Wolne i półszybkie ładowanie pojazdów elektrycznych - elektroenergetyczna infrastruktura instalacyjna

 

Instalacyjna elektroenergetyczne infrastruktura wewnątrzbudynkowa (garażowa)

Ładowanie „garażowe” samochodów elektrycznych, to prawie zawsze ładowanie PRĄDEM PRZEMIENNYM (AC), a więc tzw. „wolne” lub „półszybkie”. Może być dokonane przy użyciu zainstalowanej na stałe ładowarki ściennej. Może też być dokonane przy użyciu ładowarki ściennej lub przenośnej, zasilanej z jednego z następujących ściennych gniazd:

w Europie: ze zwykłego jednofazowego „domowego” gniazda 16 A,

w Europie: ze specjalnego jednofazowego „kempingowego” gniazda 16 A,

w Europie: ze specjalnego jednofazowego „kempingowego” gniazda 32 A,

w Europie: z wykorzystaniem jednaj fazy „siłowego” trójfazowego gniazda 16 A,

w Europie: z wykorzystaniem napięcia międzyfazowego z dwóch faz „siłowego” trójfazowego gniazda 16 A (uwaga: napięcie międzyfazowe może być zbyt wysokie),

w Europie: z wykorzystaniem wszystkich trzech faz „siłowego” trójfazowego gniazda 16 A,

w Europie: z wykorzystaniem jednaj fazy „siłowego” trójfazowego gniazda 32 A,

w Europie: z wykorzystaniem napięcia międzyfazowego z dwóch faz „siłowego” trójfazowego gniazda 32 A (uwaga: napięcie międzyfazowe może być zbyt wysokie),

w Europie: z wykorzystaniem wszystkich trzech faz „siłowego” trójfazowego gniazda 32 A,

W Ameryce Północnej, ze zwykłego jednofazowego „domowego” gniazda 15 A (NEMA 5-15),

W Ameryce Północnej, z wykorzystaniem połowy napięcia (120 V), „siłowego” jednofazowego gniazda 50 A (NEMA 14-50).

W Ameryce Północnej, z wykorzystaniem całości napięcia (240 V), „siłowego” jednofazowego gniazda 50 A (NEMA 14-50).

Północnoamerykańskie największe garażowe gniazdo umożliwia przeniesienie mocy do 12 kW, zaś europejskie do 22 kW. Gdyby moc ładowania miała przekroczyć tę wartość, zaczyna się już elitarny klub stałoprądowych stacji ładowania. Statystyki mówią jednak, że w krajach o najbardziej zaawansowanej elektromobilności, ładowanie w miejscu nocnego (przydomowego) postoju samochodów elektrycznych, dostarcza pojazdom ok. 80 % całości pozyskiwanej przez nie energii. Jest to uzasadnione z wielu powodów, a choćby z dwóch: po pierwsze najkorzystniejsze dla żywotności akumulatorów jest ich możliwie powolne ładowanie, a po drugie, w domowej nocnej, czy też weekendowej taryfie, czyli w okresie „doliny energetycznej”, energia jest znacznie tańsza.

Wszystko na to wskazuje, że w miarę rozwoju elektromobilności, wyraźnie wzrośnie znaczenie nie tylko infrastruktury szybkich stacji ładowania na trasach przejazdowych, ale przede wszystkim tzw. „garażowej” infrastruktury ładowania. Takie „garażowe” ładowanie powinno być wystarczająco szybkie, aby całodzienne zapotrzebowanie energetyczne samochodu elektrycznego, uzupełnić podczas całej nocy, czego dokonać nie jest trudno nawet ze zwykłego „domowego” gniazda. Trudniej jest zainstalować infrastrukturę, zakładającą sytuację, gdy czasami jednak, kierowcy pojazdu zależy na tym, aby w możliwe krótkim czasie, dostarczyć pojazdowi możliwie dużo energii, co jest równoznaczne z dostarczeniem mu możliwie dużej mocy. Kierowca wszakże nie zawsze dysponuje całą nocą. Przydałoby się więc mieć nie tylko możliwość typowo wolnego „nocnego” ładowania, ale na wszelki wypadek, choćby tylko do okazyjnego korzystania, możliwość ładowania półszybkiego, aż do wspomnianej mocy 22 kW (w Ameryce Północnej 12 kW).

To temat na przyszłość, ale pomyślmy, co by się stało, gdyby wszystkie pojazdy w Europie czy w Ameryce Północnej stały się nagle elektryczne? Nie wspomnę o bazach transportowych i o zajezdniach komunikacji miejskiej. Pozostańmy jedynie przy prywatnych czy służbowych samochodach osobowych. Co by się zadziało, gdyby te samochody, w nocy, chcieliby ładować równocześnie, zarówno niemal wszyscy mieszkańcy osiedli domków jednorodzinnych, jak i prawie wszyscy mieszkańcy bloków mieszkalnych? Gdyby równocześnie była ładowana większość pojazdów w przydomowych garażach, w zespołach garaży wolnostojących, ale też pojazdów nocujących na osiedlowych parkingach w pobliżu bloków, w podziemnych miejscach postojowych pod blokami? Tu obecnie na ogół nie występują jakiekolwiek możliwości uzupełnienia energii samochodu elektrycznego, choćby dla nielicznych pojazdów, a co dopiero dla wszystkich parkujących (garażujących)?

Zanim wszystkie obecne pojazdy staną się elektryczne, w wielu przypadkach wcześniej należałoby zasadniczo przeprojektować i przebudować infrastrukturą zasilającą osiedla i budynki, z uwzględnieniem choćby właściwych przekrojów przyłączy, a także wysokiego tzw. współczynnika jednoczesności. Bez zasadniczej przeróbki, infrastruktura elektroenergetyki, zapewne nie byłaby ona w stanie podołać wyzwaniu polegającemu na wymianie wszystkich pojazdów na elektryczne. Na szczęście będzie to proces rozłożony w czasie, z równoległym zaangażowaniem różnych podmiotów, w tym także prosumentów z ich rozproszonymi instalacjami OZE.

 

Instalacyjna elektroenergetyczne infrastruktura wewnątrzbudynkowa w Europie

W Europie Ładowanie ze zwykłego jednofazowego gniazda 230 V, dokonuje się prądem 16 A, a więc z mocą 3,6 kW. Jest to typowe WOLNE ładowanie, stosowane najczęściej w nocy, gdy kierowca śpi. Przykładowy samochód elektryczny zużywa około 16 KWh energii na 100 km. Żeby więc można nim pokonać trasę 150 km, potrzeba 24 kWh energii, a więc z uwzględnieniem strat, 7 godzin takiego POWOLNEGO ładowania. Oczywiście samochód ten czasem trzeba naładować szybciej, a więc większą mocą. Jeśli z najpopularniejszego europejskiego gniazda „siłowego” trójfazowego 230/400 V 32 A, dostępnego niemal w każdym gospodarstwie rolnym, w każdym warsztacie, a ostatnio coraz częściej w wielu europejskich garażach, to z mocą 22 kW (6-krotnie szybciej). Jest to największa moc, jaką przewiduje się przy ładowaniu prądem przemiennym, w obowiązującym w Europie systemie ładowania samochodu elektrycznego, poprzez port Type 2.

Budynek w Europie, na ogół od zewnątrz zasilony jest linią trójfazową, ale już LINIE WEWNĘTRZNE w budynku są różne:

1. Napięcie jednofazowe 230 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią trójprzewodową L1 / N / PE, do innych punktów odbioru w tymże budynku linią trójprzewodową L2 / N / PE, a do jeszcze innych - linią trójprzewodową L3 / N / PE. Gniazdo jednofazowe 230 V zawiera więc 3 styki. W tym zastosowaniu, obecnie powszechnie wykorzystywane jest 16 amperowe gniazda typu „domowego” lub tzw. „jachtowe”, doprowadzające moc 3,6 kW. Najczęściej stosuje się tu przewód 3 x 2,5 mm². Na Rys. 1. pokazano to w kolumnach 3 i 4.

2. Napięcie jednofazowe 230 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią trójprzewodową L1 / N / PE, do innych punktów odbioru w tymże budynku linią trójprzewodową L2 / N / PE, a do jeszcze innych - linią trójprzewodową L3 / N / PE. Gniazdo jednofazowe 230 V zawiera więc 3 styki. W tym zastosowaniu, obecnie powszechnie wykorzystywane jest 32 amperowe gniazdo tzw. „jachtowe”, doprowadzające moc 7,3 kW. Najczęściej stosuje się tu przewód 3 x 6 mm². Na Rys. 1. pokazano to w kolumnie 3.

3. Napięcie trójfazowe 400 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią czteroprzewodową L1 / L2 / L3 / PE. Gniazdo trójfazowe 400 V, w tym przypadku zawiera więc 4 styki. Ta wersja przyłącza nie może być używana do zasilania ładowarki samochodu elektrycznego. Można ją stosować: albo przy gwarantowanym (w każdym momencie) równomiernym obciążeniu faz, albo gdy wykorzystujemy jedynie napięcia międzyfazowe 400 V. Jeśli wykorzystywane jest 16 amperowe gniazdo, najczęściej stosuje się tu przewód 3 x 2,5 mm². Jeśli wykorzystywane jest 32 amperowe gniazdo, najczęściej stosuje się tu przewód 3 x 6 mm². Na Rys. 1. pokazano to w kolumnie 2.

4. Napięcie trójfazowe 230/400 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią pięcioprzewodową L1 / L2 / L3 / N / PE. Gniazdo trójfazowe 230/400 V, w tym przypadku zawiera więc 5 styków. Jedno z dwóch najpopularniejszych, także do zasilania „garażowych” ładowarek AC, jest europejskie gniazdo „siłowe” trójfazowe 230/400 V 16 A, doprowadzające moc 3 x 16 A, a więc 11 kW. Najczęściej stosuje się tu przewód 5 x 2,5 mm². Na Rys. 1. pokazano to w kolumnie 1.

5. Napięcie trójfazowe 230/400 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią pięcioprzewodową L1 / L2 / L3 / N / PE. Gniazdo trójfazowe 230/400 V, w tym przypadku zawiera więc 5 styków. Jedno z dwóch najpopularniejszych, także do zasilania „garażowych” ładowarek AC, jest europejskie gniazdo „siłowe” trójfazowe 230/400 V 32 A, doprowadzające moc 3 x 32 A, a więc 22 kW. Najczęściej stosuje się tu przewód 5 x 6 mm². Na Rys. 1. pokazano to w kolumnie 1.

Na Rys. 1. pokazano typowe złącza elektroenergetyczne, stosowane w Polsce. Kolumna druga zawiera złącze z p. 3., niestosowane w elektromobilności, do zasilania ładowarek ściennych lub przenośnych. Pozostałe złącza, jak najbardziej są przygotowane do tego, aby służyć zasileniu ładowarek pojazdów elektrycznych.

Złącze pokazane na Rys. 1. w kolumnie 1, w zastosowaniach pozaprzemysłowych, występuje jedynie w 2 różniących się wymiarami wersjach 16 A lub 32 A. W przemyśle stosowane są także wersje o większych ampewrażach.

Złącze pokazane na Rys. 1. w kolumnie 2, w zastosowaniach pozaprzemysłowych, występuje jedynie w 2 różniących się wymiarami wersjach 16 A lub 32 A. W przemyśle stosowane są także wersje o większych ampewrażach.

Złącze pokazane na Rys. 1. w kolumnie 3, występuje w 2 różniących się wymiarami wersjach 16 A lub 32 A.

Złącze pokazane na Rys. 1. w kolumnie 4, występuje w wersji 16 A. Wbrew niektórym opiniom, współczesne złącza tego typu, prawidłowo zainstalowane w obwodzie wykonanym przewodem o wymaganym w tym przypadku przekroju 2,5 mm², zabezpieczonym wyłącznikiem nadmiarowo prądowym o wartości 16 A, jest przystosowane do ciągłego obciążenia takim prądem.

 

Rys.1. Europejskie złącza elektroenergetyczne (przemiennoprądowe).

 

Instalacyjna elektroenergetyczne infrastruktura wewnątrzbudynkowa w Ameryce Północnej

A jak wygląda infrastruktura zasilania elektroenergetycznego w Ameryce Północnej, a w tym w USA? Otóż w zakresie domowego tzw. „garażowego” ładowania samochodów elektrycznych, infrastruktura w Ameryce Północnej jest o ok. połowę mniej wydajna, w porównaniu z infrastrukturą stosowaną w europejskim systemem zasilania, co nie jest bez znaczenia. Z czego wynika ta różnica?

W Ameryce Północnej ładowanie ze zwykłego jednofazowego gniazda 120 V, dokonuje się prądem 15 A, a więc z mocą 1,8 kW. Jest to typowe WOLNE ładowanie, stosowane najczęściej w nocy, gdy kierowca śpi. Przykładowy samochód elektryczny zużywa około 16 KWh energii na 100 km. Żeby więc można nim pokonać trasę 150 km, potrzeba 24 kWh energii, a więc z uwzględnieniem strat, 14 godzin takiego POWOLNEGO ładowania. Oczywiście samochód ten najczęściej trzeba naładować szybciej, a więc większą mocą. Jeśli z najpopularniejszego północnoamerykańskiego gniazda „siłowego” 50 A (ostatnio coraz powszechniejszego w wielu północnoamerykańskiech garażach) z wykorzystaniem całości napięcia 240 V, to z mocą 12 kW (ponad 6-krotnie szybciej). Jest to jednak nie największa moc, jaką przewiduje się przy ładowaniu prądem przemiennym, w obowiązującym w północnoamerykańskim systemie ładowania samochodu elektrycznego, poprzez port Type 1, która dopuszcza 19 kW (80 A przy 240 V). Ta moc jednak jest dostępna w ładowarkce zainstalowanej na stałe, a nie zasilanej ze ściennego gniazda.

W Ameryce Północnej w zasadzie (poza przemysłem) nie występują trójfazowe linie niskiego napięcia, będące odpowiednikami europejskich linii 230/400 V. W zamian za to, powszechne są tam, prowadzone wzdłuż ulic i dróg, linie średniego napięcia, najczęściej dla danej ulicy jest to jedna, konkretna faza, spośród trzech faz średniego napięcia. Z jednofazowego walcowatego w kształcie transformatora umieszczonego na ulicznym słupie średniego napięcia (typowy widok w Ameryce Północnej), bezpośrednio z jego niskonapięciowych zacisków, lub jako odgałęzienie od lokalnej, niedługiej ulicznej linii niskiego napięcia zasilanej tym transformatorem, do budynku dochodzi trójprzewodowa linia niskiego napięcia: L1, L2 i N, przy czym przewód N wyprowadzony jest ze środkowego odczepu, wtórnego uzwojenia transformatora.

W przeciwieństwie do powszechnego w Europie jednofazowego zasilania o napięciu 230 V, w Ameryce Północnej używa się powszechnie jednofazowego zasilania o napięciu 120 V, które stanowi połowę wspomnianego uzwojenia wtórnego, ulicznego transformatora. W przeciwieństwie do powszechnego w Europie trójfazowego zasilania o napięciu 230/400 V, w Ameryce Północnej na potrzeby urządzeń o większej mocy, używa się powszechnie zasilania dwufazowego 240 V, które dostarczane jest przez wspomniane całe uzwojenie wtórne ulicznego transformatora.

W Ameryce Północnej, LINIE WEWNĘTRZNE w budynku są trojakiego rodzaju:

1. Napięcie jednofazowe 120 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią trójprzewodową L1 / N / PE, a do innych punktów odbioru w tymże budynku linią trójprzewodową L2 / N / PE. Gniazdo jednofazowe 120 V zawiera więc 3 styki, podobnie jak w Europie. W tym zastosowaniu, obecnie powszechnie wykorzystywane jest 15 amperowe gniazdo NEMA 5-15, doprowadzające moc 1,8 kW (dla przypomnienia: europejskie 16 amperowe gniazdo 230 V doprowadza moc 3,6 kW).

2. Napięcie dwufazowe 240 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią trójprzewodową L1 / L2 / PE. Gniazdo 240 V, w tym przypadku zawiera więc 3 styki. Tę wersję przyłącza można stosować, gdy wykorzystuje się jedynie napięcie 240 V, nie przewidując użycia napięcia 120 V.

3. Napięcie dwufazowe 120/240 V wewnątrz budynku doprowadzone jest do punktów odbioru linią czteroprzewodową L1 / L2 / N / PE. Gniazdo 120/240 V, w tym przypadku zawiera więc 4 styki. Ostatnio w tym zakresie, popularność w USA zdobywa gniazdo 50 amperowe: NEMA 14-50. Umożliwia ono doprowadzenie mocy 12 kW (dla przypomnienia: najpopularniejsze europejskie gniazdo „siłowe” trójfazowe 230/400 V 32 A, doprowadza moc 22 kW).

W Ameryce Północnej, oznaczenia poszczególnych przewodów w wieloprzewodowym kablu są następujące: przewód neutralny N (kolor izolacji biały); przewody fazowe L1, L2 (kolory izolacji czarny, czerwony); przewód ochronny PE (kolor izolacji żółto zielony, zielony, lub przewód bez izolacji - goły).

 

Rys.2. Północnoamerykańskie złącza elektroenergetyczne (przemiennoprądowe).

 

Osobny artykuł pod tytułem Zasilanie elektryczne w USA, omawia dokładniej elektroenergetykę „ostatniej mili” w Ameryce Północnej.

 

Wolne lub półszybkie stacje ładowania

Poniżej w tabeli podano moce stacji ładowania, powiązane między innymi z wymienionymi powyżej sytuacjami. Dane zebrane w tabeli dotyczą stacji ładowania wyposażonych w złącza północnoamerykańskie TYPE 1, stacji ładowania wyposażonych w europejskie złącza TYPE 2, oraz europejskich stacji ładowania Standardu Korporacyjnego „Tesla Supercharger”.

 

Moc ładowania PRĄDEM PRZEMIENNYM (AC) w zależności od nominalnych wartości napięcia w sieci i nominalnych wartości prądu (bezpieczników w obwodzie ładowania):

STANDARD ZŁĄCZA STACJI ŁADOWANIA

TYPE 1

TYPE 2

TYPE 1

TYPE 2

TYPE 1

TYPE 1

TESLA EUROPE *

TYPE 1

PRĄD STACJI ŁADOWANIA

15 A

16 A

30 A

32 A

50 A

60 A

63 A

80 A

NAPIĘCIE STACJI ŁADOWANIA

1 faza

230 V

 

3,6 kW

 

7,3 kW

 

 

14,4 kW

 

120 V (USA)

1,8 kW

 

3,6 kW

 

6 kW

7,3 kW

 

9,5 kW

240 V (USA)

3,6 kW

 

7,3 kW

 

12 kW

14,4 kW

 

19 kW

3 fazy

230/400 V

 

11 kW

 

22 kW

 

 

43 kW

 

Czerwonym tekstem w tabeli wyróżniono parametry stacji ładowania AC, funkcjonujące na obszarach, gdzie obowiązuje europejski standard złącz stacji ładowania.

Żółtym tłem w tabeli wyróżniono moce najbardziej typowych gniazd garażowych przeznaczonych do półszybkiego ładowania AC samochodów elektrycznych. W Europie jest to gniazdo trójfazowe 32 A tzw. „siła” 32 A (Rys.1. kolumna 1), zaś w Ameryce Północnej jest to gniazdo NEMA 14-50 (Rys.2. kolumna 2).

* Pokazane w tabeli ładowanie w niestandardowym trybie, w tym z ponadstandardową mocą przy użyciu złącz Standardu Korporacyjnego „Tesla Supercharger”, może mieć miejsce jedynie wtedy, gdy zarówno pojazd, jak i stacja ładowania wyposażone są w europejskie złącze Standardu Korporacyjnego „Tesla Supercharger”, które nie jest złączem TYPE 2. Począwszy od roku 2018, europejskie wersje pojazdów Tesla, wyposażone są w normalne europejskie złącza TYPE 2, a właściwie w europejskie złącza Combo 2.

W powyższej tabeli, dla ładowania AC, złączem TYPE 2, przewidziano prąd jednofazowy o mocy 7,3 kW (1 x 32 A), a to dlatego, że bywają samochody elektryczne, które dopuszczają taką właśnie wersję ładowania AC. Jednak w praktyce tzw. „sugerowaną” mocą przyłączeniową dla instalacji jednofazowej budynku (mieszkania, garażu) w Polsce, jest maksymalnie 5 kW, a więc z bezpiecznikiem przedlicznikowym 1 x 25 A. W praktyce więc, gdy w garażu przewidujemy obwód z prądem 32 A, a więc gdy bezpiecznik przedlicznikowy w zasadzie powinien mieć wartość minimum 40 A, musimy już skorzystać z przyłącza trójfazowego. Oznacza to tyle, że w Polsce, a właściwie w Europie, z wielu względów, korzystne jest posiadanie w garażu obwodu trójfazowego oraz samochodu elektrycznego zapewniającego możliwość ładowania trójfazowego, choćby nawet tylko z mocą 11 kW (3 x 16 A). Oczywiście na wypadek (choćby sporadycznej) konieczności względnie szybkiego podładowania, a także na ew. przyszłe potrzeby, najkorzystniej byłoby przewidzieć w garażu możliwości naładowania samochodu z mocą 22 kW (3 x 32 A).

Aby tego dokonać, postępujemy następująco:

- Po pierwsze, u dostawcy energii elektrycznej zamówić odpowiednio dużą moc, dającą, przynajmniej w nocy, możliwość uzyskania dodatkowo (poza ewentualnym innym poborem) 22 kW, co odpowiada bezpiecznikom przedlicznikowym min. 40A.

- Po drugie, ewentualnie doinstalować w domowej tablicy bezpiecznikowej (rozdzielni) odpowiedni osprzęt, np. zintegrowany bezpiecznik 3-polowy B32A 3P, lub lepiej bezpieczniko-odłącznik 4-polowy B32A 4P.

- Po trzecie, zainstalować w dogodnym miejscu w garażu... no właśnie nie koniecznie EVSE ścienną. Rekomendujemy najbardziej uniwersalne rozwiązanie. Jeśli w naszym garażu jeszcze takowego nie mamy, proponujemy zainstalować trójfazowe gniazdo siłowe 3P+N+Z 32A 230/400V (22 kW), takie jak pokazane na Rys.33., dzięki któremu możliwe będzie podłączenie nie tylko wyposażonej w trójfazową pięciopolową wtyczkę 32 A, dowolnej EVSE ściennej o mocy do 22 kW, ale także każdej EVSE mobilnej nie przekraczającej takiej mocy, a więc tzw. „pół-szybkiej” EVSE elektrycznych samochodów, a także szybkiej ładowarki takich pojazdów elektrycznych jak skuter, rower, hulajnoga, moNocykl itp.. Poza tym, co w kontekście dającego się zauważyć kierunku zmian legislacyjnych, wydaje się niemniej ważne, brak zainstalowanej na stałe EVSE, może nam pomóc uniknąć ponoszenia dodatkowych kosztów inspekcyjnych i spełniania dodatkowych wymogów formalnych.

- Po czwarte, jeśli go nie ma, lub jest, ale o niewystarczającym przekroju, np. zasilając siłowe gniazdo 3P+N+Z 16A 230/400V (11 kW), należy doprowadzić przewód o przekroju zależnym od długości tegoż przewodu, ale nie mniejszym niż 5 x 6 mm², od domowej tablicy bezpiecznikowej (rozdzielni), do wspomnianego siłowego gniazda 3P+N+Z 32A 230/400V (22 kW). Tu praktyczna uwaga: W pozycji 023. linku zawarto podpowiedź, który koniec przewodu wybrać jako ten przy gnieździe, aby poszczególne żyły nie musiały się w nim krzyżować.

Osobny artykuł pod tytułem Elementarz ładowania Pojazdów Elektrycznych, opisuje złącza ładowania, w tym złącze Standardu Korporacyjnego „Tesla Supercharger”, warianty ładowania i inne okoliczności związane z ładowaniem pojazdów elektrycznych, zarówno prądem przemiennym, jak i stałym.

 

Ostatnia aktualizacja strony: 2020-01-15
strona główna