Jak działa stacja ładowania samochodów elektrycznych? Zasada działania (AC, DC, bezpieczeństwo)

Gdy podłączasz samochód elektryczny do sieci, tak naprawdę uruchamiasz złożony, ale bardzo uporządkowany proces: auto i stacja rozpoznają się nawzajem, ustalany jest dopuszczalny prąd ładowania, przeprowadzane są kontrole bezpieczeństwa i dopiero wtedy zaczyna płynąć energia. W tym artykule wyjaśniamy zasadę działania stacji ładowania samochodów elektrycznych od A do Z – technicznie, ale przystępnie.

Krótka odpowiedź: stacja ładowania EV to interfejs, który bezpiecznie i w kontrolowany sposób przekazuje energię elektryczną z sieci do samochodu. Stacja i auto stale się ze sobą komunikują; stacja kieruje przepływem energii, nadzoruje obwody zabezpieczające i zarządza autoryzacją. Najważniejsza, „inteligentna” część pracy kryje się jednak w tym, jak energia jest przetwarzana i jak zapewnia się jej bezpieczny przepływ.

Jakie jest podstawowe zadanie stacji ładowania?

Częstym błędem jest przekonanie, że ładowarka bezpośrednio „napełnia” akumulator. Przy ładowaniu AC (prądem przemiennym) stacja jest w gruncie rzeczy sterowanym łącznikiem i układem bezpieczeństwa: doprowadza napięcie sieciowe do auta, informuje je, jaki prąd może pobierać, i w razie problemu przerywa obwód. Właściwą konwersję wykonuje jednostka wbudowana w samochód. Przy szybkim ładowaniu DC (prądem stałym) większość konwersji odbywa się natomiast wewnątrz stacji.

Stacja ładowania EV ma więc trzy podstawowe zadania: (1) nawiązać bezpieczną komunikację z samochodem, (2) przekazać właściwą i bezpieczną ilość energii, (3) zapewnić autoryzację oraz, w razie potrzeby, zdalne zarządzanie.

Jak auto komunikuje się ze stacją? (Control Pilot / sygnał CP)

Zanim ładowanie się rozpocznie, samochód i stacja „rozmawiają” ze sobą. W złączach Type 2 i CCS2 sercem tej komunikacji jest linia Control Pilot (CP), po której przesyłany jest sygnał sterujący. Za jej pośrednictwem stacja i auto potwierdzają, że są ze sobą połączone, i uzgadniają dopuszczalne natężenie prądu (w amperach).

W skrócie wygląda to tak: stacja wysyła sygnał na linię CP. Po podłączeniu auto zmienia ten sygnał i w ten sposób zgłasza stany takie jak „podłączony” i „gotowy do ładowania”. Poprzez kształt sygnału stacja przekazuje samochodowi maksymalny dopuszczalny prąd, a auto pobiera prąd poniżej tego limitu, zależnie od mocy swojej ładowarki pokładowej (onboard charger). Dzięki temu od samego początku nie da się pobrać większego prądu, niż są w stanie przenieść kabel lub stacja.

Przy szybkim ładowaniu DC oprócz tej podstawowej sygnalizacji do gry wchodzi bardziej zaawansowana warstwa komunikacji cyfrowej. Samochód i stacja przez cały czas wymieniają się informacjami, takimi jak napięcie akumulatora, temperatura, docelowy poziom naładowania i bieżące zapotrzebowanie na prąd. Na tej podstawie stacja na bieżąco dostosowuje napięcie i prąd wyjściowy.

Sygnał Proximity (PP) i rozpoznawanie kabla

Oprócz linii CP większość systemów ma też linię Proximity Pilot (PP), czyli sygnał zbliżeniowy. Dzięki niej stacja rozpoznaje, że kabel jest rzeczywiście podłączony, oraz na jaki maksymalny prąd jest on przystosowany. Na przykład kabel 16A i kabel 32A są rozpoznawane inaczej, a system odpowiednio ustawia limit.

Ścieżka AC: konwersja odbywa się w samochodzie (ładowarka pokładowa)

Większość ładowarek ściennych (wallboxów) w domach i firmach ładuje prądem przemiennym (AC). Prąd przemienny z sieci trafia przez kabel bezpośrednio do samochodu. Akumulator auta ładuje się jednak prądem stałym (DC). I tu do akcji wkracza ładowarka pokładowa (onboard charger, czyli jednostka ładująca wbudowana w auto): zamienia dopływający prąd AC na DC i zasila akumulator odpowiednim napięciem.

Dlatego górną granicę szybkości ładowania AC wyznacza najczęściej nie stacja, lecz moc ładowarki pokładowej samochodu. Przykład: nawet jeśli stacja może dostarczyć 22 kW, a ładowarka pokładowa auta ma 11 kW, samochód w praktyce ładuje się mocą 11 kW. Przy ładowaniu AC, w zależności od przyłącza jednofazowego lub trójfazowego, w grę wchodzą moce od 7,4 kW do 22 kW.

Wallboxy AC Bemis E-V Charge (3,7–22 kW, Type 2) oraz kable do ładowania EV Type 2 działają właśnie na tej ścieżce AC: stacja bezpiecznie i w kontrolowany sposób przekazuje energię AC, a konwersję przejmuje samochód.

Ścieżka DC: konwersja odbywa się w stacji (szybkie ładowanie)

Przy szybkim ładowaniu DC logika się odwraca. Aby nie ograniczała go niewielka moc ładowarki pokładowej, konwersję przenosi się poza samochód, do wnętrza stacji. W stacjach szybkiego ładowania DC, np. ze złączem CCS2, wydajne przetwornice (prostowniki/moduły mocy) zamieniają prąd przemienny z sieci na prąd stały o dużej mocy i podają go bezpośrednio do akumulatora.

Ponieważ ładowarka pokładowa zostaje pominięta, przy ładowaniu DC można osiągnąć znacznie większe moce – dlatego stacje DC nazywa się „szybkimi ładowarkami”. Samochód stale komunikuje stacji: „potrzebuję takiego napięcia i takiego prądu”, a stacja realizuje to żądanie za pomocą własnych modułów mocy i dostosowuje moc wyjściową do bieżącego stanu akumulatora.

• Ładowanie AC: stacja dostarcza prąd AC, a konwersję wykonuje ładowarka pokładowa w samochodzie. Limit mocy wyznacza zwykle auto.
• Ładowanie DC: przetwornice w stacji zamieniają AC na DC i podają prąd bezpośrednio do akumulatora. Możliwa jest znacznie większa moc.
• Type 2: standardowe złącze do ładowania AC w Turcji i w Europie.
• CCS2: standard szybkiego ładowania DC w Turcji i w Europie; działa dzięki dwóm dodatkowym stykom DC umieszczonym pod złączem Type 2.
• kW to moc (szybkość), a kWh to energia (ilość zmagazynowana lub przekazana).

Przy ładowaniu AC konwersję wykonuje ładowarka pokładowa w samochodzie, a przy ładowaniu DC – stacja. W każdym przypadku podstawowym zadaniem stacji jest bezpieczne i kontrolowane przekazywanie energii.

Jak zapewnia się bezpieczeństwo? (zabezpieczenia, uziemienie, blokada złącza)

Ponieważ podczas ładowania w grę wchodzi duża moc, bezpieczeństwo jest najważniejszym elementem stacji ładowania EV. Zasada jej działania obejmuje kilka warstw ochrony.

Zabezpieczenie różnicowoprądowe natychmiast odcina zasilanie, gdy wykryje w obwodzie niepożądany prąd upływu (np. wskutek uszkodzenia izolacji), i w ten sposób chroni przed porażeniem. Uziemienie w razie usterki zapewnia prądowi upływu bezpieczną drogę i sprawia, że powierzchnie takie jak obudowa nie znajdą się pod napięciem. Stacja monitoruje również przetężenie i przegrzanie; jeśli wykryje nieprawidłowość, przerywa ładowanie.

Częścią systemu bezpieczeństwa jest też blokada złącza: podczas ładowania wtyczka jest zablokowana przez stację lub samochód. Dzięki temu nie da się przypadkowo wyciągnąć kabla, gdy płynie energia, a blokada nie zwolni się, dopóki ładowanie nie zostanie bezpiecznie zakończone. Jeśli chodzi o odporność na warunki zewnętrzne, stopień ochrony IP65–IP66 oznacza, że urządzenie jest pyłoszczelne i odporne na wodę, więc nadaje się do pracy na zewnątrz, a oznakowanie CE potwierdza, że produkt spełnia odpowiednie europejskie wymagania zgodności.

Co stacja nieustannie monitoruje podczas ładowania?

• Ciągłość połączenia z samochodem, stale sprawdzaną za pomocą sygnału CP
• Zgodność pobieranego prądu z uzgodnionym limitem
• Ewentualny prąd upływu, zwarcie lub usterkę uziemienia
• Temperaturę (wtyczki, kabla, modułów mocy)
• Zamknięcie blokady złącza przez cały czas ładowania

Autoryzacja: kto uruchamia ładowanie? (RFID / aplikacja / OCPP)

W domu większość wallboxów można skonfigurować tak, aby ładowanie ruszało od razu po podłączeniu auta. W częściach wspólnych budynków, w firmach i na stacjach publicznych wymaga się natomiast, aby ładowanie uruchamiały uprawnione osoby. Najczęściej służą do tego karta RFID i aplikacja mobilna: użytkownik przykłada kartę albo uruchamia sesję w aplikacji, stacja weryfikuje uprawnienia i dopiero wtedy zezwala na przepływ energii.

Tu do gry wchodzi OCPP. Modele zgodne z OCPP umożliwiają podłączenie stacji do centralnego systemu zarządzania (CSMS). Dzięki temu autoryzacją, zdalnym uruchamianiem i zatrzymywaniem ładowania, monitorowaniem użytkowania i pomiarem energii można zarządzać centralnie. Ma to szczególne znaczenie w firmach i flotach pojazdów, w których eksploatuje się wiele stacji.

Jeśli chcesz dokładniej poznać OCPP i związane z nim pojęcia, mamy też osobny poradnik, który wyjaśnia, do czego służy ten protokół.

Etapy sesji ładowania

Zasadę działania najlepiej widać, gdy prześledzi się jedną sesję ładowania od początku do końca. Typowa sesja przebiega w następujących etapach:

• 1) Połączenie: kabel zostaje podłączony do samochodu i do stacji, a sygnał PP wykrywa połączenie.
• 2) Rozpoznanie i uzgodnienie: za pomocą sygnału CP samochód i stacja rozpoznają się nawzajem i ustalają maksymalny dopuszczalny prąd.
• 3) Autoryzacja: w razie potrzeby sesja jest autoryzowana kartą RFID lub w aplikacji.
• 4) Blokada i kontrola: złącze zostaje zablokowane, a kontrole bezpieczeństwa (prąd upływu, uziemienie, temperatura) zostają zakończone.
• 5) Przekazywanie energii: na ścieżce AC akumulator ładuje ładowarka pokładowa samochodu, a na ścieżce DC przetwornice stacji.
• 6) Zarządzanie: stacja stale monitoruje prąd i w miarę napełniania się akumulatora stopniowo zmniejsza moc.
• 7) Zakończenie: po osiągnięciu docelowego poziomu naładowania lub zatrzymaniu przez użytkownika zasilanie zostaje odcięte, blokada się zwalnia, a kabel można bezpiecznie odłączyć.

Dlaczego akumulator ładuje się wolniej po przekroczeniu 80%? (taper, czyli stopniowe spowalnianie)

Zwłaszcza przy szybkim ładowaniu DC zauważysz, że gdy akumulator osiągnie pewien poziom naładowania, często około 80%, prędkość ładowania wyraźnie spada. Zjawisko to nazywa się taper (stopniowe spowalnianie) i nie jest usterką, lecz celowym mechanizmem ochronnym.

Gdy akumulator zbliża się do pełnego naładowania, nie może już bezpiecznie przyjmować dużego prądu. Aby zapobiec przegrzaniu i skróceniu żywotności ogniw, samochód żąda od stacji coraz mniejszego prądu, a stacja dostosowuje się do tego żądania i obniża moc wyjściową. Dlatego przy szybkim ładowaniu najbardziej efektywny jest zwykle zakres od niskiego poziomu naładowania do 80%, a ostatnie 20% może trwać nieproporcjonalnie długo. Przy ładowaniu AC moce są i tak niższe, więc to spowolnienie jest zwykle mniej odczuwalne.

Podsumowanie: co właściwie robi stacja ładowania?

Stacja ładowania EV to urządzenie, które komunikuje się z samochodem, bezpiecznie i w kontrolowany sposób kieruje przepływem energii, a w razie potrzeby autoryzuje sesje i może być zarządzane zdalnie. W modelach AC konwersję przejmuje samochód, w modelach DC – stacja; w każdym przypadku sercem zasady działania są jednak bezpieczeństwo (zabezpieczenie różnicowoprądowe, uziemienie, blokada złącza) i prawidłowa komunikacja (sygnał CP).

Bemis E-V Charge to marka z siedzibą w Bursie (Turcja), która we własnym zakładzie produkuje wszystkie ogniwa tego łańcucha: wallboxy AC, ładowarki przenośne, kable Type 2, adaptery V2L/C2L oraz stacje szybkiego ładowania DC ze złączem CCS2. W ofercie ma produkty z oznakowaniem CE i stopniem ochrony IP65–IP66, w tym modele zgodne z OCPP, zarówno do użytku prywatnego, jak i firmowego.