Станции за зареждане на електрически и хибридни автомобили

Електрическите автомобили (електромобили) съществуват от края на XIX век (през 1897 г. в Ню Йорк се движели няколко електрически таксита), но поради големия обем и тегло на оловните акумулатори реално не намираха широко приложение. Създаването на литиевите акумулатори и техните разновидности с голям капацитет и високо напрежение, а в последните години и на подходящи суперкондензатори, даде бърз тласък за производството на електромобили и хибридни автомобили. За зареждането им с "гориво" са необходими съответните станции, които бяха разработени и започна въвеждането им в експлоатация. Например в САЩ те са над 10 000, в Норвегия - 3200 и в Япония са 800, докато у нас те са десетина, концентрирани главно в София.

В статията се разглеждат станциите за зареждане на електромобили (Battery Electric Vehicle) BEV. Зареждането на разновидността на хибридните автомобили, известна като Plug in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) става по същия начин, само необходимата електрическа мощност на станцията е по-малка, тъй като акумулаторът трябва да осигури пробег 20 - 40 km (в зависимост от модела), докато при ВЕV пробегът обикновено е не по-малко от 100 km.

Същност на зарядните станции

За нейното изясняване трябва преди всичко да се познава устройството на електрическата система на BEV, идея за която е дадена на фиг. 1. Електродвигателят М е променливотоков и напрежението му се осигурява от преобразувателя на постоянно в променливо напрежение DC-AC. Неговото изходно напрежение, от което зависи мощността на електродвигателя и съответно скоростта на движение на автомобила, се променят чрез потенциометъра Pot, свързан с педала за "газта". Входното напрежение на DC-AC се осигурява от блока Ch+A, който обединява литиевия акумулатор и зарядното устройство. Последното осигурява необходимата характеристика за зареждане (подробности за нея могат да бъдат намерени в материала "Литиеви акумулатори", сп. Енерджи ревю, бр. 1/2011 г.).

Съществуват BEV без зарядно устройство, което в този случай трябва да е част от станцията за зареждане. Предвидени са две възможности за зареждане на акумулаторите – с променливо напрежение, подавано на вход AC-IN и постоянно напрежение на вход DC-IN. За първия случай е необходим втори преобразувател AC-DC на променливо в постоянно напрежение. Специфична особеност на BEV, отдавна съществуваща в електрическия релсов транспорт, е използването на електродвигателя и за спиране (веригата Stop на фиг. 1), когато той работи като генератор и превръща намаляването на кинетичната енергия на автомобила в променлива електрическа, която чрез AC-DC зарежда акумулатора.

Разновидности на зареждането. Възприетото английско наименование на устройствата и системите за зареждане на BEV и PHEV е Electric Vehicle Supply Equipment с масово използвано съкращение EVSE. Освен това е полезно да се има предвид, че вместо количеството електричество (капацитет) QA, което имат акумулаторите на BEV и PHEV, е с основна мерна единица кулон (С), докато в каталозите то се дава в Ah, като връзката е 1 Ah = 3600 C или вместо него се използва електрическата енергия ЕА на акумулатора в kWh при съществуващо съотношение QA[C]=3,6.106 EA[kWh]/UA[V], където UA е номиналното му напрежение.

Съществуват три стандарта за зареждане (Charging Standard), първият от които (Level I или Level 1) е за зареждане от променливо напрежение 120 V с максимален ток 12 А или 16 А, т. е. използва се вход AC-IN на фиг. 1. Времето за зареждане на напълно разреден акумулатор е не по-малко от 6 часа за РНЕV и от 24 часа за BEV. В Европа се използва негов вариант 230 V/16 А, при който времето на зареждане е 6-8 часа. Стандартът е подходящ главно за домашни станции за зареждане.

Вторият и най-масово използван стандарт (Level II или Level 2) също работи с променливо напрежение, което може да е еднофазно между 208 V и 240 V или трифазно 400 V или 480 V. Токът е до 80 А само за еднофазно напрежение (максимална мощност на станцията приблизително 20 kW), като най-често се използват 16 А (при еднофазно напрежение времето на зареждане е около 2 часа за PHEV и до 8 часа за BEV, а при трифазно напрежение то е 2-3 часа), 32 А (времето за BEV е 3-4 часа при еднофазно напрежение и 1-2 часа при трифазно) и 63 А само за трифазно напрежение (време на зареждане на BEV 20-30 минути). Важна практическа особеност е, че кабелите и конекторът на станцията за зареждане и куплунгът (Inlet) на автомобила са еднакви за двата стандарта, което е улеснение от експлоатационна гледна точка. Вторият стандарт се препоръчва преди всичко за станции пред кина, предприятия, учреждения и търговски центрове.

Третият стандарт (Level III или Level 3) ползва за зареждане постоянно напрежение 300 – 500 V, подавано на вход DC-IN на фиг. 1, и ток до 400 А (мощност между 20 и 80 kW). Тези големи стойности осигуряват бързо зареждане (15-30 минути), поради което стандартът е известен като DC Fast Charging. Зарядното устройство е извън електромобила, а препоръчваните приложения са главно в паркинги пред закусвални, ресторанти за бързо хранене и неголеми (квартални) магазини.

Обсъждат се предложения за видоизменения в тези стандарти – да има три за зареждане с променливо напрежение, като първият и вторият от сегашните останат и се въведе трети (Level 3) с максимална мощност до 20 kW, а за зареждане с постоянно напрежение има три нови с максимална мощност до 20 kW, до 80 kW и над 80 kW.

Вижда се, че дори най-бързото зареждане е значително по-бавно от това на класически автомобил. За много практически случаи недостатъкът не е толкова голям, колкото изглежда на пръв поглед. За ежедневното градско каране автомобилът се зарежда през нощта и няма да е нужно спиране през деня на “бензиностанция”. Друга вече реализирана възможност е зареждането през работно време в станциите, изградени в предприятията или на обществени паркинги. Същото би могло да се осъществи и чрез изграждане на станции около места за спортни (стадиони, зали) и културни (кина, театри) събития. За дълъг път естествено ще се налага по-често спиране, но се води усилена изследователска работа за скъсяване на времето за зареждане. Например компанията Nissan съвместно с японски университет е разработила експериментален модел на суперкондензатор с достатъчен капацитет за заместване на литиевия акумулатор в електромобила, който засега се зарежда за 10 минути (времето за зареждане в съвременна бензиностанция рядко е по-малко), но се очаква да бъде намалено до 2-3 минути.

Станции със слънчеви панели (Solar Charging Station). Засега те са със значително по-малко разпространение от захранваните от електрическата мрежа, а наименованието им показва, че необходимата им енергия се доставя от слънчеви панели. Освен икономичност от енергийна гледна точка предимство е улесненото им използване на отдалечени места. Три са основните части на този тип станции. Първата са слънчевите панели, които в големите станции са подвижни, за следене на движението на слънцето и съответно увеличаване с около 40% на добиваната електроенергия. Най-голямата станция от този тип е построена в предградие на Берлин (фиг. 2). В нейния акумулатор (на основата на ванадиеви окиси) може да се натрупва енергия до 100 kWh. Съществуват и слънчеви станции за индивидуално ползване с по-малък капацитет на акумулаторите.

Изисквания към станциите за зареждане. Връзката между станцията за зареждане и електромобила се извършва чрез споменатия кабел, чийто конектор се поставя в куплунга на автомобила. Задължително е това да са конектори, предназначени само за BEV и PHEV, които не могат да се свързват към никакви други електрически устройства. Трябва да имат задържащ (заключващ) механизъм за избягване на произволното им изваждане. Задължителен е изводът им за заземяване (Grounding Pole), който при включване трябва първи да прави контакт, а при изключване – последен да прекъсва веригата ви.

Като пример на фиг. 3а е показан външният вид на конектор тип J1772, а на фиг. 3б – съответстващият му тип J1772-Type I. Двата се използват в Европа за еднофазно променливотоково зареждане според стандарта IEC-62196 – два от изводите са за фазата и нулата, а третият е за заземяване. На фиг. 3а се вижда заключващият механизъм, който се освобождава чрез натискане на жълтия бутон. Контакторите и куплунгите J1772 издържат 10 000 съединявания и разединявания и тоководещите им части са защитени от прах и вода. Има конектори с допълнителни изводи за двупосочна комуникационна връзка между станцията и електромобила. На фиг. 3в е показана разновидност на куплунга J1772 с такава възможност, като най-голямата букса е за заземяването, двете по-малки до нея са за зареждане, а най-малките са комуникационните.

В международно признатия National Electrical Code (NEC), създаден в САЩ, съществува раздел (Article 625) от 1995 г. и многократно допълван през следващите години, който третира въпросите на системите за зареждане на електромобили (Electrical Vehicle Charging System). Неговият вариант от 2008 г. се отнася за всякакви електромобили (включително колички за голф) и електрически автобуси, независимо от начина на осигуряване на енергията за електродвигателите им (акумулатор, горивни клетки, фотоволтаици), но не и за електрически мотоциклети. От куплунга на електромобила се изисква да има конструкция, която не позволява докосване на изводите му под напрежение, с което се осигурява безопасна работа. Препоръчва се дължината на кабела да не надхвърля 7,5 m (с увеличаването й нараства опасността от повреди). Задължително изискване е изключването на напрежението по кабела и конектора при прекъсване на връзката между станцията и електромобила. Още по-строго е изискването в алинея 625.19 – да се осъществява автоматично изключване при механично усилие върху кабела или конектора, което би могло да прекъсне връзката. При избора на станция за зареждане трябва да се има предвид и изискването кабелът и конекторът да са с номинален ток поне с 25% по-голям от максималния ток, с който се зареждат електромобилите. Съществен е въпросът как трябва да реагират EVSE при прекъсване на захранващото им напрежение. В основната категория станции трябва да е предвидено напрежението от акумулатора на електромобила да не може да се подава към тях. Това не се използва в интерактивните станции, които позволяват използването на акумулатора като източник на енергия и са част от концепцията на интелигентните електроенергийни мрежи (Smart Grid).

Към EVSE, монтирани в закрити помещения (например гаражи и покрити паркинги), има изискване мястото, от което излиза кабелът, да е на височина между 45 cm и 1,2 m от пода. В зависимост от вида на електромобилите, които ще бъдат зареждани, се определя дали помещението трябва да има вентилация или не. Тя е необходима при колите, чиито акумулатори се нуждаят от вентилация по време на зареждането, тъй като отделят във въздуха водород, чиято концентрация в помещението не трябва да превиши определена безопасна стойност. От EVSE за работа на открито се изисква отворът за кабела да е на височина 0,6-1,2 m.

Заплащане и индикации. Лесното заплащане на консумираната електроенергия от станциите е сред важните фактори за тяхното разпространение. Засега се прилагат 2 основни начина – чрез кредитна/дебитна карта или с SMS, като значителна част от станциите са пригодени за ползването и на двата. Станциите за зареждане трябва да имат и електромер за измерване на консумираната енергия по време на зареждането и уред за определяне във всеки момент на количеството електричество в акумулатора, обикновено като процент от максималната му стойност.

Съвременни технически средства в станциите

Съществуват различни начини, които осигуряват достъпа до станциите за зареждане и съответно възможността за използването им, като обикновено дадена станция притежава повече от един. Освен най-простия чрез механичен ключ, се използва дистанционен достъп чрез някой от стандартните интерфейси, чрез мобилен телефон (под формата на повикване, като за обикновен разговор или изпращане на SMS) и чрез радиочестотна идентификация RFID. Използването на последната по принцип не се различава от тази в многобройните други приложения, но има една важна особеност – достъпът до станцията се осъществява само ако притежателят на RFID устройството има в наличност достатъчен кредит. Това се проверява и върху устройството се получава сигнал (светлинен, звуков) за разрешено ползване на станцията. Производителите на станции за зареждане с RFID комуникация имат собствен продукт и устройства за потребителите, които работят само с техните станции. За избягване на кражбите на електроенергия в станциите се вгражда дефектнотоков блок (RCD Breaker), който ги изключва при определена разлика в токовете на фазата и нулата, най-често 30 mA.

Фирмите със значителен брой служители обикновено осигуряват за тях голям паркинг пред фирмените сгради. При разполагането в него на станции за зареждане е желателно служителите да бъдат максимално улеснени не само в ползването им, но и в начина на заплащане на получената услуга, при това дори при наличие на станции от повече фирми. За целта се прилагат програмни продукти, които регистрират направените разходи по зареждането и ги включват в текущата ведомост за заплащане. Същевременно служителите могат от работното си място да следят процеса на зареждане на електромобила им и неговото завършване, както и да получават сведения за направената сметка.

Някои производители на станции предлагат специални пунктове (Access Control Kiosk) за централизирано заплащане на сметките от определен брой техни станции, обикновено намиращи се в радиус около километър. Това е само един от многобройните примери за ползата от свързването на станциите в мрежа. Обикновено станциите за зареждане се свързват в мрежа, осигуряваща чрез подходящ програмен продукт отчитане във всеки момент на доставената към станцията електроенергия и натрупване на статистика за степента на използването им в различните периоди от време. На нейна основа операторите на мрежата могат да конфигурират станциите по различен начин с цел максимално рационалното им използване. Освен това се контролира правилното действие на станциите и при възникване на проблем във функционирането им те се изключват и се взимат бързи мерки за ремонт.

Допълнителна немаловажна особеност е възможността за свързване на електромобилите към интелигентна енергийна мрежа, като тези от тях, които няма да се използват по-продължително време да доставят енергия в мрежата. Комуникациите в мрежата могат да са безжични в някой от WiFi обхватите, което налага поставянето в станциите на съответния допълнителен блок. Начинът на обмен на данните в този случай е силно опростен. Например в една от съществуващите системи се използва широчинноимпулсна модулация в честота на импулсите 1 kHz, техен коефициент на запълване между 5% и 30% и амплитуда ±12 V. Тези мрежи обикновено са свързани към Интернет и съответно до тях има достъп отвсякъде. Например наличието на подобна система в паркинга на един търговски център позволява на пазаруващите чрез своите таблети или смартфони да проверяват процеса на зареждане на своя електромобил.

Действието на мрежите не се ограничава само в рамките на един паркинг. Например в Калифорния (в 12 града през май 2012 г) се използва мрежа, която осигурява връзка между автомобилни паркове на таксиметрови коли и тези на пощите, паркинги през бизнес сгради и ресторанти, станции на частни домове и такива за зареждане по пътищата. Ползвателите на системата получават съобщения чрез електронна поща или Интернет, че електромобилът им е включен за зареждане, че е напълно зареден или че по някакви причини зареждането е прекратено. Заплащането на ползваните услуги също става чрез системата, а допълнителна възможност е изтеглянето на географска карта с обозначено мястото на електромобила.

Местата за приложение на системите непрекъснато се разширяват, на първо място в паркингите пред големи хотели, такива в централни градски части, както и пред по-малки ресторанти, музеи и други подобни. Сред последните новости на мрежите е възможността за създаване на тарифни планове от клиентите с цел ползване на станциите с минимални разходи. Полезно е да се знае, че за осъществяване на връзките по мрежите вече е разработена серия от международни стандарти (Charging Standard), от които е достатъчно да се споменат SAE J2836, SAE J2847, SAE J2831 и SAE J2953. Разработването на нови стандарти продължава.

Характерни параметри на станциите

Първата група са входните параметри, които включват напрежението на електрическата мрежа, което може да е едно- или трифазно, но има станции, работещи и с два вида. Еднофазните напрежения обикновено са между 208 V и 240 V, а трифазните – 380 V, 400 V и 480 V. Дават се и максималният входен ток и неговата честота, която може да е само 50 Hz или да има възможност за превключване 50 Hz/60 Hz. Съществен параметър е cosj с типични стойности 0,95-0,98.

В групата на изходните параметри на първо място е максималната изходна мощност (Power Rating) с типични стойности между 3,7 kW и 125 kW. Често тя е част от означението на станцията, например ЕV50 е с мощност 50 kW. За станциите, които могат да зареждат едновременно два електромобила, мощността се дава за всеки от тях, например 2хDC50 kW. Съществуват станции, в които мощността се задава по програмен път, например между 22 kW и 55 kW, което задължително е свързано и с подходящ избор и на входния ток. Когато станциите нямат свързан електромобил за зареждане, те обикновено преминават в режим, при който консумират малка мощност (Standby Power) типично около 5 W. Параметри са още максималното постоянно изходно напрежение (Max. Output DC Voltage) със стойности между 50 и 600 V, точността с която се поддържа зададената му стойност (обикновено около 1%), максималният изходен ток (Nominal Current) със стойности между 30 А и 275 А заедно с точността на поддържането им (типично няколко процента). Трябва да се отбележи, че част от производителите предлагат серия от станции, които обикновено се различават само по стойността на този ток. Към тази група параметри е и к. п. д. (Efficiency), даван при максималната изходна мощност с типични стойности над 90%.

Третата група, условно наречена допълнителни параметри, включва времето (до няколко десетки ms) за изключване на изходния ток (Charger Shutdown Time) при превишаване на максимално допустимата му стойност, допустимите граници на околната температура и максимално допустимата относителна влажност на въздуха (Relative Humidity) без кондензиране на влага със стойности 85%-95%. Част от параметрите са размерите и теглото на станцията, дължината на кабела (Cord Length) и типа на конектора му. Много от станциите работят на открито и трябва да имат защита от атмосферното електричество. По своята същност тя ги предпазва от електрически импулси (Surge Protection) с определени максимални стойности на напрежението и тока, например 2 kV@1 kA. Тя е особено важна за райони с чести гръмотевични бури, където стойностите на напрежението и тока могат да бъдат значително по-големи, например 6 kV@3 kA. Освен това някои производители поставят допълнителни изисквания към условията на работа, например липса на прах, на запалими газове, на водни пръски и др.

При наличие на възможности за свързване на станцията в мрежа се отбелязват кои са те, например IEE 802.11 (WiFi) или 2,4 GHz 802.15.4. Често за да няма смущения от базовите станции на мрежите, като параметър се дава минимално допустимото разстояние от тях. В станциите, работещи с банкови карти, се отбелязва видът на вграденото четящо устройство, например ISO 15693, 14443, а при тези с RFID се дават работната честота и стандартът, по който работят (например 13,56 MHz, ISO 14443A).

Конструктивно оформление на станциите

В зависимост от начина им на монтаж могат да се диференцират две основни категории станции за зареждане.

Станции от колонен тип. Обикновено се монтират върху бетонен фундамент, закрепването върху който става чрез болтове. Практически няма никакви ограничения за размерите и теглото на тези станции, както и за осигуряваната от тях мощност за зареждане. Най-масово използваната конструкция е с формата на тясна колона, пример за каквато е даден на фиг. 4а. Отстрани са приспособлението за закрепване на кабела и отворът за свързването му в станцията, а отпред са индикаторът за зареждане, дисплеят за инструкции за работа със станцията и сведения за процеса на зареждане, четящото устройство за RFID карти и държачът за конектора.

Пример за разположението на блоковете вътре в една станция, който същевременно дава представа и за структурата на станциите, е даден на фиг. 4б. Станцията е с мощност 50 kW и осигурява зареждане за 20 минути. В нея А е отворът, от който излиза кабелът за зареждане, В е филтриращ кондензатор, който не позволява на променливите напрежения от преобразувателите на променливо в постоянно напрежение D да достигат до електромобила, С е термостатът за поддържане на температурата на преобразувателите в допустимите граници, Е са бобините на преобразувателите, F е управляващият блок, G е блок за защита на зарядната верига, Н е термостатът на вентилационната система на трансформаторите I, а J е филтър за подтискане на хармониците към мрежата. Непрекъснатото разширяване на комуникационните възможности на станциите определя наличието във все повече от тях на обособена част с всички необходими блокове за тези връзки. Тази категория станции се прилага по “бензиностанции”, паркинги на обществени места и големи гаражи.

Станции за монтаж на стена. Този начин на закрепване ограничава теглото и максималната мощност на станциите и определя основните им приложения за бавно зареждане. Те имат и значително по-малко командни органи в сравнение с предната категория и сравнително рядко са с екран за индикация и управление. Към някои от станциите може да се закупи и монтира по желание комуникационен модул, като някои производители предлагат набор от такива модули за Ethernet, GSM, RS485, WiFi и т. н. Има и станции с фабрично вграден комуникационен модул. Тази категория станции се използват най-вече в домашни условия и на паркинги на производствени предприятия и административни учреждения, където за зареждане има достатъчно дълго време (през нощта или работния ден). Трябва да се има предвид, че някои модели са предвидени само за работа в закрити помещения, а други могат да работят и на открито.