Ładowanie aut elektrycznych - techniki, perspektywy, wyzwania

Według Europejskiej Agencji Środowiska inaczej niż inne ważne sektory gospodarki, które na przestrzeni ostatnich dekad ograniczyły wytwarzanie gazów cieplarnianych, transport drogowy zwiększył ich emisję. W 2014 roku była ona o 17% większa w porównaniu z 1990 rokiem. W rezultacie wkład transportu drogowego w całkowitą emisję GHG na terenie Unii Europejskiej wzrósł w tym czasie z 13 do 20%. Jednym ze sposobów na odwrócenie tej tendencji ma być rozwój elektromobilności.

Pojazdy elektryczne (Electric Vehicle, EV) od lat zyskują popularność, promowane jako bardziej ekologiczny środek transportu niż spalinowe. Kilka czynników wciąż jednak sprawia, że nie korzysta się z nich powszechnie. Dwa najważniejsze powody to wysoka cena i konieczność okresowego ładowania.

Jeżeli chodzi o drugi, potencjalnych użytkowników samochodów elektrycznych zniechęca długi czas ładowania, pojemność baterii ograniczająca liczbę kilometrów, jakie można pokonać między doładowaniami oraz mała dostępność punktów ładowania. Dlatego podejmuje się wysiłki, aby te ograniczenia znieść. Dzięki temu ładowanie przestano by postrzegać jako słaby punkt pojazdów elektrycznych.

Główne komponenty EV

Auta elektryczne dzieli się na typu: BEV (Battery Electric Vehicle), HEV (Hybrid Electric Vehicle), PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), REEV (Range-Extended Electric Vehicle) i FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle). Różnią się one między sobą przede wszystkim rodzajem napędu. Ponadto producenci oferują modele o różnych pojemnościach baterii, metodach uzupełniania ubytków energii i opcjach dodatkowych. Dzięki temu każdy znajdzie samochód odpowiedni do swoich oczekiwań pod względem zasięgu, szybkości ładowania oraz ceny.

Pojazdy typu BEV są napędzane wyłącznie przez silnik elektryczny zasilany energią elektryczną magazynowaną w baterii pokładowej. Trzeba ją regularnie doładowywać. Najważniejsze z punktu widzenia jakości eksploatacji aut elektrycznych parametry baterii to: gęstość energii oraz gęstość mocy. Pierwsza jest miarą ilości energii, jaka może zostać zmagazynowana w jednostce objętości lub masy baterii, a więc wpływa na zasięg samochodu między kolejnymi doładowaniami. Im jest większa, tym jest dłuższy. Gęstość mocy jest natomiast miarą ilości mocy w jednostce objętości, charakteryzującą szybkość przepływu energii. Ma wpływ na osiągi pojazdu, jak przyspieszenie i prędkość, jak również na szybkość ładowania baterii.

Obecnie najczęściej auta elektryczne wyposażane są w baterie litowo-jonowe. W porównaniu z innymi mają dużą gęstość energii, chociaż i tak stanowi ona przeciętnie zaledwie jedną dziesiątą gęstości energii tradycyjnego paliwa. Wyróżnia je także wolne samorozładowanie. Ich żywotność to typowo 10 lat. Mogą być ładowane około 2-5 tysięcy razy. Z powodu wciąż wysokich kosztów produkcji mają znaczący udział w całkowitej cenie pojazdów.

Częścią samochodów elektrycznych jest także kontroler, który zarządza pracą silnika i monitoruje stan naładowania baterii. Podobnie jak auta spalinowe są wyposażane w systemy pomocnicze, jak oświetlenie i ogrzewanie, w tym ogrzewanie i chłodzenie baterii, zapewniające ich efektywną i bezpieczną pracę.

Co wyróżnia BEV?

 

Rys. 1. Udział różnych technik ładowania samochodów elektrycznych w ogólnym rynku w: a) Unii Europejskiej, b) USA, c) Chinach

Auta typu BEV wyróżnia na tle pozostałych większa sprawność energetyczna zapewniana przez silniki elektryczne i hamowanie regeneracyjne. Dzięki tym pierwszym samochody elektryczne w moc użyteczną przekształcają w przybliżeniu 80% zużywanej energii, podczas gdy spalinowe na ten cel przetwarzają zaledwie od 18% do 25% energii pozyskanej ze spalania paliwa. Dodatkowe atuty silników elektrycznych to dłuższa żywotność, tańsza konserwacja i niższy poziom hałasu.

Hamowanie regeneracyjne natomiast przyczynia się do zwiększenia sprawności energetycznej aut elektrycznych, ponieważ pozwala przetworzyć na energię użyteczną tę normalnie traconą w czasie hamowania na ciepło. Jego zaletą jest wydłużenie żywotności tradycyjnych hamulców. Z drugiej strony, jeśli są zbyt rzadko używane, mogą przedwcześnie korodować. Dlatego specjaliści radzą, żeby z obydwu metod hamowania od czasu do czasu korzystać naprzemiennie.

Samochody BEV nie emitują spalin. Im większy udział w energii przez nie zużywanej ma ta pozyskiwana ze źródeł odnawialnych, tym mniejszy jest ich negatywny wpływ na środowisko naturalne. Zresztą, nawet jeśli są zasilane z sieci elektroenergetycznej opartej w przeważającym stopniu na paliwach kopalnych i tak jest on mniejszy niż pojazdów spalinowych. Z drugiej strony typowo wciąż mają mniejszy zasięg i dłużej się je ładuje, niż tamte tankuje. Ponieważ ich jedynym źródłem zasilania są baterie, jak również dlatego, aby maksymalizować ich zasięg, wyposaża się je w duże baterie, droższe niż w innych typach EV. Koszt kWh energii jest jednak w ich przypadku zwykle niższy.

HEV, PHEV, REEV, FCEEV

Auta HEV są wyposażane w dwa typy napędów: silnik spalinowy i silnik elektryczny (lub kilka). Ich baterii nie można ładować z sieci elektroenergetycznej, nie dotyczą ich zatem ograniczenia z tym związane. W zamian ubytki energii uzupełnia się w czasie hamowania regeneracyjnego i w trakcie jazdy na tzw. luzie. Koszt kWh energii jest w HEV zwykle większy niż w BEV.

W autach mikrohybrydowych silnik elektryczny nie napędza samochodu, zaś w pełnohybrydowych może samodzielnie napędzać pojazd, wspomagać silnik spalinowy i odzyskiwać energię w czasie hamowania. HEV są też klasyfikowane ze względu na sposób połączenia silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym na: szeregowe, równoległe i mieszane. W równoległych są połączone i obydwa napędzają samochód. W układzie mieszanym pojazd może być napędzany przez silnik spalinowy, silnik elektryczny albo obydwa razem.

PHEV też są wyposażone w napędy obu typów, mogące pracować wspólnie lub niezależnie. Ich baterię można ładować z sieci elektroenergetycznej. Ma ona zwykle mniejszą pojemność niż w BEV, dlatego ich zasięg przy napędzie elektrycznym jest mniejszy.

REEV to HEV z szeregowym połączeniem silnika spalinowego z elektrycznym. Oznacza to, że ten pierwszy nie jest połączony mechanicznie z kołami napędowymi, lecz zasila silnik elektryczny lub doładowuje pokładową baterię. Można ją też ładować z sieci elektroenergetycznej. Ponieważ silnik spalinowy pełni tylko funkcję pomocniczą, może być mniejszy. To zmniejsza masę REEV.

FCEV to auta z ogniwami paliwowymi na wodór zasilającymi silnik elektryczny. Główną zaletą FCEV w porównaniu z BEV jest większy zasięg i szybsze ładowanie. Ze względu na rozmiar i masę ogniwa paliwowe lepiej sprawdzają się w pojazdach dużych i o średnich rozmiarach.

Metody ładowania baterii w EV

Z powyższej klasyfikacji wynika zatem, że jedynie w przypadku BEV poziom naładowania baterii ma znaczenie krytyczne. Generalnie wyróżnia się trzy sposoby uzupełniania energii elektrycznej zużytej podczas jazdy. Są to: ładowanie baterii z sieci elektroenergetycznej, jej wymiana oraz ładowanie bezprzewodowe.

Druga metoda polega na zastąpieniu rozładowanej baterii w pełni naładowaną. Jest to na pewno szybki sposób. Jak dotychczas nie spopularyzował się jednak, gdyż aby mogły powstać stacje udostępniające taką usługę, należałoby zestandaryzować typy, połączenia i wymiary baterii. Ponieważ znacząco ograniczałoby to swobodę projektowania dopóty, dopóki rynek aut elektrycznych się rozwija, nie ma na to raczej większych szans.

Ładowanie bezprzewodowe, w którym wykorzystuje się zjawisko indukcji magnetycznej, nie wymaga bezpośredniego połączenia między samochodem a źródłem energii elektrycznej. Nad komercjalizacją tej metody prace dopiero trwają. Jest ona uważana za bardzo przyszłościową, m.in. ze względu na to, że byłaby wygodna dla użytkownika.

W pierwszym przypadku samochód jest z kolei za pomocą wtyczki podłączany do punktu ładowania. Może nim być stacja publiczna lub gniazdko sieciowe w domu. Jest to obecnie najpowszechniejszy sposób ładowania samochodów typu BEC i PHEV. W porównaniu do pozostałych jest najtańszy i najłatwiejszy do zrealizowania przy obecnym poziomie rozwoju techniki.

Techniki ładowania - klasyfikacja i rynek

Infrastrukturę ładowania aut elektrycznych dzieli się na kilka kategorii. Jednym ze stosowanych podziałów jest rozróżnienie na: ładowanie prądem przemiennym o różnym napięciu (poziom 1 i poziom 2), o mocy do 20 kW i ładowanie prądem stałym (poziom 3, ładowanie szybkie DC), o mocy powyżej 50 kW. W pierwszych dwóch przypadkach przetwornica AC/DC jest częścią samochodu, natomiast w trzecim jest wbudowana w stację ładowania.

Stacje poziomów 1 i 2 są zwykle wykorzystywane w miejscach pracy oraz domach, ponieważ ze względu na dłuższy czas ładowania, ubytki energii w bateriach uzupełnia się w nocy lub w ciągu dnia, kiedy pracownik przebywa w biurze. Są również tańsze. Droższe i szybciej ładujące stacje poziomu 3 instalowane są przeważnie w miejscach publicznych.

Według firmy McKinsey dominującymi technologiami w najbliższej przyszłości pozostaną te na poziomach 1 i 2, a większość samochodów elektrycznych będzie ładowana w domach, miejscach pracy i za pośrednictwem wolnych stacji publicznych. Jak wynika z wykresu 1, na przykład w Unii Europejskiej udział stacji poziomu 2 i DC wzrośnie z odpowiednio 58% i 6% w 2020 roku do 61% i 32% w 2030. Szybkie ładowanie DC będzie prawdopodobnie odgrywać większą rolę w Chinach. Jego udział w okresie objętym analizą zwiększy się w tym kraju z 22% do 44%.

Przegląd podzespołów stacji ładowania

Poza sekcją konwersji AC/DC, wymaganą tylko w szybkim ładowaniu, standardowo w stacjach ładowania wyróżnia się kilka bloków funkcyjnych. Są to: stopień mocy, jednostka centralna, blok komunikacji wewnętrznej i zewnętrznej oraz interfejs HMI. Pierwszy musi się charakteryzować jak najwyższą sprawnością energetyczną, co osiąga się, wybierając topologie odpowiednie do typu stacji ładowania. Na przykład w przypadku szybkiego ładowania korzysta się z prostowników Vienna.

Jednostką centralną stacji, w zależności od stopnia zaawansowania techniki ładowania, może być mikrokontroler, mikroprocesor albo nawet procesor wielordzeniowy z blokiem DSP. Zwykle kilka takich układów współpracuje ze sobą i układem centralnym, jeżeli nadzorować trzeba pracę wielu modułów mocy.

Stacja ładowania powinna nawiązać łączność z samochodem jeszcze przed rozpoczęciem transferu energii, żeby zweryfikować zgodność jego wtyczki ze swoim gniazdem. Ponadto sprawdza typ baterii i poziom jej naładowania. Na tej podstawie sterownik stacji szacuje pojemność ogniw i dobiera inne parametry, dzięki czemu proces ładowania będzie przebiegał efektywnie oraz bezpiecznie. Informacje potrzebne do rozpoczęcia transferu energii są zwykle przesyłane przewodowo, siecią CAN. Łączność bezprzewodowa, o ile zostanie zapewniony odpowiedni poziom bezpieczeństwa transmisji, może przynieść dodatkowe korzyści, w tym niższe koszty i możliwość komunikacji stacji na przykład ze smartfonami i systemami automatyki budynkowej.

Interfejs HMI może być bardzo prosty, na przykład w postaci zestawu diod LED, które zapalają się i gasną w zależności od postępu procesu ładowania lub rozbudowany. Jeżeli użytkownik oczekuje szczegółowych informacji o tym, jak przebiega proces ładowania auta lub możliwości interakcji, na przykład w celu dokonania opłaty za pobraną energię, HMI zwykle ma postać ekranu dotykowego.

Rynek ładowania EV w liczbach

Według firmy McKinsey w 2030 roku po drogach Unii Europejskiej, Stanów Zjednoczonych i Chin będzie się poruszać co najmniej 120 mln samochodów elektrycznych, a możliwe, że liczba ta okaże się nawet dwukrotnie większa. W rezultacie popyt na energię elektryczną potrzebną do zasilania pojazdów tego typu także znacząco wzrośnie, według analityków z 20 mld kWh w 2020 roku do 280 mld kWh w ciągu kolejnej dekady.

W miarę upowszechniania się elektromobilności będzie zatem rosło obciążenie wynikające z większego zapotrzebowania na energię elektryczną z tej strony. Odczują je zakłady energetyczne i sieć dystrybucji tego medium. W związku z tym już teraz, biorąc pod uwagę przyszłe potrzeby, rozważa się różne metody na równomierne rozłożenie obciążenia w taki sposób, aby ograniczyć prawdopodobieństwo wystąpienia przeciążenia sieci energetycznej i narażenia pozostałych jej użytkowników na przerwy w dostawach prądu.

Inteligentne ładowanie

Jednym z nich jest wdrożenie planów zarządzania dostępem do infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych, zamiast, jak dotychczas, pozostawiania pod tym względem całkowitej swobody ich użytkownikom. Rozpatruje się w tym zakresie różne scenariusze. Jednym z nich jest uzależnienie możliwości skorzystania ze stacji ładowania od aktualnego lokalnego obciążenia sieci.

Ponadto, jak pisaliśmy wyżej, auta EV można uznać za tym bardziej ekologiczny środek transportu, im większy udział w energii przez nie zużywanej ma ta pozyskiwana ze źródeł odnawialnych. Zatem jej aktualny udział w ogólnej produkcji dostawcy energetycznego na danym obszarze może być kolejnym czynnikiem warunkującym dostęp do infrastruktury ładowania.

Wprowadzenie proponowanych rozwiązań wymagać będzie dostępności odpowiedniej infrastruktury telekomunikacyjnej, która umożliwi centralne zarządzanie stacjami ładowania na podstawie informacji o aktualnym obciążeniu sieci i dostępności energii odnawialnej. Potrzebne może się także okazać dostosowanie regulacji prawnych. Przede wszystkim zaś sami właściciele pojazdów tego typu muszą być skłonni do zaakceptowania ograniczeń, jakie to na nich nałoży.

Monika Jaworowska