2024-05-24
Elektromobilność

Podstawy elektromobilności

Auta elektryczne znane są nam od ponad 100 lat, ale dopiero od niedawna cieszą się olbrzymią popularnością. Elektromobilność jako dynamicznie rozwijająca się dziedzina, swym tempem rozwoju przytłacza wiele osób. Dlatego właśnie zdecydowałem się na przygotowanie tego mini poradnika – aby pomóc usystematyzować wiedzę. Jeśli uznasz też tekst za wartościowy, będzie mi miło jeśli go udostępnisz dalej.

Spis treści

Rodzaje aut z napędem elektrycznym oraz ich zasada działania

Rozróżniamy dwa rodzaje samochodów elektrycznych – hybrydowe oraz w pełni elektryczne. Auta hybrydowe dodatkowo dzielimy na trzy podkategorie.

Samochód z napędem hybrydowym to samochód, który dysponuje dwoma źródłami napędu. Najbardziej powszechne są auta hybrydowe zasilane silnikiem spalinowym złożonym z jednostki spalinowej benzynowej lub wysokoprężnej oraz wspomagany silnikiem elektrycznym. Samych silników elektrycznych może być więcej niż jeden. Napęd elektryczny może służyć nie tylko do zmniejszenia zużycia paliwa, ale również do zwiększenia mocy. Nowoczesne pojazdy hybrydowe wykorzystują dodatkowe techniki zwiększające wydajność energetyczną, takie jak ładowanie baterii energią odzyskiwaną z hamowania. W niektórych rozwiązaniach silnik spalinowy jest wykorzystywany do generowania energii elektrycznej zasilającej silnik elektryczny.

Auto hybrydowe (HEV – z ang. hybrid electric vehicle)

Auta oznaczane jako HEV to pełne hybrydy. Co to znaczy, że auto jest pełną hybrydą? Dodatkowy silnik elektryczny wspomaga podstawowy silnik spalinowy w trakcie przyspieszania i na niewielkich odcinkach, przy niewielkiej prędkości, może samodzielnie napędzać samochód. Samochody typu HEV nie mogą być doładowywane z zewnętrznego źródła prądu. Dlatego do takich pojazdów nie potrzebne są stacje ładowania. Auta te energię elektryczną w akumulatorze gromadzą dzięki pozyskiwaniu jej z pracy jednostki spalinowej lub podczas zwalniania lub hamowania tzw. regenerative breaking, odzysk energii z hamowania. Dodatkowy silnik elektryczny pozwala na poprawę osiągów samochodu poprzez zapewnienie dodatkowego momentu obrotowego, jak i na obniżenie zużycia paliwa (jednostka spalinowa pracuje rzadziej i mniej intensywnie).

Zalety i wady pełnych hybryd typu HEV to:

  1. w trybie elektrycznym dysponują bardzo małym zasięgiem, w praktyce niewiele przekraczającym 1 km
  2. nadają się głównie do miasta – na trasie poza miastem praktycznie brak możliwości wykorzystania odzysku energii z hamowania auta
  3. brak możliwości ładowania akumulatora auta
  4. niższe spalanie w cyklu miejskim
schemat budowy auta hybrydowego www.kanalelektryczny.pl
Schemat budowy auta hybrydowego, opracowanie własne

Hybryda Plug-In (PHEV)

Auta oznaczone jako PHEV to auta które posiadają  pojemniejszy od aut HEV akumulator wysokonapięciowy z możliwością ładowania z gniazdka. Zgromadzona w nim energia pozwala pokonać kilkadziesiąt kilometrów trasy na samym silniku elektrycznym, bez potrzeby używania jednostki spalinowej. Dzięki temu hybrydą plug-in można np. codziennie dojeżdżać do pracy tylko w trybie elektrycznym, i to przy wyjątkowo niskim poziomie hałasu.

Zalety i wady:

  • większy zasięg od pełnej hybrydy HEV umożliwiający pokonanie kilkudziesięciu kilometrów
  • wysokie spalanie na autostradach przy wysokich prędkościach
  • auto wciąż typowo miejskie
  • cicha praca na silniku elektrycznym
  • możliwość ładowania akumulatora zewnętrzną ładowarką
Zasada działania auta hybrydowego PHEV, opracowanie www.kanalelektryczny.pl
Zasada działania auta hybrydowego PHEV, opracowanie www.kanalelektryczny.pl

Miękka Hybryda (mHEV)

W przypadku mHEV tzw. miękkiej hybrydy, silnik elektryczny łączy funkcje rozrusznika i alternatora. Oznacza to, że nie jest w stanie samodzielnie napędzać samochodu, ale potrafi odzyskiwać energię podczas wytracania prędkości i wykorzystać ją później do zasilania pokładowych urządzeń elektrycznych oraz do wspomagania silnika spalinowego podczas jazdy. Ponadto, pozwala wcześniej aktywować system start/stop i umożliwia tzw. żeglowanie czyli chwilową jazdę ze stałą prędkością z wyłączonym silnikiem spalinowym. zapewnia łatwiejszy rozruch jednostki napędowej – dzięki czemu zwiększa komfort.

Wady i zalety:

  • Niewielkie koszt w porównaniu z innymi hybryda
  • Niższe spalanie
  • Brak możliwości jazdy na silniku elektrycznym

Auto elektryczne – battery electric vehicle (BEV)

Auta w pełni elektryczne, tzw. elektryki to pojazdy nie zawierające silnika spalinowego. Napędza je wyłącznie silnik elektryczny czerpiący energię z akumulatora. Sam akumulator jest dużo większy i pojemniejszy niż w hybrydach, musi być ładowany zewnętrznym urządzeniem – stacją ładowania pojazdów elektrycznych. Auta elektryczne są ciche oraz zeroemisyjne – nie emitują spalin do atmosfery podczas jazdy. Nie potrzebują też paliwa, ale wymagają prądu elektrycznego.

Zasada działania auta elektrycznego BEV, opracowanie www.kanalelektryczny.pl
Zasada działania auta elektrycznego BEV, opracowanie www.kanalelektryczny.pl

Budowa auta elektrycznego (BEV)

Budowa auta elektrycznego, opracowanie www.kanalelektryczny.pl na podstawie afdc.energy.gov
Budowa auta elektrycznego, opracowanie www.kanalelektryczny.pl na podstawie afdc.energy.gov

Kluczowe elementy budowy auta elektrycznego

  1. Akumulator trakcyjny – przechowuje energię elektryczną niezbędną do pracy silnika elektrycznego
  2. Złącze ładowania – złącze pozwala na ładowanie auta poprzez zewnętrzną ładowarkę
  3. Przekładnia – przekazuje energię mechaniczną pochodzącą z pracy silnika elektrycznego na wał i następnia koła pojazdu
  4. Prostownik – przekształtnik zamieniający prąd zmienny AC na prąd DC, którym jest ładowany akumulator trakcyjny. Ponadto prostownik komunikuje się z ładowarkami, monitoruje stan baterii auta oraz proces ładowania.
  5. Akumulator pomocniczy –podrzymuje zasilanie obwodów pomocniczych
  6. Silnik elektryczny – napędza pojazd korzystając z energii zgromadzonej w baterii (akumulatorze trakcyjnym)
  7. Sterownik energoelektroniki – zarządza przepływem energii z baterii do silnika oraz przez to momentem obrotowym
  8. Przekształtnik DC/DC – zamienia wysokie napięcie DC pochodzące z baterii na niskie napięcie DC potrzebne do zasilenia obwodów pomocnicznych i ładowania akumulatora pomocniczego
  9. System chłodzenia – odpowiada za utrzymanie prawidłowej temperatury pracy auta

Schemat i architektura budowy auta elektrycznego

Pojazd elektryczny (BEV) to rodzaj pojazdu, który porusza się dzięki energii elektrycznej zmagazynowanej w akumulatorze (baterii). Kluczowe elementy wymagane do zbudowania pojazdu elektrycznego obejmują akumulator (baterię) wysokiego napięcia, silnik elektryczny, inwerter, przekształtnik DC/DC, urządzenia pomocnicze i ładowarkę pokładową.

Poniżej znajduje się przykład architektury pojazdu elektrycznego:

Architektura budowy pojazdu elektrycznego BEV, opracowanie www.KanalElektryczny.pl
Architektura budowy pojazdu elektrycznego BEV, opracowanie www.KanalElektryczny.pl

Bateria wysokonapięciowa

Akumulator wysokiego napięcia jest często najdroższą częścią pojazdu elektrycznego i stanowi około 40% jego całkowitego kosztu. Akumulator wysokiego napięcia jest miejscem, w którym przechowywana jest energia niezbędna do poruszania pojazdem. Napięcie akumulatora mieści się w zakresie od 280 V do 800 V, w zależności od pożądanych osiągów pojazdu i wybranego napięcia. Poziom ten jest czasami nazywany „napięciem trakcyjnym” pojazdu. Dedykowane urządzenie zwane Systemem Zarządzania Baterią (BMS), jest zintegrowane z akumulatorem, a jego funkcją jest zarządzanie i monitorowanie napięcia, prądu i temperatury na poziomie pojedynczych ogniw składających się na całą baterię.

Falownik/ Inwerter / Energoelektronika

Falownik to urządzenie, które przekształca energię zmagazynowaną w akumulatorze z prądu stałego (DC) na prąd przemienny (AC) w sposób zorganizowany i kontrolowany. Falownik wymusza moment obrotowy i/lub prędkość z silnika elektrycznego. Nowoczesny falownik może osiągać sprawność powyżej 98%, a im wyższa sprawność, tym mniej ciepła należy schłodzić w chłodnicy wodnej. Aby kontrolować prędkość i moment obrotowy silnika, w falowniku implementuje się dedykowane algorytmy dostosowane do typu silnika i pojazdu. 

Silnik elektryczny

Silnik elektryczny to urządzenie służące do przekształcania energii elektrycznej na moc mechaniczną (tj. prędkość i moment obrotowy) potrzebną do tego by poruszyć pojazd. W porównaniu do tradycyjnego silnika spalinowego, silnik elektryczny:

  • jest wykonany głównie z aluminium, miedzi i magnesów, a elementy konstrukcji elektromagnetycznej są bardzo złożone
  • posiada zdolność odzyskiwania energii podczas hamowania, a przy pomocy falownika może doładować akumulator
  • ma większą gęstość mocy (silnik elektryczny o mocy 100 kW może być 10 razy mniejszy od silnika spalinowego).
  • jest bardzo wydajny – jego sprawność sięga ponad 95%, podczas gdy silnik spalinowy nie przekracza 35%
  • ma wymiary proporcjonalne do możliwości momentu obrotowego, a nie mocy
  • jest dostępny w różnych technologiach i zapewnia różne korzyści, takie jak koszt, gęstość mocy i wydajność.

Jedno z popularniejszych wykonań to silnik z magnesem trwałym ze względu na jego wysoką wydajność.

Przekształtnik DC/DC

Przetwornica DC/DC przekształca energię z jednego napięcia na drugie. Tradycyjne pojazdy spalinowe (ICE) wytwarzają napięcie o wartości 12 V/24 V do zasilania świateł, wycieraczek przedniej szyby lub radia. Przetwornica DC/DC w pojeździe elektrycznym przetwarza energię elektryczną z akumulatora wysokiego napięcia HV na niskie napięcie wymagane przez oświetlenie i systemy takie jak radio czy nawigacja. Zasilanie 12 V/24 V jest często nazywany magistralą niskiego napięcia pojazdu. To także jest obszar poprawy efektywności w autach elektrycznych – standardowe alternatory pracują ze sprawnością na poziomie 55-60%, natomiast przetwornice DC/DC osiągają sprawność do 95%.

Systemy pomocnicze

Wiele róznych urządzeń wykonuje w pojeździe podstawowe zadania – są one ogólnie określane jako elementy pomocnicze. W pojazdach elektrycznych urządzenia pomocnicze działają przy napięciu trakcyjnym pojazdu lub przy niskim napięciu. Napięcie, na którym powinien pracować zasilacz pomocniczy zależy od poboru mocy urządzenia pomocniczego. Oto kilka przykładów urządzeń pomocniczych:

  • Wspomaganie kierownicy
  • Pompy wodne
  • Klimatyzacja
  • Sprężarki powietrza
  • ePTO (elektryczna przystawka mocy)

Wszystkie te funkcje w pojeździe elektrycznym muszą być realizowane za pomocą dedykowanych jednostek elektrycznych (inwerter + silnik). Każda jednostka jest zarządzana niezależnie w ramach koncepcji uruchamiania na żądanie. Podnosi to efektywność całego systemu.

Wspomaganie kierownicy

Układ wspomagania kierownicy pojazdu elektrycznego to układ, w którym silnik elektryczny i pompa hydrauliczna są ze sobą połączone. Układ wykorzystuje niskiego napięcie, ponieważ nie potrzebuje dożo mocy do działania. Korzyścią tego rozwiązania jest też to, że jeśli cokolwiek zaburzy lub uszkodzi magistralę wysokiego napięcia, nie tracimy systemu wspomagania kierownicy.

Pompy wodne

Pojazd elektryczny często zawiera wiele pomp wodnych sterowanych za pomocą falownika lub sterownika silnika w celu zapewnienia chłodzenia. Chłodzenie wodą nie jest potrzebne w autach osobowych lub pompa jest sterowana magistralą niskiego napięcia kosztem większych strat energii.

Klimatyzacja / Wentylacja

Klimatyzacja jest systemem bardzo energochłonnym, dlatego jest podłączona do napięcia trakcyjnego HV by sprostać zapotrzebowaniu mocowemu. Układ klimatyzacji zawiera silnik elektryczny, falownik i sprężarkę, a jego celem jest chłodzenie lub podgrzewanie powietrza w kabinie. Jak można sobie wyobrazić, potrzeba dużej mocy, aby schłodzić gorącą kabinę w lecie do temperatury 20 st C.

Sprężarka powietrza

Sprężarki powietrza są powszechnie stosowane w pojazdach o dużej ładowności, w których hamulce i zawieszenia sterowane są pneumatycznie. Układ sprężarki w aucie elektrycznym to silnik elektryczny, falownik i sprężarka zabudowane w jednym urządzeniu i podłączone do obwodu napięcia trakcyjnego ze względu na wysoką „prądożerność”.

ePTO

Możliwość wykorzystania mocy do celów innych niż trakcja jest niezbędna w przypadku dużych pojazdów, takich jak ciężarówki, sprzęt budowlany lub pojazdy rolnicze. ePTO służy do napędzania urządzeń pomocniczych takich jak np. dźwig czy np. chłodnia. W przypadku aut spalinowych tego typu urządzenia mogą zostać uruchomione wyłącznie wtedy kiedy jest uruchomiony silnik. W przypadku aut elektrycznych uruchomienie jest na żądanie, stąd mniej energii zużywa się na cały proces.

Ładowarka / Prostownik

Prostownik w aucie (OBC) to urządzenie służące do ładowania akumulatora z gniazdka domowego lub z wykorzystaniem stacji ładowania. Prostownik jest zwykle ograniczony mocowo do 22 kW lub mniej, głównie w celu dopasowania do ograniczeń sieciowych gniazda 32 A oraz ze względu na gabaryty. Prostownik może posiadać elektronikę komunikującą się ze stacją ładującą i umożliwiającą szybkie ładowanie prądem przemiennym AC i stałym DC.

Produkcja aut elektrycznych i hybryd

Najpopularniejszym producentem aut elektrycznych i hybrydowych na świecie w rok 2023 jest firma BYD, koncern z Chin. BYD sprzedał ponad 3 miliony aut elektrycznych w 2023, głównie na rynku rodzimym. Ta sytuacja może niedługo ulec, ponieważ ogłoszone niedawno plany dotyczące budowy fabryki na Węgrzech pomogą BYD-owi obejść cła i zawalczyć o rynek europejski. Sprzedaż na poziomie 3 milionów sztuk daje mu 22% światowego rynku. Należy zauważyć, że

Drugim producentem na świecie jest TESLA, która w 2023 sprzedała prawie 2 miliony sztuk aut elektrycznych. Daje jej to 13,2% udziałów w rynku. Na pewno w sprzedaży pomogły obniżki cen aut, które zostały od razu zauważone przez rynek. Z racji braku w ofercie aut hybrydowych, drugie miejsce i tak jest spektakularnym wynikiem.

Podium zamyka grupa Volkswagen, która jest jedyną grupą motoryzacyjną ze starej epoki aut spalinowych. Volkswagen posiada 7,3% udziału w światowym rynku.

zestawienie najpopularniejszych producentów aut elektrycznych i hybrydowych w 2023
Źródło grafiki: https://cleantechnica.com/

Produkcja wyłącznie aut elektrycznych (bez aut hybrydowych)

lista największych producentów aut elektrycznych na świecie w roku 2023
Źródło grafiki: https://cleantechnica.com/

Gdyby analizować produkcję wyłącznie aut elektrycznych bez aut hybrydowych, TESLA zajmuje pierwsze miejsce na świecie posiadając udział w rynku na poziomie 19,1%. Na drugim miejscu jest BYD z udziałem na poziomie 16,5%. Podium zamyka kolejny koncern z Chin, SAIC z udziałem na poziomie 7,9%.

Najpopularniejsze modele aut elektrycznych na świecie

najpopualrniejsze modele aut elektrycznych na świecie w roku 2023
Źródło grafiki: https://cleantechnica.com/ BEV – auta w pełni elektryczne PHEV – hybryda plug-in

Najpopularniejszym autem elektrycznym na świecie w roku 2023 była Tesla Model Y, która sprzedała się w ponad 1,2 miliona egzemplarzy. Na drugim miejscu jest BYD model SONG, a podium zamyka Tesla Model 3. Łącznie w 2023 sprzedano  13 689 291 sztuk aut elektrycznych.

Baterie aut elektrycznych

Źródło zdjęcia: https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_battery
Źródło zdjęcia: https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_vehicle_battery

Jakie rodzaje baterii występują w autach elektrycznych?

Auta elektryczne bez baterii i energii elektrycznej w niej magazynowanej, nie ruszą się z miejsca. Bateria jest też głównym kosztem obecnie w produkcji aut, ale też elementem, który przy masowej produkcji będzie tanieć, tym samym obniżając koszt produkcji całego auta. W pojazdach elektrycznych mamy do czynienia z kilkoma rozwiązaniami systemów bateryjnych, choć należy zaznaczyć, że prym wiodą baterie litowo-jonowe.

Baterie litowo-jonowe

Baterie litowo-jonowe są nam dobrze znane z zastosowania w elektronice konsumenckiej – lapropach czy smartphone’ach. Ze względu na wysoki współczynnik mocy do wagi, wysoką sprawność, pracę przy wysokich temperaturach i długą żywotność, są najczęstszym wyborem wśród producentów aut elektrycznych i hybrydowych. Technicznie bateria jest wykonana w ten sposób, że jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie rozpuszczalników organicznych.

Baterie niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH)

To odmiana akumulatorów, w których jedna z elektrod jest wykonana z niklu, zaś druga elektroda ze spieku metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Rolę klucza elektrolitycznego spełnia gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru. Akumulator jest całkowicie szczelny i charakteryzuje się długą trwałością. Baterie tego typu są najczęstszym wyborem przy produkcji aut hybrydowych. Główne wyzwania przy tego typu bateriach to wysoki koszt, wysokość oddawanego ciepła przy wysokich temperaturach i potrzeba kontroli utraty wodoru.

Baterie kwasowo-ołowiowe

Tutaj elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego, elektroda (–) wykonana jest z ołowiu (z dodatkami) w formie siatki, zaś elektroda (+) jest wykonana z tlenku ołowiu(IV) PbO2 immobilizowanego na ramce ołowianej – tego rodzaju akumulatory są masowo wykorzystywane w samochodach każdego rodzaju.  Zaletą akumulatora ołowiowego jest zdolność rozładowania dużym prądem przez krótki czas, prostota układu ładowania, niska cena w stosunku do pojemności. Wadą jest znaczna masa przypadająca na jednostkę pojemności. Jeśli chodzi o auta elektryczne, to tego typu baterie pojawiają się w zastosowaniach komercyjnych dla pojazdów pomocniczych, a nie w autach które obserwujemy na drogach.

Superkondensatory

Superkondensatory wspomagają działanie aut elektrycznych podczas przyspieszania, jazdy pod górę czy prz odzysku energii z hamowania. Mogą też być pomocne jako dodatkowa bateria jako wsparcie do ogniw elektrochemicznych. Jak działają? Przechowują energię między elektrodą a elektrolitem przy przyłożeniu napięcia do zacisków. Pojemność rośnie wraz ze wzrostem powierzchni elektrolit-elektroda. Superkondensatory mają niską gęstość energetyczną, ale wysoką gęstość mocową co oznacza, że mogą oddać dużą moc w bardzo krótkim czasie.

Z czego składa się bateria auta elektrycznego?

Pierwiastek

Element baterii

Przeciętna zawartość w baterii, rok 2020 [kg]

Udział %

Grafit

Anoda

52kg

28.1%

Aluminium

Katoda, Obudowa, Zaciski i przyłącze

35kg

18.9%

Nikiel

Katoda

29kg

15.7%

Miedź

Zaciski i przyłącze

20kg

10.8%

Stal

Obudowa

20kg

10.8%

Mangan

Katoda

10kg

5.4%

Kobalt

Katoda

8kg

4.3%

Lit

Katoda

6kg

3.2%

Żelazo

Katoda

5kg

2.7%

Suma

nie dotyczy

185kg

100%

Tabela 1 Pierwiastki zawarte w baterii aut elektrycznych, wartość przeciętna w roku 2020

Przeciętna bateria auta elektrycznego w roku 2020 zawierała 185kg pierwiastków – wylistowane w tabeli powyżej. Tabela nie uwzględnia elektrolitu. Łatwo można zauważyć że to katoda jest elementem, który zawiera najwięcej różnych pierwiastków, tym samym będąc najdroższym elementem. Anoda składa się wyłącznie z grafitu – pierwiastku występującego w największej ilości.

Różnica między kW a kWH

Przy omawianiu elektromobilności oraz aut elektrycznych, często pojawiają się poniższe dwa terminy:

moc silnika auta elektrycznego 40kW www.kanalelektryczny.pl

Kilowaty (kW) – jednostka ta odnosi się do mocy elektrycznej. Określamy nią zarówno moc stacji ładowania – im wyższa moc tym szybciej zostanie naładowane auto. Jednostką tą określamy również przekształtnik (prostownik) wbudowany w aucie elektrycznym mówiący o tym jak szybko możemy ładować auto ładowarką prądem zmiennym AC (tzw. ładowanie wolne).

pojemność baterii auta elektrycznego 80kWH www.kanalelektryczny.pl

Kilowatogodziny (kWh) – jednostka ta określa pojemność baterii w aucie elektrycznym. Im wyższa wartość wyrażona w kWh, tym większy zasięg auta elektrycznego – może ono przejechać większy dystans. Parametr kWh mówi o tym ile energii elektrycznej może przechować bateria elektryka.

różnica kw a kWH www.kanalelektryczny.pl
kw a kwH - przykład www.kanalelektryczny.pl

Chcąc obliczyć jak szybko zostanie naładowane nasze auto, należy znać pojemność jego baterii wyrażoną w kWh oraz moc ładowania. Na powyższym przykładzie widać, że auto elektrycznej o baterii o pojemności 80kWh zostanie naładowane w pełni w ciągu 2 godzin stacją ładowania o mocy 40kW.

 

Auta spalinowe

Auta elektryczne

Paliwo

Litr

kWh

Zużycie paliwa

Litr/100 km

kWh/100 km

Prędkość tankowania/ładowania

Litr/minuta

kW

Moc silnika

kM lub kW

kW

Sprawność ładowania

kW

Tabela 2 Porównanie jednostek jakimi opisujemy parametry aut spalinowych i elektrycznych

Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych. Ładowanie elektryków

Kierowcy aut elektrycznych mają do dyspozycji dwie metody ładowania pojazdów elektrycznych.

Ładowanie prądem zmiennym AC (tzw. wolne ładowanie)

Najprostszym i najczęściej spotykanym sposobem jest ładowanie prądem zmiennym AC. Zwykle mówiąc o wolnym ładowaniu AC, mamy na myśli moce od 3,7kW do 22kW. Sieć przesyłowa oraz dystrybucyjna na świecie opera się na napięciu i prądzie zmiennym, więc najłatwiej jest zaadaptować ją na potrzeby procesu ładowania. Proces ładowania może odbywać się zarówno z sieci jednofazowej (stare budownictwo, wydzielone obowdy elektryczne) jak też z sieci trójfazowej, spotykanej dużo częściej. Sieć trójfazowa dodatkow zapewnia większą moc ładowania, co ma przełożenie na prędkość ładowania.

Należy mieć na uwadze, że bateria w aucie magazynuje prąd DC a nie AC. W związku z tym aby ją naładować, musimy zamienić prąd AC na prąd DC z wykorzystaniem przekształtnika zabudowanego w aucie elektrycznym. W związku z tym to przekształtnik w elektryku decyduje o prędkości ładowania. Ze względu na ograniczenia w rozmiarze tego przekształtnika (prostownika), jego moc wyjściowa ładowania zwykle jest dużo mniejsza niż 22kW – przeciętnie ok 15kW. Wobec tego korzystając ze stacji AC o maksymalnej mocy 22kW, samochód elektryczny nie jest w stanie wykorzystać jej pełnego potencjału – będzie ładowany mocą 15kW a nie 22kW. Ładowarki AC ze względu na swoją prostotę oraz niskie wymogi są optymalnym rozwiazaniem dla domów, parkingów biurowych i wszelkich miejsc, gdzie parkujemy na kilka godzin.

stacja ładowania AC mocowana na słupku EATON
Stacja ładowania AC mocowana na słupku, EATON

Ładowanie prądem stałym DC (tzw. szybkie ładowanie)

Drugim sposobem ładowania elektryków jest ładowanie prądem stałym DC. W przypadku ładowania prądem DC pomijamy przekształnik w aucie elektrycznym ładując bezpośrednio baterię samochodu. Dzięki temu możemy wykorzystać pełen potencjał stacji ładowania DC i ładować auto znacznie wyższą mocą niż 22kW – do maksymalnego limitu dla baterii w aucie.

Stacje ładowania DC zaczynają się do mocy 22kW DC i nie mają górnego limitu – powszechnie spotykane są ładowarki mocy 150kW i więcej. Autobusowe stacje DC osiągają nawet moce 350kW! Ładowarki DC ze względu na szybkie tempo ładowania są optymalnym rozwiązaniem na MOP-ach przy drogach szybkiego ruchu – drogach ekspresowych i autostradach. Znajdują też zastosowanie wszędzie tam, gdzie spodziewamy się krótkiego pobytu kierowców.

licznik elektromobilnosci styczen 2024 PSPA
Źródło: PSPA

Rodzaje gniazd i złączy w autach elektrycznych

Złącze typu 1

Umożliwia wyłącznie ładowanie prądem zmiennym AC do mocy 7,4kW.  Złącze typu 1 jest często spotykane w pojazdach elektrycznych produkowanych w Ameryce i Azji.  Technicznie złącze typu 1 pozwala na ładowanie prądem przemiennym nie większym niż 16 A i napięciem nie większym niż 250V AC przy prądzie jednofazowym oraz 480V AC przy prądzie trójfazowym. Złącze typu 1 posiada pięć styków elektrycznych i nie jest wyposażone w mechanizm blokujący.

Wyróżnić należy 3 główne styki: dwa fazowe oznaczone L1 i L2 oraz styk ochronny PE. Taki układ wynika z tego, że w USA na potrzeby urządzeń o większej mocy, stosuje się zasilanie dwufazowe o napięciu 240V AC, przy fazach przesuniętych o kąt 180o bez przewodu neutralnego. Stąd też maksymalna moc ładowania jaką możemy uzyskać w tych warunkach to 7,68 kW (2 x 240V AC *16 A), a w przypadku prądu jednofazowego 3,84 kW (240V AC *16 A).

rodzaje złącz w autach elektrycznych www.kanalelektryczny.pl
Rodzaje złącz w autach elektrycznych www.kanalelektryczny.pl

Złącze typu 2

Złącze typu 2 obsługuje prąd jednofazowy i trójfazowy przemienny AC i jest najczęściej stosowaną opcją w nowych pojazdach elektrycznych produkowanych w Europie, produkowane zgodnie z normą IEC 62196-2. Umożliwia dużo szybsze ładowanie prądem AC w odróżnienieniu do złącza typu 1. Zgodnie z normą IEC 61851 techniczne możliwości złącz typu 2 to prąd ładowania nie większy niż 32A oraz napięcie nie większe niż 250V AC przy zasilaniu jednofazowym i 480V AC przy zasilaniu trójfazowym.


W przypadku polskiej sieci elektroenergetycznej przekłada się to w przypadku ładowania prądem przemiennym AC jednofazowym na maksymalną moc 7,36kW (230V AC * 32A). W przypadku ładowania prądem zmiennym trójfazowym, górna granica wynosi 22,08kW (3 * 230V AC * 32A) Złącze typu 2 zawiera 7 styków: 5 styków tzw. roboczych L1, L2, L3, N i PE oraz 2 styki sterujące służące do komunikacji pomiędzy punktem ładowania a pojazdem elektrycznym. Tesla w swoich autach używa gniazd typu 2 umożliwiając ładowanie nawet do 120kW – jest to wyjątek.

Kabel doładowania auta elektrycznego typu T2
Kabel do ładowania auta elektrycznego typu T2, www.kanalelektryczny.pl

Złącze typu CCS (Combined Charging System)

CCS (Combined Charging System) to rozwiązanie o dużej mocy, które umożliwia szybkie ładowanie prądem DC. Posiada złącze typu 2 z dwoma dodatkowymi pinami i jest popularne wśród europejskich producentów samochodów. Obecnie w Europie złącza CCS wypierają złącza CHAdeMO. Złącze CCS technicznie od złącza typu 2 AC różni się tym, że zawiera dodatkowy dolny moduł podający prąd stały z polaryzacją „+” i „ -”. Podczas ładowania wykorzystywane są styki stałoprądowe, styk PE oraz złącza komunikacyjne. Parametry obciążenia styków złącza stałoprądowego pozwalają na maksymalną moc ładowania do 500kW.

Złącze typu CHAdeMO

Złącze typu CHAdeMO (znane również jako JEVS lub Japanese Electric Vehicle Standard) to nazwa handlowa oryginalnego złącza szybkiego ładowania DC opracowanego po raz pierwszy w Japonii. Używany głównie przez japońskich prodcuentów, wypierany przez standard CSS. Złącze CHAdeMO umożliwia przepływ energii w dwóch kierunkach pomiędzy pojazdem elektrycznym i ładowarką, realizując standard V2H (dwukierunkowy przepływ energii dom – pojazd) i V2G (dwukierunkowy przepływ energii pojazd – sieć elektroenergetyczna).

Komunikacja między autem elektrycznym a stacją ładowania

Pojazdy elektryczne, prócz styków dedykowanych ładowaniu posiadają również styki komunikacyjne. W zależności od typu złącza sterowanie odbywa się poprzez komunikację linią energetyczną (PLC) jak to jest w przypadku złącz typu 1, 2 oraz CCS2. Alternatywnie komunikacja odbywa się szeregową magistralą komunikacyjną (CAN) w standardzie CHAdeMO.

Funkcję sterującą w standardzie CCS2 pełnią styki PP (sygnał zbliżeniowy) i CP (sygnał sterujący) oraz styk PN, który oprócz tego, że pełni rolę ochronną dla zasilania, to również rolę uziemienia (potocznie: masa) dla styków sterujących.

W standardzie CHAdeMO jest siedem styków sterujących. Na podstawie zmieniającej się rezystancji w trakcie całego procesu ładowania rozpoznawane jest jakim optymalnym prądem ładowania należy zasilić pojazd, kiedy pojazd jest podłączony oraz odłączany od ładowarki, kiedy rozpoczął się proces ładowania oraz kiedy zakończył.

Tryby ładowania auta elektrycznego

Tryby i procesy ładowania samochodów elektrycznych zostały opisane w normach IEC 61851 i IEC 62196. W ramach tych norm zdefiniowano 4 systemy ładowania akumulatorów pojazdów o napędzie elektrycznym – trzy tryby ładowania prądem przemiennym AC i czwarty tryb do ładowania prądem stałym DC.

Tryb ładowania 1 tzw. Mode 1 (prądem przemiennym AC)

tryb ładowania 1 auta elektrycznego

Zgodnie z normą IEC 61851-1 jest to system ładowania prądem przemiennym nie większym niż 16 A i napięciem nie większym niż 250 V przy prądzie jednofazowym oraz 480 V przy prądzie trójfazowym.
Ten tryb ładowania wykorzystywany jest przede wszystkim w ładowarkach domowych, garażowych itp. ze zwykłych gniazd 230 V, gdzie maksymalna moc ładowania jaką możemy uzyskać to 3,68 kW (przy ładowaniu prądem jednofazowym). Jest to system ładowania zdefiniowany jako wolny lub półszybki, bez dedykowanego systemu ochrony. System nie zapewnia komunikacji pomiędzy pojazdem a ładowarką. Tryb pierwszy najczęściej wykorzystywany jest przy ładowaniu hulajnóg elektrycznych oraz podobnego, mało zaawansowanego sprzętu z napędem elektrycznym.

Tryb ładowania 2 tzw. Mode 2 (prądem przemiennym AC)

tryb 2 ładowania auta elektrycznego

Zgodnie z normą IEC 61851-1 jest to system ładowania prądem przemiennym nie większym niż 32 A i napięciem nie większym niż 250 V przy prądzie jednofazowym oraz 480 V przy prądzie trójfazowym.
Tryb ładowania 2 jest zdefiniowany jako wolny lub półszybki, z podstawowymi systemami ochrony tj. wyłącznikiem różnicowoprądowym (różnicówką) mocowanym w ładowarce. W tym systemie ładowarka przejmuje sterowanie komunikacją z pojazdem. Tego typu rozwiązania są popularne ze względu na niski koszt oraz możliwość ładowania z gniazda elektrycznego w domu czy garażu. Natomiast nie jest to szybkie ani najbezpieczniejsze rozwiązanie ładowania auta elektrycznego.

Tryb ładowania 3 tzw. Mode 3 (prądem przemiennym AC)

tryb 3 ładowania auta elektrycznego

Zgodnie z normą IEC 61851-1 jest to system ładowania prądem przemiennym AC. Tryb ładowania 3 jest zdefiniowany jako wolny lub półszybki, a ładowanie odbywa się za pomocą dedykowanych złącz z pojazdem elektrycznym np. typu 2 (AC) wraz z zaawansowanymi funkcjami sterującymi i zabezpieczającymi. Obecnie jest to najpopularnieszy sposób ładowania zapewniający bezpieczniejsze i szybsze ładowanie niż w trybie 2. Natomiast stacje ładowania wykorzystujące tryb 3 są droższe od rozwiązań w trybie 2

Tryb ładowania 4 tzw. Mode 4 (prądem stałym DC)

tryb 4 ładowania auta elektrycznego

Zgodnie z normą IEC 61851-1  jest to system ładowania prądem stałym DC. Tryb ładowania 4 jest zdefiniowany jako półszybki i szybki, a ładowanie odbywa się za pomocą dedykowanych złącz z pojazdem elektrycznym np. Combo 2 (CCS2) wraz z zaawansowanymi funkcjami sterującymi i zabezpieczającymi. W tego typu ładowarkach przetwornik AC/DC znajduje się stacjonarnie w ładowarce. Ponadto, ze względu na bezpieczeństwo użytkownika, istnieje wyłącznie możliwość podłączenia przewodu do ładowania po stronie auta – w stacjach ładowania działających w trybie 4 zawsze są mocowane kable, brak samych gniazd. Tryb 4 zapewnia najszybsze ładowanie auta mocą od 22kW wzwyż ze stacjami przy drogach szybkiego ruchu z mocą 150kW DC i więcej.

Norma IEC 61851-1 określa trzy przypadki dla opisanych trybów.

  • Przypadek 1 (opisany w normie jak CASE A) to sytuacja gdzie ładowarka (zazwyczaj przenośna) jest połączona do sieci elektroenergetycznej kablem zasilającym i jest zgodna z trybem ładowania 1 lub 2
  • Przypadek 2 (opisany w normie jak CASE B) to sytuacja gdzie kabel ładowarki jest wprowadzony z jednej strony do gniazda pojazdu elektrycznego, a drugi koniec kabla w gniazdo ładowarki. Kabel ładowarki można odłączyć zarówno od strony pojazdu elektrycznego jak i od strony ładowarki. Jest to połączenie zgodne z systemem ładowania w trybie 3.
  • Przypadek 3 (opisany w normie jak CASE C) to sytuacja gdzie ładowanie realizowane jest poprzez prąd stały DC. Kabel zasilający ładowarkę jest umocowany na stałe do niej. Jest to połączenie zgodne z trybem ładowania 4.

Od czego zależy prędkość ładowania auta elektrycznego?

Bardzo częstym pytaniem zadawanym przez przyszłych kierowców aut elektrycznych jest pytanie o prędkość ładowania. Krytycy elektromobilności często podnoszą ten argument jakoby ładowanie aut elektrycznych trwało całą dobę. Diabeł twki w szczegółach i choć taki czas ładowania może wystąpić to nie dla każdego auta i nie dla każdej ładowarki. Już tłumaczę o co chodzi.

Prąd ładowania i liczba faz

AC/DC

Moc ładowania

Czas ładowania baterii o pojemności 10 kWh

Czas ładowania baterii o pojemności 30 kWh

Czas ładowania baterii o pojemności 60 kWh

 
 

16A, 1-fazowy

AC

3.7 kW

2 godz. 40 min

8 godz.

16 godz. 13 min.

 

32A 1-fazowy

AC

7.4 kW

1 godz 20 min

4 godz.

8 godz. 7 min.

 

16A, 3-fazowy

AC

11 kW

55 min

2 godz. 45 min

5 godz. 28 min

 

32A, 3-fazowy

AC

22 kW

27 min

1 godz. 22 min

2 godz. 44 min

 

DC, zasilanie 3-fazowe

DC

50 kW

12 min

36 min

1 godz. 12 min

 

DC, zasilanie 3-fazowe

DC

120 kW

5 min

15 min

30 min

 

Tabela 3 Czas ładowania baterii auta elektrycznego w zależności od mocy ładowania

Prędkość ładowania można alegorycznie porównać do napełniania wanny wodą. Wanna ma swoją z góry ustaloną pojemność – podobnie jak bateria auta elektrycznego. Jeżeli odkręcimy kran do połowy, napełnimy wannę w czasie o połowę krótszym niż w przypadku, gdybyśmy odkręcili kran w krańcowe, maksymalne położenie. Podobnie jest w przypadku baterii – jeśli ładujemy je małą mocą, naładowanie baterii zajmie nam dużo więcej czasu.

Rysunek Zobrazowanie od czego zależy prędkość ładowania auta elektrycznego www.kanalelektryczny.pl
Zobrazowanie od czego zależy prędkość ładowania auta elektrycznego www.kanalelektryczny.pl

Jak widać z przytoczonego przykładu oraz załączonej tabeli, czas ładowania baterii auta może trwać minuty lub kilkanaście godzin. Im większa pojemność baterii w aucie tym dłuższy czas ładowania. W kontrze do tego mamy moc ładowania – im większa moc tym krótszy czas ładowania. Należy pamiętać też o tym, o czym już pisałem – w przypadku ładowania prądem zmiennym AC faktyczna moc ładowania zależy od możliwości przekształtnika w aucie elektrycznym. Nawet mając do dyspozycji ładowarkę od mocy 22kW, może się tak zdarzyć, że nasze auto nie jest wyposażone w prostownik zdolny przyjąć całą tę moc. W przypadku ładowania DC, ładujemy bezpośrednio baterię auta pomijając owy przekształtnik. Dzięki temu prędkość ładowania jest nieporównywalnie wyższa niż przy ładowaniu prądem zmiennym AC.

Koncepcja Vehicle-to-grid (V2G), Vehicle-to-home (V2H), Vehicle to anywhere (V2X)

Rosnąca liczba pojazdów elektrycznych i infrastruktury je obsługującej to dopiero początek rewolucji w zakresie mobilności. W przyszłości pojazdy elektryczne będą odgrywać kluczową rolę we wspieraniu przejścia na system energetyczny oparty głównie na zmiennym wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych. Dwukierunkowe ładowarki pojazdów elektrycznych pozwolą akumulatorom pojazdów elektrycznych pomóc w stabilizacji sieci, pełniąc funkcję magazynu energii lub źródła zasilania, w zależności od dostępności energii i zapotrzebowania.

koncepcja v2g v2h v2x

Umożliwiając przepływ energii z pojazdu elektrycznego EV do budynku (a tym samym i do sieci jeśli to nie jest instalacja off-grid), a nie tylko z budynku do pojazdu EV, dwukierunkowe ładowarki zapewniają ogromny poziom elastyczności w wykorzystaniu technologii opartych na pojazdach elektrycznych, znanych jako V2X (pojazd do dowolnego miejsca), V2G (pojazd do sieci) i V2H (pojazd do domu). Technologie te oznaczają, że pojazd elektryczny można wykorzystać do znacznie więcej niż tylko transportu.

Przykłady obejmują:

  1. Pełnienie funkcji awaryjnego źródła zasilania w przypadku zaniku prądu
  2. Pomoc w stabilizacji sieci poprzez oferowanie możliwości magazynowania i zasilania energią
  3. Zarabianie poprzez sprzedaż niewykorzystanej energii do sieci
  4. Oszczędność pieniędzy poprzez magazynowanie niskotaryfowej energii do wykorzystania w godzinach szczytu
  5. Magazynowanie nadwyżki samodzielnie wytworzonej energii odnawialnej do wykorzystania w razie potrzeby (co pomaga zarówno ustabilizować sieć, jak i zaoszczędzić pieniądze)

Akty prawne wspierające rozwój elektromobilności

Fit for 55 – gotowi na 55

Pakiet „Gotowi na 55” to zestaw wniosków ustawodawczych mających zmienić i uaktualnić unijne przepisy oraz ustanowić nowe inicjatywy, tak by polityka UE była zgodna z celami klimatycznymi ustalonymi przez Radę i Parlament Europejski.

Skąd nazwa „Gotowi na 55”?

To nawiązanie do celu, którym jest redukcja emisji o co najmniej 55% do 2030 roku. Proponowany pakiet ma dostosować unijne przepisy do tego celu.

Główne programy wspierające elektromobilność:

  1. Unijny system handlu uprawnieniami do emisji, także transportu drogowego
  2. Normy emisji CO₂ dla samochodów osobowych i dostawczych – 100% redukcja emisji do 2035r
  3. Infrastruktura paliw alternatywnych
Alternative Fuel Infrastructure Regulation, AFIR

AFIR zastępuje Dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/94/UE z dnia 22 października 2014 r. w sprawie rozwoju infrastruktury paliw alternatywnych. Nowe przepisy wejdą w życie 13 kwietnia 2024 r. W odróżnieniu do wspomnianej dyrektywy, AFIR będzie obowiązywał bezpośrednio, bez potrzeby implementacji. 

Rozporządzenie przewiduje m.in. wybudowanie wzdłuż najważniejszych unijnych korytarzy transportowych (tzw. transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T) stacji do szybkiego ładowania pojazdów osobowych i ciężarowych, a także stacji tankowania wodoru.

Ustawa z dn. 11 stycznia 2018r o elektromobilności i paliwach alternatywnych

Zakres ustawy:

  • Zasady rozwoju i funkcjonowania infrastruktury, w tym wymagania techniczne, jakie ma spełniać ta infrastruktura
  • Obowiązki podmiotów publicznych w zakresie rozwoju tej infrastruktury
  • Obowiązki informacyjne w zakresie paliw alternatywnych
  • Warunki funkcjonowanie stref czystego transportu
  • Krajowe ramy polityki rozwoju oraz sposób ich realizacji
Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 26 czerwca 2019r w sprawie wymagań technicznych dla stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego (Dz. U z 2019 poz. 1316)

Zakres rozporządzenia:

  • Szczegółowe wymagania techniczne:
    • W zakresie bezpieczeństwa eksploatacji, naprawy i modernizacji
    • W zakresie dotyczącym gniazd wyjściowych lub złączy pojazdowych ogólnodostępnych stacji ładowania
  • Rodzaje badań
  • Dokumenty dołączane do wniosku o przeprowadzenie badań
  • Wysokość opłat
Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 24 listopada 2021r w sprawie szczegółowych warunków udzielania pomocy publicznej na infrastrukturę do ładowania pojazdów elektrycznych i infrastrukturę do tankowania wodoru

Rozporządzenie określa szczegółowe warunki udzielania pomocy publicznej ze środków pozostających w dyspozycji Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej na budowę lub przebudowę ogólnodostępnych stacji ładowania, budowę stacji ładowania innych niż ogólnodostępne stacje ładowania oraz budowę lub przebudowę ogólnodostępnych stacji wodoru.

Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska w sprawie sposobu ustalania minimalnej mocy przyłączeniowej dla wewnętrznych i zewnętrznych stanowisk postojowych związanych z budynkami użyteczności publicznej oraz budynkami mieszkalnymi wielorodzinnymi (Dz. U. 2021 poz. 892)

Tekst rozporządzenia:

Na podstawie art. 12 ust. 2 ustawy z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych (Dz. U. z 2021 r. poz. 110) zarządza się, co następuje:

  • 1. Budynek użyteczności publicznej

Minimalna moc przyłączeniowa dla wewnętrznych i zewnętrznych stanowisk postojowych związanych z budynkiem użyteczności publicznej usytuowanym w gminie, o której mowa w art. 60 ust. 1 ustawy z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych, stanowi iloczyn 20% liczby wszystkich stanowisk postojowych związanych z tym budynkiem i wartości mocy 3,7 kW, jednak nie mniej niż 3,7 kW, chyba że z tym budynkiem nie są związane żadne stanowiska postojowe.

  • 2. Budynek mieszkalny wielorodzinny

Minimalna moc przyłączeniowa dla wewnętrznych i zewnętrznych stanowisk postojowych związanych z budynkiem mieszkalnym wielorodzinnym usytuowanym w gminie, o której mowa w art. 60 ust. 1 ustawy z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych, stanowi iloczyn 50% liczby wszystkich stanowisk postojowych związanych z tym budynkiem i wartości mocy 3,7 kW, jednak nie mniej niż 3,7 kW, chyba że z tym budynkiem nie są związane żadne stanowiska postojowe.

  • 3. Wejście w życie

Rozporządzenie wchodzi w życie po upływie 14 dni od dnia ogłoszenia.

Facebook
Twitter
LinkedIn
Email

3 komentarze do “Podstawy elektromobilności

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *