TESTIRANJE POLNILNIC ZAELEKTRIČNA VOZILA

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

FATMIR MEHIĆ

TESTIRANJE POLNILNIC ZA ELEKTRIČNA VOZILA

Diplomsko delo

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika

Mentor: izr. prof. dr. Marko Jankovec

Ljubljana, 2021

Tržaška cesta 25, p.p. 2999 1000 LJUBLJANA, Slovenija telefon: 01 476 84 11 faks: 01 426 46 30 www.fe.uni-lj.si

e-mail: dekanat@fe.uni-lj.si

Spodaj podpisani študent, FATMIR MEHIĆ, vpisna številka 64170274, avtor pisnega zaključnega dela študija z naslovom: Testiranje polnilnic za električna vozila,

IZJAVLJAM,

1. a) da je pisno zaključno delo študija rezultat mojega samostojnega dela;

b) da je pisno zaključno delo študija rezultat lastnega dela več kandidatov in izpolnjuje pogoje, ki jih Statut UL določa za skupna zaključna dela študija ter je v zahtevanem deležu rezultat mojega samostojnega dela;

2. da je tiskana oblika pisnega zaključnega dela študija istovetna elektronski obliki pisnega zaključnega dela študija;

3. da sem pridobil vsa potrebna dovoljenja za uporabo podatkov in avtorskih del v pisnem zaključnem delu študija in jih v pisnem zaključnem delu študija jasno označil;

4. da sem pri pripravi pisnega zaključnega dela študija ravnal v skladu z etičnimi načeli in, kjer je to potrebno, za raziskavo pridobil soglasje etične komisije;

5. da soglašam z uporabo elektronske oblike pisnega zaključnega dela študija za preverjanje podobnosti vsebine z drugimi deli s programsko opremo za preverjanje podobnosti vsebine, ki je povezana s študijskim informacijskim sistemom članice;

6. da na UL neodplačno, neizključno, prostorsko in časovno neomejeno prenašam pravico

shranitve avtorskega dela v elektronski obliki, pravico reproduciranja ter pravico dajanja pisnega zaključnega dela študija na voljo javnosti na svetovnem spletu preko Repozitorija UL;

7. da dovoljujem objavo svojih osebnih podatkov, ki so navedeni v pisnem zaključnem delu študija in tej izjavi, skupaj z objavo pisnega zaključnega dela študija.

8. da dovoljujem uporabo mojega rojstnega datuma v zapisu COBISS.

1 Obkrožite varianto a) ali b).

1

V: Ljubljani

Datum: 25. 8. 2021

Podpis študenta: Fatmir Mehić Digitally signed by Fatmir Mehić Date: 2021.08.26 07:39:31 +02'00'

3

Zahvala

Zahvaljujem se profesorju dr. Marku Jankovcu, ki je sprejel mojo pobudo za mentorstvo ter mi nudil pomoč med izdelavo diplomskega dela in me motiviral med študijem. Zahvaljujem se tudi podjetju Metrel, d. d., ker so mi omogočili izvedbo diplomskega dela.

Prav tako se zahvaljujem svoji družini za potrpljenje, pomoč in spodbudo pri študiju, brez nje tudi to diplomsko delo ne bi bilo mogoče.

5

Povzetek

V diplomskem delu je predstavljen postopek načrtovanja in realizacije testerja polnilnic za električna vozila (EVSE), ki preverja delovanje polnilnih postaj, saj morajo biti narejene v skladu s standardi in varnostnimi predpisi, ki jih standardi predpisujejo. Poleg preverjanja delovanja polnilne postaje tester EVSE preverja tudi odzive postaje na morebitne napake, ki so lahko nevarne za uporabnika in okolje. Za izdelavo testerja se je podjetje odločilo, ker se število električnih vozil in polnilnih postaj v svetu hitro povečuje.

Razvoj testerja je potekal po sklopih (komunikacija, simulator baterije, krmilno vezje, razvoj uporabniškega vmesnika). Za realizacijo projekta sta uporabljeni dve različni polnilni postaji:

- EVSE visokocenovnega razreda, ki izvaja in preverja po vseh predpisih in zahtevah,

- EVSE nizkocenovnega razreda, ki določene predpise ignorira.

Različne polnilne postaje smo uporabili predvsem zato, da lahko primerjamo odzive in realizacijo oz. razvoj projekta prilagodimo odzivom. Med razvojem smo napravo večkrat preizkusili tudi na javnih polnilnih postajah ter jo ustrezno prilagodili rezultatom preizkusa.

Tester ni popolnoma zaključen. Uspelo nam je: vzpostaviti polnjenje, izvajati manjše meritve (merjenje napetosti polnjenja in napetosti baterije), vzpostaviti nadzor nad komunikacijo med vozilom in polnilno postajo ter spreminjati polnilne parametre.

Potrebno je avtomatizirati izvajanje simulacij/meritev in napravi dodati merilnike toka in napetosti, ki jih potrebujemo pri posamezni meritvi ali simulaciji.

Ključne besede: polnilna postaja, električni avtomobil, krmilnik, komunikacija, simulacija, napake.

7

Abstract

In this work, developing and testing of electric vehicle supply equipment (EVSE) tester is presented. Electric vehicle chargers must comply with standards and safety regulations that these standards impose.

Among correct charging behaviour, tester also checks charger's response to various errors that might occur, which are dangerous to humans or environment. With ever growing number of electric vehicles, we decided to develop and build tester for charging stations.

The development of the tester took place in stages: communication, battery simulator, control circuit, user interface.

Two different charging stations were used with our project: a high-end class EVSE that implements and verifies requirements and regulations.

A low-cost one that performs bare minimum and ignores several fault conditions.

We used different chargers mainly for comparing their responses and we could adapt the project development. During development, our tester was tested several times on public charging stations and adjusted/improved based on test results.

Tester itself is not completed entirely, but we managed to complete:

Measuring charging voltage and battery voltage, establish communication and control between electric vehicle (our tester) and charging station and monitoring parameters.

For later work it is necessary to automate simulations/measurements and add current and voltage meters to the device, which are needed for an individual measurement or simulation.

Key words: Charging station, electric vehicle, controller, communication, simulation, faults.

9

Vsebina

1 UVOD 17

2 Polnilna postaja 1

2.1 Priključki za polnjenje ... 1

2.1.1 Vhodni priključek ... 2

2.1.2 Izhodni priključek ... 2

2.2 Načini polnjenja ... 5

2.3 Komunikacija med EVSE in EV (CCS) ... 7

2.3.1 Ugotavljanje trenutnega stanja [6] ... 10

2.4 Digitalna komunikacija ... 12

2.4.1 Kratek opis zahtev in odgovorov ... 12

2.5 Komunikacija – chademo priključek ... 14

3 TESTER EVSE 17 3.1 Blokovna shema ... 17

3.2 Komunikacijski del ... 19

3.2.1 Izdelava tiskanega vezja za komunikacijo ... 20

3.3 Krmilno vezje ... 22

3.3.1 Napajalni del ... 23

3.3.2 Mikroprocesor in komunikacija s procesorjem ... 24

3.3.3 Merilnik napetosti ... 25

3.4 Uporabniški vmesnik ... 27

3.5 Simulator baterije ... 29

3.5.1 Breme in hlajenje bremena ... 29

3.5.2 Razvoj tiskanine glavnega kontaktorja ... 30

3.5.3 Izdelava prvega prototipa ... 31

10 Vsebina

3.5.4 Drugi prototip kontaktorskega vezja ... 32

3.5.5 Tretji prototip kontaktorskega vezja ... 34

3.7 Relejska matrika ... 36

4 Izvedba naprave in testiranja 39 4.1 Testiranje na terenu ... 40

4.2 Primer testiranja, opis in odprava napake ... 40

4.3 Skrajšani izpis uspešnega polnjenja ... 41

5 Simuliranje napak (opis, pričakovani in dejanski rezultat) 43 5.1 Prekinitev PE-vodnika po zagonu ... 44

5.2 Prekinitev CP-vodnika pred zagonom ... 44

5.3 Kratek stik med CP in PE ob zagonu ... 44

5.4 Prekinitev CP-vodnika po zagonu ... 45

5.5 Merjenje napetosti in toka ... 45

5.6 Simetrični test izolacije (opozorilo) pred polnjenjem ... 45

5.7 Asimetrični test izolacije (opozorilo) pred polnjenjem ... 46

5.8 Simetrični/asimetrični test izolacije (ERROR) pred polnjenjem ... 46

5.9 Simetrični/asimetrični test izolacije (opozorilo) med polnjenjem ... 46

5.10 Simetrični/asimetrični test izolacije (napaka) med polnjenjem ... 46

5.11 Kratek stik med DC+ in DC– pred polnjenjem ... 46

6 Zaključek 47

Literatura 49

Vsebina 11

12 Vsebina

Slika 1 CCS-vtičnica [1] ... 2

Slika 2 Izhodni priključki [2] ... 3

Slika 3 Šuko vtikač [3] ... 5

Slika 4 ICCB [4] ... 5

Slika 5 Napetostni nivoji za posamezna stanja (Med CP- in PE-vodnikom) ... 8

Slika 6 Vezje, ki določa trenutno stanje ... 10

Slika 7 Vzpostavitev polnjenja – chademo priključek [7] ... 14

Slika 8 Blokovna shema projekta ... 17

Slika 9 FLEA – Car Media Lab [8] ... 19

Slika 10 Blok shema komunikacijskega dela ... 20

Slika 11 Zaklenitev priključka CHADEMO ... 21

Slika 12 Vsiljevanje stanj – CCS-priključek ... 21

Slika 13 Blok shema procesorskega vezja ... 22

Slika 14 Napajalni del ... 23

Slika 15 Referenčni del ... 23

Slika 16 Priključka RS-232 ... 24

Slika 17 Merilnik napetosti ... 25

Slika 18 Invertirajoči seštevalnik ... 26

Slika 19 Uporabniški vmesnik ... 27

Slika 20 Hlajenje bremena ... 30

Slika 21 Shema prvega prototipa ... 31

Slika 22 Slab vklop primerjalnika na prvem prototipu ... 32

Slika 23 Shema drugega prototipa ... 33

Slika 24 Vklop primerjalnika na drugem prototipu ... 33

Slika 25 Shema tretjega prototipa ... 35

Slika 26 Prikaz zakasnitev (RU-kosntaktor, MO-tranzistor, ZE-polnilnice) .... 35

Slika 27 Relejska matrika ... 36

Slika 28 Darlingtonov tranzistor [11] ... 37

Slika 29 Slika projekta ... 39

Slika 30 Terenski testi ... 40

Slika 31 Prekinitev PE ob zagonu ... 44

Slika 32 Prekinitev CP-vodnika po zagonu ... 45

13

Seznam uporabljenih kratic

EV (electric vehicle) – vozilo, ki kot vir pogona uporabljajo električno energijo, ki poganja električne motorje; električna energija je v vozilu lahko glavni ali vzporedni vir pogona

EVSE (electric vehicle supply equipment) – oprema za polnjenje ali polnilna postaja PWM (Pulse width modulation) – pulzno širinska modulacija

HCL (High communication level) – višji nivo komunikacije SPI (Serial peripheral interface bus) – serijsko periferno vodilo ADC (Analog to digital converter) – analogno/digitalni pretvornik

14 Seznam uporabljenih kratic

Seznam uporabljenih veličin 15

Seznam uporabljenih veličin

Veličina Enota

Ime Simbol Ime Simbol

električni tok I amper A

električna napetost U volt V

upornost R ohm Ω

električna moč P vat W

frekvenca F herc Hz

1 UVOD

Avtomobilska industrija je zaradi strogih ekoloških norm prisiljena izdelovati avtomobile, ki imajo nizke emisije izpušnih plinov. Proizvajalci avtomobilov na različne načine poskušajo znižati škodljive emisije izpušnih plinov (manjšanje prostornine motorja, spreminjanje načina vbrizga goriva, prilagajanje izpušnega sistema ...) ali pa se odločijo za razvoj in proizvodnjo avtomobilov na električni pogon. Prvi modeli električnih vozil so bili zelo dragi in nezanesljivi. Električni avtomobili so z leti postali cenejši, bolj zmogljivi in zanesljivi glede na prve primere.

Težava, ki se pojavlja že od začetka razvoja, je krajši doseg v primerjavi z drugimi avtomobili (z notranjim izgorevanjem). Nekatere države ponujajo subvencije za nakup električnih ali hibridnih vozil, ampak se kupci zaradi pomanjkanja infrastrukture, višje cene in kratkega dosega raje odločajo za avtomobile, ki za pogon uporabljajo fosilna goriva. Kljub navedenim težavam vidimo, da se število električnih vozil veča vsak dan in je potreba po polnilni infrastrukturi večja. Podjetja se odločajo za začetek razvoja in proizvodnje polnilnih postaj in polnilne opreme. Tudi v Sloveniji je veliko podjetij, ki se ukvarjajo s postavljanjem polnilne infrastrukture. Glede na to, da je na trgu veliko različnih postaj različnih proizvajalcev, je namen diplomske naloge narediti tester, ki bo simuliral polnjenje ter testiral delovanje polnilnih postaj in odzive na morebitne napake med polnjenjem, ki bi bile za uporabnika lahko usodne. Da bi uspešno realiziral projekt, sem začel brati določene izvode standarda. Ko sem približno razumel način

»komuniciranja« polnilne postaje z avtomobilom, sem se lotil dela na projektu. Projekt sem si razdelil na tri sklope:

- komunikacijski del, - simulator baterije,

- glavni del vezja, ki vzpostavi polnjenje.

1

2 Polnilna postaja

Polnilna postaja ali EVSE je naprava, ki je zadolžena, da polni baterijo v električnem vozilu. Postaje po načinu uporabe lahko delimo na:

- zasebne ali domače in - javne postaje.

Težavo pri postajah za domačo uporabo predstavlja strošek, ki je odvisen od kakovosti in funkcionalnosti postaje. Nakup polnilne postaje je v večini držav EU subvencioniran, če uporabnik sklene pogodbo za 100% dobavo električne energije iz obnovljivih virov. Javne polnilne postaje omogočajo hitrejše polnjenje kot domača zaradi večjega razpoložljivega/polnilnega toka (npr. Tesla Supercharger ~250 kW). V javne polnilne postaje so vgrajene tudi naprave za obračunavanje porabljene električne energije. Za začetek polnjenja je treba uporabiti oz. prisloniti brezstično kartico, pametni telefon, pametno uro ali drug način plačila, ki ga RFID-naprave podpirajo.

Trenutno je v Sloveniji polnjenje na nekaterih javnih polnilnicah brezplačno (polnilne postaje v nakupovalnih centrih). Obstajajo številni standardi za polnilno postajo ali opremo:

- priključki za polnjenje (IEC 62196-1, IEC 62196-2, IEC 62196-3), - komunikacija med EV in EVSE (ISO 15118, IEC 61850-x), - polnilna topologija (IEC 61851-x, IEC 61439-7),

- varnost (IEC 61140, IEC 62040, ISO 6469-3 ...).

2.1 Priključki za polnjenje

Na polnilnih postajah imamo vhodne (omrežje > polnilnica) in izhodne priključke (polnilnica > avto). Na javnih postajah je zaradi morebitnih zlorab vhodni priključek skrit, izhodni je pa dostopen uporabniku. Nekatere polnilnice nam ponujajo izhodni priključek, ki je že vgrajen v postajo, pri ostalih mora uporabnik imeti svoj priključek.

2 Polnilna postaja

2.1.1 Vhodni priključek

Nekatere države (ZDA, Japonska) zaradi omrežja omogočajo le enofazno polnjenje (110 V), razen pri javnih polnilnih postajah (240 V ali 440 V). EU in Kitajska imata enofazno (240 V) in trifazno (480 V) omrežje. Od vhodnega priključka, tokovne zaščite in debeline vodnika sta odvisni moč in hitrost polnjenja.

2.1.2 Izhodni priključek

Prvi priključek za polnjenje električnega vozila izhaja iz ZDA, predstavljen je bil leta 2009 z imenom SAE J1772. Opis priključnih sponk (na sliki je prikazan combo, originalni priključek je brez spodnjih dveh kontaktov):

- zgoraj levo: AC-linija 1 - zgoraj desno: nevtralna linija - sredina levo: Proximity Pilot - sredina desno: krmilni pilot (CP) - sredina: ozemljitveni kontakt (PE) - spodaj levo: DC+

- spodaj levo: DC–

Iz tega polnilnega priključka so istega leta naredili evropsko verzijo priključka, ki je v mednarodnem standardu označen kot IEC 62196-2 ali tip 2. Razlika med ameriškim in evropskim priključkom je ta, da ima evropski dodatna 2 kontakta v primeru trifaznega polnjenja. Oktobra 2011 je 8 avtomobilskih proizvajalcev predstavilo univerzalni polnilni vmesnik (tako avtomobilsko vtičnico kot polnilni priključek), ki naj bi podpiral dva načina polnjenja – AC in DC. Priključek je označen kod IEC 62196-3 in poimenovan kot CCS (ang. Combined Charged System).

Slika 1 CCS-vtičnica [1]

3 Združil je že obstoječa priključka (tip 1 in tip 2), le da ima v spodnjem delu velike priključne sponke, ki omogočajo polnjenje z visokimi tokovi. V odvisnosti od trga, na katerem se bo polnilni priključek uporabljal, se spreminja tudi zgornji del priključka (lahko je tip 1 ali tip 2). Priključek z oznako IEC 62196-2 (AC-polnjenje) je tako kot CCS Evropska komisija leta 2013 deklarirala kot standardnega za Evropo.

Priključek, ki je skoraj enak IEC 62196-2, je GB/T. Ima večje priključne sponke in omogoča nekoliko večje polnilne moči (240 kW). Pri naslednjih verzijah omenjajo, da naj bi zdržal tudi do 900 kW (neuradne informacije). Večinoma se uporablja na Kitajskem. Glavna komunikacija je preko CP-linije, ki omogoča prikaz in zaznavanje 6 različnih stanj polnjenja. Na CP-liniji s pomočjo analognega PWM-signala polnilnica prikazuje, kakšen je maksimalni tok, ki ga lahko oddaja v omrežje. Deluje tako, da polnilna postaja vzpostavi napetost med bremenom in polnilno postajo in to napetost preko stikala prižiga/ugaša s frekvenco (1 kHz). Več časa, kot je stikalo v položaju ON (v primerjavi s položajem OFF), večji je tok polnjenja (ang. Duty Cycle).

Protokol omogoča polnjenje le, če je avtomobil v mirujočem položaju. Popolne kontrole polnjenja ni mogoče opraviti le preko tega analognega signala. Potreba po digitalnem komunikacijskem protokolu je pripeljala do potreb za standardizacijo protokola (ISO 15118), ki predstavlja dvosmerno komunikacijo:

el. vozilo  el. polnilnica.

Poleg CCS-priključka poznamo tudi chademo priključek, ki je na začetku zagotavljal moči do 62,5 kW (500 V, 125 A). Chademo je marca 2017 predstavil verzijo 1.2, ki je omogočala polnjenje do 200 kW. Zdaj je uporabnikom na voljo tudi chademo 2.0,

Slika 2 Izhodni priključki [2]

4 2 Polnilna postaja

ki ima maksimalno moč 400 kW. Pričakovana je tudi novejša verzija priključka, ki se bo imenovala ChaoJi in bo omogočala polnjenje čez 500 kW. Uporabniki chademo priključka v Evropi so bili redki. Zdaj, ko so se na trgu pojavile nove verzije priključka, se je tudi število uporabnikov povečalo.

Nekateri proizvajalci so za lastna vozila razvili tudi lastne polnilne priključke in vtičnice (Tesla ...). Potreba po lastnih priključkih izhaja iz potreb po večjih polnilnih tokovih. Če gledamo konkreten primer Tesle, ki omogoča svojim uporabnikom, da lahko načrtujejo daljša potovanja, so po svetu že razvili mrežo tako imenovanih »super polnilcev« (moč polnjenja do 250 kW). Glavni problem ali težava lastnikov vozil, ki imajo lasten polnilni priključek, je lahko pomanjkljiva infrastruktura, ki je prilagojena njihovim vozilom, čeprav so na spletu že dostopne različne mape, ki uporabnikom pomagajo načrtovati pot tako, da je prilagojena vozilu, ki ga uporabljajo.

2.2 Načini polnjenja 5

2.2 Načini polnjenja

Standard IEC 61851 definira 4 različne načine polnjenja, ki so med seboj različni predvsem po polnilnem toku, komunikaciji z EV in varnosti, ki je predpisana ali upoštevana pri polnjenju.

Način 1

Električno vozilo je povezano na izmenično (AC) omrežje, zaščiteno je s 16 A- varovalko in omogoča do 250 V (enofazno polnjenje) ali 480 V (trifazno polnjenje).

Uporabljajo se tako imenovani šuko priključki ali CEE, ki so dostopni v vsaki hiši.

Slika 3 Šuko vtikač [3]

Način 2

Električno vozilo je povezano na AC-omrežje, zaščiteno z 32 A-varovalko ter omogoča enake napetosti kot način 1. Za komunikacijo uporabljamo vmesnik, ki je vgrajen v polnilni kabel in prispeva k prenapetostni zaščiti, zaznavi tokovnih napak ter kontroli polnilnega toka (ICCB – In-Cable Control Box). Razsmernik, ki pretvarja izmenični tok omrežja v enosmerni tok, se nahaja v električnem vozilu.

Slika 4 ICCB [4]

6 2 Polnilna postaja

Način 3

Električno vozilo je povezano z omrežjem preko polnilne postaje, ki je opremljena z modulom za komunikacijo o razpoložljivem polnilnem toku. Vsebuje prenapetostne zaščite, zaznava tokovne napake in eno ali več polnilnih priključkov. Sprejemnik se nahaja v električnem vozilu.

Način 4

Podobno kot pri načinu 3, le da je sprejemnik nameščen v polnilni postaji. Direktno polnjenje z enosmernim tokom je precej višje kot z izmeničnim, kar bistveno zmanjša čas, ki je potreben za polnitev baterijskega paketa električnega vozila.

Vidimo, da potrebna varnostna oprema ali varnostna zaščita narašča od načina 1 do načina 3. Za javno uporabo mora polnilnica ustrezati načinu 3 ali 4. Potrebno je omeniti, da se pri načinih 2, 3 in 4 analogna komunikacija vzpostavi med EV in EVSE preko kontakta CP.

2.3 Komunikacija med EVSE in EV (CCS) 7

2.3 Komunikacija med EVSE in EV (CCS)

Kontakt CP s pomočjo analognega PWM-signala omogoča zaznavanje različnih polnilnih stanj z meritvijo električne upornosti znotraj kabla. Različna stanja, ki jih kontakt CP zazna:

- stanje A (+12 V)

Vozilo ni priključeno na polnilno postajo - stanje B (+9 V)

Vozilo je priključeno na polnilno postajo, vendar še ni pripravljeno za polnjenje (niso izpolnjeni vsi pogoji za začetek polnjenja)

- stanje C (+6 V)

Vozilo je povezano na EVSE, izpolnjeni so vsi pogoji za začetek polnjenja, tudi električno vozilo je pripravljeno; hlajenja ne potrebujemo

- stanje D (+3 V)

podobno kot pri stanju C, le da potrebujemo še ventilacijo ali dovod svežega zraka k baterijskemu paketu

- stanje E (0 V)

prišlo je do težav z omrežjem ali pa sploh ni omrežne povezave - stanje F (–12V)

EVSE ni na razpolago

Tabela 1 Tabelični prikaz posameznih stanj

Osnovno stanje Stanje polnjenja Upornost med CP-PE

Napetost CP-PE

Stanje A pripravljenost odprte sponke +12 V

Stanje B vozilo zaznano 2740 Ω +9±1 V

Stanje C pripravljeno – polnjenje

882 Ω +6±1 V

Stanje D z ventilacijo 246 Ω +3±1 V

Stanje E brez napajanja - 0 V

Stanje F napaka - –12 V

8 2 Polnilna postaja

Primer:

Slika 5 prikazuje ali opisuje polnilni proces s prikazom sprememb stanj, ki sem jih že prej omenil. Koraki polnjenja [5] :

1. Vozilo ni priključeno, izmerjena je napetost +12 V med CP-kontaktom in ozemljitvenim kontaktom (PE) polnilnice. Aktivno je stanje A.

2. Vozilo je priključeno preko polnilnega kabla. Napetost je +9 V, kar ustreza stanju B.

3. EVSE je zdaj pripravljena za oddajo moči do izhodne vtičnice in že sporoča maksimalni tok, ki ga zmore. Napetost v tem koraku oscilira med +9 in –12 V. Vozilo zaklene vtičnico takoj, ko izmeri, koliko znaša delovni cikel.

4. Vozilo je izmerilo velikost delovnega cikla, kar pomeni, da je tudi vozilo pripravljeno na polnjenje. Napetost je zdaj odvisna od vrste baterije in je lahko v stanju C ali D.

5. V tem koraku polnilna postaja zaklene polnilni priključek ter onemogoči odstranitev polnilnega kabla iz vozila (izmenično polnjenje). V primeru enosmernega

Slika 5 Napetostni nivoji za posamezna stanja (Med CP- in PE-vodnikom)

2.3 Komunikacija med EVSE in EV (CCS) 9

polnjenja je polnilni kabel že pritrjen na polnilno postajo. Vzpostavi se polnjenje. Pri stanju D se polnjenje ne vzpostavi, dokler ni zagotovljeno hlajenje (ventilacijski pogoj izpolnjen).

6. Polnjenje se je začelo, vozilo popolnoma kontrolira proces polnjenja. Polnilni tok ne sme presegati zgornje meje, ki je v tem primeru 30 A.

7. Zaradi nekaterih razlogov (preobremenitev ...) se je zmanjšal maksimalni dostopni polni tok, ki je zdaj 18 A.

8. Vozilo je ustavilo polnjenje.

9. Glavni kontaktor, ki se nahaja v vozilu, je razklenjen in se je trenutno stanje spremenilo v stanje B.

10. EVSE je zaznala stanje B in je odprla kontaktorje, napetosti ni več na izhodni vtičnici.

11. Povezave med vozilom in postajo ni več, kar je povzročilo stanje A. Napetost je ponovno 12 V.

10 2 Polnilna postaja

2.3.1 Ugotavljanje trenutnega stanja [6]

Preden povežemo postajo in vozilo je med PE- in CP-vodnikom 12 V. Ko je med EVSE in vozilom prisotna povezava, vozilo to zazna in elektronika prepreči

premikanje vozila.

Slika 6 Vezje, ki določa trenutno stanje

Ko vozilo priključimo na polnilno postajo in pride zahteva za polnjenje, se ustvari povezava med CP- in PE-vodnikom, nimamo več konstantnih 12 V, temveč 1 kHz- generator pravokotnih pulzov z amplitudo 12 V, zaporedno je vezan upor 1 kΩ, dioda je obrnjena v prevodni smeri, bremenski upor je 2,74 kΩ, kar zniža napetost na +9 V.

R1 = 1 kΩ, R2 = 2,74 kΩ, UG = 12 V@1 kHz, UD = 0,7 V.

Stanje B:

𝑈_𝐶𝑃 = (𝑈_𝐺 − 𝑈_𝐷) ^𝑅2

𝑅1+𝑅2= 11,3 𝑉^{2,74 𝑘Ω}

3,74 𝑘Ω= 8,3 V (2.1) Ko so izpolnjeni vsi pogoji za polnjenje in ko vozilo pozna maksimalni tok polnjenja (znan delovni cikel), krmilno vezje sklene stikalo S2 in uporu R2 vzporedno doda še upor velikosti 1,3 kΩ, kar zniža upornost na 882 Ω.

𝑅₁₂= 2,74 𝑘Ω∗1,3 kΩ

2,74 𝑘Ω+1,3 kΩ= 881,6 ≅ 882 Ω (2.2) Stanje C:

2.3 Komunikacija med EVSE in EV (CCS) 11

𝑈_𝐶𝑃 = (𝑈_𝐺− 𝑈_𝐷) ^𝑅12

𝑅₁₂+𝑅₁ = 11,3 𝑉 ^{882 Ω}

1882 Ω= 5,3 𝑉 (2.3) Pri nekaterih električnih vozilih obstaja tudi stanje D ali polnjenje z ventilacijo.

Običajno so to starejša vozila. V tem primeru se uporu 2,74 kΩ vzporedno priključi upornost 270 Ω.

𝑅₁₂ = ^𝑅1×𝑅2

𝑅₁+𝑅₂= 2740 Ω×270 Ω

2740 Ω+270 Ω= 246 Ω (2.4)

Stanje D:

𝑈_𝐶𝑃 = (𝑈_𝐺− 𝑈_𝐷) ^𝑅12

𝑅₁₂+𝑅₁ = 11,3 𝑉 ^{246 Ω}

1246 Ω= 2,3 𝑉 (2.5) Pri vseh stanjih imamo enako toleranco, ki je ±1 V, razen pri stanju A in pri negativnih vrednostih, kjer je toleranca ±0,5 V.

12 2 Polnilna postaja

2.4 Digitalna komunikacija

Če bi polnjenje baziralo le na analognem signalu, bi se polnilni proces takoj začel z maksimalnim tokom in bi trajal, dokler vozilo ne bi bilo napolnjeno. Za uporabnika bi to pomenilo, da ne bi vedel osnovnih informacij o polnjenju:

- trajanje polnjenja, - status baterije,

- potrebna energija za polnjenje ...

Komunikacijo preko analognega PWM-signala so izboljšali z uporabo digitalnega protokola na višji ravni. Dvosmerna komunikacija krmilnika polnjenja v postaji in krmilnika polnjenja v vozilu se začne, ko se na CP-kontaktu pojavi 5 % PW- signala. Komunikacija je zasnovana na »client-server« principu, kjer krmilnik polnjenja v polnilni postaji pošilja zahteve in pričakuje odgovore krmilnika polnjenja v električnem avtu (lahko je tudi obratno). Odgovor mora biti poslan v določenem časovnem območju (približno 4 sekunde). Če odgovor ni prišel v predpisanem času, se komunikacija prekine in mora biti ponovno inicializirana.

2.4.1 Kratek opis zahtev in odgovorov

SECCDiscoveryReq – prva zahteva, poslana je iz vozila. Vozilo želi od krmilnika polnjenja v polnilni postaji pridobiti IP-adreso in številko porta. Ko dobi potrebne podatke, se ustvari transportna pot.

SupportedAppProtocolReq – dvojica sporočil, ki preveri najvišjo dostopno verzijo protokola, ki ga podpirata oba krmilnika polnjenja.

SessionSetupReq – uporablja se za določitev ID seje, ki se bo uporabljala za vsa nadaljnja sporočila.

ServiceDiscoveryReq – krmilnik polnjenja vozila preveri, katere storitve so na voljo v polnilnici.

ServiceDetailReq – informacije o uporabljenih storitvah ali uslugah, če gre izključno za polnjenje, potem ta zahtevek ni obvezen.

PaymentServiceSelectionReq – zahteva ne pomeni tega, kar asociira ime, gre bolj za ugotovitev načina avtentikacije in izbire storitve. Za plačilo in avtorizacijo so izbrani zunanji načini (RFID naprave).

AuthorizationReq – ponovno preverjanje avtorizacije.

2.4 Digitalna komunikacija 13

ChargeParameterDiscoveryReq – krmilnik polnjenja informira, koliko energije je potrebno do polne baterije in potem polnilna postaja nastavi parametre, s katerimi lahko polni.

Pri naslednjem koraku se AC in DC razlikujeta med seboj. DC polnjenje nadaljuje s CableChechReq. Ta zahteva lahko traja tudi do 40 sekund. Spremeni se stanje iz B na C ali D, zaklene polnilni priključek in začne test izolacije z visoko napetostjo.

PreChargeReq – električno vozilo pošlje zahtevo, polnilnica izhod prilagodi želeni enosmerni napetosti in ustrezno omeji tok. Pri tem koraku sem imel velike težave, dokler nisem ugotovil, da ima polnilnica nastavljen nekaj manjši potrebni odzivni čas od ostalih zahtev in se je proces polnjenja ustavil.

PowerDeliveryReq – električno vozilo zahteva začetek polnjenja baterije.

Polnjenje se prilagodi zadnji napetosti, ki je bila zahtevana v polnilnici.

CurrentDemandReq – ves čas preverja, če sta napetost in tok nastavljena ustrezno, glede na omejitve baterije.

MeteringReceiptReq – če je zahtevano, preveri definirane vrednosti parametrov toka in napetosti.

Ko pride želja za ustavljanje ali prekinitev polnjenja, se ponovno pošlje zahteva PowerDeliveryReq z drugimi parametri, polnjenje se ustavi in kontaktorji se razklenejo.

WeldingDetectionReq – preverja, če sta se kontakta zavarila med polnjenjem.

Za vsako zahtevo preveri enkrat.

SessionStopReq – ustavi komunikacijo in prekine polnilni proces.

14 2 Polnilna postaja

2.5 Komunikacija – chademo priključek

Za chademo priključek lahko rečemo, da je enostaven kontrolirani DC-vir energije.

Vsebuje naslednje sponke:

- napajalne zatiče DC, - 5 analognih kontaktov, - kontakta CAN-L in CAN-H.

Zahtevamo chademo polnjenje in polnilnica čaka, da uporabnik pritisne tipko START, ki se nahaja na polnilnici. Ko uporabnik pritisne tipko, se aktivira stikalo »d1«, steče tok skozi diodo v optičnem sklopniku in ga vzbudi/aktivira. Električno vozilo to zazna in preko CAN-komunikacije posreduje polnilne parametre (tok, napetost in napolnjenost vozila). Polnilna postaja potem sporoči svoje maksimalne parametre (tok, napetost) in morebitne napake, ki so trenutno prisotne. Če je vozilo »zadovoljno«, aktivira tranzistor »k«, kar pove postaji, da je polnjenje omogočeno. Polnilnica zaklene kontaktor (J) in izvede test izolacije, da preveri morebitne napake v napajalnem kablu ali priključku. Ko se test uspešno izvede, polnilnica sklene stikalo »d2«, kar sproži optični sklopnik »g«. Stanje »g« pomeni, da je polnilnica uspešno pripravljena. Vozilo takrat sklene glavni kontaktor in polnjenje se začne. Vsakih 100 ms vozilo pošlje zahtevo z novimi polnilnimi parametri preko CAN-busa, kar pomeni, da je polnilnica prisiljena konstantno regulirati tok in napetost.

Slika 7 Vzpostavitev polnjenja – chademo priključek [7]

Ko je polnjenje končano, vozilo pošlje zahtevo po ničelnem toku, polnilnica prekine oddajanje moči na svojemu izhodu. Vozilo preverja dejanski tok, dokler se ne prepriča, da ga ni, in takrat izklopi tranzistor »k«. Ko je tranzistor izklopljen, se deaktivirata še stikali »d1« in »d2«, polnilnica odklene polnilni priključek in polnjenje je zaključeno.

2.5 Komunikacija – chademo priključek 15

Tako vozilo kot EVSE ves čas izvajata kontrolo napetosti, toka, temperature in preverjata, če obstajajo napake v polnjenju.

Vozilo lahko na 4 različne načine prekine polnjenje:

- zahteva 0 A toka preko CAN-komunikacije;

- pošlje sporočilo, da je zaznalo napako;

- izklopi tranzistor »k«, kar onemogoči polnjenje;

- odpre glavni kontaktor, ki se nahaja v vozilu.

EVSE lahko na 2 različna načina prekine polnjenje:

- sproži oz. aktivira glavno varovalko na vhodu;

- odpre izhodni kontaktor.

Lahko rečemo, da je chademo zelo varen način polnjenja. Poleg tega, da se vsi parametri in kontrole (lahko) izvajajo preko CAN-komunikacije, je zahtevana tudi prisotnost analogne komunikacije. Analogna komunikacija prispeva k varnosti tako, da:

- prepreči začetek polnjenja ob morebitni okvari digitalnega sistema;

- potrjuje, da krmilnik polnjenja v EV in EVSE deluje povsem pravilno;

- ko analognega signala ni, se avtomatično prekine polnjenje.

Prekinitev polnjenja je mogoče hitreje doseči z uporabo analogne komunikacije, kar je v nekaterih primerih zelo pomembno.

17

3 TESTER EVSE

Glavni cilj projekta je načrtovanje ter razvoj naprave, ki bo lahko brez težav simulirala električno vozilo ter izpolnjevala vse pogoje za vzpostavitev in vzdrževanje polnilnega procesa. Za uspešno vzpostavitev polnjenja je pomembno upoštevanje predpisov, ki so večinoma definirani v standardu ISO 15118 (komunikacija). Zaradi obsežnosti je projekt razdeljen in načrtovan po posameznih sklopih.

3.1 Blokovna shema

Sestavni deli projekta:

- polnilne postaje,

- polnilni kabli in vtičnice, - komunikacija,

- napajalna enota, - simulator baterije,

- krmilnik polnjenja avtomobila (FLEA), - uporabniški vmesnik,

- glavni kontaktor za vzpostavitev polnjenja.

Slika 8 Blokovna shema projekta

18 3 TESTER EVSE

Med izdelavo diplome sem imel na voljo dve polnilni postaji različnih cenovnih razredov. Prva postaja je nizkocenovnega razreda, namenjena je domači uporabi in večino varnostnih kriterijev ali predpisov ne preverja in ne izpolnjuje. Druga polnilna postaja je višjega cenovnega razreda, preverja in izpolnjuje vse varnostne kriterije in predpise. Različne polnilne postaje smo nabavili, ker smo želeli ves čas med izdelavo in razvojem projekt ustrezno prilagajati. Projekt podpira dva polnilna priključka:

- chademo in - CCS.

Hkrati uporabljamo lahko le enega izmed njih. Komunikacija je prilagojena posameznemu polnilnemu priključku. Komunikacija med našim vozilom in polnilno postajo poteka preko CP-, PE-kontakta (pri chademo je prisotna tudi CAN- komunikacija) in krmilnika polnjenja (FLEA). Krmilnik polnjenja je namenjen pošiljanju zahteve polnilni postaji, sprejemanju in hkrati odgovarjanju na zahteve, ki jih pošlje EVSE.

Prenos moči iz polnilne postaje na simulator baterije poteka preko kontaktov DC+ in DC–. Simulator baterije je sestavljen tako, da podpira polnjenja do 2 kW (lahko tudi več, ampak za krajši čas). Med baterijo in polnilno postajo se nahaja glavno vezje/glavni kontaktor, ki vzpostavi polnjenja, ko so za to izpolnjeni vsi pogoji.

Določeni deli (simulator baterije, hlajenje baterije, komunikacija, glavno kontaktorsko vezje, merilniki) potrebujejo zunanje napajanje. Zato skrbi napajalna enota. Glavni napajalni vir je 230 V@50 Hz. Poleg tega imamo tudi manjše 12 V- enosmerne napajalnike.

Uporabniški vmesnik je zelo enostaven. Izpisuje trenutne vrednosti toka in napetosti, sporoča, kateri kriteriji so izpolnjeni, omogoča sklenitev posameznih kontaktorjev in prekinitev polnjenja.

3.2 Komunikacijski del 19

3.2 Komunikacijski del

Komunikacija poteka preko CP- (PWM + HCL) in PE-kontakta, ko govorimo o CCS-priključku. Pri chademo priključku imamo poleg teh kontaktov še komunikacijo preko CAN-protokola. Naredil sem TIV in ga prilagodil tako, da lahko med procesom polnjenja z odstranjevanjem kartkostičnikov oz. spreminjanjem upornosti vsiljujem stanje polnjenja, ki ga želim. Preko teh kontaktov je polnilnica neposredno povezana s krmilnikom polnjenja, ki se nahaja v našem »avtu«. Kot krmilnik polnjenja smo uporabili napravo zunanjega proizvajalca CarMediaLab. Naprava se imenuje FLEA3.

Zadolžena je za nadzor polnjenja in omogoča dvosmerno komunikacijo. Sprejema in odgovarja na zahteve, ki jih polnilna postaja pošilja. Včasih tudi pošilja zahteve in čaka odgovore polnilnice. Krmilnik polnjenja nam omogoča, da lahko v realnem času spremljamo izmenjevanje sporočil med njima. To storimo tako, da se na krmilnik polnjenja povežemo preko programa Putty. Izbiramo lahko med komunikacijo preko ethernet ali serijskega porta. Izbranemu portu moramo prilagoditi nastavitve v Puttyju.

Poleg nadzorovanja nam krmilnik omogoča tudi nadgradnjo programske opreme.

Slika 9 FLEA – Car Media Lab [8]

20 3 TESTER EVSE

3.2.1 Izdelava tiskanega vezja za komunikacijo

Pri načrtovanju sem upošteval komunikacijske protokole in sheme iz poglavja 2.3 (CCS-priključek) in poglavja 2.5 (chademo). Na tiskanini se nahaja več priključkov:

- 2 priključka za CAN-komunikacijo, namenjena za vpogled in kontrolo CAN- prometa. Večinoma je priključek uporabljen za odkrivanje vzroka napak, ki nastanejo med polnjenjem.

- 2 priključka RS-232, namenjena za komuniciranje s FLEO. Preko tega priključka opravimo zagon, vzpostavitev, vzdrževanje, nastavitev polnilnih parametrov ter prekinitev polnjenja. Uporabniku omogoča tudi vpogled v zahteve ter odgovore, ki jih izmenjujeta polnilna postaja in krmilnik polnjenja.

- Izhodni priključek, ki poveže tiskanino s krmilnikom polnjenja (FLEO).

Večina kontaktov ali priključkov je neuporabljenih, ampak sem jih pri risanju upošteval.

- Priključka za chademo in CCS-protokol, ki povežeta polnilni priključek in tiskanino.

Slika 10 Blok shema komunikacijskega dela

Priključka, ki sta namenjena za chademo in CCS-protokol, povežeta izključno komunikacijski del polnilnega priključka. Zatiča, ki sta namenjena za prenos moči, se povežeta na simulator baterije.

3.2 Komunikacijski del 21

Za chademo priključek sem elektronsko izvedel le zaklenitev polnilnega priključka, za vse ostalo poskrbi programska oprema, ki sem ga dobil poleg krmilnika polnjenja.

Slika 11 Zaklenitev priključka CHADEMO

Za CCS sem upošteval vezje, ki je prikazano na sliki 6 in dodal kratkostičnike, da lahko z odstranitvijo posameznega kratkostičnika vsilim stanja (od A do F) med polnjenjem in pogledam odziv polnilne postaje na spremembo.

Slika 12 Vsiljevanje stanj – CCS-priključek

22 3 TESTER EVSE

3.3 Krmilno vezje

Ker bo naprava opravljala številna opravila (simuliranje napak, merjenje napetosti, merjenje tokov, obdelava podatkov, krmiljenje glavnega kontaktorja ...), potrebujemo krmilno vezje. Za začetek sem uporabil krmilno vezje iz drugega projekta in ga prilagodil tako, da lahko opravljam osnovna opravila (merjenje napetosti, krmiljenje kontaktorjev, krmiljenje glavnega kontaktorja ...). Razvoj prvega prototipa krmilnega vezja bom začel takrat, ko bom imel pripravljene vse tiskanine (tiskanine z merilniki toka, tiskanine z releji za simuliranje napak ...), saj zaenkrat še nimam natančno deklariranih opravil, ki jih bo opravljal mikroprocesor, in je nesmiselno zapravljati čas za načrtovanje.

Slika 13 Blok shema procesorskega vezja

3.3 Krmilno vezje 23

3.3.1 Napajalni del

Vezje se napaja preko napajalnega priključka (+12V). Uporabljeni so stikalni pretvorniki DC-DC navzdol, ker nekatere komponente za delovanje potrebujejo manjšo napajalno napetost (+3,3 V, +5 V ...) ter napetostni pretvornik MAX829 [9], ki na izhodu vrne invertirano vhodno napetost (–5 V). Uporabil sem sheme iz podatkovnih listov za posamezno komponento. [10]

Slika 14 Napajalni del

Poleg napajalnega dela potrebujem referenčni del, katerega napetosti morajo biti zelo natančne, da vezje deluje pravilno. Vezje potrebuje dve referenčni napetosti (−1,5 V in 3 V). Uporabil sem nastavljivi regulator (referenčno diodo) TL431 in si zagotovil referenco 2,5 V, ki sem jo nato z uporabo operacijskega ojačevalnika TL062 ojačal na 3 V. Dobljeno napetost sem nato razpolovil z uporabo invertirajočega operacijskega ojačevalnika (Au = 0,5) in na izhodu dobil napetost −1,5 V.

Slika 15 Referenčni del

24 3 TESTER EVSE

3.3.2 Mikroprocesor in komunikacija s procesorjem

Izbral sem 32-bitni mikroprocesor LPC2148FBD64 (ARM7). Maksimalna frekvenca, ki jo lahko nastavimo za procesorsko uro, je 25 MHz. Vezju sem dodal flash pomnilnik 512 kB za shranjevanje programske kode. Programsko kodo nalagamo preko JTAG-priključka. Za pridobitev merilnih rezultatov in pošiljanje ukazov zadošča, da računalnik povežemo s tiskanino preko enega izmed dveh priključkov RS- 232 (poleg navadnega je na voljo tudi izolirani galvansko ločeni priključek) in potem ob prižigu uporabniškega vmesnika ustrezno nastavimo port (COM1, COM2 ...).

Slika 16 Priključka RS-232

3.3 Krmilno vezje 25

3.3.3 Merilnik napetosti

Merilnik napetosti sem sestavil iz diferenčnega ojačevalnika na vhodu in invertirajočega seštevalnika na izhodu.

R1 = R1 + R2 + R3 = R5 + R6 + R9; R2 = R4 = R7

𝑈₋ =𝑈_𝑐𝑐𝑠× 𝑅₁+ 𝑅₂× 𝑈_𝐷𝐶+

𝑅₁+ 𝑅₂ 𝑈₊ = 𝑈_𝐷𝐶− 𝑅₂

𝑅₁+ 𝑅₂

Če predpostavimo, da je ojačenje operacijskega ojačevalnika neskončno (A =

∞), potem velja U- = U+.

𝑈_𝑐𝑐𝑠 = −𝑈_𝐷𝐶+×𝑅₂

𝑅₁+ 𝑈_𝐷𝐶− 𝑅₂

𝑅₁ + 𝑅₂× 𝑅₁ 𝑅₁+ 𝑅₂

Da bi merjenje opravljali čim bolj natančno, sem diferenčnemu ojačevalniku dodal še invertirajoči seštevalnik, ki ima na vhodu multiplekserje, ki lahko izbirajo med različnimi kombinacijami ojačenja za različna napetostna območja. Ker ADC- vhod podpira le napetosti od 0 do 3,3 V, sem prištel 1,5 V k izmerjeni napetosti tako,

da lahko merim tudi v negativni smeri. Merjenja negativnih vrednosti v mojem primeru sploh ne bi potreboval, ampak sem jih preventivno vključil in upošteval pri načrtovanju.

Slika 17 Merilnik napetosti

26 3 TESTER EVSE

3.3.3.1 Invertirajoči seštevalnik

Kot primer bom izbral napetost UCCS ter upor R18 in zapisal enačbo za končno vrednost, ki pride v ADC.

𝑈_𝐴𝐷𝐶 = (−𝑈_𝑅𝐸𝐹× 𝑅₂₂

𝑅₂₅ −𝑈_𝐶𝐶𝑆× 𝑅₂₂ 𝑅₁₈ )

UADC je končna vrednost, ki jo pošljemo v mikroprocesor. Mikroprocesor nato podatek obdeluje in ga posreduje preko serijskega (RS-232) porta. Vrednost je zdaj vidna tudi v uporabniškemu vmesniku – izpis s številkami in/ali grafični prikaz napetosti Uccs ali UBAT.

Slika 18 Invertirajoči seštevalnik

3.4 Uporabniški vmesnik 27

3.4 Uporabniški vmesnik

Želja je, da bo uporabniški vmesnik čim bolj enostaven za uporabo, hkrati pa vsebuje vse informacije, ki bi lahko za uporabnika bile zanimive ali uporabne.

Trenutno imamo le osnutek uporabniškega vmesnika in vsebuje skoraj vse, kar je predvideno za končno verzijo, razen zagona polnjenja in prikaza komunikacije med krmilnikom polnjenja vozila in postaje. Poleg zagona in prikaza komunikacije (kar trenutno opravljamo preko terminala Putty) uporabniški vmesnik omogoča naslednje:

- grafični prikaz napetosti, ki jo polnilna postaja oddaja v omrežje;

- grafični prikaz napetosti na bateriji;

- seznam zahtev, ki jih vozilo in postaja med seboj pošiljata. Ko naredimo zagon polnjenja, so vse zahteve nepobarvane. Postopno, ko se zahteva uspešno izvede, se tudi barva spremeni v zeleno. Če polnilna postaja nekaterih izmed zahtev ne bo upoštevala, se proces polnjenja kljub temu nadaljuje in ostane zahteva nepobarvana. Iz tega podatka se da ugotoviti, kako je postaja varna za uporabo in koliko varnostnih predpisov izpolnjuje;

- nastavitev parametrov polnjenja (napetost, tok in napolnjenost), ki jih postaja pošlje polnilnici;

- pošiljanje napačnih vrednosti polnilni postaji ali krmilniku polnjenja v vozilu namesto dejanskih izmerjenih vrednosti;

- omogoči/onemogoči polnjenje;

- avtomatski ali ročni vklop glavnega kontaktorja;

- izpis, pavziranje in shranjevanje podatkov, ki se prikazujejo v grafu;

- pripravljene gumbe za ročni vklop/izklop kontaktorjev, preko katerih bomo simulirali napake med polnjenjem.

Meritev napetosti polnilne postaje se izvaja neposredno pred glavnim kontaktorjem, ker bi v nasprotnem primeru lahko odčitali napačne vrednosti. Če bi napetost opravljali za glavnim kontaktorjem, bi se napake pojavljale takrat, ko je

Slika 19 Uporabniški vmesnik

28 3 TESTER EVSE

glavni kontaktor izklopljen, ali takrat, ko je napetost polnilne postaje manjša od napetosti baterije. Možnost nastavljanja parametrov nam omogoča, da lahko med polnjenjem preizkusimo odziv polnilnice na morebitne spremembe. Primer: ob spremembi stanja napolnjenosti iz 72 % na 100 % mora polnilnica zaznati, da je baterija napolnjena, in samodejno prekiniti polnilni proces.

Pošiljanje napačnih parametrov namesto dejanskih izmerjenih vrednosti omogoča manipulacijo s polnilno postajo ter preizkušanje odziva polnilnice na napačne parametre (Uccs ter Ubat).

Polnilni proces lahko kadarkoli prekinemo tako, da na uporabniškemu vmesniku onemogočimo polnjenje. Takrat polnilna postaja zazna, da prekinitev polnjenja zahteva vozilo, in izvede prekinitev. Ponovnega polnjenja ni možno vzpostaviti, dokler je polnjenje onemogočeno na uporabniškemu vmesniku.

Samodejni vklop glavnega kontaktorja se izvede takrat, ko v komunikaciji zaznamo, da je zahtevana sklenitev. Ob izbranem ročnem načinu vklopa se glavni kontaktor ne bo sklenil, tudi če pride zahteva za sklenitev glavnega kontaktorja.

Polnilne postaje so pri določenih zahtevah zelo občutljive na pravočasno odzivnost.

Ob zahtevi za sklenitev kontaktorja pričakujejo, da se glavni kontaktor sklene v določenem časovnem intervalu (nekaj sto milisekund), možnost ročnega vklopa je namenjena predvsem za testiranje odziva polnilne postaje na zakasnitev pri vklopu kontaktorja.

Za časovno skalo pri izpisu podatkov na graf so izbrane sekunde, ne pa dejanski čas (ura). To predstavlja majhno težavo pri shranjevanju in branju podatkov, ker se ob daljšem času simuliranja shrani veliko informacij in je uporabniku oteženo razumevanje izpisa. V planirani nadgradnji bo prikaz prilagojen tako, da se bo zraven izpisala tudi ura za določeno informacijo. Izpis je v obliki .txt.

Ko bo elektronski del v celoti narejen in popolnoma delujoč, bomo nadgradili uporabniški vmesnik. Končna verzija bo narejena tako, da uporabnik ne bo potreboval dodatnih terminalov, ampak bo lahko vse opravil neposredno v eni sami aplikaciji.

Obstajata dve možnosti:

- uporabnik bo potreboval lastni računalnik s prednaloženo aplikacijo in se bo na merilni inštrument povezal brezžično ali fizično z uporabo kabla in opravljal teste;

- na merilnem inštrumentu bo vgrajen tablični računalnik, ki bo imel že naloženo potrebno programsko opremo in bo omogočal uporabniku opravljanje testov brez lastne opreme.

3.5 Simulator baterije 29

3.5 Simulator baterije

Da bi lahko vzpostavili polnjenje, potrebujemo baterijo, saj polnilnice želijo pred začetkom polnjenja »začutiti« napetost vozila. Ker je avtomobilska baterija zelo draga in težka, sem se odločil sestaviti napravo, ki bo simulirala avtomobilsko baterijo.

Odločil sem se, da baterijo sestavim iz več napajalnikov, ki bodo vezani zaporedno.

Na začetku sem uporabil 6 napajalnikov z izhodno napetostjo 44–52 V. Vse napajalnike sem nastavil na 46,5 V tako, da je skupna napetost napajalnikov znašala 280 V. Prvi napajalniki so imeli tokovno zmogljivost 300 mA, ker sem mislil, da je pomembna le napetost, ne pa tokovna zmogljivost. Ob vzpostavitvi polnjenja pri nekaterih polnilnih postajah pride do sesedanja oziroma upadanja napetosti, kar povzroči prekinitev polnjenja, saj krmilniki polnjenja »ugotovijo«, da v polnilnem procesu nekaj ne ustreza glede na informacije, ki jih imajo na razpolago. Nekako sem moral zagotoviti, da se za kratek čas ob vzpostavitvi polnjenja napetost naše baterije ne sesede. Zato sem napajalnike zamenjal z močnejšimi, ki so imeli maksimalno tokovno zmogljivost 6 A, ostalo je bilo enako. Ker na strani vozila nimam prave baterije, ki bi jo lahko polnil, sem napajalnike zaščitil z diodo tako, da sem preprečil polnilni postaji, da s svojim tokom poškoduje napajalnike, in se odločil, da vezju dodam breme, ki bo porabljalo moč polnilne postaje. Ker sem želel, da polnilnica polni s tokom približno 310 V in 5 A, sem parametrom ustrezno prilagodil tudi breme, ki je imelo upornost 62,5 Ω. Ker bo v polnilnem procesu po parametrih, ki jih zahtevam, moč precej velika (1,5 kW), sem bil pri izbiri uporov pozoren na to.

3.5.1 Breme in hlajenje bremena

Breme sestavlja 16 vzporedno vezanih 1 kΩ-uporov. Velikost bremena je v tem primeru:

1

𝑅 = ∑ 1 1𝑘Ω

16

1

→ 𝑅 =1𝑘Ω

16 = 62,5 Ω

Moč, ki jo med testiranjem oddaja polnilna postaja, je približno 1500 W. Zaradi velike moči se breme zelo hitro segreva. Ker je projekt še v fazi testiranja, želim več časa testirati delovanje in simulirati napake. Trenutno breme se je segrelo že v desetih sekundah in je potrebovalo nekaj minut, da se ohladi na primerno temperaturo za ponovno obratovanje, kar v trenutni fazi ni najboljše, saj pri terenskem testiranju ni časa, da bi ga zapravljal za čakanje, da se upori ohladijo. Pripravil sem hladilno telo, v katerega sem izvrtal luknje in nanj pritrdili upore, namazane s termalno pasto. Glede na to, da bo potem, ko bo projekt končan, baterija brez hladilnih teles, nisem porabil veliko časa za računanje in izbiro ustreznega hladilnega telesa, temveč sem izbral to, kar sem imel pri roki. Na koncu sem dodal še dva dokaj velika ventilatorja, ki bosta prepihovala hladilna rebra. Z dodanim hladilnikom in ventilatorjema sem povečal čas obratovanja (oz. simuliranja) na 5 minut. Tudi za hlajenje že segretega bremena sem porabil zelo malo časa. Ko sem vse sestavil, sem se odločil še preizkusiti odziv posameznih uporov na obremenitev. Vzpostavil sem polnjenje in z uporabo termo

30 3 TESTER EVSE

kamere opazoval upore. Na koncu sem ugotovil, da nekateri upori niso bili dovolj pritrjeni na hladilno telo oziroma niso imeli dovolj hladilne (termalne) paste.

Temperatura uporov je občasno presegala tudi 100 °C.

Slika 20 Hlajenje bremena

3.5.2 Razvoj tiskanine glavnega kontaktorja

Med razvojem tiskanine glavnega kontaktorja so bili narejeni trije prototipi, ki vključujejo veliko vmesnih sprememb, popravkov ter odkrivanja napak. Zagotoviti je treba pravilen vklop tako, da polnilna postaja med polnjenjem ne sporoča napake in ne prekinja polnjenja. Vezje vsebuje logiko, ki omogoči prenos moči (vklopi tranzistor ter glavni kontaktor) iz polnilne postaje na simulator baterije. Lahko bi uporabili tudi vezje, ki vsebuje samo kontaktor, ampak zaradi nevarnosti iskrenja kontaktov smo se odločili vezje dodatno zaščititi z uporabo tranzistorja, ki bo prekinil tokokrog pred izklopom glavnega kontaktorja. Na tiskanini ni hitrih signalov. Predvsem so to napetostne linije, ki prenašajo večje napetosti (tudi > 400 VDC), zato so zelo pomembne debeline linij ter razdalja med njima. Napajanje elektronskih komponent je zagotovljeno s pomočjo 12 V-napajalnika.

3.5 Simulator baterije 31

3.5.3 Izdelava prvega prototipa

DC-povezavi iz CCS in chademo vtičnici sledi glavni kontaktor, ki omogoči/onemogoči prenos moči do baterije oz. simulatorja baterije. Med vtičnicami in simulatorjem baterije je neinvertirajoči ojačevalnik, napetostni sledilnik (buffer), krmilnik oz »driver« tranzistorja in n-kanalni tranzistor MOSFET.

Slika 21 Shema prvega prototipa

Vezje deluje tako, da preko uporabniškega vmesnika pošljemo signal za sklenitev glavnega kontaktorja (poglavje 3.3). Napetost polnilne postaje preko delilnika napetosti pride na vhod primerjalnika. Primerjalnik ima na minus sponki s pomočjo uporov in referenčne diode nastavljeno referenčno napetost na 5,86 V. Poleg tega imamo možnost dodati kratkostičnike J1 in J2 ter preko napetostnega delilnika nastaviti referenčno napetost glede na napetost napajalnikov, ki sestavljajo simulator baterije. Napetostni delilnik sem sestavil iz uporov in potenciometra tako, da lahko spreminjam napetost, ki je potrebna, da izhod primerjalnik postavi v visoko stanje.

Primerjalnik, ki smo ga uporabili, je z odprtim kolektorjem (ang. Open collector), zato sem na izhod primerjalnika dal dvižni upor in ga priključil na 12 V. Takrat, ko je na pozitivni sponki napetost večja od napetosti na minus sponki (referenčne napetost), je izhod primerjalnika na 12 V in nam aktivira tranzistor. Ko je napetost manjša od referenčne, se izhodni tranzistor primerjalnika odpre in je na izhodu 0 V. Tranzistor je zaprt. Težave je predstavljal kondenzator C5 na pozitivni sponki, ki sem ga namenil za preprečitev osciliranja ob vklopih in upočasnitev preklapljanja primerjalnika.

Kondenzator ni izpolnil svoje naloge, ampak je povzročal težave pri preklopih. Imel je negativen vpliv na histerezo in je povzročal hitre preklope, posledica je bilo uničenje tranzistorja oz. tranzistorjev, saj sem večkrat preizkusil delovanje vezja (po opravljenimi popravili). Najprej sem mislil, da problem predstavlja širina histereze, ki je v mojem primeru bila zelo ozka. Širino histereze sem povečal tako, da sem spremenil oz. zamenjal upor R10. Pred tem sem imel že izpeljane enačbe za meje

32 3 TESTER EVSE

histereze, tako spodnjo kot zgornjo, in izračun novih mej ni predstavljal problemov.

Pri izračunih smo UB obravnavali kot referenčno napetost, ki znaša 5,86 V.

Slika 22 Slab vklop primerjalnika na prvem prototipu

Spodnja napetostna meja:

𝑅₁ = 𝑅₄+ 𝑅₆+ 𝑅₈; 𝑅₂ = 𝑅₉+ 𝑅₁₀; 𝑅₃ = 𝑅₁₈+ 𝑅₂₀

𝑈_𝑆𝑃 = (𝑈_𝐵−

𝑅₁× 𝑅₃ 𝑅₁+ 𝑅₃ 𝑅₁ × 𝑅₃ 𝑅₁+ 𝑅₃+ 𝑅₂

× 12 𝑉) ×

𝑅₂× 𝑅₃ 𝑅₂ + 𝑅₃+ 𝑅₁

𝑅₂× 𝑅₃ 𝑅₂+ 𝑅₃

Zgornja napetostna meja:

𝑈_𝑍𝐺 = 𝑈_𝐵×

𝑅₂× 𝑅₃ 𝑅₂+ 𝑅₃+ 𝑅₁

𝑅₂× 𝑅₃ 𝑅₂+ 𝑅₃

Po spremenjeni histerezi sem ugotovil, da težave s hitrimi preklopi primerjalnika niso odpravljene. Odločil sem se težavo odpraviti z novim prototipom oz. majhno spremembo že obstoječega vezja.

3.5.4 Drugi prototip kontaktorskega vezja

Odstranil sem kondenzator s pozitivne sponke in preizkusil delovanje. Primerjalnik je pravilno preklapljal in je bilo jasno, da je težave povzročal kondenzator. Pri testiranju s polnilno postajo nižjega cenovnega razreda je prihajalo do majhnih napetostnih oscilacij ob vklopu tranzistorja in posledično do hitrih sprememb izhoda primerjalnika (podobno, kot je prikazano na sliki 11, ampak v manjšem obsegu), kar je uničevalo tranzistor, ki omogoči prenos moči do bremena. Zaradi tega si nisem želel vezja brez

3.5 Simulator baterije 33

kondenzatorja, ker bi z njim stabiliziral napetost na vhodu primerjalnika in se izognil uničevanju tranzistorjev. Preizkusil sem na različne načine spremeniti vezje in med vsemi načini se je kot najboljša rešitev izkazal invertirajoči primerjalnik, ki je poleg tega zahteval tudi dodatne popravke in spremembe. Zdaj je bil merjeni signal na negativni sponki, referenčna napetost pa na pozitivni.

Slika 23 Shema drugega prototipa

Zaradi uporabe invertirajočega primerjalnika je izhod zdaj invertiran. Izhod sem zaradi tega dodatno invertiral z uporabo bipolarnega NPN-tranzistorja. Izhod primerjalnika sem povezal na vhod tranzistorja. Ko je bila napetost na minus sponki manjša od referenčne napetosti (napetost pozitivne sponke), je bila na izhodu napetost 12 V, kar je odprlo tranzistor in je kolektorsko napetost postavilo proti masi (emitorju). V primeru večje napetosti minus sponke je na izhodu 0 V, tranzistor ni bil sklenjen in sem kolektorsko napetost uporabil za odpiranje MOSFETA.

Slika 24 Vklop primerjalnika na drugem prototipu

34 3 TESTER EVSE

3.5.5 Tretji prototip kontaktorskega vezja

Po opravljenih preizkusih na različnih polnilnih postajah ugotavljam, da drugi prototip ne deluje pravilno na javni polnilni postaji. Ker se je ob vklopu napetost polnilne postaje sesedla, se je proces polnjenja ustavil. Zamenjal sem napajalnike v simulatorju baterije z močnejšimi, da ob vklopu tranzistorja ne dovolijo sesedanja. Odločil sem se odstraniti primerjalnike in sestaviti prototip z uporabo popolnoma drugačne logike.

Ker smo tudi pri prejšnjih prototipih za vklop glavnega kontaktorja uporabili signal, ki ga pošljemo preko uporabniškega vmesnika, sem se za to možnost odločil tudi zdaj, vendar sem ga uporabil na drugačen način. Zdaj se napetost meri na vhodnih sponkah kontaktorja in se krmilni signal sproži takrat, ko je napetost polnilne postaje večja ali enaka napetosti napajalnikov v simulatorju baterije (285 V). Najprej sem poiskal Schmitov prožilnik, ki deluje tudi pri 12 V, da ni bilo treba prilagajati celotnega napajanja novemu vezju. Izbral sem CD4016BP, ki ima v ohišju 6 invertirajočih Schmitovih prožilnikov. Odločil sem se, da z uporabo Schmitovih prožilnikov hkrati vklapljam tako tranzistor kot glavni kontaktor. Krmilni signal, ki je prej bil namenjen za vklop kontaktorja, sem zdaj priključil na vhodni prožilnik. Izhod prožilnika sem razdelil na dva dela:

a) prvi del je namenjen za vklop kontaktorja; uporabil sem elektronsko rešitev za zakasnitev izklopa kontaktorja (100 ms glede na krmilni signal);

b) drugi del je namenjen za vklop tranzistorja, sestavljen je podobno kot prvi del, le da je zakasnitev izvedena ob vklopu tranzistorja. Namesto enega prožilnika na izhodu sem porabil še ostale 4 prožilnike iz ohišja, da povečamo tok, ki bo stekel v krmilnik vrat (nahaja se med točko A in B) n-kanalnega tranzistorja MOSFET.

Takšno logiko sem uporabil predvsem zato, da se ob začetku polnjenja kondenzator aktivira pred tranzistorjem in se šele potem aktivira tranzistor, ki omogoči, da tok steče skozi simulator baterije. Ob prekinitvi polnjenja velja obratna logika. Najprej se izklopi tranzistor, tok ne teče več skozi upore, deaktivira se tudi kontaktor, kar prepreči poškodbo kontaktov znotraj kontaktorja. Z uporabo te logike sem podaljšal življenjski čas kontaktorja, saj je pri prejšnjih prototipih prihajalo do iskrenja kontaktov zaradi enosmernega toka, ki je bil prisoten ob izklopih. Posledica tega je tudi neuporabnost kontaktorja, kajti kontaktor, ki ima zavarjene kontakte, ni primeren za nadaljnjo uporabo. Testiranje sem izvedel tako kot pri ostalih prototipih, na več različnih

3.5 Simulator baterije 35

polnilnih postajah in ob majhnih spremembah programska oprema ni prihajalo do težav pri vzpostavitvi polnjenja. Na spodnji sliki stikalo SW predstavlja kontaktor.

Slika 25 Shema tretjega prototipa

Slika 26 Prikaz zakasnitev (RU-kontaktor, MO-tranzistor, ZE-polnilnice)

36 3 TESTER EVSE

3.7 Relejska matrika

Da lahko avtomatizirano izvajam simulacije napak, potrebujem relejsko matriko.

Zaradi razmer, ki so trenutno prisotne (kriza zaradi koronavirusa), je projekt za določen čas prekinjen in relejske matrike še nisem fizično vključil v projekt.

Sestavljena je iz 8 pomikalnih registrov, ki imajo zaporedni vhod in vzporedni izhod.

Prvi 4 pomikalni registri, ki so namenjeni za simuliranje napak in krmiljenje relejev, za shranjevanje uporabljajo uro CS1. Preostali štirje so rezervirani za kasnejšo morebitno nadgradnjo in krmiljenje multiplekserjev – ADC-linije. Plan je, da v projekt dodamo še nekoliko merilnikov napetosti ter dva tokovnika. Prvi tokovnik bi meril tok polnjenja, drugi pa diferenčni tok. Za simulacijo napak sem uporabil 25 relejev.

Slika 27 Relejska matrika

Izhode sem priključil na tranzistorje v darlingtonovi vezavi (integrirano vezje z oznako ULN2003, ki ima 7 kanalov), ki bodo vklapljali releje, ki simulirajo določene napake.

S pomočjo te logike bom simuliral 27 napak. Nekatere napake se ponavljajo z uporabo različnih upornosti (merjenje izolacijskih upornosti preizkusimo z različnimi upornosti

3.7 Relejska matrika 37

– opozorilo, napaka izolacije ...). Prednost darlingtonove vezave je, da zaradi velikega tokovnega ojačenja lahko že z majhnimi tokovi vklapljamo velika bremena.

Relejsko matriko bom krmilil preko uporabniškega vmesnika in krmilniškega vezja (krmilno vezje bo preko SPI-komunikacije povezano s pomikalnimi registri).

Napake, ki jih bomo simulirali, so:

- CCS: prekinitev PE-vodnika, prekinitev CP-vodnika, spreminjanje (vsiljevanje) stanja CP-vodnika, kratek stik CP-PE, napake izolacije (simetrične, asimetrične, različne uporovne vrednosti), kratek stik DC– in PE, kratek stik DC+ in PE, kratek stik DC+ in DC– pred začetkom polnjenja, merjenje PP-upora;

- chademo: prekinitev vodnika PE, CP, CP2, CS ali CS3, kratek stik CP-PE, kratek stik CP2-PE, kratek stik CS-PE, kratek stik CS3-PE, prekinitev CAN- komunikacije, napake izolacijske upornosti (simetrične, asimetrične, različne uporovne vrednosti), kratek stik DC+ in DC– (pred začetkom polnjenja), kratek stik med PE in DC–, kratek stik med PE in DC+.

Slika 28 Darlingtonov tranzistor [11]

39

4 Izvedba naprave in testiranja

Za zagon je treba tester priključiti na 230 V ter kabel RS232 ali ethernet in vmesnik CAN-USB povezati z računalnikom. Ko smo to opravili, se po opisanem postopku povežemo preko programa Putty glede na izbrani način komunikacije (serijsko ali preko RJ45-priključka) in vnesemo uporabniško ime ter geslo. Na uporabniškem vmesniku omogočimo polnjenje, nastavimo parametre polnjenja in potem v programu Putty glede na izbrani polnilni priključek pošljemo ukaz:

- CCS priključek: /home/root/dinstart.sh

- chademo priključek: /home/root/chademostart.sh

Polnilni proces se začne po poslanem ukazu. Spreminjanje parametrov, razklenitev glavnega kontaktorja in prekinitev polnjenja izvedemo preko uporabniškega vmesnika.

Slika 29 Slika projekta