Ładowanie pojazdów elektrycznych: kompletny system

Ładowanie pojazdu elektrycznego jest skoordynowanym systemem przesyłu energii, a nie tylko kablem między gniazdem a baterią. Zanim energia zacznie płynąć, pojazd, urządzenia zasilające, instalacja elektryczna, złącze, systemy komunikacji, usługa płatnicza i układy sterowania baterią muszą ze sobą współpracować.

Jeden system, kilka granic

Słowo ładowarka jest używane dość swobodnie. Rozdzielenie poszczególnych elementów ułatwia zrozumienie procesu ładowania:

Zasilanie elektryczne zapewnia zasilanie AC z instalacji domowej, budynku lub przyłącza sieciowego.
Urządzenie zasilające pojazd elektryczny (EVSE) zapewnia przełączanie, ochronę, sygnalizację i bezpieczne połączenie z pojazdem.
Ładowarka pokładowa przekształca AC w DC podczas ładowania AC.
Stacja ładowania DC wykonuje główne przekształcenie AC na DC poza pojazdem i dostarcza kontrolowany prąd DC do układu wysokiego napięcia.
Sterownik ładowania pojazdu i system zarządzania baterią określają, o jakie napięcie i natężenie prądu może poprosić pojazd.
Sieć ładowania może obsługiwać uwierzytelnianie, taryfy, płatności, monitorowanie i zdalne sterowanie.

EVSE nie wymusza na samochodzie przyjęcia deklarowanej mocy. Informuje, co jest dostępne, a pojazd żąda wartości mieszczącej się w bezpiecznych granicach całego systemu.

Cztery wielkości, które mają znaczenie

W rozmowach o ładowaniu często myli się moc, energię, napięcie i natężenie prądu:

Moc, mierzona w kilowatach (kW), określa chwilową szybkość przekazywania energii.
Energia, mierzona w kilowatogodzinach (kWh), to ilość energii dostarczonej lub zmagazynowanej.
Napięcie, mierzone w woltach (V), jest różnicą potencjałów elektrycznych.
Natężenie prądu, mierzone w amperach (A), określa szybkość przepływu ładunku elektrycznego.

Dla idealnego połączenia DC:

Moc = Napięcie × Natężenie prądu

Stacja dostarczająca 700 V przy 400 A przekazuje w danej chwili 280 kW. Ani oznaczenie na jej szafie, ani deklarowana moc szczytowa samochodu nie gwarantują, że taka kombinacja wystąpi. Temperatura kabla, przydział mocy w obiekcie, zakres napięcia stacji, natężenie prądu złącza, stan baterii i ograniczenia pojazdu mogą ją obniżyć.

Czas ładowania nie jest po prostu ilorazem pojemności baterii i mocy szczytowej. Moc szczytowa może utrzymywać się tylko przez krótki czas, systemy pomocnicze zużywają energię, a dopuszczalna moc zmienia się w trakcie sesji. Fizyka po stronie baterii, współczynnik C, temperatura, krzywa ładowania oraz wpływ stanu naładowania są opisane w How an EV Battery Charges.

AC i DC to różne tory przepływu mocy

Podczas ładowania AC stacja dostarcza kontrolowany prąd AC, który ładowarka pokładowa samochodu przekształca w DC. Użyteczną moc ogranicza zatem najniższa wartość znamionowa spośród zasilania budynku, obwodu, EVSE, kabla i ładowarki pokładowej. Ładowanie AC sprawdza się tam, gdzie samochód pozostaje zaparkowany przez wiele godzin: w domu, miejscu pracy, hotelu lub u celu podróży.

Podczas ładowania DC zewnętrzna elektronika mocy przekształca sieciowy prąd AC w kontrolowany prąd DC. Stacja i pojazd ustalają bezpieczne napięcie, zamykają styczniki i stale uzgadniają natężenie prądu. Urządzenia DC są większe i droższe, ale mogą przekazywać znacznie większą moc, ponieważ nie zależą od pokładowej ładowarki AC samochodu. Stosuje się je przede wszystkim podczas podróży, do szybkiego przywracania pojazdów flotowych do pracy oraz w przypadku pojazdów bez pewnego dostępu do nocnego ładowania.

W praktyce różnicę stanowi czas postoju. Połączenie o niskiej mocy może być najlepszym rozwiązaniem, gdy samochód będzie stał przez dziesięć godzin; połączenie o wysokiej mocy ma znaczenie, gdy każda minuta opóźnia podróż.

Poziomy, tryby i określenia marketingowe

Terminologia dotycząca ładowania różni się regionalnie. W Ameryce Północnej powszechnymi kategoriami są AC Level 1, AC Level 2 i DC fast charging. Rynki korzystające z norm IEC stosują również Tryby 1–4 do opisu sposobu połączenia i sterowania. Określenie „Level 3” bywa nieformalnie używane w odniesieniu do ładowania DC, ale nie jest uniwersalnym standardem dla samochodów osobowych.

Terminy takie jak szybkie, bardzo szybkie, ultraszybkie i ładowanie dużej mocy nie mają jednego globalnego progu. Precyzyjny opis podaje rodzaj prądu, dostępną moc, zakres napięcia i natężenia, złącze oraz odpowiedni przedział ładowania.

Zgodność fizyczna jest tylko pierwszą warstwą. Wtyczka musi pasować, ale pojazd i stacja muszą również obsługiwać zgodne napięcie, sygnalizację, komunikację cyfrową, autoryzację i mechanizmy bezpieczeństwa. EV Charging Connectors and Inlets opisuje główne interfejsy regionalne i ograniczenia adapterów.

Co określa rzeczywistą moc

W każdej chwili użyteczna moc ładowania jest ograniczona przez najbardziej restrykcyjne aktywne ograniczenie:

Rzeczywista moc ≤ najniższe ograniczenie wynikające z
obiektu, stacji, kabla, złącza, sprzętu pojazdu i sterowania baterią

Przykłady:

Terminal o mocy 350 kW podłączony do szafy ze współdzieleniem mocy może dysponować mniejszą mocą, gdy ładuje się inny pojazd.
Stacja z ograniczonym natężeniem prądu może nie zapewnić deklarowanej mocy baterii o niższym napięciu.
Samochód wysokonapięciowy może potrzebować przetwornicy podwyższającej napięcie lub baterii o przełączalnej konfiguracji, aby korzystać ze stacji DC o niższym napięciu.
Trójfazowe EVSE o mocy 11 kW nie sprawi, że samochód z jednofazową ładowarką pokładową o mocy 7.4 kW przyjmie 11 kW.
Zimna, gorąca, prawie pełna lub nasycona cieplnie bateria może zażądać znacznie mniej mocy, niż stacja jest w stanie dostarczyć.

Wartość eksponowana w materiałach jest więc górną granicą zgodności, a nie prognozą. W przypadku ładowania DC średnia moc w określonym przedziale stanu naładowania oraz ilość dodanej energii są zwykle bardziej miarodajne niż sama moc szczytowa.

Mapa cyklu o ładowaniu

Pozostałe części tej serii podążają za granicami systemu, zamiast powtarzać teorię baterii:

EV Charging Connectors and Inlets omawia wtyczki, gniazda w pojeździe, normy regionalne, adaptery i rozmieszczenie portów.
Home EV Charging omawia dobór obwodu, bezpieczeństwo instalacji, zarządzanie obciążeniem, taryfy i codzienne zapotrzebowanie na energię.
DC Fast Charging omawia tor przepływu mocy w publicznym ładowaniu, przebieg sesji, współdzielenie mocy, płatności, niezawodność i planowanie trasy.
Bidirectional EV Charging rozróżnia V2L, V2H, V2B i V2G oraz wyjaśnia wymagane urządzenia do konwersji i odłączania od sieci.
Battery Swapping analizuje zautomatyzowaną wymianę pakietów, zapasy stacji, standaryzację, bezpieczeństwo i ekonomikę.

Ładowanie przewodowe dominuje we współczesnych pojazdach drogowych, ale nie jest jedynym sposobem przekazywania energii. Ładowanie bezprzewodowe wykorzystuje sprzężenie magnetyczne przez szczelinę powietrzną, a automatyczne systemy przewodowe eliminują ręczną obsługę kabla. Oba rozwiązania nadal wymagają zgodnego sprzętu w pojeździe, właściwego ustawienia, komunikacji, zabezpieczeń i odpowiedniej instalacji elektrycznej.

Wymiana baterii przenosi czas potrzebny na uzupełnienie energii poza postój kierowcy: stacja montuje naładowany pakiet, a wyjęty ładuje później.

Co powinien sprawdzić nabywca pojazdu elektrycznego

Użyteczna specyfikacja ładowania odpowiada na praktyczne pytania, zamiast podawać jedynie najwyższą wartość:

Jakie złącza AC i DC zamontowano w wersji przeznaczonej na dany rynek?
Jakie są maksymalna moc AC, liczba faz i natężenie prądu?
Z jakich zakresów napięcia i natężenia DC może korzystać pojazd?
Ile energii dodaje się w jasno określonym przedziale ładowania i jaka jest średnia moc?
Czy nawigacja automatycznie przygotowuje baterię termicznie przed planowanym postojem przy stacji DC?
Czy samochód może korzystać ze starszych stacji lub stacji o niższym napięciu bez znacznej utraty mocy?
Czy sieci, z których będzie korzystał kierowca, obsługują Plug & Charge, roaming i płatności ad hoc?
Czy funkcja dwukierunkowa jest już dostępna w wymaganym zastosowaniu, czy jedynie określana jako gotowa na przyszłość?
Gdzie znajduje się gniazdo i czy typowa długość kabla wystarczy podczas holowania lub przewożenia wyposażenia zamontowanego z tyłu?

Żadna pojedyncza specyfikacja ładowania nie odpowiada na potrzeby każdego zastosowania. Ładowanie domowe jest problemem planowania energii; ładowanie w podróży — problemem czasu i sieci; zdolność baterii do przyjmowania energii — problemem elektrochemicznym i cieplnym. Wyraźne rozdzielenie tych granic pozwala na uczciwe porównania.