Palubní nabíječka elektromobilů

Nabíjení elektrovozu závisí na třech součástech a jeho rychlost bude vždy určováno nejslabším článkem. Tyto tři komponenty jsou nabíjecí zdroj, nabíjecí kabel a právě palubní nabíječka. Jak tedy funguje? Jaké jsou základní typy palubních nabíječek? A jaké jsou výhledy do budoucnosti?

Nabíječka?

Není nabíječka jako nabíječka. Jelikož nabíjecí stanici se běžně říká nabíječka, je potřeba si nejprve ujasnit dva pojmy:

• Palubní nabíječka (či palubní systém auta) - On Board Charger (OBC)
• Nabíjecí stanice (také nazývaná nabíječka, které nabíjí buď AC nebo DC proudem) - Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE)

V tomto článku se věnujeme tématu palubních nabíječek, tedy těch, které jsou pevně zabudovány do automobilu. Téma externích nabíječek a nabíjení stejnosměrným anebo střídavým proudem, naleznete zde.

Jak probíhá nabíjení?

Existují dva základní typy nabíjení a to buď stejnosměrným anebo střídavým proudem. V případě využití střídavého proudu, buď ze zásuvky či z AC nabíjecí stanice, projde proud nabíjecím kabelem do palubní nabíječky, která změní střídavý proud na stejnosměrný a pošle jej do baterie.

Palubní nabíječka na obrázku jako 'On-board charger'. Autor:Toyota Motor Europe (Licence CC BY-ND 2.0)

Pokud se automobil nabíjí stejnosměrným proudem, potom se palubní nabíječka obejde a proud směřuje rovnou přes BMS do baterie. Při tomto nabíjení se tedy palubní nabíječka nevyužívá, ale za to má tento styl nabíjení vyšší nároky na BMS. O tom, jak fungují baterie, jak prodloužit jejich životnost a jakou roli v tom hraje DC nabíjení, si můžete přečíst zde.

Jaká je role palubní nabíječky?

Palubní nabíječka umožňuje především kontrolu proudu a napětí, kterým je potřeba baterii nabíjet (Voltage či Current Control Mode), čímž se stará o životnost baterie.

Nabíječka nabízí buď nabíjení konstantním proudem anebo konstantním napětím, které jsou obě dvě jednoduché na ovládání. A každé z nich má své výhody a nevýhody. V případě nabíjení konstantním proudem, dochází k vysoké efektivitě a rychlosti nabíjení, ale hrozí, že v pozdější fázi dojde k přebití baterie a tím snížení její životnosti. V případě nabíjení konstantním napětím hrozí, že ze začátku do baterie přiteče příliš silný proud, který baterii příliš zahřeje a opět dojde ke zkrácení její životnosti.

Nabíječka se tedy stará o to, aby se na začátku nabíjelo konstantním proudem, čímž je zachována rychlost a efektivita a ve chvíli kdy napětí na obou koncích baterie dosáhne určité amplitudy, tak se nabíjení změní na nabíjení konstantním napětím. Zmíněný systém se nazývá strategie nabíjení a jedná se o nejdůležitější funkci palubní nabíječky.

Zdroj: Journal of Advanced Transportation.https://www.hindawi.com/journals/jat/2019/2613893/

Z čeho se skládá palubní nabíječka?

Typické nabíječky k dosažení zmíněných funkcí, provádí několik na sebe navazujících úkonů: usměrnění vstupu, korekci účiníku, konverzi DC-DC, izolaci, usměrnění výstupu a filtrování výstupu. Pro zjednodušení se jedná vlastně o dvě fáze.

Dvoufázová palubní nabíječka. Source: https://www.hindawi.com/journals/jat/2019/2613893/

První fází je tzv. PFC stage (Power factor controller anebo Power factor correction), který mění střídavý (AC) proud na stejnosměrný. Na této části nabíječky závisí, zda bude schopna využít jednu či všechny tři fáze střídavého proudu. Výstupem je napětí 700V, které jde do druhé fáze.

Druhá fáze se nazývá LLC převodník, do kterého přiteče 700V a výstupem je napětí přesně podle toho, co potřebuje baterie elektrického vozidla v daný moment nabíjení.

Jaké jsou typy palubních nabíječek

Palubní nabíječky se dělí podle toho, kolik fází mohou využít (zda pouze jednu anebo tři) a podle svého výkonu. Výkon palubních nabíječek je obvykle v rozpětí mezi 3,7 kW a 22 kW. Od těchto dvou charakteristik se potom také odvíjí jejich cena a potažmo tedy cela celého elektromobilu.

Palubní nabíječka. Zdroj: https://avidtp.com/product/onboard-charger/

Standardní nabíječka značky AVID má výkon buď 7,3kW v případě, že využívá pouze jednu fázi anebo 22kW, pokud využívá tři fáze. Nabíječka je také sama schopna detekovat, zda bude moci využít pouze jednu fázi či tři. Při připojení k domácí AC stanici, která bude mít také výkon 22 kW, pak doba nabíjení bude záviset na kapacitě baterie.

Napětí, které tato palubní nabíječka dokáže přijmout je 110 - 260V střídavého proudu v případě připojení pouze na jednu fázi (a 360 - 440V v případě tří fází). Výchozí napětí, které směřuje do baterie, je 450 - 850V stejnosměrného proudu.

Výhledy do budoucnosti

Jelikož rychlost nabíjení elektromobilu vždy závisí na výkonu nejslabšího článku, tak je tendence směrem ke stále výkonnějším palubním nabíječkám. Současný výzkum se zaměřuje především na zmenšení rozměrů a váhy nabíječky s důrazem na vysokou hustotu energie, vysokou účinnost nabíjení a dobré odvádění tepla.

Výzkum první části nabíječky (fáze PFC) je značně vyspělý a v současné době dosahuje efektivity 98%. Celková efektivnost v současné době závisí tedy především na designu a efektivitě DC-DC převodníku ve druhé fázi.

A kromě toho jsou elektrická auta ještě vybavena vlastním pohonným modulem, který je také schopný měnit proud z AC na DC. Ale o jeho funkcích a budoucnosti až zase příště v našem článku o pohonných modulech.