Elektromobil
Připojení systému k nabíjecí stanici – klíčový prvek pro elektromobily
www.schneider-electric.cz
Souhrn V srdci energetické výzvy, která pĜispívá ke zlepšení životního prostĜedí, nabízí elektromobily, úþinné a konkrétní Ĝešení snížení ekologické stopy v dopravČ. Jako globální specialista na správu a Ĝízení elektrické energie, chceme hrát hlavní roli v nastávajícím používání elektromobilĤ a soustĜedíme všechny naše zkušenosti na nabídku Ĝešení pro oblast nabíjecích stanic, které jsou bezpeþné, jednoduše použitelné, ekonomické a úþinné. Použité zaĜízení musí splĖovat všechny bezpeþnostní požadavky na instalaci a musí být plnČ integrovatelné do budoucí smart grid (inteligentní) sítČ. To garantuje dostupnost elektromobilĤ, optimalizaci úþtu za elektrickou energii a minimalizací uhlíkové stopy.
Úvod
Za poslední dvČ století, emise nČkterých zneþišĢujících plynĤ zpĤsobené lidskou þinností zvyšují pĜirozený jev známý jako skleníkový efekt. Tento fenomén mĤže mít dalekosáhlé dopady na ovzduší (klima) planety a s ním spojené ekosystémy. Mezinárodní spoleþenství proto mobilizuje k omezení koncentrace skleníkových plynĤ v atmosféĜe, s cílem snížit celosvČtové emise na polovinu v roce 2050. Bez emisí plynu, bez vypouštČní škodlivých þástic a tichým provozem se pĜedstavuje nabídka elektromobilĤ jako efektivní a konkrétní Ĝešení snížení celkové ekologické stopy v dopravČ. VytváĜejí poslední chybČjící þlánek v panoramČ udržitelné mobility ve mČstech (vlak, tramvaj, autobus, kolo) a dokonale odpovídají potĜebám ĜidiþĤ cestujících na krátké vzdálenosti nČkolik desítek kilometrĤ v mČstských a pĜímČstských oblastech. To je pĜípad soukromých osob, kteĜí používají své vozidlo na dojíždČní do práce a zpČt, a také Ĝady firemních aut. Pravidelné používání elektromobilĤ vyžaduje bezpeþné a jednoduše použitelné nabíjecí stanice. Navíc by tato novČ vytvoĜená infrastruktura pro nabíjení mČla uživateli umožnit nabíjet jeho elektromobil, když zastaví (doma, na pracovišti, v nákupním stĜedisku, parkovišti, atd.) a nemČla by vyžadovat zastavení pouze pro potĜebu nabíjení: na rozdíl od standardního tepelného automobilu! Pro nalezení optimální rovnováhy mezi plným nabitím elektromobilu a zvyky uživatelĤ ve vztahu k místĤm, kde bČžnČ zastaví, jsou potĜebné rĤzné typy infrastruktury pro dobíjení:
•
Pro dlouhé zastávky (pĜes celou noc doma, pĜes den na pracovišti), mĤže být provedeno kompletní nabití za 6 až 8 hodin v domovní nebo vyhrazené instalaci.
•
Pro krátké zastávky na 1 až 2 hodiny (parkovištČ, obchodní centra, parkovištČ u veĜejných cest, zastávky na obČd, atd.), je potĜebné rychlé nabíjení s pĜesnČ definovaným ukonþením.
•
Stále se objevují pĜípady, kdy uživatel musí zastavit, aby nabil baterie (bČhem dlouhé cesty nebo po intenzivním profesionálním využívání elektromobilu, jako je taxi nebo pĤjþovna automobilu): je nutné použít rychlé nabíjení 15 až 20 min.
Ve všech pĜípadech je zásadní zajistit bezpeþnost nabíjení pro osoby, elektromobil a pro instalaci ke které je elektromobil pĜipojen. Jde o klíþový faktor, který napĜ. omezuje výkon a využití stávajících elektrických zásuvek pro nabíjení doma. Rozdílné režimy pĜipojení pro nabíjení, které jsou definovány mezinárodními standardy IEC, nabízí Ĝešení pro tuto oblast instalací.
-2-
Režim pĜipojení pro nabíjení
PĜíchod elektromobilĤ do každodenního života, by nemČl zmČnit každodenní návyky uživatelĤ, ani je vystavovat novým situacím, které by pro nČ mohly být potencionálnČ nebezpeþné, pokud nabíjejí elektromobil. Kapacita baterie plnČ elektrického vozidla (elektromobilu) je asi 20 kWh a poskytuje elektrickou autonomii asi na 150 km; hybridní automobil má kapacitu asi na 3 - 5 kW a poskytuje elektrickou autonomii na 20 až 40 km (tepelný motor zajišĢuje autonomii standardního automobilu). Protože je autonomie elektromobilu trvale omezena, automobil musí být dobíjen v prĤmČru každé 2 nebo 3 dny. V praxi bude uživatel pravdČpodobnČ nabíjet elektromobil jakmile nalezne pĜíležitost tak uþinit. Pro normální nabíjení (3 kW), je pĜímo v elektromobilu zabudován od výrobce nabíjeþ baterií. Nabíjecí kabel je obvykle použit pro pĜipojení napájení k elektrické síti 230V AC. Pro rychlé nabíjení (22 kW, nebo dokonce 43 kW a více), mohou výrobci zvolit dvČ Ĝešení: -
Použit elektromobil s vestavČným nabíjeþem, navrženým pro nabíjení od 3 do 43 kW pĜi 230V 1-fázovČ nebo 400 V 3-fázovČ. použit externí nabíjeþ, který pĜevádí AC na DC proud pro nabíjení elektromobilu pĜi 50 kW Doba nabíjení 6 – 8 hod. 2 – 3 hod. 3 – 4 hod. 20 – 30 min. 20 – 30 min. 1 – 2 hod.
Napájení 1-fáz – 3.3 kW 3-fáz – 10 kW 1-fáz – 7kW 3-fáz – 43 kW Trvale – 50 kW 3-fáz – 24 kW
NapČtí 230 VAC 400 VAC 230 VAC 400 VAC 400 – 500 VDC 400 VAC
Max. proud 16 A 16 A 32 A 63 A 100- 125 A 32 A
Pro uživatele je nabíjení elektromobilu stejnČ jednoduché jako pĜipojení standardního elektrického spotĜebiþe; pro zajištČní bezpeþného nabíjení, musí nabíjecí systém splnit nČkolik bezpeþnostních funkcí a umožĖuje komunikaci s elektromobilem bČhem pĜipojení a nabíjení. Standard IEC 61851-1 (pĜipravuje se) “ELECTRIC VEHICLE CONDUCTIVE CHARGING SYSTÉM (PĜipojení nabíjecího systému k elektromobilu)” stanovuje rĤzné režimy pĜipojení pro nabíjení elektromobilu. Jsou popsány 4 režimy pĜipojení:
Režim pĜipojení 1: Standardní domovní zásuvka (víceúþelová) a prodlužovací kabel. Elektromobil je pĜipojen k elektrické síti pomocí standardní zásuvky (standardní proud : 10 A) umístČné v domácnostech. Chcete-li použít režim pĜipojení 1, musí být elektrická instalace v souladu s bezpeþnostními pĜedpisy a musí mít uzemĖovací systém, jistiþ pro ochranu proti pĜetížení a zkratu a ochranu proudovým chrániþem. Zásuvky musí být vybaveny krytkami, aby se zabránilo náhodnému kontaktu.
Obrázek 1 Režim pĜipojení 1 pro nabíjení
-3-
Toto Ĝešení je nejjednodušší a snadno realizovatelné. Nabízí uživateli volbu nabíjení elektromobilu témČĜ všude, což zaruþuje pohodu pĜi prvotním nákupu elektromobilu. Proþ tedy nemĤžeme být spokojeni s výše uvedeným Ĝešením? Ve skuteþnosti je zde nČkolik závažných omezení, které mohou pĜedstavovat riziko nesprávného použití. Tato omezení vedla k definici dalších mnohem úþinnČjších a bezpeþnČjších režimĤ pĜipojení nabíjecích stanic. První omezení je velikost dostupného výkonu, aby se zabránilo nebezpeþí:
• •
oteplení zásuvky a kabelu po jejich intenzivním používání po dobu nČkolika hodin pĜi pĜekroþení maximálního výkonu (který se pohybuje od 8 do 16 A v závislosti na Evropských zemích) požáru nebo úrazu elektrickým proudem v pĜípadČ el. instalací, které jsou zastaralé nebo jim chybí nČkteré ochranné pĜístroje.
Druhé omezení se týká instalací s Ĝízením výkonu
•
Pokud pĜi sdílení napájení zásuvky pro nabíjení s dalšími zásuvkami z distribuþního rozvádČþe (ne jednoúþelový obvod) je pĜesažena mez ochrany s ohledem na souþet odbČru (všeobecnČ 16A), jistiþ vypne a zastaví nabíjení.
Všechny tyto faktory omezí dostupný výkon v režimu pĜipojení 1, s ohledem na bezpeþnost a kvalitu služeb. Toto omezení je v souþasné dobČ stanoveno na hodnotu 10A, která se zdá být nejlepším kompromisem. Je tĜeba poznamenat, že pĜi tomto výkonu bude trvat plné nabití elektromobilu skoro 10 hod. Bez použití jednoúþelového obvodu NapĜíklad ve Francii, místní standard NF-C-15100 v instalaci umožĖuje pĜipojení až nČkolika domovních zásuvek na stejný ochranný prvek bytového rozvádČþe:
•
Až 5 zásuvek s kabelem o prĤĜezu 1.5 mm2.
Ochrana jistiþem 16 A.
•
Až 8 zásuvek s kabelem o prĤĜezu 2.5 mm2.
Ochrana jistiþem 20 A. Je tedy velice pravdČpodobné, že domovní elektrické zásuvky použité pro nabíjení elektromobilĤ jsou ve stejném obvodu jako ostatní elektrické zaĜízení, které jsou v provozu bČhem nabíjení. V tomto pĜípadČ z bezpeþnostních dĤvodĤ vypne ochrana na pĜetížení, pokud celkové odebrané proudy z elektromobilu a domovních zaĜízení pĜekroþí jeho nastavenou hodnotu. Pouze instalace vyhrazeného obvodu pro nabíjení elektromobilu mĤže zabránit tomuto typu nechtČného vypnutí. Snížení výkonu s teplotou a intenzitou využívání Jak bylo uvedeno výše, nabíjecí výkony elektromobilĤ jsou rĤzné od 3 do 24 kW. Tento výkon odpovídá nabíjecím proudĤm od 16A 1-fázovČ až do 32A 3-fázovČ. KromČ toho, nabíjení elektromobilu mĤže trvat až 8 hod., a musí být provedeno na pravidelnČ a nČkdy dokonce i na denní bázi. Standard NF-C-15100 uvádí prĤĜezy kabelĤ 1.5 mm2 nebo 2.5 mm2. Jejich max. dostupný výkon je 3.7 kW pro kabel 1.5 mm2 a až 5.7 kW pro kabel 2.5 mm2. Domovní zásuvky jsou urþeny pro použití pĜi plném zatížení pouze na omezenou dobu (typicky 1 hod. pĜi max. výkonu, což je pĜípad použití domovních spotĜebiþĤ). Pokud se nabíjí elektromobil, þas nabíjení pĜekraþuje tuto mez a mĤže trvat až 6 nebo 8 hodin. Domovní zásuvka musí být klasifikována jako systém vedoucí ke snížení výkonu pro tento pĜípad použití: jejich dovolený proud musí být nižší než 16A nebo 32 A, aby se omezilo nadmČrnému zvýšení teploty v jednotlivých prvcích instalace, a zabránilo nebezpeþí požáru.
-4-
Zastaralé a nevhodné Ve Francii, elektroinstalatéĜi pĜedpokládají, že je okolo 7 milionĤ nebezpeþných instalací (zastaralé, nevhodné, atd.), což pĜedstavuje ménČ než polovinu starých obytných budov. NapĜíklad ve Francii, od roku 1972 a dále, nové elektrické instalace podléhaly kontrole a osvČdþení o shodČ. Toto opatĜení zavedené orgány veĜejné zprávy bylo rozšíĜeno v roce 2001 na plnČ zrekonstruované elektrické instalace v bytech. NicménČ na elektrické instalace v 16 milionech bytech postavČných pĜed rokem 1972 se nevztahují žádné kontrolní opatĜení. Existují také pochybnosti o elektroinstalacích v bytech postavených po roce 1972. Instalace ve kterých nebyly provedeny zmČny v posledních 30 letech, mohou být považovány za zastaralé. Po 30 letech používání za bČžných podmínek, mĤže pĜedstavovat elektrická instalace s nejvČtší pravdČpodobností nebezpeþí s ohledem na opotĜebení, pokud nebyla na zaĜízení provádČna pravidelná údržba. PĜipojení elektromobilu bez jakýchkoliv bezpeþnostních opatĜení pro tento typ instalací mĤže být nebezpeþné pro osoby a majetek v pĜípadČ, že chybí ochranné zaĜízení.
Režim pĜipojení 2: Standardní domovní zásuvka (víceúþelová) a kabel s ochranným pĜístrojem. Elektromobil je pĜipojen k distribuþní síti pomocí standardní domovní zásuvky. Nabíjení je provedeno pĜes 1-fázovou nebo 3-fázovou síĢ a instalaci zemního kabelu. Ochranné zaĜízení je vestavČno do kabelu.
Obrázek 2 Režim pĜipojení 2 pro nabíjení
(ochranné zaĜízení vestavČné do kabelu) Toto Ĝešení je mimoĜádnČ nákladné vzhledem k zvláštnosti kabelu.
Režim pĜipojení 3: Jednoúþelová zásuvka (víceúþelová) pĜipojená do vyhrazeného obvodu. Elektromobil je pĜipojen pĜímo k distribuþní síti pomocí speciální zásuvky a zástrþky a jednoúþelového obvodu. Ovládací a ochranné funkce jsou trvale zabudovány do zaĜízení.
Obrázek 3 “Režim pĜipojení 3 pro nabíjení
(ochranné zaĜízení v instalaci, jednoúþelové nabíjecí stanice)
-5-
Jedná se o režim pĜipojení pro nabíjení, který splĖuje platné standardy pro elektrické instalace. UmožĖuje load-shedding - elektrické spotĜebiþe v domácnosti mohou být provozovány pĜi nabíjení vozidla nebo se naopak optimalizuje doba nabíjení elektromobilu.
Režim pĜipojení 4: StejnosmČrné (DC) pĜipojení pro rychlé nabíjení Elektromobil je pĜipojen k distribuþní síti pomocí externího nabíjeþe. Funkce ovládání a ochrany a nabíjecí kabel pro nabíjení jsou trvale zabudovány do zaĜízení.
Obrázek 4 Režim pĜipojení 4 pro nabíjení
(externí usmČrĖovaþ AC/DC do elektromobilu)
ěešení doporuþené firmou Schneider Electric Vzhledem k bezpeþnostním požadavkĤm a omezenému použití, musí být nabíjecí systémy navrženy s ohledem na standardy elektromobilĤ, aby byla plnČ zaruþena bezpeþnost osob a majetku. Jednoúþelové nabíjecí obvody definované v “Režimu pĜipojení 3” (viz. obrázek 3) a popsané ve standardu ýSN EN 61851-1“Systém nabíjení elektrických vozidel vodivým propojením ”zaruþující maximální bezpeþnost pro uživatele bČhem nabíjení elektromobilĤ. KromČ toho, také umožĖují urþit co nejpĜesnČji nabíjecí výkon, pokud je požadavek od dodavatele elektrické energie (smart grid - inteligentní sítČ / požadavek-odezva) a vyžadují doplnČní zvláštního a vyhrazeného nabíjecího obvodu. ěídící prvek nabíjení na stranČ infrastruktury, kontroluje pĜed spuštČním nabíjecího procesu následující:
•
Kontroluje, že elektromobil je správnČ pĜipojen do systému.
•
Kontroluje, že zemnící systém elektromobilu je správnČ pĜipojen k ochranČ obvodu.
•
Kontroluje, že je odpovídající výkon v kabelu, elektromobilu a nabíjecím obvodu.
•
Stanoví maximální nabíjecí výkon, který bude alokován pro elektromobil.
Všechny tyto kontroly jsou provedeny a poskytnuty prostĜednictvím konkrétního vodiþe, oznaþeného jako “Pilotní (Ĝídící) vodiþ ”. Pro vidlice a zásuvky je zásadní na stranČ infrastruktury mít dva další vodiþe /piny, oznaþované jako pilotní vodiþe. Avšak, domovní zásuvky nemají tyto dodateþné dva vodiþe /piny, které jsou nezbytné pro provoz Ĝídícího prvku pro nabíjení. Standard ve vývoji IEC 62196-2 “Vidlice, zásuvky, vozidlová zásuvková spojení a vozidlové pĜívodky – Nabíjení elektrických vozidel vodivým pĜipojením ” popisuje Ĝadu zásuvek, které mohou být použity pro nabíjení pomoci Režimu pĜipojení 3. Obsahuje dva pilotní vodiþe/piny ve standardním provedení.
-6-
Zásuvky pro nabíjení Tabulka 1 Typy zásuvek
Jednoúþelové zásuvky pro nabíjení K nabíjení elektromobilĤ je možné použít tĜi typy zásuvek oznaþované jako „elektromobilní“ s pilotním (Ĝídícím) vodiþem. Parametry Fáze
Type 1 1-fáz.
Proud
32 A
NapČtí No. of prongs Zaslepovací zaĜízení Schéma
250 V 5 Ne
Type 2 1-fáz. / 3-fáz. 70 A (1-fáz.) 63 A 500 V 7 Ne
Type 3 1-fáz. / 3-fáz. 32 A 500 V 5 or 7 Ano
Schneider Electric doporuþuje typ zásuvky 3 pro nabíjení infrastruktury s ohledem na níže uvedené skuteþnosti:
•
Mezi 3 navrženými typy zásuvek (typ 1, typ 2 a typ 3), pouze typ zásuvek 3 a zástrþek má posuvné ochranné krytky. Tyto krytky jsou povinné ve Francii a v nČkterých Evropských zemích, kde je zabránČno vložení jiných pĜedmČtĤ do zásuvek než tČch pro které jsou urþeny, speciálnČ dČtmi.
•
Typ zásuvek 3 obsahuje také zaslepovací zaĜízení na zásuvkách pro umožnČní pĜíchodu “Vehicles to Grid – V2G”. V tomto pĜípadČ bude vozidlo používáno jako “výkonový generátor”. PĜítomnost zaslepovacího zaĜízení na zástrþce bude poskytovat stejnou úroveĖ bezpeþnosti jak pro osoby tak pro zásuvky.
“Vehicle to grid – V2G” je pojem, který umožĖuje využít elektrickou energii uloženou v elektromobilech, aby podporovala elektrickou distribuþní síĢ bČhem období se špiþkovou spotĜebou nebo jako nouzový zdroj (bouĜe, pĜerušené kabely,…). Energie uložená v bateriích elektromobilu mĤže být využita v domovních instalací. Tato technologie vychází z toho, že nabíjeþka umístČna v elektromobilu stejnČ jako rozhranní mezi elektromobilem a elektrickou distribuþní sítí je obousmČrné.
-7-
Zásuvky pro nabíjení
Optimalizace dopravy, která je nejvČtším spotĜebitelem energie z fosilních zdrojĤ a producentem oxidu uhliþitého, má zásadní vliv na budoucí klimatické zmČny a na uspokojování rostoucí poptávky po zdrojích energie. Elektromobil pĜedstavuje chybČjící þlánek v ĜetČzci udržitelné mČstské dopravy a je významným krokem vpĜed v oblasti snížení ekologické stopy dopravy. Vývoj a úspČch tohoto systému závisí na dostupnosti vhodné infrastruktury pro nabíjení. Kombinace režimu pĜipojení 3 pro nabíjení a typu zásuvky 3 pro elektrické instalace nabízí to nejlepší Ĝešení pro nabíjení elektromobilĤ:
Jednoduchý • •
Konkrétní typ zásuvky 3 je uživatelsky pĜívČtivý pro manipulaci a zcela bezpeþný pro uživatele. Kontrolní funkce Ĝídí dobu nabíjení elektromobilu a optimalizuje spotĜebu energie na základČ vstupních požadavkĤ.
Bezpeþný • • •
Použití jednoúþelového a nezávislého (samostatného) elektrického obvodu zabrání jakémukoli riziku, které je spojené s neúmyslným pĜipojením k nekompatibilnímu zaĜízení, a tak zaruþuje bezpeþnost osob a majetku. Je navržen výhradnČ pro tuto aplikaci. Instalace je snadno použitelná a odolává i nároþným podmínkám. Typ konektoru 3 vybavený záslepkami na zásuvce a vidlici na stranČ elektrické instalace pomáhá pĜedejít jakémukoli nebezpeþí úrazu elektrickým proudem pro uživatele a zaruþuje integritu baterií instalovaných v elektromobilu.
Chytrý DoplnČný pilotní (Ĝídící) vodiþ v nabíjecímu kabelu umožĖuje provádČt kontrolní funkce a komunikovat mezi elektromobilem a infrastrukturou pro dobíjení.
• •
To zajišĢuje optimální nabíjení baterií a zachovává jejich životnost. To umožĖuje komunikovat s elektromobily všech výrobcĤ pomocí standardních protokolu.
Flexibilní PĜi použití kabelu, který je vybaven zásuvkou typu 3 na stranČ elektrické instalace a odpovídajícím konektorem, je požadován pouze jeden kabel na elektromobil. KromČ toho kabel, mĤže být pĜizpĤsoben širokému rozsahu konektorĤ zvolených výrobci elektromobilĤ (typ 1 a typ 2, nebo další konkrétní Ĝešení). Toto Ĝešení zohledĖuje budoucí vývoj, pokud jde o elektromobil, což umožĖuje vývoj konektorĤ v budoucnosti.
-8-
Zdroje
Webové stránky Schneider Electric www.schneider-electric.cz IEC (International Electrotechnical Commission)
www.iec.ch
IEC 61851-1 « Electric Vehicle conductive charging system » (PĜipojení nabíjecího systému k elektromobilu) IEC 62196-2 « Plugs, socket-outlets, vehicle couplers and vehicle inlets Conductive charging of electric vehicles » (“Vidlice, zásuvky, vozidlová zásuvková spojení a vozidlové pĜívodky – Nabíjení elektrických vozidel vodivým pĜipojením ”)
Kontaktujte nás Pro více informací o Schneider Electric, Ĝešení pro nabíjení pro elektromobily: Viz www.schneider-electric.com/elektromobil Pokud jste zákazník a máte konkrétní dotazy týkající se Ĝešení pro nabíjení elektromobilĤ Schneider Electric: Kontaktujte Schneider Electric
-9-
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Thámova 13 – 186 00 Praha 8 www.schneider-electric.cz Zákaznické centrum Tel.: 382 766 333 – e-mail:
[email protected]
S1045
02-2011
