Ładowarki do samochodów elektrycznych

W Polsce szybko przybywa stacji ładowania pojazdów elektrycznych: pod koniec marca 2023 r. funkcjonowało 2699 ogólnodostępnych stacji ładowania (5305 punktów), z czego 30% stanowiły szybkie stacje ładowania prądem stałym (DC), a 70% – wolne ładowarki prądu przemiennego (AC) o mocy mniejszej lub równej 22 kW. Coraz częściej ładowarki są instalowane również w prywatnych garażach.

Rodzaje ładowarek ze względu na rodzaj dostarczanej energii

Pojazdy elektryczne można ładować na dwa sposoby: prądem przemiennym lub prądem stałym. Dlatego ze względu na rodzaj dostarczanej energii elektrycznej stacje ładowania dzielimy na dwa zasadnicze rodzaje: stacje ładowania prądem przemiennym (AC) albo prądem stałym (DC).

Prąd pobierany z sieci to prąd przemienny, jednak baterie samochodu mogą przechowywać energię elektryczną dostarczoną wyłącznie za pomocą prądu stałego. Tak więc, aby magazynować energię w akumulatorze, przetwornica musi zmienić prąd z AC na DC.

Stacje ładowania AC są to urządzenia, za pomocą których naładujemy samochód elektryczny prądem przemiennym, a więc takim, który w sposób cykliczny zmienia kierunek i natężenie. W przypadku stacji AC czas ładowania trwa od kilku do kilkunastu godzin, ponieważ ich zakres mocy wynosi od 3,7 do 22 kW (maksymalnie 43 kW), a im słabsza moc ładowania, tym ładowanie trwa dłużej. Tego typu stacje doskonale sprawdzają się w miejscach, w których krótki czas ładowania nie jest priorytetem, czyli np. w parkach rozrywki, hotelach czy galeriach handlowych, gdzie spędzamy zazwyczaj kilka godzin, nie korzystając w tym czasie z samochodu.

Stacje ładowania DC – nazywane też stacjami szybkiego ładowania – są to natomiast urządzenia, które zapewniają ładowanie prądem stałym, czyli takim, którego kierunek przepływu i natężenie nie podlegają zmianom. Jest to prąd o dużej mocy, dlatego ładowanie jest znacznie szybsze; ładowarki DC mają zwykle moc od 43 do ponad 150 kW (maks. 350 kW – ładowanie ultraszybkie). Stacje DC są idealnym rozwiązaniem w miejscach, w których krótki czas ładowania jest dla kierowcy priorytetem, czyli na stacjach benzynowych, parkingach przy trasach szybkiego ruchu, autostradach itp. Warto jednak pamiętać, że stacje ładowania samochodów elektrycznych to urządzenia wyposażone w jeden lub więcej punktów ładowania – dlatego jedna stacja może obejmować zarówno punkty AC, jak i DC.

Rodzaje ładowarek ze względu na architekturę stacji

Ładowarki naścienne (wallbox)

Kierowcom, którzy dysponują własnym garażem przy domu, poleca się stacje AC typu wallbox – takie ładowarki mocowane są do ściany, nie wymagają więc dodatkowego miejsca na ustawienie osobnego statywu. Sprawdzą się wszędzie tam, gdzie przestrzeń do parkowania jest mocno ograniczona, np. na podziemnych parkingach czy w garażach przy domach jednorodzinnych. To idealna opcja zwłaszcza dla tych osób, które każdego dnia mają możliwość podpięcia swojego pojazdu do ładowania, np. w nocy. Dzięki temu, wyruszając rano z domu, kierowca ma baterię naładowaną do pełna, a co za tym idzie – może skorzystać z całego oferowanego przez samochód zasięgu.

Ładowarki naścienne wallbox to najczęściej stacje typu AC. Naścienne punkty ładowania zazwyczaj mają już zainstalowane kable, można jednak spotkać też i takie, w których występują same gniazda – wtedy trzeba mieć własny kabel do ładowania pojazdu.

Wolnostojące stacje ładowania AC i DC

Od ładowarek typu wallbox różnią się tym, że są to urządzenia wolnostojące, tzn. stacja jest zamontowana na specjalnym osobnym słupie. Wymagają zatem więcej przestrzeni, ale też umożliwiają ładowanie dwóch lub nawet czterech samochodów jednocześnie. Tego typu stacje najczęściej buduje się w przestrzeni miejskiej, np. na parkingach przy centrach handlowych, na osiedlach mieszkaniowych czy przy obiektach biurowych. Wolnostojące stacje AC będą doskonałe w przypadku miejsc, gdzie ładowanie może odbywać się nieprzerwanie przez kilka godzin, ponieważ czas nie jest w tym przypadku priorytetem.

Stacje multimedialne to jeden z podtypów stacji wolnostojących – łączą one dwie funkcje: ładowanie pojazdów elektrycznych oraz reklamę zewnętrzną na ekranie cyfrowym. Przynoszą zatem właścicielowi dochód z dwóch źródeł. Idealnie nadają się do montażu w uczęszczanych miejscach publicznych, takich jak ruchliwe ulice dużych miast, parkingi przy centrach handlowych czy trasach szybkiego ruchu.

Ładowarki mobilne

Przenośna ładowarka do samochodu elektrycznego to przede wszystkim gwarancja bezstresowej jazdy w każdych warunkach – pozwala na szybkie i sprawne uzupełnienie poziomu baterii ze zwykłego gniazdka (Schuko/TE) lub gniazda siłowego (CEE). Mając w bagażniku przenośną stację ładowania, można naładować swój samochód elektryczny lub hybrydę plug-in praktycznie wszędzie, wystarczy dostęp do jakiegokolwiek gniazda.

Systemy ładowania

Mode 1 to system wolnego ładowania AC – najstarszy i najwolniejszy. Pojazd podłączony jest do sieci za pomocą gniazdka sieciowego lub siłowego, bez specjalnego systemu ochrony oraz komunikacji pomiędzy pojazdem a źródłem energii. Mode 2 to podstawowy obecnie system ładowania samochodów elektrycznych, wykorzystujący ładowarkę, która jest wyposażona w wyłącznik różnicowoprądowy oraz moduł umożliwiający komunikację pojazdu z ładowarką. Jest to system wolnego ładowania AC.

Mode 3 to system umożliwiający ładowanie przyspieszone oraz szybkie. Pojazd połączony jest z siecią za pośrednictwem specjalnej ładowarki wyposażonej w systemy bezpieczeństwa, funkcjonalności sterujące oraz zabezpieczenia dostępu.

System ładowania Mode 4 (AC/DC) wykorzystuje prąd przemienny lub stały – do ładowania wykorzystywany jest przewód połączony na stałe z ładowarką. Jest to najbardziej zaawansowany system ładowania, umożliwiający ładowanie przyspieszone, szybkie oraz ultraszybkie.

Standardy przyłączy, czyli gniazda ładowania

Bardzo ważnym elementem są gniazda ładowania, które w samochodzie elektrycznym są odpowiednikiem wlewu paliwa. Do gniazda podłącza się złącze (wtyczkę) ładowarki.

Przegląd przyłączy i gniazd należy zacząć od tzw. złącza Typu 1 – to pierwszy ze standardów ładowania prądu przemiennego AC. Złącze Typu 1 (AC) umożliwia ładowanie samochodów elektrycznych prądem przemiennym jednofazowym lub siłowym, nie większym niż 16 A, i napięciem nie większym niż 250 V (przy prądzie jednofazowym) oraz 480 V (przy prądzie siłowym). Jest to typ złącza rozpowszechniony głównie w Stanach Zjednoczonych i Japonii, w Europie mało popularny. W tym złączu występują trzy styki: 2-fazowe L1 i L2 oraz PE.

Typ 1 Combo (AC) to udoskonalone rozwiązanie Typu 1 – złącze wzbogacono o dwa dodatkowe trzpienie, odpowiadające za ładowanie prądem stałym. Jednak ono również nie stało się standardem w Europie, w przeciwieństwie do USA i Dalekiego Wschodu. Złącze Typ 1 (DC) umożliwia ładowanie samochodów elektrycznych prądem stałym. Jest to złącze podobne do łącza Typu 1 (AC) z tą różnicą, że zawiera dodatkowy moduł z dwoma spolaryzowanymi stykami stałoprądowymi „+” i „–”. Podczas ładowania wykorzystywane są styki stałoprądowe, styk PE oraz złącza komunikacyjne. Podobnie jak w przypadku złącza Typu 1 (AC) jest to złącze wykorzystywane w Stanach Zjednoczonych.

Złącze Typu 2 (AC) umożliwia ładowanie samochodów elektrycznych prądem przemiennym zarówno jednofazowym, jak i trójfazowym. Jest to złącze rozpowszechnione w Europie, które określa norma IEC 62196-2. Zgodnie z normą IEC 61851 jest to typ ładowania prądem przemiennym nie większym niż 32 A i napięciem nie większym niż 250 V przy prądzie jednofazowym oraz 480 V przy prądzie trójfazowym. W gniazda Typu 2 wyposaża się dziś wszystkie pojazdy elektryczne przeznaczone na rynek Unii. W polskich warunkach maksymalna moc ładowania prądem przemiennym jednofazowym wynosi 7,36 kW, co odpowiada wartości napięcia 230 V oraz natężenia 32 A (230 V×32 A = 7,36 kW). Natomiast moc ładowania prądem przemiennym trójfazowym wynosi 22 kW, co odpowiada wartości napięcia 3×230 V oraz natężenia 32 A (3×230 V×32 A = 22,08 kW). Złącze Typu 2 (AC) zawiera 5 styków L1, L2, L3, N i PE oraz 2 styki sterujące służące do komunikacji pomiędzy punktem ładowania a pojazdem elektrycznym.

Złącze Typu 2 (DC), nazywane inaczej Combo 2 lub CCS (Combined Charging System), pozwala korzystać zarówno ze standardowych ładowarek prądu przemiennego AC, jak i szybkich ładowarek DC. Górna część gniazda to złącze Typu 2 (standard przyjęty w Unii Europejskiej do ładowania AC). Na dole znajdują się dwa dodatkowe piny, które w połączeniu z górnym portem umożliwiają podłączenie wtyczki DC.

W Unii Europejskiej standardem dla ładowarek prądu przemiennego jest złącze Typu 2 (3–43 kW AC). W przypadku gdy samochód jest wyposażony w gniazdo CCS, służy ono do ładowania zarówno prądem przemiennym (Typ 2), jak i prądem stałym. W tym drugim przypadku złącze CCS zostaje umieszczone w gnieździe Typu 2 i wypełnia dodatkowo dwa styki umieszczone na dole gniazda.

Popularnym standardem przyłączy i wtyczek w Europie jest obecnie tzw. CHAdeMO, nazywane też czasem Typem 4. Ten rodzaj przyłącza pojawił się w Azji, głównie dzięki działaniom inżynierów związanych z tamtejszymi koncernami samochodowymi (Kia, Hyundai, Mazda, Nissan, Mitsubishi). W Europie standard ten rozpropagował Nissan Leaf. Ciekawostką jest fakt, iż złącze umożliwia przepływ energii w dwóch kierunkach pomiędzy pojazdem elektrycznym a ładowarką.

Osobnym standardem (moc 120 kW przy prądzie 480 V DC) jest to, co wymyśliła Tesla – funkcjonuje dobrze w USA czy w Kanadzie, jednak w Europie właściciele tych pojazdów (wykonanych w wersji na rynek amerykański i sprowadzonych na Stary Kontynent) muszą korzystać z przejściówek między systemem Tesla i Typem 2 Mennekes.

Złącze BG/T (DC) – stosowane jako standard w Japonii do ładowania pojazdów elektrycznych prądem stałym. System ten jest wykorzystywany przez chińskich producentów pojazdów, takich jak: Bjev, BYD, ZT. Złącze to, podobnie jak CHAdeMO, umożliwia przepływ energii w dwóch kierunkach pomiędzy pojazdem elektrycznym a ładowarką.

System komunikacji między pojazdem a ładowarką

Pojazdy elektryczne oprócz gniazd służących do ładowania mają też złącza komunikacyjne. W zależności od typu złącza sterowanie odbywa się poprzez komunikację linią energetyczną (PLC) – jak to jest w przypadku złącza Typu 1, Typu 2 oraz Combo 2 albo poprzez szeregową magistralę komunikacyjną (CAN) – tak jest w standardzie CHAdeMO i GB/T. Funkcję sterującą w standardzie Combo 2 pełnią styki PP (sygnał zbliżeniowy) i CP (sygnał sterujący) oraz styk PN, który oprócz tego, że pełni funkcję ochronną dla zasilania, to również stanowi uziemienie dla styków sterujących.

Natomiast w standardach CHAdeMO i GB/T DC mamy aż siedem styków sterujących. Rolą styków sterujących jest m.in. zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikowi stacji ładowania. Na podstawie zmieniającej się rezystancji w trakcie całego procesu ładowania rozpoznawane jest, jakim optymalnym prądem ładowania należy zasilić pojazd, kiedy pojazd jest podłączany oraz odłączany od ładowarki, kiedy rozpoczął się proces ładowania oraz kiedy się zakończył.

Osprzęt, akcesoria

Jednym z niezbędnych akcesoriów w samochodzie elektrycznym są kable do ładowania, które umożliwiają łatwe i bezpieczne zasilenie pojazdu za pośrednictwem stacji ładowania. Przewody do ładowania, dopasowane do konkretnych modeli samochodów elektrycznych, zwykle są oferowane wraz z pojazdem (np. Volkswagen, Volvo, Mercedes, BMW, Audi, Renault, Tesla). Mają długość od 4 do 8, a nawet 10 metrów, oraz moc dostosowaną do możliwości stacji ładujących 32 A. Nie ma jednak przeciwwskazań do zakupu takiego przewodu w innym miejscu niż to, w którym kupiono samochód, pod warunkiem że parametry urządzenia będą pasowały do pojazdu – chodzi szczególnie o rodzaj wtyczki (złącza), moc ładowania i dostosowanie do docelowej instalacji elektrycznej.

Podstawowym parametrem, według którego dobiera się przewód, jest jego moc [kW], która jest wypadkową liczby faz oraz natężenia prądu. Ten parametr należy precyzyjnie dopasować do mocy maksymalnej ładowarki pokładowej w samochodzie, np. gdy auto wyposażone jest w ładowarkę o mocy 3,7 kW, nie warto przepłacać za przewody o wyższej mocy, gdyż nie wykorzystamy w pełni ich możliwości. Ściśle powiązana z mocą jest liczba faz, gdyż wraz z liczbą faz obsługiwanych przez ładowarkę pokładową samochodu wzrasta również przenoszona moc. Kable typu 1 są wyłącznie 1-fazowe, natomiast kable typu 2 mogą być 1-fazowe lub 3-fazowe.

Do ładowania samochodów EVB mogą przydać się też adaptery – np. taki, który umożliwia ładowanie samochodu elektrycznego lub hybrydowego plug-in z gniazda siłowego CEE16A, gdy przenośna stacja ładowania wyposażona jest standardowo we wtyczkę CEE 32A. Marka Evston oferuje również adapter kabla z Typu 2 do Typu 1, który umożliwia ładowanie samochodu wyposażonego w gniazdo Typu 1 w sytuacji, kiedy stacja ładowania wyposażona jest na stałe w kabel z końcówką Typu 2 – w takiej sytuacji nie ma możliwości skorzystania z kabla ładowania typu Typ 1 do Typ 2, ponieważ pełnowymiarowy kabel nie jest adapterem i nie będzie działał.

Jak wynika z najnowszych danych Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych, w Polsce na jeden punkt ładowania przypada ok. 13 samochodów z napędem elektrycznym i 150 km drogi. Według wytycznych Unii Europejskiej nie są to warunki zapewniające komfort podróżowania: UE postuluje, aby jedna ładowarka przypadała maks. na 60 km drogi; dla porównania: w Holandii jedna ładowarka przypada na każde 1,5 km dróg. Instalacja nowych stacji ładowania w naszym kraju staje się dziś koniecznością i niezbędnym warunkiem rozwoju elektromobilności, zwłaszcza że od 2035 r. nie będą już mogły być rejestrowane w UE nowe samochody spalinowe.