Současné systémy vysokého napětí v hybridních vozidlech a elektromobilech jsou napájeny z energetických úložišť, jejichž napětí dosahují 500 V. Užitková vozidla již dnes používají technologie s provozním napětím až 1 000 V. Jako bezpečné z hlediska elektrické bezpečnosti vzhledem k ohrožení lidského zdraví nebo života jsou v případě stejnosměrného proudu považovány hodnoty napětí do 60 V (DC) a v případě střídavého proudu do 30 V (AC).
Protože napětí používaná ve vysokonapěťových systémech vysoce převyšují bezpečné limity, prováděly se v minulých letech rozsáhlé analýzy rizik. Na úrovni EU byla přijata pravidla, která jsou pro výrobce závazná. Nebezpečí spojené s používáním elektrických zařízení a systémů vždy vyplývá z nebezpečí úrazu elektrickým proudem, elektrického oblouku, elektromagnetického rušení a statické elektřiny.
Střídavé napětí vyšší než 50 V AC nebo stejnosměrné napětí vyšší než 120 V DC je podle příslušných norem (ČSN, VDE) považováno pro zdravého dospělého člověka jako životu nebezpečné dotykové napětí.
Rizika spojená s vysokonapěťovými systémy
Pro pracovníky ve výzkumu, vývoji, výrobě a při provádění servisu vniká při práci na hybridních a elektrických vozidlech určité riziko. Dotyk vysokonapěťových částí, které jsou pod napětím v důsledku vnitřní poruchy, může způsobit, že lidským tělem protéká proud.
I stejnosměrné proudy od cca 30 až 50 mA v oblasti hrudníku mohou vést ke kontrakci dýchacích svalů se zástavou dechu po dobu toku proudu.
Typy elektrických vozidel a jejich napájení
Čisté elektromobily
Čisté elektromobily využívají k pohonu výlučně elektrickou energii. Potřebná energie je uložená buď přímo ve vozidle, např. v baterii, nebo se v případě potřeby přivádí z vnějšku, např. přes trolejové vedení nebo prostřednictvím indukce.
Hybridní vozidla
Hybridní vozidla mají k dispozici dva různé pohonné systémy, každý s vlastním energetickým úložištěm. Zpravidla je vedle konvenčního pohonu (spalovací motor s palivovou nádrží) ještě přídavný elektrický pohon (elektromotor s vysokonapěťovou baterií). Dnes rozeznáváme například Plug-In hybridy.
Technologie a parametry baterií
Vysokonapěťové trakční baterie
Vysokonapěťové trakční baterie, obvykle 400 V a více, pohánějí elektrická vozidla od vysokozdvižných vozíků až po těžké nákladní automobily a poskytují 3x delší dojezd oproti nízkonapěťovým systémům. Průmyslové elektromobily každoročně nasazují 3 miliony vysokonapěťových trakčních baterií, přičemž počet systémů s napětím 400 V a více roste o 25 % s tím, jak elektrifikace zasahuje sklady a logistiku.
Neshody napětí způsobují 30 % poruch regulátorů, což stojí 12 000 dolarů na jednu modernizaci. Nízkonapěťové (48V) akumulátory omezují výkon na 1C vybíjecího proudu, čímž dochází k omezení rychlosti vybíjení o 30 % pod účinností vysokého napětí.
Výrobci a jejich nabídka
Redway Power, výrobce originálního vybavení z Šen-čenu s certifikací ISO 9001:2015 a více než 13 lety zkušeností, nabízí 80V-144V LiFePO4 baterie pro elektromobily a nákladní vozy s vlastnostmi jako 6000 cyklů při 80% DOD, krytí IP67, CAN/RS485 BMS a rozsah teplot -20 °C až 60 °C.
Globální regulace a standardy
Globální nařízení pro elektromobily se zaměřují na 50 % vozových parků do roku 2028, přičemž se zavádějí standardy pro vysoké napětí.
Lithium-iontové vs. Olověné baterie
Lithium-iontová trakční baterie je známá také jako vysokonapěťová baterie (HV = high-voltage). Bez olověného akumulátoru, který podporuje a dodává energii na palubě, se stále neobejde téměř žádný elektromobil. Palubní síť s napětím 12 V je tedy standardem i v elektromobilech. V současné době jsou stabilita, dostupnost a nižší riziko důvody, proč jsou všechny elektromobily za účelem napájení 12 V palubní sítě vybavovány olovo-kyselinovou baterií.
12 V baterie pro palubní síť slouží i jako nárazový zásobník, zajišťující redundanci z hlediska bezpečnosti. Musí být zajištěno fungování posilovače řízení (servořízení) po vypnutí motoru, aby byla zachována manévrovatelnost. 12 V baterie pro palubní síť dále napájí rovněž asistenční systémy řidiče, jako je „Adaptive Cruise Control (ACC)“.
Bezpečnostní aspekty 12V baterie
Před přístupem k vysokonapěťové baterii musí být zajištěna bezpečnost při vysokém napětí. Je-li 12 V baterie pro napájení palubní sítě vybitá, nemůže se palubní počítač spustit. Ve vozidle je nezbytný druhý zdroj energie, aby bylo v případě potřeby umožněno dosažení bezpečného stavu „vozidlo stojí“ z bezpečného stavu „vysoké napětí vypnuto“.
Údržba a výměna 12V baterie
Při nabíjení pohonné li-ion baterie mohou zůstat dveře vozu otevřené, topení nebo osvětlení interiéru zapnuté, což může vést k vybití 12V palubní baterie dříve, než je pohonná li-ion baterie plně nabitá. V závislosti na výrobci elektromobilu se 12V startovací a palubní akumulátor nabíjí během jízdy rekuperací a je nabíjen vždy během nabíjení vysokonapěťového akumulátoru.
Baterie pro napájení palubní sítě musí být, v závislosti na výrobci elektromobilu, každé 2-3 roky vyměněna v rámci ročního servisu. V případě výměny baterie je nutno bezpodmínečně dodržet určité pořadí jednotlivých kroků, aby nedošlo k poškození elektroniky zkraty nebo odletem jisker.
Postup výměny 12V baterie
Před přístupem k baterii je nutné provést několik kroků pro zajištění bezpečnosti a správného postupu:
- Nejprve odblokujte kapotu motoru (ještě ji však neotevírejte).
- Nechte otevřené alespoň jedno boční okno.
- Vůz uzamkněte (umožněte uzamčení) a s klíčovou kartou v bezpečné vzdálenosti počkejte 20 minut.
- Teprve poté kapotu otevřete, pochopitelně bez vložení klíčové karty.
- Vyhledejte baterii pro napájení palubní sítě, případně si příslušnou informaci najděte v návodu k provozu vozidla.
Baterie nemusí být vždy instalována vepředu, může se nacházet rovněž v interiéru/prostoru pro cestující, nebo v zavazadlovém prostoru vozidla. V řadě vozidel je baterie opatřena plastovým krytem.
Před odpojením a demontáží staré baterie je doporučeno použití přístroje Banner Memory Saver pro zabránění ztrátě dat vozidla. Vždy nejdříve odpojte záporný pól (k zápornému pólu bývá zpravidla připojený uzemňovací kabel).
Po demontáži staré baterie je nutno správně nainstalovat novou. Baterii je nutno pomocí systému pro uchycení upevnit a utáhnout upevňovací šrouby. Pro připojení nové baterie postupujte v opačném pořadí. Nejprve připevněte červený kabel ke kladnému pólu a utáhněte matici.
Některá vozidla jsou vybavena hadicí s nasazenou úhlovou přípojkou pro odvádění plynů z baterie. Pokud vaše vozidlo disponuje takovýmto vybavením, je nutno hadici přes úhlovou přípojku zasunout do odpovídajícího otvoru pro odplyňování baterie.
Po výměně baterie zapojte konektor zpět. Nepřibližujte ruce k vysokonapěťovým součástkám a kabelům (poznáte je podle oranžové barvy). To je vyhrazeno pro specialisty na motorová vozidla s příslušným vybavením a další kvalifikací (vysokonapěťové školení HV).
Konstrukce a parametry baterií
Bateriové články a moduly
Baterie se skládají ze stovek (občas i tisíců) malých bateriových článků, které jsou spojené buď v sériovém anebo paralelním zapojení, tak aby bylo dosaženo požadovaného napětí a proudu. Každý bateriový článek mívá napětí 3-4V. Tesla využívá válcové články, BMW a Volkswagen hranolové články.
Bateriové články se skládají do bateriových modulů, které tvoří stavební bloky každé baterie. Bateriové moduly obsahují chladící jednotku, monitor teploty a většinou i monitor napětí, které odesílají informace do systému řízení baterie (BMS).
Klíčové parametry baterií
Výrobci baterií pro elektromobily musí uvést do rovnováhy mnoho důležitých požadavků. Jelikož se jedná o pojízdný automobil, je zcela zásadní váha a velikost baterie. Z tohoto důvodu se u baterií uvádí jejich měrná energie či hustota energie.
Dále je důležitý i počet cyklů nabití a vybití, během kterých si baterie elektromobilu dokáže zachovat své vlastnosti, která celkově udává životnost baterie. A v neposlední řadě je důležitá i cena, která zatím tvoří okolo 30% celkové ceny elektromobilu.
Dojezdová vzdálenost a životnost
Obecně se dá říct, že olověné baterie mají dojezdovou vzdálenost 30-80 km, niklové baterie až 200 km, a lithiové baterie 320-480 km.
Dojezdová vzdálenost baterií závisí na mnoha různých faktorech, například na počasí. Zatímco u vozů se spalovacím motorem je auto v zimě ohříváno díky teplu, které vytváří motor, u elektromobilů je potřeba na zahřátí obětovat část kapacity baterie.
Zkušenosti většiny elektromobilistů prokázaly, že u baterií s vyspělými systémy řízení baterie je strach z příliš brzké ztráty kapacity neopodstatněný. Nissan LEAF, který prodal více než 250 000 vozů mezi roky 2010 a 2016, musel vyměnit pouze 0,01% baterií kvůli vnitřním defektům a mnohé vozy najely více než 200 000 kilometrů a zachovaly si během té doby 90% kapacity baterie.
Optimalizace nabíjení
Pravidlo 80% pro nabíjení
Pro běžné řízení je udržování baterie elektromobilu v rozmezí 20% až 80% všeobecně považováno za osvědčený postup. Toto doporučení vychází z toho, jak lithium-iontové baterie reagují na opakované nabíjecí cykly. Při nabíjení elektromobilu na úroveň 100% nebo při hlubokém vybíjení na úroveň 0% prudce stoupá vnitřní napětí baterie, což dále zatěžuje články baterie a zkracuje se tak její životnost.
Při vysokých úrovních nabití (90%-100%) může rychlé nabíjení a prostředí s vysokou teplotou dále urychlit degradaci baterie elektromobilu.
Výjimky: Kdy nabíjet do 100%
Existují specifické případy, kdy je plné nabití vhodné i prospěšné:
- Před dálkovými cestami: Nabíjení na 100% pomůže dosáhnout maximální možné vzdálenosti na jedno nabití.
- V odlehlých oblastech s omezeným počtem nabíjecích stanic: Klíčové pro zajištění dojezdu do cíle nebo k další nabíjecí stanici.
- Další scénáře vyžadující vyšší spotřebu energie: Tažení, přeprava těžkých nákladů nebo jízda v extrémně chladném či horkém počasí.
Obecně platí, že nabíjet na 100% by se mělo pouze v případě, že je to nezbytně nutné k dosažení delšího dojezdu.
Recyklace a druhý život baterií
Druhý život baterií
V případě, že už baterie není vhodná k provozu elektromobilu, je možnost dát jí druhý život, který nevyžaduje tak vysokou kapacitu. Nejčastěji jsou baterie používány jako stacionární bateriové úložiště energie.
Recyklace
Recyklace je posledním stupněm, kde je cílem získat zpět maximální možné množství použitého materiálu za využití co nejmenšího množství energie. Směrnice EU uvaluje na výrobce povinnost baterie aktivně sbírat a na své náklady recyklovat.
Vývoj bateriových technologií
Počátky elektromobility
První elektromobily, které se objevily již na počátku 20. století, používaly ke svému pohonu olověné baterie. Mezi hlavní nevýhody olověných baterií patří to, že by se nikdy neměly vybít pod 50% a že je potřeba pravidelná kontrola elektrolytu. Zároveň jsou poměrně těžké a tvořily 25-50% celkové hmotnosti elektromobilu.
Nikl-metal hydridové a Zebra baterie
Později se objevily nikl-metal hydridové baterie, které mají lepší měrnou energii než olověné baterie a velmi dlouhou životnost. Poté se objevily baterie nazývané Zebra, které vyžadovaly zahřátí elektrolytu na 270°C, čímž odpadl problém s chladným počasím.
Současnost a budoucnost lithiových baterií
V roce 1979 pak byla poprvé představena lithiová baterie, která je dodnes jednou z nejoblíbenějších. Nová generace lithiových baterií obětovala něco ze své měrné energie ve prospěch delší životnosti, ochrany životního prostředí a zvýšení rychlosti nabíjení.
Do budoucna se uvažují dvě hlavní varianty: zachování lithiových baterií s výměnou grafitu za křemík, nebo baterie v pevném stavu, které nevyužívají elektrolyt a budou bezpečnější a s delší životností.
Bezpečnost elektromobilů
Čistě elektrické vozy, jako je ŠKODA ENYAQ iV, nijak nezaostávají v oblasti bezpečnosti oproti automobilům s konvenčními pohony. Díky celé řadě ochranných opatření nepředstavují elektrické komponenty vozů riziko úrazu elektrickým proudem ani za mokra - ať už při jízdě či stání, ani při nabíjení. Nebezpečí požáru není u elektromobilů vyšší než u modelů s klasickými spalovacími motory, zejména proto, že na palubě není vysoce hořlavé palivo.
Bezpečnost zaručuje sofistikovaná technologie s ochrannými jističi a rozsáhlou senzorovou technikou. Veškeré elektrické komponenty jsou chráněny tak, aby nehrozilo nebezpečí úrazu elektrickým proudem ani v myčce, při nabíjení v dešti nebo v případě povodní.
Proces dobíjení se například spustí až poté, co automatická kontrola systému zjistí bezpečné spojení mezi vozidlem a dobíjecí stanicí. V případě závady se tok proudu k baterii okamžitě přeruší.
Baterie pohonu vozu ŠKODA ENYAQ iV je uložena v podvozku odolném proti nárazu, kde je rovněž účinně chráněna proti deformaci. Nárazové testy dokazují, že moderní elektromobily si při nehodě vedou stejně dobře jako vozy se spalovacím motorem.
Elektrické komponenty se při kolizi během milisekund automaticky odpojí od baterie, takže již nejsou pod napětím. Řidič, cestující, účastníci dopravní nehody i záchranné složky jsou tak chráněni před zásahem elektrickým proudem.
Nejhorší investice života? Použité elektromobily rychle ztrácejí cenu. Expert vysvětluje proč
Specifika hašení elektromobilů
Pokud by i navzdory všem bezpečnostním opatřením došlo k požáru, postupuje se při hašení elektrického vozu jinak než při hašení automobilu se spalovacím motorem. Hasiči jsou proto speciálně školeni a dále vzděláváni, aby si rozšířili své znalosti v oboru. Hasiči tak mohou například termokamerou prověřit stav vysokonapěťového modulu a v případě potřeby jej ochladit, aby se zabránilo požáru baterie pohonu.
Nabíjecí výkon a rychlost
Faktory ovlivňující rychlost nabíjení
Rychlost nabíjení elektromobilu je ovlivněna několika klíčovými faktory:
- Kapacita baterie: Čím větší je kapacita baterie, tím déle obvykle trvá nabíjení.
- Technologie baterie: Různé technologie baterií mají významný vliv na rychlost nabíjení.
- Konstrukce nabíjecího systému vozidla: Nabíjecí systém vozidla obsahuje komponenty, jako jsou nabíjecí rozhraní, kabely a nabíječky.
- Výkon nabíjecí hromady: Výkon nabíjecí hromady je jedním z klíčových faktorů určujících rychlost nabíjení.
- Typ nabíjecí hromady: AC nabíječky mají obvykle nižší rychlost nabíjení než DC nabíjecí hromady.
- Teplota: Teplota má významný vliv na výkon baterie a rychlost nabíjení.
- Stabilita mřížky: Stabilní dodávka elektrické energie je zásadní pro zajištění rychlého nabíjení elektromobilů.
AC a DC nabíječky
V současné době jsou na trhu hlavně dva typy nabíjecích hromad: AC nabíječka (přenosná EV nabíječka & wallbox) a stejnosměrné nabíjecí hromady. Nabíjecí hromady stejnosměrného proudu mají obvykle vyšší rychlost nabíjení než hromady střídavého nabíjení.
Nabíjecí baterie stejnosměrného proudu mohou přímo dodávat vysokonapěťový stejnosměrný proud do baterie elektrického vozidla, zatímco nabíjecí baterie střídavého proudu potřebují přeměnit střídavý proud na stejnosměrný proud prostřednictvím palubní nabíječky.
tags: #vysoke #napeti #v #elektromobilech