elektro.info

Pojazdy elektryczne (część 2) - przyszłość transportu i energetyki?

Electric vehicles – the future of transport and power engineering sector?

Rys. 7. Idea zelektryfikowanej drogi z bezprzewodowym ładowaniem PEV
Rys. S. Bielecki

Rys. 7. Idea zelektryfikowanej drogi z bezprzewodowym ładowaniem PEV


Rys. S. Bielecki

Współcześnie obserwuje się znaczący wzrost zainteresowania
samochodami elektrycznymi, choć pierwsze ich konstrukcje powstawały już ponad
100 lat temu. Pojazdy elektryczne mają pewne cechy, przedstawione w poprzedniej
części artykułu, które to przekładają się na wspomniane zainteresowanie. Obecny
trend, wymuszający podwyższanie efektywności energetycznej oraz odchodzenie od
paliw kopalnych, sprzyja rozwojowi konstrukcji takich pojazdów, które w istocie,
jako szczególne jednostki użytkujące energię elektryczną, stają się elementem
inteligentnie łączącym transport i energetykę.

Zobacz także

Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych

Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych

Pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej popularne – dzieje się tak za sprawą mniejszych kosztów ich bieżącej eksploatacji, w porównaniu do samochodów z silnikami spalinowymi. W obecnie używanych w...

Pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej popularne – dzieje się tak za sprawą mniejszych kosztów ich bieżącej eksploatacji, w porównaniu do samochodów z silnikami spalinowymi. W obecnie używanych w pojazdach źródłach energii wymagane jest ich częste ładowanie ze względu na niewielki zasięg tych pojazdów.

Pojazdy elektryczne (część 1) - przyszłość transportu i energetyki?

Pojazdy elektryczne (część 1) - przyszłość transportu i energetyki? Pojazdy elektryczne (część 1) - przyszłość transportu i energetyki?

W pierwszej części artykułu opisane zostały zagadnienia podstawowe, natomiast w kolejnych częściach skupiono się na kwestiach możliwej współpracy pojazdów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną oraz...

W pierwszej części artykułu opisane zostały zagadnienia podstawowe, natomiast w kolejnych częściach skupiono się na kwestiach możliwej współpracy pojazdów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną oraz rozwojem związanych z tym usług energetycznych.

Wprowadzenie do systemów ładowania pojazdów elektrycznych

Wprowadzenie do systemów ładowania pojazdów elektrycznych Wprowadzenie do systemów ładowania pojazdów elektrycznych

Samochody elektryczne znane są już od ponad 100 lat. Jednak z uwagi na ograniczone możliwości magazynowania energii przez wiele lat silniki elektryczne były stosowane do napędzania pojazdów w ograniczonym...

Samochody elektryczne znane są już od ponad 100 lat. Jednak z uwagi na ograniczone możliwości magazynowania energii przez wiele lat silniki elektryczne były stosowane do napędzania pojazdów w ograniczonym zakresie. Dopiero od kilku lat technologia ta jest wdrażana do masowej produkcji obok rozwiązań hybrydowych. Jest bowiem możliwe magazynowanie energii w akumulatorach litowo-jonowych, zapewniające przejechanie nawet 200 kilometrów [1, 2]. Jako zaletę elektrycznego samochodu można podać bardzo duży...

Sposoby ładowania PEV

Pojawiły się pierwsze dokumenty normalizujące parametry, wyposażenie i elementy połączenia, służące ładowaniu PEV (IEC 61851, IEC 62196). Generalnie, można wyróżnić cztery tryby ładowania, w ramach trzech „poziomów”, mianowicie:

  • ładowanie wolne (około 10 godzin), tzw. domowe (AC) 2 kW;
  • ładowanie wolne (AC), do 20 kW w miejscach publicznych;
  • ładowanie szybkie od 50 kW prądem stałym DC (specjalne stacje ładowania).

Definiowane tryby to (rys. 1rys. 2rys. 3 i rys. 4):

b pojazdy elektryczne rys1

Rys. 1. Ładowanie wolne PEV, tryb 1; rys. S. Bielecki

Tryb 1 (rys. 1)

Ładowanie wolne poprzez układ AC:

  • gniazdko standardowe „siłowe” (maks. 1f: 16 A, 250 V; 3f: 480 V), po stronie sieci np. EN 60309, po stronie pojazdu – dedykowana wtyczka EN 62196,
  • moc: 3,7–11 kW;
  • przewód o żyłach miedzianych, przekrój min. 2,5 mm2,
  • ochrona przeciwporażeniowa: przewód PE, zabezpieczenie przetężeniowe o prądzie znamionowym min. 20 A,
  • ładowanie domowe.
b pojazdy elektryczne rys2

Rys. 2. Ładowanie wolne PEV, tryb 2; rys. S. Bielecki

Tryb 2 (rys. 2)

Ładowanie wolne poprzez układ AC:

  • gniazdko standardowe „siłowe” (maks. 1f: 32 A, 250 V; 3f: 480 V), po stronie sieci np. EN 60309, po stronie pojazdu – dedykowana wtyczka EN 62196 z dodatkowym stykiem służącym do wykrycia połączenia z pojazdem,
  • moc: 7,4–22 kW;
  • przewód o żyłach miedzianych, przekrój min. 4 mm2 z wbudowanym układem sterującym,
  • ochrona przeciwporażeniowa – przewód PE oraz wyłącznik RCD (30 cm od wtyczki, maks. 30 mA), zabezpieczenie przetężeniowe o prądzie znamionowym min. 32 A,
  • ładowanie domowe.
b pojazdy elektryczne rys3

Rys. 3. Ładowanie wolne PEV, tryb 3; rys. S. Bielecki

Tryb 3 (rys. 3

Ładowanie wolne poprzez układ AC:

  • połączenia dedykowane PEV z terminalem ładowania, po­łączonym na stałe z siecią (układ EVSE, electric vehicle supply equipment), po stronie pojazdu – dedykowana wtyczka EN 62196,
  • obciążalność przewodu do 250 A,
  • moc: 14,8–43 kW;
  • ochrona przeciwporażeniowa – przewód PE, wyłącznik RCD, układ EVSE (m.in. sprawdzający poprawność połączenia),
  • wymiana danych PEV – stacja ładowania za pomocą dodatkowych żył lub bezprzewodowo,
  • ładowanie domowe lub w miejscach publicznych.
b pojazdy elektryczne rys4

Rys. 4. Ładowanie szybkie PEV, tryb 4; rys. S. Bielecki

Tryb 4 (rys. 4)

  • Ładowanie szybkie DC (kilkanaście minut):
  • połączenia dedykowane, ładowarka zewnętrzna, stacja ładowania wyposażona w EVSE oraz układ prostownikowy, po stronie pojazdu – dedykowana wtyczka EN 62196,
  • obciążalność przewodu do 400 A,
  • ochrona przeciwporażeniowa – układ EVSE, zabezpieczenia przetężeniowe zarówno przed, jak i za układem prostownikowym, wysokoczuły wyłączniki RCD,
  • wymiana danych PEV – stacja ładowania,
  • ładowanie w publicznych stacjach ładowania DC, np. w pobliżu fabryk i dużych biurowców (bliskość stacji transformatorowych rzędu MW z zapasem mocy).

Wdrożone standardy

W kwestii wdrożonych standardów ładowania PEV, poza klasycznymi gniazdkami 230/400 V, największą popularność światową zdobyły trzy standardy:

  • CHAdeMO G105-1993 (szybkie),
  • SAE J1772 Combo („normalne”)
  • oraz Mennekes (półszybkie).

Pierwszym, popularnym standardem ładowania szybkiego DC stał się japoński standard CHAdeMO:

  • 50 kW,
  • maks. moc 62,5 kW,
  • prąd 125 A (DC),
  • napięcie 500 V.

Amerykańska konkurencja to standard Combo (SAE J1772), umożliwiający ładowanie DC z zewnętrznej ładowarki (90 kW, 450 V, 200 A) oraz jednofazowo AC z ładowarki pokładowej (7,2 kW).

Innym spotykanym europejskim standardem jest Mennekes (VDE-AR-E 2623-2-2), który umożliwia pracę ładowarki jednofazowo (3,5 kW) lub 3-fazowo (o mocy 11, 22 lub 44 kW).

Europejskie Stowarzyszenie Producentów Samochodów ACEA propaguje ten standard jako IEC 62196-2 Type 2.

Wdrożony został również standard szybkiego ładowania Combined Charging System (CCS), łączący dwa wcześniej wspomniane standardy, umożliwiający zarówno ładowanie AC 1- i 3-fazowe, jak i DC, docelowo 50 kW, a w perspektywie nawet 150 kW (spotykane określenia tego standardu to Combo 2 i Combo Coupler). System ten powinien być kompatybilny z amerykańskim J1772 i europejskim IEC 62196‑2. Wymagania (w tym normatywne) odnośnie wyposażenia elektrycznego stacji i układów ładowania PEV przedstawiono w [13].

W zależności od standardu, wtyczki umożliwiające ładowanie różnią się wyglądem (rys. 5.). Problem z podłączeniem pojawi się w przypadku oblodzenia karoserii pojazdu, między innymi dlatego powstała koncepcja ładowania bezprzewodowego.

b pojazdy elektryczne rys5

Rys. 5. Sylwetki wtyczek różnych standardów do ładowania PEV; rys. S. Bielecki

Ładowanie bezprzewodowe

Ten sposób wykorzystuje zjawisko indukcji magnetycznej, konstrukcja w istocie opiera się na transformatorze (wysokiej częstotliwości) ze szczeliną powietrzną (dwie sprzężone magnetycznie cewki: jedna w pojeździe, druga w miejscu postoju).

Współczynnik sprzężenia uzwojeń jest dosyć niski 0,1–0,5 (szczelina powietrzna) [4].

Przez cewkę w miejscu postojowym przepływa prąd o częstotliwości 20–150 kHz, formowany w przetwornicy energoelektronicznej (przekształtnik AC/DC/AC z prostownikiem diodowym i falownikiem napięcia).

Energia przekazywana jest do uzwojenia wtórnego, następnie jej nośnikiem staje się prąd stały, dokonujący ładowania PEV (rys. 6.).

b pojazdy elektryczne rys6

Rys. 6. Układ bezprzewodowego ładowania PEV – schemat blokowy (na podstawie [4]); rys. S. Bielecki

W opracowanych układach osiągana sprawność jest rzędu 70–92%. Problematyczna jest kwestia oddziaływania pola elektromagnetycznego na organizmy żywe. Metalowa karoseria praktycznie ogranicza promieniowanie wewnątrz pojazdu, ale narażenie powstaje przy wyjściu. Należy więc odpowiednio projektować rozmieszczenie cewek lub wprowadzać specjalne procedury, aby spełnione były wymagania odnośnie dopuszczalnych natężeń pola elektromagnetycznego.

Jedną z metod obniżenia ceny pojazdu PEV jest ograniczenie kosztu baterii poprzez zmniejszenie jej pojemności. Aby nie wiązało to się z ograniczeniem zasięgu PEV, pojawiła się idea „elektryfikacji dróg”, polegająca na dostarczaniu energii do PEV podczas jazdy. Niektóre analizy pokazują, że wówczas cena nowego PEV będzie porównywalna z pojazdem spalinowym (aczkolwiek wymaga to redystrybucji kosztów budowy i utrzymania elektrycznej infrastruktury drogowej).

W zelektryfikowaną jezdnię mają być wbudowane cewki zasilające, zgrupowane w segmentach. Energia powinna być dostarczana jedynie do tych sekcji drogi, po których porusza się pojazd. Wymaga to opracowania odpowiednich algorytmów zarządzania. Z drugiej strony, do takich rozwiązań predestynowane wydają się lokalne, rozproszone źródła energii, instalowane w pobliżu drogi (rys. 7. - patrz: zdjęcie główne). Zelektryfikowana droga może stać się elementem inteligentnej mikrosieci.

Koncepcje stacji ładowania PEV

Jak zauważono w [6] współcześnie brak jest jednolitej koncepcji modelu rynku energii na potrzeby ładowania PEV. Istnieją zarówno stacje pozwalające na nieodpłatne ładowanie (np. model biznesowy stosowany przez Teslę), jak i punkty sprzedające usługę ładowania.

Zróżnicowanie standardów powoduje, że powstają stacje dedykowane konkretnym pojazdom (markom), ale również zarządzane przez operatorów umożliwiających ładowanie dowolnym pojazdom.

W Polsce istnieją punkty ładowania udostępniane przez niektórych operatorów sieci dystrybucyjnych (przy czym niektóre z nich tylko w wybranym standardzie) oraz inicjatywy innych podmiotów (np. punkty „e+” lub Agencji MARR SA).

Powstają również inicjatywy obywatelskie (poprzez internetowe media społecznościowe), polegające na wzajemnym udostępnianiu gniazdek elektrycznych w prywatnych posesjach.

Odnośnie ładowania PEV pojawiają się też problemy natury prawnej (np. czy zarządca punktu ładowania powinien mieć status odbiorcy, czy dystrybutora energii i posiadać koncesję?) oraz fiskalnej.

Od strony problematyki technicznej badane są koncepcje wielostanowiskowych stacji ładowania PEV, tworzących inteligentną mikrosieć ze źródłami odnawialnymi (OZE) [3].

Mikrosieć to autonomiczny mikrosystem energetyczny (obejmujący ograniczony obszar budynku, osiedla, gminy), w którym znajdują się połączone za pomocą sieci energetycznej źródła wytwarzania energii (elektrycznej i ciepła), zasobniki energii, sterowniki oraz sterowalne i niesterowalne odbiorniki energii. Struktury te mogą pracować synchronicznie z resztą systemu elektroenergetycznego (SEE) lub tworzyć niezależne wyspy.

Operator Systemu Dystrybucyjnego (OSD) może traktować mikrosieć jak sterowalny obiekt, będący zagregowanym odbiorem lub źródłem wytwórczym. Mikrosieć pozwala na dostawę energii elektrycznej, dostosowanej do wymagań odbiorców, wykorzystując źródła o charakterze rozproszonym [9].

Elementami mikrosieci ładowania PEV mogą być [3] (rys. 8.):

  • moduły fotowoltaiczne (PV),
  • ogniwa paliwowe wraz z instalacją wodorową (jako sterowalny magazyn energii),
  • zespół prądotwórczy z instalacją biogazową,
  • przyłącze energetyczne z zabezpieczeniami (połączenie z systemem elektroenergetycznym, zapewniające inteligentny pomiar energii i jej przepływów oraz nadzór nad parametrami jakości energii elektrycznej),
  • dodatkowe moduły magazynowania (baterie, superkondensatory) – ograniczają wpływ niesterowalnych OZE na SEE, stwarzają możliwość przyłączenia mikrosieci do SEE poprzez przyłącze mniejszej mocy (bez konieczności modernizacji sieci),
  • terminale ładowania (standardowe, szybkie, bezkontaktowe) z interfejsem umożliwiającym użytkownikowi połączenie i rozliczenie kosztów,
  • przekształtniki AC/DC i DC/AC,
  • moduł zarządzania (sterowanie, diagnostyka itp.).
b pojazdy elektryczne rys8

Rys. 8. Mikrosieć ładowania pojazdów elektrycznych – schemat funkcjonalny (na podstawie [3]); rys. S. Bielecki

Pojazdy PEV są integralną częścią takiej mikrosieci, mogą pełnić funkcję zarówno odbiorników, jak i źródeł energii. Pracą układu steruje system zarządzający, realizując funkcje monitorowania, diagnostyki oraz sterowania pracą mikrosieci. Funkcją celu może być minimalizacja kosztów, przy czym dzięki możliwości magazynowania istnieje możliwość prowadzenia optymalizacji w dłuższym okresie. Uwzględniając prognozowanie, operator mikrosieci może zarządzać przepływami energii elektrycznej, maksymalizując zyski. Pomiędzy elementami mikrosieci powinna być zapewniona komunikacja, np. poprzez magistralę CAN (Controller Area Network), której korzenie zresztą tkwią w zastosowaniach samochodowych.

Pojawia się też koncepcja konfiguracji stacji ładowania PEV połączoną z systemem elektroenergetycznym, wyposażoną dodatkowo w koło zamachowe (rys. 9.) [12].

b pojazdy elektryczne rys9

Rys. 9. Schemat stacji ładowania PEV wyposażonej w koło zamachowe (na podstawie [12]); rys. S. Bielecki

Taka konfiguracja stacji umożliwia regulację mocy biernej przez jej oddawanie do sieci na żądanie OSD.

Zadaniem koła zamachowego jest wyrównanie poziomu mocy czynnej podczas ładowania pojazdu w trakcie dostarczania do sieci mocy biernej.

Układ kontroli pracy stacji nadzoruje następujące zadania [12]:

  • dostarczanie energii czynnej do PEV, zgodnie z wymaganym poziomem i wybranym przez użytkownika pojazdu trybem (to zadanie ma najwyższy priorytet);
  • reakcja na żądanie OSD z zakresu dostarczania mocy biernej (indukcyjnej lub pojemnościowej);
  • pokrywanie ewentualnych ubytków mocy czynnej dostarczanej do PEV z zasobnika (koła zamachowego) i przywrócenie odpowiedniej prędkości wirowania masy w kole poprzez jego doładowanie po zakończeniu obsługi PEV;
  • niedopuszczanie do przekroczenia obciążenia mocą przekształtników ponad dopuszczalny limit;
  • nadzór nad pracą układu, zapewniającego prostotę i komfort jego użytkowania (tryb plug and play).

Pojazdy elektryczne będą stanowić istotną pozycję w bilansie energii systemu elektroenergetycznego, przy czym odpowiednio („inteligentnie”) wykorzystywane mogą przyczynić się do poprawy funkcjonowania sieci i wsparcia wykorzystania energii pochodzącej z rozproszonych źródeł odnawialnych.

Problem budowy infrastruktury ładowania PEV może być rozwiązywany na bazie struktury prosumenckiej, a sam pojazd będzie integralną jej częścią. Przy takim podejściu, kwestie rozwoju motoryzacji, sektora transportu oraz energetycznego stopniowo będą się zazębiać.

Ewolucja energetyki w kierunku prosumenckim powoduje ewolucję całej dziedziny w stronę interdyscyplinarności [2].

Literatura:

  1. Andriukaitis D., Bagdanavicius N., Jokuzis V., Kilius S.: Investigation of Prospects for Electric Vehicle Development in Lithuania. Przegląd Elektrotechniczny 1/2014, s.101-104
  2. Bielecki S.: "Prosument - nowa struktura instalacji elektroenergetycznych" Elektro.Info nr 10(128) 2014r., s.48-53
  3. Biernat K., Nita K., Wójtowicz S.: Architektura mikrosieci do inteligentnego ładowania pojazdów elektrycznych. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 260, 2012 r., s.171-183
  4. Guziński J., Adamowicz M., Kamiński J.: Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych. Układy ładowania i współpraca z siecią elektroenergetyczną. Automatyka-Elektryka-Zakłócenia vol.5 nr 1(15)2014. s.71-84
  5. Z energetyką przyjazną środowisku za pan brat – samochód elektryczny. Instytut na rzecz ekorozwoju, Krajowa Agencja Poszanowania Energii. Warszawa 2011
  6. Miśkiewicz M.: Mobilne magazyny energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym – model rynku energii. Online: http://www.cire.pl/pokaz-pdf-%252Fpliki%252F2%252Fmobilnemagazynyenergii.pdf
  7. Murawski J., Szczepański E.: Perspektywy dla rozwoju elektromobilności w Polsce. Logistyka 4/2014, s.2249-2258
  8. Muszyńska M.: Charles Proteus Steinmetz. Elektro.info 6/2013
  9. Mikrosieci niskiego napięcia. Praca zbiorowa pod red. M. Parola. OWPW 2013
  10. Portużak R.: Opportunities of electric vehicles as a part of smart solutions. Przegląd Elektrotechniczny 11/2013, s.35-38
  11. Skibowski M.: Ładowanie pojazdów elektrycznych. INPE Nr 186 (2013), s.21-28
  12. Sun B., Dragicevic T., Savaghebi M., Vasquez C., Guerrero J.: Reactive Power Support of Electrical Vehicle Charging Station Upgraded with Flywheel Energy Storage System. PowerTechPowerTech, 2015 IEEE Eindhoven, IEEE Press. 10.1109/PTC.2015.7232719
  13. Tymosiak P. Sulkowski M.: Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych. Elektro.info 6/2013 (115), s.48-51
  14. Wasiak I., Błaszczyk P., Wojciecjowska K.: Tendencje rozwoju aut elektrycznych w Unii Europejskiej. Logistyka 3/2014, s.6591-6597
  15. Wardak P.: Zebranie i porównanie danych technicznych produkowanych pojazdów elektrycznych. Praca przejściowa inżynierska. Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechnika Warszawska, 2015

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Galeria zdjęć

Tytuł
przejdź do galerii

Komentarze

Copyright © 2004-2019 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
Portal Budowlany - Elektro.info.pl

Ta witryna wykorzystuje pliki cookies do przechowywania informacji na Twoim komputerze. Pliki cookies stosujemy w celu świadczenia usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. W każdym momencie możesz dokonać zmiany ustawień przeglądarki dotyczących cookies. Nim Państwo zaczną korzystać z naszego serwisu prosimy o zapoznanie się z naszą polityką prywatności oraz Informacją o Cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności oraz Informacji o Cookies. Administratorem Państwa danych osobowych jest Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp.K., nr KRS: 0000537655, z siedzibą w 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18, tel. +48 22 810-21-24, właściciel strony www.elektro.info.pl. Twoje Dane Osobowe będą chronione zgodnie z wytycznymi polityki prywatności www.elektro.info.pl oraz zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016r i z Ustawą o ochronie danych osobowych Dz.U. 2018 poz. 1000 z dnia 10 maja 2018r.