Научная статья на тему 'РАСЧЁТ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СИЛОВОМ ЗАРЯДНОМ КАБЕЛЕ НА ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЯХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА'

РАСЧЁТ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СИЛОВОМ ЗАРЯДНОМ КАБЕЛЕ НА ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЯХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
318
66
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА / ТРАНСПОРТ / ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ / ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ СИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ / СТАНЦИЯ ЗАРЯДКИ / ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ / ИЗОЛЯЦИЯ / ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Двоенко Олег Викторович, Кузьменко Виктор Алексеевич, Щербаков Николай Александрович

В статье представлена классификация зарядных станций транспорта с высоковольтным силовым оборудованием, применяемых в мире. Выявлены основные причины, приводящие к преждевременному износу и выходу из строя силового зарядного кабеля. Произведён расчёт процесса теплообмена силового кабеля с окружающей средой в процессе энергоснабжения транспорта с высоковольтным силовым оборудованием.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Двоенко Олег Викторович, Кузьменко Виктор Алексеевич, Щербаков Николай Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CALCULATING HEAT RELEASEIN THE POWER SUPPLY CHARGING CABLE AT ELECTRIC VEHICLE CHARGING STATIONS

Purpose. The article presents classification of electric vehicle (EV) charging stations with high-voltage power equipment used worldwide. The main causes of early wear and failure of power supply charging cable have been identified. The calculation of power cable heat exchange with surrounding air in the process of EV power supply has been made.In large cities, the number of EV charging stations is increasing and there are cases of EV fires in the process of power supply. One of the fire causes at EV charging stations is a short circuit when the power supply cable fails to transfer electrical energy from a charging station to an EV. This makes the issue of ensuring fire safety at these power facilities urgent.Methods. The methods of analytical review, information synthesis and statistics from academic sources were used. Findings. To study the process of heat release an AC power supply cable used at Type 2 charging stations was chosen. At present, Mode 3 charging stations with a maximum amperage not exceeding 32 A are brought into service in Moscow. In most cases, it takes 4 hours for an EV to be charged from a charging station.The calculation results allow concluding that during the process of energy supply for 4 hours (14 400 s), 105 MJ of heat is released. In some cases, this amount of heat is sufficient to damage and destruct the insulating layer, and for subsequent ignition.Research application field. The obtained results can be used in new types of power supply cables development and creation to ensure power supply process at EV charging stations with high-voltage power equipment, as well as in elaborating recommendations for ensuring EV owners safety. Conclusions. Among the measures aimed at reducing fire risk at charging stations and ensuring fire safety and normal operation mode of a power supply charging cable, connecting contacts and insulation, the authors include mandatory following EV power supply rules, proper selection of conductor cross-section and insulating materials, as well as adding systems that provide supplementary heat removal in the cable design.

Текст научной работы на тему «РАСЧЁТ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СИЛОВОМ ЗАРЯДНОМ КАБЕЛЕ НА ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЯХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА»

УДК 614.841 DOI 10.25257/FE.2021.2.61-69

ДВОЕНКО Олег Викторович ЩЕРБАКОВ Николай Александрович

Кандидат технических наук Академия ГПС МЧС России, Россия, Москва

Академия ГПС МЧС России, Россия, Москва E-mail: snikolais@bk.ru E-mail: dvoenko_oleg@mail.ru

КУЗЬМЕНКО Виктор Алексеевич

Академия ГПС МЧС России, Россия, Москва E-mail: victor.kuzmenko97@mail.ru

РАСЧЁТ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СИЛОВОМ ЗАРЯДНОМ КАБЕЛЕ НА ЗАРЯДНЫХ СТАНЦИЯХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

В статье представлена классификация зарядных станций транспорта с высоковольтным силовым оборудованием, применяемых в мире. Выявлены основные причины, приводящие к преждевременному износу и выходу из строя силового зарядного кабеля. Произведён расчёт процесса теплообмена силового кабеля с окружающей средой в процессе энергоснабжения транспорта с высоковольтным силовым оборудованием.

Ключевые слова: электроэнергетика, транспорт, электромобиль, высоковольтное силовое оборудование, станция зарядки, энергоснабжение, изоляция, высоковольтный силовой кабель.

В последние годы перспективным сегментом дорожно-транспортной инфраструктуры является транспорт с высоковольтным силовым оборудованием, а также зарядные станции, обеспечивающие его энергоснабжение.

Станции зарядки электротранспорта становятся важным элементом городской транспортной инфраструктуры и являются частью энергетического комплекса страны. Их количество с каждым годом стремительно увеличивается, особенно в крупных городах.

Следовательно, обеспечение пожарной безопасности процесса энергоснабжения электротранспорта является актуальной задачей, решить которую возможно, учитывая все факторы, влияющие на риск возникновения пожароопасной ситуации на данных объектах.

Активное внедрение объектов энергоснабжения электротранспорта в городскую дорожно-транспортную инфраструктуру наблюдается во многих странах. На рисунке 1 можно проследить тенденцию

180 ■

160 ■

140 ■

120 ■

100

80

60

40

20

161

120

-56 -

49

41 41

!

2016

2017

2018

2019

2020

Рисунок 1. Количество зарядных станций для электротранспорта в г. Москве в 2016-2020 гг. Figure 1. The number of charging stations for electric transport in Moscow in 2016-2020

0

© Двоенко О. В., Кузьменко В. А., Щербаков Н. А., 2021

61

к увеличению количества станций зарядки транспорта с высоковольтным силовым оборудованием в г. Москве [1, 2].

Такой рост обусловлен переходом на всё большее использование электротранспорта в повседневной жизни, введением новых экологических стандартов, увеличение стоимости традиционных видов топлива и повышением налоговых сборов [3].

Процесс зарядки электромобилей вне зависимости от типа зарядной станции проходит по единому алгоритму (рис. 2). От сети переменного или постоянного тока на зарядную станцию поступает напряжение 220 В или 380 В и происходит его дальнейшее преобразование до уровня, достаточного для заряда аккумуляторной батареи. Управление станцией зарядки происходит при помощи блока управления на микроконтроллере [4].

Основной функцией блока управления является регулировка выходного тока и напряжения в соответствии с информацией, поступающей с блока управления аккумулятора посредством зарядного пистолета.

Функцией блока защиты является предотвращение недопустимых режимов зарядки. Через блок индикации происходит информирование о параметрах и режиме зарядки электромобиля.

В настоящее время в мире существует несколько типов станций зарядки для энергоснабжения транспорта с высоковольтным силовым оборудованием. Станции зарядки Type 1 используются в Северной Америке и Японии и поддерживают три уровня работы. Вид и основные технические характеристики станций представлены на рисунке 3 и в таблице 1 [5-8].

В отличие от классификации, принятой в Северной Америке и Японии, в Европе станции зарядки для транспорта с высоковольтным силовым оборудованием Type 2 классифицируются не по уровням, а по режимам работы. Наибольшее распространение получили зарядные станции типа Mode, вид и технические характеристики которых представлены на рисунке 4 и в таблице 2 [5-8].

Отдельным типом зарядных станций являются станции Tesla Supercharger, производимые

Источник питания

I ЛЭП

Блок защиты

X.

Блок управления

Блок индикации

II СТАНЦИЯ ЗАРЯДКИ

Силовой кабель

Зарядный пистолет

III СИЛОВОИ КАБЕЛЬ

Блок управления

Ж.

Аккумуляторная батарея

IV АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

Рисунок 2. Структурная схема процесса энергоснабжения на станции зарядки транспорта с высоковольтным силовым оборудованием Figure 2. Schematic block diagram of power supply process at an EV charging station with high-voltage power equipment

Рисунок 3. Электрозарядные станции Type 1 в Соединенных Штатах Америки Figure 3. Type 1 charging stations in the United States of America

Таблица 1

Технические характеристики станций зарядки Type 1

Table 1

Specifications of Type 1 charging stations

Параметр Уровень работы

Level 1 Level 2 Level 3

Тип зарядной станции Переносная Переносная Стационарная

Вид тока Переменный ток Переменный ток Постоянный ток

Сила тока До 16 А От 6 до 40 А До 100 А

Электрическое напряжение 120 В 220-240 В 480 В

Вырабатываемая мощность До 1,92 кВт 1-27 кВт До 135 кВт

Время зарядки 12 ч 4-6 ч 2 ч

Рисунок 4. Станции зарядки Type 2, применяемые в странах Европы Figure 4. Type 2 charging stations used in Europe

Рисунок 5. Зарядные станции Tesla Supercharger Figure 5. Tesla Supercharger charging stations

Технические характеристики станций зарядки Type 2

Specifications of Type 2 charging stations

Таблица 2 Table 2

Параметр Режим работы

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

Тип зарядной станции Переносная Переносная Стационарная Стационарная

Вид тока Переменный ток Переменный ток Постоянный ток Постоянный ток

Сила тока До 16 А До 32 А До 63 А От 45 до 500 А

Электрическое напряжение 220 В 220 В 220-400 В 380-400 В

Вырабатываемая мощность 2-4 кВт 7-8 кВт До 43 кВт До 250 кВт

Время зарядки 10-12ч 6-8 ч До 4 ч До 2 ч

Tesla Motors, которые способны выдавать мощность до 135 кВт постоянного тока. При этом значение такого параметра как электрическое напряжение составляет до 500 В. Ввиду использования способа быстрой зарядки их следует отнести к станциям нагнетания энергии. Такая зарядная станция применима исключительно для электромобилей компании Tesla (рис. 5).

Технология, которая используется в зарядных станциях Tesla Supercharger, позволяет зарядить литий-ионную аккумуляторную батарею автомобиля на 50 % всего лишь за 20 мин, а общее время процесса зарядки составляет не более 2 ч [9, 10].

Процесс энергоснабжения на станциях зарядки транспорта с высоковольтным силовым оборудованием сопровождается рядом причин, способствующих возникновению пожара, перечисленных на рисунке 6 [11, 12].

Одним из важных элементов процесса энергоснабжения является силовой кабель. Высоковольтный силовой кабель зарядной станции представляет

собой многожильный медный кабель с разъёмом для подключения к электротранспорту. В качестве защитной оболочки применяется изоляция, которая изготавливается в соответствии с требованиями ГОСТ 1ЕС 60245-3-2011 «Кабели с резиновой изоляцией

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА

rof^o

Рисунок 6. Возможные причины возникновения пожаров в процессе зарядки транспорта с высоковольтным силовым оборудованием Figure 6. Possible fire causes while charging vehicles with high-voltage power equipment

на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. Часть 1. Общие требования» и ГОСТ 1ЕС 60227-1-2011. «Кабели с поливинилхлоридной изоляцией на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. Часть 1. Общие требования» из поли-винилхлорида или резины. Устойчивое и безопасное функционирование системы «зарядная станция -высоковольтный силовой зарядный кабель - аккумуляторная батарея» зависит от надёжности каждого элемента.

В процессе энергоснабжения транспорта с высоковольтным силовым оборудованием через кабель проходят большие токи, что приводит к интенсивному тепловыделению, которое оказывает негативное воздействие на изоляцию [13, 14]. В результате нагрева изоляции силового зарядного кабеля возникает опасность её преждевременного разрушения, возникновения короткого замыкания и, как следствие, воспламенения кабеля.

Для исследования процесса тепловыделения был выбран силовой зарядный кабель переменного тока, используемый на зарядных станциях Type 2 (рис. 7). В настоящее время на территории города Москвы введены в эксплуатацию станции зарядки типа Mode 3 с максимальной силой тока, не превышающей 32 А [15-17]. Исходные данные для выполнения типового расчёта - основные характеристики кабеля и зарядной станции - представлены в таблицах 3 и 4.

При протекании электрического тока по то-копроводящим жилам силового кабеля происходит тепловыделение 0выд, одна часть которого расходуется на нагрев проводника 0нагр, а другая - рассеивается Qpac с поверхности провода за счёт конвекции и теплопроводности [18]:

Q = Q + Q .

^ выд ^ нагр ^ рас

(1)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В большинстве случаев на процесс энергоснабжения электротранспорта от зарядной станции уходит 4 ч или 14 400 с. Определим, какое количество тепла выделится при различных значениях тока.

Для проведения расчёта были приняты следующие значения и условия.

1. По жилам L = L2 = L3 принят номинальный ток /н = 32 А = 100 %, равный максимально выдаваемому зарядной станцией Mode 3.

2. Ток во время энергоснабжения от станции зарядки / = const.

3. Для жил N и PE приняты три варианта протекания электрического тока:

N = PE = 0,5 / = 0,5-32 = 16 А;

н

N = PE = 0,75 / = 0,75-32 = 24 А;

н

N = PE = 1 / = 1-32 = 32 А.

(.....Э ©

Рисунок 7. Принципиальная схема разреза высоковольтного силового кабеля зарядной станции:

L1, L2, L3 - фазные провода; N - нулевой провод; РЕ - защитный провод; РР - провод реле-регулятора; СР - провод для передачи радиочастотных электрических сигналов Figure 6. Principle diagram of a charging station high-voltage power cable section: L1, L2, L3 - phase conductors; N - neutral conductor; PE - protective conductor; РР - regulating relay conductor; СР -conductor for transmission of radio frequency electrical signals

Таблица 3

Технические характеристики высоковольтного силового кабеля

Table 3

Specifications of a high voltage power supply cable

Параметр Значение

Тип кабеля Трёхфазный (прямой)

Напряжение и, В 480 (АС)

Сила тока I, А 32

Длина кабеля Ь, м 5

Конструкция кабеля 5x6 мм2 + 1x0,5 мм2

Материал силового кабеля Медь

Теплопроводность Хк, Вт/К-м 385

Удельная теплоёмкость С, Дж/кг-К 400

Плотность рк, кг/м3 8 900

Таблица 4

Технические характеристики станции зарядки

Table 4

Specifications of a charging station

Параметр Значение

Тип станции Mode 3

Напряжение и, В 400

Сила тока I, А 32

Максимальная мощность Р, кВт 44

4. Согласно требованиям МЭК 62196-1-2013 «Вилки, штепсельные розетки, соединители и вводы для транспортных средств. Кондуктивная зарядка для электромобилей. Часть 1. Общие требования», в конструкции силового зарядного кабеля должен быть предусмотрен сигнальный провод, по которому протекает электрический ток равный 2 А.

На основании выбранных условий определим количество выделяемой теплоты по формуле:

Q = №,

выд '

(2)

где I - сила тока, выдаваемая станцией зарядки, А; R - сопротивление силового кабеля, Ом; t - время зарядки электротранспорта, с.

Результаты расчётов представлены в таблице 5 и на рисунках 8 и 9.

Результаты выполненного расчёта позволяют сделать вывод, что при процессе энергоснабжения электротранспорта на протяжении 4 ч (14 400 с),

Таблица 5

Значения тепловыделения жилами кабеля на различных отрезках времени при заданных значениях тока

Table 5

Values of heat release by cable conductors at different time intervals at given current values

Время зарядки, с Тепловыделение жил N и PE, МДж, при различных значениях силы тока Тепловыделение жилой СР, МДж, при силе тока 2 А Суммарное тепловыделение жилами, МДж, при Lv L2, L3, N, PE = 32 А; CP = 2 А

32 А* 24 А 16 А

1 800 2,62 1,47 0,65 0,0012 13,1012

3 600 5,23 2,94 1,31 0,0024 26,1524

5 400 7,85 4,42 1,96 0,0036 39,2536

7 200 10,47 5,89 2,62 0,0048 52,3548

9 000 13,09 7,36 3,27 0,0061 65,4561

10 800 15,70 8,83 3,93 0,0073 78,5073

12 600 18,32 10,31 4,58 0,0085 91,6085

14 400 20,94 11,78 5,23 0,0097 104,7097

Примечание. Тепловыделение жилами L1, L2, L3 = N, PE при значении силы тока 32 А.

£ чД

25 -I

20 ■

15 -

10

"1-^-Г

1 800

3 600 5 400 7 200 9 000

Время процесса энергоснабжения t, с

10 800

12 600

Рисунок 8. Тепловыделение для жил N и PE зарядного кабеля при силе тока: - 32 A; ■*■ - 24 А; -А- - 16 А; - 2 А Figure 8. Heat release for N and PE conductors of the charging cable at amperage of: -ф- - 32 A; -■- - 24 A; -A- - 16 A; - 2 A

14 400

5

0

120 -|

100 -

80

60

40 -

20 -

п i

14 400

0

1 800

3 600

5 400

7 200

9 000

10 800

12 600

Рисунок 9. Суммарное тепловыделение зарядного кабеля при силе тока для жил L L L N, PE, равной 32 А, и CP, равной 2 А Figure 9. Charging cable total heat release at amperage for conductors L1, L2, L3, N, PE equal to 32 A and CP equal to 2 A

происходит выделение 105 МДж теплоты. Такого количества теплоты в некоторых случаях достаточно для повреждения изоляционного слоя, его деструкции и последующего возгорания [19, 20]. К числу мер, направленных на снижение риска возникновения пожара на электрозарядных станциях и обеспечение пожарной безопасностии нормального режима работы зарядного

силового кабеля, соединительных контактов и изоляции, авторы причисляют обязательное соблюдение правил энергоснабжения электротранспорта, правильный подбор сечения токопроводящей жилы, изоляционных материалов, а также добавление в конструкцию кабеля систем, обеспечивающих дополнительный отвод тепла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Власова И. Без питания: почему электромобили не ездят по России [Электронный ресурс] // Газета.ру: интернет-издание. 03.02.2020. Режим доступа: https://www.gazeta.ru/ ЬиБте88/2020/02/02/12939890.зМт1, (дата обращения 12.05.2021).

2. Шмырова В. МГТС открывает в Москве сеть зарядок для электромобилей [Электронный ресурс] // Cnews.ru: интернет-издание. Режим доступа: https://www.cnews.ru/news/top/2019-10-30_mgts_otkroet_v_moskve_e1ektrozapravki (дата обращения 12.05.2021).

3. Двоенко О. В., Гусев И. А, Шульпинов А. А, Кузьменко В. А. Пожарная безопасность автотранспорта с высоковольтным силовым оборудованием и объектов его транспортной инфраструктуры // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 4. С. 11-17. 001:10.25257/РБ.2020.4.11-17

4. Ютт В. Е., Морозов В. В., Соколов Л. А, Резник А. М., Оспанбеков Б. К. Современные источники тока и зарядные станции для электромобилей. М.: Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, 2017. 108 с.

5. Козар И. Американские и европейские стандарты зарядных станций, типы разъёмов [Электронный ресурс] // Natoke.ru: сайт. Режим доступа: https://natoke.ru/artic1es/189-amerikanskie-i-evropeiskie-standarty-zarjadnyh-stancii-tipy-razyomov.html (дата обращения 12.05.2021).

6. Типы зарядных устройств для электрокаров [Электронный ресурс] // E1ektro-mobi1i.ru: сайт. Режим доступа: https://e1ektro-mobi1i.ru/tipy-zariadnykh-ustroistv-d1ia-e1ektrokarov (дата обращения 12.05.2021).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Шакалов И. П., Конев А. А. Технологии зарядки батарей электромобилей [Электронный ресурс] // Международный

студенческий научный вестник. 2018. № 3 (8). Режим доступа: https://eduherald.ru/ru/article/view?id= 18762 (дата обращения 10.05.2020)

8. Веселков А. Д. Способы зарядки электромобилей // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: сб. статей XXII Международной научно-практической конференции. Пенза: Наука и просвещение, 2018. С. 58-61.

9. Зарядные станции для электромобилей Tesla: виды и специальные адаптеры [Электронный ресурс] // Avtocharge.ru: сайт. Режим доступа: https://avtocharge.ru/zaryadnyie-stanczii-dlya-elektromobilej-tesla-vidyi-i-speczialnyie-adapteryi (дата обращения 12.05.2021).

10. Зарядка электромобилей - виды разъёмов кабелей и типы зарядных станций. [Электронный ресурс] // Idoit: сайт. Режим доступа: https://idoit.ru/2020/11/20/zaryadka-elektromobilya (дата обращения 12.05.2021).

11. Электротехнические причины пожара [Электронный ресурс] // Fireman.club: сетевое издание. Режим доступа: https:// fireman.club/statyi-polzovateley/elektrotexnicheskie-prichiny-pozhara (дата обращения 14.02.2021).

12. Грунин В. К., Рысев П. В., Федоров В. К. Пожарная безопасность электроустановок. Омск: Омский государственный технический университет», 2013. 139 с.

13. Калашников С. Г. Электричество. Учебник / Под общ. ред. С. Г. Калашникова. М.: Наука, 2017. 199 с.

14. Мокряк А. В. Анализ пожарной опасности электромобилей // Modern Science. 2021. № 1-2. С. 475-479.

15. Зарядная станция Mode 3 [Электронный ресурс] // Зона технологий: сайт. Режим доступа: https://tz-one.by/mode3 (дата обращения 12.05.2021).

16. Отечественные зарядные станции электромобилей [Электронный ресурс] // Parus electro.ru: сайт. Режим доступа: https://09_ ev_charger_station.pdf (дата обращения 10.03.2021).

17. Оборудование для зарядки электромобилей 2019/2020 [Электронный ресурс] // Lsys.by: сайт. Режим доступа: https:// lsys.by/upload/doc/phoenix_contact/phoenix_oborudovanie_dlia_ zariadki_avromobilei_catalogue_2019-2020_ru.pdf (дата обращения 04.03.2021).

18. Черкасов В. Н, Зыков В. И. Пожарная безопасность электроустановок. Учебник / Под общ. ред. В. Н. Черкасова. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. 391 с.

19. Повный А. Какие факторы влияют на старение изоляции. [Электронный ресурс] // Е1ес1пса1зсЬоо1.т1:о: сайт. Режим доступа: http://electricalschool.info/main/ekspluat/1943-kakie-faktory-v1ijajut-na-starenie.html (дата обращения 15.03.2021).

20. Пугач В. Н, Поляков Д. А, Никитин К. И., Терещенко Н. А, Комаров И. В. Исследование влияния термической деструкции на срок службы изоляции кабелей // Омский научный вестник. 2019. № 6 (168). С. 70-74. 001:10.25206/1813-8225-2019-168-70-74

Материал поступил в редакцию 16 марта 2021 года.

Oleg DVOENKO

PhD in Engineering

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: dvoenko_oleg@mail.ru

Viktor KUZMENKO

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: victor.kuzmenko97@mail.ru

Nikolai SHCHERBAKOV

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: snikolais@bk.ru

CALCULATING HEAT RELEASE IN THE POWER SUPPLY CHARGING CABLE AT ELECTRIC VEHICLE CHARGING STATIONS

ABSTRACT

Purpose. The article presents classification of electric vehicle (EV) charging stations with high-voltage power equipment used worldwide. The main causes of early wear and failure of power supply charging cable have been identified. The calculation of power cable heat exchange with surrounding air in the process of EV power supply has been made.

In large cities, the number of EV charging stations is increasing and there are cases of EV fires in the process of power supply. One of the fire causes at EV charging stations is a short circuit when the power supply cable fails to transfer electrical energy from a charging station to an EV. This makes the issue of ensuring fire safety at these power facilities urgent.

Methods. The methods of analytical review, information synthesis and statistics from academic sources were used.

Findings. To study the process of heat release an AC power supply cable used at Type 2 charging stations was chosen. At present, Mode 3 charging stations with a maximum amperage not exceeding 32 A are brought into service in Moscow. In most cases, it takes 4 hours for an EV to be charged from a charging station.

The calculation results allow concluding that during the process of energy supply for 4 hours (14 400 s), 105 MJ of heat is released. In some cases, this amount of heat is sufficient to damage and destruct the insulating layer, and for subsequent ignition.

Research application field. The obtained results can be used in new types of power supply cables development and creation to ensure power supply process at EV charging stations with high-voltage power equipment, as well as in elaborating recommendations for ensuring EV owners safety.

Conclusions. Among the measures aimed at reducing fire risk at charging stations and ensuring fire safety and normal operation mode of a power supply charging cable, connecting contacts and insulation, the authors include mandatory following EV power supply rules, proper selection of conductor cross-section and insulating materials, as well as adding systems that provide supplementary heat removal in the cable design.

Key words: electric power industry, transport, electric vehicle, high-voltage power equipment, charging station, power supply, insulation, high-voltage power cable.

REFERENCES

1. Vlasova I. Without power: why electric cars do not travel across Russia // Gazeta.ru: online-edition. Available at: gazeta.ru/ business/2020/02/02/12939890.shtml (accessed 12.02.2021). (in Russ.).

2. Shmyrova V. MGTS opens a charging network for electric cars in Moscow. [Electronic resource] // cnews.ru: online-edition. Available at: https://www.cnews.ru/news/top/2019-10-30_mgts_otkroet_v_ moskve_elektrozapravki (accessed 12.02.2021). (in Russ.).

3. Dvoenko O.V., Gusev I.A., Shulpinov A.A., Kuzmenko V.A. Fire safety of motor vehicles with high voltage power equipment and its transport infrastructure objects Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2020, no., 4, pp. 11-17 (in Russ.). D0I:10.25257/FE.2020.4.11-17

4. Yutt V.E., Morozov V.V., Sokolov L.A., Reznik A.M., Ospanbekov B.K. Sovremennye istochniki toka i zariadnye stantsii dlia elektromobilei [Modern current sources and charging stations for electric vehicles: textbook]. Moscow, Moscow Automobile and Road Constraction State University Publ., 2017. 108 p.

5. Kozar I. Amerikanskie i evropeiskie standarty zariadnykh stantsii, tipy razemov [American and European standards of charging

stations, types of connectors] Available at: https://natoke.ru/ articles/189-amerikanskie-i-evropeiskie-standarty-zarjadnyh-stancii-tipy-razyomov.html (accessed February 12, 2021). (in Russ.).

6. Tipy zariadnykh ustroistv dlia elektrokarov [Types of chargers for electric cars]. Available at: https://elektro-mobili.ru/tipy-zariadnykh-ustroistv-dlia-elektrokarov/ (accessed 12.02.2021) (in Russ.).

7. Shakalov I.P., Konev A.A. Technologies for charging electric vehicle batteries. Mezhdunarodnyi studencheskii nauchnyi vestnik (International Student Scientific Bulletin: electronic scientific journal). 2018, no. 3 (8). Available at: eduherald.ru/ru/article/view?id=18762. (accessed May 10, 2021). (in Russ.).

8. Veselkov A.D. Sposoby zariadki elektromobilei. Sovremennye tekhnologii: aktualnye voprosy, dostizheniia i innovatsii: Sb. statei XXII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [The methods of charging electric vehicles. Modern technologies: topical issues, achievements and innovations: collection of articles of the XXII International Scientific and Practical Conference]. Penza: Science and Education Publ., 2018. Pp. 58-61. (in Russ.).

9. Charging stations for Tesla electric vehicles: types and special adapters. Avtocharge.ru: Available at: https://avtocharge.ru/

68

© Dvoenko O., Kuzmenko V., Shcherbakov N., 2021

zaryadnyie-stanczii-dlya-elektromobilej-tesla-vidyi-i-speczialnyie-adapteryi/ (accessed February 14, 2021). (in Russ.).

10. Charging electric vehicles-types of cable connectors and types of charging stations. Idoit: site. Available at: https://idoit. ru/2020/11/20/zaryadka-elektromobilya (accessed February 14, 2021). (in Russ.).

11. Electrotechnical causes of fire [Electronic resource] // Online publication "Fireman. club". Access mode: https://fireman.club/ statyi-polzovateley/elektrotexnicheskie-prichiny-pozhara/ (accessed February 14, 2021). (in Russ.).

12. Grunin V.K., Rysev P.V., Fedorov V.K. Pozharnaia bezopasnost elektroustanovok [Fire safety of electrical installations]. Omsk. Omsk State Technical University Publ., 2013. 139 p.

13. Kalashnikov S.G. Elektrichestvo [Electricity]. Moscow: Nauka, 2017. 199 p.

14. Mokryak A.V. Fire hazard analysis of electric vehicles. Modern Science. 2021, no. 1-2, pp. 475-479. (in Russ.).

15. Charging station Mode 3. Technology Zone: website. Available at: https://tz-one.by/mode3/. (accessed February 14, 2021). (in Russ.).

16. Domestic electric vehicle charging stations. Parus electro.ru: website. Available at: https://09_ev_charger_station.pdf. (accessed March 10, 2021).

17. Equipment for charging electric vehicles 2019/2020. Lsys.by: website. Available at: https://lsys.by/upload/doc/phoenix_ contact/phoenix_oborudovanie_dlia_zariadki_avromobilei_ catalogue_2019-2020_ru.pdf (accessed March 4, 2021). (in Russ.).

18. Cherkasov V.N., Zykov V.I. Pozharnaia bezopasnost elektroustanovok [Fire safety of electrical installations]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2012, 391 p. (in Russ.).

19. Povny A. What factors affect the aging of insulation. Available at: http://electricalschool.info/main/ekspluat/1943-kakie-faktory-vlijajut-na-starenie.html. (accessed 15.03.2021). (in Russ.).

20. Pugach V.N., Polyakov D.A., Nikitin K.I., Tereshchenko N.A., Komarov I.V. Research of temperature destruction effect on cables insulation operation life. Omskii nauchnyi vestnik (Omsk Scietntific Bulletin). 2019, no. 6 (168), pp. 70-74 (in Russ.). DOI:10.25206/1813-8225-2019-168-70-74

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.