Tesla zasilająca dom - czy to możliwe?

Rewolucja w e-mobilności - od pojazdów napędzanych paliwami kopalnymi do pojazdów elektrycznych

Według danych Światowego Forum Ekonomicznego, do 2023 roku liczba pasażerskich pojazdów elektrycznych (EV, ang. electric vehicle) osiągnie poziom 215 milionów. Obecnie większość z nich to pojazdy typu BEV (battery electric vehicle) i HEV (hybrid electric vehicle). Układy przenoszenia napędu w hybrydowych pojazdach hybrydowych i elektrycznych są napędzane przez szynę wysokiego napięcia zasilaną przez pakiet akumulatorów o dużej pojemności. Napięcie typowego akumulatora (w pojazdach osobowych) wynosi około 350 V. W przypadku samochodu Porsche Taycan napięcie to osiąga wartość 800 V. Co wynika z wielkości napięcia? Otóż, wyższe napięcie może skrócić czas ładowania, ale z drugiej strony stanowi ono większe wyzwanie w zakresie izolacji i kompatybilności elektromagnetycznej.

Do akumulatora podłączony jest elektryczny układ napędowy, który obejmuje silnik, reduktor i sterownik silnika. Wydajność elektrycznego układu napędowego ma wpływ na dynamiczne osiągi pojazdu pod względem prędkości jazdy pod górę i przyspieszenia. Ogólnie rzecz biorąc, moc napędów elektrycznych i silników/generatorów mieści się w zakresie od 50 kW do 180 kW lub więcej. Do dziś wielu producentów pojazdów elektrycznych nadal stosuje oddzielną konstrukcję trzech elementów: silnika, falownika i reduktora. Elementy te są połączone wiązkami przewodów, a ich rozmieszczenie na dużych przestrzeniach jest bardzo skomplikowane. Niektórzy zaawansowani producenci pojazdów elektrycznych postawili na rozwiązanie "wszystko w jednym", które integruje te trzy elementy w jedną oś napędu elektrycznego. Dzięki temu oś jest nie tylko mniejsza, ale także poprawia się wydajność konwersji energii.

Rozwój pojazdów elektrycznych z wykorzystaniem energii odnawialnej - ekosystem elektryfikacji

Wraz ze zmianą mocy napędu samochodowego, sposobów produkcji i trendów konsumpcji, przemysł pojazdów elektrycznych stopniowo ewoluuje z "łańcucha dostaw" części, badań i rozwoju/produkcji pojazdów oraz sprzedaży do "ekosystemu" obejmującego wiele ról: motoryzację, energię odnawialną, transport i komunikację. Składają się na niego stacje ładowania, systemy zarządzania energią, inteligentne mikrosieci czy systemy magazynowania energii. Na przykład system magazynowania energii służy do przechowywania energii elektrycznej i dostarczania jej do urządzeń elektrycznych w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię, co pomaga utrzymać stabilność sieci. Co więcej, budowa ekosystemu elektryfikacji przemysłu motoryzacyjnego jest również bardzo ważna dla rozwoju nowych technologii IoV i autonomicznej jazdy.

Rozwój pojazdów elektrycznych spowodował powstanie wielu wymagań dotyczących testów zasilania. Inżynierowie zwracają większą uwagę na bezpieczeństwo i rozpoczynają budowę profesjonalnych platform testowych, która może weryfikować cały proces od opracowania pojazdu elektrycznego po jego masową produkcję. Niewątpliwie, i w tym zakresie pojawiają się również trudności i wyzwania.

Jak jeździć dalej? Bateria jest tu kluczowa

Aby rozwiązać problem krótkiego zasięgów pojazdów elektrycznych, główni producenci skupiają się na rozwoju akumulatorów. Kiedy Tesla Model S została wprowadzona na rynek w 2012 roku, największy pakiet akumulatorów miał pojemność 85 kWh, a zasięg auta wg EPA wynosił 265 mil. W 2016 r. Tesla stworzyła akumulator o pojemności 100 kWh, który może przejechać 315 mil. Najnowszy Model S Long Range Plus może pochwalić się oficjalnym zasięgiem 402 mil – chwila oddechu, bo to nie koniec. W tym roku Tesla wypuściła nowy, niestandardowy akumulator 4680. Mówi się, że jego gęstość energii wzrosła 5-krotnie, a moc wyjściowa 6-krotnie. Zasięg samochodu elektrycznego wyposażonego w ten akumulator może być zwiększony o 16%. Według analityków branżowych, gdyby w modelu 3 zastosowano akumulator 4680, szacuje się, że przebieg NEDC wyniósłby ponad 497 mil, znacznie przekraczając obecny poziom 415 mil. mil.

Na etapie projektowania baterii zasilających producenci pojazdów elektrycznych i ich dostawcy zawsze muszą zweryfikować wydajności systemu akumulatorowego, zwłaszcza w celu oceny, jaki wpływ mają na niego warunki drogowe. Podczas jazdy samochodem napięcie i prąd w systemie baterii będą się zmieniać wraz z przyspieszaniem, zwalnianiem, hamowaniem, biegiem jałowym itp. W tym czasie w akumulatorze pojawia się duży prąd i następuje nagłe przełączenie między ładowaniem a rozładowywaniem. W każdym przypadku moc wyjściowa pakietu akumulatorów musi spełniać wymogi w rzeczywistych warunkach drogowych.

Szybkie przełączanie ładowania/rozładowania jest największym wyzwaniem w symulacji warunków drogowych podczas testowania akumulatorów. Niemodne już rozwiązanie wykorzystuje 1 zasilacz i 1 obciążenie elektroniczne. Gdy ładowanie jest przełączane na rozładowanie, należy wyłączyć zasilanie, a następnie włączyć obciążenie elektroniczne. Nawet w przypadku pracy z oprogramowaniem, minimalny czas przełączania wynosi nie mniej niż 100 ms. Jest on daleki od wymagań testowych baterii zasilających pojazdy elektryczne w rzeczywistych warunkach drogowych.

Z pomocą przychodzi ITECH, który dostarcza rewolucyjne rozwiązanie - szybki dwukierunkowy zasilacz DC (IT6000C/IT6000B), który łączy zasilacz i obciążenie elektroniczne w jednym urządzeniu. W oparciu o szybki algorytm DSP i wewnętrzną dwukierunkową technologię inwerterową, IT6000C może nie tylko płynnie przełączać ładowanie i rozładowanie, ale także przekształcać pobraną energię w prąd zmienny i przekazywać ją z powrotem do sieci, co pozwala producentom akumulatorów znacznie obniżyć koszty energii elektrycznej. Podczas testu można łatwo importować krzywą stanu jazdy pojazdu elektrycznego w pliku .csv, a dane mogą zawierać do 10 milionów punktów. Dzięki temu symulacja krzywej NEDC lub WLTP nie będzie znacznym wyzwaniem. Idąc dalej, IT6000C może być również wyposażony w profesjonalne oprogramowanie do ładowania i rozładowywania akumulatorów, aby stworzyć zautomatyzowany system testowy. Bez problemu wykona kompleksowy test żywotności baterii w cyklu, temperatury, przeładowania, nadmiernego rozładowania oraz wydajności HPPC.

Zasilacz dwukierunkowy ITECH IT6000C: https://ndn.com.pl/pl/zasilacze-duzych-mocy/4703-zasilacz-itech-seria-it6000c-programowalny-zasilacz-pradu-stalego.html

Zasilacz dwukierunkowy ITECH IT6000B: https://ndn.com.pl/pl/zasilacze-duzych-mocy/4700-zasilacz-itech-seria-it6000b-regeneracyjny-uklad-zasilania.html

Nowe wyzwania w badaniach nad wydajnością energetyczną pojazdów elektrycznych

Jedną z zalet pojazdów elektrycznych w porównaniu z pojazdami napędzanymi paliwami kopalnymi jest szybsze przyspieszenie rozruchu. Wynika to z faktu, że silnik elektryczny może wytworzyć maksymalny moment obrotowy przy niskiej prędkości obrotowej, czego nie potrafi silnik spalinowy. Moc pojazdów elektrycznych jest zwykle oceniana na podstawie takich wskaźników, jak prędkość maksymalna, czas przyspieszania, maksymalna zdolność jazdy pod górę itd. W tradycyjnych rozwiązaniach testowych elektrycznych układów napędowych, jako nośniki energii wykorzystuje się zwykle prawdziwe akumulatory. Przetestowanie i ocena działania systemu w różnych warunkach pracy, wiąże się z niemałym wydatkiem i częstą zmianą zestawów akumulatorów w celu tworzenia zróżnicowanych środowisk. Tak nieelastyczne rozwiązanie prowadzi do wydłużenia czasu testów i zwiększenia kosztów. Dlatego oprogramowanie "symulatora akumulatora", który ma prawie wszystkie cechy prawdziwych akumulatorów może skutecznie poprawić wydajność prac rozwojowych.

Obecnie nie prowadzi się zbyt wielu badań nad symulatorami baterii, a najtrudniejsze jest szybkie przełączanie między prądem dodatnim i ujemnym. Prawdziwe akumulatory mogą szybko przełączać się, gdy pojazd przyspiesza i hamuje, ale symulatory akumulatorów już niekoniecznie. Ponadto, aby ocenić wpływ akumulatora na osiągi pojazdu w różnych porach roku, przy różnych oporach wewnętrznych i różnym SOC, inżynierowie muszą przeprowadzić odpowiednią symulację. Nie jest to łatwe zadanie. Obecne rozwiązanie wymaga zazwyczaj wcześniejszego określenia parametrów krzywej rzeczywistego akumulatora w określonych warunkach, więc wydajność testu jest niska.

Aby to usprawnić, firma ITECH stworzyła lepsze rozwiązanie testowe - symulator akumulatora o modułowej konstrukcji. Zintegrowanie oprogramowania i sprzętu może symulować wiele charakterystyk baterii. Urządzenie, o którym mowa to szybki, dwukierunkowy zasilacz DC (IT6000C/IT6000B), który potrafi symulować "ładowanie" i "rozładowywanie" baterii z szybkim przełączaniem prądu (nie więcej niż 2 ms od -90% do +90%). Profesjonalne oprogramowanie nosi nazwę BSS2000 Pro. Opiera się na modelu matematycznym akumulatora i przekształca złożoną krzywą symulacji charakterystyki na widoczne ustawienia parametrów (brak napięcia, pełne napięcie, pojemność znamionowa itp.) Co więcej, inżynierowie mogą nawet przywołać wbudowane krzywe charakterystyczne baterii dla różnych typów akumulatorów, takich jak LiFePO4, Li4Ti5O12, LiMn204 itp. Oprogramowanie do symulacji akumulatorów BSS2000 Pro może bezpośrednio importować model akumulatora symulowany za pomocą programu Matlab w pliku pliku .mat. Zapewnia to bardziej efektywne rozwiązanie przy badaniu charakterystyki nowego typu akumulatora i jego pracy w różnych warunkach.

Dwukierunkowa konwersja mocy - nowy trend w projektowaniu pojazdów elektrycznych

Mówi się, że Tesla dodaje nową funkcję dwukierunkowego ładowania do Modelu 3 i Modelu Y. Dzięki niej użytkownicy mogą wykorzystać swoje samochody do zasilania domu (V2H) podczas przerwy w dostawie prądu lub do ładowania innego samochodu (V2V). Jednak większa wartość tej funkcji leży w usługach sieciowych (V2G), zwłaszcza gdy pojazdy elektryczne osiągną pewną skalę. Za zgodą właściciela samochodu Tesla może dostarczać firmie energetycznej elektryczność zebraną z pojazdów Tesli w ich sieci energetycznej. Może to pomóc wypełnić lukę w zapotrzebowaniu na energię elektryczną w godzinach szczytu. Koncepcja "cięcia szczytów i wypełniania dołków" z pewnością poprawi wydajność sieci energetycznej.

Połączenie pojazdów elektrycznych z inteligentnymi sieciami energetycznymi (V2G) jest jednym z ważnych zadań w budowie zelektryfikowanego ekosystemu. Oznacza to, że projekt topologii elektrycznej pojazdów musi wspierać dwukierunkowy przepływ energii - dwukierunkowy BOBC i dwukierunkowe stosy ładowania. Inżynierowie muszą nie tylko brać pod uwagę sprawność konwersji w trybie dwukierunkowym, ale także zweryfikować charakterystykę podłączenia do sieci, aby zapewnić niezawodne podłączenie pojazdu elektrycznego bez powodowania zakłóceń.

Sprawdźmy, jak wygląda test BOBC (V2G). Obejmuje on dwa główne elementy: AC-DC i DC-AC. W teście DC-AC, po stronie DC potrzebne jest źródło zasilania DC, aby symulować rozładowywanie akumulatora. Końcówka AC wymaga źródła prądu AC oraz elektronicznego obciążenia prądu przemiennego(AC). Źródło prądu przemiennego symuluje napięcie sieci energetycznej. Jest to ogólne rozwiązanie testowe. Ale czy niesie ono ze sobą ryzyko? Tak. Gdy energia oddawana przez BOBC przekroczy maksymalną energię, jaką może być zaabsorbowana przez obciążenie, popłynie ona z powrotem do źródła prądu przemiennego. Źródło prądu przemiennego na ogół nie może przyjąć energii, co w końcu doprowadzi do odwrotnego załamania. Co gorsza, w przypadku błędu podczas sekwencji włączania i wyłączania obciążenia i źródła prądu zmiennego, spowoduje to uszkodzenie przyrządu.

Lepszym rozwiązaniem w przypadku dwukierunkowego BOBC i stosów ładowania (V2G) jest przeprowadzenie testów z wykorzystaniem symulatora sieci energetycznej (np. ITECH IT7900). Symulator sieci energetycznej to czterokwadrantowe źródło z możliwością płynnego przełączania między źródłem a pochłaniaczem. Poza podstawowymi funkcjami symulator sieci energetycznej ITECH IT7900 posiada również funkcję wzmacniacza mocy, który może dobrze dopasować się do testów mocy HIL.

Obecnie coraz więcej technologii dwukierunkowej konwersji mocy będzie przyspieszać i lepiej służyć ekosystemowi elektryfikacji pojazdów elektrycznych.

Symulator sieci ITECH IT7900: https://ndn.com.pl/pl/glowna/4846-symulator-sieci-itech-serii-it7900-do-165kva.html?search_query=it-7900&results=1

Wraz z transformacją rynku energetycznego i coraz szybszym rozwojem rynku transportu elektrycznego, podstawowe technologie ekosystemu elektryfikacji zostały zaktualizowane, przynosząc jednocześnie różnorodne zastosowania i nowe wyzwania. Łatwo można zauważyć, że jedno rozwiązanie testowe nie jest w stanie sprostać wyzwaniom weryfikacji wszystkich nowych konstrukcji. Dobre rozwiązania testowe muszą charakteryzować się wysokim stopniem automatyzacji, dobrą wydajnością i niskimi kosztami. Tego też oczekują miliony inżynierów projektujących w branży motoryzacyjnej.

ITECH, jako wiodący dostawca rozwiązań w zakresie testowania zasilania, jest zawsze zaangażowany w dostarczanie różnorodnych rozwiązań testowych i pomiarowych dla innowacji i rozwoju globalnego ekosystemu elektryfikacji transportu. Jesteśmy wyłącznym dystrybutorem producenta ITECH w Polsce. Zapraszamy do zapoznania się z ofertą producenta na naszej stronie.

NDN, ul. Janowskiego 15, 02-784 Warszawa
www.ndn.com.pl
tel. (22) 641-15-47