Знайте риски, связанные с проектированием зарядных станций для электромобилей.

Цели обучения

• Изучите основы зарядки электромобилей (EV).
• Ознакомьтесь с электрическими рисками, связанными с зарядкой электромобилей.
• Определите меры безопасности, которые следует предпринять для снижения риска,

Информация о зарядке электромобилей

• Поскольку инфраструктура зарядки электромобилей расширилась от горстки подключенных к сети установок до десятков тысяч систем преобразования энергии по всей стране, электротехнические соображения, такие как определение размеров трансформатора, защита распределительного устройства, преобразование переменного/постоянного тока, управление нагрузкой и устранение неисправностей, стали центральными для безопасного и надежного развертывания.
• Хотя зарядка электромобилей в настоящее время широко распространена во всем мире, поскольку действуют миллионы общественных портов, опасности, нормативно-правовая база и стратегии смягчения последствий, связанные с зарядкой электромобилей, продолжают развиваться вместе с технологией и ее ускоряющимся внедрением.

В 2007 году бум электромобилей (EV) еще не укрепился. Поскольку в Соединенных Штатах имеется всего 139 общественных зарядных станций для электромобилей, электромобили, не говоря уже об инфраструктуре зарядки, все еще находились на ранней стадии внедрения. Лишь в 2011 году зарядные станции для электромобилей начали распространяться.

По данным Министерства энергетики США, по состоянию на 2023 год в эксплуатации находились как минимум 64 641 зарядная станция для электромобилей и 168 388 зарядных портов — это 500-кратное увеличение менее чем за два десятилетия. Инфраструктура, обеспечивающая энергией транспортные средства, которые перемещают нас по всему миру, все еще догоняет широкое распространение электромобилей.

По состоянию на 2025 год во всем мире насчитывается 5,45 миллиона общедоступных зарядных портов. На данном этапе разработки и внедрения электромобилей и вспомогательной инфраструктуры, основанного на быстром расширении внедрения и инфраструктуры, можно простить предположение, что опасности, связанные с зарядкой электромобилей, хорошо поняты и тщательно регулируются.

Однако нормативно-правовая база все еще находится в стадии развития и, как и инфраструктура, последние 10 лет догоняла ситуацию.

Процесс зарядки электромобиля

Электромобили фундаментально меняют способы подачи энергии в транспортные средства. В отличие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые работают на ископаемом топливе (бензине/дизельном топливе), которое доставляется на заправочные станции автоцистернами, зарядные станции для электромобилей обычно подключаются непосредственно к электросети (см. Рисунок 1). Энергия из сети передается электромобилям посредством преобразования энергии (при необходимости), зарядных портов и разъема. Компоненты системы зарядки обычно называют оборудованием для питания электромобилей. Процесс «заправки» электромобилей сравнивается с аналогичным процессом для автомобилей с ДВС на рисунке 2.

Рисунок 1: Технологическая схема заправки автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. С разрешения: Дженсен Хьюз

Электросеть: Электричество бывает двух видов: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Переменный ток — это колебательное напряжение, которое постоянно меняет полярность в виде плавной волны, имеющей вид синусоидального графика, совершая одно колебание за 1/60 секунды. Постоянный ток обеспечивает постоянное напряжение для пользователя и не меняет полярность.

Большая часть передачи энергии в энергосистеме осуществляется с использованием электроэнергии переменного тока. Поставщики энергии используют переменный ток, потому что его легче транспортировать на большие расстояния, как это продемонстрировала компания Westinghouse в 1900-х годах, благодаря присущим ему свойствам (постоянно меняющееся напряжение). Аккумуляторы обеспечивают напряжение постоянного тока, и, следовательно, аккумуляторы электромобилей заряжаются с использованием электроэнергии постоянного тока, но их способность перемещаться на большие расстояния ограничена.

Рис. 2. Схема процесса зарядки электромобилей. С разрешения: Дженсен Хьюз

Преобразование энергии: Преобразование энергии — один из основных компонентов зарядки электромобиля, преобразующий электрическую мощность переменного тока сети в соответствующие напряжение и ток постоянного тока для зарядки аккумулятора электромобиля. Компоненты преобразования энергии могут состоять из трансформатора, распределительного устройства, преобразователя переменного/постоянного тока и схемы управления, в зависимости от источника питания и уровня зарядного устройства.

Основная функция трансформатора — приспособить напряжение передачи или распределения к соответствующему напряжению, используемому на объекте. Трансформатор может как повышать, так и понижать напряжение. При прямом подключении к электросети обычно снижают напряжение до желаемого значения. Трансформаторы используют электромагнитную индукцию, состоящую из первичной обмотки, вторичной обмотки и магнитного сердечника. Затем трансформатор подключается к электрораспределительному оборудованию, такому как распределительные устройства, распределительные щиты или кабели, для распределения энергии по нагрузке.

В системах зарядки преобразование переменного тока в постоянный обычно осуществляется с помощью импульсного источника питания. Импульсный источник питания работает путем преобразования мощности переменного тока в постоянный постоянный ток через выпрямители, используя частоту энергии переменного тока для быстрого включения и выключения волны переменного тока, чтобы эффективно преобразовать эту мощность в напряжение, необходимое для цепи зарядки.

Для быстрой зарядки (с помощью зарядных устройств уровня 3) требуется электричество постоянного тока; Для зарядки уровней 1 и 2 электромобили имеют встроенный преобразователь переменного/постоянного тока, который также известен как бортовое зарядное устройство и обеспечивает питание переменного тока. Оборудование преобразования энергии обычно размещается в корпусе. Корпус защищает электронику и электрооборудование от факторов окружающей среды, таких как дождь, снег, пыль или мусор (NEMA 3R, NEMA 4X, IP67 и т. д.), а также предназначен для рассеивания тепла, образующегося в процессе преобразования.

Рис. 3. Станция с портами для зарядки электромобилей. С разрешения: Дженсен Хьюз

Зарядные станции и порты: Зарядная станция — это физическое место, которое имеет один или несколько портов для зарядки электромобилей, обычно находящихся в гаражах или на парковках. Эти станции включают в себя контрольное оборудование, которое управляет процессом зарядки путем связи с подключенным транспортным средством, чтобы обеспечить подачу энергии на правильной скорости. Порт для зарядки электромобилей обеспечивает возможность одновременной зарядки одного автомобиля. Устройство, в котором расположены порты для зарядки электромобилей, иногда называют зарядным постом, который может иметь один или несколько портов для зарядки электромобилей. Большинство зарядных станций имеют пользовательский интерфейс, который может варьироваться от простых световых индикаторов до усовершенствованных сенсорных экранов, которые отображают состояние зарядки, энергопотребление и другие рабочие сведения.

Станции зарядки электромобилей

Зарядные станции сгруппированы в разные категории в зависимости от напряжения, подаваемого на электромобиль. В настоящее время они сгруппированы в одну из следующих групп:

Кабель и разъем: Зарядные кабели должны выдерживать значительные токи, сохраняя при этом гибкость, маневренность и простоту использования. Как правило, толщина зависит от уровня зарядки: для поддержки более высокой силы тока требуются более толстые кабели (чем выше уровень зарядного устройства, тем толще кабель). Кабель выходит из зарядного порта и заканчивается разъемом, который подключается к электромобилю.

Конструкция соединителя зависит от поддерживаемых им стандартов; стандарты включают в себя J1722 Общества инженеров автомобильной промышленности, Международную электротехническую комиссию (IEC) 62196, Североамериканский стандарт зарядки, комбинированную систему зарядки или CHArge de Move («заряди и работай»). Некоторые разъемы поддерживают только зарядку переменным током (уровни 1 и 2), тогда как другие поддерживают быструю зарядку постоянным током. Помимо передачи энергии, кабели и разъемы должны передавать сигналы связи между контроллером зарядной станции и электромобилем (см. рисунки 5–9).

Электромобили: Электромобили могут включать в себя множество различных видов транспорта, включая широкий спектр грузовых автомобилей (18-колесных транспортных средств), легковых автомобилей, прогулочных судов (лодок) и даже устройств для микромобильности (электронных велосипедов/скутеров). В этой статье основное внимание уделяется автомобилям различных классов, таким как компактные автомобили, внедорожники (внедорожники), грузовые автомобили и коммерческие автопарки (автобусы, грузовые автомобили и т. д.).

Двумя основными типами электрификации транспортных средств с использованием зарядки являются аккумуляторные электромобили (BEV) и подключаемые гибридные электромобили (PHEV). Типичные компоненты BEV включают электродвигатель, аккумуляторную батарею, инвертор питания, преобразователь постоянного тока и порт для разъема для зарядки. PHEV содержит те же компоненты, что и BEV, однако аккумуляторная батарея сохраняет меньше энергии и оснащена двигателем, работающим на бензине.

Рис. 4. Уровни зарядных станций для электромобилей. С разрешения: Дженсен Хьюз

Аккумуляторный блок состоит из множества физически связанных модулей, которые накапливают энергию, подаваемую на электродвигатель при необходимости. Каждый модуль содержит аккумуляторные элементы, физически соединенные друг с другом. Результирующее напряжение аккумуляторной батареи в современных электромобилях может варьироваться от 200 до 800 вольт (В). Аккумуляторный блок оснащен встроенной системой управления аккумулятором, обеспечивающей правильную работу во время хранения, разрядки и зарядки.

Аккумуляторная батарея обычно располагается по длине и ширине автомобиля между передними и задними колесами, под полом. Эта высоковольтная батарея отличается от автомобильной батареи напряжением 12 В, которая питает системы освещения и приборов. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток позволяет высоковольтному аккумуляторному блоку автомобиля подавать питание на систему напряжением 12 В.

Типичные электродвигатели питаются от сети переменного тока. Поскольку аккумуляторная батарея накапливает постоянный ток, инвертор мощности между аккумуляторной батареей и двигателем позволяет энергии течь между батареей и электродвигателем.

Риски зарядки электромобилей

При обсуждении риска важно понимать, что риск — это результат вероятности и серьезности опасных событий. В этом разделе мы обсудим темы, которые влияют как на вероятность, так и на серьезность событий.

Частота исходной причины (вероятность) x серьезность события (последствие) = риск

Вероятность: Перегрев на зарядных станциях может произойти из-за электрических неисправностей, коротких замыканий, повреждения кабелей, неисправного зарядного оборудования, скачков напряжения, перегрева зарядного оборудования (например, при слишком быстрой зарядке аккумулятора), неправильного использования и техническое обслуживание зарядного оборудования или удары молнии.

Сами по себе зарядные станции существенно не меняют пожароопасность с точки зрения пожарной нагрузки, хотя известно, что полностью заряженные аккумуляторы выделяют больше энергии при пожаре. Исследования показали, что риск начала температурного разгона увеличивается во время операций зарядки. Во время зарядки аккумулятор находится в электрохимически активном состоянии и в систему подается электрическая энергия. В результате риск возгорания, вызванного аккумулятором электромобиля, выше в зонах зарядки, чем на других парковках. Выход из строя внутри аккумулятора может произойти из-за процесса зарядки и быть невидимым снаружи; отказы и последствия могут быть не сразу распознаны, поскольку во время зарядки электромобили часто остаются без присмотра.

Риск может измениться по мере того, как количество зарядных станций увеличивается в одном районе и начинает устаревать. В целом, чем больше зарядных устройств, тем выше общая вероятность отказа. Аналогичным образом, вероятность отказа может увеличиваться с возрастом, особенно для систем, которые не обслуживаются должным образом в соответствии с инструкциями производителя.

Рисунки 5–9. Типы разъемов для зарядных станций электромобилей. С разрешения: Дженсен Хьюз

Последствие: Пожары электромобилей можно сравнить с возгораниями транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания при сравнении таких характеристик, как пожарная нагрузка, интенсивность пожара и образование дыма. (Исследования и испытания при возгорании одного пассажирского автомобиля показали, что пиковая мощность тепловыделения составляет 20 мегаватт — максимальный размер пожара, сопоставимый с автомобилями с ДВС и электромобилями.) Есть и другие характеристики возгорания аккумуляторов, уникальные для электромобилей: их трудно потушить, и они могут неожиданно возгореться снова — иногда через несколько часов после того, как видимые признаки продуктов сгорания исчезли. Термические явления могут также включать выброс горючих/токсичных/коррозионных газов. В зависимости от исходной конфигурации электромобилей, тепло, выделяющееся при пожаре, может легко вызвать возгорание нескольких транспортных средств.

Зарядные станции в гаражах представляют собой уникальную опасность. Парковочные места, как правило, становятся меньше, а транспортные средства становятся больше (например, внедорожники), что приводит к уменьшению расстояния между транспортными средствами, что способствует распространению огня между транспортными средствами. Спринклерные системы (если предусмотрены) предназначены для сдерживания огня, защиты здания и повышения безопасности жизни до прибытия пожарных служб.

Кроме того, спринклеры защищают соседние транспортные средства, препятствуя распространению огня, ограничивая температуру и тепловое излучение, защищая несущие элементы конструкции (потолок, колонны, стены) и сокращая время последующего восстановления. Значительная часть существующих гаражей в Соединенных Штатах, особенно открытые гаражи, не защищены спринклерами.

Зарядные станции на открытом воздухе, наземные парковки обеспечивают легкий доступ во время термического явления. Однако если зарядные станции расположены на наружных стенах зданий или рядом со зданиями, пожар, возникающий возле зарядной станции, может представлять опасность для близлежащих построек. Если произойдет термическое событие, его местоположение может повлиять на серьезность этого события.

Меры безопасности для электромобилей

Многие отраслевые организации и руководящие органы предъявляют требования по безопасной установке и эксплуатации зарядной станции для электромобилей. МЭК публикует как МЭК 61851-1, так и МЭК 62196-1. МЭК 61851-1 применяется к оборудованию для питания электромобилей для зарядки дорожных электромобилей. Стандарт IEC 62196-1 применяется к вилкам и розеткам для электромобилей, автомобильным разъемам, автомобильным разъемам (далее «аксессуары») и кабельным сборкам для электромобилей, предназначенных для использования в проводящих зарядных системах.

В США NFPA 70: Национальный электротехнический кодекс (NEC) также содержит требования к установке зарядного оборудования, включая подробные требования к проводке, вентиляции, защите от перегрузки по току и аварийным отключениям. Международный строительный кодекс (IBC) ссылается на требования к установке NEC. Как NEC, так и IBC ссылаются на UL и маркируют компоненты зарядных станций. В критические списки UL входят как UL 2022: Стандартные испытания зарядных устройств для аккумуляторов электромобилей, так и UL 2594: Оборудование для питания электромобилей. Перечисленное оборудование гарантирует, что оборудование было оценено и проверено на качество и безопасность.

Существуют как профилактические, так и смягчающие меры по устранению опасностей, связанных с электромобилями и зарядными станциями.

Профилактические меры включают:

• Убедитесь, что зарядные станции для электромобилей и сопутствующее оборудование соответствуют минимальным производственным стандартам качества, таким как ANSI/UL 2202: Зарядное оборудование постоянного тока для электромобилей. Оборудование, соответствующее этим стандартам, можно определить по сертификатам, прилагаемым к изделию, или по маркировке/этикеткам на самом изделии.
• Чтобы минимизировать риск возгорания, операторам и производителям зарядных станций важно соблюдать местные стандарты и рекомендации по электрической и пожарной безопасности, а также проводить регулярное техническое обслуживание и проверки зарядного оборудования.
• Разработайте для пользователей инструкции по обращению с оборудованием и зарядке электромобилей.
• Запрещайте использование горючих материалов, таких как бензин, масло, химикаты, растительность, древесину или картон, рядом с зарядными станциями.

К смягчающим мерам относятся:

• Предоставление информационного пункта пожарной службы
• В комплект поставки входят средства отключения электропитания зарядных станций. Если электромобиль заряжается, зарядную инфраструктуру необходимо отключить от электропитания перед началом тушения пожара. Информация о необходимой деактивации высоковольтных частей автомобиля также общедоступна на веб-сайте Национальной администрации безопасности дорожного движения.

Дополнительные меры для зарядных станций в коммерческих помещениях:

• Даже если гаражи «открыты» снаружи, они должны быть оборудованы автоматической спринклерной системой. Принятые в настоящее время нормы определяют минимальные критерии спринклерной системы для группы обычной опасности 2. Независимо от наличия батарей, в отрасли противопожарной защиты возникли сомнения в том, достаточна ли эта конструкция для снижения опасностей современных транспортных средств. Современные транспортные средства содержат больше горючих материалов и имеют больший размер. В настоящее время Исследовательским фондом противопожарной защиты NFPA проводятся испытания для определения соответствующего уровня спринклерной защиты. По завершении этого испытания на огнестойкость в нормах и правилах, таких как NFPA 88A: Стандарт для парковочных сооружений, могут быть приняты другие критерии для спринклеров. Страховые компании (лист данных Factory Mutal 03-26) в настоящее время рекомендуют спринклерную систему, соответствующую помещениям группы повышенной опасности 1. При установке новой зарядной станции для электромобилей в гараже заинтересованным сторонам следует проконсультироваться с экспертами в данной области, чтобы провести оценку рисков и определить соответствующую защиту, принимая во внимание возможные воздействия и разумно доступные профилактические/смягчающие меры.
• В качестве инженерной передовой практики к существующей системе пожарной сигнализации можно добавить аспирационную систему обнаружения дыма или систему обнаружения тепла для обслуживания зон, где расположены зарядные станции электромобилей, для обеспечения раннего оповещения о пожаре. Это может позволить ускорить реагирование пожарных, а также предоставить жильцам больше времени для выхода из конструкции.
• Убедитесь, что механические вытяжные системы, если они установлены, в гаражах обслуживаются и регулярно проверяются в соответствии с Международным механическим кодексом (IMC) и NFPA 92: Стандарт для систем контроля дыма или применимыми на местном уровне требованиями механических норм для помещения.
• Поддерживайте системы противопожарной защиты и безопасности жизнедеятельности в соответствии с соответствующими стандартами, такими как NFPA 75: Стандарт противопожарной защиты оборудования информационных технологий, NFPA 72: Национальный кодекс пожарной сигнализации и сигнализации, NFPA 80: Стандарт для противопожарных дверей и других средств защиты открывающихся отверстий и в соответствии с рекомендациями производителя. Например, убедитесь, что пассивные противопожарные узлы, такие как номинальные стены и связанные с ними системы открывания дверей, поддерживаются и функционируют, а также убедитесь, что противопожарные/дымозащитные дверные блоки не подпираются открытыми в гараже.

В настоящее время владельцы могут заряжать электромобили без ограничений, поскольку зарядные станции становятся все более распространенными. Процесс зарядки таит в себе определенные опасности. Чтобы устранить эти опасности, мы рекомендуем:

• Проведите инженерную оценку, чтобы определить, какие защитные меры снижают риск для того или иного проекта.
• Узнайте о возможных профилактических мерах.
• Укажите перечисленное/маркированное оборудование. Хотя использование некачественных вариантов может показаться привлекательным из-за меньших первоначальных затрат, в более вероятном случае неудачи они могут привести к гораздо более высоким затратам.
• Поймите, что неясны рекомендации по критериям проектирования спринклеров для опасностей, связанных с электромобилями, и это одна из мер по снижению рисков, которую следует сопоставлять с другими методами предотвращения/смягчения, используемыми для любой конкретной установки.

Публикация «Знайте риски, связанные с проектированием зарядных станций для электромобилей»