Τα επαναφορτιζόμενα υβριδικά (PHEV) και τα ηλεκτρικά (BEV) αυτοκίνητα γίνονται όλο και περισσότερο μέρος της καθημερινότητάς μας και οι χρήστες τους υποψήφιοι πελάτες για τα συνεργεία. Ας δούμε, λοιπόν, μερικές βασικές έννοιες σχετικά με τη φόρτισή τους, ώστε να είμαστε σε θέση να ανταποκριθούμε σε τυχόν απορίες του καταναλωτικού κοινού.
Θα έχετε προσέξει ότι η ισχύς των ηλεκτροκινητήρων με τους οποίους είναι εφοδιασμένα τα ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα μετριέται σε κιλοβάτ (kW) και όχι με τους γνωστούς μας ίππους. Το κιλοβάτ, όπως και ο ίππος, είναι μονάδα μέτρησης της ισχύος. Μάλιστα, συνδέονται μεταξύ τους με την αναλογία να βρίσκεται στο 1 kW = 1,36 PS = 1,34 HP. Ένα αυτοκίνητο, λοιπόν, με ηλεκτροκινητήρα ισχύος 100 kW, αποδίδει 136 PS ή 134 HP. Ας δούμε, όμως, τη διαφορά μεταξύ κιλοβάτ και κιλοβατώρας (kWh). Η κιλοβατώρα είναι ένα μέγεθος που εκφράζει τη διαθέσιμη ενέργεια. Με απλά λόγια, θα μπορούσαμε να την αντιστοιχήσουμε με το ντεπόζιτο καυσίμου ενός οχήματος με θερμικό κινητήρα. Άρα, οι κιλοβατώρες είναι το διαθέσιμο ποσό ενέργειας για την κίνηση των ηλεκτροκινητήρων, όπως, αντίστοιχα, τα λίτρα καυσίμου είναι το ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιμο προς καύση στους θερμικούς κινητήρες. Και τα δύο αφορούν σε ενεργειακό περιεχόμενο.
Μπορεί, να θυμάται κάποιος -για να τα διαχωρίζει εύκολα- ότι τα kW ισοδυναμούν με τους ίππους και οι kWh με τα λίτρα καυσίμου. Οι κιλοβατώρες αναφέρονται στη χωρητικότητα της μπαταρίας υψηλής τάσης, από την οποία παίρνουν ενέργεια και κινούνται οι ηλεκτροκινητήρες του αυτοκινήτου.
- Σημείωση: Η μπαταρία από την οποία αντλούν ηλεκτρική ενέργεια για την κίνησή τους οι ηλεκτροκινητήρες, αποκαλείται υψηλής τάσης (για να διαχωριστεί από τη 12V μπαταρία), ανεξαρτήτως της ονομαστικής τάσης λειτουργίας της. Απαρτίζεται από κελιά στοιχεία (cells) που, συνήθως, σχηματίζουν συστοιχίες (cell modules), π.χ 96 στοιχεία σε 6 συστοιχίες των 16. Θα μπορούσαμε να αντιστοιχήσουμε τα στοιχεία αυτά με εκείνα (πλάκες) που σχηματίζουν την κλασική 12V μπαταρία μολύβδου (6 στοιχεία x 2V=12V). O αριθμός των στοιχείων καθορίζει και το μέγεθος της μπαταρίας, δηλαδή το ενεργειακό της περιεχόμενο (kWh). Τα κελιά είναι συνδεδεμένα εν σειρά, αλλά και παράλληλα, ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή τάση λειτουργίας. Αυτή μπορεί να είναι, ανάλογα με την επιλογή του κατασκευαστή, από 155V, 200V, 300V, 400V, με αυξητική τάση προς τα 800 Volt, ονομαστικά.
Τα κιλοβάτ (kW) είναι μονάδα μέτρησης της ισχύος, όπως οι ίπποι, και οι κιλοβατώρες (kWh) εκφράζουν τη διαθέσιμη ενέργεια, όπως τα λίτρα καυσίμου.
Αυτονομία
Σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο, όσο πιο μεγάλο είναι το ντεπόζιτο καυσίμου, τόσο μεγαλύτερη είναι και η αυτονομία του. Αντίστοιχα, σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα, όσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία του, τόσο περισσότερα χιλιόμετρα μπορεί να διανύσει μέχρι αυτή να εξαντληθεί. Ένα λίτρο βενζίνης ισοδυναμεί, σε περιεχόμενη ενέργεια, με περίπου 9 κιλοβατώρες. Στα συμβατικά αυτοκίνητα, γνωρίζοντας τη μέση κατανάλωση και τη χωρητικότητα του ντεπόζιτου καυσίμου, μπορούμε να υπολογίσουμε την αυτονομία.
Με την ίδια λογική, σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο, γνωρίζοντας τη μέση κατανάλωση ενέργειας, η οποία στην προκειμένη περίπτωση μετριέται σε κιλοβατώρες ανά 100 km (kWh/100km), μπορούμε, διαιρώντας με τη χωρητικότητα της μπαταρίας, να υπολογίσουμε την αυτονομία του.
Έστω, για παράδειγμα, ότι ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο είναι εφοδιασμένο με μία μπαταρία 45 kWh και έχει μέση κατανάλωση 15 kWh ανά 100 χιλιόμετρα. Διαιρώντας τα δύο μεγέθη, βρίσκουμε ότι η αυτονομία του συγκεκριμένου αυτοκινήτου είναι 300 χιλιόμετρα. Η αυτονομία μπορεί να εκφραστεί και σε km/kWh. Οπότε οι 15 kWh/100km μετατρέπονται 6,6 km/kWh. Τα km/kWh, συνήθως, αποτελούν και ένδειξη φόρτισης, που αποτυπώνεται στον πίνακα οργάνων του αυτοκινήτου, όταν αυτό φορτίζεται, κάνοντας πιο εύκολο τον υπολογισμό των kWh που απαιτούνται για την πληρότητα της μπαταρίας, προκειμένου να φτάσουμε στον προορισμό μας.
Φόρτιση
Ας δούμε πώς γίνεται η φόρτιση στα ηλεκτροκίνητα οχήματα και πόσο χρόνο διαρκεί. Η φόρτιση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Με χρήση εναλλασσόμενου ρεύματος και με χρήση συνεχούς ρεύματος. Η φόρτιση με εναλλασσόμενο ρεύμα μπορεί να γίνει είτε με μία απλή πρίζα schuko ή μέσω ενός επιτοίχιου φορτιστή (wallbox). Ο έλεγχος της φόρτισης πραγματοποιείται από μία ηλεκτρονική μονάδα με την οποία είναι εξοπλισμένα όλα τα ηλεκτροκίνητα οχήματα, η οποία αποκαλείται onboard charger (OBC).
Ας εξετάσουμε, λίγο πιο αναλυτικά, τις περιπτώσεις φόρτισης:
- 01. Φόρτιση από οικιακή πρίζα schuko
Ως γνωστόν, η πρίζα schuko που έχουμε στα σπίτια μας, παρέχει εναλλασσόμενο ρεύμα τάσης 230 Volt στα 50 Hertz. Για να φορτίσουμε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα από μία τέτοια πρίζα, χρειαζόμαστε το ειδικό καλώδιο με το οποίο είναι εφοδιασμένο το αυτοκίνητο από το εργοστάσιο και στο οποίο είναι ενσωματωμένος ένας ελεγκτής, μία ηλεκτρονική διάταξη ελέγχου και προστασίας. Πρόκειται, δηλαδή, για καλώδιο μονοφασικής φόρτισης mode 2. H μέγιστη ένταση του ρεύματος, για φόρτιση με αυτόν τον τρόπο, είναι, βάσει της Ευρωπαϊκής νομοθεσίας, τα 10 αμπέρ.
Ο controller που είναι ενσωματωμένος στο καλώδιο, ελέγχει εάν η γραμμή της οικιακής εγκατάστασης έχει τα σωστά Volt, γείωση και Hertz. Αν ο έλεγχος είναι επιτυχής, επιτρέπει στο ρεύμα να περάσει προς τον OBC. Ο OBC θα μετατρέψει τα 230 Volt εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα, στην τάση της μπαταρίας που φέρει το όχημα. Ο OBC επικοινωνεί με τον ενσωματωμένο εγκέφαλο της μπαταρίας υψηλής τάσης του οχήματος, ο οποίος μετράει, συνεχώς, το επίπεδο φόρτισης και τη θερμοκρασία του κάθε στοιχείου χωριστά, ούτως ώστε να το εξισορροπεί με τα υπόλοιπα στοιχεία που απαρτίζουν την μπαταρία και να το φορτίσει. Όταν η φόρτιση φτάσει στο ανώτατο όριο τάσης των κελιών, που για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) είναι στα 4,2 Volt, ο εγκέφαλος της μπαταρίας δίνει σήμα στον OBC για να διακοπεί η φόρτιση. Ο OBC, με τη σειρά του, ενημερώνει τις υπόλοιπες μονάδες του οχήματος, ώστε ο οδηγός να έχει οπτική ένδειξη μέσω της λυχνίας που υπάρχει στη θύρα φόρτισης, αλλά και στο καντράν του οχήματος ή ακόμη και στη σχετική εφαρμογή στο κινητό του τηλέφωνο, ότι η φόρτιση έχει ολοκληρωθεί.
Σημείωση: Αυτός ο τρόπος φόρτισης (mode 2) δεν υποστηρίζει τριφασική φόρτιση, το καλώδιο είναι μονοφασικό.
Όλα τα ηλεκτροκίνητα οχήματα είναι εξοπλισμένα με την ηλεκτρονική μονάδα OBC (onboard charger), η οποία είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο της φόρτισης.
- 02. Φόρτιση με χρήση επιτοίχιου φορτιστή
Αν η φόρτιση γίνεται από επιτοίχιο φορτιστή, χρησιμοποιείται καλώδιο χωρίς controller, καθώς αυτός είναι ενσωματωμένος στον επιτοίχιο φορτιστή, οπότε μιλάμε για φόρτιση mode 3. Κατά τα άλλα, η διαδικασία είναι ίδια όπως παραπάνω, με τη διαφορά ότι ο επιτοίχιος φορτιστής έχει τη δυνατότητα παροχής μεγαλύτερης ισχύος, δηλαδή, περισσότερων αμπέρ, που, συνήθως, είναι 16Α ή 32Α.
Στη φόρτιση με οικιακή πρίζα schuko, η μέγιστη δυνατή παρεχόμενη ισχύς είναι 230V x 10A = 2,3 kW. Στην περίπτωση του επιτοίχιου φορτιστή, η ισχύς είναι 230V x 16A = 3,4 kW ή 230V x 32A = 6,8 kW. Αυτό σημαίνει ότι ένα wallbox που μπορεί να δώσει 32 αμπέρ μονοφασικό ρεύμα, δηλαδή 6,8 κιλοβάτ, θα φορτίσει το αυτοκίνητο τρεις φορές πιο γρήγορα από μία πρίζα schuko, που παρέχει 2,3 κιλοβάτ. Τα παραπάνω ισχύουν για μονοφασική φόρτιση. Εάν ο φορτιστής μας ή, πιο σωστά, η κτιριακή εγκατάσταση έχει τριφασική παροχή, τότε η ισχύς που μπορούμε να αντλήσουμε είναι μεγαλύτερη. Εάν η γραμμή είναι 3 x 16A, ο φορτιστής μπορεί να δώσει στο αυτοκίνητο 11 kW. Αν οι τρεις φάσεις μπορούν να δώσουν 32 αμπέρ, δηλαδή 3 x 32A x 230V, η μέγιστη παρεχόμενη ισχύς είναι 22 kW.
Σημείωση: Θα προσέξατε ότι η παρεχόμενη ισχύς στην τριφασική φόρτιση δεν είναι αναλογική της μονοφασικής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στο τριφασικό ρεύμα γίνεται επικάλυψη των φάσεων, επειδή έχουν διαφορά μεταξύ τους 120 μοίρες. Έτσι, τα συνολικά Volt δεν είναι 3×230, αλλά 380V.
Αυτές είναι, σήμερα, οι τυποποιημένες παροχές ρεύματος φόρτισης. Σημειώνεται ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, το wallbox είναι ικανό να δώσει μεγαλύτερη ισχύ από ό,τι υποστηρίζει το όχημα. Τι σημαίνει αυτό; Ότι ο OBC με τον οποίο είναι εφοδιασμένο το κάθε όχημα έχει συγκεκριμένη δυνατότητα ισχύος. Στα μικρά αυτοκίνητα πόλης και στα περισσότερα υβριδικά, οι κατασκευαστές επιλέγουν OBC συνήθως 3,4 kW. Στα ηλεκτρικά οχήματα, που έχουν μεγαλύτερη μπαταρία, μπορεί να φτάσει τα 6,8 kW ή και τα 11 kW. Αυτό συμβαίνει για να είναι πρακτικοί, για τον χρήστη, οι χρόνοι φόρτισης. Γιατί ένας OBC 2,3 kW, για να φορτίσει πλήρως μία μπαταρία χωρητικότητας 10 kWh ενός υβριδικού οχήματος, θα χρειαστεί 10kWh/2,3kW=4,5 ώρες. Για να φορτιστεί, όμως, μία μπαταρία 45kWh ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου θα χρειαστεί 45kWh/2,3kW=20 ώρες, γεγονός που θα δημιουργούσε προβλήματα χρηστικότητας. Πολλώ δε μάλλον, αν χρειάζονται 33 ώρες για μία μεγάλη μπαταρία, π.χ. 75 kWh ενός ηλεκτρικού οχήματος. Η φόρτιση μίας τέτοιας μπαταρίας θα διαρκούσε 75 kWh/6,8 kW=11 ώρες σε wallbox 6,8 kW και μόνο 7 ώρες σε wallbox ισχύος 11 kW. Θα φορτιζόταν, δηλαδή, πλήρως σε μία νύχτα.
Για περιπτώσεις όπου απαιτείται φόρτιση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, υπάρχει η δυνατότητα της ταχυφόρτισης, με μονάδες που παρέχουν ισχύ από 50 έως και 250 kW, μειώνοντας σημαντικά τη διάρκεια της φόρτισης.
- 03. Φόρτιση με ταχυφορτιστή συνεχούς ρεύματος
Τι γίνεται, όμως, στην περίπτωση που ταξιδεύουμε και δεν έχουμε στη διάθεσή μας όχι 7, αλλά, ίσως, ούτε 1 ώρα για να διακόψουμε το ταξίδι, ώστε να φορτίσουμε; Τη λύση, στην προκειμένη περίπτωση, μας τη δίνει η ταχυφόρτιση, δηλαδή ένας DC φορτιστής που έχει τη δυνατότητα να φορτίσει το αυτοκίνητο όχι με εναλλασσόμενο, αλλά με σταθερό ρεύμα συνεχούς τάσης (DC) μεγάλης έντασης. Οι φορτιστές DC είναι μεγάλοι μετατροπείς AC-DC (για την ακρίβεια πρόκειται για συνδυασμό μετατροπέα-converter και ανορθωτή-inverter), που μετατρέπουν το τριφασικό ρεύμα του παρόχου σε συνεχές, στην τάση που χρειάζεται το αυτοκίνητο, στην τάση, δηλαδή, της μπαταρίας υψηλής τάσης. Οι φορτιστές συνεχούς ρεύματος έχουν τη δυνατότητα να φορτίζουν το όχημα με ρεύμα πολύ μεγαλύτερης έντασης, γιατί κάνουν τη δουλειά του OBC του οχήματος. Η φόρτιση, δηλαδή, της μπαταρίας υψηλής τάσης γίνεται απευθείας από τον μετασχηματιστή DC, παρακάμπτοντας τον ενσωματωμένο OBC. Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να φορτίζουμε με πολύ μεγαλύτερη ισχύ, που ξεκινάει από τα συνήθη 50kW και μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 250 kW, ανάλογα με τη δυνατότητα του οχήματος.
Σημείωση: Για να επιτευχθούν τόσο υψηλά αμπέρ φόρτισης, απαιτούνται ογκώδεις μονάδες, υψηλού κόστους, καθιστώντας τους DC ταχυφορτιστές ασύμφορους για οικιακές εφαρμογές.
Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο με μπαταρία 45 kWh, σε έναν φορτιστή συνεχούς ρεύματος 50 kW θα φορτίσει σε κάτι περισσότερο από μία ώρα. Αν διακόψουμε τη φόρτιση στο 80% της χωρητικότητας της μπαταρίας, αυτή θα επιτευχθεί σε περίπου 50 λεπτά. Επιπλέον, αν ο φορτιστής έχει δυνατότητα φόρτισης 150 kW, τότε θα τη φορτίσει πλήρως σε 30 περίπου λεπτά, και στο 80% σε λιγότερο από 20 λεπτά. Αντίστοιχα, μία άδεια μπαταρία 75 kW θα φορτιστεί στο 80% σε 40 λεπτά, χρόνος που μπορεί να συνδυαστεί με μία μικρή στάση σε αυτοκινητόδρομο και να δώσει την απαραίτητη επιπλέον αυτονομία στο όχημα, ώστε να φτάσει στον προορισμό του.
Σημείωση: Ο OBC, στη συγκεκριμένη περίπτωση φόρτισης, επικοινωνεί με τον ταχυφορτιστή, ώστε να δηλώσει την τάση της μπαταρίας του αυτοκινήτου για να προσαρμόσει αναλόγως τη φόρτιση ο DC. Στη συνέχεια, παρακολουθεί και ελέγχει τη φόρτιση, όπως και στις άλλες περιπτώσεις.
Τροφή για σκέψη
Όπως αναφέραμε, 1 lt βενζίνης έχει ισοδύναμο ενεργειακό περιεχόμενο με 9 kWh. Αυτό σημαίνει ότι ένα συμβατικό αυτοκίνητο με 40 λίτρα βενζίνης έχει ενέργεια αντίστοιχη με 40Lx9 kWh = 360 kWh! Χρησιμοποιώντας αυτή την ενέργεια μπορεί να διανύσει περίπου 450 χλμ. Ένα ηλεκτρικό όχημα για να διανύσει τα ίδια χλμ., χρειάζεται περίπου 75 kWh, δηλαδή το 1/6 της ενέργειας!
TOY A.Σ.
