Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Wtyczki i złącza do ładowania
- Elektroniczne urządzenia zasilające pojazdy (EVSE)
- Opcje ładowania
- Czasy ładowania
- Ceny do załadowania
- Komunikacja pomiędzy stacją ładowania a pojazdem
- Pilot zbliżeniowy
- Pilot kontrolny
- Sieć energetyczna
Przedmowa:
Akumulatory pojazdów elektrycznych lub hybryd typu plug-in można ładować za pomocą zewnętrznych urządzeń do ładowania. Samochód możesz podłączyć kablem do ładowania do publicznej stacji ładowania, publicznej stacji ładowania lub prywatnej skrzynki ściennej (na elewacji zewnętrznej lub w garażu), aby naładować akumulator poprzez sieć energetyczną. Często dostępna jest również ładowarka mobilna, która umożliwia ładowanie poprzez gniazdko ścienne, jednak zaleca się używanie tej ładowarki tylko w sytuacjach awaryjnych.
Poniższy obrazek przedstawia ładowanie samochodu elektrycznego. Z boku pojazdu znajduje się klapka, która wyglądem bardzo przypomina klapkę wlewu paliwa w aucie z silnikiem spalinowym. Za klapką znajdziemy złącze wtykowe, w które można włożyć wtyczkę ładowania.
Naklejka na klapce informuje, na jaki kolor w określonym stanie zaświeci się dioda LED obok wtyczki.
Wtyczki i złącza do ładowania:
Wtyczki i złącza do ładowania są znormalizowane w Europie. Do ładowania prądem przemiennym (prąd przemienny) używamy wtyczki Mennekes (typ 2), a do ładowania prądem stałym (prąd stały) wtyczki CCS2.
Poniższy obrazek przedstawia połączony Mennekes Type 2 z wtyczkami ładującymi CSS2. Wtyczka ta umożliwia (szybkie) ładowanie prądem stałym.
Poniższy obrazek przedstawia wtyczki używane w innych częściach świata. Rozróżnia się AC i DC, przy czym wariant DC często stanowi przedłużenie złącza AC.
Elektroniczne urządzenia zasilające pojazdy (EVSE):
Publiczne stacje ładowania są zawsze wyposażone w interfejs z EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Zapewnia to bezpieczeństwo i komunikację. Funkcje EVSE obejmują:
- Sprawdzenie połączeń: po upewnieniu się, że wszystkie wtyczki są podłączone i zablokowane, rozpoczyna się tryb ładowania;
- Autodiagnostyka: w przypadku wykrycia błędów następuje przerwa w zasilaniu sieciowym;
- Wykrywanie prądu upływowego: zasilanie sieciowe zostaje przerwane w przypadku jakiejkolwiek formy prądu upływowego;
- Sterowanie prądem: komunikuje się z ładowarką pokładową w samochodzie za pomocą sygnału PWM w celu ograniczenia prądu.
Opcje ładowania:
Podczas ładowania prądem przemiennym (AC) energia elektryczna z sieci energetycznej w samochodzie zamieniana jest na prąd stały (DC). Wadą ładowania prądem przemiennym jest wysokie ryzyko wystąpienia zjawisk indukcyjnych i strat spowodowanych rezystancją przewodu. Konwersja z prądu przemiennego na prąd stały odbywa się również w samochodzie, zanim energia dotrze do akumulatora, co ogranicza prąd ładowania.
Ładowanie prądem stałym (DC) umożliwia „super” szybkie ładowanie. Konwersja AC/DC nie odbywa się już w ładowarce pokładowej, ale poza pojazdem. Dzięki temu akumulator można ładować z większą pojemnością, dzięki czemu szybciej się napełnia. Jest to idealne rozwiązanie do ładowania podczas przerwy na kawę na autostradzie przez pozostałą część podróży.
Sposoby i prędkości załadunku pojazdu można podzielić na cztery różne tryby. Tryby 1, 2, 3 i 4 wskazują sposób podłączenia pojazdu do gniazdka elektrycznego.
- Tryb 1: ładowanie odbywa się bezpośrednio poprzez sieć elektryczną przyłącza domowego. W pojeździe napięcie jest przekształcane z prądu przemiennego (prądu przemiennego) na prąd stały (prąd stały). Urządzenie ładujące zapewnia bezpieczeństwo, ponieważ nie ma ograniczenia prądu ani sprzężenia zwrotnego z pojazdu do gniazdka. Ta metoda załadunku jest rzadko stosowana, ponieważ stwarza ryzyko niebezpieczeństwa i wad, dlatego jest zabroniona w wielu krajach.
- Tryb 2: podobnie jak w trybie 1 wykorzystywane jest gniazdko sieci domowej, a prąd ładowania jest ograniczony do 16 A za pomocą moc o mocy 3,68 kW. Aby jednak zapobiec przeciążeniu, moc przewodów ładujących jest zwykle ograniczona do 2,3 kW (około 10 A). W trybie ładowania 2 stacja ładująca pełni funkcję ładowarki mobilnej, którą można zabrać ze sobą. W pojeździe ładowarka pokładowa zamienia prąd przemienny na prąd stały.
- Tryb 3: ładowanie wykorzystuje stacjonarną stację ładującą lub wall box, który podobnie jak w trybie 2 podłączony jest do sieci energetycznej budynku. Ładowarka trybu 3 nadaje się do ładowania prądem przemiennym i mocy od 3,68 do 22 kW. Po raz kolejny w elektronice zasilania pojazdu prąd przemienny jest przekształcany na prąd stały.
- Tryb 4: Podczas gdy tryby ładowania od 1 do 3 korzystają z prądu przemiennego, który należy przetworzyć w pojeździe na prąd stały, w przypadku ładowania w trybie 4 konwersja z prądu przemiennego na prąd stały odbywa się w samej stacji ładowania. Prąd stały jest dostarczany bezpośrednio do pakietu akumulatorów. Nazywa się to ładowaniem DC lub szybkim ładowaniem. Stacja ładowania prądem stałym do ładowania w trybie 4 wymaga napięcia wejściowego co najmniej 480 woltów i zapewnia moc 43 kW.
Czasy ładowania:
Czas ładowania pojazdów hybrydowych i elektrycznych może być określony przez pojemność baterii podzielić przez dostarczoną kwotę moc z ładowarki.
Dostępna moc ładowania zależy nie tylko od rodzaju ładowarki i kabla ładującego, ale także od maksymalnej mocy ładowania, dla której nadaje się elektronika mocy w pojeździe. Nowe luksusowe samochody coraz częściej otrzymują większe akumulatory o większej pojemności i większym zasięgu, ale ponieważ pojemność ładowania wzrasta, może to nawet oznaczać, że czas ładowania się skraca. Jako przykład bierzemy VW e-Golf (32 kWh) w porównaniu z Mercedesem EQS SUV 500 (108,4 kWh). Nie wszystkie pojazdy można ładować prądem stałym do 100%. Ładowanie DC zatrzymuje się na poziomie 80%. Ostatnie 20% dotyczy niższej pojemności ładowania za pośrednictwem prądu przemiennego. Ma to na celu ochronę akumulatora HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Ładowanie sieciowe:
Dzięki wtyczce ładowania typu 2 akumulator można ładować za pomocą prądu przemiennego. Maksymalna moc ładowania ładowarki pokładowej wynosi 3,7 kW. Ładowanie akumulatora od 20% za pomocą stacji ładującej (tryb 3) zajmuje około 7 godzin. Wyjaśnienie: 80% (ładowanie) z 32 kWh = 25,6 kWh. Czas ładowania obliczamy dzieląc wymaganą moc przez moc dostarczoną: (25,6 / 3,68) = 6,96 godziny (6 godzin i 58 minut).
Podczas ładowania z gniazdka (tryb 2) moc jest ograniczona do 2,3 kW, a czas ładowania wynosi 11,13 godzin (11 godzin i 8 minut).
Ładowanie prądem stałym:
Przy szybkim ładowaniu prądem stałym o mocy 44 kW akumulator jest w pełni naładowany po 0,58 godzinie (35 minut).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Ładowanie sieciowe:
Dzięki wtyczce ładowania typu 2 akumulator można ładować za pomocą prądu przemiennego. Maksymalna moc ładowania ładowarki pokładowej wynosi 11 kW. Po raz kolejny zakładamy, że będziemy pobierać opłaty od 20%. Moc, jaką ma dostarczyć urządzenie ładujące wynosi 86,72 kW. W przypadku ładowania za pośrednictwem stacji ładującej czas ładowania wynosi 7,88 godziny (7 godzin i 53 minuty).
Ładowanie prądem stałym:
W trybie 4 możliwe jest ładowanie do 207 kW. Czas ładowania wynosi: (86,72 / 207) = 0,42 godziny (25 minut).
Ceny do załadowania:
Jest wielu dostawców kart płatniczych. Różne strony internetowe oferują zestawienia stawek. W tej części przyjmujemy stawki za energię, które obowiązywały w marcu 2023 roku i nie uwzględniamy opłat abonamentowych ani stawek startowych za sesję ładowania, a jedynie ceny energii.
- Holandia AC 0,60 €/kWh
- Holandia DC 0,85 €/kWh
- Belgia i Luksemburg 0,65 €/kWh
- Europa: AC 0,51 €/kWh
- Europa: DC 0,87 €/kWh
W przykładach VW e-Golfa i Mercedesa EQS ceny ładowania wyliczamy na podstawie pojemności ładowania oraz faktu, że ładowanie rozpoczynamy od zakresu 20%.
- VW e-Golf: przy mocy ładowania 25,6 kW kosztuje w Holandii 15,36 euro za ładowanie prądem przemiennym i 21,76 euro za ładowanie prądem stałym. Zasięg całkowity: 190 km.
- Mercedes EQS: przy mocy ładowania 86,72 kW kosztuje w Holandii 52 euro za ładowanie AC i 73,70 euro za ładowanie DC. Zasięg wynosi około 485 km.
Komunikacja pomiędzy stacją ładowania a pojazdem:
Moduł interfejsu ładowania zapewnia komunikację pomiędzy stacją ładowania a pojazdem. Tak zwane „Pilot zbliżeniowy” i „Pilot sterujący”, w skrócie „PP” i „CP”, wskazują, że wtyczka ładowania jest podłączona i określają, jaki jest dopuszczalny prąd ładowania. Następne dwa akapity wyjaśniają działanie PP i CP.
Na zdjęciu widzimy CP i PP w amerykańskiej wtyczce Mennekes typu 1 (po lewej) i europejskiej wtyczce Mennekes typu 2 (po prawej), oba połączone z wtyczką ładowania DC. Koncentrujemy się na właściwej wtyczce z CP, PP, trzech fazach (L1 do L3) z przewodem neutralnym (N) i tzw. Uziemieniem Ochronnym (PE).
W tej sekcji wykorzystano następujący schemat oparty na normie europejskiej (IEC 62196-2). Dotyczy to złącza typu 2, zwanego też Mennekesem. Na schemacie widzimy (od lewej do prawej) następujące elementy:
- Kontroler EVSE: jest to moduł wbudowany w stację ładującą lub wallbox;
- Wtyczka ładowania: oprócz prądu ładowania komunikacja między sterownikiem EVSE a sterownikiem pojazdu odbywa się za pośrednictwem PP i CP;
- Kontroler pojazdu: elektronika pojazdu aktywuje proces ładowania, gdy tylko spełnionych zostanie kilka warunków.
Pilot zbliżeniowy:
Pilot zbliżeniowy spełnia dwie funkcje: rejestruje, czy kabel ładujący jest podłączony oraz rejestruje, jaki typ kabla ładującego jest podłączony, dzięki czemu można określić maksymalny prąd ładowania.
Na poniższym schemacie obwód PP jest zaznaczony kolorem czerwonym. Tutaj widzimy dzielnik napięcia między R1 i R2, który jest zasilany napięciem 5 woltów. Jednostka sterująca mierzy napięcie między R1 i R2 (dla przejrzystości jest to wskazywane za pomocą woltomierza). Rezystor R1 służy jako rezystor podciągający.
- Jeśli wtyczka ładowania nie jest podłączona, nie ma dzielnika napięcia. Rezystor R1 nie pochłania żadnego napięcia, więc zmierzone napięcie wynosi 5 woltów;
- Po podłączeniu wtyczki ładowania tworzone jest połączenie szeregowe. Przy podanych wartościach rezystancji jednostka sterująca zmierzy napięcie 3,1 wolta.
Wartość rezystancji we wtyczce ładującej wskazuje maksymalny prąd płynący przez kabel ładujący. Te wartości rezystancji są następujące:
- 100 omów: maksymalnie 63 A;
- 220 omów: maksymalnie 32A;
- 680 omów: maksymalnie 20 A;
- 1500 omów: maksymalnie 13A.
Wartość rezystancji w przykładzie wynosi 220 omów, co oznacza, że prąd płynący przez ten kabel ładujący może wynosić maksymalnie 32 A. Większa lub mniejsza rezystancja zapewnia inny podział napięcia, a co za tym idzie, inne napięcie wejściowe dla sterownika.
Złącza północnoamerykańskie podlegają normie: SAE J1772. Ta wtyczka ładowania typu 1 różni się od wersji europejskiej:
- Jednofazowe napięcie przemienne zamiast trójfazowego napięcia przemiennego we wtyczce europejskiej typu 2;
- Ręczny hak blokujący. Dodatkowy dzielnik napięcia umożliwia wbudowanie dodatkowego zabezpieczenia. Po rozpoznaniu naciśnięcia przycisku układ ładowania natychmiast się wyłącza.
Poniższy diagram przedstawia wersję amerykańską.
W szczególności hak blokujący stanowi przedłużenie obwodu pilota zbliżeniowego.
- W złączu znajduje się dzielnik napięcia;
- Przełącznik S3 jest połączony równolegle z rezystorem R7. W stanie spoczynku przełącznik jest zamknięty, a rezystancja R7 zmostkowana;
- Podczas wyjmowania wtyczki kierowca musi nacisnąć hak blokujący, aby wyciągnąć wtyczkę z pojazdu. Naciskając ten hak, S3 otwiera się. Rezystor R7 jest częścią dzielnika napięcia.
Pilot sterujący:
CP monitoruje proces ładowania od momentu żądania rozpoczęcia ładowania aż do zakończenia ładowania, gdy akumulator jest w pełni naładowany. CP umożliwia komunikację pomiędzy kontrolerem EVSE w stacji ładowania a pojazdem.
- Po podłączeniu kabla ładowania do stacji ładującej sterownik EVSE przykłada napięcie 12 V do złącza Control Pilot wtyczki ładowania.
- po podłączeniu wtyczki ładowania do pojazdu napięcie spada do około 9 woltów ze względu na dzielnik napięcia między R3 i R4;
- Sterownik mierzy napięcie wejściowe poprzez ST2 (przerzutnik Schmitta).
Przepływ prądu przy podłączonym kablu ładującym zaznaczony jest kolorem czerwonym.
- Po zarejestrowaniu napięcia 9 V sterownik EVSE załącza zasilanie przekaźnika K2. Zamiast zasilacza 12 V w obwodzie znajduje się oscylator;
- oscylator wytwarza napięcie o fali prostokątnej od -12 do +12 woltów;
- dioda zapewnia zmianę napięcia na złączu CP w zakresie od +9 do -12 woltów;
- Przy cyklu pracy w sygnale PWM sterownik EVSE wskazuje maksymalny prąd ładowania, jaki może zużyć pojazd.
Po ustaleniu sygnału PWM sterownik pojazdu załącza przekaźnik K1 gdy pojazd jest gotowy do rozpoczęcia ładowania.
- Przekaźnik K1 przełącza rezystor R5 do masy;
- z powodu równoległego połączenia między R4 i R5 dodatni impuls sygnału PWM spada do 6 woltów;
- Kontroler EVSE w ładowarce mierzy napięcie 6 V, które następnie podłącza zasilacz do kabla ładującego w celu ładowania akumulatora.
Poniższy obraz przedstawia sygnał z Control Pilota, pokazując rozwój napięcia w funkcji czasu. Ten profil napięcia można zmierzyć na złączu Control Pilot wtyczki ładowania, gdy jest ona podłączona.
- Stan A: Brak połączenia z pojazdem. Dopóki nie jest podłączony kabel ładujący, napięcie utrzymuje się na poziomie 12 V;
- Stan B: Pojazd elektryczny jest podłączony. Przekaźnik K2 jest pod napięciem. Napięcie spada do 9 woltów z powodu diody w obwodzie;
- Stan C: Przekaźnik K1 jest pod napięciem. Jest to „sygnał” dla stacji ładującej, aby rozpocząć proces ładowania.
Statusy D i E wskazują, kiedy wymagane jest podjęcie działań w celu wentylacji lub zakończenia procesu ładowania z powodu wykrycia błędu.
Sieć energetyczna:
W sekcji „opcje ładowania” pokazane zostały tryby od 1 do 4. Możesz ładować pojazd w domu za pomocą domowej ładowarki, wallboxa, stacji ładującej lub szybkiej ładowarki znajdującej się przy autostradzie. Szczególnie popularne staje się ładowanie w domu za pośrednictwem własnej stacji ładowania. Ładowarkę domową można po prostu podłączyć do gniazdka, ale aby uzyskać jak najkrótszy czas ładowania przy większym prądzie ładowania, można podłączyć własną skrzynkę ścienną, dostosowując skrzynkę rozdzielczą. Najpierw przyjrzymy się pojęciom: 1- i 3-fazowy prąd przemienny.
Przy połączeniu 1-fazowym widzimy „standardowy” kabel elektryczny z trzema żyłami:
- brązowy: przewód fazowy;
- niebieski: przewód neutralny;
- żółty/zielony: przewód uziemiający.
W przypadku jednofazowej stacji ładującej lub wallboxa prąd przepływa dwoma przewodami (fazowym i neutralnym).
Jednofazowa stacja ładująca lub stacja ładująca wykorzystuje standardowe złącze 1 V sprzętu RTV. Maksymalna moc wynosi 230 A, co podnosi maksymalną moc ładowania ładowarki 16-fazowej do 1 kW. Przy tej pojemności ładowania akumulator o mocy 3,7 kW ładuje się w około 60 godzin, co zajmuje stosunkowo dużo czasu. Większość nowych samochodów elektrycznych ma większą pojemność.
Istnieje możliwość zwiększenia maksymalnego prądu w skrzynce rozdzielczej RTV, dzięki czemu zmieści się większa pojemność dla ładowarki 32-fazowej 1 A. W takim przypadku ładowanie można wykonać maksymalnie z mocą 7,4 kW. Jednakże w przypadku ładowarki 1-fazowej istnieje ryzyko przeciążenia skrzynki rozdzielczej, co spowoduje awarię zasilania. Oprócz stacji ładującej z sieci elektrycznej korzysta więcej urządzeń elektrycznych, m.in. pralka, zmywarka, płyta grzewcza czy pompa ciepła. Za pomocą równoważenia obciążenia można wykorzystać maksymalną pojemność:
- W ciągu dnia istnieje duże prawdopodobieństwo, że korzysta się z kilku urządzeń elektrycznych. Zmniejsza się prąd ładowania pojazdu;
- Większość urządzeń jest wyłączana na noc, dzięki czemu pojazd ma większą pojemność ładowania.
Aby ładować szybciej, można podłączyć stację ładującą lub wallbox do skrzynki rozdzielczej za pomocą połączenia 3-fazowego. Nie musi to koniecznie oznaczać przepływu mocy. Przy połączeniu 3-fazowym widzimy dwa dodatkowe przewody:
- czarny: przewód dodatkowej fazy;
- szary: przewód dodatkowej fazy.
W trójfazowej stacji ładowania prąd przepływa czterema przewodami (trójfazowym i neutralnym).
Wydajność ładowania stacji ładującej lub wallboxa przy podłączeniu 3-fazowym jest większa niż przy połączeniu 1-fazowym, co oznacza, że pojazd ładuje się szybciej. Nigdy nie zostaje przekroczony maksymalny prąd ładowania pojazdu. Niektóre pojazdy nadają się do ładowania tylko do 3,7 kW. Nie ma wtedy sensu tworzenie połączenia 3-fazowego. Pojazdy mogą być również przystosowane do mocy 7,4 lub 11 kW: warto zwiększyć wydajność (3 * 16 A) ze skrzynki rozdzielczej.
W starszych domach często spotykamy w skrzynce rozdzielczej podłączenie 1-fazowe (do 35 A). Wszystkie trzy fazy są obecne, ale tylko jedna jest podłączona.
Skrzynka rozdzielcza może zostać przekształcona w taki sposób, aby wykorzystać wszystkie trzy fazy. Nowsze domy, w których skrzynka rozdzielcza jest przygotowana na większą liczbę odbiorców energii elektrycznej (takich jak panele fotowoltaiczne, płyta indukcyjna i pompa ciepła), mogą być już od dostawy wyposażone w przyłącze 3-fazowe. W takim przypadku licznik energii elektrycznej wskazuje „3×220/230 V lub 3×380/400 woltów”. W sumie od spodu skrzynki rozdzielczej wychodzą także cztery przewody – trójfazowy i neutralny. W zależności od skrzynki rozdzielczej grupa jest zabezpieczona do 1x25A, 1x30A lub 1,35A. Im większe jest podane natężenie prądu, tym więcej prądu można zużyć w tym samym czasie.
Poniższy rysunek przedstawia pięć sytuacji, od podłączenia 1-fazowego do 3-fazowego w skrzynce rozdzielczej i użycia ładowarki 1-fazowej lub 3-fazowej.
1 faza: Dzięki ładowarce awaryjnej możesz ładować pojazd poprzez gniazdko. Dzięki skrzynce ściennej grupa 1-fazowa może ładować do 16 A bez równoważenia obciążenia i 32 A z równoważeniem obciążenia. 32A można osiągnąć tylko wtedy, gdy w domu nie są aktywne żadne inne odbiorniki.
Dla mocy do 7,4 kW możliwa jest sieć 1-fazowa z równoważeniem obciążenia. Podczas korzystania w domu z wielu urządzeń elektrycznych o dużym zużyciu energii, w tym pralki/suszarki, zmywarki i pompy ciepła, moc zostanie zmniejszona, aby zapobiec przeciążeniu. W praktyce oznacza to, że moc może spaść nawet o 50%. Dlatego rozsądne jest przejście z 1 na 3 fazy.
3 faza: Jeśli jednocześnie zażądana zostanie zbyt duża moc, może to spowodować przeciążenie i zadziałanie zabezpieczenia, powodując przerwę w dostawie prądu. Dlatego ważne jest, aby sieć mogła dostarczać wystarczającą ilość energii elektrycznej. Dzięki połączeniu 3-fazowemu można jednocześnie dostarczyć więcej prądu. Grupy 3-fazowe są standardowo zabezpieczone do 25A.
- 11 kW: konieczne jest wzmocnienie szafki licznikowej. Wystarczające jest przestawienie z 1 fazy na 3 fazy;
- 22 kW: oprócz regulacji z 1 fazy na 3 fazy wymagane jest zwiększenie prądu o 35 A.
Dostosowanie do 22 kW i 35 A jest mało interesujące dla osób prywatnych. Ze względu na podwyżkę należy uiścić dodatkowe roczne opłaty stałe w wysokości 1000 EUR. Za każdy cięższy stopień (3x63A lub 3x80A) należy uiścić dodatkową opłatę. Ponadto wiele pojazdów elektrycznych nie nadaje się (jeszcze) do ładowania tak wysokim prądem przemiennym:
Oczekuje się, że w nadchodzących latach liczba pojazdów, które mogą ładować prądem przemiennym o mocy 22 kW, wzrośnie.
