Stacja ładowania samochodów elektrycznych

Funkcja

Stacje ładowania samochodów elektrycznych to specjalnie zaprojektowane urządzenia, które umożliwiają ładowanie akumulatorów w pojazdach z napędem elektrycznym (EV). Większość stacji ładowania wykorzystuje prąd przemienny (AC), dostępny w większości gospodarstw domowych i przedsiębiorstw. W samochodzie prąd przemienny jest przekształcany przez pokładową ładowarkę w prąd stały (DC), którym ładowany jest akumulator. Istnieją jednak również stacje ładowania DC, które wykorzystują prąd stały w celu przyspieszenia procesu ładowania akumulatorów.

Samochód elektryczny jest zazwyczaj ładowany za pomocą stacji podłączonej do źródła zasilania. Istnieją również stacje ładowania montowane na ścianie, tzw. wallboxy, które zazwyczaj instaluje się na terenach prywatnych, na przykład na ścianach garaży.

Możliwości ładowania

• Ładowanie z gniazdka:

Gniazdko domowe to najprostszy sposób ładowania samochodu elektrycznego. Samochód podłącza się w tym przypadku za pomocą kabla ładującego „Mode 2” do zwykłego gniazdka z uziemieniem (gniazdka Schuko). Nie jest możliwe ładowanie np. za pomocą kabla ładującego „Mode 3”, który nadaje się wyłącznie do ładowania w stacjach ładowania BEV. Jednak ten rodzaj ładowania jest stosunkowo powolny i mogą wystąpić problemy związane z przeciążeniem sieci energetycznej, a ponadto straty podczas ładowania są bardzo wysokie.

• Ładowanie za pomocą tzw. wallboxa:

Wallbox to szybsza opcja, zaprojektowana specjalnie do ładowania samochodów elektrycznych. Wallbox jest zazwyczaj instalowany przez elektryka i podłączony bezpośrednio do sieci energetycznej. Zapewnia wyższą moc ładowania i jest bezpieczniejszy niż domowe gniazdko.

• Ładowanie za pomocą publicznych stacji ładowania:

Publiczne stacje ładowania znajdują się najczęściej w miastach lub przy autostradach. Zapewniają one szybkie i niezawodne ładowanie samochodów elektrycznych i są wyposażone w różne typy wtyczek. Stacje szybkiego ładowania umożliwiają bardzo szybkie ładowanie samochodów elektrycznych. Dostęp do nich uzyskuje się za pomocą karty ładowania lub aplikacji.

Tryby ładowania

W międzynarodowej normie IEC 61851 zdefiniowano cztery tryby ładowania.

Tryb 1: ładowanie prądem przemiennym (AC) z gniazdek domowych wyposażonych w styk uziemiający (Schuko). Kabel ładujący trybu 1 to kabel podstawowy, który nie zapewnia żadnej ochrony elektrycznej. Ładowanie za pomocą kabla trybu 1 wiąże się z zagrożeniami, dlatego w wielu krajach jest to zabronione.

Tryb 2: ładowanie prądem przemiennym z gniazdek domowych ze stykiem uziemiającym (Schuko). Ładowanie odbywa się za pomocą kabla ładującego wyposażonego w zintegrowany układ sterowania i zabezpieczeń.

Tryb 3: szybkie ładowanie prądem przemiennym w specjalnych publicznych stacjach ładowania lub w wallboxie. Przed rozpoczęciem ładowania, a także w trakcie przesyłania energii elektrycznej samochód komunikuje się z urządzeniem ładującym za pośrednictwem połączenia sterującego.

Tryb 4: szybkie ładowanie prądem stałym (DC). Ładowarka jest na stałe zintegrowana ze stacją ładowania, a kabel ładujący jest trwale połączony ze stacją. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie dużej mocy ładowania.

Wtyczka

Aby można było korzystać z odpowiednich trybów ładowania, należy określić, jakie wtyki mają być stosowane w poszczególnych miejscach.

Rozróżnia się przy tym dwa rodzaje połączeń wtykowych:

• Złącze „po stronie zasilania” między gniazdkiem a kablem ładującym lub stacją ładującą a kablem ładującym
• Połączenie wtykowe między kablem ładującym a pojazdem

Norma IEC 62196 reguluje stosowanie złączy w zależności od trybu ładowania. Norma definiuje trzy typy złączy:

• Typ złącza IEC 62196-2 typ 1: „single phase vehicle coupler”
• Typ złącza IEC 62196-2 typ 2: „złącze pojazdu jedno- i trójfazowe”
• Typ złącza IEC 62196-2 typ 3: „złącze jedno- i trójfazowe z osłonami” – ten typ posiada dodatkowe mechanizmy zabezpieczające, które jednak w typie 2 są zapewnione przez wielokrotnie redundantne systemy zabezpieczające.

Złącze typu 2 jest obecnie uznawane za wspólną normę obowiązującą w całej Europie.

W przypadku ładowania prądem stałym w trybie 4 nie ma wspólnej normy dotyczącej wtyczek. Wtyczka typu 2 umożliwia wprawdzie ładowanie prądem stałym, jednak tylko z maksymalną mocą ładowania wynoszącą 38 kW. W zakresie szybkiego ładowania prądem stałym ugruntowały się dwa standardy: CCS i CHAdeMO.

CCS:

W Niemczech na rynek wprowadzane są zazwyczaj wyłącznie nowe pojazdy elektryczne wyposażone w złącze CCS. Skrót CCS oznacza Combined Charging System i łączy w sobie wtyczkę typu 2 do ładowania prądem przemiennym (AC) oraz dodatkowe styki do ładowania prądem stałym, dzięki czemu pojazd elektryczny można naładować przy stacji szybkiego ładowania CCS za pomocą jednego złącza. Dzięki dodatkowym stykom pojazd może komunikować się ze stacją ładowania.

CHAdeMO:

CHAdeMO to skrót od „Charge de Move”, co w tłumaczeniu oznacza „ładowanie w celu przemieszczania się”. CHAdeMO to japoński standard ładowania pojazdów elektrycznych prądem stałym (DC), stosowany przez niektórych producentów samochodów, w szczególności przez Nissana i Mitsubishi. W przeciwieństwie do systemu CCS, CHAdeMO wykorzystuje oddzielną wtyczkę do ładowania prądem stałym.

Systemy ładowania do szybkiego ładowania prądem stałym

W przypadku ładowania prądem stałym (DC) norma IEC 62196-3 opisuje znormalizowane typy złączy do ładowania prądem stałym oraz złącza umożliwiające ładowanie zarówno prądem przemiennym, jak i stałym (AC/DC). W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym szczególne znaczenie mają systemy CCS i CHAdeMO.

CCS:

CCS (Combined Charging System) to system ładowania, który umożliwia ładowanie prądem przemiennym (AC) i stałym (DC) za pośrednictwem wspólnego złącza w pojeździe. W Europie CCS bazuje na złączu typu 2. Do ładowania prądem przemiennym wykorzystywane jest standardowe złącze typu 2, natomiast w przypadku szybkiego ładowania prądem stałym jest ono rozszerzone o dwa dodatkowe styki mocy, tworząc tzw. złącze Combo 2. Dzięki temu odpowiednio wyposażony samochód elektryczny może być ładowany zarówno prądem przemiennym, jak i stałym za pośrednictwem tego samego gniazda w pojeździe. CCS stał się w Europie podstawowym systemem szybkiego ładowania samochodów elektrycznych prądem stałym.

CHAdeMO:

CHAdeMO to standard ładowania samochodów elektrycznych prądem stałym (DC), opracowany pierwotnie w Japonii. Był stosowany przede wszystkim w samochodach elektrycznych japońskich producentów, takich jak Nissan i Mitsubishi. W przeciwieństwie do europejskiego systemu CCS, CHAdeMO wykorzystuje oddzielne złącze do ładowania prądem stałym. W przypadku nowych samochodów elektrycznych w Europie CHAdeMO odgrywa obecnie znacznie mniejszą rolę niż CCS, ale nadal można je spotkać w użytkowanych już pojazdach oraz w kompatybilnych stacjach ładowania.

Proces ładowania

Aby rozpocząć ładowanie w publicznych stacjach ładowania, kierowca pojazdu elektrycznego potrzebuje (w zależności od operatora) specjalnej karty ładowania lub aplikacji na smartfonie, za pomocą której może odblokować stację i rozpocząć proces ładowania. Gdy urządzenie zostanie aktywowane, prąd z sieci energetycznej przepływa do akumulatora pojazdu elektrycznego, ładując go. W stacjach ładowania z prądem przemiennym (AC) ładowarka samochodu elektrycznego przekształca go na prąd stały (DC) dopasowany do pojazdu. Prąd stały przepływa następnie do akumulatora.

Podczas ładowania system zarządzania akumulatorem samochodu elektrycznego monitoruje temperaturę i poziom naładowania. Gdy akumulator jest już prawie w pełni naładowany, system zmniejsza prędkość ładowania, aby zapobiec jego przeładowaniu. Krzywa ładowania maleje wraz ze wzrostem poziomu naładowania akumulatora. Gdy akumulator jest w pełni naładowany, proces ładowania zatrzymuje się automatycznie. W niektórych pojazdach elektrycznych można również ustawić moc ładowania oraz pożądany stan naładowania (State of Charge).

Czas ładowania zależy od różnych czynników, takich jak pojemność akumulatora, moc ładowania stacji, typ akumulatora oraz temperatura. Im wyższa moc ładowania stacji, tym szybciej można naładować akumulator. Niektóre samochody elektryczne są wyposażone w funkcję szybkiego ładowania, która pozwala na naładowanie akumulatora w krótkim czasie.

Ochrona środowiska

Stacje ładowania samochodów elektrycznych przyczyniają się do ochrony środowiska, ponieważ umożliwiają właścicielom pojazdów elektrycznych ładowanie ich samochodów przy użyciu energii odnawialnej, takiej jak energia słoneczna czy wiatrowa. Ponadto korzystanie z pojazdów elektrycznych zmniejsza zależność od paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, co może przyczynić się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych i poprawy jakości powietrza.

Bezpieczeństwo

Bezpieczeństwo stacji ładowania samochodów elektrycznych jest istotnym czynnikiem, ponieważ wykorzystują one energię elektryczną i zazwyczaj są instalowane na zewnątrz. Z tego powodu stacje muszą być projektowane i instalowane zgodnie z rygorystycznymi normami bezpieczeństwa, aby zminimalizować ryzyko porażenia prądem lub pożaru.

Do cech i elementów stacji ładowania zwiększających poziom bezpieczeństwa należą między innymi:

• mechanizmy zabezpieczające przed przeciążeniem, zwarciem i skokami napięcia,
• uziemienie i ochrona odgromowa,
• zabezpieczenie przed kradzieżą i wandalizmem,
• odporność na warunki atmosferyczne.

W przypadku problemów technicznych z pojazdem lub systemem ładowania, a także w celu wykonania prac konserwacyjnych i napraw, zaleca się skorzystanie z usług wykwalifikowanego warsztatu. W przypadku samochodów elektrycznych dotyczy to w szczególności prac przy elementach elektrycznych i układach wysokiego napięcia.