Popularność motoryzacji elektrycznej stale rośnie. Rok 2016 zamknięty został wg „Global EV Outlook” liczbą około 2 milionów użytkowanych pojazdów elektrycznych, zaś dziś – w drugim kwartale 2019 roku – liczba ta może sięgać 2 i pół miliona pojazdów. Jest oczywiste, że pojazdy te wymuszają coraz większą liczbę stacji ładowania w infrastrukturze energetycznej i drogowej, ale zarazem wymuszają też coraz większą wydajność samych ładowarek co podyktowane jest dążeniem do maksymalnego skrócenia czasu ładowania każdego pojazdu elektrycznego lub hybrydowego typu PLUG-IN.

Fot. 2. Typowa stacja ładowania EV w mieście

Czym są stacje ładowania samochodów elektrycznych i jakie ich rodzaje rozróżniamy

Stacje te to w dużym skrócie specjalnie przygotowane stanowiska wyposażone w odpowiednio zaprojektowane ładowarki zasilane prądem z lokalnej sieci energetycznej, do których właściciele podłączają swoje pojazdy elektryczne by naładować ich baterie i móc dalej korzystać ze zgromadzonej w nich energii. Standardem jest, że jedna ładowarka – których na każdej stacji może być kilka czy kilkanaście – może obsłużyć kilka pojazdów, przy czym każdy z nich może być ładowany innym prądem przez przyłącze innego rodzaju. Stacje ładowania samochodów elektrycznych – dla uproszczenia w dalszej części artykułu określanych skrótem EV (Electric Vehicle) – często kojarzą się wizualnie z parkingami, na których przy każdych dwóch lub czterech stanowiskach do parkowania postawiono parkometr. Różnica jest jednak zasadnicza - nie są to parkometry lecz ładowarki w zabudowie lub na słupkach zamocowanych bardzo skutecznie (np. kotwami chemicznymi i śrubami) do podłoża w postaci wcześniej wykonanej wylewki betonowej.

Fot. 3. Ładowanie dwóch pojazdów jednocześnie przez jedną ładowarkę

Stacje ładowania EV spotyka się najczęściej przy autostradach lub innych istotnych drogach oraz w miastach przy centrach handlowych bądź na stacjach benzynowych, choć warto zauważyć rosnący popyt na domowe stacje ładowania instalowane w obrębie prywatnych posesji właścicieli pojazdów EV. Wszystkie ładowarki na takich stacjach narażone są na wpływ warunków atmosferycznych z temperaturą na czele – wpływ z reguły negatywny – dlatego w lokalizacjach w których panują szczególnie niskie lub wysokie temperatury, bądź występuje dużo opadów deszczu i śniegu, lub też notuje się silne zapylenie, ładowarki powinno się umieszczać pod wiatą, w budynku (garaże podziemne) lub w jakiś inny sposób chronić przed wyżej wymienionymi czynnikami. Z drugiej strony na wolnej przestrzeni poza budynkiem ładowarki mają zapewnioną optymalną wentylację, co ma niebagatelny wpływ na skuteczność ich chłodzenia. Jednocześnie zagrożeniem tutaj mogą być pyły nieprzewodzące (kurz), które wskutek nadmiernego nagromadzenia mogą ograniczać wydolność cieplną urządzenia, czyli utrudniać chłodzenie. Jeśli w danej lokalizacji występuje znacznie większe zagrożenie w postaci pyłów przewodzących prąd elektryczny lub kwaśnych oparów, wówczas powinno się zrezygnować z budowy stacji ładowania EV.

Fot. 4. Stacja ładowania w stanie Georgia (USA)

Obecnie przy poszerzaniu infrastruktury stacji ładowania EV szczególny nacisk kładziony jest na super szybkie ładowarki prądu stałego (DC) i równolegle prądu przemiennego (AC),które można uznać za standard – może jeszcze nie standard dnia dzisiejszego, lecz na pewno jutrzejszego. Dlatego opisując dalej stacje ładowania i ładowarki dla EV, autor skupi się głównie na tym wariancie. Typowa ładowarka tego rodzaju zasilana jest przemiennym prądem 3-fazowym z przewodem zerowym i uziemieniem, gdzie napięcie prądu wynosi oczywiście 400V (+/- 10), natężenie prądu wynosić może 75 A przy częstotliwości 50 Hz (+/- 10), zaś moc może wynosić np. 53 kVA. Wyjścia prądu mogą wyglądać następująco: prąd przemienny (AC) 63 A i 400 V (przyłącze oraz gniazdo Typu 2 zwane „Mennekes”), prąd stały (DC) 120A i 50-500V (przyłącze Typu 2 Combo) oraz prąd stały (DC) 120 A i 50-500 V (przyłącze CHAdeMO). Warto zauważyć, że wyjścia stało- jak i przemienno prądowe mogą pracować jednocześnie. Wracając jeszcze do parametrów ładowarki związanych z prądem: izolacja (na wejściu, wyjściu i uziemieniu) powinna znosić 1500 V AC, zaś na obwodzie sterowania do 500 V AC. Ładowarka musi być też wyposażona w wyłączniki bezpieczeństwa na panelu głównym, na wyjściach AC jak i DC oraz w ochronniki przeciwprzepięciowe na każdym obwodzie – na wypadek wyładowań atmosferycznych. Systemy chłodzenia grzejących się kabli też powinny w konstrukcji zostać uwzględnione (zwłaszcza w przypadku ultra szybkich ładowarek o mocach rzędu 350-400 kW). Stacje ładujące wyposaża się też w wewnętrzne układy mierzące pobierany z sieci prąd dla potrzeb administratora stacji i/lub lokalnego dostawcy energii elektrycznej (wzajemne rozliczenia).

 

stacje ladowania samochodow elektrycznych ev Piotr Andrzejewski Menadżer Segmentu Przyłączy do Urządzeń i Produktów E-Mobility Phoenix Contact Sp. z o.o.
Product Marketing Manager

Zdaniem EKSPERTA
"Jak zabezpieczać stacje ładowania EV przed wandalizmem?"

Stacje ładowania czasami mogą być zainstalowane w miejscu bez nadzoru (choćby w obszarze nieobjętym monitoringiem wizyjnym). Dla takich lokalizacji warto zastosować słupki lub wallboxy bez kabla z wtykiem do pojazdu, tylko z gniazdem wylotowym, do którego osoba ładująca pojazd musi podłączyć kabel z bagażnika własnego samochodu. Mimo wszystko może się zdarzyć, że aktom wandalizmu nie oprze się odchylany dekiel gniazda, który trzeba będzie wymienić. Warto zabezpieczyć się na taką ewentualność i zastosować produkty, których wymiana serwisowa nie będzie wymagała dostępu do wnętrza urządzenia (może to wtedy zrobić osoba bez specjalistycznych uprawnień elektrycznych). Na rynku są dostępne ramki, do których czterema wkrętami od zewnątrz montuje się pokrywkę z uchylnym dekielkiem ochronnym.,

Fot. 5. Stacja ładowania EV na londyńskim przedmieściu

Jeszcze kilka dodatkowych danych dotyczących warunków zewnętrznych, czyli atmosferycznych, przy jakich super szybkie ładowarki mogą pracować: tolerowana temperatura otoczenia mieści się w zakresie od -25ºC do +50ºC, choć można spotkać tzw. wersje „polarne”, przygotowane do pracy nawet przy -35ºC (Skandynawia). Dopuszczalna wilgotność powietrza mieści się z reguły w zakresie od 5% do nawet 95%, natomiast dopuszczalna wysokość nad poziom morza to około 1000 lub nawet wg niektórych źródeł 1500 metrów. To wszystko nie zmienia faktu, iż ładowarki powinny być dobrze zabudowane, osłonięte mocną blachą odporną na udary i ogólnie pojmowany wandalizm, a ich konstrukcja musi być szczelna (IP54 wydaje się minimum). Stacje ładowania EV dzieli się według różnych kryteriów. Najczęściej spotykane podziały, to ten ze względu na prąd wyjściowy (ładowarki AC, ładowarki DC oraz dominujące ładowarki z kombinacją mieszaną AC/DC) oraz drugi, chyba najważniejszy, opierający się na czasie ładowania pojazdu elektrycznego. Bazując na tym podziale i pomijając ładowanie w domu bezpośrednio ze zwykłego gniazdka, można wyróżnić następujące typy ładowarek:

  • ładowarki przydomowe, dedykowane do prywatnych posesji, oferujące 6,6 kW i ładujące Teslę Model X z zestawem baterii 100 kW prądem AC w czasie aż 13-15 godzin. Są to więc bardzo wolne ładowarki, choć pewnym rozwiązaniem mogą być ich nieco droższe odpowiedniki na prąd trójfazowy, oferujące 11 kW i ładujące wspomnianą Teslę w czasie około 9 godzin,
  • standardowe wolne ładowarki AC, przygotowane do funkcjonowania w miastach i stanowiące odpowiedniki opisanej wyżej domowej ładowarki 11 kW,
  • szybkie ładowarki instalowane w miastach, jak i przy niektórych trasach, oferujące moc w przedziale 20-30kW (Tesla naładowana w 3,5-4 godziny),
  • superszybkie ładowarki DC instalowane w dużych miastach i przy wielu autostradach oraz drogach ekspresowych, ładujące z mocą od 50 kW do 120-150 kW. W takim przypadku Tesla powinna być gotowa do jazdy po upływie 2 godzin lub nawet 45 minut w przypadku super szybkich ładowarek 150 kW, które funkcjonują w USA. W planach europejskich koncernów samochodowych są jeszcze szybsze ładowarki DC, oferujące moc 300-350 kW, lecz zarówno takie stacje i ładowarki, jak i samochody które mogłyby z nich skorzystać, utknęły na etapie projektów (samochody) lub pierwszych instalacji w terenie (stacje).
Fot. 6. Electrify America wybrała ABB jako dostawcę szybkich ładowarek do pojazdów elektrycznych w Stanach Zjednoczonych

Opisując ładowarki, należy wskazać pewną istotną kwestię dotyczącą tego, gdzie tak naprawdę znajduje się ładowarka przy prądzie AC, a gdzie przy prądzie DC. W przypadku tego pierwszego, przemiennego prądu, rzeczywista ładowarka to ta, która została wbudowana w samochód. Ma ona niewielką moc i ładuje w długim przedziale czasu. Sam słupek do którego podłącza się pojazd to de facto gniazdko i prąd. Odmiennie jest w przypadku stacji z ładowaniem prądem stałym DC (np. przyłącza CHAdeMO). Tutaj w słupku do którego przyłączamy pojazd, rzeczywiście znajduje się ładowarka i to ona ładuje baterie, a w tym czasie ładowarka wbudowana w pojazd (znacznie słabsza i wolniejsza) pozostaje nieaktywna.

Fot. 7. Kabel AC Typ 2 do połączenia pojazdu ze stacją ładowania z gniazdem wylotowym

Ostatnią kwestią jest obsługa stacji ładowania EV i ładowarek oraz dostęp do nich z perspektywy użytkownika pojazdu EV. W przypadku najwolniejszych ładowarek AC, można spotkać stacje z darmowym i nieograniczonym dostępem. Dość często spotykane są ładowarki z dostępem płatnym, gdzie opłaty dokonuje się albo poprzez dedykowaną aplikację mobilną, bądź za pośrednictwem zbliżeniowej karty RFID (Radio Frequency IDentifi cation) łączącej się z czytnikiem za pośrednictwem fal radiowych. Innym rozwiązaniem jest połączenie stacji ładującej z parkometrem. W takiej opcji płacąc za parking – np. kartą debetową czy kredytową bądź poprzez aplikację mobilną czy też wysyłając płatną wiadomość sms – jednocześnie płaci się za dostęp do ładowarki i energii elektrycznej. Wracając do obsługi: jest banalnie prosta. Pomijając to, że każda stacja posiada czytelną instrukcję postępowania lub wyświetlacz z łatwym i intuicyjnie prowadzącym klienta menu, w zasadzie trudno wyobrazić sobie prostszą rzecz niż dopasowanie właściwych przyłączy do właściwych gniazd.

Fot. 9. Nissan Leaf i przyłącze Typu 2 Mennekes uznane za standard w Europie
stacje ladowania samochodow elektrycznych ev2 Maciej Pertyński
Dziennikarz motoryzacyjny i jedyny polski juror konkursu World Car of the Year

Zdaniem EKSPERTA
„Zakładając, że ilość samochodów elektrycznych na europejskich drogach wzrośnie 10-krotnie w ciągu najbliższych 5 lat, czy można uznać iż super szybkie ładowarki (około 30 minut) rozwiązują problem sprawnego poruszania się po Starym Kontynencie?”

Nie, szybkie ładowarki są tylko rozwiązaniem tymczasowym – potrzebna jest całkowita rewolucja, ktoś musi wymyślić akumulator od nowa. To, co mamy teraz, żeby nie wiem jak nowoczesnymi materiałami obłożone i jak inteligentną elektroniką kontrolowane, pozostaje wciąż tylko kolejną fazą rozwojową oryginalnego akumulatora kwasowego z XVI wieku – a może i butelki lejdejskiej z II w. pne. Wiadomo, że mnóstwo firm pracuje nad nowymi bateriami, może któraś z nich dokona przewrotu? Do tego czasu elektryczne samochody – tylko z ogniwem paliwowym wodorowym. Co oznacza oczywiście kolejny problem – z przestawieniem się na cywilizację wodorową (a Polska produkuje rocznie ponad milion ton wodoru jako produktu odpadowego w przemyśle chemicznym/hutniczym etc.).


„Czy warto rozwijać ładowanie indukcyjne samochodów elektrycznych jako alternatywę dla obecnie funkcjonujących stacji ładowania?”

W sensie miejsc parkingowych – funkcjonalnie tak, bo to wygodne. Infrastrukturalnie – nie, bo to rozwiązanie potwornie podrażające całą zabawę w elektryfikację (systemy zatapiane w podłożu i systemy montowane w autach to koszmarne koszty). I wszystko jest tylko półśrodkiem w kontekście tego, co napisałem w punkcie pierwszym.

Standardy przyłączy i ich krótka charakterystyka

W gruncie rzeczy pierwszym standardem były zwykłe wtyczki i gniazdka elektryczne, jakie znamy z naszych domów. Zaczęło się więc od prądu przemiennego, co zmusiło producentów EV do instalowania w nich wewnętrznych ładowarek prądu DC, które pobierając prąd AC z lokalnej sieci elektrycznej przetwarzają go natychmiast na prąd stały DC którym ładowana jest bateria. Dlaczego właśnie tak? – odpowiedź jest prosta: ładowanie prądem stałym jest nieporównanie szybsze i efektywniejsze. I dlatego też świat zmierza w kierunku stacji z ładowarkami oferującymi od razu prąd stały – i to o jak najwyższej mocy. Wracając do samej wewnętrznej ładowarki w samochodach elektrycznych – to jej moc definiuje szybkość ładowania baterii, dlatego warto na ten parametr zwracać uwagę. Producenci samochodów elektrycznych, co prawda stale zwiększają wydajność wewnętrznych ładowarek w swoich pojazdach, nie poprawia to jednak humoru np. właścicielom Nissanów Leaf najświeższej generacji, gdy podłączają się do stacji o mocy 20-30 kW (prąd AC), a tymczasem ładowarka i tak ładuje ze swoim maksimum na poziomie 7,7 kW. Przegląd przyłączy i gniazd powinien zapoczątkować pierwszy ze standardów prądu przemiennego AC – tak zwany Typ 1, czyli standard ładowania popularny w USA i Japonii (tam najszybciej samochody elektryczne stały się zauważalne na ulicach), i dziś umożliwiający ładowanie z maksymalną mocą na poziomie niemal 90 kW (wersja zmodyfikowana). Typ 1 w Europie nie tyle się nie sprawdził, co praktycznie nie zaistniał, gdyż dostarcza prąd 1-fazowy lub 2-fazowy i nie obsługuje jednoczesnego ładowania prądem DC (co znacznie przyspieszyłoby proces ładowania).

Rynek co prawda to zauważył i szybko wdrożono rozwiązanie udoskonalone czyli Typ 1 Combo (Typ 1 wzbogacony o dodatkowe dwa trzpienie odpowiadające za ładowanie prądem stałym), jednak rozwiązanie to również nie stało się standardem w Europie, za to zaistniało oczywiście w USA i na Dalekim Wschodzie. Tymczasem w Europie szansę na tytuł europejskiego standardu miał co prawda standard nazywany Typem 3 – nieliczne stacje ładujące zaczęły się pojawiać w UE koło 2008 roku – lecz przegrał z systemem, który od 2013 roku uznano na mocy regulacji prawnych UE za oficjalny standard i który powszechnie nazywa się Typem 2 Mennekes (od nazwy niemieckiej spółki, która go stworzyła). W gniazda Typu 2 dziś wyposaża się wszystkie pojazdy elektryczne przeznaczone na rynek Unii Europejskiej – robią to zarówno europejscy, jak i japońscy (Nissan Leaf, hybrydy Toyoty w wersjach Plug In) i amerykańscy producenci (Tesla). Standard ten to kombinacja ładowania prądem AC lub DC z jednego i tego samego przyłącza, ale jest też odmiana wyłącznie z prądem DC 500V 1 x 140 A. Obecnie rozbudowywana sieć szybkich ładowarek w Europie obejmuje głównie Super-Chargery dostarczające od 120 do 150 kW mocy i pracujące właśnie z naciskiem na standard Mennekes z prądem DC. Swoistym klonem Typu 2 Mennekes stał się standard określany mianem Typ 2 Combo. To manewr bardzo podobny do tego z Typem 1 oraz Typem 1 Combo w USA: doszły dwa duże piny odpowiedzialne za dostarczanie prądu stałego, zaś zniknęły piny obsługujące prąd AC. Wszystko po to by przyspieszyć ładowanie samochodów.

Ostatnim popularnym standardem przyłączy i wtyczek w Europie jest tak zwane CHAde- MO, które nazywa się czasem Typem 4. Ten rodzaj przyłącza pojawił się w Azji, głównie dzięki działaniom japońskich i południowo- koreańskich inżynierów związanych z tamtejszymi koncernami samochodowymi (Kia, Hyundai, Mazda, Nissan, Mitsubishi i kilka innych). W Europie standard ten rozpropagował szczególnie jeden pojazd, który na Starym Kontynencie znalazł wielu nabywców. Mowa tu o wspominanym już Nissanie Leaf. Standard CHAdeMO to ładowanie prądem stałym 500 V i 125 A o mocy sięgającej 60 kW, a więc dość efektywne przez co skazane na sukces. Jednak CHAdeMO ma dziś problem z konkurencyjnym i podobnym do niego standardem, czyli Typem 2 Combo, który w Unii Europejskiej – z racji swoich europejskich korzeni – jest bardziej preferowany. Osobnym i efektywnym standardem (moc 120 kW przy prądzie 480 V DC) jest to, co wymyśliła i wdrożyła fi rma Elona Muska – słynna Tesla. Standard Tesli funkcjonuje doskonale w USA czy w Kanadzie, jednak w Europie właściciele tych pojazdów (wykonanych w wersji na rynek amerykański i sprowadzonych na Stary Kontynent) muszą korzystać z przejściówek między systemem Tesla i Typem 2 Mennekes. Można zaryzykować stwierdzenie, że w UE ten standard nie funkcjonuje.

Perspektywy dalszego rozwoju stacji ładowania VE

Trudno jest ocenić dalszy rozwój stacji ładowania pojazdów elektrycznych. Wiadome jest jedno: świat motoryzacji elektrycznej przesiada się właśnie na ładowanie prądem stałym dzięki ładowarkom o bardzo wysokiej mocy. Ale czy lokalne sieci dystrybucji energii elektrycznej są na to przygotowane? – może się okazać, że w przypadku dużych stacji ładowania, wyposażonych w wiele ładowarek i zapełnionych elektrycznymi pojazdami „po brzegi”, lokalne sieci ulegną odczuwalnemu przeciążeniu. Pod dyskusję należy poddać jeszcze jedną kwestię. Obecni właściciele „elektryków” zazdrosnym okiem patrzą na wszystkich tych, którzy tankują swoje pojazdy spalinowe do pełna w przeciągu 3-4 minut, podczas gdy oni sami muszą czekać w najlepszym wypadku pół godziny, przy czym jednocześnie słyszą, że skorzystali z „super szybkiego ładowania” i owe 30 minut postoju to „super szybkość”. Można domniemywać, że właśnie ten postój, te pół godziny, stanowi barierę praktycznie nie do przeskoczenia dla co najmniej 50-60% potencjalnych użytkowników samochodów elektrycznych, którzy jednak za nic w świecie nie zgodzą się na poświęcanie tak dużych ilości czasu tylko po to by „zatankować” prąd. Wszak czas to pieniądz.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów
publikowanych m.in. przez:
Eaton Electric Sp. z o.o.,
Solsum Sp. z o.o., ABB,
PRE Edward Biel,
Garo Polska i Phoenix Contact

 

Więcej na temat: