Ztráty při nabíjení elektromobilu
Při nabíjení elektromobilů vznikají ztráty a zahřívají se nabíjecí kabely a zásuvky.
- Jak se ztráty projeví na vaší peněžence?
- Jsou ztráty významné?
- Jak moc se zahřívají kabely a nabíjecí konektory a zásuvky?
- Zahřívá se více smotaná část kabelu?
Na úvod nutno podotknout, že při používání jakéhokoliv elektrického spotřebiče vznikají ztráty a zahřívá se přívodní kabel i elektronika přístroje. Elektromobil můžeme klidně považovat za elektrický přístroj.
Pro test jsme s kolegou vybrali elektromobil Kia eNiro, modelový rok 2021, nájezd 67 000 km, kapacita baterie 64 kWh. Auto má třífázové 11kW AC nabíjení. Neboli řečí čísel umožňuje nabíjet 16 A třífázově. Pro představu: většina rodinných domů s třífázovým připojením má hlavní domovní jistič 25 A, takže při nabíjení auta doma se v žádném případě nepřekročí maximální proudový odběr.
Co jsme chtěli měřit?
Na trh přichází nové typy nabíjecích kabelů Phoenix Contact. Testovali jsme ten, který umožňuje AC nabíjení 11 kW. Tento kabel se od stávajícího kabelu liší tím, že má menší průřez jednotlivých silových vodičů – a to 1,5 mm2 oproti stávajícím 2,5 mm2. A to vše při zachování všech standardů a bezpečnosti. Dále kabel má i modifikované konektory s novým designem. V portfoliu je i nový typ kabelu umožňující AC nabíjení 22 kW, průřez silových vodičů má 4 mm2 oproti stávajícím 6 mm2. Prémiové kabely s větším průřezem silových kabelů nadále zůstávají v nabídce Phoenix Contact.
Přestože nový kabel prošel náročnými zátěžovými testy během vývoje, chtěli jsme získat vlastní data a zkušenosti z nabíjení v reálných českých podmínkách. O tato data se s vámi chceme podělit.
Měli jsme hlavní cíle: měřit teplotu nabíjecího kabelu a jeho konektorů na různých místech během nabíjení a zjistit ztráty při nabíjení.
Kde jsme průběžně měřili teplotu?
- na vnější straně nabíjecích konektorů (jak na straně nabíjecí stanice, tak na straně auta)
- na kabelu těsně u obou částí konektorů
- na kabelu v místě jeho smotání
Můžete namítnout, že se nedoporučuje smotávat nabíjecí kabel. Vzhledem k tomu, že toto smotání vidíme často na nabíječkách, rozhodli jsme se pro test se smotaným kabelem, abychom zjistili míru ohřívání právě v místě smotání.
Jako bonus jsme změřili teploty nabíjecích zásuvek v autě a v nabíjecí stanici těsně po skončení nabíjení.
Jak jsme zjišťovali ztráty při nabíjení?
V daných časových intervalech jsme odečítali hodnoty z
- diagnostické jednotky auta,
- měřicí jednotky nabíjecí stanice.
Poté jsme vše dopočítali a vizualizovali.
V jakých podmínkách jsme měřili?
V den testu 23. 2. 2023 se venkovní teplota pohybovala mezi 9 a 11 stupni, bylo zataženo. Považovali jsme to za skoro ideální podmínky, neboť teploty konektorů a kabelu černé barvy nebyly ovlivněné slunečním zářením. Během testu foukal mírný vítr. Test jsme začínali v 10:34 a skončili v 15:20, trval tedy necelých 5 hodin.
Elektromobil jsme nabíjeli v rozmezí 15 až 90 % kapacity baterie. Toto rozmezí je dle našeho názoru typické maximální rozmezí nabíjení na AC stanicích.
Nabíjecí stanice je umístěná na volném parkovišti, k nabíjecímu místu přiléhá budova ve vzdálenosti cca 4 metry.
Nabíjecí kabel jsme před testem měli v kabině auta, měl tudíž její teplotu.
Měření teplot a odečty z diagnostické jednotky jsme prováděli zpočátku po 10 minutách a poté po 15 minutách.
Během testu byl elektromobil zapnutý s vypnutou klimatizací. Bylo to z důvodu on-line připojení diagnostické jednotky. Odběr elektroniky auta byl zanedbatelný kolem 0,2 kW.
Josef Růžek měří teplotu nabíjecího kabelu na straně elektromobilu Kia eNiro
Výsledky testu
Teploty na straně nabíjecí stanice
V maximu se teplota kabelu pohybovala lehce nad 20 stupni. Překvapila nás teplota konektoru na levé straně stanice, která byla výrazně nižší než na druhé straně. Vysvětlujeme si to tím, že vítr výrazněji ochlazoval právě levou stranu. Stanice je z pravé strany chráněná budovou. Pro vyšší teplotu levé strany konektoru na konci měření (modrá čára v grafu) nemáme exaktní vysvětlení. Je možné, že přestal foukat vítr a nedocházelo k přirozenému ochlazování konektoru z levé strany.
Teploty na straně auta
Teploty konektorů jsou vyrovnané a jsou nižší než na straně nabíjecí stanice. Může to být i tím, že v úrovni konektoru nevál vítr a nedocházelo k přirozenému ochlazování pouze jedné strany. Také je vidět, že celková teplotní zátěž kabelu je na straně auta nižší než na straně nabíjecí stanice.
Teploty samotného kabelu
Ve smyčce kabelu je teplota i o 5 stupňů vyšší než v místě napojení kabelu do konektorů. Toto jsme očekávali a potvrdilo se, že kvůli tomuto zahřívání je zbytečné nechávat kabel smotaný. Na druhou stranu – kdo bych chtěl nechávat kabel položený na zemi? Pro to však existuje řešení – spirálový kabel, který je během nabíjení prověšený a neválí se na zemi.
Na obrázku z termokamery níže je pěkně vidět zahřívání kabelu v místě smyčky. Bílá barva znamená největší teplotu oproti okolí. Tento obrázek potvrzuje naměřené výsledky. Vlevo je vidět sloupek nabíjecí stanice se zastrčeným kabelem, uprostřed je smyčka kabelu a vpravo zapojení do auta.
Obrázek z termokamery s teplotami během testu
Kříž na displeji termokamery ukazuje místo měření teploty smotaného kabelu – těsně vedle stahovacího pásku
Ztráty při nabíjení
Nabíjení 11 kW je běžným nabíjecím výkonem u veřejných AC nabíjecích stanic a stává se běžným i u domácího nabíjení. Proto je údaj o ztrátách důležitý.
K největším ztrátám dochází na začátku nabíjení – viz šedá čára na grafu níže. Je to dáno tím, že část energie se spotřebuje i na zahřátí elektroniky vnitřní nabíječky v autě. Po určité době se ztráty ustálí mezi 10 a 8 % a nadále klesají k výsledným 3,6 %. Energie, nabitá do auta i odebraná z nabíjecí stanice, přibývají takřka konstantně.
Ztráty nejdou na vrub pouze ohřívání elektroniky a na vrub ohřívání kabelu a konektoru. Během nabíjení se ohřívá i baterie elektromobilu. Kia eNiro má kapalinou chlazenou baterii. Viděli jsme, že teplota bateriových modulů během nabíjení rostla a s ní rostla také teplota chladicí kapaliny.
Jak se projeví ztráty na vaší peněžence?
Uvedeme to na našem testovacím příkladu. Z nabíjecí stanice jsme odebrali celkem 52,91 kWh energie, což při ceně 8 Kč/kWh činí 423 Kč. Podle palubního počítače se dojezd zvýšil z 65 km na 400 km, tudíž jsme nabili na dalších 335 km. To činí 1,26 Kč/km.
Pokud bychom vzali v úvahu, že bychom platili pouze za skutečnou energii dodanou do baterie, tj. 51 kWh, činila by cena na kilometr 1,22 Kč. Nebo také – za celé nabíjení bychom zaplatili o 15 korun více, vyjádřeno čísly to jsou 4,5 haléře na jeden kilometr.
Informace pro fajnšmekry
Diagnostická jednotka poskytuje údaje např. také o napětí baterie a nabíjecím proudu. Z grafu níže je vidět, jak s úrovní nabití trakční baterie (SoC – State of Charge) stoupá napětí celého battery packu a přitom klesá nabíjecí proud.
Nabíjecí soustava v autě pracuje se vstupním střídavým třífázovým napětím, které dále usměrňuje, filtruje a mění na stejnosměrné napětí. Palubní nabíječka potom reguluje proud z tohoto usměrněného zdroje napětí.
Při nabíjení baterie stoupá napětí jednotlivých bateriových článků a tudíž i celého battery packu. Vzhledem ke konstantnímu výkonu palubní nabíječky při zvyšujícím se napětí tudíž dochází k poklesu nabíjecího proudu.
Průběh zvyšujícího se napětí bateriového článku v závislosti na rostoucím stavu nabití je níže.
Celková účinnost palubní nabíječky je vyjádřená jako poměr přijaté a odebrané energie (viz hodnoty výše). Nebo-li: 51/52,9*100 = 96,4 %, což je velmi dobrá hodnota. Necelá 4 % energie jsou tedy zmařena v kabelu, konektorech a elektronice palubní nabíječky (usměrňovač, filtry, regulátor a spotřeba elektroniky v elektromobilu a také chlazení nebo spíše vyhřívání baterie). Ukazuje to na skvělou práci techniků Kia!
Ještě se s vámi podělíme o teplotu fázového pinu v nabíjecím konektoru po skončení nabíjení. V konektoru na obou stranách nabíjecího kabelu a v zásuvce auta jsme měřili teplotu zemnícího pinu.
- Konektor na straně nabíječky: 36,4 °C
- Konektor na straně auta: 20,2 °C
- Zásuvka na straně auta: 18,7 °C – viz obrázek níže
Změřená teplota zemnícího pinu v nabíjecí zásuvce na straně auta
Celkové zhodnocení
Nezaznamenali jsme žádnou anomálii teplot při nabíjení, a to ani v místě konektorů nebo zásuvek, ani v místě smotání kabelu. Avšak toto smotání nedoporučujeme, dochází při tom ke zbytečnému ohřívání kabelu, tím pádem ke zbytečným ztrátám.
Z pohledu celkových ztrát při nabíjení je výsledek skvělý. Celkové ztráty se pohybují v řádech pár haléřů na ujetý kilometr.
Stejný test chceme zopakovat i v horkém létě, abychom viděli vliv slunečního záření na černé koncovky a kabely. Ostatně elektrojízdu kolem republiky jsme také zopakovali v létě, abychom získali srovnávací data.
Údaje z termokamery jsme zaznamenávali i ručně… Jistota je jistota.
Poděkování patří Petrovi Baxantovi z Ústavu elektroenergetiky na FEKT VUT Brno za poskytnutí termokamery Flir i7. V rámci naší probíhající spolupráce s FEKT poskytneme i tato naměřená data k dalšímu studiu.
Petr Beneš, elektromobilní nadšenec jezdící jen na baterky;
