Współpraca stacji ładowania pojazdów elektrycznych z magazynem energii i instalacją fotowoltaiczną

Na sprzedaż samochodów ma wpływ pandemia COVID-19: w obliczu niepewności gospodarczej i bezrobocia, zakupy samochodów, które są zazwyczaj drugim co do wielkości zakupem konsumenckim (pierwszy to dom lub mieszkanie), są teraz trudniejsze do uzasadnienia dla konsumentów na całym świecie. Rządy w Europie i Chinach oferują różne pakiety stymulacyjne i dostosowują politykę, aby nie dopuścić do załamania się sprzedaży. Z drugiej strony, dostrzegalna jest zwiększająca się dynamika sprzedaży, ponieważ konsumenci stają się bardziej świadomi korzyści płynących z czystego powietrza w miastach. Jednak sprzedaż nadal opiera się głównie na polityce rządów, a do powszechnego przyjęcia pojazdu elektrycznego konieczne jest zminimalizowanie kosztów jego produkcji i eksploatacji czy zwiększenie wydajności ogniw litowo-jonowych, nie zapominając o dostosowaniu infrastruktury sieci elektroenergetycznej zasilanych energią ze źródeł odnawialnych.

Zdecentralizowana struktura sieci elektroenergetycznej z odnawialnymi źródłami energii

Klasyczne systemy elektroenergetyczne XX wieku, w których energia elektryczna była wytwarzana w przeważającej mierze w centralnych elektrowniach i dostarczana do użytkowników za pomocą linii przesyłowych wysokiego napięcia oraz sieci dystrybucyjnych średniego i niskiego napięcia, jest niewystarczająca i wymaga modernizacji. Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną jest jednym z współczesnych wyzwań dla rynku energii (rys. 1.). Rozwijający się sektor odnawialnych źródeł energii uwydatnia kolejne problemy systemu energetycznego, m.in. stochastyczny charakter produkcji. Źródła te są dostępne okresowo i silnie zmienne w czasie, i uzależnione od warunków atmosferycznych. Kolejnym problemem jest podwyższanie napięcia sieci, z czym obecnie związany jest montaż przez prosumentów instalacji fotowoltaicznych o mocy do 100% wartości mocy przyłączeniowej. Taka sytuacja może spowodować przekroczenie wartości granicznych zadanych parametrów i wyłączenie falownika lub transformatora SN/nn przez zabezpieczenie lub wystąpienie uszkodzeń urządzeń przyłączonych do ww. sieci, przez co zakład energetyczny może zostać zobowiązany do naprawy szkód lub pokrycia kosztów ich likwidacji. Podobna sytuacja nastąpi, gdy konwencjonalne źródła wytwórcze przyjmą obniżoną wartość produkcji ze względu na przewidywaną produkcję energii z systemów fotowoltaicznych i elektrowni wiatrowych – wystąpienie jej niedoboru powoduje spadek napięcia w sieci i zanik zasilania. Aby zaradzić występowaniu fluktuacji prowadzących do destabilizacji całego systemu elektroenergetycznego stosuje się magazyny energii oraz inteligentne sieci (smart grid). Stosowanie tego rozwiązania w przyszłości jest pewne i niezbędne głównie w związku z rozwojem elektromobilności, ponieważ ładowanie pojazdów elektrycznych czy maszyn roboczych wiąże się z przekazywaniem dużej energii w krótkim czasie, co również wpływa niekorzystnie w dużym stopniu na system dystrybucji energii. Z kolei skoncentrowanie generacji rozproszonej w jeden, logicznie połączony system, zwiększy efektywność techniczną i ekonomiczną wytwarzania energii elektrycznej. Generacja rozproszona, położona w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii, może wykorzystywać i łączyć ze sobą lokalne zasoby paliw, w tym biopaliw i energii ze źródeł odnawialnych, oraz zasobniki energii elektrycznej (zbiorniki wodne, akumulatory), które sterowane są zdalnie za pomocą rozbudowanego systemu informatycznego.

Floty pojazdów elektrycznych, takie jak autobusy i ciężarówki, wymagają zróżnicowanych rozwiązań infrastruktury ładowania niż w przypadku floty elektrycznych samochodów osobowych – od przygotowania trakcji prądu stałego przystosowanej do poboru dużych mocy do punktów wymiany zestawów akumulatorów (ang. battery swaping). Chociaż ładowanie akumulatorów floty pojazdów elektrycznych stanowi około 3% całkowitej wielkości infrastruktury ładowania, stanowi to ponad 20% całkowitej wartości rynkowej ze względu na dodatkowe koszty związane z wymaganiami dotyczącymi dużej mocy [3].

Zapotrzebowanie na magazynowanie energii

Magazynowanie energii jest istotnym aspektem umożliwiającym trwającą elektryfikację sektorów o wysokiej emisji dwutlenku węgla (przemysł motoryzacyjny, elektrownie, elektrociepłownie oraz ciepłownie). Rozwój w zakresie magazynowania energii jest napędzany przez zwiększone wykorzystanie pojazdów elektrycznych i bilansowanie sieci OZE w celu dostarczania energii w okresach niskiej produkcji energii z elektrowni słonecznych i wiatrowych.

Energooszczędne technologie akumulatorów m.in. litowo-jonowych, stworzyły nowe możliwości wykorzystania ich w przenośnych urządzeniach elektronicznych, mobilności elektrycznej czy stacjonarnego przechowywania. Prognozuje się, że zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe wyniesie ponad 2500 GWh dla samych pojazdów elektrycznych [4]. Jednak upowszechnienie akumulatorów litowo-jonowych nie jest pozbawione kosztów – nadal stwarzają problemy zarówno technologiczne, jak i środowiskowe, które powoli są eliminowane poprzez zmiany w projektowaniu akumulatorów. Na przykład zastosowanie architektury napięcia 800 V w pojeździe elektrycznym zostało przyjęte przez wielu producentów OEM [4], ze względu na możliwość szybkiego ładowania i bardziej wydajnej pracy akumulatora. Jednak nadal niezbędna jest infrastruktura ładowania, aby w pełni to wykorzystać, ponieważ akumulator będzie musiał pobierać zwiększone moce szybkiego ładowania. Co za tym idzie, istotne będzie zapewnienie wzmocnionej izolacji elektrycznej zestawu akumulatorów.

Innowacje technologiczne w falownikach i silnikach, takie jak przejście na tranzystory MOSFET z węglika krzemu i architektury napięcia 800 V, mają do odegrania ważną rolę w kwestii parytetu cenowego i zróżnicowania produktów w miarę dojrzewania rynku, z możliwością zwiększenia zasięgu do 10% bez ingerencji w strukturę akumulatora, a także umożliwić ultraszybkie ładowanie, np. mocą 350 kW dc [1].

Badane są również projekty akumulatorów typu cell-to-pack (CTP) [3], [5]. W tym przypadku zwiększona wydajność pakietów ogniw może wspomóc ograniczenie redukcji gęstości energii wynikającej ze struktury katod baterii LFP (elektroda dodatnia jest litowo-żelazowo-fosforanowa (LiFePO4), a elektroda ujemna grafitowa) [4]. Istnieje wyraźny trend w kierunku materiałów katodowych o wyższej zawartości niklu NMC i NCA, aby poprawić gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych (w rezultacie także zasięg pojazdów elektrycznych), ale jednak mogą nie być powszechnie stosowane ze względu na politykę zrównoważonego rozwoju dla surowców pierwotnych. Przedsiębiorstwa, takie jak BYD, CATL, Tesla i Stellantis ogłaszają zamiar stosowania katod LFP (bądź LMFP jak w przypadku Stellantis) w połączeniu z projektami akumulatorów CTP [5]. Dość ważną kwestią pozostaje modułowość, ponieważ większość producentów zestawów baterii w Europie i Ameryce Północnej oferuje rozwiązania modułowe. Dodatkowa redundancja i możliwość naprawy akumulatorów nabierają większego znaczenia w sektorach komercyjnych, podczas gdy ich modułowa konstrukcja umożliwi również producentom zestawów baterii łatwiejszą obsługę. Poza tym, istotnymi kwestiami są konstrukcja ogniwa (celi) i współczynnik kształtu, elektrolity stałe, wybór materiałów anodowych, materiałów termoprzewodzących czy systemów zarządzania zestawami bateryjnymi, które stanowią część ekosystemu projektowania akumulatorów z licznymi możliwościami poprawy wydajności, kosztów i bezpieczeństwa akumulatorów i pojazdów elektrycznych.

Topologie ładowarki pokładowej i stacjonarnej

W celu wyjaśnienia udziału energoelektroniki w systemie zasilania pojazdu elektrycznego energią elektryczną, omówiono przekształtniki energoelektroniczne stosowane w pojeździe elektrycznym. Rysunek 2. przedstawia schemat blokowy typowej architektury systemu zasilania elektrycznego w pojeździe elektrycznym. W tym przypadku wysokie napięcie szyny dc mieści się zwykle w zakresie 250 – 450 V dc w zależności od wykorzystywanego napięcia baterii wysokonapięciowej, a szyna dc niskiego napięcia ma wartość znamionową 12/48 V dc. Ładowarka pokładowa jest istotną częścią pojazdu oraz pełni dwie główne role: ładowanie baterii przez główną sieć energetyczną oraz zapewnia korekcję współczynnika mocy cos φ (PFC) blisko 0,99, przy niskim poziomie zakłóceń powodowanych harmonicznymi [6].

Moc ładowania baterii zależy od mocy dostępnej w sieci elektroenergetycznej, do której przyłączone jest stanowisko ładowania. Jednofazowa ładowarka pokładowa może mieć moc do 19,2 kW. Jednak bardziej odpowiednie jest zastosowanie trójfazowej ładowarki dla poziomów mocy powyżej 7,4 kW ze względu na liczbę komponentów i obciążenie prądowe sieci elektroenergetycznej. Większość pojazdów elektrycznych na całym świecie wykorzystuje obecnie pokładową ładowarkę jednofazową w zakresie mocy od 6,6 do 7,4 kW [6].

Rysunek 3a przedstawia najpopularniejszą jednofazową topologię ładowarki pokładowej (ang. interleaved boost with power factor correction). Chociaż ta topologia charakteryzuje się większą wydajnością i mocą w porównaniu z pojedynczym półmostkiem boost, to wymaga większej liczby komponentów, co może prowadzić do obniżonej niezawodności. Ponieważ każdy stopień wzmacniający (półmostek boost) jest zaprojektowany do obsługi połowy mocy znamionowej, może on zapewnić redundancję systemu, jeśli jeden stopień wzmacniający ulegnie awarii. Dzięki temu ładowarka może kontynuować ładowanie baterii „wysokonapięciowej” połową swojej mocy znamionowej. Obecnie trwają prace badawczo-rozwojowe nad bardziej zaawansowanymi topologiami, takimi jak totem-pole IBW PFC z urządzeniami o szerokim paśmie wzbronionym (WBG – ang. wide bandgap), w celu dalszej poprawy wydajności i gęstości mocy ładowarki pokładowej. Trend zmierza w kierunku ładowania dwukierunkowego, w którym pojazd elektryczny/hybrydowy może wspierać sieć energetyczną, dostarczając energię akumulatora z powrotem do sieci.

Rysunek 3b przedstawia topologię przekształtnika dc/dc z izolacją galwaniczną i jest ona często stosowana w pojazdach elektrycznych. Dla zapewnienia separacji galwanicznej jest tu wykorzystywany jednofazowy wysokoczęstotliwościowy transformator separacyjny. Przekształtnik dc/dc jest stosowany w dwóch etapach. Pierwszym z nich jest ładowanie akumulatora z prostownika. Na tym etapie przekształtnik dc/dc powinien dostarczać napięcie do szyny (mikrosieci) wysokiego napięcia dc (np. typowo 250 – 450 V dc). Drugi przekształtnik dc/dc, oparty na tej samej topologii, jest przystosowany do zasilania napięciem szyny niskonapięciowej dc, która może mieć napięcie 12 lub 48 V dc w zależności od rodzaju baterii niskonapięciowej pojazdu (rys. 2.). Ze względu na wymagania bezpieczeństwa przekształtnik dc/dc powinien izolować sieć energetyczną od wysokonapięciowej mikrosieci dc oraz z kolei tą mikrosieć dc od niskonapięciowej mikrosieci dc.

Przekształtnik pełnomostkowy dc/ac z transformatorem separacyjnym, może wykorzystywać sieć rezonansową dla zapewnienia bezstratnego przełączania tranzystorów MOSFET, np. przełączania w zerze napięcia ZVC (ang. zero voltage switching), opartej na szeregowym przetworniku rezonansowym SRC, (ang. series resonant circuit). Alternatywną metodą jest dostosowanie indukcyjności rozproszenia transformatora (może być wymagana dodatkowa indukcyjność), która jest znana jako przekształtnik z pełnomostkowy z przesunięciem fazowym (PSFB – ang. phase shift full bridge converter) [6].

Na rysunku 3c przedstawiono falownik napięciowy do zasilania silnika pojazdu elektrycznego. Falownik, poprzez zastosowanie metody szerokości impulsów (MSI lub z ang. PWM – Pulse Width Modulation) do kształtowania trójfazowego napięcia wyjściowego, steruje prędkością obrotową silnika zapewniają odpowiednią częstotliwość napięcia i momentem napędowym silnika poprzez zadawanie odpowiedniej wartości skutecznej napięcia zasilania silnika. Moc bierna sinika indukcyjnego pojazdu krąży tutaj pomiędzy silnikiem i baterią kondensatorów umieszczonych na zasilaniu dc falownika. W przewodzeniu prądu biernego uczestniczą diody zwrotne dołączone przeciwrównolegle z tranzystorami IGBT (ang. insulated gate bipolar transistor) falownika.

Falownik z transformatorem separacyjnym i prostownikiem wysokoczęstotliwościowym

Rysunek 4. przedstawia ogólny schemat stacji szybkiego ładowania, która zwykle pracuje w trybie ładowania 4 z obudową przyłączeniową „C” zgodnie z normą IEC 61851-1 (VDE0122-1). Oznacza to, że kabel i wtyczka pojazdu są zamocowane na stałe w stacji ładującej. Stacja ładowania dc spełnia specyfikację CHAdeMO, a także spełnia wymagania bezpieczeństwa CE.

Podstawowym elementem stacji szybkiego ładowania jest ładowarka dc z nowoczesną energoelektroniką, w której można ustawić napięcie ładowania. Tranzystory IGBT przełączające się z częstotliwością 20 kHz działają prawie bezgłośnie, ponieważ ich częstotliwość robocza wykracza poza zakres, który większość ludzi jest w stanie usłyszeć. Wysokiej jakości filtry dcpo stronie wyjściowej ładowarki zapewniają tłumienie szczątkowych wartości składowych przemiennych w napięciu wyprostowanym. Izolacja elektryczna zapewnia bezpieczną izolację pomiędzy siecią zasilającą a napięciem ładowania dc. Dodatkowo obwód ładowania dc jest zwykle wyposażony w urządzenie monitorujące izolację. Z technicznego punktu widzenia dławik wygładzający i obwód filtra prądu stałego zapewniają redukcję napięć zakłócających, które obciążają akumulator pojazdu i mogą powodować przyspieszone jego starzenie się [7].

Przykładowy model przekształtnika dc/dc z separacją galwaniczną w celu izolacji sieci zasilania od stałonapięciowej mikrosieci napięcia wysokiego lub niskiego pojazdu elektrycznego przedstawia rysunek 5.

Rysunek 5a przedstawia model obwodu mocy przekszałtnika dc/dc z wykorzystaniem falownika i transformatora separującego wraz z grafem stanów sterowania jednobiegunowego falownika. Falownik pełnomostkowy jest tu zasilany z prostownika trójfazowego dołączonego do sieci napięcia przemiennego 3×400 V/50 Hz, dlatego jest on zasilany napięciem stałym E2 = 560 V. Napięcie zasilania falownika E2 po pośrednim przekształceniu na jednofazowe napięcie przemienne o częstotliwości 2 kHz jest transformowane na stronę wtórną transformatora separacyjnego i następnie jest ono prostowane diodą D6 (rys. 5b). Napięcie na obciążeniu R3 musi mieć wartość zależną od przekładni transformatora i współczynnika gładkości modulacji M i wynosi VM5 = 400 V DC. Współczynnik modulacji w danym przypadku wynosi 1 (rys. 5c).

Współpraca stacji ładowania pojazdów elektrycznych z instalacją fotowoltaiczną i magazynem energii

W cyklu 24-godzinnym system fotowoltaiczny (PV) generuje pewną ilość energii E_PV – rys. 6. Część tej energii trafia do sieci. Nadmiarowa energia uzyskana z systemu fotowoltaicznego jest wykorzystywana do ładowania magazynu energii E_ES^CH (ES – ang. energy storage), zamiast jej ograniczania, gdy moc wyjściowa systemu PV jest wysoka w ciągu dnia. Ta zmagazynowana energia jest następnie odprowadzana do sieci E_ES^DISCH, gdy moc wyjściowa systemu PV jest mała lub zerowa w nocy. Systemy PV i ES są umieszczane w tym samym miejscu, aby uniknąć strat energii w sieci podczas ładowania jednostki ES. Uogólniając, równanie bilansu całkowitej mocy wyjściowej głównych składowych można opisać jako model mocy. Wyrażenie to przedstawia moc OZE w okresie, np. 1 roku.

gdzie:

T = 1 rok,

i – liczba punktów ładowania akumulatorów pojazdów EV,

p_PV (t) – moc elektrowni fotowoltaicznej,

p_li (t) – moc stacji ładowania EV,

p_ES (t) – moc magazynu energii.

Rysunek 7. przedstawia kwartalną produkcję energii przez dachową elektrownię fotowoltaiczną o mocy 6 kWp w słoneczne dni, gdzie maksymalne nasłonecznienie latem wynosi około 1 kW/m² przy 16 godzinach na dobę i zimą 0,1 kW/m² przy 8 godzinach słonecznych na dobę. Uwzględnione jest magazynowanie energii i dostarczanie jej do odbiorów podłączonych do mikrosieci prądu stałego lub do sieci prądu przemiennego. Roczna produkcja energii w elektrowni fotowoltaicznej wynosi około 6 MWh (w polskich realiach koszt takiej instalacji wynosi ok. 1000 USD/1 kW_p) . Dzięki tej małej elektrowni fotowoltaicznej, we wskazanym okresie (od 2018 roku) udało się zredukować ponad 22 ton dwutlenku węgla, co znajduje odzwierciedlenie również w obsadzeniu ok. 260 drzew. Zakładając, że np. małe przedsiębiorstwo posiada 1 samochód elektryczny, który zużywa maks. 20 kWh/100  km (np. Ford E-Transit) i ma roczny przebieg maks. 30 000 km, dana elektrownia słoneczna jest w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na energię do ładowania tego pojazdu. Podobne założenia można przyjąć i skalować w zależności od floty pojazdów elektrycznych w przedsiębiorstwie, profilu zużycia energii elektrycznej czy rodzaju działalności przedsiębiorstwa (usługi, produkcja itp.).

Minimalna energia E_minPVr powinna być dostarczana przez OZE w ciągu roku do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych i nie powinna być mniejsza niż energia wymagana dla stacji ładowania E_lr, co przedstawia wyrażenie (2):

Pojazdy elektryczne są integralną częścią takiej mikrosieci, w której mogą pełnić funkcję zarówno odbiorników, jak i źródeł energii. Praca systemu jest kontrolowana przez system zarządzania, który realizuje funkcje monitorowania, diagnostyki i sterowania pracą mikrosieci. Funkcją docelową może być minimalizacja kosztów, a dzięki możliwości magazynowania możliwa jest długoterminowa optymalizacja. Dzięki prognozowaniu operator mikrosieci może zarządzać przepływem energii elektrycznej, maksymalizując zyski.

Podsumowanie

Elektroniczne układy sterowania mocą stanowią kluczową technologię w pojazdach elektrycznych, a w energoelektronice pierwszym warunkiem ewolucji jest rozwój komponentów. Artykuł przedstawia przegląd wybranych topologii przekształników energoelektronicznych stosowanych w pojazdach elektrycznych oraz opis kluczowych komponentów systemu zasilania stacji EV, tj. elektrowni słonecznej i magazynu energii, współpracujących ze stacją ładowania baterii EV. Oczekuje się, że liczba pojazdów elektrycznych na drogach będzie nadal rosła w ciągu najbliższych dziesięcioleci z powodu różnych czynników, głównie ze względu na szybki postęp w technologii EV i akumulatorów. Przedłużający się proces ładowania akumulatorów, który jest jednym z głównych problemów wpływających na zwiększoną penetrację pojazdów EV i sprawia, że ​​jednostki szybkiego ładowania są bardziej atrakcyjną i wydajną opcją dla stacji ładowania. Mikrosieci zawierające odnawialne źródła energii są wykorzystywane w odległych obszarach na całym świecie. Jednak przerywana energia może powodować duże wahania częstotliwości w mikrosieci. Aby temu zapobiec, prowadzone są nadal badania, m.in. nad strategiami sterowania mikrosiecią prądu stałego obejmującą stację szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych i jednostki generacji rozproszonej w celu zbadania wpływu na sieć oraz ich potencjalnego wkładu w pracę całego systemu w przypadku uwzględnienia technologii pojazd-do-sieci (V2G). Duży wybór urządzeń do ładowania baterii EV pod względem ich realizacji technicznej nie pozwala na prognozowanie zakłóceń w sieci, więc nie istnieje dotychczas ogólne rozwiązanie problemu polegające np. na pasywnym/aktywnym filtrowaniu generowanych składowych harmonicznych. Odpowiednio zaprojektowany i zrealizowany musi być cały łańcuch związany z montażem stacji ładowania: od analizy potrzeb i projektu instalacji elektrycznej, przez jej zbudowanie, po zakup odpowiedniej ładowarki, jej instalację i integracją z aplikacją do rozliczeń i monitoringu technicznego oraz z mikrosiecią z OZE i magazynem energii. Rozwiązanie zasilania stacji ładowania EV źródłami OZE i wspomagającym jej zasilanie magazynem energii może być szansą na szybki rozwój infrastruktury do ładowania, szczególnie w miejscach, gdzie tradycyjne wykonanie będzie trudne i nie będzie uzasadnione ekonomiczne.

Literatura

1. Charging Infrastructure for Electric Vehicles and Fleets 2021-2031, IDTechEx Research Report, https://www.idtechex.com/en/research-report/charging-infrastructure-for-electric-vehicles-and-fleets-2021-2031/775.
2. https://pspa.com.pl/2021/informacja/blisko-50-tys-ogolnodostepnych-punktow-ladowania-w-polsce-do-2025-r/.
3. Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles 2021-2031, IDTechEx Research Report, https://www.idtechex.com/en/research-report/lithium-ion-batteries-for-electric-vehicles-2021-2031/814.
4. Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2021-2031, IDTechEx Research Report, https://www.idtechex.com/en/research-report/materials-for-electric-vehicle-battery-cells-and-packs-2021-2031/796.
5. https://www.idtechex.com/en/research-article/many-trends-to-track-for-li-ion-batteries-in-electric-vehicles/24503.
6. F. Blaabjerg, H. Wang, I. Vernica, B. Liu, P. Davari, Reliability of Power Electronic Systems for EV/HEV Applications, Proceedings of the IEEE (Volume: 109, Issue: 6, June 2021), DOI: 10.1109/JPROC.2020.3031041
7. Technical Series Edition 9, Electrical infrastructure for e-car charging stations. Siemens, www.siemens.com/tip-cs.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!