Elektromobily nabíjame nesprávne a brzdí to ich rozširovanie, tvrdí IEEE

Rozširovanie infraštruktúry nabíjacích staníc pre elektromobily, je jedným z najdôležitejších faktorov pri zvyšovaní ich adopcie. Hoci podľa prieskumu až 90 % nabíjania v prípade súčasných majiteľov prebieha doma, problémom zostáva zvyšných 10 %.

Ide najmä o jazdy na dlhé trasy alebo vodičov, ktorí v rámci bytových domov nemajú nabíjací bod vôbec k dispozícii. Práve pre takýchto vodičov je kľúčová existencia verejných rýchlonabíjačiek. Prečo sa ich teda nebuduje viac?

Vhľad do tejto problematiky priniesla odborná organizácia pre elektrotechniku, elektroniku a informatiku, IEEE v rámci publikácie IEEE Spectrum.

Prieskum magazínu Forbes z roku 2022 prezradil, že až 62 % majiteľov elektromobilov malo aspoň raz taký strach z dojazdu ich auta, že sa rozhodli zmeniť svoje cestovné plány. Pre elektromobilitu ide o mimoriadne zlú vizitku. Dôvod, prečo je aj v rozvinutých krajinách, najmä mimo veľkých miest, taký problém nájsť voľnú verejnú rýchlonabíjaciu stanicu, je však prostý. Dôvodom je ich cena, pod ktorú sa podpisuje bezpečnosť.

Výstavba DC nabíjačky podľa prevádzkovateľov v Spojených štátoch môže stáť niekde medzi 470 000 až 725 000 dolárov. Ide spravidla o nabíjačky, ktoré obsahujú jeden alebo viac nabíjacích portov, pričom každý z nich dokáže nabíjať jedno elektrické vozidlo. Každý port môže obsahovať rôzne typy konektorov, aby podporoval rôzne štandardy elektromobilov.

Nabíjací bod konvertuje striedavý prúd (AC) zo siete na jednosmerný prúd (DC), ktorý následne čerpá batéria. V rámci tohto procesu nabíjačka zabezpečuje niekoľko vecí: napätie batériových článkov nesmie prekročiť kritický limit, teplota článkov nesmie prekročiť stanovený prah a odoberaný prúd zo siete nesmie musí zostať pod stanovenou hodnotou. V prípade prekročenia niektorého z týchto kritérií môže dôjsť k poškodeniu batérie elektromobilu alebo dokonca aj k požiaru.

Okrem samotnej nabíjačky a elektromobilu, však musí nabíjací bod chrániť aj ľudí v bezprostrednej blízkosti vozidla. Elektrický prúd je v istom zmysle veľmi jednoduchý a stále platí, že vždy „hľadá“ najjednoduchšiu cestu vpred. Aby sa súčasťou tejto cesty nestal napríklad človek držiaci nabíjací kábel v ruke, sú nabíjačky uzemnené prostredníctvom uzemňovacieho vodiča priamo v nabíjacom kábli. Čo však v prípade, ak je uzemňovací obvod v nabíjačke prerušený alebo narušený? Nabíjací port v takomto prípade musí obsahovať záložné riešenie.

Dnes je takýmto riešením tzv. galvanická izolácia, ktorá zabezpečuje, že medzi určitými sekciami elektrického systému nesmie vzniknúť priamy vodivý spoj. V prípade elektromobilov izolačný člen zabezpečuje oddelenie elektrickej siete od batérie a jej príslušných obvodov.

„Predstavme si, že batéria elektromobilu začne pretekať. Vytečená kvapalina môže byť vodivá, čím vytvorí vodivú cestu medzi batériovým obvodom a šasi vozidla. Ak by v tejto situácii zlyhalo uzemnenie, šasi vozidla by sa ocitlo pod vysokým napätím. Ak by sa niekto dotkol auta, zatiaľ čo by stál na zemi, mohol by dostať smrteľný zásah elektrickým prúdom. S galvanickou izoláciou by takáto situácia nevznikla, pretože by neexistovala priama elektrická cesta medzi elektrickou sieťou a karosériou auta.„, uvádza príklad IEEE Spectrum.

Galvanickú izoláciu dnes musia obsahovať všetky nabíjacie body, čo výrazne predražuje ich výrobu. Jedna nabíjacia stanica s výkonom 300 kW podľa magazínu obsahuje elektrické komponenty v hodnote približne 90-tisíc dolárov, z toho 54-tisíc dolárov tvorí samotná galvanická izolácia. Ak vezmeme do úvahy, že na verejných staniciach by sa malo štandardne nachádzať niekoľko takýchto nabíjačiek pre obslúženie viacerých vozidiel naraz, náklady na ich vybudovanie rázom dosahujú absurdné sumy.

IEEE z dôvodu týchto nákladov vo svojom článku navrhuje úplné odstránenie galvanickej izolácie z budúcich nabíjačiek. Autori argumentujú, že odstránenie galvanickej izolácie samo o sebe nepredstavuje bezpečnostný problém, pretože v prípade poruchy uzemnenia by sa nabíjanie vďaka bezpečnostným relé v nabíjacích systémoch automaticky zastavilo.

Aby ale bolo zabezpečená stopercentná bezpečnosť nabíjačiek, autori navrhujú zavedenie redundantného dvojitého uzemnenia s detekciou ich funkčnosti. Systém dvojitého uzemnenia by zabezpečil, že ak by došlo k poškodeniu jedného z nich, bezpečnosť by naďalej zabezpečoval ten druhý.

Myšlienka odstránenia galvanickej izolácie má ešte jeden háčik a to je rozdiel v napätí elektrickej siete a batérie elektromobilu. Ak by sieťové napätie prekročilo napätie batérie, mohlo by to spôsobiť nekontrolovaný prietok prúdu, čo by mohlo vypnúť ističe alebo až trvalo poškodiť batériu.

Riešením na tento problém by mal byť buck regulátor (step-down konvertor), ktorý dokáže znížiť napätie na požadovanú úroveň bez strát energie, ktoré vznikajú pri galvanickej izolácii. V porovnaní s galvanickou izoláciou by takéto riešenie podľa autorov stálo len 10 % zo súčasných nákladov a straty energie by sa znížilo o viac ako 80 %.

Odstránenie troch zo štyroch aktuálnych stupňov nabíjania autori nazývajú priama konverzia energie (DPC). Použitie tohto prístupu by podľa nich mohlo znížiť náklady na zariadenia o viac ako polovicu, pričom by sa zároveň zvýšila energetická účinnosť nabíjania o dva až tri percentá. Výsledkom toho by malo byť rapídne zrýchlenie budovania nových nabíjacích staníc a teda aj rýchlejšia adopcia samotných elektromobilov.

Ak by sa mal zaviesť systém priamej konverzie energie, vyžadovalo by si to vývoj nového štandardu, ktorý by museli podporovať ako výrobcovia nabíjacích staníc, tak aj automobilky. Bez spätnej kompatibility by sa takýto systém nemohol jednoducho integrovať do súčasnej nabíjacej infraštruktúry, čo znamená, že by sa museli budovať úplne nové nabíjacie stanice a tomu sa prispôsobiť aj nové elektromobily. V tejto chvíli sa zdá byť možnosť uskutočnenia takejto radikálnej zmeny v štandardoch nepravdepodobná.