Standardy Ładowania Samochodów Elektrycznych na świecie kompendium wiedzy – Część 1

Standardy Ładowania Samochodów Elektrycznych na świecie kompendium wiedzy – Część 1
Niestety, w różnych częściach świata znane są różne złącza ładowania EV, różne tryby ładowania, oraz różne protokoły komunikacji pomiędzy EV, a EVSE. Na ogół na jednym obszarze obowiązuje jakiś konkretny jeden, spośród tzw. „Standardów Globalnych” (w przeciwieństwie do „Standardów Korporacyjnych”), standard ładowania. Albo jest to standard ładowania wyłącznie DC jak w Japonii CHAdeMO, albo obowiązują 2 niezależnie zaprojektowane złącza, osobne do ładowania AC, i osobne do ładowania DC, jak w Chinach GB/T AC i GB/T DC. Jedynie 2 standardy złącz Type 1 i Type 2, powstały jako złącza AC, po czym zostały rozbudowane o moduły DC. W ten sposób utworzono złącze kompatybilne wstecz Combo 1, znane też pod nazwami: „CCS 1”, „Type 1 / CCS 1”, „Type 1 / Combo 1”, oraz Combo 2, znane też pod nazwami: „CCS 2”, „Type 2 / CCS 2”, „Type 2 / Combo 2”. Pomimo przyjętego w danej części świata standardu, zawsze należy liczyć się z występowaniem tu różnych, zresztą nie tylko będących „przejazdem”, EV, ze złączami ładowania w różnych standardach, a w związku z tym spotykamy się z występowaniem też różnych EVSE, obsługujących różne standardy złącz ładowania. Tak więc, nie dość, że publicznych EVSE jest wciąż zbyt mało, to na dodatek, zdarza się, że będąc w podróży z deficytem energii, dotarłszy do najbliższej EVSE, stwierdzamy z przykrością, że nie spełnia ona naszych oczekiwań, odnośnie standardu złącza. Z powodu generalnych braków w infrastrukturze elektroenergetycznej, a więc ze względu na ograniczenia prądowe, znanych nam z życia codziennego linii energetycznych AC, zasilających miejsca ludzkiego egzystowania, w tym ograniczenia prądowe nawet tzw. linii „siłowych”, obecnych niekiedy w naszych garażach czy przydomowych warsztatach, oraz z powodu wciąż wysokich cen EVSE dużych mocy, dziś najczęściej instaluje się EVSE, które nazywane bywają „półszybkimi”, o mocy ładowania 22 kW. Ponad tym magicznym progiem, powyżej którego do ładowania EV, stosuje się już w zasadzie DC, rozpoczyna się królestwo EVSE zwanych „szybkimi”. Najpopularniejszymi w tej grupie EVSE, są urządzenia o mocach ładowania ok. 50 kW. Na ogół nie zapewniają one jednak ładowania naprawdę szybkiego, gdyż nie dysponują mocą umożliwiającą ładowania najszybszego z możliwych, przewidzianego przez producentów wielu, nawet już dzisiejszych, EV osobowych, o średnich i większych energiach akumulatorów. Tu jest potrzebna specjalna EVSE zasilana większą mocą, i równocześnie dostarczająca EV znacznej mocy. Dla tego trybu ładowania używane są EVSE już wyłącznie DC, a więc dostarczające EV prądu stałego, poprzez złącza o zwiększonej wytrzymałości. Obecnie produkowane wersje złączy wytrzymują napięcie do 1000 V i prąd do 500 A. Ostatnio w wielu krajach, w tym także w Polsce, realizowane są projekty, zakładające instalowanie będących w ścisłej czołówce najsilniejszych obecnie na świecie EVSE dysponujących mocą ładowania 350 kW. Uwzględniając jednak postęp w jakości ogniw, oraz nieodzowny rozwój SEE, należy przyjąć w najbliższej przyszłości, możliwość pojawienia się wielu projektów, mających na celu instalowanie, na trasach przejazdowych, naprawdę bardzo mocnych EVSE, których kable ładujące, aby nie były zbyt grube i ciężkie, chłodzone są cieczą. Takie EVSE zagwarantują osobowemu EV, także takiemu o dużej energii akumulatora, naładowanie go w kilka minut. Nawet akumulator dużego EV, np. sportowego, lub autokaru, można będzie naładować w czasie nie dłuższym, niż potrzebny jest na szybki posiłek dla wycieczkowiczów. Tymczasem inżynierowie wciąż poprawiają parametry nowych generacji akumulatorów, między innymi w zakresie skrócenia czasu ładowania, a więc podniesienia dopuszczalnej mocy ładowania. Może się okazać, że wkrótce powstaną superkondensatory (np. w oparciu o grafen), które umożliwią naładowanie wyposażonego w nie EV w kilkanaście, a może nawet kilka sekund. Przy EVzawierających superkondensatory o naprawdę dużej energii, dopuszczalne więc byłyby moce ładowania kilku MW. Oczywiście są to moce niewyobrażalne dla ładowania ręcznie wtykanymi złączami. Zresztą nie jest powiedziane, że ładowanie musiałoby odbywać się w tempie najszybszym dopuszczalnym przez superkondensatory, skoro nawet znacznie wolniejsze ładowanie byłoby przez użytkowników akceptowalne, ale wtedy jednak bardziej uzasadnione stałoby się istnienie EVSE o mocach, w dzisiejszym rozumieniu, skrajnie dużych, ograniczających czas ładowania EV do kilku minut.
Ładowanie autobusu za pomocą stacji DC
                     Ładowanie autobusu elektrycznego za pomocą stacji DC (Pantografu)
Jednak dla szybkiego ładowania dużych (także wysokich) EV, np. autobusów miejskich, używa się napięcia na ogół DC, oraz pantografów, lub częściej odwróconych pantografów w miejsce ręcznie wtykanych złącz. Na przyszłość, przewiduje się także, nie tylko zresztą wobec dużych EV, możliwość ładowania bezprzewodowego, z wykorzystaniem indukcji magnetycznej, przy wysokiej częstotliwości pola i możliwie dużych wymiarowo cewkach z poziomo ułożonymi uzwojeniami. Jedna z tych cewek umieszczona byłaby w jezdni, a druga pod podwoziem EV, na ogół (choć nie koniecznie) z wymuszoną w tych warunkach, dość dużą szczeliną powietrzną pomiędzy cewkami.
Uwagi ważne z punktu widzenia bezpieczeństwa przeciwporażeniowego: Wszystkie systemy ładowania DC, wymagają wewnątrz EVSE, galwanicznej separacji pomiędzy obwodami elektroenergetycznej sieci zasilającej, a obwodem DC przeznaczonym do ładowania EV (separację zapewnia typowy dla wszelkiego rodzaju współczesnych zasilaczy, inwerterów i przekształtników transformator wysokiej częstotliwości z rdzeniem ferrytowym, dostosowany wielkościowo do wartości przenoszonej mocy). W przypadku ładowania AC, galwaniczna separacja obwodów, wymagana jest w inwerterze umieszczonym wewnątrz EV. Oczywiście, niezależnie od tych zabezpieczeń, napięcie na akumulatorze EV, nawet niepodłączonego do EVSE, jest niebezpieczne, sięgające kilkuset V. Dla porównania, w stacjonarnych fotowoltaicznych instalacjach Prosumenckich, pomiędzy segmentem instalacji DC z fotopanelami, (często także z akumulatorem magazynującym energię), a segmentem AC, występuje inwerter najczęściej beztransformatorowy, nie zapewniający galwanicznej separacji obwodów(!).
 

Ameryka Północna

Type 1 AC

Na Rys.2, pokazano przyjęte do stosowania w Ameryce Północnej, złącza Type 1 ładowania EV. Widać tu występujące alternatywnie w EV 2 męskie złącza, z których każde zawiera okrągły moduł AC. Widać też żeńskie złącze EVSE AC. Wszystkie złącza Type 1 zawierają 3 styki „siłowe”: L1, L2 i PE, oraz 2 styki sterujące. W złączu w Ameryce Północnej są 3 styki „siłowe”: L1, L2, PE, w miejsce europejskich pięciu: L1, L2, L3, N i PE. Jest tak, ponieważ w Ameryce Północnej na potrzeby urządzeń o większej mocy, stosuje się zasilanie dwufazowe o napięciu 240 V, przy fazach przesuniętych o kąt półpełny, bez przewodu neutralnego N. Maksymalna moc ładowania w Ameryce Północnej wynosi 19 kW (1 x 240 V x 80 A). W przypadku ładowania EV wyposażonego w północnoamerykańskie złącze, północnoamerykańskim prądem AC jednofazowym 120 V, przewiduje się podanie linii L1 na styk L1 złącza EV, zaś linii N, na styk L2 złącza EV. W ten sposób ładowanie AC, EV wyposażonego w północnoamerykańskie złącze Type 1, jest w zasadzie zawsze jednofazowe, a jedynie napięcie ładowania może być różne. W standardzie Type 1 nie przewiduje się w EVSE złącza innego, jak jedynie na końcu kabla ładującego wyprowadzonego bezpośrednio z EVSE.
Ładowanie Type 1
Rys.2 Złącze Type 1 AC
Type 1 DC (Combo 1)
 
Jeśli złącze północnoamerykańskie (Type 1) jest w wersji Combo 1, którą pokazują Rys.3, zawiera dodatkowy dolny moduł z dwoma „siłowymi” stykami. Podczas ładowania DC, wykorzystywane są właśnie te 2 styki: (+) Positive i (–) Negative oraz styk PE, znajdujący się w górnym okrągłym module złącza. Także 2 styki sterujące są oczywiście aktywne. Jak wynika z parametrów obciążeniowych poszczególnych styków złącza, jedynie styki stałoprądowe, ze względu na wytrzymałość napięciową i prądową, mogą być wykorzystane do tzw. szybkiego ładowania, z maksymalną mocą, na dziś, do 500 kW. Złącze w wersji Combo 1, to złącze zwane złączem szybkiego ładowania. Jeśli EV jest w nie wyposażony, na ogół możliwe jest ładowanie go zarówno DC, jak i AC. Dla funkcji ładowania DC, w złączu w wydaniu północnoamerykańskim, nie są używane 2 styki „siłowe”: L1 i L2. Dla porównania, w Europie, 4 styki „siłowe” L1, L2, L3, N, które nie są używane, są pominięte w złączu kabla EVSE. Wersja Combo 1 złącza będącego zakończeniem kabla EVSE, używana jest wyłącznie do ładowania DC. W standardzie Combo 1 nie przewiduje się w EVSE złącza innego, jak jedynie na końcu kabla ładującego wyprowadzonego bezpośrednio z EVSE.
TYPE 1 ŁADOWANIE PRĄDEM STAŁYM
Rys.3. Złącze Ładowania szybkiego DC
 
Warto podkreślić, że północnoamerykańskie złącze Combo 1, umożliwia na dziś ładowanie DC z mocą aż do 500 kW.
Słownik pojęć:
SEE – System Elektro-Energetyczny (KSE – Krajowy System Elektro-Energetyczny)
OSD – Operator Systemu Dystrybucyjnego
OZE – Odnawialne Źródło Energii
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – System Nadzorujący Przebieg Procesu
Prosument, Prosumpcja – Producent i równocześnie konsument, produkcja i równocześnie konsumpcja
UHVDC – Ultrahigh Voltage Direct Current – Linia Stałoprądowa Ultra Wysokiego Napięcia
HVDC – High Voltage Direct Current – linia Stałoprądowa Wysokiego Napięcia
MVDC – Medium Voltage Direct Current – linia Stałoprądowa Średniego Napięcia
LVDC – Low Voltage Direct Current – linia Stałoprądowa Niskiego Napięcia
EV – Electric Vehicle – Pojazd Elektryczny
EVSE – Electric Vehicles Supply Equipment – Stacja Ładowania EV – Ładowarka EV
V2H – Vehicle to Home – Pojazd do Domu, dwukierunkowy przepływ energii
V2G – Vehicle to Grid – Pojazd do SEE, dwukierunkowy przepływ energii
AC – Alternating Current – Prąd Przemienny – Prąd Zmienny
L1 – Line 1 – Pierwsza Linia Zasilania – Pierwsza Faza
L2 – Line 2 – Druga Linia Zasilania – Druga Faza
L3 – Line 3 – Trzecia Linia Zasilania – Trzecia Faza
N – Neutral – Styk Neutralny Zasilania – Styk Zerowy
DC – Direct Current – Prąd Stały
Positive – Plus Zasilania
Negative– Minus Zasilania
PE – Potential Earth – Styk Ochronny, a równocześnie Masa, Uziemienie
Standard Globalny – Standard Złącz lub tryb ładowania stosowany powszechnie lub na dużym bszarze
Standard Korporacyjny – Standard Złącz lub tryb ładowania stosowany przez jedną firmę
GB/T AC – Standard Złącz w Chinach, zmiennoprądowy
GB/T DC – Standard Złącz w Chinach, stałoprądowy
CHAdeMO – Standard Złącz w Japonii, stałoprądowy
Type 1 – Standard Złącz Typ 1, podstawowa wersja zmiennoprądowa
CCS 1 – Combined Charging System 1 – System Ładowania Combo 1, rozszerzenie Type 1 o moduł stałoprądowy
Type 2 – Standard Złącz Typ 2, podstawowa wersja zmiennoprądowa
CCS 2 – Combined Charging System 2 – System Ładowania Combo 2, rozszerzenie Type 2 o moduł stałoprądowy
CAN – Controller Area Network – Szeregowa Magistrala Komunikacyjna
PLC – Power Line Communication – Komunikacja Linią Energetyczną
CP – Control Pilot – Sygnał Sterujący
PP – Proximity Pilot – Sygnał Zbliżeniowy
CS – Coupler Contact – Sygnał Połączenia
CC – Conection Confirmation – Sygnał Połączenia.
 
Artykuł autorstwa inż. Adama Uhle właściciela strony elhu.pl
comment0 odpowiedzi


    Brak komentarzy


mode_editNapisz komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

menu
menu