Dziś jest poniedziałek, 9 grudzień 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.85 -0.17% 1EUR 4.2721 -0.13% 1GBP 5.0527 -0.24%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
72 edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu - Kielce - Relacja
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
IIX edycja Targów Energetycznych ENERGETICS już w listopadzie!
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
12 grudzień 2019
XII EDYCJA SEMINARIUM Z ZAKRESU "Eksploatacji urządzeń elektrycznych w strefach zagrożenia wybuchem Ex ATEX" 
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
18 lipiec 2014.

Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych część 2

Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych część 2

W artykule przedstawiono przegląd zagadnień z zakresu infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych. Przeanalizowano wpływ dużej liczby pojazdów EV na system elektroenergetyczny. W analizie uwzględniono zarówno wzrastające zapotrzebowanie na moc jak też na zapewnienie wysokiej jakości energii elektrycznej. Pokazano ideę wykorzystania pojazdów EV jako magazynów energii w systemie elektroenergetycznym. Zaprezentowano podstawowe topologie przekształtników energoelektronicznych układów ładowania oraz bardziej zaawansowane struktury do dwukierunkowego przesyłu energii a ponadto struktury układów do ładowania bezprzewodowego.

dr inż. Jarosław Guziński
dr inż. Marek Adamowicz
mgr inż. Jan Kamiński
Politechnika Gdańska

 

4. UKŁADY ŁADOWANIA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH

Infrastruktura - sieć ładowania EV

W wielu krajach istnieją już sieci ładowania EV lub rozpoczęto prace nad ich wprowadzeniem. Szczególnie warte zauważenia jest, że pod koniec 2012 roku Estonia zamówiła 200 stacji szybkiego ładowania prądem stałym [13]. Jest to jak na razie największe w Europie zamówienie na budowę infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych, które jest w pełni finansowanym przez państwo. Wybrane do instancji terminale pozwalają na skrócenie czasu ładowania do 15 ... 30 minut. Równocześnie z wprowadzeniem stacji ładowania powstanie system monitoringu i rozliczania płatności. Aby nie ograniczać rozpowszechnienia pojazdów terminale ładowania maja być wyposażone w złącza różnych standardów spotykanych w EV.


Rys. 7. Jedna z testowych stacji ładowania EV w Gdańsku.

W Polsce Konsorcjum Green Cars zrealizowało projekt budowy testowych punktów ładowania EV w miejscach publicznych (120 terminali) i prywatnych (20 terminali). Każdy z publicznych terminali jest obiektem trzystanowiskowym. Na każdym stanowisku jest typowe jednofazowe gniazdo elektryczne 230V 50Hz z zabezpieczeniem 32 A (rys. 7).

Ładowanie pojazdu wymaga posiadania specjalnej karty pozwalającej na identyfikację użytkownika. Punkty będą eksploatowane do testów centralnego systemu monitorowania. Dzięki temu zgromadzone zostaną dane z 2 letniego okresu eksploatacji EV. Pozwoli to na ocenę przygotowanej infrastruktury ładowania EV [14].

Przy nowopowstającym Laboratorium Innowacyjnych Technologii Elektroenergetycznych i Integracji Odnawialnych Źródeł Energii - LINTE^2 Politechniki Gdańskiej ustawione będą stacje ładowania EV [15].

Poziomy mocy stacji ładowania EV

Wielkość mocy dostępnej w punkcie ładowania decyduje o czasie ładowania baterii EV. Obecnie stosowany jest podział na trzy grupy stacji ładowania [6]:

  • Poziom 1 (ang. Level 1) - ładowarka stanowi element wewnętrzny pojazdu. Wymaga zasilania prądem zmiennym jest do standardowego gniazda 1-fazowego 230 V. Moc przekształtnika ograniczona jest do 2kW a czas ładowania baterii to 11.. 14 godz.
  • Poziom 2 (ang. Level 2) - ładowarka jest wewnątrz pojazdu. Zasilania jest prądem zmiennym jedno lub trójfazowym. Gniazdo i wtyk podłączenia jest specyficzny dla EV. Moc układu może osiągać wartości nawet do 20 kW a czas ładowania skrócony jest do 2 ... 3 godz.
  • Poziom 3 (ang. Level 3) - ładowarka znajduje się na zewnątrz pojazdu. Na specjalne złącze EV doprowadzone są zaciski baterii pojazdu. Ładowanie odbywa się prądem stałym. Moc układu jest znaczna - do 50 kW. Umożliwia to szybkie ładowanie do 80% pojemności baterii w czasie zaledwie 15 ... 30 minut a pełne naładowanie w czasie 1 godz.

W tab. 2. Przedstawiono porównanie wybranych układów stacji szybkiego ładowania.

Tab. 2. Zestawienie wybranych układów ładowania szybkiego prądem stałym

Ładowanie bezprzewodowe

Typowe układy ładowania baterii pojazdów wymagają połączenia stykowego wtyk gniazdo. Wadą tego rozwiązania są: konieczność każdorazowego podłączenia i odłączenia przewodu przez użytkownika, niebezpieczeństwo porażenia oraz kłopoty z podłączeniem w przypadku ośnieżenia/oblodzenia pojazdu. Do wad można zaliczyć tez obniżenie estetyki pojazdu.

Z tych względów korzystnym rozwiązaniem jest wykorzystanie bezprzewodowych układów ładowania. Najbardziej obiecujące jest zastosowanie przekazywania energii na zasadzie indukcji magnetycznej - dwie cewki, jedna w pojeździe druga w miejscu postojowym, sprzężone są magnetycznie i tworzą transformator z dużą szczeliną powietrzną. Oprócz wygody obsługi, zaletą układów ładowania bezprzewodowego jest większą odporność na wandalizm - w porównaniu ze zwykłymi stacjami ładowania typu słupek z gniazdkiem.

Systemy bezprzewodowego zasilania wykorzystywane są w zakładach przemysłowych do zasilania elementów linii produkcyjnych. Prace nad takimi układami w zastosowaniu dla samochodów elektrycznych trwają już od wielu lat opracowywane są liczne prototypy - m.in. rozwiązanie takich stacji ładowania przygotowywano już w latach 1996- 1999 dla eksperymentalnej serii pojazdów General Motors EV1 i EV2 [16] przy wykorzystaniu systemu Magne Charge [17]. Obecnie spotyka można już rozwiązania komercyjne. np. Inductive Power Transfer IPT [18], Numexia [19].

Komercyjne rozwiązanie IPT firmy Conductix-Wampfler zastosowano w Turynie we Włoszech. Uruchomiono dwie linie autobusowe na których kursują łącznie 23 pojazdy elektryczne. Są to autobusy o masie własnej 7.5 t przeznaczone dla 37 pasażerów. Autobusy napędzane są silnikami elektrycznymi o mocy 120 kW i wyposażone są w baterie akumulatorów żelowych o pojemności 180 Ah. Długość linii to 12 km - trasa tam i z powrotem. Na przystanku początkowym i końcowym umieszczono stacje ładowania bezprzewodowego o mocy 30 kW. Baterie autobusów podładowywane są w trakcie postojów co pozwala im pokonać wielokrotnie trasy w ciągu dnia - dzienny pokonywany dystans wynosi do 200 km [20].

Typowy system ładowania bezprzewodowego pojazdu przedstawiono na rysunku 8.


Rys. 8. Pojazd elektryczny z układem bezprzewodowego ładowania [21].

Ładowanie pojazdu odbywa się po zaparkowaniu na specjalnie przygotowanym miejscu postojowym, w którym zamontowana jest uzwojenie strony pierwotnej transformatora. Cewka ta zasilana jest prądem przemiennym o wysokiej częstotliwości wytwarzanym w przetwornicy energoelektronicznej zasilanej z sieci EE. Energia prądu zmiennego przekazywana jest do uzwojenia wtórnego a następnie przetwarzana w przetwornicy pojazdu na prąd stały , którym ładowana jest bateria pojazdu (rys. 9).


Rys. 9. Schemat blokowy systemu bezprzewodowego ładowania [21]

Uzyskanie zadowalającej sprawności takiego przetwarzania energii wymaga wysokiej częstotliwości pracy uzyskiwanej np. poprzez zastosowanie falowników rezonansowych. W urządzeniach ładowania ilość energii przekazywanej z uzwojenia pierwotnego jest uzależniona od rozmiarów cewki oraz amplitudy i częstotliwości napięcia zasilającego cewkę. Dla przekształtnika AC /DC/AC z prostownikiem diodowym i falownikiem napięcia, amplituda napięcia cewki jest ograniczona przez dostępne źródło zasilania np. sieć jednofazową 230V 50Hz. Rozmiary cewki ograniczone są rozmiarami podwozia samochodu. Największe możliwości daje więc zwiększenie częstotliwości pracy układu. Dla krzemowych tranzystorów mocy można osiągnąć obecnie częstotliwości rzędu 20..50 kHz. Nowe możliwości stwarza zastosowanie dostępnych od roku na rynku tranzystorów mocy z materiału węglika krzemu SiC, które umożliwiają pracę przy częstotliwościach przełączeń do kilkuset kHz.

Podstawowe znaczenie dla sprawności takich układów ma jak najlepsze sprzężenie magnetyczne uzwojeń. Z uwagi na dużą szczelinę powietrzną transformatora, współczynnik sprzężenia uzwojeń jest niski rzędu 0.1÷0.5 [22]. Dla układów ładowania bezprzewodowego opracowywany jest przez międzynarodowe zrzeszenie inżynierów przemysłu lotniczego i samochodowego SAE International (Society of Automobile Engineers) dokument standardu SAE J2954 określający minimalne parametry i kryteria bezpieczeństwa [23]. Zgodnie z tym opracowaniem należy dążyć do uzyskania sprawności większej od 90%.

Przy ocenie układów ładowania bezprzewodowego istotnymi parametrami są:

  • moc układu, determinująca czas ładowania pojazdu,
  • maksymalny dopuszczalny odstęp między powierzchnia parkingową a podwoziem pojazdu,
  • sprawność przetwarzania energii - określana pomiędzy zasilaniem z sieci EE a zaciskami baterii akumulatorów,
  • dopuszczalna tolerancja pozycjonowania pojazdu na miejscu parkingowym,
  • rozmiary i waga - szczególnie istotne dla części układu znajdującej się w samochodzie.

Zestawienie parametrów układów ładowania - prototypów i rozwiązań komercyjnych przedstawiono w tab. 3. Z zestawienia wynika, że układy lądowania bezprzewodowego mają już obecnie parametry umożliwiające praktyczne stosowanie.

Tab. 3. Zestawienie wybranych układów ładowania bezprzewodowego EV

Bezpieczeństwo

Istotnym zagadnieniem jest wpływ pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości na organizmy żywe. Standardy w tym zakresie definiowane są przez instytut ICNIRP (International Committee on Non-Ionizing Radiation Protection) [29]. Dla częstotliwości wchodzących w zakres układów bezprzewodowego ładowania (10..150 kHz) dopuszczalne jest narażenie organizmów żywych na pole magnetyczne o indukcji do 6.25 microT [30].
Metalowe podwozie samochodu oraz kształt rdzenia cewek zapewniają brak promieniowania we wnętrzu pojazdu. Najbliższy kontakt z polem magnetycznym jest przy wyjściu z pojazdu. Jednak oddalenie cewki od progu pojazdu zapewnia w tym miejscu indukcję spełniająca warunek bezpieczeństwa. W pomiarach pokazanych w [26], dopuszczalna B = 6.25 microT zmierzona została w odległości 900 mm od środka cewki zapewniając spełnienie wymagań szerokiego pojazdu elektrycznego.
Dodatkowym zabezpieczeniem może być uzależnienie startu ładowania od obecności kierowcy w pojeździe i jego pobliżu.

Współpraca układów ładowania bezprzewodowego z siecią EE

Zastosowanie układów ładowania bezprzewodowego zgodnie z koncepcją V2G wymaga zastosowania bardziej złożonego układu energoelektronicznego umożliwiającego dwukierunkowy przepływ energii [31]. Są to układy bardziej złożone i kosztowne, jednak z uwagi na wygodę w stosowaniu układów bezprzewodowych, poszukiwane są i takie rozwiązania [32].

Ładowanie bezprzewodowe pojazdów w czasie jazdy

Wysoki koszt zakupu pojazdów elektrycznych wynika z ceny baterii. Dlatego poszukiwane są rozwiązania pozwalające na zmniejszenie ilości energii elektrycznej, która gromadzona jest w pojeździe. Jedną z idei zmierzających w tym kierunku jest elektryfikacji dróg, pozwalająca na dostarczanie energii do pojazdów w czasie ruchu. Według analiz pokazanych w [33] Przy wprowadzeniu elektryfikacji dróg cena EV będzie porównywalna z ceną pojazdów spalinowych - przy pominięciu kosztów koniecznej infrastruktury. Jednocześnie elektryfikacja dróg eliminuje ograniczenie zasięgu pojazdów EV.
Koncepcja elektryfikacji dróg przedstawiona została na rysunku 10.


Rys. 10. Koncepcja bezprzewodowego układu transmisji energii do pojazdów EV w czasie jazdy [33]

Wysoka sprawność konwersji energii wymusza aby energia była dostarczana jedynie do sekcji drogi, po której aktualnie porusza się pojazd. Elektryfikacja dróg umożliwia też efektywne wykorzystanie rozproszonych źródeł energii odnawialnej, które mogą dostarczać energie do pobliskich odcinków zelektryfikowanych dróg. Pojazd przewidziany do ruchu w systemie z rysunku 18 będzie można wyposażyć w mniejszą i lżejszą baterię.

Obecne rozwiązania ładowania w czasie jazdy ograniczają się do eksperymentalnych układów małych mocy, wydaje się jednak, że jest to rozwiązanie przyszłościowe. Rozważane są nawet koncepcje dwukierunkowego transferu energii i współpracy z siecią elektroenergetyczną zgodnie z V2G [32].

5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Zalety pojazdów elektrycznych stanowią istotną zachętę do upowszechniania tego rodzaju transportu. Sprzyja temu obserwowany szybki rozwój technologii układów napędowych, maszyn elektrycznych oraz akumulatorów energii elektrycznej. Jednak warunkiem nieodzownym jest zapewnienie odpowiedniej infrastruktury ładowania akumulatorów oraz związanych z tym systemowych rozwiązań finansowych.

Koszty związane z rozwojem takiej infrastruktury są związane głównie z budową licznych, dostępnych punktów ładowania EV. System energetyczny już obecnie powinien podołać zwiększonemu zapotrzebowaniu na energię do ładowani EV przy założeniu, że większość ładowań będą to ładowania wolne w porze nocne. Przy takim założeniu pojazdy EV będą stanowić korzystny dla SEE odbiornik energii.

Rozwiązania V2G umożliwią zwiększenie niezawodności pracy SEE oraz wzrost ilości rozproszonych źródeł energii odnawialnej.

Obecnie nie ma przeszkód technicznych uniemożliwiających rozwój powszechnej komunikacji z użyciem EV. Konieczne są jednak działania promocyjne i upowszechnianie wiedzy o EV.

BIBLIOGRAFIA
[1] Strona internetowa IBRM Samar http://www.samar.pl/
[2] Strona internetowa http://2greenenergy.com/electric-vehicle-predictions-for-2020-2050/13011/
[3] H . Gładyś,. R. Matla: "Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym", Wrocław - Warszawa, WNT 1999
[4] M. Adamowicz, M. Morawiec: "Advances in CSI-fed induction motor drives", 7th International Conference-Workshop Compatibility and Power Electronics (CPE), Tallin, Estonia, 1-3 June 2011, 2011.
[5] http://www.samochodyelektryczne.org
[6] M. yilmaz, p.t. krein: "review of Battery charger topologies, charging power levels, and Infrastructure for plug-In electric and hybrid Vehicles", IEEE Transactions on Power Electronics, May 2013, vol. 28, no. 5, pp. 2151-2169.
[7]w. kempton, s.e. letendre: "electric vehicles as a new power source for electric utilities", transportation research part d2 (3), 1997., pp. 157-175.]
[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Vehicle-to-grid
[9] projekt V2G: http://www.udel.edu/V2G/
[10] M. jarnut, G. Benysek: "zastosowanie układów energoelektronicznych w technologii smartGrid i V2G ( Vehicle to Grid)", przegląd elektrotechniczny, 2010/6.
[11]j.r. pillai, B. Bak-jensen: "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
[12]s.e. letendre, w. kempton: "the V2G concept: a new for model power"Public Utilities Fortnightly - February 15, 2002.
[13]portal www.wnp.pl: w estonii będzie największa sieć ładowania aut elektrycznych http://motoryzacja.wnp.pl/w-estonii-bedzie-najwieksza-siec-ladowania-aut-elektrycznych,160437_1_0_0.html
[14] http://www.gc.greenpl.org/pl/node/228
[15]j. nieznański, a. augusiak, d. karkosiński, r. Małkowski, j. Guziński, p. szczepankowski, "laboratorium innowacyjnych technologii elektroenergetycznych i integracji odnawialnych źródeł energii - lInte^2". Broszura informacyjna projektu lInte^2, : politechnika Gdańska, wydział elektrotechniki i automatyki, Gdańsk, 2011.
[16] http://en.wikipedia.org/wiki/General_Motors_eV1
[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Magne_charge
[18]conductix-wampfler: Iptcharge for electric Vehicles, katalog http://www.conductix.com/
[19] http://www.numexia.com/index.php?page=transfert-d-energie-sans-contact&hl=en_GB
[20]reference ref9200-0001-e, e-Mobility, Inductive power transfer - Ipt conductix-wampfler
[21]j.M. Miller, "wireless power transfer fundamentals and challenges", Iecon2011, Melbourne, australia.
[22]y. nagatsuka, n. ehara, y. kaneko, s. abe, t. yasuda: "compact contactless power transfer system for electric vehicles", power electronics conference (Ipec), 2010, pp. 807-813.
[23] http://www.sae.org
[24]h. chang-yu h., j.t. Boys, G.a. covic, M. Budhia: "practical considerations for designing Iptsystem for eV battery charging", IeeeVehicle power and propulsion conference, Vppc'09. , 2009, pp. 402-407.
[25]y. nagatsuka, n. ehara, y. kaneko, s. abe, t. yasuda: "compact contactless power transfer system for electric vehicles", in power electronics conference (Ipec), 2010, pp. 807-813.]
[26]j. huh, s. lee, c. park, G.h. cho, c.t. rim: "high performance inductive power transfer system with narrow rail width for on-line electric vehicles", Ieee energy conversion congress and exposition (ecce), 2010, pp. 647-651.
[27]h.h. wu, a. Gilchrist, k. sealy, p. Israelsen, j. Muhs: "areview on inductive charging of electric vehicles", Ieee2011 International electric Machines and drives conference, IeMdc2011.
[28] http://www.haloipt.com/
[29] http://www.icnirp.de/
[30] IcnIrp, "Guideline for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields", 1998.
[31]u.k. Madawala, d.j. thrimawithana: "aring inductive power transfer system", IeeeInternational conference on Industrial technology (IcIt), 2010, pp. 667-672.
[32]u.k. Madawala, d.j. thrimawithana: "abidirectional inductive power interface for electric vehicles in V2G systems",Ieee transactions on Industrial electronics, october 2011, vol. 58, no. 10, pp. 4789-4896.
[33]a. Brooker, M. thornton, j. rugh: "technology improvement pathways to cost effective vehicle electrification", sae2010 world congress, detroit, Michigan, 2010.

Źródło: Automatyka, elektryka, zakłócenia
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl