Napolni me hitro

Eden izmed pomembnih, a pogosto spregledanih sestavnih delov v mozaiku električnega avtomobila je polnilni standard. Če želimo v akumulatorje v kratkem času pretočiti dovolj energije, da bomo prevozili nekaj sto kilometrov, mora biti priključek ustrezno oblikovan in standardiziran, kabli dovolj debeli, talna infrastruktura temu primerna itd. Na trgu je ta hip več standardov, a k sreči kaže, da bo nazadnje vsaj na evropski celini prevladal en sam.

Eden izmed povsem tehničnih očitkov električnim avtomobilom je hitrost polnjenja. Rezervoar navadnega avtomobila v nekaj minutah napolnimo s 50 litri bencina, pa se lahko peljemo naslednjih 800 kilometrov. Specifična energija bencina je okrog 46 MJ/kg, gostota pa okrog 0,75 kg/l. Z malo matematike to pomeni, da smo pretočili 1725 MJ energije – ali 480 kWh. Če smo to storili v 120 sekundah, ustreza moči 14,4 MW. Za primerjavo: to je približno polovica največje nazivne moči hidroelektrarne Dravograd.

Priključek tipa 1 (J1772), ki ga najdemo na ameriškem trgu.

Ni električnega priključka za električne avtomobile, ki bi zmogel tolikšno moč. A k sreči le ni vse tako črno. Elektromotorji so učinkovitejši od motorjev z notranjim zgorevanjem, zato imajo električni avtomobili manjše akumulatorje in potrebujejo manj energije. Tesla 3 ima osnovno baterijo z zmogljivostjo 50 kWh, električni Volkswagen Golf 35,8 kWh, Renaultov Zoe 40 kWh itd. Če se s stisnjenimi zobmi zadovoljimo tudi z 10-minutnim polnjenjem, v zgornji primerjavi pridemo do okrog 300 kW. To pa so že dosegljive zahteve.

Doma in povsod drugod, kjer uporabljajo klasične gospodinjske vtičnice, bo seveda šlo bistveno počasneje. Na »šuko« vtičnici lahko z efektivnimi 230 V pri 16 A (to si lahko privoščimo, če imamo priključno moč običajnih 3 × 20 A) dobimo 3,6 kW, s čimer bi se 50 kWh akumulator polnil 14 ur. Vidimo torej, da je za hitre polnilnice, ki bi delovale po vzoru bencinskih črpalk, to povsem neuporabno, zato so se razvili standardi za hitro polnjenje. Trenutno jih je več, a bi si želeli, da bi na koncu zmagal eden. Enotnost je v tem primeru celo nekoliko pomembnejša od absolutnega optimuma. Saj veste, raje imamo nekoliko slabši enoten standard kot bistveno boljšega, ki pa ga uporablja odstotek potrošnikov. Kot kaže, na koncu ne bomo imeli enega standarda, bomo pa vsaj geografsko poenoteni. In ker se z avtomobilom redko peljemo na drugo celino, je to dovolj.

Priključek tipa 2 (Mennekes), ki ga najdemo na evropskem trgu.

Enosmerno ali izmenično

Akumulatorji so galvanski členi, zato osnovna fizika pove, da jih polnimo z enosmernim tokom. Z izmeničnim tokom akumulatorja nikakor ni možno napolniti, je pa res, da ga lahko z usmernikom spremenimo v enosmernega. Zato lahko na domači (izmenični) napeljavi polnimo mobilne telefone in prenosne računalnike, in tako tudi električne avtomobile. Ti imajo ustrezna vezja, ki poskrbijo za pretvorbo izmeničnega toka v enosmernega. Temu pogovorno pravimo, da polnimo z izmeničnim (AC) tokom. Lahko pa se pretvorba zgodi že v polnilni postaji in tedaj polnimo z enosmernim (DC) tokom.

Načeloma velja, da so polnilnice DC dražje, sami polnilci pa večji. Prednost pa je, da omogočajo višje tokove in torej hitrejše polnjenje. Pri AC je tokovna omejitev zmogljivost usmernika v vsakem avtomobilu, pri polnilnicah DC pa ustrezna infrastruktura v tleh. Pretvarjanje izmeničnega toka v enosmernega ne poteka brez izgub, to se pozna kot segrevanje. Če bi skušali v avtomobilu usmeriti 500 A izmeničnega toka (pri 230 V), bi ga pošteno segrevali. Zato so hitre polnilnice ob avtocestah navadno DC, domače polnilnice ali tiste pred podjetji pa AC. Tam avtomobili tako ali tako stojijo ure in ure. Hitra polnilnica DC stane okrog 30.000 evrov, srednje hitra polnilnica AC pa je približno desetkrat cenejša.

CCS Combo2 temelji na priključku Mennekes, ki nima kontaktov za izmenični tok, ima pa dodatna kontakta za visoke enosmerne tokove za hitro polnjenje (350 kW).

Polnilni priključki se zato glede na moč delijo v tri razrede. Prvi razred (level 1) predstavlja počasno polnjenje na domačih vtičnicah do največ 3,6 kW. Drugi razred (level 2) predstavlja srednje hitro polnjenje z izmeničnim tokom (22 kW). Tretji razred (level 3) so hitre polnilnice z enosmernim tokom, kjer so vozila napolnjena v pol ure. In prav standardi tega razreda se nenehno razvijajo.

Priključki

Najpreprostejši in najcenejši, a tudi najpočasnejši način je torej gospodinjska (šuko) vtičnica, ki ima nazivno moč 3,6 kW. To je uporabno le doma ali pred podjetjem, kjer bo avtomobil parkiran več ur, saj traja polnjenje več kot osem ur.

Dejanski priključek, ki se uporablja za priklop vozila na napetost, določa tip. Zelo priljubljen je priključek tipa 2, ki ga poznamo tudi po imenu Mennekes (po nemškem podjetju) in ga je EU izbrala za uradni standard. To ne pomeni, da je to edini dovoljeni priključek, temveč da imajo vse polnilnice na voljo tudi tega.

Priključek tipa 2 ima obliko sploščenega kroga (da ga ne moremo narobe obrniti) in sedem priključnih kontaktov – na vozilu je moški priključek, polnilnica pa ima ženskega, ki je nameščen na kablu. Ima dva kontrolna kontakta, ozemljitveni kontakt, ničelni kontakt in tri kontakte za tri faze, saj podpira tako enofazno kot trifazno polnjenje.

Po standardu IEC 62196-2:2011 je namenjen delovanju pri 480 V z enofaznim tokom 70 A ali s trifaznim tokom 63 A, kar omogoča moči do 33 ali 50 kW, pripravlja pa se specifikacija z močjo 350 kW. Razvit je bil torej za polnjenje z izmeničnim tokom, ga pa lahko uporabimo tudi z enosmernim tokom. Tedaj so kontakti za faze in ničelni vodnik namenjeni za enosmerni tok.

Prek priključka tipa 2 lahko polnimo z AC ali DC srednje hitro, za zelo hitro polnjenje z DC pa ta ne zadostuje. Za to se uporablja kombinirani priključek, ki ga poznamo pod imenom Combo2 (CCS ali Combined Charging System). V tem primeru je zgornji okrogli del priključka enak kot tip 2, le da uporablja le tri kontakte – dva kontrolna in ozemljitvenega. Pod njimi pa sta še dva dodatna kontakta, ki zmoreta prenesti visoke enosmerne tokove. Če ima zgornji priključek vseh sedem kontaktov, pa tak Combo2 omogoča polnjenje z enosmernim in izmeničnim tokom hkrati. Tega razen Tesle ne uporablja nihče.

Japonski priključek CHAdeMO najdemo na vozilih azijskih izdelovalcev.

Kako polniti v Sloveniji

Vse polnilnice v Sloveniji do 22 kW imajo priključek tipa 2, kjer moramo običajno uporabiti svoj kabel. Hitre polnilnice, navadno ob avtocestah, imajo tudi priključka CCS in CHAdeMO. Nekatere postaje imajo tudi šuko vtičnice. V zadnjem času pa so odprli tudi nekaj polnilnic, ki podpirajo Teslov standard Supercharger – najdemo jih v Mariboru, Ljubljani in Kozini.

Combo2 je najbolj razširjen standard, ki ga uporabljajo Evropa, Južna Amerika, Afrika, velik del Azije (razen Kitajske in Japonske) in Avstralija. V Severni Ameriki se uporablja Combo1, ki je nadgradnja priključka tipa 1 (J-1772). Slednji ima pet kontaktov (dva kontrolna, ničelnega, ozemljitvenega in faznega), v varianti Combo1 pa ima podobno kot Combo2 dodana dva za visoke enosmerne tokove. Mimogrede, poznamo tudi priključek tipa 3, ki sta ga zagovarjali Italija in Francija in ima zaščitene kontakte, ko ni v rabi, a ker tip 2 omogoča praktično enako zaščito zaradi same komunikacije med polnilnico in vozilom, se tip 3 nikoli ni prijel.

Kitajski GB/T se uporablja zgolj na Kitajskem.

Na Japonskem pa so razvili CHAdeMO, ki je namenjen zgolj hitremu polnjenju z enosmernim tokom in ima fizični priključek tipa 4. Te priključke najdemo v glavnem na vozilih azijskih izdelovalcev (Nissan, Mitsubishi, Kia), ustrezne polnilnice pa tudi pri nas. Pričakovati je, da bo v Evropi Combo2 sčasoma v celoti izpodrinil CHAdeMO. Glavna prednost CHAdeMO je bila zgodnja razširjenost, saj je bilo ob nastanku Combo2 že veliko polnilnic in avtomobilov za CHAdeMO. Nove izvedenke tega sistema (CHAdeMO 2.0) naj bi zmogle tudi do 400 kW, a jih bomo videli le na Japonskem.

Na Kitajskem pa medtem uporabljajo standarde Guobiao (GB), med katerimi je priporočen GB/T. Ta v trenutni obliki omogoča polnjenje z 240 kW, a Kitajci že razvijajo njegovo nadgradnjo Novi GB/T, ki bo zmogla osupljivih 900 kW (600 A pri 1500 V). Gre za priključek nove oblike, o katerem še ni znanega kaj dosti. Uporabljali ga bodo kitajski avtomobili in se drugod kot po Kitajskem najbrž ne bo razširil. Standard naj bi bil dokončan najpozneje do leta 2020 in bo, čeprav ga v EU ni pričakovati, vsaj posredno vplival tudi na naš trg, saj bo postavil letvico zelo visoko in konzorcij CharIN (Charging Interface Initiative) prisilil v izboljševanje Combo2.

Razširjenost različnih standardov za hitro polnjenje po svetu. Slika: CharIN.

Komunikacija

Pri polnjenju baterij je treba poskrbeti, da porabnik in vir komunicirata. Ne želimo si namreč preobremeniti baterij niti jih prenapolniti. Zato po standardu IEC 61851 razlikujemo štiri načine polnjenja. Pri 1. načinu polnjenja, ki se uporablja le z gospodinjskimi šuko vtičnicami, ni komunikacije. Nadzor v celoti izvaja BMS (battery management system) v vozilu, ki odklopi polno baterijo.

Pri 2. načinu še vedno ni komunikacije z vtičnico, se pa uporablja ICCB (in cable control box), ki je v bistvu nadzorna komponenta na kablu, torej med porabnikom (vozilom) in virom (vtičnico). ICCB opravlja funkcijo pametne vtičnice in poskrbi za varnost.

Primerjava različnih sistemov polnjenja

Pri 3. načinu je polnjenje še vedno z izmeničnim tokom, poteka pa komunikacija med vozilom in polnilno postajo. Polnilec je v vozilu. Najnaprednejši je 4. način, kjer polnimo z enosmernim tokom, zato je polnilec v polnilni postaji. Prek priključka Combo ali CHAdeMO vozilo tudi komunicira s polnilno postajo.

Niso samo polnilnice

Za konec se spomnimo, da težava niso samo polnilnice. Če želimo množično preiti na električna vozila, so zmogljive polnilnice in standardi za hitro polnjenje seveda nujni pogoj, ne pa zadosten. Do najbolj obremenjenih polnilnic bo treba namreč pripeljati ustrezno infrastrukturo za konstantno polnjenje z močmi, ki dosegajo proizvodnjo manjših hidroelektrarn. Tehnično to ni velik problem, je pa investicija.

Kaj pa skupna proizvodnja električne energije? Predpostavimo, da je v Sloveniji okrog milijon avtomobilov. Po podatkih Statističnega urada so leta 2014 v povprečju prevozili 12.653 kilometrov (podatek za leto 2010 je praktično enak, torej tudi leta 2018 ne bo drugače). Poraba električnih vozil je okrog 15 kWh na 100 kilometrov. Vse skupaj zmnožimo, pa dobimo 2 TWh na leto, če bi se vsi vozili na elektriko. Lani so naše elektrarne proizvedle 15 TWh električne energije. Teoretično bi torej šlo.