Īsi un saprotami par elektroauto uzlādes veidiem

Kad cilvēkam rodas interese par elektroauto, viens no apgūstamajiem jautājumiem ir uzlāde. Šajā rakstā apskatīsim uzlādes režīmus un standartus.

Kas ir jālādē un kāpēc tas var būt sarežģīti?

“Cik ilgi jālādē? Kāpēc tik ilgi? Vai var uzlādēt mājās? Vai man mājā jābūvē ātrās uzlādes stacija?” –  ja neskaita jautājumus par nobraucamo attālumu, izmaksām un akumulatora dzīvesciklu, šis ir viens no jautājumiem, kurš tiek uzdots sarunās par ETL. Mēģināšu īsi pastāstīt par principiem un standartiem, pieminot dažus populārākos automodeļus. Mērķauditorija ir cilvēki, kuriem pašiem nav lielas pieredzes ETL lietošanā, tādēļ rakstā nebūs tehniskas detaļas par elektroķīmiskajiem procesiem baterijās vai elektroinstalāciju niansēm.

Ik katram ir gadījies izmantot kādu ierīci, kuru nepieciešama uzlādēt – mobilo tālruni, portatīvo datoru, epilatoru vai skuvekli, dronu vai parastās automašīnas akumulatoru. Tehnoloģijas un formāti ir dažādi, taču pamatprincips ir viens – uzlādējot akumulatoru, tam tiek piešķirta enerģija, ko vēlāk izmanto, darbinot ierīci.

Akumulators uzlādes procesā saņem līdzstrāvu un barojot patērētāju – atdodlīdzstrāvu. Sadzīves elektrotīklā ir maiņstrāva, līdz ar to jāatrisina jautājums par strāvas pārveidi no maiņstrāvu (AC) uz līdzstrāvu (DC).

Akumulatoriem ir daudz dažādu raksturlielumu, taču elektroauto kontekstā pats svarīgākais ir enerģijas ietilpība. To visbiežāk apzīmē ar kWh (kilovatstundām), lai gan ir daži izņēmumi – piemēram, BMW, kas bateriju kapacitātes apzīmēšanai lieto Ah (apmērstundas). Automašīnas pārvietošana nav viegls uzdevums, tādēļ ETL akumulatori ir ļoti ietilpīgi, ja salīdzina ar citiem sadzīvē izmantotajiem akumulatoriem. Piemēram, iPhone X  baterijas ietilpība ir 10.35 Wh jeb 0.01035 kWh, bet Nissan Leaf akumulators glabā 40 kWh jeb 3864 reizes vairāk enerģiju. Cits salīdzinājums – tā paša Nissan Leaf glabātā enerģija ir ekvivalenta tam, lai tavu elektrisko tējkannu darbinātu 20 stundas. Tas ir liels enerģijas daudzums, kas nozīmē lielas uzlādes jaudas, tādēļ svarīga ir arī drošība.

Ir vēl arī citi faktori (baterijas dzesēšana un apsilde, uzlādes vadība, bateriju iekšējā pretestība, āra temperatūra), taču par tiem ne šajā rakstā. Kā tad īsti notiek lādēšana?

Uzlādes režīmi

Izdala četrus uzlādes režīmus (charging mode). Visiem mūsdienu ETL ir iebūvēts lādētājs, kas pārveido maiņstrāvu uz līdzstrāvu un vada akumulatora lādēšanu. Tas tiek izmantots pirmajos trīs režīmos. Ceturtajā režīmā auto saņem līdzstrāvu no ārējā lādētāja.

Jāpiezīmē, ka ASV avotos tiek runāts par Level 1, Level 2 (abi lēnā uzlāde) un Level 3 (ātrā uzlāde) uzlādes veidiem, taču šajā rakstā mēs šo klasifikāciju neapskatām.

Mode 1 (netiek izmantots)

Vads no kontakta pa tiešo pieslēgts automašīnas iebūvētajam lādētājam. Mūsdienās netiek izmantots drošības apsvērumu dēļ, jo šādā risinājumā uzlādes kabelis pastāvīgi ir zem sprieguma.

Mode 2 (lēnā)

Vads no kontaktligzdas tiek pievienots automašīnā iebūvētajam lādētājam, uz vada (līdz 30 cm no kontaktligzdas) ir drošības bloks, kuru vada automašīnas lādētājs – ieslēdzot vai pārtraucot strāvas padevi. Šis bloks arī nodrošina elektriskās ķēdes pārtraukšanu kļūmes gadījumā (vads tiek pārrauts, pēkšņi izrauts no automašīnas, nav zemējuma, utml.). Šo bloku nav korekti saukt par lādētāju, jo tas neveic strāvas pārveidi vai uzlādes procesa vadību. “Sienas galā” Mode 2 parasti tiek realizēts ar parasto mājsaimniecības Schuko kontaktligzdu ar zemējumu, taču atsevišķos gadījumos var būt arī trīsfāžu kontaktligzda. Mājsaimniecības kontaktligzdām ir standartu noteikti ierobežojumi, tādēļ šis lādēšanas režīms visbiežāk dod 2.4 (1 fāze, 240V, 10A) vai 11..22kW (3 fāzes, 400V, 16..32A). Sadzīvē šo sauc par lēno uzlādi vai paātrināto uzlādi, ja jauda ir virs 11kW.

Jāpiebilst, ka ETL ražotāji un nozares speciālisti šo režīmu iesaka izmantot kā rezerves variantu, ikdienas lietošanai uzstādot Mode 3 uzlādes staciju.

Mode 3 (vidēji ātrā)

Tiek izmantota stacionāra (pie ēkas sienas, uz staba, utml.) uzlādes stacija, ko bieži dēvē par wallbox. Dēvēt to par lādētāju nav īsti korekti, jo šajā shēmā īstais lādētājs joprojām ir automašīnā. Mode 3 gadījumā uzlādes stacija pilda drošības funkcijas, līdzīgi kā Mode 2 gadījumā “kastīte” uz vada. Uzlādes stacijā vai nu sprauž kabeli (parasti Type 2 uzgalis) vai arī tai ir fiksēts kabelis (ar attiecīgi Type1 vai Type2 uzgali automašīnas pusē). Papildus var būt iespējamas tādas funkcijas kā uzlādes strāvas regulēšana (manuāli, ar programmatūru vai ar Smart House funkciju), autorizācija (piemēram, ar RFID) vai uzlādes vadība ar viedtālruni. Dēļ nopietnākas elektroinstalācijas (netiek izmantota mājsaimniecības kontaktligzda) šis variants var piedāvāt līdz 7kW jaudu vienfāzes maiņstrāvas gadījumā vai 43kW 3fāžu gadījumā. Ne visu ETL lādētāji var spēt izmantot šo jaudu. Mode 3 uzlādi mēdz dēvēt par vidēji ātro vai paātrināto uzlādi.

Mode 4 (ātrā)

Atšķirībā no pirmajiem trīs režīmiem, šis režīms automašīnai piegādā līdzstrāvu. Lādētājs atrodas ārpus automašīnas, veic maiņstrāvas pārveidi uz līdzstrāvu, kā arī nodrošina komunikāciju ar automašīnu. Šo dēvē par ātro uzlādi, visbiežāk tā sastopama 50kW realizācijā. Ir izstrādāti arī jaudīgāki standarti, kas paredz līdz pat 200kW..350kW jaudu.

Ātro uzlādi atbalsta lielākā daļa mūsdienu ETL un dažādi automodeļi nodrošina atšķirīgas maksimālās uzlādes jaudas. Mode 4 saistībā ir būtiski zināt, ka akumulatora uzlāde tukšākam akumulatoram notiek ātrāk, taču virs 80% uzlādes līmeņa būtiski palēninās, lai taupītu akumulatora resursu. Tādēļ ātrās uzlādes laiku parasti mēra no tukša līdz 80%. Tas ir labi redzams grafikā zemāk, kur salīdzinātas konkrēta modeļa uzlādes ātruma dinamika pie divu dažādu jaudu lādētājiem.

Ja akumulatora temperatūra ir ārpus normālās, ātrā uzlāde notiks ievērojami ilgāk vai pat nebūs iespējama vispār. Šī temperatūras zona nav nemaz tik plaša – atšķirība būs jūtama zem +5 grādiem vēsajā gadalaikā vai būtiski virs +25 grādiem vasarā, sevišķi pēc intensīvas ETL lādēšanas vai braukšanas.

Lādēšanas konektori

Type 1 / SAE J1772

Type 1 ir savienojuma standarts lēnajā uzlādē (lādēšanas režīmi Mode 2 un Mode 3), pārsvarā izplatīts Āzijas un Ziemeļamerikas automodeļos. Populāri piemēri ir trīnīši (i-Miev/C-Zero/iOn), 1. paaudzes Nissan Leaf, Kia Soul EV, arī hibrīdauto Toyota Prius Plug-in Hybrid, Mitsubishi Outlander PHEV, u.c. Interesanti, ka arī daži Eiropas ražotāji ASV izplatītajās modeļu versijās izmanto Type 1 konektorus.

Type 2 / Mennekes

Type 2 jeb Mennekes ir savienojuma standarts, kas atbalsta gan dažādus režīmus – gan maiņstrāvas (vienu un trīs fāžu), gan arī līdzstrāvas uzlādi. Šis ir standarts, ko par oficiālo savā teritorijā izvēlējusies Eiropas Savienība, līdz ar to sastopams visās vācu automarkās – VW, BMW, Audi, MB, kā arī franču Renault. Interesanti, ka arī otrās paaudzes Nissan Leaf  Eiropā tiek piegādāts ar Type 2 spraudni, taču ASV un Japānā joprojām sastopams ar Type 1.

CHAdeMO

CHAdeMO ir ātrās uzlādes konektors, kuru izstrādājusi asociācija, kas pārstāv vadošos Japānas autoražotājus – Nissan, Mitsubishi, Fuji Heavy Industries un Toyota. Līdzīgi kā Type 1, tas pārsvarā sastopams Āzijas automašīnās, piemēram, Nissan Leaf un e-NV200, Kia Soul EV un arī atsevišķos Eiropas auto kā Citroën Berlingo Electric un Peugeot Partner. Ja Nissan Leaf nebūtu izplatītākais elektroauto, par šo uzlādes standartu varētu runāt kā par minoritāti, taču tagad šis japāņu standarts ir plaši izplatīts.

CHAdeMO ātrās lādēšanas standarts paredz 62.5kW jaudu (līdzstrāva, 125A x 500V), taču biežāk izplatītas ir 50kW uzlādes ierīces. 2018. gadā ir izsludināts arī CHAdeMO 2.0 standarts, kas spētu uzlādēt automašīnas ar jaudu līdz 400kW (400A x 1000V).

CCS jeb Combo

Combo papildina lēnās uzlādes spraudni ar divām resnākām dzīslām līdzstrāvas uzlādei. Kā var redzēt bildē zemāk, augšā ir lēnās uzlādes Type 2 ligzda, bet, noņemot apakšējo vāciņu, iespējams pievienot COMBO spraudni ātrās uzlādes veikšanai. Šī varianta priekšrocība, salīdzinot ar CHAdeMO, ir kompaktāks dizains. Ir novērojama tendence, ka arvien vairāk ražotāji savos ETL uzstāda Combo ātrās uzlādes ligzdas, kā arī jaunais Eiropas uzlādes tīkls IONITY piedāvās tikai CCS standarta uzlādi.

Combo jeb CCS ir sastopams tādos auto kā Hyundai Ioniq un Kona EV, BMW i3, VW e-Golf, Opel Ampera-e, Audi e-tron, u.c.

Eiropā izmanto Combo 2 jeb CCS2 kas papildina Type 2 konektoru (bildē augstāk).

Taču Amerikā, Korejā un Taivānā sastopamiem auto ir Combo 1 jeb CCS1, kas papildina Type 1 konektoru, kā bildē augstāk. To jāņem vērā, ja, piemēram, iegādājas no ASV importētu ETL – Eiropas CCS uzlādes spraudnis tam nederēs un būs jāveic pārbūve.

Stāsts par Tesla

Tesla, būdams ASV ražotājs un sava veida mūsdienu ETL progresa virzītājs, dažādos modeļos ir uzstādījis dažādu tipu konektorus, kā arī ir dažādas variācijas dažādos reģionos. Ir arī atšķirības dažādiem modeļiem.

Populārjam Model S Ziemeļamerikā gan lēnajai, gan ātrajai izmanto speciālu Tesla konektoru.

Ne-Ziemeļamerikas versijai Tesla ir veikuši savu adaptāciju Type 2 spraudnim, palielinot tā maksimālo jaudu Mode 4 (līdzstrāvas) lādēšanā līdz 120 kW. Ar šādu jaudu gan uzlādēt var tikai Tesla Supercharger stacijās. Savukārt Mode 3 lādēšanu (t.s. pusātro) Tesla prot izmantot 3 fāzes, kas rezultējas 11kW.

Arī adapteru pieejamībā Tesla mašīnu lietotājiem ir rīcības brīvība, kāda nav citiem. Ziemeļamerikā lēnajai uzlādei ir pieejams adapteris Type 1. Situācijām, kad nav pieejami Tesla Supercharger, ražotājs piedāvā adapterus no CHAdeMO. Toties jaunākajā režošanā  esošajā modelī – Tesla Model 3, ir uzstādīts CCS2 konektors.

Citi

Lai gan pie mums praktiski nesastopams, ir vērts pieminēt Ķīnas standartu GB/T. Tas sastopams tikai Ķīnā ražotajos ETL (un to nav maz – SAIC, FAW, Geely, Dongfeng, BYD, BAIC, Chery, u.c.). GB/T standarta ātrās uzlādes standarta spraudnis ir vizuāli nedaudz līdzīgs CHAdeMO, un tipiskā jauda ir 50kW, bet plaši izplatīta esot arī 125kW realizācija. Pārsteidz arī uzlādes staciju skaits – dažādos avotos minēti 66000 līdz 127000 ātro uzlādes staciju. Salīdzinoši visā pasaulē ir ap 17000 CHAdeMO un 7000 Combo ātro uzlādes staciju (2018. gada janvāra dati). Tiek diskutēts, ka nākotnē CHAdeMO un GB/T varētu izstrādāt vienotu ātrās uzlādes standartu.

GB/T standarts definē arī lēno lādēšanu, kurā tiek izmantoti Type 2 spraudņi – tikai pretējā “virziena” – GB/T konektors mašīnā ir tāds pats (t.s. female spraudnis) kā Type 2 kabelim Eiropā.

Diezgan daudz un dažādu uzlādes standartu var satikt agrīnajos elektroauto. Zemāk bildēs daži no tiem – Norvēģu Think City ar savu zilo konektoru.

Ko tas viss nozīmē praktiski?

Izlasot augstāk esošo informāciju par lādēšanas režīmiem, kabeļiem, konektoriem, jaudām un reģioniem, var šķist, ka viss ir ļoti, ļoti sarežģīti. Patiesībā – nē! Katram elektroauto bagāžas nodalījumā parasti ir kabelis lēnajai uzlādei. Dēļ lielās bateriju ietilpības nevar cerēt, ka uzlāde no mājas rozetes vienā stundā dos būtiski vairāk nekā padsmit kilometrus. Tādēļ ir nopietni jāapsver t.s. wallbox jeb uzlādes stacijas ierīkošana – pagalmā, garāžā vai darbavietā. Veicot uzlādi pie tādas, ar stundas laikā uzlādēto varēs nobraukt vairāk nekā 40km.

Savukārt ātrā uzlāde nodrošina to, ka pēc 30 minūšu uzlādes auto jau var turpināt ceļu ar gandrīz pilnu bateriju. Šobrīd Latvijā pieejamajās ātrās uzlādes stacijās ir abu populārāko standartu konektori. Tabulā zemāk var salīdzināt uzlādes ātrumus un dažādus režīmus. Tabulā norādītais uzlādes daudzums (30 kW) atbilst aptuveni jaunākās paaudzes Nissan Leaf uzlādei no 0% līdz 80%, nobraucamais attālums aprēķināts pēc pieņēmuma, ka ar 1kWh var nobraukt 5.5km.

Cerams, tas radīs aptuvenu priekšstatu par to, cik ātri (vai lēni) elektroauto ir uzlādējams dažādos režīmos, un cik tālu ar to var tikt. Un nepaies daudz gadu, līdz cilvēkiem elektroauto uzlāde liksies tikpat vienkārša lieta kā benzīna, dīzeļdegvielas vai gāzes uzpilde automašīnā.

Raksts pārpublicēts sadarbībā ar Uzladets.lv. Šis blogs raksta par tādām tēmām, kā atjaunojamie energoresursi, elektromobiļi, enerģijas uzglabāšana, bez atkritumu domāšanu (zero waste thinking). Piekāp ciemos!