Elektromobilita v ČR – část 2. Základy dobíjení EV

S tím, jak se trh s elektrickými vozidly (EV) rychle rozvíjí, je potřeba potenciální zákazníky (i čtenáře tohoto článku) seznámit se základními principy dobíjení elektromobilů a jejich konstrukcí.

V současnosti je asi drtivá většina řidičů tradičních vozidel schopna vysvětlit, jakým způsobem vůz funguje i jaký typ paliva vyžaduje motor v daném vozidle. Tyto informace fungují také jako dobrá analogie k elektromobilům, u nichž se typ dobíjení („tankování“) také navzájem liší.
 

V současnosti můžeme rozlišovat mezi třemi základními typy EV:

• BEV (Battery Electric Vehicle) jsou čistě elektrickými vozidly v tradičním slova smyslu. Akumulátory, jimiž jsou BEV vybaveny, dobíjíme majoritně přímo ze sítě, menší část energie lze do akumulátoru dodat při rekuperačním brzdění v rámci standardního provozu vozidla na pozemních komunikacích. Na základě současného vývoje prodejů elektromobilů lze ale předpokládat, že i v blízké budoucnosti budou skutečně populární skupinou tzv. hybridní vozidla, tedy dopravní prostředky kombinující elektrický pohon s klasickým spalovacím motorem, u nichž se setkáváme s dvěma variantami.
   
• HEV (Hybrid Electric Vehicle) přestavují z pohledu nabíjení vozidla nezajímavou skupinu, neboť dobíjení jejich zabudovaného akumulátoru zajišťuje alternátor v soustrojí se spalovacím motorem, přičemž si řidič mezi užívaným pohonem vybírá, nedochází-li k přepínání mezi typy pohonu automaticky.
   
• PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) jsou dalším zástupcem hybridních vozidel, který na rozdíl od HEV disponuje zásuvkou pro dobíjení ze sítě (stejně jako BEV). Koncept PHEV pracuje se spalovacím motorem jako se záložní variantou k primárnímu elektrickému pohonu a zpravidla tak u PHEV nalezneme akumulátory s větší kapacitou než u HEV, u nichž elektromotor slouží spíše jako podpůrná pohonná jednotka pro specifické režimy jízdy.

Označení pro různé druhy elektromobilů v kombinaci s písmeny EV existuje celá řada a ve většině případů specifikují unikátní vlastnost daného elektromobilu, ale výše zmíněné označení se běžně považuje za základní.

V kontextu provozu a dobíjení elektromobilu se musíme soustředit na jeho základní elektrické komponenty, jež nalezneme nejen u BEV, ale i PHEV. Na obr. 1 vidíme standardní zjednodušené schéma elektromobilu, které obsahuje zmíněné základní elektrické komponenty a zobrazuje směry toků energie mezi nimi (zelené šipky), avšak nezohledňuje jejich odlišné uspořádání v konstrukcích BEV a PHEV. Propojení jednotlivých komponent zajišťuje stejnosměrná sběrnice, jejíž vstup představuje integrovaný střídavý dobíječ. Ten, jak název napovídá, slouží k dobíjení elektromobilu, tedy k přivedení výkonu ze střídavého zdroje elektrické energie (např. dobíjecí stanice) do soustavy EV. Z hlediska dobíjení elektromobilu je právě integrovaný dobíječ prvním výkonově limitujícím prvkem při dobíjení trakční baterie, jehož parametry uživatel nemůže nikterak ovlivnit.

Obr. 1 Zjednodušené schéma EV

Maximální dobíjecí výkon z těchto sestav usměrňovačů a DC měničů dosahuje až 22 kW, ale 80 % všech elektromobilů disponuje nižším výkonem dobíječů, nejčastěji pouze 3,7 kW.

Lithium-iontová trakční baterie představuje zdroj energie pro provoz elektropohonu EV, přičemž nejzajímavějším kritériem je její kWh kapacita ovlivňující jak dobu dobíjení při daném výkonu, tak především dojezdovou vzdálenost elektromobilu. Kvůli prodloužení dojezdové vzdálenosti oddělujeme spotřebu pohonu (výkon až 500 kW) jako takového a přístrojového vybavení elektromobilu, kterou pokrývá separátní akumulátor dobíjený výhradně připojením EV do sítě (trakční baterie však může být dobíjena i při rekuperační brzdě, tedy při invertorovém režimu střídače).

Další možností dobíjení trakční baterie, s kterou se nejvíce setkáváme u BEV vozidel, označujeme jako „fast charge“. S přihlédnutím ke schématu na obr. 1 se fakticky jedná o překlenutí integrovaného dobíječe a DC měniče na vstupu trakční baterie. V tomto režimu potom dochází k stejnosměrnému dobíjení, které je řízené systémem BMS (Battery Management System) na vysokonapěťové větvi (300 až 500 V) odpovídající napěťové hladině použité trakční baterie. Kromě standardního sledování okamžitého napětí, proudu a teploty baterie, což jsou parametry nutné pro stanovení energetické bilance a bezpečnosti provozu, BMS komunikuje přímo s externím nabíjecím systémem (DC dobíjecí stanicí). V případě střídavého nabíjení totiž BMS předává informaci o stavu dobíjení „pouze“ integrovanému dobíječi v rámci EV, které nabíjení ukončuje.

Z požadavků na zmíněné odlišné typy dobíjení EV potom vychází i konstrukce dobíjecích zásuvek elektromobilů, kterým se, mimo jiné, podrobně věnuje norma ČSN EN 62196 o nabíjení elektrických vozidel vodivým připojením. Norma zmiňuje prakticky všechny typy doposud užívaných konektorů řady světových automobilek, například:

Typ 2 je jediným typem konektoru u nových EV, se kterým se v Evropě setkáváme, a to na základě doporučení asociace evropských výrobců automobilů (ACEA). Jeho vysokonapěťová DC modifikace je známa jako Combo 2. Zmíněný typ konektoru (viz obr. 2) umožňuje 1- až 3fázové nabíjení elektromobilu, případně i stejnosměrné nabíjení, přičemž disponuje signalizačními vodiči PP (Proximity Pilot) a CP (Control Pilot) zodpovídající za blokaci pohybu vozidla po připojení do sítě (PP) a komunikaci s dobíjecím systémem (CP).

Obr. 2 Konektor Typ 2 (Combo 2)

Typ CHAdeMO byl používán v importovaných elektromobilech asijského původu. Vycházel z japonského experimentálního konstrukčního řešení dobíjecí infrastruktury vznikající pod záštitou společností TEPCO a Nissan. Atraktivita CHAdeMO spočívá v umožnění fungování EV připojeného na síť v režimu V2G (Vehicle to Grid), neboť v současnosti se jedná o jedinou standardizovanou technologii podporující tuto funkci.

Typ SAE J1772 představuje americké provedení konektoru označované v normě ČSN EN 62196 jako Typ 1, které je používané pouze pro jednofázové dobíjení.

V nových elektromobilech homologovaných pro evropský trh se však s posledními dvěma jmenovanými konektory setkáme již pouze v doprovodu konektoru Typu 2. Celá řada veřejně přístupných stanic na území ČR ale samozřejmě disponuje i jinými konektory než zmiňovaným Typem 2, neboť plánovaná transformace, která by unifikovala dobíjení EV, stále ještě probíhá.

V příštím závěrečném článku se zaměříme na vlastní dobíjecí stanice.

martinmaschita@email.cz