Možnosti nabíjení elektromobilů - základní info
Napsal: pon 23. lis 2015 22:12:30
Dnešního zájemce o elektromobil může velice nepříjemně překvapit různorodost nabíjecích standardů a možností jak tento úkon lze provézt. Rozhodl jsem se tedy sepsat základní info o nabíjení elektroaut:
AC/DC
Elektrický proud kolem nás je buď ve stejnosměrné (DC) nebo střídavé(AC) podobě. Dálkové rozvody elektřiny obsahují střídavý proud, ze kterého se přes několik transformátorů po cestě stane 230V na frekvenci 50Hz, které naleznete v běžné elektrické zástrčce ve vašich domovech. Integrované obvody v současné výpočetní technice (počítače, mobilní telefony, televize apod.) naproti tomu vyžadují stejnosměrný proud. To je důvodem, proč mají všechny tyto zařízení napájecí zdroje, které mění střídavý proud z elektrické zásuvky na stejnosměrný. Jako příklad můžeme uvést USB nabíječky pro většinu současných mobilních telefonů - vstupem je 230V AC a výstupem 5V DC.
Základním stavebním kamenem elektromobilu je baterie, která přijímá a vydává DC, a motor který naopak vyžaduje AC. Nebudu v rámci tohoto textu rozebírat problematiku napájení motoru energií a její rekuperaci při zpomalování vozu. Zaměřím se raději jak dostat více energie do baterie přes nabíjecí kontektor zvenčí.
1) AC - střídavý proud
Snad každý elektromobil umožňuje nabíjet svojí baterii střídavým proudem, tedy například napojením přímo na domovní zásuvky 230V (schuko). Takové nabíjení vyžaduje ve voze zabudovanou "nabíječku", která převede venkovní AC na DC pro baterii.
Aby to ale nebylo tak jednoduché, tak každý vůz má tuto nabíječku od výrobce zabudovanou v jiné specifikaci a ta je při vybírání elektromobilu klíčovým parametrem! Doma i na mnoha dobíjecích stanicích totiž jiný než AC zdroj nenajdeme a specifikace respektive výkon nabíječky zabudované ve voze limituje, jak rychle ho lze nabíjet. A čas potřebný k dobití vozu nás v této oblasti většinou zajímá nejvíce.
Maximální možná „rychlost“ dobíjení je definována následujícími parametry:
- Max. výkonová zatížitelnost elektrické zásuvky nebo nabíjecí stanice, ke které se připojujeme - definovaná napětím 230V nebo 400V, max. proudem (A) a počtem fází (1 nebo 3)
- Výkonem integrované nabíječky a počtem fází, které je schopná využít
V domácích podmínkách máme nejčastěji možnost připojit vůz právě na obyčejnou jednofázovou 230V zásuvku. Tou může dle specifikace protékat maximální proud 16A. Zde tedy musíme začít s počty, protože výkon nabíjení nás zajímá nejvíce. Určuje totiž, jakou rychlostí nám budou při nabíjení narůstat kilometry dojezdu vozu.
230V x 16A = 3,7kW
3,7kW je maximální výkon, který můžeme dostat z klasické „schuko“ domovní elektrické zásuvky. Co toto číslo pro nás znamená? Znamená, že za hodinu můžeme baterii vozu dobít o 3,7kWh (ve skutečnosti trochu méně z důvodu ztrát energií při nabíjení). Pro znalost, za kolik hodit konkrétní elektromobil nabijeme, již je pak jen třeba znát kapacitu jeho baterie, kterou potřebujeme doplnit.
V tomto vám pomůžou specifikace vypsané u jednotlivých vozů na tomto fóru. Např. Nissan Leaf s 24kWh baterií tedy ze standardní domovní zásuvky teoreticky nabijete za 24/3,7 = 6,5 hodin. Takovou Teslu Model S 85kWh již ale budete ze zcela prázdné baterie do plna nabíjet 23 hodin! A ve skutečnosti by to bylo u obou aut opět ještě o něco více z důvodu ztrát při nabíjení. Takovou dobu by se vám asi u nabíječky uprostřed cesty asi čekat nechtělo…
Automobily chtějí pochopitelně tyto výpočty řidičovi zjednodušit a palubní počítače vozů rovnou udávají čas, za které se jejich akumulátory při konkrétním nabíjení plně zaplní. Některé navíc dokonce udávají, kolik kilometrů dojezdu přibude při nabíjení za jednu hodinu. Zde se vychází z dosavadní průměrné spotřeby vozu, např. 15kWh/100km.
Řešením pro rychlejší dobytí je využít elektrickou zásuvku s větším výstupním výkonem. Zde si ale musíme začít dávat pozor na druhý důležitý parametr – a tím jsou vlastnosti nabíječky vestavěné ve voze. Například VW e-UP! bez použití DC rychlonabíječky, kterých je stále jako šafránu (o tomto níže), již rychleji nenabijete!
Další nejčastější možností dobíjet vůz v domácích podmínkách je připojení na 3fázovou 400V 16A elektrickou zásuvku. Ty jsou v domech celkem běžné a využívají se např. pro napájení míchaček, cirkulárek apod. Díky třem fázím nabízí výkon 11kW.
Renault Zoe zde nabijete za 2 hodiny, ale BMW i3 se stejnou kapacitou baterie za 6 hodin. Proč? Protože i3 bohužel jako většina ostatních elektromobilů nedokáže využít 3 fáze, nýbrž pouze jednu. I když má tedy tento vůz nabíječku schopnou nabíjet až 7,4kW u této zásuvky nebudete nabíjet větším výkonem než 3,7kW, protože nemůžete přesáhnout proud 16A v oné jedné fázi!
Pro nejrychlejší nabíjení zmíněného BMW i3 a řady dalších tedy potřebujete elektrickou zásuvku, která umí poskytnout proud 32A. Tu již ale v běžné domácnosti nenajdeme, je ale k dispozici na řadě nabíjecích stanicích či průmyslových stavbách. Nejčastěji se jedná o 3fázovou 400V/32A, která umí poskytnout až 22kW nabíjecího výkonu – to už je ekvivalentem více než 100km dojezdových kilometrů dobitých za jednu hodinu.
Doufám tedy, že je již jasné, proč je tak důležité nekoukat pouze na výkon poskytnutý dostupným AC připojením, ale také parametry integrované nabíječky. Variabilita a schopnosti Renaultu Zoe jsou přímým kontrastem například VW e-UP!.
Pakliže vám připadá popis výše komplikovaný, dovolím si tvrdit, že je to tím, že tato problematika taková je. Důkazem je velké množství kabelů a konektorů, které sebou někteří zkušení elektromobilisté raději vozí, aby měli vždy jistotu, že dokáží z konkrétní elektrické zásuvky (co nejrychleji) nabíjet.
2) DC - stejnosměrný proud
Tím jsme ale ještě neskončili, jelikož se nyní dostáváme k DC dobíjení – tedy dobíjení stejnosměrným proudem. Na pochopení již o mnoho lehčí část, ale i tak tato varianta prozatím zůstává až na druhém místě, protože v Čechách bychom takových nabíjecích stanic napočítali velmi málo.
DC nabíjení probíhá tak, že střídavý proud je změněn na stejnosměrný již v nabíjecí stanici a je přes dobíjecí konektor vozu posílán přímo do jeho baterie. Žádná nabíječka ve voze tedy pro tento typ nabíjení již není potřeba. Dobíjecí stanice si při tomto musí s vozem vyměňovat informace o stavu a schopnostech baterie tak, aby automaticky korigovala svůj výstupní výkon. DC rychlodobíjecí stanice jsou řádově dražší než jejich AC sestřičky a ještě více než obyčejné elektrické zásuvky popsané výše.
Bohužel i v tomto případě máme více druhů, kdy každý vůz je kompatibilní pouze s některým z nich (podle typu konektoru ve voze):
- CSS (neboli Combo)
- Chademo
- SuperCharger
Všechny svým dostupným výkonem překonávají možnosti AC nabíjení. Králem jsou zde dobíjecí stanice SuperCharger pro Tesla vozy s nabíjecím výkonem až 100kW (plánuje se 130kW)! Za půl hodiny tak nabijete na dalších 350km jízdy.
Nelineární nabíjení
V rámci základní problematiky nabíjení elektromobilu z pohledu jeho uživatele musíme zařadit ještě téma nelineární nabíjecí charakteristiky současných baterií. Samotná baterie je schopna vydávat i přijímat energii o určitém výkonu v závislosti na jejím stavu nabití, teplotě a dalších vnitřních charakteristikách.
To má příčinu v tom, proč se baterie v určitých případech dobíjejí z 0% do 80% kapacity za stejný čas, jako trvá její dobití z 80% do 100%. Dále se může projevit tím, že se vymrzlý vůz bude nabíjet pomaleji, než vůz již zahřátý na provozní teplotu. Tyto výkyvy v rychlosti dobíjení se projeví hlavně při rychlonabíjení, při pomalém AC dobíjení ze schuko zásuvky budou takřka neznatelné. Při dálkové cestě se zastávkami na rychlonabíjecích stanicích je tedy časově výhodnější nečekat na dobytí baterií do plna, ale vydat se na další cestu už např. v 80%.
AC/DC
Elektrický proud kolem nás je buď ve stejnosměrné (DC) nebo střídavé(AC) podobě. Dálkové rozvody elektřiny obsahují střídavý proud, ze kterého se přes několik transformátorů po cestě stane 230V na frekvenci 50Hz, které naleznete v běžné elektrické zástrčce ve vašich domovech. Integrované obvody v současné výpočetní technice (počítače, mobilní telefony, televize apod.) naproti tomu vyžadují stejnosměrný proud. To je důvodem, proč mají všechny tyto zařízení napájecí zdroje, které mění střídavý proud z elektrické zásuvky na stejnosměrný. Jako příklad můžeme uvést USB nabíječky pro většinu současných mobilních telefonů - vstupem je 230V AC a výstupem 5V DC.
Základním stavebním kamenem elektromobilu je baterie, která přijímá a vydává DC, a motor který naopak vyžaduje AC. Nebudu v rámci tohoto textu rozebírat problematiku napájení motoru energií a její rekuperaci při zpomalování vozu. Zaměřím se raději jak dostat více energie do baterie přes nabíjecí kontektor zvenčí.
1) AC - střídavý proud
Snad každý elektromobil umožňuje nabíjet svojí baterii střídavým proudem, tedy například napojením přímo na domovní zásuvky 230V (schuko). Takové nabíjení vyžaduje ve voze zabudovanou "nabíječku", která převede venkovní AC na DC pro baterii.
Aby to ale nebylo tak jednoduché, tak každý vůz má tuto nabíječku od výrobce zabudovanou v jiné specifikaci a ta je při vybírání elektromobilu klíčovým parametrem! Doma i na mnoha dobíjecích stanicích totiž jiný než AC zdroj nenajdeme a specifikace respektive výkon nabíječky zabudované ve voze limituje, jak rychle ho lze nabíjet. A čas potřebný k dobití vozu nás v této oblasti většinou zajímá nejvíce.
Maximální možná „rychlost“ dobíjení je definována následujícími parametry:
- Max. výkonová zatížitelnost elektrické zásuvky nebo nabíjecí stanice, ke které se připojujeme - definovaná napětím 230V nebo 400V, max. proudem (A) a počtem fází (1 nebo 3)
- Výkonem integrované nabíječky a počtem fází, které je schopná využít
V domácích podmínkách máme nejčastěji možnost připojit vůz právě na obyčejnou jednofázovou 230V zásuvku. Tou může dle specifikace protékat maximální proud 16A. Zde tedy musíme začít s počty, protože výkon nabíjení nás zajímá nejvíce. Určuje totiž, jakou rychlostí nám budou při nabíjení narůstat kilometry dojezdu vozu.
230V x 16A = 3,7kW
3,7kW je maximální výkon, který můžeme dostat z klasické „schuko“ domovní elektrické zásuvky. Co toto číslo pro nás znamená? Znamená, že za hodinu můžeme baterii vozu dobít o 3,7kWh (ve skutečnosti trochu méně z důvodu ztrát energií při nabíjení). Pro znalost, za kolik hodit konkrétní elektromobil nabijeme, již je pak jen třeba znát kapacitu jeho baterie, kterou potřebujeme doplnit.
V tomto vám pomůžou specifikace vypsané u jednotlivých vozů na tomto fóru. Např. Nissan Leaf s 24kWh baterií tedy ze standardní domovní zásuvky teoreticky nabijete za 24/3,7 = 6,5 hodin. Takovou Teslu Model S 85kWh již ale budete ze zcela prázdné baterie do plna nabíjet 23 hodin! A ve skutečnosti by to bylo u obou aut opět ještě o něco více z důvodu ztrát při nabíjení. Takovou dobu by se vám asi u nabíječky uprostřed cesty asi čekat nechtělo…
Automobily chtějí pochopitelně tyto výpočty řidičovi zjednodušit a palubní počítače vozů rovnou udávají čas, za které se jejich akumulátory při konkrétním nabíjení plně zaplní. Některé navíc dokonce udávají, kolik kilometrů dojezdu přibude při nabíjení za jednu hodinu. Zde se vychází z dosavadní průměrné spotřeby vozu, např. 15kWh/100km.
Řešením pro rychlejší dobytí je využít elektrickou zásuvku s větším výstupním výkonem. Zde si ale musíme začít dávat pozor na druhý důležitý parametr – a tím jsou vlastnosti nabíječky vestavěné ve voze. Například VW e-UP! bez použití DC rychlonabíječky, kterých je stále jako šafránu (o tomto níže), již rychleji nenabijete!
Další nejčastější možností dobíjet vůz v domácích podmínkách je připojení na 3fázovou 400V 16A elektrickou zásuvku. Ty jsou v domech celkem běžné a využívají se např. pro napájení míchaček, cirkulárek apod. Díky třem fázím nabízí výkon 11kW.
Renault Zoe zde nabijete za 2 hodiny, ale BMW i3 se stejnou kapacitou baterie za 6 hodin. Proč? Protože i3 bohužel jako většina ostatních elektromobilů nedokáže využít 3 fáze, nýbrž pouze jednu. I když má tedy tento vůz nabíječku schopnou nabíjet až 7,4kW u této zásuvky nebudete nabíjet větším výkonem než 3,7kW, protože nemůžete přesáhnout proud 16A v oné jedné fázi!
Pro nejrychlejší nabíjení zmíněného BMW i3 a řady dalších tedy potřebujete elektrickou zásuvku, která umí poskytnout proud 32A. Tu již ale v běžné domácnosti nenajdeme, je ale k dispozici na řadě nabíjecích stanicích či průmyslových stavbách. Nejčastěji se jedná o 3fázovou 400V/32A, která umí poskytnout až 22kW nabíjecího výkonu – to už je ekvivalentem více než 100km dojezdových kilometrů dobitých za jednu hodinu.
Doufám tedy, že je již jasné, proč je tak důležité nekoukat pouze na výkon poskytnutý dostupným AC připojením, ale také parametry integrované nabíječky. Variabilita a schopnosti Renaultu Zoe jsou přímým kontrastem například VW e-UP!.
Pakliže vám připadá popis výše komplikovaný, dovolím si tvrdit, že je to tím, že tato problematika taková je. Důkazem je velké množství kabelů a konektorů, které sebou někteří zkušení elektromobilisté raději vozí, aby měli vždy jistotu, že dokáží z konkrétní elektrické zásuvky (co nejrychleji) nabíjet.
2) DC - stejnosměrný proud
Tím jsme ale ještě neskončili, jelikož se nyní dostáváme k DC dobíjení – tedy dobíjení stejnosměrným proudem. Na pochopení již o mnoho lehčí část, ale i tak tato varianta prozatím zůstává až na druhém místě, protože v Čechách bychom takových nabíjecích stanic napočítali velmi málo.
DC nabíjení probíhá tak, že střídavý proud je změněn na stejnosměrný již v nabíjecí stanici a je přes dobíjecí konektor vozu posílán přímo do jeho baterie. Žádná nabíječka ve voze tedy pro tento typ nabíjení již není potřeba. Dobíjecí stanice si při tomto musí s vozem vyměňovat informace o stavu a schopnostech baterie tak, aby automaticky korigovala svůj výstupní výkon. DC rychlodobíjecí stanice jsou řádově dražší než jejich AC sestřičky a ještě více než obyčejné elektrické zásuvky popsané výše.
Bohužel i v tomto případě máme více druhů, kdy každý vůz je kompatibilní pouze s některým z nich (podle typu konektoru ve voze):
- CSS (neboli Combo)
- Chademo
- SuperCharger
Všechny svým dostupným výkonem překonávají možnosti AC nabíjení. Králem jsou zde dobíjecí stanice SuperCharger pro Tesla vozy s nabíjecím výkonem až 100kW (plánuje se 130kW)! Za půl hodiny tak nabijete na dalších 350km jízdy.
Nelineární nabíjení
V rámci základní problematiky nabíjení elektromobilu z pohledu jeho uživatele musíme zařadit ještě téma nelineární nabíjecí charakteristiky současných baterií. Samotná baterie je schopna vydávat i přijímat energii o určitém výkonu v závislosti na jejím stavu nabití, teplotě a dalších vnitřních charakteristikách.
To má příčinu v tom, proč se baterie v určitých případech dobíjejí z 0% do 80% kapacity za stejný čas, jako trvá její dobití z 80% do 100%. Dále se může projevit tím, že se vymrzlý vůz bude nabíjet pomaleji, než vůz již zahřátý na provozní teplotu. Tyto výkyvy v rychlosti dobíjení se projeví hlavně při rychlonabíjení, při pomalém AC dobíjení ze schuko zásuvky budou takřka neznatelné. Při dálkové cestě se zastávkami na rychlonabíjecích stanicích je tedy časově výhodnější nečekat na dobytí baterií do plna, ale vydat se na další cestu už např. v 80%.