Sähköauton lataus: koko järjestelmä

Sähköauton lataus on koordinoitu tehonsiirtojärjestelmä, ei vain pistorasian ja akun välinen kaapeli. Ajoneuvon, syöttölaitteiston, sähköasennuksen, liittimen, tietoliikenteen, maksupalvelun ja akun ohjauksen on kaikkien toimittava yhteen ennen kuin energiaa siirtyy.

Yksi järjestelmä, useita rajapintoja

Sanaa laturi käytetään väljästi. Latausta on helpompi ymmärtää, kun sen osat erotetaan toisistaan:

Sähkönsyöttö tuottaa vaihtovirtaa kodin, rakennuksen tai sähköverkon liitännästä.
Sähköajoneuvon syöttölaitteisto (EVSE) huolehtii kytkennästä, suojauksesta, merkinannosta ja turvallisesta yhteydestä ajoneuvoon.
Auton sisäinen laturi muuntaa vaihtovirran tasavirraksi AC-latauksen aikana.
DC-latausasema tekee pääasiallisen AC–DC-muunnoksen ajoneuvon ulkopuolella ja syöttää hallittua tasavirtaa korkeajännitejärjestelmään.
Ajoneuvon latausohjain ja akunhallintajärjestelmä päättävät, kuinka paljon jännitettä ja virtaa ajoneuvo saa pyytää.
Latausverkosto voi hoitaa tunnistautumisen, tariffit, maksamisen, valvonnan ja etäkäytön.

EVSE ei pakota mainostettua tehoaan autoon. Se ilmoittaa käytettävissä olevan tehon, ja ajoneuvo pyytää määrän, joka alittaa koko järjestelmän turvalliset rajat.

Neljä olennaista suuretta

Latauksesta puhuttaessa teho, energia, jännite ja virta sekoitetaan usein keskenään:

Teho, jonka yksikkö on kilowatti (kW), kertoo energiansiirron hetkellisen nopeuden.
Energia, jonka yksikkö on kilowattitunti (kWh), kertoo siirretyn tai varastoidun määrän.
Jännite, jonka yksikkö on voltti (V), on sähköinen potentiaaliero.
Virta, jonka yksikkö on ampeeri (A), kertoo sähkövarauksen siirtymisnopeuden.

Ihanteellisessa DC-yhteydessä:

Teho = jännite × virta

Asema, joka syöttää 700 V:n jännitteellä 400 A:n virtaa, tuottaa sillä hetkellä 280 kW. Aseman laitekaapin merkintä tai auton ilmoitettu huipputeho ei kumpikaan osoita, että tämä yhdistelmä toteutuu. Kaapelin lämpötila, tehon jako latauspaikalla, aseman jännitealue, liittimen virta, akun tila ja ajoneuvon rajat voivat kaikki pienentää tehoa.

Latausaika ei ole yksinkertaisesti akun kapasiteetti jaettuna huipputeholla. Huipputeho voi kestää vain hetken, apujärjestelmät kuluttavat energiaa ja sallittu teho muuttuu latauksen aikana. Akun fysiikkaa, C-arvoa, lämpötilaa, latauskäyrää ja varaustason vaikutuksia käsitellään artikkelissa How an EV Battery Charges.

AC ja DC käyttävät eri tehonsiirtoreittejä

AC-latauksessa asema syöttää hallittua vaihtovirtaa, jonka auton sisäinen laturi muuntaa tasavirraksi. Käytettävissä olevaa tehoa rajoittaa siksi rakennuksen sähkönsyötön, virtapiirin, EVSE:n, kaapelin ja auton sisäisen laturin mitoituksista pienin. AC-lataus soveltuu paikkoihin, joissa auto pysäköidään useiksi tunneiksi: kotiin, työpaikalle, hotelliin ja määränpäälataukseen.

DC-latauksessa ajoneuvon ulkopuolinen tehoelektroniikka muuntaa sähköverkon vaihtovirran hallituksi tasavirraksi. Asema ja ajoneuvo muodostavat turvallisen jännitteen, sulkevat kontaktorinsa ja neuvottelevat jatkuvasti virran suuruudesta. DC-laitteisto on suurempi ja kalliimpi, mutta se voi siirtää paljon enemmän tehoa, koska se ei ole riippuvainen auton sisäisestä AC-laturista. Sitä käytetään ensisijaisesti matkalataukseen, kaluston nopeaan kiertoon ja ajoneuvoihin, joilla ei ole luotettavaa latausmahdollisuutta yön aikana.

Käytännön ero on pysäköintiajassa. Pienitehoinen liitäntä voi olla paras ratkaisu, kun auto seisoo kymmenen tuntia. Suuritehoinen liitäntä on tärkeä, kun jokainen minuutti viivästyttää matkaa.

Tasot, lataustavat ja markkinointinimet

Lataussanasto vaihtelee alueittain. Pohjois-Amerikassa yleisiä luokkia ovat AC Level 1, AC Level 2 ja DC fast charging. IEC-standardeihin perustuvilla markkinoilla yhteys- ja ohjausjärjestelyä kuvataan myös luokilla Modes 1–4. Ilmausta ”Level 3” käytetään usein epävirallisesti DC-latauksesta, mutta se ei ole yleismaailmallinen henkilöautostandardi.

Termeillä fast, rapid, ultra-fast ja high-power charging ei ole yhtä maailmanlaajuista kynnysarvoa. Tarkassa kuvauksessa ilmoitetaan virtalaji, käytettävissä oleva teho, jännite- ja virta-alue, liitin sekä tarkasteltava latausväli.

Fyysinen yhteensopivuus on vasta ensimmäinen taso. Pistokkeen on sovittava, mutta ajoneuvon ja aseman on lisäksi tuettava yhteensopivaa jännitettä, merkinantoa, digitaalista tiedonsiirtoa, valtuutusta ja turvallisuustoimintoja. EV Charging Connectors and Inlets selittää tärkeimmät alueelliset rajapinnat ja sovittimien rajoitukset.

Mikä määrää toteutuvan tehon

Hyödyllistä lataustehoa rajoittaa kullakin hetkellä tiukin aktiivinen raja:

Toteutuva teho ≤ pienin raja, jonka asettavat
latauspaikka, asema, kaapeli, liitin, ajoneuvon laitteisto ja akun ohjaus

Esimerkkejä:

Tehoa jakavaan laitekaappiin liitetyn 350 kW:n latauspisteen käytettävissä oleva teho voi pienentyä, kun toinen ajoneuvo latautuu.
Virtarajoitettu asema ei välttämättä pysty syöttämään ilmoitettua tehoaan akulle, jonka jännite on alempi.
Korkean jännitteen auto voi tarvita jännitteenkorottimen tai uudelleenkytkettävän akun voidakseen käyttää matalamman jännitteen DC-asemaa.
Kolmivaiheinen 11 kW:n EVSE ei voi saada autoa ottamaan vastaan 11 kW:n tehoa, jos sen yksivaiheisen sisäisen laturin teho on 7.4 kW.
Kylmä, kuuma, lähes täysi tai lämpötilarajansa saavuttanut akku voi pyytää huomattavasti vähemmän tehoa kuin asema pystyy syöttämään.

Ilmoitettu luku on siksi yhteensopivuuden yläraja, ei ennuste. DC-latauksessa ilmoitetulla varaustasovälillä saavutettu keskiteho ja lisätty energia kertovat yleensä enemmän kuin pelkkä huipputeho.

Latausartikkelisarjan sisältö

Sarjan muut artikkelit seuraavat järjestelmän rajapintoja sen sijaan, että ne toistaisivat akkujen teoriaa:

EV Charging Connectors and Inlets käsittelee pistokkeita, ajoneuvon liitäntöjä, alueellisia standardeja, sovittimia ja latausliitännän sijaintia.
Home EV Charging käsittelee virtapiirin mitoitusta, asennusturvallisuutta, kuormanhallintaa, tariffeja ja päivittäistä energiantarvetta.
DC Fast Charging käsittelee julkisen latauksen tehonsiirtoreittiä, lataustapahtuman vaiheita, tehonjakoa, maksamista, luotettavuutta ja reittisuunnittelua.
Bidirectional EV Charging erottaa V2L:n, V2H:n, V2B:n ja V2G:n toisistaan sekä selittää tarvittavan muunnos- ja verkonerotuslaitteiston.
Battery Swapping tarkastelee automatisoitua akkupaketin vaihtoa, aseman akkuvarastoa, standardointia, turvallisuutta ja taloutta.

Johtava lataus on nykyisissä tieliikenteen ajoneuvoissa hallitseva ratkaisu, mutta se ei ole ainoa tapa siirtää energiaa. Langaton lataus käyttää magneettista kytkentää ilmavälin yli, kun taas automaattiset johtavat järjestelmät poistavat kaapelin manuaalisen käsittelyn tarpeen. Molemmat edellyttävät silti yhteensopivaa ajoneuvolaitteistoa, kohdistusta, tietoliikennettä, suojausta ja sopivaa sähköasennusta.

Akunvaihto siirtää energiantarpeen täydentämiseen kuluvan viiveen pois kuljettajalta: asema asentaa ladatun akkupaketin ja lataa poistetun paketin myöhemmin.

Mitä sähköauton ostajan tulisi tarkistaa

Hyödyllinen latauserittely vastaa käytännön kysymyksiin eikä vain ilmoita suurinta lukua:

Mitkä AC- ja DC-liittimet on asennettu kyseiselle markkina-alueelle tarkoitettuun autoon?
Mitkä ovat AC-latauksen enimmäisteho, vaiheiden määrä ja virta?
Mitä DC-jännite- ja virta-alueita ajoneuvo voi käyttää?
Kuinka paljon energiaa lisätään selkeästi ilmoitetulla latausvälillä, ja mikä on keskiteho?
Esilämmittääkö tai -jäähdyttääkö navigointi akun automaattisesti ennen suunniteltua DC-latauspysähdystä?
Voiko auto käyttää vanhempia tai matalamman jännitteen asemia ilman, että teho alenee merkittävästi?
Tukevatko kuljettajan käyttämät verkostot Plug & Chargea, verkkovierailua ja kertamaksua?
Onko kaksisuuntainen toiminto käytettävissä nyt tarvittuun käyttötarkoitukseen vai kuvataanko se vain tulevaisuudessa käyttöön otettavaksi?
Missä latausliitäntä sijaitsee, ja riittävätkö tavalliset kaapelipituudet perävaunua vedettäessä tai taakse kiinnitettyjä varusteita kuljetettaessa?

Yksikään latauserittely ei vastaa kaikkiin käyttötapauksiin. Kotilataus on energiansuunnittelun ongelma, matkalataus ajan ja latausverkoston ongelma ja akun vastaanottokyky sähkökemiallinen ja terminen ongelma. Kun nämä rajat pidetään selvinä, vertailut ovat oikeudenmukaisia.