Podstawowe czynniki, które mogą zwiększyć skalę wykorzystania samochodów elektrycznych, to rozbudowa i dostępność infrastruktury ładowania oraz skrócenie czasu ładowania. W latach 80. ubiegłego wieku podjęto intensywne badania nad konstrukcjami samochodów elektrycznych, autobusów i innych pojazdów. Działania te doprowadziły do powstania coraz to doskonalszych konstrukcji. Obecny poziom technologii aut elektrycznych pozwala na tworzenie w pełni funkcjonalnych pojazdów, które można już spotkać na ulicach.

Mimo znacznego rozwoju technologicznego wciąż jednak istnieje szereg istotnych przeszkód w masowym rozwoju pojazdów drogowych z napędem elektrycznym. Należą do nich przede wszystkim:

• wysoka cena samochodów elektrycznych w porównaniu z samochodami z silnikami spalinowymi, cena samochodu elektrycznego jest około 30-40% wyższa niż jego odpowiednika spalinowego,
• niewielki zasięg z jednego ładowania akumulatorów,
• długi czas ładowania akumulatorów (10 do 16 godzin),
• brak infrastruktury do ładowania akumulatorów.

Czynnikami przemawiającymi na rzecz rozwoju elektromotoryzacji i zachęcającymi do zakupów tego rodzaju pojazdów są:

• stosunkowo niski koszt eksploatacji w porównaniu do samochodów z silnikami spalinowymi,
• brak obiegu oleju i czynników chłodzących (silniki elektryczne chłodzone są powietrzem),
• wysoka sprawność zamiany energii elektrycznej na mechaniczną – dochodząca w niektórych konstrukcjach do 90% w stosunku do sprawności zamiany energii chemicznej na mechaniczną w silnikach spalinowych (35-40%),
• możliwość ładowania akumulatorów w nocy – co ma dodatni wpływ na sieć elektroenergetyczną i obniża koszty energii elektrycznej,
• prostota konstrukcji napędu elektrycznego – silnik elektryczny ma wysoki moment obrotowy już w chwili rozruchu – i płynna regulacja jego szybkości obrotowej umożliwiły rezygnację ze skrzyni biegów,
• brak spalin i hałasu,
• możliwość odzyskiwania energii w czasie hamowania i doładowywanie akumulatorów, co, w zależności od stylu jazdy, może zwiększyć efektywność jazdy od 5 do 20%,
• wyeliminowanie niebezpieczeństwa wybuchu paliwa w razie wypadku drogowego.

Stacja do ładowania DC Terra 53 CJG firmy ABB. Umożliwia ultraszybkie (15-30 minut) ładowanie wszystkich aktualnie dostępnych pojazdów elektrycznych, dzięki zastosowaniu trzech różnych standardów ładowania – dwóch na prąd stały (DC): CCS o mocy 50 kW i CHAdeMO o mocy 50 kW oraz jednego na prąd przemienny (AC) – Typ 2 o mocy 43 kW. Stacja jest podłączone do sieci Internet i umożliwia zdalne monitorowanie, aktualizowanie oraz serwisowanie sprzętu i oprogramowania

Akumulatory

Energia elektryczna używana w pojeździe do zasilania silnika elektrycznego może być:

• zmagazynowana wcześniej w pokładowych akumulatorach,
• zmagazynowana w pokładowych akumulatorach i uzupełniana w czasie jazdy z prądnicy napędzanej silnikiem spalinowym,
• generowana bezpośrednio w ogniwie paliwowym.

Najbardziej popularne są dwa pierwsze sposoby magazynowania energii.
W ostatnich latach dzięki powstaniu nowych technologii akumulatorowych (akumulatory litowo-jonowe) znacznie wzrósł zasięg pojazdów elektrycznych, nawet do 500 km i skrócił się czas ich ładowania. Jednak pojemność akumulatorów znacznie zależy od temperatury i obciążenia. Przy -20oC pojemność akumulatorów spada do 50%, co powoduje, że po włączeniu oświetlenia i ogrzewania zasięg samochodu nie przekracza 50 km.

Akumulatory samochodów elektrycznych mogą być ładowane:

• z gniazdka wtyczkowego instalacji 230 V za pomocą ładowarki zabudowanej w pojeździe; samochody takie oznaczone są napisem „Plug in” – ładowanie trwa do 8 godzin,
• ze stacji szybkiego ładowania wyposażonych w wyjście trójfazowe o mocy 22 kW oraz prądu stałego o mocy 50 kW – doładowanie akumulatorów trwa od 1 do 2 godzin.

Obecnie uważa się, że podstawowymi czynnikami niwelującymi niedogodności przy korzystaniu z samochodów elektrycznych – zwłaszcza ich krótki zasięg i długi czas ładowania akumulatorów – są rozbudowa i dostępność infrastruktury ładowania oraz skrócenie czasu ładowania akumulatorów.

Stacje ładowania pojazdów elektrycznych E-Station i E-BoxX
firmy Walther, z oferty firmy Istpol

Infrastruktura ładowania

Stacja do ładowania DC Terra 23 CT firmy ABB. Umożliwia podładowanie pojazdu elektrycznego od 30 do 80% w czasie 30 minut, a „tankowanie” do pełna w 2 godziny. Model można łatwo rozbudować do wersji ultraszybkiej. Stacja podłączona do sieci Internet

Odpowiedzią na potrzebę szybkiej rozbudowy infrastruktury ładowania i jej powszechne udostępnienie jest bogata oferta zwłaszcza producentów energii elektrycznej. Proponuje się instalowanie ładowarek stałoprądowych, o możliwości naładowania baterii samochodu osobowego w ciągu 30 minut, na parkingach w centrach handlowych, w pobliżu kin, teatrów i innych budynków użyteczności publicznej, przy budynkach mieszkalnych lub w takich lokalizacjach, w których pojazdy są parkowane w ciągu kilku godzin. Nowością jest również instalowanie ładowarek przemiennopradowych na parkingach przed kinami, teatrami halami sportowymi, gdzie ładowanie może trwać 2 do 3 godzin. W wielu krajach do ładowania akumulatorów samochodów elektrycznych wykorzystuje się energię z odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza fotowoltaicznych.

Ładowanie bezprzewodowe
Nowym trendem w rozwoju ładowania akumulatorów samochodów elektrycznych jest ładowanie bezprzewodowe. Badania w tym zakresie prowadzi wiele firm światowych, zwłaszcza amerykańskich. Systemy ładowania bezprzewodowego przewidziane są do instalowania w domach prywatnych, w osiedlach mieszkaniowych i wszędzie tam gdzie wymagane jest szybkie ładowanie akumulatorów.

Systemy ładowania bezprzewodowego oparte są na zasadzie indukcyjności lub rezonansu elektromagnetycznego. Cewka indukcyjna w stacji ładowania akumulatorów (zakopana w gruncie lub umieszczona w utwardzonym podłożu) wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne. W podobnej cewce w pojeździe elektrycznym powstaje, pod wpływem tego pola, SEM, która przekształcona w prostowniku ładuje akumulatory. Układ taki działa na zasadzie transformatora. Jego efektywność ogranicza odległość między cewkami – im odległość ta jest większa, tym powstają większe straty pola elektromagnetycznego i zmniejsza się sprawność transformowania energii. Drugim czynnikiem ograniczającym jest konieczność ustawienia obu cewek w odpowiednim położeniu względem siebie. Oba te ograniczenia są jednak stosunkowo proste do usunięcia. W celu naładowania akumulatorów wystarczy pojazd zatrzymać w wyznaczonym miejscu i w określonej pozycji. Ładowanie akumulatorów następuje samoczynnie, bez fizycznego kontaktu między pojazdem i źródłem ładowania i bez udziału kierowcy.
Innym sposobem ładowania bezprzewodowego jest rezonans elektromagnetyczny. W tym systemie układy rezonansowe LC instaluje się zarówno w charakterze nadajnika, jak i odbiornika w pojeździe. Przesył energii następuje po zsynchronizowaniu rezonansu elektromagnetycznego nadajnika i odbiornika. Zasadniczą zaletą takiego rozwiązania jest niezależność ładowania akumulatorów w pojeździe od wzajemnego ustawienia elementów LC. System oparty na rezonansie elektromagnetycznym w porównaniu z systemem indukcyjnym umożliwia bardziej efektywny transfer energii przy większych odległościach, np. możliwy jest bezprzewodowy przesył mocy 3,3 kW na odległość 20 cm przy stratach wynoszących 10%. Systemy oparte na technologii rezonansu są lżejsze i mniejsze od systemów indukcyjnych. Badacze systemów bezprzewodowego ładowania akumulatorów w pojazdach elektrycznych przewidują, że system ładowania oparty na technologii rezonansu elektromagnetycznego, jako tani, łatwy w budowie i bezpieczny, znajdzie szerokie zastosowanie w skali światowej i będzie realizowany w trzech etapach:

• opracowanie najbardziej efektywnego i najłatwiejszego sposobu zespolenia systemów ładowania bezprzewodowego z infrastrukturą pojazdów elektrycznych,
• wyjaśnienie zagadnień prawnych związanych z nową technologią i przygotowanie odpowiednich przepisów i norm,
• testy systemów ładowania bezprzewodowego z pojazdami elektrycznymi z wbudowanymi odbiornikami.

Systemy tego rodzaju są już realizowane w coraz większej skali.

Wymiana baterii
Innym rozwiązaniem problemu ładowania akumulatorów są stacje wymiany baterii akumulatorów wyładowanych na gotowe do dalszej jazdy. Operacja wymiany baterii akumulatorów w pojeździe nie trwa dłużej niż zatankowanie paliwa do samochodu z silnikiem spalinowym.

Polityka UE

Rozwojowi infrastruktury ładowania akumulatorów w pojazdach elektrycznych na terytorium Unii Europejskiej sprzyjają postanowienia Rady Europy przewidujące zainstalowanie do roku 2020 na terytorium Unii Europejskiej 800 tys. stacji ładowania akumulatorów w pojazdach samochodowych w tym 46 tys. w Polsce. Obecnie w naszym kraju jest ich zaledwie kilkadziesiąt.
W Polsce, w szeregu miast, m.in. w Warszawie, Krakowie, Gdańsku prowadzone są już natomiast badania autobusów elektrycznych, których eksploatacja ma się rozpocząć w najbliższym czasie.
Wymienione czynniki, zapowiadany rozwój infrastruktury ładowania akumulatorów, skrócenie czasu ładowania i wydłużenie przejechanego dystansu z jednego ładowania mogą przyczynić się do wzrostu zainteresowania społeczeństwa i przyspieszenia rozwoju elektromotoryzacji.

Normalizacja krajowa

Norma PN-EN 61851-1 System przewodowego ładowania pojazdów elektrycznych – Część 1 Wymagania ogólne dotyczy pokładowego i stacjonarnego wyposażenia przeznaczonego do ładowania elektrycznych pojazdów drogowych znormalizowanymi napięciami zasilania prądu przemiennego do 1000 V i napięciami zasilania prądu stałego do 1500 V (wg PN-EN 60038).
Według regulacji, przez określenie „elektryczne pojazdy drogowe” rozumie się wszystkie pojazdy drogowe łącznie z zawierającymi połączenie wtykowe hybrydowymi pojazdami drogowymi, które całkowicie lub częściowo pobierają energię elektryczną z baterii pokładowych. W normie uwzględniono charakterystyki i warunki eksploatacyjne urządzenia zasilającego oraz połączeń z pojazdem – bezpieczeństwo elektryczne obsługi i osób trzecich oraz właściwości pojazdu pod względem wyposażenia zasilania przy prądzie stałym i przemiennym, które są spełnione tylko w przypadku, gdy pojazd jest uziemiony. Wymagania normy nie mają zastosowania do trolejbusów, pojazdów kolejowych, ciągników przemysłowych oraz pojazdów niezaprojektowanych do jazdy po drogach. Norma przewiduje cztery sposoby ładowania akumulatorów w pojazdach drogowych:

1. – ładowanie napięciem przemiennym o prądzie I ≤ 16 A ze standardowych gniazd wtyczkowych instalacji elektrycznej,
2. – ładowanie napięciem przemiennym o prądzie I ≤ 32 A ze standardowych gniazd wtyczkowych instalacji elektrycznej z dodatkowym zabezpieczeniem wbudowanym w przewód zasilający,
3. – ładowanie z regulowanym natężeniem prądu przemiennego przez układ sterująco-zabezpieczający,
4. – szybkie ładowanie prądem stałym z zabezpieczeniem przez układ sterująco-zabezpieczający.

Przy ładowaniu akumulatorów z instalacji domowej (sposobem pierwszym) o napięciu względem ziemi nieprzekraczającym 250 V w obwodach jednofazowych i 480 V w obwodach trójfazowych, natężenie prądu ładowania ograniczone jest do 16 A ze względu na wytrzymałość cieplną gniazd wtyczkowych. Bateria akumulatorów pojazdów drogowych może być ładowana z obwodów zasilających również inne odbiorniki elektryczne. Obwód przeznaczony do ładowania baterii akumulatorów powinien być wykonany przewodami miedzianym o minimalnym przekroju S = 2,5 mm² i powinien być zabezpieczony zabezpieczeniem przetężeniowym o prądzie znamionowym nie mniejszym od 20 A.
Do ładowania baterii akumulatorów drugim sposobem z instalacji domowej o napięciu względem ziemi nieprzekraczającym 250 V w obwodach jednofazowych i 480 V w obwodach trójfazowych przy natężeniu prądu ładowania 32 A, wymagane jest korzystanie ze specjalnego przewodu przyłączeniowego z wbudowanym urządzeniem sterującym. W pojeździe powinno być zainstalowane gniazdo wtyczkowe z dodatkowym zestykiem, służącym do sygnalizacji połączenia przewodu zasilającego z pojazdem. Obwód przeznaczony do ładowania baterii akumulatorów sposobem drugim powinien być wykonany przewodami miedzianym o minimalnym przekroju S = 4 mm² i powinien być zabezpieczony zabezpieczeniem przetężeniowym o prądzie znamionowym nie mniejszym od 32 A.
Do ładowania baterii akumulatorów sposobem trzecim budowane są specjalne stanowiska ładowania z funkcjami sterowniczymi, regulacyjnymi i zabezpieczającymi, w postaci słupków wolnostojących lub zawieszane na ścianie, np. w garażu. Prąd ładowania dobierany jest zgodnie z parametrami prostownika zainstalowanego w pojeździe (plug in) z uwzględnieniem obciążalności przewodów zasilających (do 250 A). Układ sterujący może być połączony z pojazdem dodatkowymi żyłami sygnałowymi w przewodzie zasilającym lub za pomocą bezprzewodowej transmisji danych.
Do ładowania baterii akumulatorów sposobem czwartym stacja ładowania wyposażona jest w prostownik – akumulatory pojazdu ładowane są napięciem prądu stałego. Parametry ładowania mogą być ustalane w różny sposób, np. przyciskami sterującymi na panelu sterującym stacji. Ładowanie prądem stałym pozwala na znaczące skrócenie czasu ładowania.

Inne regulacje

Wymagania dotyczące połączeń elektrycznych stosowanych w pojazdach elektrycznych przy zasilaniu z sieci prądu przemiennego lub stałego przy znormalizowanych zakresach napięć zasilających do 690 V prądu przemiennego i 1000 V prądu stałego określone są w normie PN-EN 61851-21 System przewodowego ładowania (akumulatorów) pojazdów elektrycznych – Część 21, Wymagania dotyczące połączeń zasilania AC/DC w pojazdach elektrycznych, zaś wymagania dotyczące wyposażenia stanowisk ładowania akumulatorów zasilanych z sieci prądu przemiennego o napięciu do 690 V podane są w normie PN-EN 61851-22 System przewodowego ładowania (akumulatorów) pojazdów elektrycznych – Część 22, Stacje ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych przy zasilaniu napięciem przemiennym do 690 V.
Zagadnienia bezpieczeństwa przeciwporażeniowego obwodów przeznaczonych do zasilania pojazdów elektrycznych w celu ich ładowania są przedmiotem normy PN-HD 60364-7-722 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 7-722, Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Zasilanie pojazdów elektrycznych. Norma ta powinna być stosowana wraz z innymi częściami normy PN-HD 60364, m.in. PN-HD 60364-4-41 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41, Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa, Ochrona przed porażeniem elektrycznym.

Opracowano
na podstawie stron www
i norm powołanych w tekście