Зарядные и защитные устройства электромобилей

Зарядные устройства

Батареи электромобилей могут быть заряжены медленно за 8...10 часов ночью, когда городские электрические сети мало загружены, или быстро на специальных зарядных станциях (СЗС) за 15...30 минут током в несколько сотен ампер. Сегодня освоены три технологии заряда аккумуляторных батарей электромобилей:

• 1. Технология 1-го уровня (стандартный заряд). Аккумулятор заряжается от стандартной бытовой сети (ПО В для США) током 6...12 А в течение 15...20 часов. Соединительная розетка должна быть надежно подключена и заземлена.
• 2. Технология 2-го уровня (быстрый заряд). Аккумулятор заряжается от однофазной бытовой сети током около 30 А за 3...10 часов. Розетки устанавливаются в частных гаражах или на общественных автостоянках. К аналогичной сети подключаются мощные бытовые приборы типа электросушителей или электроплит.
• 3. Технология 3-го уровня (ускоренный или форсированный заряд). Аккумулятор заряжается от трехфазной сети током 400 А за 15...20 минут. Стандартные зарядные устройства потребляют мощность 160...200 кВт и должны размещаться на специальных зарядных станциях.

Зарядное устройство содержит цени подключения к сети переменного тока, выпрямитель, регулятор зарядного тока (напряжения), систему управления зарядом (обычно микропроцессорную) для контроля за уровнем заряда, параметрами батареи, отключения при возникновении аварийной ситуации.

Зарядное устройство может размещаться на борту электромобиля. В этом случае бортовой компьютер управляет процессом заряда, а сеть переменного тока подключается к электромобилю. Это характерно для устройств 1-го уровня и устройств 2-го уровня с непосредственным подключением.


Стационарное зарядное устройство монтируется в настенном шкафу или на стенде. Регулируемое постоянное напряжение подается непосредственно на аккумуляторы электромобиля. Это характерно для технологии третьего уровня.

В гибридных системах электромобиль может подключаться к сети переменного тока или к стационарным зарядным устройствам.

При непосредственном подключении зарядное устройство подсоединяется к электромобилю собственным кабелем или кабелем электромобиля с мощным токовым разъемом в металлическом защитном корпусе. Металлический разъем примерно такой же, как для наружных бытовых приборов. Основные требования: высокая степень зашиты, способность выдерживать неправильное подключение и вандализм. Любая неисправность разъема определяется системой защиты, отключающей в этом случае напряжение.

При подключении с гальванической развязкой используется магнитная связь между обмотками специального высокоточного трансформатора, первичная обмотка которого размещена на зарядной станции (зарядной колонке), а вторичная — на электромобиле. При передаче энергии расстояние между частями трансформатора обеспечивается минимальным для хорошей индуктивной связи обмоток (рис. 10.2).




В зарядном устройстве напряжение сети переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц выпрямляется и фильтруется. Затем постоянное напряжение преобразуется в инверторе в переменное повышенной частоты. Повышение частоты в инверторе до 25...40 кГц позволяет уменьшить массогабариты трансформатора и расход меди в обмотках. Регулирование энергии производится в инверторе или выпрямителе.

Переменное напряжение повышенной частоты выпрямляется уже на борту электромобиля и подается на аккумуляторную батарею для заряда.

Подключение с гальванической развязкой может быть использовано для различных режимов заряда. Например, электромобиль Chevrolet S 10 выпускается с бортовым зарядным устройством мощностью 6,6 кВт с индуктивной развязкой и временем заряда 2,5...3 часа от однофазной сети. Для ускорения заряда используется трехфазная сеть, при этом потребляется мощность 150... 160 кВт.

Зарядное устройство обычно контролирует степень заряда аккумуляторной батареи и индицирует время до окончания заряда. Пользователь вставляет терминал стационарного зарядного устройства в специальный приемник на борту электромобиля. По окончании заряда терминал автоматически выталкивается из приемника. Система управляется микропроцессорами с обеих сторон. Служебная связь производится через радиоканал в 915 МГц. Есть конструкции, где электромобиль наезжает на шкаф зарядного устройства таким образом, чтобы первичная (стационарная) обмотка и вторичная (на автомобиле) оказались индуктивно связанными. Основным удобством такой системы является отсутствие гальванической связи электромобиля с электрической сетью, это повышает электробезопасность.


Основным элементом любого бортового зарядного устройства является управляемый выпрямитель, регулирующий напряжение на аккумуляторной батарее при заряде. В простейшем случае это однофазная тиристорная схема с фазным управлением. Трансформатор повышает сетевое напряжение (110 В или 220 В) до требуемого уровня. Как правило, преобразовательная часть зарядного устройства используется также в качестве контроллера для управления тяговым электродвигателем. Кроме тиристоров в качестве коммутирующих элементов используются силовые полевые или биполярные транзисторы.

Зарядные станции обычно хорошо защищены. Микропроцессоры контролируют ток и напряжение заряда. В случае перегрузок по току, замыканий, неисправности заземления и других аварийных ситуаций подача электроэнергии прекращается, пользователь информируется о неисправности.

Общественные зарядные станции являются мощными потребителями электроэнергии. На них для повышения коэффициента мощности применяются специальные корректирующие электронные цепи для компенсации потерь в индуктивных реактивностях преобразовательных каскадов.

Защитные устройства

Аккумуляторы, электрические цепи и бортовые потребители электромобиля должны быть защищены. Замыкание в электропроводке электромобиля ведет к разряду аккумуляторной батареи. Во время неисправности энергия аккумуляторной батареи преобразуется в тепло, провода под большим током могут расплавиться. Замыкание в цени постоянного тока может привести к возникновению электрической дуги и, как следствие, — к пожару. Генерация тепла и дуговой разряд опасны для жизни человека. В большинстве электромобилей напряжение тяговой аккумуляторной батареи около 300 В. При таком уровне напряжения возможны электротравмы, от которых водитель и пассажиры должны быть защищены даже в сухую погоду.


В электромобилях металлические части корпуса не используются в качестве проводника (массы), вся электропроводка изолирована от корпуса, колесные покрышки (шины) изолируют корпус от дороги. Нарушение изоляции между электрической цепью и корпусом в одной точке не приводит к появлению значительных токов, способных разрядить аккумуляторы. Пробой во второй точке может стать причиной замыкания аккумуляторной батареи и опасен для пользователя. Вероятный сценарий появления коротких замыканий:

проводящие отложения из аккумуляторов создают первый контакт с корпусом или иными металлическими частями;

трение проводов о корпус может повредить их изоляцию и будет создан второй контакт, ведущий к короткому замыканию

На рис. 10.3 показаны возможные варианты возникновения замыканий па электромобиле.



Очень важно обнаружить первое нарушение изоляции. Для этого используют чувствительные системы измерения токов утечки (менее 0,01 мА), аналогичные тем, что устанавливаются в современных ванных комнатах и душевых.

Второе нарушение изоляции ведет к короткому замыканию, цепь которого должна быть разорвана за несколько миллисекунд для предотвращения разряда аккумулятора. Для этого применяют электромагнитные и электронные быстродействующие контакторы, предохранители.

При эксплуатации электромобилей в тяжелых условиях (снег, грязь, длительный подъем) перегружаются и перегреваются аккумуляторы, тяговый электродвигатель, электропроводка. Перегревание сокращает срок службы этих систем. Элсктронриводныс устройства имеют встроенную полупроводниковую систему защиты от перегрузок, но помимо этого для предотвращения выхода из строя дорогостоящего оборудования используются дополнительные защитные устройства в виде предохранителей и автоматов.

Помимо этого для безопасной эксплуатации электромобилей применяются различные аппаратные или программные блокировки. Например, когда терминал зарядного устройства вставлен в приемник электромобиля, заблокировано включение тягового двигателя. Во время заряда заблокировано включение системы управления климатом салона и т. д.