Инфраструктура на електромобилността

Възможности и специфични изисквания

Електромобилите и хибридните автомобили са необходими на съвременната цивилизация, защото могат да решат задачи, които другите видове транспорт засега не могат или са по-неефективни при решаването им. За да се подпомогне масовото навлизане на електромобилите и хибридните автомобили трябва да се изградят няколко инфраструктури, като една от най-важните е инфраструктурата за тяхното зареждане. В статията разглеждаме възможностите, които съществуват, както и специфичните изисквания в зависимост от типа превозно средство, мястото за зареждане, климатичните особености и т.н.

Контактните точки, чрез които електромобилите и хибридните автомобили се свързват към електрическата мрежа са в процес на развитие и стандартизация, което силно затруднява класификацията им, но най-общо казано могат да се разделят на няколко основни вида. Най-обикновеният тип контактни точки представляват усилени контакти с допълнителни механични защити или без тях. Става дума за нещо като усилен контакт от домашен или индустриален тип, който може обаче да осигурява значителен ток и то продължително време, например от 10 до 30А на вграденото в автомобила зарядно устройство. Повечето домашни контакти не са пригодени за всекидневна многочасова експлоатация на максималният им ток. Ако се подложат на такъв режим те нагарят и трябва да се подменят често. Това обаче не бива да се случва с контактната точка за електромобила, която трябва да издържа по 8-12 часа на значителни токове и то може би всеки ден или всяка нощ.

Тези КТ са най-евтини, но са подходящи само за гаражи, дворове, промишлени помещения и добре охраняеми паркинги, при които вероятността от съзнателно или несъзнателно злоумишлено действие е малка. Освен това въпросът за индивидуалното заплащане на електроенергията не стои. Поставянето на такава контактна точка изисква компетентна оценка на електрическата инсталация и може да наложи създаване на самостоятелен контур с предпазители, идващ директно от електротаблото. Също така може да се наложи увеличаване на инсталирана в мощност на обекта, от страна на електроразпределителното дружество, както и подмяната на електромера с по-мощен, както и други преработки на инсталацията, например от еднофазна към трифазна.

Втора група контактни точки са интелигентни контактни точки от типа на усилен контакт с допълнителни механични и електронни защити. Допълнително те могат да са оборудвани с четящи устройства за карти и с възможност за комуникация както с превозното средство, така и с централна станция или с мрежа от други контактни точки. Тук също зарядното устройство е в автомобила, но може да има и система, позволяваща само човекът, включил автомобила на заряд да го изключи, система за заплащане с карта, система за дистанционна диагностика на автомобила и други

Еднопосочните интелигентни контактни точки, съдържащи един или друг вид зарядно устройство с различна мощност, съставляват друга група. Тук има огромно разнообразие от възможности и комуникации. Тези контактни точки са с няколко режима на работа, включително и за по-бързо зареждане на батериите, ако те позволяват това. В този режим токовете от контактната точка могат да достигат до 70А, а напреженията до 500V, което прави и задачата за надзора на зареждането и на инсталацията и по-сложна. Тези контактни точки могат да зареждат и повече от един електромобил.

Групата на двупосочните интелигентни контактни съдържат не само зарядно устройство, но и дават възможност батерията на електромобила да се използва за обратно захранване на електрическата мрежа при необходимост. При тази система батериите от паркираните електромобили или хибридни автомобили се зареждат когато мрежата не е много натоварена и подпомагат мрежата във върховите моменти. Това се програмира от собственика на автомобила и той получава определена сума когато захранва мрежата и съответно заплаща, когато зарежда акумулаторите си. Това е възможно, тъй като автомобилите прекарват над 90% от времето си паркирани, а понякога паркирането може да трае и седмици. Тази система е още в процес на изследване и има доста скептицизъм за нейното прилагане. Възможността обаче може да е интересна, защото, ако мрежовото напрежение на вашата къща отпадне за няколко часа, то батериите на вашия електромобил или двигателя и батериите на вашия хибриден автомобил може да осигурят захранване на най-необходимите прибори у дома, като например комуникационно оборудване, осветление, хладилник и други. Това естествено едва ли ще може да включва климатика, готварската печка, съдомиялната, пералната и други големи консуматори на енергия. Ако батериите на електромобила са за 30kWh, те могат да осигурят 1kW за повече от 24 часа, което е достатъчно за осветлението и за хладилника в малка къща. Желателно е в къщата да има подходящо разделени контури за аварийно захранване и контури за нормално захранване.

Може би с най-висока сложност са безконтактните или индуктивни контактни точки. При тях се използва принципът на трансформатора или на електромагнитната индукция. Най-общо казано половината от трансформатора за прехвърляне на енергията за зареждане е монтиран в автомобила а другата половина в контактната точка. Съществува механизъм за точно и автоматично напасване на двете половини на прехвърлящия енергията трансформатор. Огромното предимство е че няма кабел, свързващ автомобила с контактната точка, но системата е сложна и може да има значителни загуби при прехвърлянето. Тази възможност все още е в процес на проучване.

Наличието на интелигентни контактни точки има голямо предимство за диагностика и поддържане на автомобилите. Така например, докато собственикът извършва ежедневните си задачи, може да се направи дистанционна диагностика на електромобила, да се извърши корекция на някои параметри, зареждане на нова версия на софтуера, да се изпрати отчет с препоръки за превантивни действия, така че да се избягнат инциденти по време на пътуване и други.

Сигурност и безопасност на контактната точка
Оставянето на открито и достъпът от широката публика на контактните точки с високо напрежение, със значителни токове и с мощности от десетки киловати, поставя много изисквания към електрическата безопасност и за защита от непредпазливи, некомпетентни и злоумишлени действия. Например трябва да се вземат мерки те да се използват само за това, за което са предназначени, а не за други дейности, като строителни работи, отопление, осветление, дейности по чистота и други. Погледнато от страната на функционалността и бързото възвръщане на инвестициите, универсалността при проектирането на контактните точки може да се окаже и предимство.

На първо място контактните точки трябва да са безопасни. Те трябва да имат сензори, откриващи прекъсвания или утечки в кабела и прекратяващи електрическия ток в случай на проблем. Контактните точки трябва да са стандартизирани, както електрически така и механически, алгоритмично и програмно. Те трябва да могат да комуникират с всички превозни средствата и машини включени към тях. Контактната точка трябва да подпомага и при опазването на автомобилите от взлом и кражба.

Зареждане у дома и на работно място
Дневният пробег на автомобил в градски условия обикновено е в границите на 50-80km, което е по-малко от пробега с едно пълно зареждане батериите на електромобила и е съизмеримо с пробега от акумулатор на хибридния автомобил. Това дава възможност те да се зареждат през нощта в домашния гараж или на паркинга пред жилището. При нощната тарифа и при сегашните цени на електроенергията у нас, такова дозареждане или зареждане, може да се окаже неочаквано евтино, например около 2 до 5 лева. Тук разбира се не са включени разходите за покупка, монтаж и поддръжка на зарядното устройство или поне на създаването на подходяща контактна точка за включване на електромобила. Предполага се също, че ще се използва вграденото в автомобила зарядно устройство, което би трябвало да бъде оптимизирано за зареждане от битовата електроинсталация, т.е. за 220V/50Hz в или 380V/50Hz трифазно.

Тъй като в едно семейство може да има повече от един електромобил, то се предполага и наличието на повече от една зарядна станция или такава с възможност за зареждане на повече електромобили. Това е напълно възможно тъй като един автомобил прекарва пред дома от 8 до 12 часа на ден, което обикновено е повече от достатъчно за пълно зареждане на акумулаторната батерия.

Обикновено в рамките на работната седмица личните автомобили се използват за 0.5 - 2 часа преди работния ден и 0.5 -2 часа след края му. Те прекарват през деня по 8 – 9 часа на паркинга пред работно място и това създава условия за дозареждането на батерията. Вижда се, че при градско и околоградско използване на електромобила, зареждането и дозареждането на батериите не е проблем. Разбира се зарядната станция изисква определена първоначална инвестиция. Добре направената и поддържана зарядна станция след това може да функционира много години, тъй като е електронно устройство, което много слабо се износва. Това прави и инвестицията в него оправдана.

На паркингите пред жилищните блокове и в дворовете на къщите ситуацията също изглеждат лесна. Там автомобилите прекарват дълго време и е достатъчно да се изведат подходящо обезопасени и контролирани от интелигентни устройства контактни точки, към които да се включват автомобилите, имащи вградени зарядни устройства. Тези интелигентни устройства обикновено работят в радиомрежа, комбинирани са с устройства за четене на карти, със система за разплащане и с други устройства, облекчаващи и обезопасяващи работата им.

Домашните инсталации обикновено са еднофазни и по-рядко трифазни. Това създава проблеми със зарядните станции. Например, ако имаме контакт за 220V и за ток 10А, 16А, 25А и 32А това прави максимална моментна мощност от 2.2кW, 3.52kW, 5.5kW и 7.04kW. Ако натоварим тези контактни точки на 70% ще получим съответно 1.54kW, 2.46kW, 3.85kW и 4.92kW. Акумулаторните батерии на електромобилите обикновено са 20-30kWh, а на хибридните автомобили 3-8kWh. Като се има предвид че повечето батерии използват акумулираната енергия само на 55-80%, то може да се направят изчисления колко дълго време ще трябва да се зареждат те, ако са напълно изтощени. Ето защо се предполага, че използващите електромобили ще трябва да ги дозареждат при всеки удобен случай, без да чакат пълното разреждане, което обикновено скъсява живота на батерията. Вижда се, че в доста от случаите зареждането, и особено по-ускореното зареждане на електромобили, може да изисква трифазна електрическа инсталация, способна в продължение на часове да осигури необходимия ток.

Счита се, че електрическа инсталация, която е на 25-30 години е вече амортизирана и трябва да се осъвремени, дори и да не е оказала съществени дефекти. Това се отнася за всички елементи на електрическата инсталация, като кабели, електрически табла, ключове, контакти и други. На практика модернизацията се извършва като проектиране и изграждане на нова инсталация, ако не изцяло, то поне на частта, която ще е свързана с новите по-мощни и по-интелигентни консуматори на електрическа енергия.

Зареждане на таксиметрови автомобили
Таксиметровите автомобили изпълняват по 100-250km на работна смяна в зависимост от населеното място. По време на работната смяна са възможни кратковременни дозареждания или подмяна на пакета батерии с нов, напълно зареден. Това налага използване на мощни зарядни станции и на батерии, способни да поемат голямо количество заряд за малко време. В момента тези батерии са по-скоро изключение. Повечето батерии предпочитат дълъг експлоатационен заряд при многочасово зареждане с ток, съизмерим с една десета от капацитета им.

Ако таксиметровият автомобил се използва само една работна смяна на ден, което не е правило, то тогава би било възможно пълно зареждане на батерията, след работната смяна. Дозареждането на стоянките изглежда възможно, но е по-скоро проблематично и трябва да става бързо.

Зареждане на градските превозни средства
Системата за градски транспорт предлага много добри възможности за изграждане на инфраструктура за зареждане на батериите. Превозните средства от градския транспорт имат планиран работен ден и могат да се зареждат извън рамките на работната смяна с краткотрайни дозареждания по време на кратките почивки на крайните спирки.

В случай на нужда превозните средства могат да се обслужват и от мобилни зарядни станции, които да дозареждат или да подменят пакета с батерии при нужда или на крайната спирка. Наличието на покриви със значителна площ дава възможност и за дозареждане на акумулаторните батерии от фотоволтаични системи.

Зарядните станции за градския транспорт биха могли да се използват и за зареждане на лични превозни средства при определени условия. Това е така, защото обикновено около последните спирки на градския транспорт има оформени празни пространства или паркинги. Такива места обикновено са и наблюдавани и вероятността от посегателство е сравнително малка.

Зареждане при неблагоприятни метеорологични условия
Системата със зарядни станции ще работи най-добре в страни с топъл и сравнителни сух климат. В страните с прекалени влажен климат, при наличие на проливни дъждове, на заледявания и прекалено ниски температури възникват допълнителни технически проблеми. Откритите точки на зареждане са чувствителни към обледеняване, гръмотевични бури, урагани и други природни бедствия. Всеки от тези случаи обикновено се третира индивидуално със съответните нормативни документи, като има и предвидени защити.

Зареждане от ... слънцето?
В страни, където има достатъчно слънчеви дни, е възможно дозареждането на батериите да става от фотоволтаични елементи, монтирани по купето на електромобила. Също таке е възможно колонките със зарядни устройства да се захранват от вградени акумулатори, зареждани отново от соларна система. Това е едно от малкото възможни решения за отдалечени зарядни станции, които не са включени в електропреносната мрежа и нямат генератори на електроенергия с двигатели с вътрешно горене или ветрогенератори. Очаква се да има зарядни станции на подходящи места по всички по-главни пътища, като е възможно комбинирането им в комплекс с бензиностанции или газостанции. На тези места може да има и дизел генератори или малки газови турбини за аварийно електрозахранване и зареждане на електромобилите.