Domowe ładowanie pojazdów elektrycznych

Ładowanie domowe jest zagadnieniem planowania energii i projektowania instalacji elektrycznej. Najlepszy system bezpiecznie uzupełnia energię zużywaną każdego dnia, mieści się w dostępnej mocy budynku i jest gotowy, gdy samochód musi wyruszyć.

Zacznij od energii, nie od mocy maksymalnej

Duża bateria nie oznacza automatycznie konieczności stosowania domowej ładowarki dużej mocy. Liczy się energia zużywana między okresami postoju.

Rozważmy przykładowego kierowcę, który pokonuje dziennie 60 km pojazdem elektrycznym zużywającym 20 kWh/100 km:

Energia zużyta przez pojazd = 60 km × 20 kWh/100 km
                             = 12 kWh

Gdyby cały proces od ściennego punktu zasilania do baterii miał sprawność 90%, uzupełnienie 12 kWh w baterii wymagałoby pobrania z licznika około 13.3 kWh. Po rozłożeniu na dziesięć godzin postoju daje to średnio zaledwie około 1.3 kW. Rzeczywiste zużycie, straty, temperatura i taryfy są zmienne, ale przykład pokazuje, dlaczego czas nocnego postoju może być ważniejszy niż całkowita pojemność baterii.

Należy uwzględnić zapas na zimowe zużycie, sporadyczne długie dni, ograniczenia godzin ładowania i oczekiwane uzupełnienie energii po podróży. Gospodarstwo domowe z dwoma pojazdami elektrycznymi może bardziej potrzebować współdzielenia obciążenia niż dwóch obwodów o maksymalnej mocy.

Użyteczną moc ładowania wyznacza najniższa wartość spośród:

Mocy przyłącza budynku i dostępnej rezerwy
Obwodu odbiorczego
Ustawienia EVSE
Kabla i złącza
Pokładowej ładowarki AC pojazdu
Każdego limitu dynamicznego zarządzania obciążeniem

Wallbox o mocy 11 kW nie dostarczy 11 kW do samochodu ograniczonego do 7.4 kW, a trójfazowy wallbox nie sprawi, że pojazd jednofazowy będzie ładował się na trzech fazach.

Zaprojektuj instalację pod kątem obciążenia ciągłego

Ładowanie pojazdu elektrycznego może utrzymywać znaczne natężenie prądu przez wiele godzin. Różni się to od urządzenia, które osiąga moc znamionową tylko na krótko.

Wykwalifikowany instalator powinien ocenić:

Moc przyłącza i rozdzielnicy
Istniejące obciążenia szczytowe i przyszłą elektryfikację
Trasę kabla, przekrój przewodów, spadek napięcia i temperaturę otoczenia
Dedykowany obwód i zabezpieczenie nadprądowe
Ochronę przed zwarciem doziemnym lub prądem różnicowym
Wykrywanie upływu DC, jeśli jest wymagane
Układ uziemienia
Ochronę przepięciową i lokalne wymagania operatora sieci
Narażenie na warunki zewnętrzne, ryzyko uderzenia, odprowadzanie wody i stopień ochrony obudowy
Pozwolenia, odbiór, zgłoszenie i zasady przyłączenia do sieci

Dokładny dobór urządzeń ochronnych i rozwiązania uziemienia zależy od jurysdykcji. IEC 61851 określa wymagania dotyczące EVSE, ale decydujące pozostają krajowe przepisy instalacyjne i rzeczywista instalacja w budynku. W Stanach Zjednoczonych oficjalne wytyczne wskazują na dedykowany obwód odbiorczy dla EVSE; inne rynki stosują własne wymagania dotyczące obwodów, ochrony różnicowoprądowej i zasilania.

Właściciel domu powinien otrzymać wartości znamionowe obwodu, konfigurację EVSE, wyniki testów, protokół uruchomienia i instrukcje bezpiecznego odłączania urządzenia.

EVSE podłączone na stałe, do gniazda lub przenośne

Prawidłowo dobrane EVSE z wtyczką nie jest z natury niebezpieczne. Problem polega na tym, że gniazdo dodaje styki, które mogą się poluzować, zużyć, skorodować lub zostać źle zamontowane. Rezystancja pogorszonego styku wytwarza ciepło podczas długiej sesji o dużym natężeniu prądu.

Wallbox podłączony na stałe eliminuje połączenie wtyczki z gniazdem, zniechęca do przypadkowego przenoszenia i często jest prostszym wyborem dla stałej instalacji o wyższym natężeniu prądu. Wallbox z wtyczką ułatwia wymianę lub sezonowy demontaż, ale gniazdo, obudowa, obwód i obciążalność muszą nadawać się do długotrwałego ładowania pojazdu elektrycznego. Lokalne przepisy mogą ograniczać dozwolone rozwiązania.

Poniższe zdjęcie pokazuje skutki przegrzania połączeń w gnieździe. Nie należy go traktować jako dowodu, że każde EVSE z wtyczką ulegnie awarii; ilustruje ono znaczenie jakości styków, momentu dokręcenia, zużycia, temperatury i kontroli.

Przenośny zestaw przewodowy w standardzie Mode 2 dobrze sprawdza się w podróży lub jako rozwiązanie awaryjne, jeśli gniazdo i obwód są odpowiednie. Nie należy łączyć go ze zwykłym przedłużaczem, adapterem podróżnym, uszkodzonym gniazdem ani obwodem o nieznanych parametrach. Powtarzające się nieuzasadnione zadziałania zabezpieczeń, przebarwienia, zapach, trzaski lub gorąca wtyczka są sygnałami, by przerwać ładowanie i zlecić kontrolę instalacji.

Dobierz moc do czasu postoju

Większa moc jest cenna, gdy samochód wraca późno w nocy prawie rozładowany i musi wcześnie wyjechać albo gdy kilka pojazdów współdzieli to samo urządzenie. Ma mniejsze znaczenie, gdy samochód po krótkim dojeździe rutynowo stoi przez dwanaście godzin.

Warto zadać następujące pytania:

Ile kilowatogodzin trzeba zwykle uzupełnić przed wyjazdem?
Jaki jest najkrótszy regularny czas postoju?
Jaką moc AC i układ faz może przyjąć samochód?
Czy drugie auto elektryczne, pompa ciepła, płyta indukcyjna, podgrzewacz wody lub falownik fotowoltaiczny będą korzystać z tego samego przyłącza?
Czy EVSE może dynamicznie zmniejszyć natężenie prądu, gdy wzrasta obciążenie budynku?
Czy opłaca się przygotować przyszłą modernizację kabla i rozdzielnicy już podczas pierwszej instalacji?

Bardzo wysoka domowa moc AC może zwiększyć koszty bez skrócenia typowego nocnego ładowania. Może też podnieść opłaty za moc lub wymusić modernizację przyłącza. Dynamiczne zarządzanie obciążeniem często pozwala zachować użyteczną szybkość ładowania, utrzymując całkowity prąd obiektu poniżej ustawionego limitu.

Kable zamocowane na stałe, gniazda i codzienna wygoda

EVSE ze stałym kablem ma na stałe podłączony kabel do pojazdu. Jest szybkie w użyciu i zapewnia zgodność wartości znamionowych kabla z urządzeniem, ale kabel jest narażony na warunki atmosferyczne i uszkodzenia, a jego wymiana może być droższa.

EVSE bez stałego kabla ma gniazdo. Kierowca używa własnego kabla, który można niezależnie wymienić i schować, lecz każda sesja wymaga drugiego ręcznego połączenia, a kabel można zapomnieć.

Należy sprawdzić długość kabla względem położenia gniazda w samochodzie, unikając prowadzenia go przez ciąg pieszy, pozostawiania ciasno zwiniętego pod obciążeniem, ocierania o ostre krawędzie lub podwieszania jego ciężaru na złączu. Wysokość montażu, konstrukcja uchwytu, oświetlenie, usuwanie śniegu, dostępność i zabezpieczona trasa od urządzenia do samochodu mają znaczenie każdego dnia.

Rodziny złączy i położenie gniazd omówiono w EV Charging Connectors and Inlets.

Inteligentne ładowanie ma kilka znaczeń

Połączony z siecią wallbox może oferować zdalne uruchamianie, historię energii, kontrolę dostępu, harmonogramy taryfowe, integrację z fotowoltaiką lub udział w programach operatora sieci. Tych funkcji nie należy mylić:

Ładowanie zaplanowane rozpoczyna się lub kończy o wybranych porach.
Optymalizacja taryfowa reaguje na znane lub dynamiczne ceny energii elektrycznej.
Statyczne współdzielenie obciążenia dzieli stały limit prądu między kilka punktów ładowania.
Dynamiczne zarządzanie obciążeniem mierzy zapotrzebowanie obiektu i zmienia prąd pojazdu elektrycznego, aby pozostać w granicach limitu.
Ładowanie nadwyżką energii słonecznej podąża za lokalną produkcją z uwzględnieniem minimalnego stabilnego prądu ładowania samochodu i zachowania faz.
Ładowanie zarządzane pozwala operatorowi sieci, agregatorowi lub sterownikowi obiektu regulować zapotrzebowanie, chroniąc potrzeby kierowcy związane z wyjazdem.

Użyteczna inteligentna ładowarka powinna nadal bezpiecznie wykonywać podstawowe ładowanie, gdy jej usługa chmurowa, aplikacja, Wi-Fi lub konto dostawcy są niedostępne. Nabywcy powinni sprawdzić sterowanie lokalne, politykę wsparcia oprogramowania, opcje eksportu danych o energii, aktualizacje cyberbezpieczeństwa oraz to, co się stanie, gdy producent przestanie świadczyć usługę.

Wielka Brytania jest przykładem rynku, który reguluje funkcje inteligentne, domyślne ustawienia poza godzinami szczytu, losowe opóźnienie, widoczność pomiarów i bezpieczeństwo urządzeń dla prywatnych punktów ładowania. W innych miejscach wymagania są odmienne.

Ilustracja Nord Pool jest historycznym przykładem ceny, a nie bieżącą taryfą. Ceny dynamiczne, podatki, opłaty sieciowe i marże dostawcy należy sprawdzić dla rzeczywistej umowy kierowcy.

Straty ładowania i ustawienia baterii

Energia rozliczona przez licznik jest większa niż energia zmagazynowana w baterii. Straty występują w instalacji budynku, elektronice EVSE, ładowarce pokładowej, układach pomocniczych pojazdu, układzie regulacji temperatury, przewodach i baterii. Przy ładowaniu małą mocą większa część energii wejściowej może również przypadać na stałe zużycie własne pojazdu.

Limity ładowania, zachowanie ogniw, temperatura baterii i kompromisy związane z rutynowym ładowaniem do wysokiego stanu naładowania opisano w How an EV Battery Charges. Zadaniem systemu domowego jest dostarczanie bezpiecznej, sterowalnej mocy; pojazd decyduje, jak ją wykorzystać.

Praktyczna lista kontrolna specyfikacji

Przed instalacją należy zapisać:

Złącze pojazdu i maksymalną moc wejściową AC
Obsługę zasilania jednofazowego lub trójfazowego
Typowe dzienne zapotrzebowanie na energię i najkrótszy czas postoju
Dostępną moc przyłącza i proponowany obwód
Połączenie stałe lub przez gniazdo
Kabel stały lub odłączany i wymagany zasięg
Stopień ochrony wymagany do użytku wewnątrz lub na zewnątrz
Wymagane zabezpieczenia, uziemienie, pozwolenia i zgłoszenie operatorowi sieci
Statyczne lub dynamiczne zarządzanie obciążeniem
Sterowanie taryfą, fotowoltaiką i czasem wyjazdu
Działanie lokalne w razie awarii połączenia sieciowego
Gwarancję zarówno na urządzenie, jak i instalację

Prawidłowa instalacja nie musi być najmocniejsza. Powinna wielokrotnie dostarczać potrzebną energię bez przekraczania ograniczeń pojazdu, budynku ani lokalnych przepisów elektrycznych. Zależności między ładowaniem domowym, publicznym, AC, DC i po stronie pojazdu opisano w EV Charging: The Complete System.