Как мощность OBC влияет на время зарядки?

Номинальная мощность OBC является одним из основных факторов, определяющих, насколько быстро электромобиль может заряжаться от источника переменного тока. Встроенное зарядное устройство (OBC) преобразует мощность переменного тока, подаваемую EVSE, в контролируемую мощность постоянного тока для высоковольтной батареи. Однако рейтинг OBC сам по себе не определяет фактическую скорость зарядки. Доступная мощность переменного тока, напряжение аккумулятора, пределы управления аккумулятором, температура, состояние заряда, вспомогательные нагрузки и эффективность преобразования — все это может снизить эффективную мощность зарядки.

Поэтому для производителей электромобилей и интеграторов транспортных средств практический вопрос заключается не просто в том, будет ли более мощный OBC заряжаться быстрее. Правильный вопрос заключается в том, смогут ли транспортное средство, аккумулятор, инфраструктура зарядки и тепловая система эффективно использовать эту дополнительную мощность OBC.

Полезная оценка на первом этапе:

Приблизительное время зарядки = Энергия, необходимая аккумулятору ÷ Эффективная мощность зарядки.

Например, если аккумулятору емкостью 80 кВтч необходимо восстановить 40 кВтч энергии, идеальное время зарядки составит примерно 6,1 часа при мощности 6,6 кВт, 3,6 часа при мощности 11 кВт и 1,8 часа при мощности 22 кВт. Реальное время зарядки обычно будет больше, поскольку система не работает с идеальной номинальной мощностью при любых условиях.

Ключевые выводы

• Встроенное зарядное устройство преобразует внешнюю мощность переменного тока в мощность постоянного тока, подходящую для зарядки аккумулятора автомобиля.

• Номинальная мощность OBC устанавливает верхний предел возможности преобразования энергии переменного тока автомобиля, но фактическая мощность зарядки может быть ниже.

• Время зарядки зависит от количества энергии аккумулятора, которую необходимо восстановить, и минимального эффективного предела мощности в цепи зарядки.

• Более высокая мощность OBC полезна только в том случае, если ее могут поддерживать источник переменного тока, EVSE, кабель, аккумулятор, система охлаждения и органы управления автомобилем.

• Эффективность влияет на потери энергии и тепловую нагрузку, но производительность OBC следует оценивать во всем фактическом рабочем диапазоне, а не полагаться на одно общее значение эффективности.

Номинальная мощность OBC и скорость зарядки переменного тока

Что такое бортовое зарядное устройство?

Большинство электромобилей, поддерживающих кондуктивную зарядку переменного тока, используют бортовое зарядное устройство в качестве ступени преобразования переменного/постоянного тока на стороне автомобиля. OBC получает входной переменный ток от совместимого зарядного оборудования и преобразует его в регулируемый выходной постоянный ток, которым можно управлять в соответствии с требованиями зарядки высоковольтной батареи.

OBC обычно работает вместе с системой управления аккумулятором (BMS), блоком управления транспортным средством (VCU), интерфейсом зарядки и системой терморегулирования. Батарея не просто принимает всю мощность, которую может произвести OBC. Зарядное напряжение и ток согласовываются в зависимости от уровня заряда аккумулятора, температуры, пределов защиты и стратегии зарядки автомобиля.

При обычной зарядке переменным током мощность проходит через OBC, прежде чем достичь высоковольтной батареи. При быстрой зарядке постоянным током вне платы внешнее зарядное устройство постоянного тока выполняет основное преобразование переменного/постоянного тока, поэтому зарядка постоянным током высокой мощности не проходит через обычный путь преобразования переменного тока OBC.

Некоторые архитектуры OBC также поддерживают двунаправленное преобразование мощности. В зависимости от более широкой архитектуры транспортного средства и зарядки это может поддерживать такие приложения, как V2L или другие функции двунаправленной передачи энергии. Однако одно только двунаправленное оборудование OBC не обеспечивает автоматически полную систему V2G или V2H; Также необходимо учитывать управление транспортным средством, совместимость EVSE, связь, защиту и применимые требования к сети.

Почему значение мощности OBC имеет значение

Номинальная мощность OBC представляет собой расчетную способность зарядного устройства по преобразованию переменного тока в постоянный при определенных условиях эксплуатации. Если в автомобиле установлен OBC мощностью 11 кВт, подключение его к зарядной точке переменного тока мощностью 22 кВт не приводит к автоматической зарядке автомобиля на 22 кВт. Транспортное средство по-прежнему ограничено возможностями OBC и другими условиями на стороне транспортного средства.

И наоборот, установка OBC большей мощности не гарантирует более быстрой зарядки, если доступный источник переменного тока не может обеспечить необходимую мощность. OBC мощностью 22 кВт, подключенный к источнику переменного тока, который может обеспечить только 7 кВт, будет ограничен примерно этим доступным входным уровнем до учета других потерь и ограничений транспортного средства.

Фактическая мощность зарядки переменного тока определяется наиболее строгим эффективным пределом в цепи зарядки, а не только номинальными данными, указанными на паспортной табличке OBC.

Как рассчитать время зарядки переменного тока

Начните с энергии, необходимой аккумулятору

Емкость аккумулятора сама по себе не говорит о том, сколько времени займет сеанс зарядки. Сначала подсчитайте, сколько энергии необходимо восстановить между исходным и целевым состоянием заряда.

Упрощенный расчет:

Требуемая энергия (кВтч) = полезная емкость аккумулятора × увеличение SOC

Например, для зарядки аккумулятора емкостью 80 кВтч с 30% до 80% требуется примерно 40 кВтч дополнительной запасенной энергии.

Используйте эффективную мощность зарядки, а не только номинальную мощность

Для первой оценки:

Время зарядки (ч) ≈ Требуемая энергия (кВтч) ÷ Эффективная мощность зарядки аккумулятора (кВт)

Если эффективность преобразования необходимо учитывать на основе входной мощности переменного тока, можно использовать одно упрощенное приближение:

Мощность аккумулятора ≈ входная мощность переменного тока × эффективность OBC

Однако это остается лишь оценкой. Фактическая эффективность OBC меняется в зависимости от входного напряжения, напряжения батареи, выходной нагрузки, температуры, топологии полупроводника и условий управления. Кроме того, BMS может управлять меньшей мощностью, чем теоретически может обеспечить OBC.

*Иллюстративный идеальный расчет на основе энергии ÷ номинальной мощности. Фактическое время зарядки будет больше или отличаться в зависимости от эффективности, доступной мощности переменного тока, пределов заряда батареи, температуры, уровня заряда и стратегии управления транспортным средством.

Что ограничивает фактическую мощность зарядки переменного тока?

С точки зрения разработки транспортных средств, мощность зарядки следует рассматривать как целостную системную цепочку, а не как изолированную спецификацию OBC.

Когда EVSE или источник переменного тока являются узким местом

Рассмотрим платформу электромобиля, оснащенную OBC мощностью 11 кВт. Если доступный EVSE обеспечивает мощность примерно 7 кВт, автомобиль не может использовать всю мощность OBC в 11 кВт. В этом рабочем состоянии входной источник переменного тока становится основным пределом мощности.

Общая инфраструктура зарядки может создать аналогичный эффект. Автопарки или коммерческие объекты могут динамически распределять доступную мощность между несколькими подключенными транспортными средствами. Даже если каждое транспортное средство имеет OBC мощностью 11 или 22 кВт, каждое транспортное средство может получать меньше мощности, когда активно управление нагрузкой на уровне объекта.

Вот почему производители электромобилей должны оценить инфраструктуру зарядки целевого рынка при определении мощности OBC. Более высокий рейтинг создает ценность только в том случае, если предполагаемая рабочая среда может регулярно обеспечивать достаточную мощность переменного тока для ее использования.

Когда OBC является узким местом

Если точка зарядки переменного тока может обеспечить мощность 22 кВт, но в автомобиле используется OBC мощностью 6,6 кВт, автомобиль не может преобразовывать мощность переменного тока мощностью 22 кВт. В этом случае OBC является основным пределом.

Тот же принцип применим и к другим номинальным мощностям OBC: когда доступная мощность переменного тока превышает номинальную мощность зарядки OBC, OBC становится ограничивающим фактором в цепочке зарядки.

Когда батарея или BMS являются узким местом

BMS контролирует допустимое напряжение и ток зарядки аккумулятора в зависимости от состояния аккумулятора, химического состава, температуры, баланса элементов и требований защиты. Следовательно, даже если и EVSE, и OBC могут поддерживать более высокий уровень мощности, BMS может запросить более низкий зарядный ток.

Этот эффект может стать более заметным при высоком уровне заряда или в неблагоприятных тепловых условиях. Таким образом, режим зарядки должен основываться на реальной стратегии управления аккумулятором, а не на предположении о постоянной номинальной мощности OBC от начала до конца каждого сеанса зарядки.

Сравнение распространенных номинальных мощностей OBC

Мощность OBC не должна распределяться по классам транспортных средств по жестким правилам, таким как «6,6 кВт для семейных автомобилей» или «22 кВт для автомобилей класса люкс». Архитектура автомобиля и рабочий цикл имеют большее значение, чем ценовой сегмент.

Например, текущий портфель OBC компании Landworld включает в себя несколько уровней мощности для легковых, коммерческих, внедорожных, вилочных, морских и специализированных программ электромобилей. Таким образом, разные проекты могут использовать одинаковые рейтинги OBC по совершенно разным причинам.

Однофазный и трехфазный вход переменного тока

Конфигурация фаз влияет на количество мощности переменного тока, которое практически может быть подано в рамках данной архитектуры сети, но трехфазную зарядку не следует описывать как «более эффективную» по своей сути в любой ситуации.

Например, зарядка переменным током мощностью примерно 11 кВт обычно достигается с использованием трехфазной инфраструктуры класса 400 В при токе около 16 А на фазу. Приблизительно 22 кВт обычно соответствуют примерно 32 А на фазу в аналогичной трехфазной инфраструктуре. Фактические требования зависят от OBC и рыночной спецификации.

Однофазные решения OBC остаются подходящими для многих транспортных средств, особенно там, где инфраструктура целевого рынка, рабочий цикл, стоимость или упаковка не оправдывают трехфазную архитектуру.

Более подробную информацию о характеристиках зарядки переменного тока мощностью 11 кВт см. в руководстве Landworld по Скорость зарядки OBC 11 кВт.

Как эффективность OBC влияет на время зарядки

Эффективность OBC определяет, какая часть входной мощности переменного тока преобразуется в полезную мощность постоянного тока на стороне батареи, а какая часть теряется, в первую очередь в виде тепла.

Однако ошибочно назначать фиксированные диапазоны эффективности исключительно в соответствии с номинальной мощностью OBC — например, предполагая, что все продукты мощностью 6,6 кВт имеют один диапазон эффективности, в то время как каждое изделие мощностью 22 кВт автоматически является более эффективным.

Фактическая эффективность зависит от:

• Входное напряжение и фаза переменного тока

• Выходное напряжение батареи

• Выходная мощность/точка нагрузки

• Топология преобразования мощности

• Полупроводниковая технология

• Стратегия переключения

• Условия температуры и охлаждения

Более высокая эффективность снижает потери преобразования и, следовательно, уменьшает разницу между входной мощностью переменного тока и мощностью зарядки на стороне аккумулятора. Это также снижает тепловую нагрузку, что может помочь OBC поддерживать номинальную мощность в сложных условиях эксплуатации.

Для инженерной оценки просмотрите карту эффективности в репрезентативных рабочих точках, а не сравнивайте только пиковую эффективность. См. объяснение Landworld насколько эффективным может быть встроенное зарядное устройство, чтобы узнать больше.

Температура аккумулятора и термическое снижение характеристик

Температура аккумулятора может снизить требуемую мощность зарядки

Температура батареи влияет на величину зарядного тока, допускаемую BMS. В холодную погоду автомобиль может снизить зарядный ток аккумулятора или расходовать часть поступающей энергии на подогрев аккумулятора. При повышенной температуре зарядный ток также может быть уменьшен для защиты элементов батареи.

По этой причине лучше избегать применения одного универсального «лучшего температурного режима зарядки аккумулятора» или одного фиксированного температурного предела для каждой платформы электромобиля. Химический состав батареи, конструкция упаковки, требования к поставщику элементов, система охлаждения и стратегия управления определяют приемлемое температурное окно.

Термическое снижение мощности OBC также имеет значение

Сам OBC также генерирует тепло во время преобразования энергии. Если температура охлаждающей жидкости, температура компонентов или условия окружающей среды превышают рабочий диапазон полной мощности зарядного устройства, система может снизить выходную мощность для защиты силовой электроники.

Поэтому производители транспортных средств должны оценить:

• Непрерывная номинальная мощность

• Рабочий диапазон окружающей среды

• Пределы температуры охлаждающей жидкости на входе

• Требуемый расход охлаждающей жидкости, где это применимо

• Кривая термического снижения характеристик

• Защита и поведение при перезапуске

Эти параметры особенно важны для коммерческих и внедорожных электромобилей, которые могут заряжаться после работы в условиях высокой нагрузки или высокой температуры.

Как выбрать мощность OBC для программы автомобиля

Более высокий рейтинг OBC должен быть выбран потому, что он создает ценность для целевой программы транспортного средства, а не просто потому, что большее значение кВт кажется более продвинутым.

Варианты электропитания Landworld OBC для различных программ электромобилей

Несколько классов мощности и вариантов охлаждения

Landworld разрабатывает бортовые решения для зарядки легковых и коммерческих автомобилей, внедорожных электромобилей, вилочных погрузчиков, морских электромобилей и других специализированных электрических платформ. Его нынешний Диапазон бортовых зарядных устройств включает несколько классов мощности: от OBC малой мощности до решений на 11 кВт, 13 кВт, 20 кВт, 22 кВт и более мощных.

В разных продуктах также используются разные подходы к охлаждению. Например, в некоторых маломощных OBC Landworld используется вентиляторное охлаждение, тогда как конфигурации с более высокой мощностью и высокой плотностью мощности доступны с жидкостным охлаждением. Это позволяет более точно адаптировать OBC к тепловой архитектуре автомобиля, а не применять один метод охлаждения для каждого уровня мощности.

Landworld также предлагает двунаправленные и интегрированные конфигурации OBC/DC-DC для проектов, требующих чего-то большего, чем автономная зарядка переменным током.

Выбор OBC для конкретного автомобиля

При выборе OBC Landworld рекомендует вместе оценить диапазон напряжения аккумулятора, требования к зарядной мощности, конфигурацию входа переменного тока, условия охлаждения, интерфейс связи, пространство в упаковке, целевое применение транспортного средства и ожидаемую рабочую среду.

Для проектов легковых автомобилей вы можете просмотреть Решения Landworld для электромобилей для легковых автомобилей . Для других транспортных платформ могут потребоваться другие комбинации мощности, напряжения, охлаждения и механической упаковки OBC.

Landworld поддерживает настройку в таких областях, как мощность, напряжение и форм-фактор для различных программ электромобилей. Узнать больше о Landworld или свяжитесь с командой и сообщите характеристики вашего автомобиля.

Заключение

Номинальная мощность OBC напрямую влияет на потенциальное время зарядки переменным током, но это не просто соотношение «больше кВт = более быстрая зарядка». Реальная скорость зарядки ограничена всей системой: источником переменного тока, EVSE, кабелем и разъемом, OBC, аккумулятором/BMS, температурными условиями и стратегией управления транспортным средством.

Поэтому производителям электромобилей следует выбирать OBC мощностью 6,6 кВт, 11 кВт, 22 кВт или более высокой мощности в соответствии с требуемой рекуперацией энергии, доступным окном зарядки, инфраструктурой целевого рынка, архитектурой батареи, системой охлаждения, комплектацией и стоимостью.

Если вы определяете требования к зарядке переменного тока для новой платформы электромобилей, изучите портфолио бортовых зарядных устройств , ознакомьтесь с ассортиментом компании Возможности силовой электроники электромобиля или Свяжитесь с Landworld и сообщите целевую мощность OBC, напряжение аккумулятора, вход переменного тока, охлаждение, связь и требования к использованию транспортного средства.

Часто задаваемые вопросы

Как оценить время зарядки переменного тока от мощности OBC?

Сначала определите, сколько энергии батареи необходимо восстановить. Разделите эту энергию на эффективную мощность зарядки аккумулятора. Например, восстановление 40 кВтч при идеальных 11 кВт займет около 3,6 часов. Фактическое время зарядки обычно больше из-за потерь преобразования, ограничений батареи, температурных условий и изменений доступной мощности переменного тока.

Всегда ли более высокий рейтинг OBC означает более быструю зарядку?

Нет. Более высокий рейтинг OBC сокращает время зарядки только тогда, когда остальная часть системы зарядки может поддерживать эту мощность. Электромобиль, оснащенный OBC мощностью 22 кВт, все равно может заряжаться примерно на 7 кВт, если подключенный источник переменного тока может обеспечить только 7 кВт. Аналогичным образом, BMS или тепловая система могут запрашивать мощность, меньшую, чем номинальная мощность OBC.

Может ли OBC мощностью 11 кВт использовать зарядную станцию ​​переменного тока мощностью 22 кВт?

Да, если интерфейс зарядки, напряжение, связь и конфигурация фаз совместимы. Тем не менее, транспортное средство обычно остается ограниченным примерно мощностью своего OBC мощностью 11 кВт, а не заряжается при полной мощности станции в 22 кВт.

Всегда ли трехфазная зарядка более эффективна, чем однофазная?

Нет. Трехфазная инфраструктура может поддерживать более высокую мощность переменного тока во многих сетевых архитектурах, но эффективность преобразования зависит от конкретной конструкции OBC и рабочей точки. Сам по себе подсчет фаз не доказывает, что один OBC будет более эффективным, чем другой.

Как эффективность OBC влияет на время зарядки?

Более высокая эффективность означает, что большая часть доступной входной мощности переменного тока поступает в батарею в виде полезной мощности постоянного тока и меньше теряется в виде тепла. Влияние на общее время зарядки зависит от разницы эффективности и условий эксплуатации. Сравнивайте эффективность при реалистичном входном напряжении, напряжении батареи, нагрузке и температуре, а не полагайтесь только на пиковую эффективность.

Можно ли просто модернизировать OBC существующего автомобиля, чтобы сократить время зарядки?

Обычно это не простая замена компонентов. OBC интегрирован с напряжением аккумулятора автомобиля, системой охлаждения, электрической архитектурой, связью, механической компоновкой, программным обеспечением, стратегией безопасности и омологацией. Увеличение мощности OBC обычно требует разработки и проверки на уровне транспортного средства, а не замены одного зарядного устройства другим.

Как производителю электромобилей следует выбирать между мощностью 6,6 кВт, 11 кВт и 22 кВт?

Сравните энергию аккумулятора, которую обычно необходимо восстановить, необходимое окно зарядки, инфраструктуру переменного тока на целевых рынках, напряжение аккумулятора, конфигурацию фаз, тепловую архитектуру, упаковку, стоимость и рабочий цикл транспортного средства. Соответствующая номинальная мощность OBC — это та, которая соответствует целям программы зарядки автомобиля, при этом соответствуя доступной инфраструктуре переменного тока, ограничениям батареи, тепловой архитектуре, упаковке и запасу системы.