Τεχνολογίες φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων (μέρος 1ο)

Η ηλεκτροκίνηση έρχεται για τα καλά στη καθημερινή μας ζωή, και τα ηλεκτρικά οχήματα θα είναι σε λίγα χρόνια το πιο συνηθισμένο μέσο μεταφοράς. Για να συνεχιστεί η μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση, είναι σημαντικό να βρεθούν και να αναπτυχτούν νέες τεχνολογίες, ώστε η φόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου να είναι μια προσιτή, εξαιρετικά απλή και εύκολη διαδικασία.

Άρθρο του κ. Θεόδωρου Σκούρα*

Στο άρθρο αυτό, το οποίο ολοκληρώνεται σε δυο μέρη, παρουσιάζονται οι τρόποι με τους οποίους μπορεί ένα ηλεκτρικό όχημα (EV) να πάρει ηλεκτρική ενέργεια. Στο πρώτο μέρος γίνεται η παρουσίαση των σταθμών φόρτισης που έχουμε συνηθίσει να χρησιμοποιούμε, ενώ στο δεύτερο μέρος θα παρουσιαστούν εναλλακτικές τεχνικές εφοδιασμού των ηλεκτρικών οχημάτων.

Σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων (Charging Station-CS)

Ως «σταθμό φόρτισης» (CS) ορίζουμε την υποδομή φόρτισης για το ηλεκτρικό όχημα η οποία αποτελείται από ένα ή περισσότερα σημεία φόρτισης (CP) που συνδέονται με το δίκτυο διανομής.

Οι σταθμοί φόρτισης διακρίνονται σε πέντε κατηγορίες, οι οποίες παραθέτονται παρακάτω.

1. Σταθμοί φόρτισης κατοικιών

Η φόρτιση στο σπίτι είναι συχνά ο πιο βολικός και οικονομικά αποδοτικός τρόπος για την επαναφόρτιση ενός ηλεκτρικού οχήματος (Electric Vehicles [EV]). Ο ιδιοκτήτης επαναφορτίζει το όχημα όταν επιστρέφει στο σπίτι του, συνήθως κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Η φόρτιση επιτυγχάνεται με μια συμπαγή μονάδα η οποία διαθέτει ένα συνδεδεμένο καλώδιο φόρτισης ή μια πρίζα για την τοποθέτηση ενός φορητού καλωδίου φόρτισης. Η τοποθέτηση της μονάδας (γνωστή και ως wallbox) γίνεται σε έναν εξωτερικό τοίχο ή γκαράζ, κοντά στο σημείο στάθμευσης.

Υπάρχουν οικιακοί φορτιστές που τροφοδοτούνται από μονοφασική παροχή, με τη μέγιστη ισχύ φόρτισης να είναι 7kW δίνοντας περίπου 30 χιλιόμετρα αυτονομίας ανά ώρα φόρτισης. Υπάρχουν όμως και φορτιστές Wallbox με ισχύ 22ΚW, αλλά η εγκατάστασή τους μπορεί να γίνει μόνο σε κατοικίες που διαθέτουν τριφασική παροχή. Οι φορτιστές Wallbox έχουν γενικά χαμηλότερο κόστος κεφαλαίου και εγκατάστασης.

2. Σταθμοί φόρτισης σε χώρους στάθμευσης

Οι συγκεκριμένοι φορτιστές τοποθετούνται σε ιδιωτικά πάρκινγκ, χώρους στάθμευσης εμπορικών κέντρων, ή σε χώρους στάθμευσης υπαλλήλων μιας επιχείρησης. Τα γκαράζ στάθμευσης είναι το πιο ιδανικό μέρος για να φορτίσουν τα οχήματα οι χρήστες των EV, και είναι η δεύτερη επιλογή μετά την οικιακή φόρτιση. Επιπλέον, η υπάρχουσα ηλεκτρική καλωδίωση και δομή (π.χ. τοίχοι) πολλών γκαράζ μπορεί να μειώσει την πολυπλοκότητα και το κόστος εγκατάστασης του σταθμού.

Η φόρτιση στους χώρους στάθμευσης μπορεί να γίνεται με μονάδες των παρακάτω τύπων:

• Wallbox: Φορτιστής που θυμίζει κουτί τοποθετημένο στον τοίχο, ενώ η επίτοιχη μονάδα είναι ίδια με αυτή που χρησιμοποιείται στην οικιακή φόρτιση.
• Pedestal – mounted box: Φορτιστής τοποθετημένος σε βάση.
• Ground installed pole: Επίγειος σταθμός φόρτισης.

Οι φορτιστές μπορεί να είναι ισχύος 3kW – 7kW για αργή φόρτιση, ή 7kW – 22kW για γρήγορη φόρτιση.

Να σημειωθεί, ωστόσο, ότι η φόρτιση ενός οχήματος εξαρτάται από τον ενσωματωμένο φορτιστή του αυτοκινήτου και όχι από την ισχύ του σταθμού. Όλα τα μοντέλα μπορούν να συνδεθούν στο σημείο φόρτισης που διαθέτει ισχύ 7ΚW-22ΚW, αλλά θα αντλήσουν μόνο τη μέγιστη ισχύ που δέχεται ο ενσωματωμένος φορτιστής. Με απλά λόγια, ένα όχημα με ενσωματωμένο φορτιστή 3,3kW θα αντλεί μόνο 3,3 kW, ακόμη κι αν ο γρήγορος φορτιστής είναι 22 kW.

3. Σταθμοί ταχείας φόρτισης σε δημόσιους σταθμούς (Fast Charging Station [FCS])

Ένας σταθμός ταχείας φόρτισης περιλαμβάνει ταχυφορτιστές με ισχύ πάνω από 40 kW, που μπορούν να φορτίσουν ένα όχημα σε χρόνο από 10 έως 30 λεπτά. Αυτοί οι φορτιστές βρίσκονται σε δημόσιους ή ιδιωτικούς σταθμούς. Επίσης μπορεί να βρίσκονται σε σταθμούς εξυπηρέτησης αυτοκινήτων (ΣΕΑ) αυτοκινητοδρόμων όπου τα οχήματα φορτίζονται για να μπορέσουν να διανύσουν μεγάλες αποστάσεις.

Ο σταθμός ταχείας φόρτισης (FCS) είναι σταθερή εγκατάσταση με πολλά σημεία φόρτισης. Η ισχύς αποκτάται απευθείας από τη μέση τάση του δικτύου με χρήση μετασχηματιστή. Ο επιπλέον εξοπλισμός που μπορεί να περιλαμβάνει ένας σταθμός, είναι γεννήτριες, συστοιχίες μπαταριών ή φωτοβολταϊκές (PV) κυψέλες, ώστε να είναι αξιόπιστη η φόρτιση των EV.

Το τελευταίο διάστημα αναπτύσσεται η τεχνολογία των υπερταχυφορτιστών, με στόχο τη μείωση των χρόνων φόρτισης μέχρι και στα 5 λεπτά. Προκειμένου να ικανοποιηθεί αυτός ο σκοπός, απαιτείται μεγάλη παροχή ισχύος που μπορεί να φτάσει τα 350 kW με συνεχές ρεύμα έντασης 400 Α.

Αυτό συνεπάγεται υπερβολική διάσταση καλωδίων, μετασχηματιστών ισχύος, συσκευών κλπ. Το πρόβλημα μεγαλώνει όταν φορτίζονται πολλά διαφορετικά οχήματα ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα να αυξάνει και η αιχμή της ζήτησης. Επίσης, ένα άλλο ζήτημα που τίθεται με την ταχυφόρτιση είναι η καταπόνηση της μπαταρίας, κάτι που έχει αντίκτυπο στη διάρκεια της ζωής της.

4. Σταθμοί αντικατάστασης μπαταριών (Battery Swapping Station-BSS)

Ο σταθμός αντικατάστασης μπαταριών είναι ένας χώρος όπου μπορεί ο χρήστης του EV να οδηγήσει το αυτοκίνητο, όπου ένα αυτόματο σύστημα (ή χειροκίνητα) μπορεί να ανοίξει το κάτω μέρος του ηλεκτρικού αυτοκινήτου, να αφαιρέσει τη μπαταρία που έχει αποφορτιστεί και να τοποθετήσει στη θέση του μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία.

Σε αυτό τον τύπο σταθμών γίνεται και η επαναφόρτιση των μπαταριών που έχουν αντικατασταθεί. Το σύστημα επαναφόρτισης μπαταριών από τους σταθμούς χρησιμοποιείται μόνο για τη φόρτιση των μπαταριών που έχουν αντικατασταθεί και δεν είναι ανοιχτό στους χρήστες EV για την εξισορρόπηση του φορτίου αιχμής στο έξυπνο δίκτυο.

Τα πλεονεκτήματα των σταθμών αντικατάστασης μπαταριών είναι τα ακόλουθα:

• Γρήγορη εναλλαγή μπαταρίας σε χρόνο λίγων λεπτών.
• Ο οδηγός δεν χρειάζεται να βγει από το όχημα όταν αλλάξει η μπαταρία.
• Ο οδηγός, με την αντικατάσταση της μπαταρίας, μεταφέρει το κόστος της, τη διάρκεια ζωής της, τη συντήρηση, το κόστος κεφαλαίου, την ποιότητα, την τεχνολογία και την εγγύηση στην εταιρεία σταθμών αλλαγής μπαταρίας.
• Οι εφεδρικές μπαταρίες σε σταθμούς ανταλλαγής θα μπορούσαν να συμμετέχουν στο σενάριο V2G (Vehicle to Grid: Όχημα προς Δίκτυο)

Το μειονέκτημα είναι ότι απαιτείται τυποποίηση των μπαταριών.

5. Κινητός σταθμός ταχείας φόρτισης

Ο κινητός σταθμός ταχείας φόρτισης (Mobile Charging Station [MCS]) είναι ένα ηλεκτρικό ή υβριδικό όχημα εξοπλισμένο με ένα μικρό αριθμό σημείων φόρτισης (Charging Point) και με κάποιο τύπο αποθήκευσης ενέργειας όπως ultracapacitors.

Η κύρια πηγή ισχύος του MCS είναι το δίκτυο. Το MCS μπορεί να σταθμεύσει σε κάποιο FCS, με το οποίο συνδέεται για να φορτιστεί, και μπορεί να φορτίζει το πλησιέστερο EV. Αυτή η λειτουργία φόρτισης του MCS ονομάζεται «on-grid», επειδή φορτίζει το κοντινό EV χρησιμοποιώντας τη σύνδεσή της με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.

Το πλεονέκτημα του MCS είναι ότι μπορεί να ταξιδέψει σε κάποια απόσταση, να σταθμεύσει και να φορτίσει ένα EV εκτός FCS, χρησιμοποιώντας την ενέργεια που έχει αποθηκευμένη. Σε αυτή την περίπτωση έχουμε λειτουργία φόρτισης off-grid.

*Ο κ. Θεόδωρος Σκούρας είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός, ενώ από το 1997 είναι εκπαιδευτής ηλεκτρολόγων σε τεχνικές σχολές.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

• Vidyanandan, K. (2018, March). Overview of Electric and Hybrid Vehicles. Ανάκτηση August 2019, από Article: https://www.researchgate.net/publication/323497072_Overview_of_Electric_and_Hybrid_Vehicles?enrichId=rgreq-16d6f0aed26e7d9365671e0c06af1215-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyMzQ5NzA3MjtBUzo1OTk0MzUwNzk4NTIwMzJAMTUxOTkyNzg2ODM0NA%3D%3D&el=1_x_2&_esc=publica
• Chirag Pancha, S. S. (October 2018). Review of static and dynamic wireless electric vehicle charging system. Engineering Science and Technology, an International Journal, Volume 21, Issue 5 , σσ. 922-937.
• Inductive charging. (n.d.). Ανάκτηση June 2019, 22, απόwikipedia.org: https://en.wikipedia.org/wiki/Inductive_charging
• Parmesha, R. P. ( 2016). Wireless Charging System for Electric Vehicles . International Journal of Vehicle Structures & Systems 8(5), 285-288 .
• Khutwad, S. R., & Gaur, S. (2017). Wireless charging system for electric vehicle. India: IEEE International Conference on Signal Processing, Communication, Power and Embedded System (SCOPES).
• Chun Qiu, K. C. (2014, 17-20 Nov.). Overview of wireless power transfer for electric vehicle charging. 2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27) . Barcelona, Spain: IEEE
• M. Vilathgamuwa, J. S. Wireless Power Transfer (WPT) for Electric Vehicles (EVs)—Present and Future Trends. accessed on   https://pdfs.semanticscholar.org/939b/cea8fc06dc1243a2907265552e7ad13c373a.pdf
• JaeJang, Y. (October 2018). Survey of the operation and system study on wireless charging electric vehicle systems. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, Volume 95 , σσ. 844-866.
• Nikolay Dimitrov Mazharov, S. M. (January 2017). Some Problems of Dynamic Contactless Charging of Electric Vehicles. Article in Acta Polytechnica Hungarica 14(4) , σσ. 7-26.
• Chirag Panchal, J. L. (2017, September). Static In-wheel Wireless Charging Systems for Electric Vehicles. International Journal of Scientific & Technology Research, Volume 6, Issue 9
• Mohan, S. S. (2018). Solar powered Hybrid vehicl. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 390, conference 1 .
• Patrapalli Durga Venkata Lakshmi1, M. M. ( Feb-2018 ). SOLAR BASED ELECTRICAL VEHICLES WITH CONDUCTIVE PLASTICS . International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) Volume: 05 Issue: 02
• (n.d.). Electric roads in Norway? Summary of a concept analysis. accessed on vegvesen.no: https://www.vegvesen.no/_attachment/2322599/binary/1262403?fast_title=Final+report+-+Electric+roads+in+Norway+-+Summary+of+a+concept+analysis.pdf
• Gabriel Domingues-Olavarría 1, F. J.-F. (n.d.). Electric Roads: Analyzing the Societal Cost of Electrifying All Danish Road Transport. Article (PDF Available) in World Electric Vehicle Journal 9(1):9 · June 2018
• George Hiltona, T. B. ( September 2018). Dynamic charging algorithm for energy storage devices at high rate EV chargers for integration of solar energy. ScienceDirect Energy Procedia 151 (2018) 2–6
• Tinton Dwi Atmajaa, A. (April 2015). Energy storage system using battery and ultracapacitor on mobile charging station for electric vehicle. Article (PDF Available) in Energy Procedia 68 , σσ. 429 – 437.
• Tinton Dwi Atmajaa, M. M. ( April 2015 ). Electric vehicle mobile charging station dispatch algorithm . Science Direct, Energy Procedia 68 ( 2015 ) 326 – 335.