Электромобили могут заряжаться переменным и постоянным током. Эти два способа отличаются не только скоростью: при AC-зарядке преобразование энергии происходит внутри автомобиля, а при DC — в самой зарядной станции. От этого зависят мощность, требования к электросети и то, насколько быстро батарея сможет принять энергию.
На практике AC чаще встречается в домашних и парковочных зарядных устройствах, а DC — в более мощных станциях для коротких остановок. Такое разделение можно увидеть у самых разных производителей: например, среди станций Pandora есть оборудование, рассчитанное на разные сценарии зарядки. При этом тип станции сам по себе еще не определяет реальную скорость — ее ограничивают также возможности автомобиля, состояние батареи и параметры электросети.
Чтобы понять, почему AC и DC используются в разных условиях, нужно разобраться, где именно в каждой схеме происходит преобразование тока и как энергия поступает к тяговому аккумулятору.
Что означают AC и DC
AC — alternating current, то есть переменный ток. Именно такой ток поступает из обычной электрической сети в жилых домах, офисах, гаражах и большинстве других зданий.
DC — direct current, постоянный ток. В таком виде энергия хранится в тяговой батарее электромобиля. Батарею нельзя просто подключить напрямую к бытовой сети: между источником питания и аккумулятором требуется оборудование, которое управляет процессом зарядки и преобразует электрическую энергию.
Разница между AC и DC заключается главным образом в расположении этого преобразующего оборудования.
При AC-зарядке переменный ток поступает в автомобиль. Встроенное бортовое зарядное устройство преобразует его в постоянный, после чего энергия направляется в батарею.
При DC-зарядке преобразование происходит еще до поступления энергии в автомобиль. Станция получает переменный ток от электросети, преобразует его в постоянный и передает его к тяговой батарее, минуя обычный путь через бортовое AC-зарядное устройство.
Как работает AC-зарядка
AC-станцию можно условно рассматривать как управляемый интерфейс между электросетью и автомобилем. Она обеспечивает соединение, контролирует необходимые параметры и согласует процесс с машиной, но преобразование переменного тока в постоянный выполняется непосредственно в электромобиле.
Схема выглядит следующим образом:
- электрическая сеть подает переменный ток;
- зарядное оборудование устанавливает связь с автомобилем;
- энергия поступает через зарядный разъем;
- бортовое зарядное устройство преобразует AC в DC;
- постоянный ток направляется в тяговую батарею.
Бортовой зарядный модуль также участвует в контроле процесса и взаимодействует с системами автомобиля. Для батареи имеют значение напряжение, сила тока, температура и степень заряда.
Почему возможности бортового зарядного устройства важны
У AC-станции может быть значительный запас мощности, однако автомобиль не обязательно сможет использовать его полностью.
Предположим, станция способна выдавать 22 кВт, а встроенный зарядный модуль конкретного электромобиля рассчитан лишь на 11 кВт. В такой ситуации автомобиль не начнет заряжаться на 22 кВт только потому, что эту мощность поддерживает станция.
Фактическая скорость ограничивается наиболее слабым звеном системы. Им может оказаться:
- доступная мощность электросети;
- ограничение зарядной точки;
- пропускная способность кабеля и разъема;
- возможности бортового зарядного устройства;
- ограничения самой батареи и системы управления ею.
По этой причине номинальная мощность станции и мощность, реально поступающая в аккумулятор, могут отличаться.
Как работает DC-зарядка
У DC-станции устройство заметно сложнее. Силовое преобразование выполняется не автомобилем, а внешним оборудованием.
Электрическая сеть по-прежнему снабжает объект переменным током, однако внутри станции он преобразуется в постоянный. После согласования параметров с автомобилем энергия поступает к тяговой батарее уже в подходящей для нее форме.
Бортовой AC-зарядный модуль в такой схеме не определяет доступную мощность зарядки. Это позволяет передавать значительно большую мощность, если ее поддерживают сама станция, электромобиль и питающая инфраструктура. Министерство энергетики США также описывает DC fast charging как схему, при которой постоянный ток направляется к тяговой батарее в обход ограничений обычного бортового AC-зарядного устройства.
Почему DC-оборудование обычно крупнее
Для преобразования большой электрической мощности необходимы силовые электронные компоненты. При работе они выделяют тепло, поэтому мощным станциям требуется продуманная система охлаждения.
Кроме преобразователя, конструкция может включать аппаратуру защиты, коммутационные элементы, контроллеры, средства связи с автомобилем и серверной инфраструктурой, измерительное оборудование и другие узлы.
Из-за этого мощная DC-станция по размерам и сложности значительно отличается от компактного настенного AC-устройства. При высоких мощностях возрастают и требования к электроснабжению объекта.
AC всегда означает медленную зарядку?
Такое упрощение не совсем точно. AC действительно чаще используется там, где автомобиль может оставаться подключенным продолжительное время, но внутри этой категории существует большой разброс мощностей.
Небольшое переносное устройство, подключенное к бытовой сети, и трехфазная стационарная AC-станция работают по общему принципу, однако скорость восполнения энергии у них может различаться в несколько раз.
AC-зарядка хорошо соответствует сценариям, в которых автомобиль долго находится без движения:
- ночью возле дома;
- в гараже;
- на рабочей парковке;
- возле гостиницы;
- на длительной стоянке;
- на парковке жилого комплекса.
Министерство энергетики США также относит домашние, рабочие и некоторые парковые сценарии с длительным простоем автомобилей к характерным областям применения AC-зарядки.
Если машина стоит восемь часов, необходимость получить десятки киловатт мощности непосредственно после подключения часто отсутствует. Важнее, чтобы за время стоянки батарея успела восполнить нужный запас энергии.
DC всегда означает максимально быструю зарядку?
Наличие DC-разъема само по себе не гарантирует предельную скорость.
DC-станции действительно позволяют работать с существенно большей мощностью, но фактическая величина зависит не только от оборудования. Даже если зарядная точка рассчитана, например, на 150 кВт, автомобиль может в конкретный момент принимать заметно меньше.
На результат влияют:
- допустимая мощность DC-зарядки конкретной модели;
- состояние заряда батареи;
- температура аккумулятора;
- алгоритмы системы управления батареей;
- температура силовой электроники;
- распределение мощности между несколькими разъемами станции;
- ограничения электросети объекта.
Максимальная цифра в характеристиках электромобиля обычно не означает, что такая мощность будет сохраняться на протяжении всего процесса.
Что такое зарядная кривая
Во время DC-зарядки мощность меняется. Это хорошо заметно на мощных станциях: после подключения автомобиль может постепенно выйти на высокий уровень, некоторое время удерживать его, а затем начать снижать мощность по мере заполнения батареи.
Такое изменение называют зарядной кривой.
При низком или среднем уровне заряда аккумулятор во многих моделях способен принимать больше энергии. По мере приближения к высокой степени заряда система управления начинает ограничивать ток. Это необходимо для соблюдения допустимых режимов работы аккумуляторных ячеек.
Поэтому расчёт вида «емкость батареи разделить на мощность станции» дает лишь очень приблизительный результат.
К примеру, аккумулятор емкостью 80 кВт·ч и станция мощностью 160 кВт вовсе не означают гарантированную полную зарядку за 30 минут. Автомобиль может не поддерживать такую мощность, а даже при ее поддержке она обычно не остается неизменной на протяжении всего сеанса.
Почему мощность станции нельзя рассматривать отдельно от автомобиля
Характеристика зарядной точки показывает ее возможности, но не обещает, что подключенная машина использует их полностью.
Для AC главным ограничителем часто становится встроенный зарядный модуль. Для DC существенную роль играет допустимая мощность быстрой зарядки тяговой батареи.
Два электромобиля возле одной станции могут заряжаться с разной скоростью. Причина может заключаться не в неисправности оборудования, а в различиях электрической архитектуры машин.
Влияют емкость аккумулятора, рабочее напряжение батарейной системы, характеристики силовой электроники, температура и программные ограничения.
Чем отличаются AC- и DC-разъемы
Способ зарядки связан и с конструкцией разъемов. В разных странах и автомобилях применяются различные стандарты, поэтому обозначение AC или DC само по себе еще не отвечает на вопрос о физической совместимости станции с машиной.
Для AC распространены разъемы, рассчитанные на передачу переменного тока. Для DC используются контакты, способные передавать значительно более высокую мощность непосредственно к силовой системе автомобиля.
Существуют и комбинированные решения, где часть контактов используется для AC, а дополнительные силовые контакты — для DC. К этой категории относится CCS.
Также на разных рынках встречаются CHAdeMO, GB/T и другие стандарты. Набор поддерживаемых разъемов зависит от модели автомобиля и региона эксплуатации.
Где чаще применяется AC-зарядка
Главное преимущество AC связано не с попыткой зарядить автомобиль максимально быстро, а с возможностью использовать время, когда машина и так стоит.
Для частного дома это может быть ночь. Для офиса — рабочий день. Для гостиницы — время пребывания постояльца. В таких ситуациях высокая скорость DC не всегда дает практическое преимущество, поскольку автомобиль останется на парковке еще несколько часов после завершения зарядки.
AC-оборудование также обычно предъявляет менее жесткие требования к питающей инфраструктуре, чем мощная DC-станция. Это облегчает его размещение на объектах, где большой свободной электрической мощности нет.
Где востребована DC-зарядка
DC особенно полезна там, где продолжительность остановки имеет значение.
Характерные сценарии связаны с транспортом, который должен получить заметный запас энергии и продолжить движение:
- трассовые зарядные комплексы;
- городские быстрые зарядные точки;
- транспортные узлы;
- станции возле крупных магистралей;
- некоторые парки такси и коммерческого транспорта;
- объекты с интенсивной сменой автомобилей.
Для дальней поездки разница между несколькими часами и десятками минут принципиальна. Именно поэтому развитие DC-инфраструктуры тесно связано с возможностью использовать электромобили на больших расстояниях.
Почему нельзя просто поставить мощную DC-станцию везде
Мощность нужно не только заявить в характеристиках оборудования, но и получить из электросети.
Если несколько зарядных точек одновременно потребляют десятки или сотни киловатт, нагрузка на объект становится значительной. Могут потребоваться отдельные линии питания, дополнительное распределительное оборудование, увеличение выделенной мощности или изменение схемы электроснабжения.
Возникает и вопрос коэффициента использования. Установка очень мощного оборудования не всегда оправдана там, где автомобили находятся по несколько часов.
Например, на офисной парковке машина может стоять почти весь рабочий день. Возможность зарядить ее за короткий промежуток времени не обязательно принесет пользу, если после этого автомобиль еще несколько часов будет занимать то же место.
На трассе ситуация обратная: длительное ожидание непосредственно ограничивает удобство маршрута, и большая мощность приобретает практическое значение.
Что происходит при подключении автомобиля
Современная зарядка — это не просто подача электричества после вставки коннектора.
Перед началом передачи значительной мощности автомобиль и станция обмениваются информацией. Система должна определить допустимые параметры и убедиться, что соединение готово к работе.
При DC-взаимодействие особенно важно, поскольку внешнее оборудование фактически должно согласовать передачу энергии с системой управления батареей автомобиля. Мощность изменяется в зависимости от того, сколько энергии аккумулятор способен безопасно принять в данный момент.
При AC управление также присутствует, однако непосредственным преобразованием тока для батареи занимается бортовое зарядное устройство.
Как температура влияет на скорость
Тяговая батарея чувствительна к температуре. Если аккумулятор слишком холодный или слишком горячий, система управления может ограничить зарядную мощность.
Особенно заметен этот эффект при DC-зарядке, где разница между технически доступной мощностью станции и допустимой мощностью батареи может быть большой.
Некоторые электромобили умеют заранее подготавливать аккумулятор к быстрой зарядке. Перед прибытием к станции система терморегулирования приводит батарею к более подходящему температурному диапазону. Однако конкретное поведение зависит от конструкции машины и ее программного обеспечения.
Само наличие мощной DC-точки не устраняет температурные ограничения аккумулятора.
Почему последние проценты могут набираться медленнее
По мере заполнения аккумулятора режим зарядки меняется. При высокой степени заряда батарея обычно не способна постоянно принимать ту же мощность, что и при более низком уровне.
Из-за этого короткая остановка на DC-станции и попытка зарядить батарею полностью — не одно и то же по эффективности использования времени. Значительная часть энергии может поступить сравнительно быстро, тогда как дальнейшее заполнение аккумулятора происходит при постепенно снижающейся мощности.
Для AC этот эффект тоже существует, однако из-за меньших мощностей он может быть менее заметен для пользователя.
Что экономит время на практике
Сравнивать AC и DC только по максимальному числу киловатт недостаточно. Важен сценарий использования автомобиля.
Если машина каждую ночь стоит возле дома, несколько часов AC-зарядки могут полностью закрывать ежедневную потребность в энергии. Скорость в таком случае компенсируется длительностью стоянки.
Если автомобиль находится в дальней поездке и зарядка происходит непосредственно во время остановки, ситуация меняется. Здесь длительность сеанса непосредственно увеличивает время в пути, поэтому DC становится заметно удобнее.
Именно время стоянки во многом определяет, какой принцип зарядки лучше соответствует конкретной задаче.
Краткое сравнение AC и DC
Основные различия можно свести к нескольким характеристикам:
| Параметр | AC | DC |
|---|---|---|
| Ток, поступающий к автомобилю | Переменный | Постоянный |
| Где происходит преобразование | В бортовом зарядном устройстве | В зарядной станции |
| Роль бортового AC-зарядника | Определяет доступную мощность | Обычно обходится |
| Типичный сценарий | Дом, офис, длительная парковка | Трасса, быстрые городские точки |
| Требования к электросети | Обычно ниже | Обычно выше |
| Размер оборудования | Может быть компактным | При большой мощности оборудование крупнее и сложнее |
| Скорость | Зависит от станции и бортового зарядника | Может быть значительно выше, но ограничивается автомобилем и батареей |
Что важнее обозначения AC или DC
Сам тип тока дает только базовое представление о зарядке. Для оценки реальных возможностей системы нужно учитывать весь путь энергии — от электрической сети до аккумуляторных ячеек.
У AC существенное значение имеют доступная мощность сети и характеристики бортового зарядного устройства. У DC к ним добавляются допустимая мощность быстрой зарядки батареи, ее температура, текущий уровень заряда и особенности зарядной кривой.
По этой причине мощная станция не всегда означает столь же высокую фактическую скорость, а AC-зарядка не обязательно оказывается неудобной из-за меньшей мощности. Если автомобиль остается подключенным несколько часов, сравнительно медленная передача энергии может полностью соответствовать режиму эксплуатации.
Разделение на AC и DC отражает два разных подхода. AC использует преобразователь, установленный в самом электромобиле, и хорошо подходит для продолжительных стоянок. DC переносит силовое преобразование на сторону станции и позволяет передавать батарее значительно большую мощность. Выбор между ними определяется не одним параметром, а сочетанием возможностей автомобиля, электросети и времени, которое машина может провести на зарядке.