Η φόρτιση ενός ηλεκτρικού οχήματος διέπεται από κανόνες, ώστε να πραγματοποιείται με απόλυτη ασφάλεια. Το παρόν άρθρο αναφέρεται στην ηλεκτρική ασφάλεια κατά τη φόρτιση των plug-in ηλεκτρικών οχημάτων.
Άρθρο του κ. Θεόδωρου Σκούρα*
Τα plug-in ηλεκτρικά οχήματα (Plug-in Electric Vehicle [PEV]) συνδέονται μέσω καλωδίου σε κάποια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας και αποθηκεύουν την ενέργεια αυτή σε μπαταρίες με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την κίνησή τους. Αυτή η κατηγορία οχημάτων περιλαμβάνει δυο υποκατηγορίες, τα ηλεκτρικά οχήματα μπαταρίας (Battery Electric Vehicle [BEV]) και τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με φόρτιση μέσω καλωδίου (Plug-in Hybrid Electric Vehicle [PHEV]).
Η φόρτιση που γίνεται από το χρήστη, ο οποίος δεν είναι εξειδικευμένος, πρέπει να ολοκληρωθεί με ασφάλεια, αποφεύγοντας παράγοντες κινδύνου όπως είναι η συχνή χρήση των βυσμάτων σύνδεσης, η αποσύνδεση υπό φορτίο, η υπαίθρια φόρτιση υπό βροχή και η καταπόνηση του καλωδίου, στοιχεία που εγκυμονούν κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Άλλες επικίνδυνες καταστάσεις είναι η έκλυση αερίων υδρογόνου κατά τη φόρτιση συσσωρευτών έλξης ανοιχτού τύπου, καθώς και η έλλειψη ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (Electro-Magnetic Compatibility [EMC]) των συστημάτων φόρτισης.
Η ασφάλεια του χρήστη είναι εκείνο που λαμβάνεται υπόψη, είτε για να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί οποιοσδήποτε εξοπλισμός, είτε για να δημιουργηθεί κάποιο πρότυπο τυποποίησης. Βέβαια, τα πρότυπα παρέχουν απαιτήσεις ασφαλείας, αλλά η τήρηση ακριβούς μεθόδου για την ικανοποίησή τους εναπόκειται στον κατασκευαστή.
Τα πρότυπα τυποποίησης που αφορούν τη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων (Electric Vehicles [EV]) είναι δυο: το SAE J1772 που χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ και το IEC 61851 για την Ευρώπη και Κίνα. Σε αυτά περιγράφονται οι απαιτήσεις των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, καθώς και των σταθμών φόρτισης, προκειμένου να συνδεθούν μεταξύ τους και να επιτευχτεί η ανταλλαγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Πιο συγκεκριμένα, το πρότυπο IEC 61851-1 αναπτύχτηκε από τη Διεθνή Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (International Electrotechnical Commission) και περιγράφει τους τρόπους φόρτισης ταξινομώντας τους σε τέσσερις κατηγορίες (modes). Η ταξινόμηση έγινε με κριτήρια α) την τάση, β) την ισχύ φόρτισης, γ) την επικοινωνία του ηλεκτρικού οχήματος με το σταθμό φόρτισης, καθώς και δ) τον τρόπο γείωσης με τις συσκευές προστασίας.
Φόρτιση AC mode 1: Οικιακή υποδοχή και καλώδιο προέκτασης
Με την αγορά ενός επαναφορτιζόμενου από το δίκτυο υβριδικού ηλεκτρικού αυτοκινήτου (Plug-in Hybrid Electric Vehicle [PHEV]), ο χρήστης παραλαμβάνει από τον κατασκευαστή και ένα απλό καλώδιο φόρτισης.
Το καλώδιο αυτό χρησιμοποιείται στη φόρτιση mode 1 (βλ. σχήμα 1), κατά την οποία το όχημα συνδέεται σε μονοφασικό οικιακό ρευματοδότη μέσω τυποποιημένης υποδοχής τύπου Schuko που δεν υπερβαίνει τα 16Α. Εάν η οικία διαθέτει τριφασική παροχή τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί τριφασικός σύνδεσμος. Και στις δυο περιπτώσεις τηρούνται τα πρότυπα IEC 60884 -1 και IEC 60309-1, -2. Το άλλο άκρο του καλωδίου είναι συνήθως βύσμα Type-2 (Mennekes). Ο συνηθισμένος χρόνος φόρτισης είναι στις 10-15 ώρες από οικιακό ρευματοδότη. Η AC mode 1 είναι αργή φόρτιση, και αυτός είναι ένας λόγος που προτιμάμε να γίνεται κατά τη διάρκεια της νύχτας.
Για την προστασία του χρήστη αλλά και του εξοπλισμού του οχήματος, το μεταλλικό πλαίσιο συνδέεται με τη γη μέσω του αγωγού γείωσης που διαθέτει το καλώδιο φόρτισης. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή vw «γείωση», και εφαρμόζεται σε όλα τα συστήματα ηλεκτρικής διανομής που χρησιμοποιούνται σήμερα. Ο σκοπός του γειωμένου συστήματος είναι στην περίπτωση που θα παρουσιαστεί κάποιο σφάλμα διαρροής να κατευθύνει το επικίνδυνο ρεύμα προς τη γη.
Σε αυτό τον τρόπο φόρτισης, εκτός από τον αγωγό γείωσης, προστασία από ηλεκτροπληξία στο χρήστη του ηλεκτρικού οχήματος προσφέρει η διάταξη διαφορικού ρεύματος που διαθέτει η ηλεκτρική εγκατάσταση της οικίας και είναι τύπου Α. Αυτό σημαίνει ότι ανιχνεύει τη διαρροή εναλλασσόμενου ρεύματος και αντιδρά διακόπτοντας το κύκλωμα, εάν η τιμή ξεπεράσει τα 30 mA.
Η φόρτιση με τον τρόπο mode 1 έχει χαμηλό επίπεδο ασφάλειας, και για το λόγο αυτό δεν χρησιμοποιείται σε αρκετές χώρες, όπως στις ΗΠΑ.
Φόρτιση AC mode 2: Αργή φόρτιση από μια πρίζα γενικής χρήσης με μια συσκευή προστασίας από ηλεκτροπληξία (RCD) στο καλώδιο
Η φόρτιση mode 2 (βλ. σχήμα 2) μοιάζει με τη φόρτιση mode 1, διότι το όχημα συνδέεται σε τυπικό ρευματοδότη για τη παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η διαφορά είναι στο καλώδιο, το οποίο είναι γνωστό ως “occasional use cable” ή “καλώδιο περιστασιακής χρήσης”, και συνήθως παρέχεται με το ηλεκτρικό όχημα από τον κατασκευαστή.
Αυτό το καλώδιο παρέχει:
- Διάταξη διαφορικού ρεύματος (RCD).
- Προστασία από υπερβολικό ρεύμα (Over current protection).
- Προστασία από υπερβολική θερμοκρασία (Over temperature protection).
- Ανίχνευση γείωσης προστασίας Protective Earth detection (from wall socket).
Η διάταξη διαφορικού ρεύματος περιλαμβάνει δυο αντιηλεκτροπληξιακά ρελέ: ένα τύπου A και ένα τύπου Β. Το ρελέ διαρροής τύπου Α ανιχνεύει και παρέχει προστασία σε διαφορικά ημιτονοειδή εναλλασσόμενα ρεύματα, αλλά και από ρεύματα παλμικής κυματομορφής.
Οι φορτιστές των μπαταριών που χρησιμοποιούνται σε plug-in ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να προκαλέσουν υψηλά επίπεδα αρμονικής παραμόρφωσης. Τα τυπικά ρελέ τύπου A έχουν σχεδιαστεί μόνο για χρήση σε συχνότητα των 50Hz AC. Εάν σε αυτό το ρελέ που είναι σχεδιασμένο για λειτουργία στα 50Hz περάσει ρεύμα υψηλής συχνότητας, μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση των εξαρτημάτων και να οδηγήσει σε αστοχία του ρελέ.
Ένα άλλο ζήτημα σχετίζεται με τα κυκλώματα ανόρθωσης του on board φορτιστή και τη διαρροή DC ρεύματος στο καλώδιο της παροχής υπό συνθήκες βλάβης. Το DC που ρέει μέσω τυπικών RCD παράγει μαγνητικό κορεσμό στον σιδερένιο πυρήνα ρελέ και το καθιστά ανίκανο να ανταποκριθεί σε μια κατάσταση στην οποία υπάρχει πραγματικός κίνδυνος ηλεκτροπληξίας. Για το λόγο αυτό τοποθετείται και ρελέ τύπου Β, ώστε να υπάρχει μια ολοκληρωμένη ικανότητα ανίχνευσης για ρεύματα διαρροής και κατά συνέπεια αυξημένη ασφάλεια στο χρήστη του ηλεκτρικού οχήματος.
Όπως και στο AC mode 1, το όχημα για τη φόρτισή του συνδέεται στο δίκτυο με παροχή μονοφασική 230 V AC ή τριφασική 400 V AC με συχνότητα 50-60 Hz, και το ρεύμα μπορεί να φτάσει την τιμή των 32Α ανά φάση με την κατάλληλη εγκατάσταση. Έτσι η ισχύς που παραλαμβάνεται για τη φόρτιση του οχήματος μπορεί να φτάσει τα 22 kW.
Φόρτιση AC mode 3: Ημιταχεία φόρτιση από ειδικό φορτιστή
Η φόρτιση AC mode 3 (βλ. σχήμα 3) γίνεται από ειδικό εξοπλισμό τροφοδοσίας γνωστό ως Σταθμός Φόρτισης Ηλεκτρικών Οχημάτων (ΣΦΗΟ) ή Electric Vehicle Charging Station (EVSE). Το EVSE είναι ειδικός ρευματοδότης για να παρέχει την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την επαναφόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων, και μπορεί να είναι επίτοιχος (Wall Box) ή επιδαπέδιος (Pentestal).
Υπάρχει επικοινωνία μεταξύ οχήματος και ρευματοδότη μέσω της γραμμής ελέγχου (πιλότου) και επιτυγχάνονται ταχύτερες φορτίσεις σε σχέση με τα mode 1 και 2, ανάλογα με τη σύνδεση στο δίκτυο και την ισχύ του φορτιστή του οχήματος. Διαθέτει προστασία από ηλεκτροπληξία μόνιμα ενσωματωμένη στον ρευματοδότη όπως στη φόρτιση mode 2 με ρελέ διαρροής τύπου Α και ρελέ τύπου Β.
Ο εξοπλισμός τροφοδοσίας EVSE διαθέτει ασφάλεια στην είσοδο της τροφοδοσίας για την προστασία των κυκλωμάτων. Να σημειωθεί ότι δύναται να φέρει ηλεκτρονικά κυκλώματα για λειτουργίες όπως είναι η μέτρηση ηλεκτρικής ενέργειας φόρτισης, η χρέωση αυτής, καθώς και επικοινωνίες για εφαρμογές απομακρυσμένης υπηρεσίας. Επίσης, περιλαμβάνει ηλεκτρονόμο για τον έλεγχο του φορτίου.
Αποδεκτός ακροδέκτης για την επαναφόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων με τη mode 3 καθορίζεται από το πρότυπο EN/IEC 62196-2 και είναι το Type 2 (Mennekes).
Φόρτιση DC mode 4: Γρήγορη φόρτιση με εξωτερικό φορτιστή παροχής DC
Στη φόρτιση DC mode 4 (βλ. σχήμα 4) ο ειδικός εξοπλισμός τροφοδοσίας (EVSE) χρησιμοποιεί ένα off-board φορτιστή ο οποίος διαθέτει μετατροπέα AC σε DC. Εδώ το όχημα επαναφορτίζεται σε χρονικό διάστημα λιγότερο από μια ώρα, με παροχή συνεχούς ρεύματος με μέγιστη τιμή που μπορεί να φτάσει τα 400 Α.
Το όχημα επικοινωνεί με τον εξωτερικό φορτιστή και του οχήματος για τον πλήρη έλεγχο της φόρτισης με ένα κατάλληλο πρωτόκολλο επικοινωνίας καθώς και για προστασία από ηλεκτροπληξία. Η γρήγορη φόρτιση είναι χρήσιμη για να αποκατασταθεί γρήγορα η κατάσταση φόρτισης (SOC – state of charge) μερικώς ή πλήρως κατά τη διάρκεια της ημέρας, για να ολοκληρωθεί π.χ. ένα ταξίδι που είναι μεγαλύτερο από τη μέγιστη δυνατότητα οδήγησης (AER – All electric range) του οχήματος.
Οι σταθμοί φόρτισης DC mode 4 σχεδιάζονται ως συστήματα ΙΤ, δηλαδή δεν επιτρέπεται η σύνδεση ενεργού αγωγού με τη γείωση. Ο μετασχηματιστής που είναι τοποθετημένος στο σταθμό φόρτισης συνεχούς ρεύματος, αλλά και ο σχεδιασμός των ηλεκτρονικών συστημάτων φόρτισης, προσφέρουν την ηλεκτρική απομόνωση που απαιτείται, και κατά συνέπεια παρέχεται ασφάλεια στο χρήστη.
Το σημαντικό πλεονέκτημα εδώ είναι ότι η τάση επαφής στην περίπτωση σφάλματος είναι περίπου 0 V. Ως αποτέλεσμα, ένας πιθανός κίνδυνος που οφείλεται στη ροή ρεύματος μέσω του σώματος, μπορεί σχεδόν να αποκλειστεί. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, εάν σκεφτούμε ότι η χρήση σταθμών φόρτισης γίνεται από άτομα χωρίς ηλεκτρική γνώση. Ο εξοπλισμός φόρτισης περιλαμβάνει ηλεκτρονόμο φορτίου, ασφάλεια στην έξοδο του μετατροπέα, καθώς και ηλεκτρονικά κυκλώματα για την επικοινωνία ανθρώπου – φορτιστή, χρέωση φόρτισης και διασύνδεση των σταθμών μεταξύ τους, όπως και με τον πάροχο για τη διαθεσιμότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Αποδεκτός ακροδέκτης για την επαναφόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων με τη mode 4 καθορίζεται από το πρότυπο EN/IEC 62196-3 και είναι το Type 3 (DC Combo 2).
Τέλος, κάθε συσκευή φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να διαθέτει πιστοποίηση CE, που βεβαιώνει ότι πληρούνται όλες οι σχετικές απαιτήσεις για την ασφάλεια και την προστασία της υγείας του χρήστη.
Συμπέρασμα
Όπως σε κάθε σύνδεση ηλεκτρικής συσκευής με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, έτσι και η φόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκίνητου διέπεται από κανόνες και πρέπει να πληροί αυστηρές φόρμες ασφαλείας. Καταλήγουμε, λοιπόν, ότι χάρη στα διεθνή πρότυπα ασφαλείας και στις σχετικές οδηγίες, η φόρτιση των οχημάτων είναι ασφαλής και ο χρήστης δεν διατρέχει κανέναν απολύτως κίνδυνο ηλεκτροπληξίας.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
- T. Skouras, P. Gkonis, C. Ilias, P. Trakadas, El. Tsampasis and T. Zahariadis, December 2019, Electrical Vehicles: Current State of the Art, Future Challenges and Perspectives, Clean Technol. 2020, 2(1), 1-16
- Conductive Charging Standardisation Issues Ανακτήθηκε 24 Μαρτίου 2020 από: https://etecmc10.vub.ac.be/publications/evs17vdb.pdf
- Solutions for E-Mobility Demands. Ανακτήθηκε 26 Μαρτίου 2020 από: https://www.altenergymag.com/article/2016/10/solutions-for-e-mobility-demands/24854
- A Kersten , A. Rodionov, M. Kuder, T.Hammarström , A. Lesnicar 2 and T. Thiringer , June 2021, Review of Technical Design and Safety Requirements for Vehicle Chargers and Their Infrastructure According to National Swedish and Harmonized European Standards, Energies 2021, 14, 3301
- Charging station. (n.d.). Ανακτήθηκε στις 22 Ιουνίου 2019, από en.wikipedia.org: https://en.wikipedia.org/wiki/Charging_station
- RCD requirements of EV charging equipment Ανακτηθηκε στις 10 Σεπτεμβρίου 2021 από: http://www.eponthenet.net/article/54621/RCD-requirements-of-EV-charging-equipment.aspx
- Technical Series Edition 9 Electrical infrastructure for e-car charging stations Ανακτήθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2021 από: https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:8d1d198c465395b165b9e7bf8066243371ef5b0a/09-electrical-infrastructure-for-e-car-charging-stations.pdf
- Electrical safety on charging electric vehicles, Ανακτηθηκε στις 5 Αυγούστου 2021 από https://www.bender.de/fileadmin/content/BenderGroup/Documents/Article/en/ElektrischeSicherheitEV_ARTIKEL_en.pdf
- Charging modes (IEC-61851-1) Ανακτήθηκε στις 13 Σεπτεμβρίου 2021 από: http://circutor.com/en/training/electric-vehicle/charging-modes-iec-61851-1
10.Ελληνικό Ινστιτούτο Ηλεκτροκίνητων Οχημάτων – ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο. Ανακτήθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2021 από http:// https://www.heliev.gr/
11.Υ.Α. 42863/438/2019. Καθορισμός των όρων, των προϋποθέσεων και των τεχνικών προδιαγραφών για την εγκατάσταση συσκευών φόρτισης συσσωρευτών ηλεκτροκίνητων οχημάτων (σημεία επαναφόρτισης), στις εγκαταστάσεις εξυπηρέτησης οχημάτων, σε δημοσίως προσβάσιμα σημεία επαναφόρτισης κατά μήκος του αστικού, υπεραστικού και εθνικού οδικού δικτύου καθώς και σε χώρους στάθμευσης δημόσιων και ιδιωτικών κτιρίων (ΦΕΚ 2040/Β` 4.6.2019) https://www.elinyae.gr/en/node/61649
12.High-Performance Magnetic Sensors Speed EV Charging Ανακτηθηκε στις 10 σεπτεμβριου 2021 από: https://www.eetimes.eu/high-performance-magnetic-sensors-speed-ev-charging/
*Ο κ. Θεόδωρος Σκούρας είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός και από το 1997 είναι εκπαιδευτής ηλεκτρολόγων σε τεχνικές σχολές.
Σχήμα 1 – Φόρτιση AC mode-1
Σχήμα 2 – Φόρτιση AC mode-2
Σχήμα 3 – Φόρτιση AC mode-3
Σχήμα 4 – Φόρτιση DC mode-4
