Villanyszerelők Lapja

Zöld oldal

Kommunikáció az elektromos autó és az AC töltőállomás között

2017. november 10. | Kozma László villamosmérnök |  421 | |

Kommunikáció az elektromos autó és az AC töltőállomás között

Korábbi cikkeinkben áttekintettük az elektromosautó-töltőállomások helyzetét a világban és Magyarországon, illetve több alkalommal beszéltünk műszaki tulajdonságokról. Az ezután következő írásokban részletesen megvizsgálunk egy-egy műszaki témát akár az EV autókkal, akár a töltőállomásokkal kapcsolatban, beszámolunk az ipar fejlesztéseiről és várható kilátásairól.

Aktuális és érdekes téma a kommunikáció az elektromos autó és a töltőállomás között, mert ez egy fontos eleme a töltésnek. Abban az esetben ugyanis, amikor nem jön létre megfelelő kommunikáció az autó és a töltő között, vagy az egymással „megbeszélt” eredmények nem megnyugtatóak, a töltő nem fogja tölteni az autót, védendő önmagát és az autót.

Szabvány

A töltőállomások és elektromos autók csatlakozóiról az IEC 62196 Csatlakozódugók, csatlakozóaljzatok, járműcsatlakozók és bemeneti járműcsatlakozók – Villamos járművek vezetékes töltése szabvány értekezik 3 fejezetben. Az első rész az általános követelményeket fogalmazza meg, pontos címe is ez. A 2. fejezet beszél a váltakozó áramú részről: Váltakozó áramú csapos és érintkezőhüvelyes csatlakozószerelvények csatlakozási méretei és csereszabatossági követelményei. A 3. fejezet foglalja össze a DC töltést: Egyenáramú és váltakozó/egyenáramú csapos és érintkezőhüvelyes járműcsatlakozó-párok csatlakozási méretei és csereszabatossági követelménye. Az érvényben lévő szabványok 2013-as kiadásúak, de a legújabb változatok között van 2017-es publikálású is. Nekünk, hétköznapi felhasználóknak és szerelőknek ezekkel a szabványokkal nem igazán kell érdemben foglalkoznunk, arra kell csak odafigyelnünk, mint minden más szerelési és alkalmazási esetben, hogy az általunk használt és szerelt csatlakozók és kábelek megfeleljenek ezen szabványoknak. Természetesen könnyen elkerülhetjük az ebből adódó gondokat, ha megbízható forrásból és megbízható gyártó által gyártott, jól ismert márkaneveket alkalmazunk, bár ezek az eszközök általában drágábbak, mint az interneten rendelhető, barkácsolt vagy távol-keleti gyártású típusok. Ugyanakkor abban biztosak lehetünk, hogy az ismert márkanevek átmentek a szigorú belső teszteken, és minősítést, valamint tanúsítványt is kaptak 3. feles független laboratóriumtól is.

A struktúra

A töltőállomásokról szóló IEC 6185 szabvány beszél a töltési struktúrákról és a töltőállomásokról. Egy leegyszerűsített rajzzal az 1. ábrán mutatjuk be a kábellel tölthető elektromos jármű töltésének strukturális felépítését. Mivel jelenleg ez a legelterjedtebb töltési mód, ezért ezt fogjuk megbeszélni. A szabványok és leírások ezt a módszert B típusú esetként (Case B) hivatkozzák.

1. ábra: B eset, autó töltése leválasztható kábellel töltőállomásról.
1 Bemenet az autón (villásdugó); 2 Csatlakozóaljzat; 3 Kábel; 4 Csatlakozó villásdugó; 5 Leválaszthatókábel-szerelvény; 6 Csatlakozóaljzat; 7 EV=elektromos autó; 8 Töltőállomás aljzattal (nem beépített kábeles típus); 9 Töltőállomás aljzattal beépített kábellel.

A teljesség igénye miatt azért említsük meg az A (az autó tartalmaz egy beépített, leválaszthatatlan kábelt és villás dugót, amelyet a töltési pont aljzatába lehet bedugni, ilyen például a Renault Twizy) és C eseteket is (a töltőállomás tartalmaz egy beépített, leválaszthatatlan kábelt, amelynek a végén egy csatlakozóaljzat van, amelyet az autóban lévő villás dugóba lehet bedugni), ezeket a 2–3. ábrán szemléltetjük.

2. ábra: A eset, autóban beépített kábelen keresztül történő töltés töltőállomásról.

3. ábra: C eset, töltőállomásba beépített kábelen keresztül történő töltés töltőállomásról.

A leginkább elterjedt és alkalmazott B eset két változata is forgalomban van, B1, amikor az autót egy fali aljzatba csatlakoztatjuk, és a B2 eset, amikor az autót egy erre a célra kifejlesztett töltőállomásba dugjuk töltésre. Fontos megjegyezni és hivatkozni korábbi cikkeinkre, ahol leírtuk, hogy az autókat közvetlenül fali aljzatba dugni és így tölteni tilos és rendkívül veszélyes, abban az esetben, ha a kábel nem tartalmaz védelmeket – ezt a töltési módszert nevezzük 1 töltési módnak. Tehát a B1 eset élő példa és a technológia erre lehetőséget ad, de nem gyári kábellel, azaz védelem nélkül kerüljük el ezt az alkalmazást. A B2 eset viszont nemcsak biztonságos, hanem hatékony és gyors is lehet, mert nagyobb teljesítmények átvitelére is alkalmas. Ne feledjük, hogy a B1 esetben egy háztartási aljzatról való töltés, még gyári kábellel és beépített védelemmel sem ajánlatos, mert a háztartási aljzat nem képes 2-2,5 kW-nál nagyobb teljesítmény átvitelére, és nem alkalmas minden nap, hosszú ideig tartó töltésekre. Az A eset leginkább olyan speciális helyzetekben képzelhető el, mint amikor egy nagyvárosban megtalálható autókölcsönző cég a belvárosi mozgásokhoz kölcsönöz ki gyorsan és bárhol tölthető kisautókat. A C eset pedig tipikusan a kertes házas, garázzsal rendelkező otthoni töltési megoldás, amikor az autó tulajdonosa olyan fali töltőállomást szereltet fel magának, amely beépített kábellel rendelkezik. Ilyen esetekben, az autó hazaérkezésekor a töltéshez nem kell a töltőkábelt elővenni (mint például a B eset), hanem egyszerűen a fali töltőből kilógó kábelt az autóba csatlakoztatni. Nagyon kényelmes megoldás, és biztosítja azt a lehetőséget, hogy az autó tulajdonosa nem hagyja otthon a kábelt, hiszen nem is veszi elő azt otthon soha. A C eset lesz a benzinkúthoz hasonló, gyorsforgalmi úthálózatok mentén letelepített nagy teljesítményű DC villámtöltő is, hiszen nem várható el az autó tulajdonostól, hogy a nagyon nagy teljesítmények átvitelére alkalmas nehéz és nagy keresztmetszetű kábeleket hordozzon magával. A szabvány meg is adja, hogy kizárólag a C eset alkalmazható a 4 módozatú töltésre, azaz a DC villámtöltésre.

A B eset tehát az utcai töltés tipikus esete, hiszen az utcán már most is megtalálható rengeteg publikus, szabadon használható töltőállomás döntő többsége nem rendelkezik beépített kábellel, hanem az autósnak magának kell gondoskodnia a megfelelő kábelről. A B esethez a gyártók – és ebben az esetben beszélhetünk bátran az autógyártókról és a villamosipari gyártó cégekről is egyaránt – általában 4 vagy 5 méter hosszúságú gyári kábeleket gyártanak, amely hossz egyébként jellemzi a beépített kábeleket is. Mivel az elektromos autók terjednek, és sok esetben tapasztalható, hogy ez a hossz nem elegendő, már meg-megjelennek 7, esetleg 10 méter hosszúságú kábelek is. Természetesen itt is figyelni kell arra, hogy ezeket a nagyobb teljesítményeket megfelelően szigetelt és keresztmetszettel ellátott, jó minőségű csatlakozóval felszerelt megbízható típusokkal vigyük át az autóba. Ezek az intelmek nemcsak a biztonságot hivatottak szolgálni, hanem majd hamarosan meglátjuk, hogy bizonyos paraméterek nem megfelelő értéke megakadályozza az autó töltését, ami pedig meglehetősen kellemetlen szituáció (gondoljunk bele abba, hogy jóhiszeműen otthagyjuk autónkat egy töltőállomásra csatlakozva az utcán 2-3 órára, bízva abban, hogy az kap kb. 100-150 km-re elegendő töltést, majd az autóhoz visszatérve tapasztaljuk, hogy 1 W teljesítményt sem vett fel, például azért mert a kábel ellenállása nem volt megfelelően alacsony.

Csatlakozók az IEC 62196 szabvány szerint

Visszatérve tehát az IEC 62196 szabványhoz, amely a töltési csatlakozókat tárgyalja, láthatjuk, hogy váltakozó áramú típusok közül jelenleg 2 fajtát alkalmaznak. T1-es és T2-es típus. Egyik cikkünkben már említettük, de azért érdemes itt is átismételni, hogy a T1-es csatlakozó maximum 7 kW (1 fázis 32 A) teljesítmény átvitelére képes csak, míg a T2-es már akár 22 vagy 43 kW átvitelére is megfelelő (3 fázis 32 A vagy 3 fázis 63 A). Természetesen mindkét típus rendelkezik villa és aljzat változattal, a T1-es változatot hívják SAE J1772 típusnak is az észak-amerikai szervezet a Society of Automotive Engineers mint a rendszer kidolgozója és karbantartója után. A T2 típust pedig nevezik még Mennekes csatlakozónak is, mert az azonos nevű német csatlakozógyártó fejlesztette ki, majd a német autóipari szövetség standardizálta, és most az IEC 62196 szabvány T2-es típusként katalogizálja. 2013 óta az Európai Unió pedig hivatalos európai követendő és alkalmazandó csatlakozási pontként nevezte meg ezt a Mennekes T2-es típust, mivel az európai autóipari szövetség is követte a német társszervezet példáját. Ennek következtében az európai gyártású autók és erre a piacra szánt töltőállomások ilyen csatlakozóval vannak felszerelve.

Cikkünkben nem foglalkozunk a T3-a típusú csatlakozóval, mert ezek a típusok gyakorlatilag megszűntek, és sem autógyártók, sem pedig töltőgyártók nem fogalmaznak termékeket ezen csatlakozóval. Annak, aki ilyen autóval rendelkezik, vásárolnia kell egy T2–T3 átalakító kábelt, autó töltéséhez.

4. ábra: T1-es csatlakozó.  5. ábra: T2-es csatlakozó.
1 Fázis, 2 CP, 3 Nulla, 4 PP, 5 Földelés (PE), 6 L1, 7 L2, 8 L3.

A csatlakozókra nézve (4–5 ábra), rögtön feltűnhet, hogy mindkét típus rendelkezik két darab kisebb keresztmetszetű csatlakozási ponttal, ezek szolgálnak egyfajta kommunikációra az autó és a töltő között. A 3 vagy 5 nagyobb keresztmetszetű csatlakozási pont pedig az erősáramú átvitelt szolgálja, ezeken keresztül tölthető fel az autó akkumulátora. Első ránézésre is azonnal látszik, hogy a T1-es csatlakozó „csak” 3 db erősáramú ponttal csatlakozik, tehát kizárólag 1 fázisú töltésre alkalmas (fázis+nulla+földelés), míg a T2-es az 5 db erősáramú ponttal 3 fázisú töltést is lehetővé tesz (3 db fázis+nulla+földelés). Kisebb teljesítmények esetén, amelyek 1 fázison történnek (3,7 és 7,4 kW) a T2-es csatlakozó csak az L1, a nulla és a földelés tüskéket tartalmazza.

6. ábra: PWM jel, amelyet oszcilloszkóppal lehet kimutatni a töltőállomás és autó közötti kommunikáció közben.

„Kommunikáció” az autó és a töltési pont között az IEC 61851 szabvány szerint

Áttekintve a csatlakozókat, nézzük meg, hogy történik a kommunikáció az autó és a töltési pont között, illetve beszéljük meg, hogy a csatlakozó érintkezők közül melyik mire való. A kommunikáció szempontjából értelemszerűen a CP és PP csatlakozási pontok az érdekesek.

7. ábra: T1 csatlakozó kapcsolási rajza.

8. ábra: T2 csatlakozó kapcsolási rajza. 
1 Töltésbetáplálás, 2 Autóoldali csatlakozó, 3 Villás-csatlakozóaljzat az autó oldalán, 4 Dugaszolóaljzat a töltőkábel oldalán, 5 Töltőoldali csatlakozó, 6 Hálózat oldali betáplálás, 7 Közelségérzékelő-logika, 8 Elektromos autó, 9 Kábelszakasz, 10 Nyomógombkapcsoló (alapállapot bekapcsolt), 11 A 4-es tüske nincs használatban az 1-es módozatú töltéshez, 12 Vezérlő, 13 Áram-védőkapcsoló (ÁVK), 14 Pilóta (jelzés) funkciólogika, 15 Jelzésföldelés, 16 Pilóta (jelzés) funkcióvezeték.

PP = proximity pilot, azaz közelségérzékelő pilótavezeték (vagy jelzésvezeték). Ez figyeli azt, hogy a csatlakozó mind az autóban, mind pedig a töltőben megfelelően van-e csatlakoztatva, és megakadályozza, hogy a csatlakozást bontsuk feszültség alatt. Mindezt úgy éri el, hogy a csatlakozó rendelkezik egy mechanikai retesszel, ami kapcsolatban van egy kapcsolóval és egy a PP és PE közötti elhelyezett ellenállással. Ezt az ellenállást érzékeli az elektromos autó. A 7–8. ábrán látható, hogy a PP és PE vezetékek közötti kapcsolat a T1 csatlakozó esetében egy nyomógomb segítségével manipulálható, melynek segítségével 1 vagy 2 ellenálláson keresztül köthető össze a két vezeték. Abban az esetben, ha a kapcsoló zárt állapotban van, azaz nem nyomtuk meg a gombot a T1 csatlakozón, tehát nem akarjuk bontani a töltést, akkor az autó 150 Ω ellenállást fog érzékelni, míg megnyomott gomb esetén (bontani akarjuk a mechanikus zárat, tehát szét akarjuk húzni a csatlakozókat) az autó 150 + 330 = 480 Ω ellenállást fog érzékelni. Ezzel az egyszerű „kommunikációval” képes tehát az elektromos autó érzékelni, hogy a csatlakozót csatlakoztattuk-e, így képes megakadályozni a mozgást abban az esetben, ha az autó kábelre van csatlakoztatva és megszüntetni a töltést, ha a csatlakozók szét vannak húzva. A PP vezetéken 12 V feszültséget biztosít a töltőállomás.

CP = contact pilot, azaz érintkező pilótavezető (vagy jelzésvezető) arra való, hogy a tartsa a kapcsolatot az autó és a töltőállomás között. Egyszerű analóg elektronikus eszközökkel képes „megbeszélni” az autó és a töltő egymás között, hogy ha a csatlakozás létrejött (PP vezeték), akkor milyen teljesítménnyel kell és lehet tölteni az autót a töltőállomásról. Elsőként a töltőállomás a CP vezetékre is 12 V feszültséget kapcsol (A állapot a PWM jelen), majd ha a PP vezetéken minden rendben van, akkor a töltőállomás 1 kHz-es négyszög jelet küld 12 V-os feszültségszinttel a CP és a földelés között elhelyezett dióda és ellenálláson keresztül. Ha a CP és földeléskapcsolat nincs meg, akkor a töltőállomás nem engedélyez feszültséget a töltőcsatlakozókra, ezzel is védve például a véletlen érintést a feszültség alatt álló részeken a csatlakozókban. Ha a kapcsolat létrejött a CP és a földelés között, akkor a töltőállomás ellenőrzi, hogy a védőföldelés megfelelő-e. Ha az eddig történt ellenőrzések rendben vannak (csatlakozás – PP vezeték ellenőrzéssel – rendben, földelés rendben), akkor az autó kérvényezheti a töltést egy ellenállás beiktatásával. Ha a CP és a földelés közé 2740 Ω ellenállás kerül, akkor az autó csatlakoztatva van a töltőre, de nem kér töltést, ekkor a CP-PE feszültség 9 V (B állapot a PWM jelen), ez viszont egyben azt is jelenti, hogy 3 módozatú töltésre képes autó került a töltőre. A C állapotban a CP-PE feszültség 6 V és két különböző ellenállásértékkel találkozhatunk: 882 Ω esetében az autó töltése elkezdődik minden további egyeztetés nélkül, ha azonban az ellenállás értéke 246 Ω, akkor a töltőállomás csak akkor engedélyez töltést, ha az autó megfelelő szellőztetéséről, hűtéséről gondoskodtak (pl. kültéri töltés). A töltőállomás és az autó a CP vezetéken keresztül közli egymással azt is, hogy milyen teljesítményen lehet az autót tölteni. Ezt az értéket 2 tényező befolyásolja a töltőállomás, a kábel és az autó között: fázisok száma és a megengedhető átfolyó áram nagysága, amelyet a töltőállomás biztosítani tud, a kábel képes átvinni és az autó képes fogadni. Természetesen a legkisebb értékre korlátozó elem (töltő, kábel vagy autó) áramértékén fog megtörténni a töltés. A töltési teljesítményt az állomás és az autó PWM (pulse width modulation), azaz impulzus szélesség moduláció útján közli egymással, ezek tipikus értékei a következők: 16% működési ciklus 10 A-nek felel meg, 25% 16 A-nek, 50% 32 A-nek és 90% pedig villámtöltést jelent. A képletet az IEC 61851 szabvány határozza meg, a gyártóknak ehhez kell igazodni.

6–51 A között % működési ciklus = áram (A) / 0,6
5 –80 A között % működési ciklus = (áram (A) / 2,5) + 64

1. táblázat: Töltési teljesítmény kiszámolásának módszere a PWM (impulzusszélesség-moduláció) működési ciklusának százalékában.

Ezen képlet alapján tehát a töltőgyártók képesek azt megtenni, hogy a töltőben gyakorlatilag 1 A-enként változtathassák a kimenő teljesítményt, amelyet az autó felvehet. Így tehát, ha ez az érték változtatható egy felügyeleti rendszer által, akkor rendkívül széles tartományban és kis lépésekben megvalósítható felügyelet és energiamenedzsment egy-egy arra alkalmas töltőállomásban. Fontos információ az is, hogy az erősáramú vezetékek mindaddig nem kerülnek feszültség alá, ameddig az A és B állapotok állnak fenn. Érthetőbb lesz a leírás, ha megnézzük a csatlakozás kapcsolási rajzát (7–8. ábra), amelyet az IEC 61851 szabvány melléklete tartalmaz. A CP vezeték a 4-es pont, a PP pedig az 5-ös.

E-mobilitásElektromos autó