Wraz ze wzrostem znaczenia rynku pojazdów elektrycznych w Europie w ciągu ostatnich kilku lat stale zwiększa się zapotrzebowanie na punkty ładowania. Rosnąca popularność infrastruktury jest spowodowana głównie popytem na pojazdy elektryczne, a także koncentracją wysiłków producentów samochodów na pojazdach elektrycznych, aby zaspokoić popyt w UE. Oczywiste jest również, że wzrost sprzedaży nowych pojazdów elektrycznych wymaga dalszego powiększania infrastruktury, w tym tworzenia nowych punktów ładowania z łatwym dostępem oraz rozbudowy punktów istniejących.
Ogólna infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych obejmuje różne rodzaje stacji ładowania. Stacje ładowania o dużej mocy w dogodnych lokalizacjach są niezbędne w każdej podróży; jak wiadomo, wszystkie akumulatory wymagają długiego ładowania – i akumulatory pojazdów elektrycznych nie są tu wyjątkiem. Pojemność najmniejszych akumulatorów pojazdów elektrycznych wynosi około 20–30 kWh, w przypadku największych może sięgać 100 kWh. Przy pojemności akumulatora wynoszącej około 100 kWh standardowa domowe gniazdo 240 V naładuje go w około 24 godziny (przy 2,3 kW mocy ładowarki). Specjalistyczny punkt ładowania z puszką naścienną naładuje taki akumulator w około 7,5 godziny (7,4 kW), z kolei stacja ładowania o dużej mocy poradzi sobie z tym zadaniem w mniej niż godzinę (przy 50 kW). Dostępność stacji ładowania o dużej mocy jest kluczowa dla większości kierowców podróżujących w długich trasach, w przeciwnym razie cała infrastruktura byłaby niepraktyczna.
W rzeczywistości większość właścicieli pojazdów elektrycznych będzie posiadać specjalną ładowarkę domową podłączoną do domowej sieci elektrycznej, aby móc ładować pojazd w nocy, gdy elektryczność jest znacznie tańsza i jest na nią mniejsze zapotrzebowanie. Te domowe ładowarki będą współpracować ze standardowymi gniazdami 240 V/13 A, natomiast większość komercyjnych dostawców energii zainstaluje ładowarkę naścienną o mocy 7,4 kW / 32 A.
Piramida ładowania pojazdów elektrycznych
Rozwój rynku pojazdów elektrycznych napędzany przez producentów samochodów przyczynił się do pojawienia się różnorodnych zastrzeżonych ładowarek i typów złączy, przy czym każde ma własną niepowtarzalną konstrukcję. Samo to stanowi ogromne wyzwanie dla ogólnej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych. Jednym z rozwiązań tego problemu są strategie ładowania.
Na dole skali znajdują się wolne ładowarki, o mocy znamionowej wynoszącej na ogół 2–3 kW, które można stosować niemal w każdym domu. Oprócz tego dostępny jest również szereg domowych ładowarek naściennych, które można zainstalować na zewnątrz domu albo w garażu; ich moc znamionowa wynosi 7,4 kW i są one podłączane bezpośrednio do sieci energetycznej.
Stacje ładowania o normalnej mocy można znaleźć w większości miejsc publicznych, takich jak parkingi, centra handlowe, a niekiedy nawet przy miejscach postojowych na ulicy. Te stacje ładują pojazdy elektryczne przy określonej mocy znamionowej, zgodnie z parametrami sieci ładowania. Stacje ładowania o normalnej mocy mają moc znamionową wynoszącą 7–22 kW i mogą całkowicie naładować pojazd elektryczny od zera w ciągu od trzech do sześciu godzin, w zależności od pojemności akumulatora.
Stacje ładowania o dużej mocy są jeszcze szybsze i można je najczęściej znaleźć na parkingach, gdzie pojazdy elektryczne są zostawiane na kilka godzin. Występują w dwóch rodzajach: stacje AC o mocy 43 kW i DC – 50 kW. Stacje DC dostarczają moc bezpośrednio do samochodu bez przekształcania prądu AC w DC i towarzyszących temu procesowi strat mocy. Obydwie metody pozwalają naładować akumulator pojazdu elektrycznego w około godzinę.
Na górze skali ładowania pojazdów elektrycznych znajdują się stacje ładowania o bardzo dużej mocy (Superchargers), które ładują przy 120–300 kW. Tesla była jedną z pierwszych spółek samochodowych produkujących pojazdy elektryczne, która opracowała stację o mocy znamionowej 120 kW z własnym zastrzeżonym złączem, a niedawno zaprezentowała nową stację Supercharger o mocy znamionowej 250 kW. Tesla twierdzi, że jej akumulatory można naładować do pełna w 15–30 minut w sieci ponad 20 tysięcy stacji Supercharger dostępnych w Europie. Tego rodzaju stacje są idealne w przypadku punktów obsługi i stacji benzynowych, ponieważ znajdują się one zazwyczaj w lokalizacjach odwiedzanych podczas długich podróży i można uzyskać do nich łatwy dostęp.
Kilka spółek zajmujących się ładowaniem pojazdów elektrycznych opracowało ładowarki przekraczające moc znamionową 150 kW, typową dla większości stacji Supercharger. Jedną z takich spółek jest szwajcarska ABB. ABB wprowadziła na rynek swoją stację DC Terra, której moc wyjściowa może sięgać do 350 kW, co stanowi niemal trzykrotność wartości mocy dostępnej na stacjach Supercharger Tesli. Niestety nic na rynku nie jest w stanie sprostać tego rodzaju wydajności ładowania, jednak technologia ta jest dostępna i gotowa do wdrożenia, gdy pojazdy elektryczne osiągną odpowiednie parametry.
Typy złączy
W ramach infrastruktury pojazdów elektrycznych istnieje nie tylko szereg opcji ładowania, ale również dostępne są różne złącza. Poszczególne złącza i systemy ładowania są wzajemnie niekompatybilne, co zapobiega potencjalnym trudnościom w branży pojazdów elektrycznych. Oto lista najczęściej występujących typów złączy pojazdów elektrycznych:
Wtyczka typu 1 – wtyczka typu 1 to wtyczka jednofazowa, dopuszczająca poziomy mocy ładowania do 7,4 kW (230 V, 32 A). Jest głównie używana jako standardowy model w samochodach z regionu Azji i rzadko spotykana w Europie, gdzie w związku z tym dostępnych jest niewiele publicznych stacji ładowania typu 1.
Wtyczka typu 2 – głównym obszarem dystrybucji tej trójfazowej wtyczki jest Europa, gdzie jest ona traktowana jako standardowy model. W prywatnych przestrzeniach powszechne są poziomy mocy ładowania do 22 kW, podczas gdy poziomy mocy ładowania do 43 kW (400 V, 63 V, AC) można stosować na publicznych stacjach ładowania. Większość publicznych stacji ładowania jest wyposażonych w gniazdo typu 2. Można do niego stosować wszystkie kable do ładowania trybu 3, a samochody elektryczne można ładować za pomocą wtyczek zarówno typu 1 i typu 2. Wszystkie kable trybu 3 po bokach stacji ładowania mają tak zwane wtyczki Mennekes (typu 2).
Wtyczki łączone (Combined Charging System, CCS) – wtyczka CCS to udoskonalona wersja wtyczki typu 2, z dwoma dodatkowymi stykami mocy dla szybkiego zasilania, która obsługuje poziomy mocy zasilania prądem AC i DC (przemiennym i stałym) do 170 kW. W praktyce wartość ta wynosi zazwyczaj około 50 kW.
Wtyczka CHAdeMO – ten szybki system ładowania opracowano w Japonii; pozwala on na ładowanie przy maksymalnie 50 kW na odpowiednich publicznych stacjach ładowania. Producenci oferujący samochody elektryczne kompatybilne z wtyczką CHAdeMO to: BD Otomotive, Citroën, Honda, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Subaru, Tesla (z adapterem) i Toyota.
Stacja Supercharger Tesla – na swojej stacji Tesla stosuje zmodyfikowaną wersję wtyczki Mennekes typu 2. Umożliwia to modelowi S naładowanie akumulatora do 80% w ciągu 30 minut. Tesla oferuje swoim klientom bezpłatne ładowanie. Do dziś nie ma możliwości, aby inne modele samochodów były kompatybilne ze stacjami Supercharger Tesla.
Domowe gniazdo do ładowania – poziomy mocy ładowania do 3,7 kW (230 V, 16 A) można uzyskać w domowym gnieździe przy odpowiednim bezpieczniku. Twój samochód elektryczny będzie ładowany za pomocą kabla do ładowania trybu 2. Zdecydowanie zalecamy maksymalną moc ładowania 2,3 kW (230 V, 10 A), jeżeli gniazdo nie zostało wcześniej sprawdzone. Domowe gniazda można czasami znaleźć na publicznych stacjach ładowania. Ta metoda ładowania jest dostępna dla wszystkich samochodów elektrycznych.
Infrastruktura sieci
Liczba punktów ładowania pojazdów elektrycznych w Europie rośnie z każdym rokiem wraz z popytem na pojazdy elektryczne. W niektórych regionach dzieje się to znacznie szybciej niż w innych. Według danych stowarzyszenia European Alternative Fuels Observatory w 2019 r. istniało około 15 tys. punktów ładowania o wysokiej mocy (22 kW+), a w 2020 r. liczba ta się niemal podwoiła i wyniosła 25 tys. Wynika to nie tylko z postępów w zakresie ładowania pojazdów elektrycznych, ale również z wdrożenia krajowych ram polityki, na mocy artykułu 3 dyrektywy 2014/94/UE.
Jednym z krajów wiodących pod względem eksploatacji pojazdów elektrycznych jest Norwegia, w której zarejestrowano ponad 300 tys. pasażerskich pojazdów elektrycznych, co stanowi ponad 15% całego rynku samochodowego na rok 2020. Tamtejszy rynek samochodów typu plug-in jest od kilku lat największy na świecie, a Norwegia jest pierwszym krajem, gdzie sprzedano więcej pojazdów elektrycznych niż samochodów z silnikiem spalinowym. Obecnie w Norwegii na populację wynoszącą mniej więcej 5,2 miliona przypada około 500 tys. pojazdów elektrycznych, w tym hybryd i hybryd typu plug-in.
Aby poradzić sobie z tym niesamowitym popytem na pojazdy elektryczne, niezbędna jest infrastruktura sieci ładowania. Według witryny electromaps, obecnie w Norwegii znajduje się około 9000 punktów ładowania na 2500 stacjach. Jest to również najbardziej ekologiczna sieć na świecie – 98% elektryczności służącej do ładowania pojazdów elektrycznych pochodzi z odnawialnych źródeł energii.
W całej Europie wiele spółek energetycznych wkracza do branży ładowania pojazdów elektrycznych, ponieważ są najlepiej dostosowane do tego rodzaju rynku, zwłaszcza jeśli mogą zaoferować elektryczność z odnawialnych źródeł energii, takich jak wiatr, energia słoneczna i woda. Duńska spółka Fastned, wiodący specjalista w zakresie ładowania, wprowadziła niedawno na rynek niezależne stacje ładowania zasilane z paneli słonecznych. Rozwiązanie to jest opłacalnym sposobem ładowania pojazdów elektrycznych, jako że wcześniejsze rozwiązania wymagają zasilania przez miejscowe elektrownie. Nowe stacje ładowania pojazdów elektrycznych musiałyby w związku z tym być podłączone do istniejącej już sieci energetycznej – co mogłoby ją nadmiernie obciążyć – a także zlokalizowane w miejscach publicznych.
Dla niektórych spółek pojazdy elektryczne to okazja na zmianę sposobu prowadzenia działalności, a także dotarcie do stale ewoluującej grupy demograficznej. Spółki naftowe takie jak BP i Shell zainstalowały ładowarki pojazdów elektrycznych w niemal wszystkich swoich punktach obsługi w Europie, dzięki czemu dotrzymują kroku trendom i rozszerzają swoją bazę klientów. Ponadto większość punktów obsługi ma strategiczne położenie, umożliwiające łatwy dostęp dla większości kierowców, co jest dużą korzyścią dla ogółu infrastruktury pojazdów elektrycznych.
Bezpieczeństwo ładowania pojazdów elektrycznych
Z ładowaniem pojazdów elektrycznych wiążą się dwa aspekty: punkt ładowania i kabel ładowania z odpowiednim złączem. Do punktów ładowania pojazdów elektrycznych zastosowanie ma unijna norma IEC 61851, która ewoluuje i podlega ciągłym zmianom. Kabel ładowania i złącze ładowania podlegają normie IEC 62196 dotyczącej wtyczek, gniazd wtykowych, złączy pojazdowych i wtyków pojazdowych. Te normy UE wdrożono w celu zapewnienia bezpieczeństwa sprzętu i użytkownika końcowego. Przykładowo moc jest dostarczana do pojazdu tylko wtedy, gdy podłączony jest kompatybilny pojazd; ponadto w czasie, gdy kabel jest podłączony, pojazd musi być unieruchomiony.
Norma IEC 62196 obejmuje również normy podrzędne (IEC 62196-1 i IEC 62196-2), które szczegółowo objaśniają konstrukcję każdego rodzaju wtyczki i jej specyfikacje. Regulacje te zostały wdrożone, aby umożliwić kompatybilność między produktami różnych producentów.
Konfiguracje:
Typ 1 – powszechnie stosowany w Stanach Zjednoczonych i Japonii, pierwotnie zaprojektowany przez Yazaki i objęty normą SAE J1772 w Stanach Zjednoczonych. Złącze ma okrągłą obudowę, z wgłębieniem w gnieździe pojazdu, co pozwala określić jego położenie przy podłączaniu. Dopuszczalny prąd roboczy to 32 A, a prąd maksymalny to 80 A, ale wyłącznie w Stanach Zjednoczonych.
Typ 2 – zwany także złączem Mennekes, ma okrągłą obudowę z jedną stroną spłaszczoną, co ułatwia stosowanie go w odpowiednim położeniu. Ma również kilka styków trzpieniowych i tulejowych dla maksymalnie czterech przewodów AC, induktor ochronny oraz dwa trzpienie sygnałowe do sterowania funkcjami. Złącza typu 2 mają również dodatkową cechę, dzięki której styków nie da się dotknąć palcem, co zapobiega porażeniu prądem, a w nowszych wersjach złącze zostało jeszcze bardziej udoskonalone poprzez dodanie osłony. Złącze to może podawać prąd o natężeniu 63 A, przy prądzie maksymalnym 70 A dostępnym dla zastosowań jednofazowych. Na terytorium UE obowiązuje wymóg, aby wszystkie publiczne stacje ładowania AC były wyposażone w złącze i gniazdo typu 2.
Typ 3 – ta konfiguracja, w przeciwieństwie do dwóch pozostałych, składa się nie tylko z wtyczki i gniazda, ale również sprzęgu pojazdu. To konkretne złącze ma owalną obudowę ze spłaszczoną stroną, co ułatwia podłączanie go w odpowiednim położeniu. Ma ono również zabezpieczenie przed dotykiem w postaci osłon trzpieni oraz mechanizm blokujący całość w momencie włożenia wtyczki do gniazda. Złącze to umożliwia ładowanie prądem jednofazowym do 16 A bez przewodu sterującego, 32 A z przewodem sterującym i ładowanie prądem trójfazowym do 63 A.
Jak już wiadomo, zapotrzebowanie na stacje ładowania pojazdów elektrycznych jest bardzo wysokie w całej Europie; konieczne jest również zapewnienie, aby każdy punkt ładowania był sprawny; w przeciwnym razie może dojść do zwiększenia obciążenia infrastruktury. Do niesprawności punktu ładowania może przyczynić się szereg problemów, takich jak przeciążenie zasilania, awarie sprzętu i systemu oraz przegrzanie. W celu rozwiązania tego problemu wiele krajów w Europie zaczęło dbać, aby każda publiczna stacja ładowania była zgodna z odpowiednimi europejskimi normami bezpieczeństwa instalacji elektrycznej. Przepisy prawa mające zastosowanie do każdej stacji obejmują następujące kwestie:
Zgodnie z normą HD 60364 wykwalifikowani elektrycy muszą przeprowadzać testy instalacji niskiego napięcia po zainstalowaniu sprzętu. Testy obejmują pomiary, inspekcje i testowanie różnych trybów pracy danej stacji ładowania. Na przeprowadzane testy składa się pomiar ciągłości ochronnych przewodów uziemiających oraz skuteczności wbudowanego wyłącznika różnicowoprądowego, izolacji i rezystancji uziemienia.
Test adaptors for EV charge stations
Nadaje się do stacji ładowania pojazdów z trybem ładowania 3.
Fluke T6-1000 PRO Electrical Tester
Tester elektryczny T6-1000 PRO mierzy napięcie do 1000 VAC i prąd do 200 AAC, wszystko przez otwarty widelec i bez styku przewodu testowego pod napięciem.
Bezpieczeństwo dotyczy nie tylko samych stacji ładowania, ale każdego aspektu sprzętu do ładowania, w tym budowy kabli do ładowania, która musi być zgodna z normą HD 60364-5-52. Obejmuje to również testowanie temperatury podczas jednej godziny nieprzerwanej eksploatacji. Testy pozwalają określić ryzyko przegrzania jednostki ładującej oraz kabla do ładowania, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przez pożar albo przepalenie. Maksymalny dopuszczalny wzrost temperatury wynosi 45 stopni Kelwina. Ryzyko przegrzania można łatwo zidentyfikować za pomocą kamer termowizyjnych.
FLIR Exx-Series
Zaprojektowany dla specjalistów ds. termografii, którzy regularnie sprawdzają dużą liczbę obiektów w ciągu dnia, ścieżka inspekcji FLIR prowadzi użytkownika po wstępnie zdefiniowanej trasie punktów inspekcji, dzięki czemu mogą oni gromadzić obrazy i dane w uporządkowany sposób
Fluke TiS55 Thermal Imager
Take your plan for a proactive maintenance (PM) program and turn it into reality. To get started, you need features that make it easy to set up your image organization and inspection routines.
Jednak część procedur badania stacji ładowania pojazdów elektrycznych nie obejmuje początkowej instalacji, więc kluczowe jest, aby okresowe testy były przeprowadzane przez cały czas użytkowania. Należy też przestrzegać punktu 6.5 normy HD 60364-6 i przeprowadzić testy bezpieczeństwa elektrycznego i operacyjnego sygnału sterowania w celu zachowania zgodności z normą EN 61851-1. W celu przeprowadzenia tego testu sygnału modulacji szerokości impulsów należy zastosować oscyloskop. Zwrócone dane graficzne powinny umożliwić technikowi ocenę wszelkich nieprawidłowości sygnału ładunku w dowolnym momencie między stacją ładowania a danym pojazdem.
Handheld Oscilloscope Bundle, 4x 500MHz, 5GSPS, Rohde & Schwarz
Wydajność laboratoryjna w wytrzymałej i przenośnej konstrukcji — doskonałe wielofunkcyjne narzędzie do laboratorium lub w terenie.
Handheld Oscilloscope, 4x 200MHz, 2.5GSPS, Fluke
Fluke ScopeMeter 190 Series II łączy najwyższe oceny bezpieczeństwa i solidną przenośność z wysoką wydajnością oscyloskopu laboratoryjnego.
Przyszłość infrastruktury pojazdów elektrycznych
Wraz z rosnącą liczbą użytkowników inwestujących w pojazdy elektryczne wzrasta również zapotrzebowanie na nowe punkty ładowania w dogodnych lokalizacjach. Istnieje też szereg wspieranych przez rządy programów mających na celu zaspokojenie tego popytu poprzez instalowanie punktów ładowania pojazdów elektrycznych w firmach dla pracowników oraz w domach.
Światowa polityka związana ze zmianą klimatu również wspiera dążenia do „przejścia na elektryczność”, a producenci samochodów powoli przekształcają swoją działalność, przechodząc z silników spalinowych na całkowicie elektryczne napędy. Niedawno Ford ogłosił, że do 2030 r. wszystkie jego modele będą w pełni elektryczne.
Nie ma wątpliwości, że infrastruktura ładowania będzie się rozwijać jeszcze przez wiele lat, ale obecny system stanowi doskonały fundament do budowania przyszłości.
