Как же устроено зарядное устройство переменного тока для электромобиля?

Предупреждение №1 - информация в данной статье не является обязательной для эксплуатации зарядного устройства электромобилей. Для общего развития вам вполне хватит других статей написанных для повышения уровня ваших знаний и размещенных на этом сайте. Если же вы целенаправленно хотите свои знания углубить, возможно материал из данной статьи придется вам по вкусу. 

Предупреждение №2 - автор данного текста не имеет специализированного образования в вопросах схемотехники, создания различных электронных плат и устройств, не получал каких либо наград, дипломов и медалей - в том числе из рук президента. Но при этом автор имеет желание затрачивать свое время на создание различных, как ему кажется полезных статей, которые должны поднять общий уровень понимания в обсуждаемых вопросах.

Предупрежение №3 - автор надеятся что вы уже прочли вот эту и эту статью.

Итак, начнем.  Иногда я слышу от покупателей - "да все эти зарядки одинаковые". Абсолютно соглашусь, но добавлю - одинаковые в плане общего устройства и главное стандартизации принципов работы, протоколов обмена с электромобилем. А разница как раз уже в деталях и в вопросе подхода к производству, браку, поддержки покупателей. Но статья не про это, а раз были упомянули стандарты пора бы о них и начать говорить:

Это конечно же перевод, не надо думать что стандарт разработан в нашей стране. Но для ознакомления с вопросом это отличный вариант. Автору статьи изначально пришлось разбираться с оригиналом на английском языке. Несмотря на наличие разных видов зарядных пистолетов, разных протоколов быстрой зарядки (эх а как было бы хорошо чтобы и был один вариант и один стандарт) - замечательная новость в том, что инженерам удалось договориться хотя бы в вопросе общей стандартизации принципа заряки электромобилей. Именно благодаря этим стандартам продаваемые нами зарядные устройства могут заряжать любые электромобили, если конечно верно подобран вариант исполнения (хотя бы по мощности, типу зарядного пистолета).

В одной из наших статей было вот такое замечательное изображение:

И вот смотря на верхний вариант Mode1 мы видим, что электромобиль может заряжаться просто "проводом" без какого либо блока электроники. И в теории это так, по крайней мере так все задумывалось. Этот вариант зарядки подразумевал максимальное упрощение (остается лишь догадываться для чего - возможно для максимального удешевления и максимального распространения) устройства передачи электроэнергии от бытовой сети в электромобиль. Но я считаю, что производители элекромобилей не стали реализовывать этот вариант. Лично у меня нет желания проводить обширное тестирования и выяснять реализованна ли эта возможность в электромобилях или нет. Да и зачем? Даже сегодня, при ограниченном рынке, а значит небольших объемах производства зарядных устройств они вполне доступны по цене уже в исполнении Mode2, с блоком управления и дополнительными возможностями и защитами.

Но вернемся все таки к самому простому варианту в котором используется "почти обычный кабель" для зарядки электромобиля, смотрим схему ниже:

Красная стрелка указывает на сторону электромобиля, а синяя на сторону зарядного кабеля. Пунктир между ними - это граница зарядного порта электромобиля и зарядного пистолета. Как мы видим, это действительно максимально простое "зарядное устройство" которое содержит в корпусе зарядного пистолета пару резисторов R6 и R7, а также опционально микровыключатель S3 подключенный к кнопке на зарядном пистолете (если кнопка там есть). Со стороны электромобиля так же присутствует еще резистор R4 / R5 и модуль опроса изменения напряжения проходящие через указанные выше резисторы. Контакт номер 5 называется PP, и переводится как контакт приближения - в обычном понимании этого слова контакт обнаружения физического соединения. Он нам еще встретится ниже. А контакт номер 4 тут не используется, но он будет задействован в другом - более совершенном, безопасном и более удобном варианте зарядки Mode2.

Задумка была простая и в целом элегантная. За счет резисторов изменяется напряжение при присоединении зарядного пистолета к электромобилю. Электромобиль понимает, что его хотят зарядить, и если ему это надо замыкает реле со своей стороны (на схеме не показано).  Собственно после этого в электромобиль поступает переменный ток из вашей электросети. Как видно инженеры даже побеспокоились о некоторой защите, если во время зарядки пользователь решит вынуть зарядный пистолет и нажмет на его кнопку (чтобы разблокировать механический фиксатор - и тут речь идет и зарядных пистолетах TYPE1 и GBT), то машина это сразу узнает и сможет разомкнуть реле, тем самым разорвав соединение до извлечения зарядного пистолета. 

Согласитесь не плохо? Считаю что да. В целом можно заявлять, электромобиль можно зарядить обычным проводом - ну это в теории и по стандарту. Но надеюсь ни кто из читающих не станет это проверять на своем электромобиле. И вот почему - вам понадобится как минимум зарядный пистолет, а он тоже стоит весьма не дешево (пока), понадобится опрессовочный инструмент - чтобы обжать кабель этого пистолета, ну и как не крути разобраться в контактах и спаять несколько резисторов. Главный вопрос - зачем это делать? Считаю, что делать это незачем. Но при этом считаю соверешнно необходимым для понимания вопроса начать именно с такого варианта и от простого перейтик к более сложному.

Итак, второй вариант это вариант зарядки в режиме Mode2:

К слову, все зарядные устройства на нашем сайте (работающие от сети переменного тока и при этом не преобразующие его в постоянный) относятся к этому типу. Это привычный нам вариант либо переносной зарядки (сетевая вилка - блок зарядки - зарядный пистолет), либо зарядное устройство в настенном (стационарном) исполнении по сути являющиеся одним и тем же. 

Итак у нас в конструкции зарядного устройства появляется какой-то блок, и явно там есть какая-то электрическая плата -  а на ней есть контроллер, который чем то управляет, какую-то, то информацию обрабатывает. В общем плавно переходим вот к такой схеме:

 

А теперь давайте разбираться. Смотрим на схему выше. Видим по сути изначальную схему с ее контактом номер 5 (PP) отвечающим за реализацию факта присоединения для более простых устройств без блока управления. В более сложном варианте данный контакт остался, хотя его функцию на себя берет контакт номер 4 (СР) и если посмотреть на схему ниже - она раскрывает назначение этого контакта.  Синяя стрелка это датчик тока (он может быть не один). Цифра 11 - это условное обозначение микроконтролера зарядного устройства. Красная стрелка это реле со стороны зарядного устройства. Обозначение на схеме вверху PWM это обозначение генератора ШИМ сигнала на схеме ниже под номером 1.

Краткое пояснение -  зеленым показано разграничение области электромобиля и зарядного устройства, это соединение зарядного порта и зарядного пистолета (6 и 2  это контакты зарядного порта и зарядного пистолета). Красная стрелка указывает на область электромобиля, а синяя на область зарядного устройства. Причем цифрой 7 показана область непосредственно в блоке (корпусе) зарядного устройства, это часть электрической платы. Обратим внимание на элемент S2 - это переключатель со стороны электромобиля, который замыкается когда электромобиль готов заряжаться, и размыкается когда зарядка должна быть прекращена. И еще нашего внимания требует элемент номер 1 - это генератор ШИМ сигнала (о этом подробнее будет написанно ниже). И конечно мы видим опять несколько резисторов R1 / 2 / 3.

А теперь попробую простыми словами описать задумку инженеров, создавших этот стандарт зарядного устройства электромобиля.

Плата зарядного устройства работающего в режиме Mode2 содержит микроконтроллер, его задача обеспечение дополнительной безопасности (информация об этом будет ближе к концу данной статьи, если автор не забудет)  электромобиля и пользователя, а главное обеспечение дополнительного взаимодействия с электромобилем за счет контакта СР - которого нет по задумке в более простом режиме Mode1. Теперь конкретнее - инженеры реализовали в одном контакте грубо говоря два "канала" или два способа взаимодействия или обмена "данными". Первый - это за счет примитивного принципа снижения напряжения с помощью подключающихся резисторов, дать возможность электромобилю (и зарядки) понять какая стадия их взаимодействия сейчас происходит. Так же по этому контакту СР происходит передача ШИМ сигнала, который отвечает за передачу информации от зарядного устройства в электромобиль о максимальной силе тока.

Теперь конкретнее:

 

+ описание схемы:

Обратите внимание на красные стрелки на схеме выше. После присоединения зарядного устройства к электросети на плате зарядного устройства проиходит единственное преобразование напряжения 230 вольт в 12 вольт. Эти 12 вольт фиксирует зарядное устройство и использует анализ изменения этого напряжения в контакте СР (номер 4 на схемах выше). Конкретно 12 Вольт означает что зарядный пистолет не подключен к электромобилю - назовем это режим ожидания подключения. Теперь представим что мы присоединяем зарядный пистолет к электромобилю, из за физического соединения в цепь включаются дополнительные резисторы и напряжение падает до 9 Вольт - это режим сопряжения зарядного пистолета и электромобиля. Если электромобилю надо заряжаться он замыкает контакт S2 и напряжение падает до 6 вольт, а это уже означает что зарядному устройству тоже пора замкнуть реле и подать на контакты зарядного порта электромобиля электрический ток от элекросети.  А теперь представим этот процесс в обратную сторону. Когда электромобиль поймет, что ему больше не надо заряжаться, он размыкает контакт S2 и напряжение поднимается с 6 до 9 вольт. Для зарядного устройства это означает что надо тоже разомкнуть реле и прекратить подачу тока. А когда зарядный пистолет будет изъят из зарядного порта электромобиля, напряжение опять вернется к исходным 12 вольтам, и зарядка снова вернется в режим ожидания.

А теперь несколько слов о второй "линии" коммуникации, которая осуществляется по тому же контакту номер 4 (СР) но за счет изменения скважинности ШИМ сигнала:

Если предположить, что мы быстро включаем например лампочку и быстро выключаем ее, то таким образом можно представить себе ШИМ сигнал. Например на схеме выше 0% означает, что лампока за определенный перид времени (условно возьмем секунда) ни разу не была включена (ON).  Представим что мы быстро влючаем и выключаем лампочку, но время когда лампочка горит меньше в четыре раза времени когда лампочка выключена - это как раз 20% скважиности получается. Для простоты понимания представим, что время когда лампочка включена и время когда она выключена - одинаковые, это 50% на схеме выше. Кстати включение и выключение происходит так быстро, что мы этого не заметим - но в зависимости от % лампочка будет светиться ярче или более тускло. 

В общем такой же принцип инженеры применили и в вопросе передачи информации от зарядного устройства к электромобилю. Ведь действительно, как же электромобилю узнать сколько тока можно взять от вашей электросети? И вот теперь возникает интересный вопрос - а как же элекромобиль мог узнать эту информацию в самом простом варианте Mode1, который обсуждали мы изначально? Да ни как не мог узнать, поэтому для этого режима электромобиль должен был брать весьма небольшой ток, что то в районе 10А.

Ниже расчет зависимости скважинности (цикл режима) от максимальной силы тока:

Например, если пользователь выставляет на зарядном устройстве максимальный ток 12А , это соответвует скважинности 20% и контроллер (с помощью генератора частоты) создает нужный сигнал, который передается в электромобиль по контакту номер 4 (СР). На осцилографе это выглядит так:

Важное замечание. Зарядное устройство лишь передает в электромобиль данные о максимальной силе тока. Но именно элекромобиль является главным в вопросе, сколько тока ему взять.  По этой же причине "не страшно" подключить к электромобилю, более мощное зарядное устройство. Произойдет вот что - зарядное устройство предаст в машину информацию "можно взять 32А тока", машина отреагирует "прекрасно, но я так устроена, что не могу взять больше 16А - и возьмет без спроса например 15А, а потом снизит до 10А или еще меньше". Зарядному устройству остается лишь наблюдать за процессом с помощью разных датчиков тока. 

И вот мы подходим к завершению, автор не забыл и пишет о разных дополнительных фукнциях зарядного устройства, разных дополнительных защитах которые дает блок зарядндого устроства по мимо описанного выше в стандарте (речь не о всех зарядках, а о тех где это есть - в частности товар который продаем мы).

1) Как ни странно это защита от превышения максимального тока, а значит в зарядке есть датчик тока измеряющий ампераж. Зарядное устройство защищает вашу сеть, чтобы электромобиль не взял больше тока чем ему сообщили. Признаться я не понимал изначально, зачем это - ведь все в стандарте описанно и машина знает сколько максимум тока можно взять. Но на днях мы столкнулись с тем, что электромобиль одной марки неточно обрабатывает и трактует вопрос обмена данными о максимальной силе тока. По простому сказать в некоторых режимах электромобиль брал больше того, что зарядка ему передавала и конечно срабатывала защита и отключение процесса зарядки. Тут происходит защита вашей сети.

2 ) На второе место я поставил бы защиту от низкого или высокого напряжения в сети - а значит зарядка должна измерить вольтаж. В случае высоких значений или очень низких, зарядное устройство так же прекратит зарядку. Тут просходит защита электромобиля.

3) Защита от возможной утечки тока (УЗО) - тут зарядка будет защищать пользователя от возможного поражения электричеством.

4) Защита от перегрева платы по средствам опроса датчика температуры (а в некоторых версиях зарядок с евро вилкой еще дополниетльный датчик температуры в вилке). 

По мимо защит, производители зарядных устройств могут еще предложить дополнительные функции для удобства пользования. Например наличие экрана позволяет легко считывать различную информацию , особенно это полезно когда что то идет не так и надо разобраться - что же происходит или произошло. Так же может быть полезна функция начала зарядки в определенное время. 

В заверешении я бы попросил отнестись с пониманием к получившемуся качеству материала. Автор со временем постарается улучшить данную статью, возможно что то поправит для лучшего понимания материала. Возможно тут допущены неточности, но хочется надеяться что после прочтения этой статьи у вас появится чуть больше общего понимания и представления в вопросе работы зарядных устройств электромобиля.