Marcin SKIBOWSKI Politechnika Gdańska ŁADOWANIE POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH Streszczenie: Tekst obejmuje krótkie wprowadzenie do obowiązujących standardów wtyczek służących do szybkiego i standardowego ładowania pojazdów elektrycznych. Następnie przedstawione zostają wady i zalety wzrostu liczebności pojazdów elektrycznych, ze szczególnym naciskiem na oddziaływanie energoelektronicznych układów na krajową sieć elektroenergetyczną. Ostatnim poruszanym zagadnieniem jest hipotetyczne wykorzystywanie pojazdów elektrycznych jako rozproszonych magazynów energii. 1. Standardy ładowania 1.1. Wprowadzenie Szacuje się, że średni dystans przemierzany przez typowy samochód każdego dnia to 45 km. W przypadku obecnie produkowanych samochodów elektrycznych do przejechania tej odległości wystarczy ładowanie akumulatora przez 4 godziny [1]. Samochód elektryczny bardzo łatwo podłączyć do sieci elektrycznej, a akumulator ładowany może być w momencie, kiedy nie jest on używany. Na takie sytuacje w codziennej eksploatacji pojazdu miejskiego składają się: postój w domu podczas odpoczynku i w nocy, na parkingu w miejscu pracy, na parkingu miejskim typu parkuj i jedź, kiedy użytkownik samochodu przesiada się do komunikacji miejskiej, na parkingu centrum handlowego wyposażonego w ładowarki. 1.2. Standardy ładowania, wtyki, szybkie ładowarki DC [2] Standard CHAdeMO klasyczny funkcjonujący realnie standard szybkiego ładowania na świecie. CHAdeMO JEVS ( Japan Electric Vehicle Standard) G105-1993, który został opracowany w Japonii. Przeznaczony do ładowania urządzeń o mocach do 60 kw, na rysunku 1 przedstawiono wygląd wtyczki podłączanej do ładowanego pojazdu. Rys. 1. Wtyczka standardu CHAdeMO [2] Nr 186 21
Gama samochodów zgodnych ze standardem CHAdeMO jest na razie ograniczona jedynie do modeli produkowanych w Japonii Mitsubishi i-miev, Peugeot ion, Citroën C-Zero, Nissan Leaf i Mitsubishi Minicab-MiEV. Wkrótce na rynku pojawi się także Toyota iq EV, a wcześniej auta z opcją szybkiego ładowania w ramach programu demonstracyjnego testowało Subaru R1e i Plug-In Stella oraz Honda Fit EV. Drugi z liderów wśród standardów, czyli Amerykański SAE International SAE J1772 combo, ładowanie jednofazowe (z ładowarką na pokładzie), jak i prądem stałym (z zewnętrznej ładowarki). kompatybilny z opracowanymi wcześniej wtyczkami SAE J1772. Moc złącza prądu stałego została ograniczona do 90 kw (450 V, 200 A). Komunikacja między pojazdem a zewnętrzną ładowarką oraz inteligentną siecią elektroenergetyczną po przewodach zasilających P.L.C. (Power Line Carrier). Na rysunku 2 przedstawiono wtyczkę standardu SAE. Rys. 2. Wtyczka standardu SAE J1772 combo [2] Europejskie Stowarzyszenie Producentów Samochodów (ACEA) stworzyło i propaguje standard IEC 62196-2 Type 2, ładowanie zarówno jedno-, jak i trójfazowe. ACEA proponuje wprowadzenie, na bazie swojego projektu, standardu uniwersalnego o zasięgu globalnym. Dzięki takiemu rozwiązaniu w pojeździe byłby jeden port i w zależności od terminalu AC lub DC oraz wtyczki wykorzystywane byłyby tylko niektóre wyprowadzenia. Na rysunku 3 wtyczka zaproponowana przez ACEA. Rys. 3. Wtyczka standardu IEC 62196-2 Type 2 [2] 22
Niemieccy producenci samochodów Audi, BMW, Daimler, Porsche i Volkswagen forsują swój uniwersalny system ładowania: Combined Charging System, opracowany w bliskiej współpracy z Fordem i General Motors, ładowanie zarówno jedno-, jak i trójfazowe oraz prądem stałym przy użyciu jednego interfejsu po stronie pojazdu. Ujednolicenie obejmuje nie tylko złącze, ale także protokół komunikacyjny HomePlug GreenPHY i architekturę zabezpieczeń. Uniwersalny system ładowania w USA ma być kompatybilny wstecz z J1772, a w Europie z IEC 62196-2. Na rysunku 4 wtyczka zaproponowana przez niemieckie koncerny motoryzacyjne. Rys. 4. Wtyczka standardu Combined Charging System [2] 1.3. Wpływ pojazdów elektrycznych na system elektroenergetyczny Zgodnie z danymi Instytutu Badań Rynku Motoryzacji SAMAR ilość samochodów osobowych zarejestrowanych w Polsce przekracza 17 mln sztuk [3]. Według przewidywań w roku 2020 co 10 samochód będzie EV (Electric Vehicle). Ponieważ energia baterii EV wynosi obecnie średnio ok. 20 kwh, to w trybie ładowania 10-godzinnego pojazd EV stanowi dla SEE obciążenie 2 kw. Przy 1,7 mln pojazdów i przyjętym wysoko współczynniku jednoczesności ładowania (0,5) będzie stanowić obciążenie dla SEE o mocy 1,7 GW. W Polsce, według stanu z października 2010, sumaryczna moc zainstalowana w elektrowniach wynosi 35,9 GW. Łatwo wywnioskować, że odbiorniki w formie ładowarek samochodowych stanowić będą wtedy ok. 4,5% wszystkich konsumentów energii elektrycznej jest to znacząca grupa. Należałoby zatem zadbać o odpowiednie sterowanie procesem dystrybucji mocy, tak aby osiągnąć maksimum korzyści już na etapie wdrażania technologii z nią związanych. Czynnikiem sprzyjającym poborowi energii, a co za tym idzie ładowaniu pojazdów, w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną jest istotne zróżnicowanie taryf energii. Warto rozważać scenariusze, że przy zastosowaniu układów inteligentnych ładowania EV, wybierane będą automatycznie momenty pracy układu ładującego, aby zapewnić minimalizację kosztów energii kosztów tankowania pojazdów oraz być może najważniejsze: minimalizację nadmiaru mocy w dobowym cyklu jej zapotrzebowania. Rysunek 5 przedstawia wykres typowego dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Zaznaczono na nim najbardziej dogodne obszary, podczas których spodziewa się największego zapotrzebowania na ładowanie pojazdów, dolinę nocną i popołudniową. Wypełnienie owych obszarów zapotrzebowaniem na energię sprawiłoby, że wzrosłaby opłacalność produkcji energii elektrycznej. Nr 186 23
Rys. 5. Dobowy rozkład obciążeń systemu elektroenergetycznego [4] 1.4. Negatywny wpływ na sieć EE pojazdów z ładowarkami energoelektronicznymi Nieodzownym zagadnieniem związanym z wpływem pojazdów z silnikami elektrycznymi na system EE jest wzrost ilości przekształtników energoelektronicznych kryjących się we wnętrzach ładowarek. Należy podkreślić, że obserwując tendencje do budowania coraz lepszych pojazdów, ich zasięg, a co za tym idzie pojemność zasobników stale rośnie. Ma to wpływ na moc typowej ładowarki, która z założenia ma ładować zasobnik szybko i skutecznie. Aktualnie stosowane ładowarki oparte są często o układy wykorzystujące przetwarzanie pośrednie AC/DC/DC/AC, transformator wysokiej częstotliwości i prostowanie końcowe AC/DC [5]. Schemat ogólny tego typu ładowarki zawiera się na rysunku 6. Rys. 6. Typowa struktura przekształtnika do ładowania baterii akumulatorów [5] Przy dużej ilości ładowarek o schemacie jak na rysunku 6 nastąpi niedopuszczalny wzrost wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym. Pobierany prąd przez tego typu ładowarki został przedstawiony na rysunku 7. Rys. 7. Kształt prądu wejściowego pobieranego z sieci elektroenergetycznej dla ładowarki z rysunku 6 [5] 24
Układy ładowarek EV muszą mieć strukturę zapewniającą pobór z sieci prądu sinusoidalnego, a w najlepszym wypadku należy jako założenie projektowe przyjąć osiągnięcie jednostkowego współczynnika mocy. Uzyskać tego typu efekt można poprzez zastąpienie na wejściu prostowników diodowych prostownikami sterowanymi tranzystorowymi. Taki układ pozwala też na zwrot energii do sieci, co jest podstawą koncepcji V2G, której dotyczy kolejny rozdział. 2. Pojazdy elektryczne jako zasobniki energii 2.1. Koncepcja V2G (Vehicle-To-Grid) Pojazdy z napędem elektrycznym można traktować jako ruchome, rozproszone źródła zasilania. Wyposażenie pojazdu w przetwornicę energoelektroniczną o dwukierunkowym przepływie energii umożliwia przetworzenie energii akumulatorów na energię prądu zmiennego, którą można przekazać do sieci elektroenergetycznej, np. własnego, pozbawionego zasilania budynku. W tabeli 1 przedstawione zostało zestawienie parametrów znamionowych samochodów elektrycznych różnych marek, dostępnych na rynku międzynarodowym tego typu pojazdów już dziś. Jest to ilość energii pomijalna dla systemu elektroenergetycznego, lecz w wielu przypadkach może być wystarczająca do zasilenia urządzeń elektronicznych, których akurat w danej chwili bardzo mocno potrzebujemy. Nadzieją na wzrost znaczenia takich zasobników w stosunku do krajowego systemu EE jest przewidywany znaczący wzrost liczby takich pojazdów. Będzie to szansa na realne wykorzystanie EV jako całą grupę znaczących zasobników, a nie poszczególne jednostki. Tabela 1. Zestawienie parametrów osobowych pojazdów elektrycznych [6] Renault Zoe Kia Ray EV Toyota iq EV BMW ActiveE Moc silnika, kw 65 50 47 125 Typ baterii Li-lon LiPo Li-lon Li-lon Energia baterii, kwh 22 16,4 11 32 Zasięg, km 210 139 105 240 Prędkość max, km/h 135 130 125 145 Ilość energii, którą można pobrać z baterii EV, uzależniona będzie głównie od zezwolenia użytkowników EV planujących najbliższe jazdy. Wydaje się więc, że bieżąca dostępność zasobników EV jest niemożliwa do oszacowania. Jednak dzięki zdobyciu wiedzy opartej o doświadczenia w tej dziedzinie, można to będzie oceniać z dużym prawdopodobieństwem analogicznie jak dziś ocenia się prawdopodobieństwo obciążenia SEE. Powtarzalność obciążalności jest związana z trybem naszego życia, tak samo jak użytkowanie pojazdów szczególnie tych używanych na krótkich dystansach, miejskich, gdzie EV będą sprawdzać się najskuteczniej. Dodatkowe możliwości mogą dawać technologie zwiane z komunikacją operatorów SEE z pojazdami lub grupami pojazdów, które deklarują w danym czasie informację o możliwej przewidywanej sytuacji oddawania energii do sieci EE. Za taką wcześniejszą deklarację Nr 186 25
kierowca mógłby otrzymywać wyższą kwotę za sprzedawaną energię, a za niezawodne oddawanie energii zgodne z zaplanowanym wcześniej grafikiem otrzymać dodatkowe bonusy w formie punktów rekomendacyjnych. Koncepcja konwersji energii pojazdów EV do SEE jest podstawą technologii, określanej jako V2G (ang. Vehicle-To-Grid), która została po raz pierwszy przedstawiona w materiałach [7 9]. Wykorzystanie technologii V2G w strukturze sieci EE pokazano na rysunku 8. Rys. 8. Koncepcja V2G [7] (1) elektrownie zawodowe, (2) rozproszone źródła energii odnawialnej, (3) linie przesyłowe, (4) sieci dystrybucyjne niskiego napięcia, (5) indywidualne stacje ładowania pojazdów, (6) grupowe stacje ładowania pojazdów parkingi, miejsca pracy, centra handlowe, biura, urzędy, (7) centrala Operatora Systemu, (8) pojazdy elektryczne z indywidualną łącznością z systemem, (9) pojazdy połączone jako grupy zasobników energii Wprowadzenie V2G wymaga specjalizowanych przetwornic ładowania i odpowiedniej infrastruktury. Rysunek 9 zawiera schemat układu przekształtnika spełniającego wymagania standardu V2G. Rys. 9. Układ przekształtnika dla koncepcji V2G przekształtnik o dwukierunkowym przepływie energii Dla wprowadzania w życie tak rozległej koncepcji jak V2G wymagana będzie koordynacja rozproszonych magazynów energii przez łączność pomiędzy EV a centralą operatora systemu. Pakiet rozwiązań dających szanse na zadziałanie tej koncep- 26
cji z pewnością dostarczą działające i wykorzystywane współcześnie systemy GSM, GPRS, 3G i GPS, które otaczają nas zarówno w urządzeniach mobilnych (smartfony), jak i pojazdach z klasycznymi silnikami spalinowymi. Istotnym zagadnieniem dla poprawnego funkcjonowania każdego systemu rozliczeniowego jest uczciwość, przejrzystość i sumienne wywiązywanie się z zobowiązań, jako podstawa dla długoterminowych kontaktów. Dla V2G podstawową kwestią dotyczącą zapewnienia komfortu we wspólnych relacjach pomiędzy właścicielem EV a operatorem SEE będzie układ pomiarowy do precyzyjnego pomiaru ilości energii pobranej i oddawanej służący do rozliczenia finansowego między uczestnikami procesu pozyskiwania wspólnych korzyści z eksploatacji EV. System rozliczania finansowego w V2G można wyobrazić sobie jako odpowiednik obecnie działających systemów rozliczeń telefonów komórkowych na kartę, gdzie dziś jasno płacimy za każdą wykorzystaną na rozmowy minutę. Dla swobody użytkowania dowolnych stacji ładowania potrzebne byłoby stworzenie systemu, w którym płacić będziemy, w identyczny sposób za każdą kilowatogodzinę. Nasze konto przedpłatowe (pre paid) będzie uzupełniane nie tylko poprzez doładowanie go specjalnym zakupionym w każdym sklepie kodem, ale też poprzez oddawanie do sieci każdej niepotrzebnej nam akurat kilowatogodziny. Tego typu koncepcje już istnieją w świecie kontaktów sprzedawcy energii a konsumentem. W regionie Pomorskim takie rozwiązanie proponuje między innymi Energa Operator SA. W razie potrzeb firma proponuje swoim klientom liczniki przedpłatowe, które dostarczają klientowi tyle energii, ile ten wcześniej opłacił korzystając z telefonu komórkowego [10]. 3. Wnioski końcowe Przyjęcie jednego, ogólnego standardu ładowania: pomoże obniżyć koszty oraz przyspieszyć budowę infrastruktury, rozwój rynku EV. Wpływ pojazdów elektrycznych na sieć EE może być pozytywny, jak i negatywny. To od nas zależy w jaki sposób zorganizujemy proces ładowania zasobników energii w pojazdach i jak wykorzystamy możliwości, które niosą ze sobą te mobilne magazyny energii. Koncepcja V2G obejmuje zagadnienia zarówno techniczne, jak i ekonomiczne. Energię z dużej ilości EV można użyć do stabilizacji SEE, podtrzymania zasilania w sieci lokalnej, a nawet do kompensacji mocy biernej i harmonicznych w sieci ograniczonej, czy też regulacji mocy w systemie [11, 12]. Aktualnie stosowane systemy obsługi telefonii komórkowej oparte o standardy GSM, GPRS, jak i systemy globalnego pozycjonowania pojazdów, będą w przyszłości podstawą do stworzenia rozległego systemu informatyczno- -rozliczeniowego wspierającego koncepcję wykorzystywania pojazdów elektrycznych jako rozproszonych magazynów energii. 4. Bibliografia 1. http://www.ensto.com/pl/systemy/ladowaniesamochodow. 2. http://www.samochodyelektryczne.org/analiza_oplacalnosci_szybkiego_ladowania_samochodow_elektrycznych.htm. Nr 186 27
3. Strona internetowa IBRM Samar http://www.samar.pl/. 4. Gładyś H., Matla R.: Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym. Wrocław Warszawa, WNT 1999. 5. Guziński J., Adamowicz M., Kamiński J.: Pojazdy elektryczne Rozwój technologii układów ładowania. Układy ładowania i współpraca z siecią elektroenergetyczną. Wyd. Politechnika Gdańska. 6. http://www.samochodyelektryczne.org. 7. Kempton, W., Letendre, S.E.: Electric vehicles as a new power source for electric utilities. Transportation Research Part D 2 (3), 1997, pp. (157 175). 8. http://en.wikipedia.org/wiki/vehicle-to-grid. 9. Projekt V2G http://www.udel.edu/v2g/. 10. http://www.energa.pl/dla-domu/rozliczenia-prepaid/formularz-doladowania. 11. Jarnut M., Benysek G.: Zastosowanie układów energoelektronicznych w technologii SmartGrid i V2G (Vehicle To Grid), Przegląd Elektrotechniczny, 2010/6. 12. Pillai, J.R., Bak-Jensen B.: Integration of vehicle-to-grid in the western Danish power system, IEEE Transactions on Sustainable Energy, Jan. 2011, Vol. 2, No. 1, pp. 12 19. Tekst artykułu prezentowano w postaci referatu na Gdańskich Dniach Elektryki, które odbyły się w dniach 17 18 października 2013 roku 28