Rewolucja w samochodach elektrycznych użytkowych: ładowanie o mocy megawatów i jego konsekwencje

W miarę jak świat przyspiesza w kierunku zrównoważonej przyszłości, elektryfikacja pojazdów komercyjnych staje się coraz bardziej konieczna. Ta prezentacja techniczna omawia rosnące zapotrzebowanie na rozwiązania do ładowania o mocy megawatów w branży pojazdów komercyjnych elektrycznych, istniejące bariery techniczne, efektywność kosztową oraz zalety wynikające z lepszych osiągów.

Zajmujemy się kosztami związanymi z umożliwieniem ładowania pojazdów komercyjnych o mocy megawatowa. Konieczne jest zrozumienie tych elementów technicznych podczas oceny pożądanej wydajności pojazdu oraz szybkości ładowania. W naszej prezentacji omówimy te kluczowe wymagania technologiczne, w tym baterie o dużej pojemności, systemy ochrony przed dużym prądem awaryjnym oraz zaawansowane systemy zarządzania ciepłem. Każdy z tych elementów może stanowić ograniczenie dla szybkości ładowania pojazdu, ale ich rozwiązanie wiąże się z dodatkowymi kosztami. Na podstawie analizy dostępnego czasu wykorzystania pojazdów komercyjnych w różnych modelach biznesowych określimy wymagane szybkości ładowania niezbędne do wdrożenia rozwiązań elektrycznych w danym modelu biznesowym. Elastyczność co do czasu i miejsca ładowania pojazdu staje się główną zaletą szybszego ładowania. Przedstawiamy 3 potencjalne modele biznesowe, które będą wymagać różnych rozwiązań ładowania:

Dostawa lokalna – Niskie zużycie energii przy dużej ilości dostępnych czasów przerwy może być zelektryfikowana za pomocą stosunkowo wolnego ładowania o mocy 150 kW.

Dostawa średniodystansowa – Średnie zużycie energii przy średniej ilości dostępnych czasów przerwy może być zelektryfikowana przy obecnie dostępnych szybkościach ładowania wynoszących 350 kW.

Dostawa dalekodystansowa – Wysokie zużycie energii przy małej ilości dostępnych czasów przerwy będzie wymagać ładowania o mocy 1 MW, aby stało się powszechnie dostępne przed zelektryfikacją.

Chociaż wszystkie zastosowania pojazdów elektrycznych mogłyby skorzystać z elastyczności szybszego ładowania, a w rzeczywistości większość z nich mogłaby zostać zelektryfikowana przy powszechnie dostępnym ładowaniu o mocy 1 MW, ważne jest zrozumienie, że nie wszystkie będą wymagać ładowania o mocy megawatów. Wiele modeli biznesowych może zostać w pełni zelektryfikowanych i kontrolować koszty pojazdów poprzez wykorzystanie wolniejszych szybkości ładowania.

Dzięki innowacyjnym badaniom i rozwojowi Eaton znajduje się

Na czele rozwoju skalowalnych i wydajnych rozwiązań do ładowania na pokładzie, które mogą pomóc producentom i flotom zrozumieć kompromisy pomiędzy kosztem a korzyściami specyficznymi dla zastosowania każdego pojazdu.

Koszt szybszego ładowania

Centralnym elementem tej dyskusji jest koncepcja prędkości ładowania, kluczowy czynnik wpływający na praktyczne wdrożenie i wykorzystanie pojazdów elektrycznych. Prędkość ładowania określa dynamikę działania i możliwość wdrożenia różnych modeli biznesowych opartych na zasilaniu elektrycznym. Chociaż niektóre zastosowania mogą bez problemu włączyć pojazdy elektryczne do istniejących struktur biznesowych, inne mogą wymagać pojawienia się nowych technologii lub stworzenia nowych modeli biznesowych, aby wykorzystać zalety zasilania elektrycznego.

Twierdzenie, że szybsze ładowanie oznacza lepsze osiągi, ma swoje uzasadnienie; jednak konieczna jest szczegółowa analiza ograniczeń, z którymi borykają się producenci pojazdów i operatorzy flot. Obejmuje to ocenę technicznych i ekonomicznych konsekwencji elektryfikacji pojazdów, aby upewnić się, że ta transformacja jest nie tylko technologicznie wykonalna, ale także zrównoważona w długoterminowej perspektywie rynkowej.

Jądra baterii

Jądra baterii, podobnie jak preferencja ludzi dla środowisk z kontrolowaną temperaturą, wykazują optymalne osiągi w określonych zakresach temperatury. W idealnych warunkach działają one efektywnie w przedziale temperatur od 15 do 35 stopni Celsjusza. Warto zaznaczyć, że preferowany zakres temperatury pracy może się różnić w zależności od tego, czy jądra te znajdują się

Proces ładowania lub rozładowywania. Rysunek 1 pokazuje związek pomiędzy temperaturą komórki baterii a jej względną wydajnością. Zakres wydajności jest większy podczas rozładowywania baterii niż podczas ładowania.

Ta analogia podkreśla konieczność zaawansowanych systemów zarządzania ciepłem w pojazdach elektrycznych. Takie systemy są projektowane tak, aby utrzymać komórki baterii w ich „strefie komfortu”, co zapewnia stałą wydajność. Ponadto integracja inteligentnych funkcji, takich jak planowanie trasy, umożliwia pojazdowi przewidywanie nadchodzących sesji ładowania, co pozwala na wstępne przygotowanie baterii. Ten proaktywny podejście sprzyja optymalnej efektywności ładowania.

Drugim czynnikiem, który może wpłynąć na zdolność komórki do pobierania energii, jest jej aktualny poziom naładowania. Porównując to do procesu, gdy osoby wchodzą do kina i szukają miejsc, naładowywanie baterii można postrzegać w podobny sposób. Gdy „kino” – czyli bateria – jest puste, proces jest prosty. Jednak w miarę wzrostu liczby użytkowników znalezienie wolnych „miejsc” – czyli punktów ładowania wewnątrz komórek – staje się coraz trudniejsze. Rysunek 2 przedstawia tę zależność w formie graficznej. Gdy poziom naładowania zbliża się do pełnej pojemności, szybkość ładowania może spadać do takiego poziomu, że ładowanie staje się nierentowne. Kierowca będzie lepiej obsłużony, jeśli pojeździ do drugiego miejsca ładowania przy niższym poziomie naładowania i tam się podłączy, zamiast siedzieć i czekać przy zmniejszonej prędkości.

To powiązanie między poziomem naładowania a możliwościami pojazdu może również wpływać na jego zdolność do wykorzystania silnika napędowego jako dodatkowego hamulca. Dlatego pojazd musi mieć znaczną rezerwę w pakiecie baterii, aby zapewnić wystarczającą szybkość naładowania oraz pojemność potrzebną do realizacji hamowania regeneracyjnego. Zaawansowany narzędzie do planowania trasy powinien być w stanie przewidzieć zużycie energii oraz jej odzysk, aby optymalizować efektywność.

Rozmiar baterii i szybkość naładowania C

Kluczowym aspektem chemii baterii jest związek pomiędzy maksymalną teoretyczną szybkością naładowania pakietu a jego pojemnością.

Dążenie do szybszych chemii komórek jest osiągalne; jednak często wiąże się to z wyższymi kosztami oraz kompromisem pod względem żywotności. Rynek pojazdów elektrycznych (EV) wykazuje preferencję dla chemii fosforanu żelaza litowego (LFP), która

zapewnia równowagę pomiędzy efektywnością kosztową a trwałością.

Niedawne postępy w chemii LFP zwiększyły wartość wskaźnika C baterii z około 2 do zakresu od 3 do 4. Jednak nawet przy wskaźniku C równym 3, aby osiągnąć moc ładowania 3,75 MW – górny limit standardu Mega Charging Standard (MCS) – pojazd potrzebowałby baterii o pojemności bliskiej 1000 kWh. Z drugiej strony, moc ładowania 1 MW można osiągnąć przy użyciu baterii o pojemności 400 kWh. Chociaż jest to znacznie więcej niż pojemność baterii w pojazdach lekkich, ta wartość nadal należy do bardziej znośnego zakresu.

Przykład pokazany na obrazku wskazuje, że bateria typu 3C podłączona do ładowarki o mocy 1 megawatta będzie miała ograniczoną prędkość ładowania, jeśli jej pojemność wynosi mniej niż 350 kWh. Przy większej pojemności można osiągnąć maksymalną moc ładowarki.

Należy zaznaczyć, że większa bateria nie tylko zwiększa zasięg pojazdu i umożliwia większe odzyskiwanie energii dzięki hamowaniu regeneracyjnemu, ale także wpływa na pojemność ładunkową pojazdu. Ten kompromis podkreśla złożoną równowagę pomiędzy poprawą osiągów pojazdu elektrycznego a zachowaniem praktyczności.

Potencjalne problemy termiczne

W kontekście ładowania istotnym czynnikiem do uwzględnienia są ograniczenia termiczne. Każdy element w baterii oraz infrastrukturze ładowania może stać się punktem ograniczającym przepływ prądu. Straty w systemie elektrycznym podlegają zasadzie I2r, co oznacza, że straty spowodowane oporem są proporcjonalne do kwadratu prądu. Gdy natężenie prądu wynosi od 800 do 3000 amperów, nawet niewielkie wzrosty oporu, szczególnie w okolicy kontaktorów, mogą prowadzić do znacznego wytworzenia ciepła.

Rysunek 4 przedstawia analizę termiczną technologii ochrony obwodów Breaktor® firmy Eaton. Umożliwia ona zrozumienie tych procesów, pokazując zdolność do ciągłego przenoszenia prądów o wartości 350 A, a także znacznie wyższych prądów przez ograniczony czas. Zastosowanie aktywnych mechanizmów chłodzenia może wydłużyć czas, w którym komponenty mogą funkcjonować w bezpiecznych parametrach termicznych. Kluczowe jest rozpoznanie indywidualnych ograniczeń każdego komponentu oraz zarządzanie progami termicznymi na poziomie całego systemu, aby zapewnić bezpieczną i efektywną pracę. Najlepszym sposobem zarządzania tym procesem w pojeździe jest wykorzystanie czujników temperatury i funkcji przenoszenia, aby monitorować wewnętrzną temperaturę komponentów. Zastosowanie aktywnego systemu monitoringu pozwala pojazdowi na wykorzystywanie maksymalnej mocy tak długo, jak to możliwe, przy jednoczesnym zachowaniu ograniczeń termicznych.

Rozdzielenie mocy

Projektowanie systemów wysokiego napięcia obejmuje nie tylko parametry operacyjne, ale także strategie ochrony potrzebne do zapewnienia bezpiecznej pracy oraz zminimalizowania skutków awarii. W sytuacjach, gdy używane są liczne zestawy baterii, każdy z nich może wymagać zarządzania jedynie częścią prądu ładowania oraz ekspozycji na proporcjonalną część potencjalnych warunków awaryjnych. Z tego powodu jednostka odłączania baterii (BDU) w każdym zestawie może odpowiadać wymaganiom zastosowań w pojazdach lekkich.

Jak pokazano na rysunku 5, Breaktor 900 okazuje się optymalnym rozwiązaniem ochronnym dla pojedynczych pakietów baterii. Potrafi samodzielnie obsługiwać ładowanie o mocy 500 kW przez ograniczony czas oraz chronić przed awariami o prądzie do 20 kA, spełniając w ten sposób wymagania poszczególnych pakietów po równomiernym podziale mocy MCS. Jednak jego możliwości nie obejmują wysokich prądów występujących przy portach MCS.

W portie MCS system musi być zabezpieczony przed poważnymi awariami wynikającymi zarówno z ładowarki, jak i z kilku pakietów baterii jednocześnie. Może to prowadzić do prądu awaryjnego sięgającego 70kA. Mechanizm ochronny musi mieć funkcję ograniczania prądu, aby skutecznie chronić systemy pojazdu. W tym kontekście szczególnie przydatne okazują się wyłączniki EV serii dla ciężarówek firmy Eaton. Wyłączniki te można rozmieścić równolegle, aby stworzyć skalowalną strategię ochrony obejmującą cały zakres prądów w MCS. Niemniej jednak muszą one być dokładnie skoordynowane z odpowiednio dobranej wielkości parą kontaktorów, aby umożliwić prawidłowe operacje przełączania i zapewnić solidny oraz niezawodny projekt systemu wysokiego napięcia.

Seans ładowania

Łącząc te elementy, przyjrzyjmy się rzeczywistej sesji ładowania pojazdu elektrycznego. Czas ładowania oblicza się na podstawie powierzchni pod krzywą. Większość systemów ładowania ma ograniczenie prądu, co oznacza, że zasilacz może dostarczyć tylko określoną maksymalną wartość prądu. Pomnożenie tej wartości przez napięcie systemu daje maksymalną moc ładowania. Zwiększenie ograniczenia prądu zarówno w zasilaczu, jak i w pojeździe – poprzez strategie zmniejszania temperatury lub ulepszenie kontaktorów – może zwiększyć prędkość ładowania, tym samym skracając czas potrzebny na pełne naładowanie.

W scenariuszach obejmujących sesje ładowania o mocy 1 MW i 500 kW system utrzymuje maksymalną prędkość ładowania jedynie przez krótki czas, zanim napotka problemy termiczne lub wewnętrzne ograniczenia baterii, które wymagają zmniejszenia prędkości ładowania. Z drugiej strony aplikacja do ładowania o niskiej mocy, działająca poniżej tych progów, może utrzymywać maksymalną prędkość przez większość czasu trwania ładowania. Wszystkie trzy sesje ładowania dostarczają tę samą ilość energii – 600 kWh – ale zajmuje to znacznie różną ilość czasu.

Te profile ładowania są kluczowe dla producentów sprzętu oryginalnego (OEM) oraz operatorów flot, aby je zrozumieć. Muszą oni dostosować możliwości ładowania pojazdu do jego przeznaczenia operacyjnego. Takie dopasowanie jest niezbędne, aby wydajność pojazdu spełniała oczekiwania wynikające z jego zamierzonego zastosowania. Następnie przyjrzymy się, w jaki sposób te kwestie znajdują zastosowanie w praktyce dla OEM i operatorów flot.

Wymagana prędkość ładowania

Aby zrozumieć, jak szybko to wystarczy, musimy najpierw przeanalizować szereg zastosowań pojazdów użytkowych. Wykorzystując dane z rzeczywistego świata z inicjatywy NACFE Run on Less oraz teoretyczne przykłady zastosowań w dalekich transportach, sprawdzimy ilość energii zużywanej w ciągu dnia w porównaniu z dostępnym czasem na ładowanie pojazdu.

Zastosowanie do dostaw lokalnych

Pierwszym zastosowaniem jest lokalny pojazd dostawczy według danych NACFE dostarczonych przez Penske. W tym zastosowaniu pojazd pokonuje krótką lokalną trasę dostaw o długości około 200 kilometrów dziennie w ciągu jednej zmiany. Oznacza to, że pojazd zużywa zaledwie około 250 kWh i ma ponad 15 godzin czasu bezczynności w magazynie na uzupełnienie energii. Teoretycznie można by to załatwić za pomocą komercyjnie dostępnych ładowarek prądu przemiennego klasy II, ale pojazdy musiałyby być podłączone przez cały czas, gdy nie są w ruchu. W praktyce Penske wykorzystuje szybkie ładowanie prądem stałym o mocy 150 kW, które pozwala na uzupełnienie energii ciężarówki w ciągu 2 godzin pod koniec zmiany, zanim pojazd może zostać przeniesiony na zwykłe miejsce parkingowe w magazynie – to umożliwia skoncentrowanie infrastruktury potrzebnej do obsługi wielu pojazdów i zachowanie ich elastyczności operacyjnej. Tabela 2 oraz rysunek 7 przedstawiają to zastosowanie.

Zastosowanie do dostaw regionalnych

Drugim przykładem do przeanalizowania jest również ten z Run on Less Electric Depot. Tutaj Pepsi wykorzystuje flotę ciężarówek Tesla do dostaw w skali regionalnej. Pojazd może przejechać nawet 965 kilometrów w ciągu 24 godzin podczas dwóch zmian jazdy. To daje ograniczony okres trwający 3 godziny na końcu każdej zmiany na uzupełnienie energii. Stosując podobną metodę analizy dostępnych czasów, teoretycznie można by to zrealizować przy użyciu ładowania o mocy 250 kW, ale to z kolei wymagałoby maksymalnego ładowania w każdej chwili, gdy pojazd się nie porusza.

W praktyce Pepsi używa ładowania o mocy 600 kW do ponownego napełnienia baterii ciężarówek

w dwóch sesjach po 2 godziny, co zapewnia większą elastyczność i możliwość dłuższego czasu pracy. Tabela 3 oraz rysunek 8 przedstawiają to zastosowanie.

Zastosowanie do dalekich tras

Ostatnim scenariuszem do omówienia jest teoretyczny przykład kabiny ciężarówki sypialnej do dalekich tras. Uważa się ją często za jeden z najtrudniejszych przypadków do zelektryfikowania, ponieważ obecnie polega na rozproszonej sieci stacji tankowania, a nie na kontrolowanym magazynie należącym do floty lub operatora.

Zgodnie z przepisami prawnymi kierowcy ciężarówek na dalekich trasach w większości krajów muszą robić przerwy co jakiś czas. W idealnych warunkach 10-godzinny okres odpoczynku oraz wszystkie regularne postoje w ciągu dnia umożliwiłyby ładowanie pojazdu, operator mógłby przejechać 965 kilometrów dziennie i potrzebowałby jedynie zasilania o mocy 150 kW. Jednak ze względu na rozproszenie miejsc, w których konieczne jest ładowanie, regularne znajdowanie gniazdka za każdym razem, gdy ciężarówka stoi w miejscu, będzie prawdopodobnie niemożliwe.

Z tego powodu musimy założyć, że ciężarówka może podłączyć się do zasilania tylko ograniczoną liczbę razy w ciągu dnia i nie robi tego podczas nocnego odpoczynku, co skraca dostępny czas na ładowanie do około 3 godzin dziennie. Takie założenie lepiej odzwierciedla obecny model biznesowy oparty na przystankach odpoczynkowych i stacjach tankowania diesla. Biorąc pod uwagę ten dostępny czas oraz wymaganą zasięg, teoretycznie potrzebne jest ładowanie o mocy średnio 666 kW. Biorąc pod uwagę wszystko, co wiemy o ograniczeniach ładowania w godzinach szczytu oraz konieczności elastyczności, wymagany będzie ładowarka o mocy 1 MW lub wyższej. Tabela 4 i rysunek 9 przedstawiają ten teoretyczny scenariusz.

To nie oznacza, że ładowanie o mocy megawatów rozwiązuje wszystkie problemy związane z elektryfikacją transportu ciężarowego na długich dystansach – dostępność ładowarek i połączenie z siecią będą stanowić wyzwanie. Jednak ta analiza pokazuje, że jeśli ładowanie o mocy 1 MW będzie powszechnie dostępne, elektryfikacja nawet najtrudniejszych przypadków biznesowych może stać się rzeczywistością.

Jak szybko to wystarczająco szybko?

Na koniec spróbujmy połączyć wszystkie elementy w całość. Każde zastosowanie będzie wymagać różnej ilości energii w ciągu dnia w zależności od dostępnego czasu na ładowanie. Rysunek 10 przedstawia to wizualnie za pomocą zacienionych obszarów odpowiadających trzem badanym zastosowaniom. Poprzez przedstawienie krzywych różnych maksymalnych szybkości ładowania możemy określić próg, poniżej którego dane zastosowanie może być realnie obsłużone przez daną ładowarkę.

Włączenie trzech przeanalizowanych przykładów do tego wykresu pokazuje, w jaki sposób każdy z nich mógłby zostać obsłużony przez odrębną sieć ładowania. Wskazuje on również, że większość zastosowań mogłaby być odpowiednio obsłużona powszechnie dostępną infrastrukturą ładowania o mocy 1 MW.

Chociaż standard MCS faktycznie dopuszcza

moc ładowania do 3,75 MW, należy zaznaczyć, że koszty związane z umożliwieniem tak wysokiej mocy ładowania mają tendencję do wzrostu wykładniczo. Dlatego finansowe uzasadnienie dla takiej wysokiej mocy ładowania będzie prawdopodobnie ograniczone do niszowych zastosowań. Ten podejście zapewnia równowagę pomiędzy efektywnością operacyjną a opłacalnością.

Wniosek

Każde zastosowanie pojazdu użytkowego będzie unikalne i wymaga indywidualnej oceny jego potrzeb energetycznych oraz uzasadnienia biznesowego dla elektryfikacji. Zrozumienie ograniczeń i kosztów zwiększania wydajności ładowania pozwala flotom i producentom pojazdów

porównać koszty z korzyściami wynikającymi z większej elastyczności zapewnianej przez szybsze ładowanie. Nie istnieje jedna odpowiedź pasująca we wszystkich przypadkach. Wiele zastosowań może być odpowiednio obsłużonych dzięki obecnej technologii ładowania, a pojawienie się powszechnie dostępnych stacji ładowania o mocy megawatowa powinno otworzyć drogę do elektryfikacji dla większości dzisiejszych pojazdów użytkowych.

O Eaton: Eaton od dawna jest czołowym dostawcą w segmencie pojazdów komercyjnych. W miarę rozszerzania się naszej oferty produktowej w obszarze elektryfikacji, Eaton stanowi idealnego partnera dla producentów pojazdów, pomagając im zrozumieć zależności pomiędzy kosztami a korzyściami. Nasza wiedza z zakresu dystrybucji i ochrony mocy może pomóc producentom w projektowaniu ekonomicznych architektur wysokiego napięcia, które odpowiadają potrzebom ich klientów.

Utwórz konto. Jesteś już zarejestrowany? Zaloguj się

Wirtualna konferencja na temat inżynierii pojazdów elektrycznych: dostępna bezpłatnie

Nie przegap naszej kolejnej wirtualnej konferencji od 14 do 17 września 2026 roku.

Zarejestruj się na poniższe bezpłatne sesje webinarych, aby zarezerwować sobie miejsce i oglądać je na żywo lub według własnego wyboru.

POZNAJ WIĘCEJ SESJI