное устройство, а встроенный бортовой зарядный модуль, работающий в диапазоне 7-22 кВт.
Скорость зарядки электромобиля дома определяет не настенное устройство, а встроенный бортовой зарядный модуль, работающий в диапазоне 7-22 кВт.

Поделиться этой страницей

Скорость зарядки электромобиля от домашней сети переменного тока определяет не настенная зарядная станция, а бортовое зарядное устройство (onboard charger) внутри автомобиля; этот блок сознательно ограничен диапазоном 7-22 кВт, то есть узким интервалом мощности, поскольку основную нагрузку быстрой зарядки берут на себя DC-преобразователи на стороне станции. В этой статье мы объясняем на уровне силовой электроники, что делает OBC, почему он спроектирован компактным и как быстрая зарядка постоянным током выводит его из работы.

Ключевые моменты

  • При зарядке переменным током мощность, поступающая на батарею, равна меньшему из двух значений: максимальной мощности станции и мощности бортового зарядного устройства автомобиля - берётся меньшее.
  • Типичные классы мощности OBC 7 кВт, 11 кВт и 22 кВт выстраиваются в следующий ряд.
  • Бортовое зарядное устройство обычно разработано легче 5 кг и компактным.
  • При быстрой зарядке постоянным током преобразование AC-DC происходит на станции; OBC исключается из цепи, и постоянный ток поступает напрямую в батарею.
  • При быстрой зарядке постоянным током пиковые мощности варьируются от 50 кВт до 250 кВт и выше .

Что такое бортовое зарядное устройство и что именно оно делает?

Настенные блоки, которые в быту называют "зарядными устройствами", технически таковыми не являются; они называются зарядным оборудованием для электромобилей, то есть EVSE. Настоящее зарядное устройство находится внутри автомобиля: бортовое зарядное устройство (onboard charger) преобразует мощность переменного тока из сети в постоянный ток, пригодный для накопления в батарее. Помимо этого, оно регулирует напряжение, обменивается данными с зарядным оборудованием и непрерывно контролирует батарею.

Роль настенного блока скромнее: он обменивается данными с автомобилем, определяет максимальный ток, который может пройти по кабелю, и максимальный ток, который может принять OBC, отключает питание, если кабель не подключён, и размыкает цепь при неисправности. Иными словами, коробка на стене - это блок безопасности и соединения; преобразованием занимается автомобиль. Именно с этого различия начинается любой спор о скорости зарядки.

Почему скорость зарядки переменным током определяет автомобиль?

Бортовое зарядное устройство - главный ограничивающий фактор скорости зарядки переменным током. Оно само определяет и само регулирует вольты и амперы, подаваемые на батарею. Сколько бы мощности ни предлагала зарядная станция, OBC никогда не принимает мощность выше своей номинальной: автомобиль с номинальной мощностью 7,2 кВт, подключённый к станции, способной выдавать 19,2 кВт при 80 А, всё равно заряжается только с мощностью 7,2 кВт.

На практике мощность зарядки переменным током определяется наименьшим из четырёх ограничений: кабель, бортовое зарядное устройство автомобиля, число фаз, доходящих до розетки, и питание. Расчёт же мощности прост: вольты × амперы. 240 В × 30 А - это примерно 7,2 кВт; при 48 А значение возрастает до уровня 11,5 кВт. Кроме того, у каждого автомобиля есть два разных показателя мощности: более низкая мощность переменного тока и более высокая мощность постоянного тока. Разница между этими значениями - прямое следствие разделения архитектуры на два отдельных пути преобразования.

Классы мощности: почему диапазон 7, 11 и 22 кВт настолько распространён?

Представленные на рынке классы мощности переменного тока сводятся к трём ступеням. 7 кВт - стандарт однофазной домашней среды, 11 кВт - выбор трёхфазных домов и небольших предприятий, а 22 кВт - самый быстрый вариант переменного тока, который даёт трёхфазное подключение. Чисто по мощности 11 кВт примерно на 57% быстрее, чем 7 кВт; эта разница означает выигрыш по времени порядка трёх-четырёх часов при ночной зарядке.

Класс мощностиСредаВремя полной зарядки (примерно)
7 кВтОднофазный домВсю ночь
11 кВтТрехфазный дом / малый бизнес5-6 часов
22 кВтТрехфазный, самый быстрый AC2,5-3 часа

Выйти за пределы этих рамок возможно по выбору производителя: в распространенных моделях, таких как Nissan LEAF, OBC на 7,2 кВт считается достаточным, в то время как Lucid Air с бортовым зарядным устройством на 19,2 кВт выходит за пределы этого диапазона. Однако распространение AC-станций на 22 кВт остается ограниченным из-за необходимости трехфазной инфраструктуры и официальных одобрений; то есть потолок определяет и инфраструктура.

Как DC-быстрая зарядка выводит из строя бортовое зарядное устройство (Onboard Charger)?

Hızlı şarj istasyonları devasa konverterlerle dönüşümü üstlenirken araç, o ağır donanımı her kilometrede yanında taşıma cezasından kurtulur.

При быстрой DC-зарядке (DCFC) преобразование AC-DC происходит не в автомобиле, а на станции. Преобразованный постоянный ток подается напрямую в батарею, вообще не проходя через OBC; в этом режиме автомобиль управляет процессом через систему управления батареей (BMS). DC-зарядное оборудование, классифицируемое как Mode 4, выполняет именно этот обход.

Поэтому уровень мощности при быстрой DC-зарядке во многом ограничен только станцией: пиковые скорости простираются от 50 кВт до значений свыше 250 кВт. Здесь же кроется архитектурная логика того, почему преобразование не переносится на автомобиль: преобразовательная электроника на станциях может быть намного больше и мощнее той, которую способен перевозить автомобиль. Транспортному средству не приходится каждый раз возить с собой тяжелое преобразовательное оборудование.

Почему бортовое зарядное устройство намеренно проектируют небольшим?

В EV ограничены и грузоподъемность, и объем; бортовое зарядное устройство обычно проектируется легче 5 кг и компактным. Превышение этого предела одновременно увеличивает три стоимости:

  • Стоимость: OBC с большей емкостью напрямую увеличивает стоимость автомобиля.
  • Вес и объем: Каждый дополнительный килограмм - прямое наказание с точки зрения запаса хода и компоновки.
  • Тепловое управление: Высокая мощность означает больше тепла, которым нужно управлять; OBC проектируются с вентиляторным или жидкостным охлаждением, и хорошее охлаждение критически важно для контроля тепла.

На инженерной стороне есть и способы уменьшить размер: в многофункциональных зарядных устройствах совместное использование общего теплоотвода уменьшает общий размер. Передовые полупроводниковые технологии могут улучшить компромисс между плотностью мощности и эффективностью, но цена этому - дизайн gate-drive, более продуманные тепловые тракты и усовершенствованные магнитные компоненты. То есть уменьшение не «бесплатно»; каждый выигрыш требует платы в другой инженерной области.

Меняет ли архитектура 800 В эту картину?

Архитектура 800 В - это системное решение, охватывающее батарейный блок, DC-DC преобразователи и бортовые зарядные устройства; она облегчает ультрабыструю зарядку, обеспечивая более высокую зарядную мощность при более низких токах, и может сократить диапазон 10-80% до менее чем 20 минут. Указывается, что на подходящих станциях с мощностью свыше 200 кВт до ~80% можно добраться примерно за 20-30 минут; архитектура поддерживает скорости зарядки до 350 кВт.

Важный нюанс, на который следует обратить внимание: скорость, которую даёт 800В, относится к DC-стороне. При зарядке AC и от домашней зарядки архитектура 800В преимущества не даёт, поскольку верхнюю границу на AC-стороне по-прежнему определяет номинальная мощность OBC. Более того, некоторые двунаправленные домашние зарядные станции могут управлять DC-аккумулятором на 400В, но не на 800В. Ограничение автомобиля с 400В выходом на 400В при подключении к станции 800В - это ещё одно проявление той же логики: предел всегда задаёт более узкая сторона.

Является ли медленная зарядка AC более щадящей для батареи?

Не стоит воспринимать наличие небольшого OBC как недостаток. Зарядка AC медленная, но эта медлительность помогает сохранять здоровье батареи на протяжении всего срока службы автомобиля; ночная зарядка дома - это режим, при котором батарея испытывает наименьший стресс. Преимущество быстрой зарядки DC в скорости неоспоримо и незаменимо в дальних поездках, однако при повседневном использовании достаточно возможностей AC-стороны - это тоже бесспорно.

Также полезно знать, что у зарядки на низкой мощности есть практический предел: некоторые автомобили во время зарядки потребляют 100–200 Вт в час для поддержания работы систем. Это потребление непропорционально замедляет зарядку, настроенную на очень низкую мощность; то есть форму потока энергии определяет не только нижний предел OBC, но и собственная постоянная нагрузка автомобиля.

Вывод: небольшой OBC - это правильное разделение рабочей нагрузки

Компактность бортового зарядного устройства - не недостаток, а архитектурное решение. При зарядке AC верхнюю границу задаёт автомобиль, при зарядке DC преобразование переносится на станцию, а в автомобиле остаётся только сторона данных и управления батареей. OBC в диапазоне 7–22 кВт сохраняет разумными вес, стоимость и тепловую нагрузку, тогда как реальную потребность в скорости обеспечивают огромные преобразователи на стороне инфраструктуры. Именно из-за этого разделения, читая параметры зарядки EV, мы видим два разных числа: одно - небольшой, но постоянно работающий блок внутри автомобиля, другое - большая мощность на станции, которая никогда не возится в автомобиле.

Источники