Ładowanie pojazdów elektrycznych w budynkach mieszkalnych a komercyjnych: moc, ochrona i infrastruktura

Ładowanie w budynkach mieszkalnych i komercyjnych to nie to samo rozróżnienie, co ładowanie AC i DC. Większość instalacji domowych wykorzystuje urządzenia zasilające pojazdy elektryczne (EVSE) prądu przemiennego (AC). Obiekty publiczne mogą korzystać z ładowarek AC typu destination charger, szybkich ładowarek DC lub obu tych rozwiązań.

Obiekty komercyjne i publiczne nie są dokładnymi synonimami. Prywatna baza floty może być komercyjna bez dostępu publicznego, podczas gdy punkt ładowania przy krawężniku może być ogólnodostępny. W niniejszym przewodniku kolumny dotyczące publicznych ładowarek AC i DC przedstawiają wzorce infrastruktury wieloużytkownikowej powszechnie spotykane w projektach komercyjnych i ogólnodostępnych; rzeczywisty model dostępu pozostaje odrębnym założeniem projektowym.

Prawidłowa kolejność projektowania to:

1. Określenie, czy pojazd przyjmuje prąd AC czy DC.
2. Sklasyfikuj obiekt pod kątem dostępu, wykorzystania, liczby gniazd, dostępności oraz potrzeb w zakresie rozbudowy.
3. Zweryfikuj moc zasilania, spodziewany prąd zwarciowy, uziemienie, certyfikowane funkcje EVSE, lokalne przepisy instalacyjne oraz instrukcje producenta.

Etykieta obiektu, taka jak dom, miejsce pracylub publiczny nie określa wyboru wyłącznika automatycznego, wyłącznika różnicowoprądowego, ogranicznika przepięć, przewodu ani rozłącznika.

Ładowanie AC w budynkach mieszkalnych a publiczne ładowanie AC a publiczne ładowanie DC

Kwestia projektowa	Domowy prąd przemienny (AC)	Komersyjne/publiczne ładowanie AC	Komersyjne/publiczne szybkie ładowanie DC
Moc dostarczana do pojazdu	AC; ładowarka pokładowa przekształca go na DC	AC; ładowarka pokładowa przekształca go na DC	DC; konwersja odbywa się w zewnętrznym urządzeniu ładującym
Typowy kontekst	Prywatny podjazd, garaż lub przypisane miejsce postojowe w strefie mieszkalnej	Miejsce pracy, hotel, punkt handlowy, flota, parking lub ładowanie przy krawężniku	Korytarz autostradowy, baza floty, hub ładowania lub punkt o dużej rotacji pojazdów
Cykl pracy	Zazwyczaj jedno gospodarstwo domowe z przewidywalnym czasem postoju	Wielu użytkowników, dłuższe godziny pracy i zmienne obłożenie	Wysoka moc, krótsze sesje i wymagająca praca urządzeń
Główne wyzwanie związane z dystrybucją	Dostępna moc przyłączeniowa i zapotrzebowanie budynku mieszkalnego	Suma zapotrzebowania, liczba gniazd, współczynnik jednoczesności, dostęp i rozbudowa	Wydajność sieci, obciążenie transformatora i rozdzielnicy, straty przy konwersji, chłodzenie oraz czas bezawaryjnej pracy
Granica ochrony	Dedykowany obwód końcowy oraz zweryfikowane funkcje EVSE	Zabezpieczenie dla każdego punktu przyłączeniowego skoordynowane z systemem dystrybucji ładowania	Zabezpieczenie AC po stronie zasilania skoordynowane z certyfikowaną wewnętrzną architekturą AC/DC ładowarki
Wymóg zarządczy	Harmonogramowanie lub zarządzanie energią w domu może być wystarczające	Może być wymagane dynamiczne przydzielanie, autoryzacja, opomiarowanie oraz zdalny monitoring	Kluczowe znaczenie ma współdzielenie mocy, sterowanie zapotrzebowaniem, monitorowanie czasu pracy oraz planowana konserwacja
Pakiet dokumentacji dowodowej	Obliczenia obciążenia, projekt obwodów końcowych, instrukcje EVSE, certyfikacja/atestacja oraz lokalne zatwierdzenie	Analiza obciążenia obiektu, harmonogram gniazd, dokumentacja EVSE, plany komunikacji i konserwacji	Analiza zakładu energetycznego, schemat jednokreskowy, badania zwarciowe i koordynacyjne, certyfikacja ładowarki, uruchomienie oraz plan serwisowy

Niniejsza tabela klasyfikuje zadania inżynieryjne; nie jest to harmonogram doboru urządzeń. Dwa projekty w tej samej kolumnie mogą wymagać różnych przewodów, wyłączników automatycznych, zabezpieczeń różnicowoprądowych, ograniczników przepięć oraz aparatury rozdzielczej.

Dlaczego sam typ obiektu nie definiuje architektury instalacji elektrycznej

Ładowarka domowa i publiczny punkt ładowania AC mogą korzystać z tej samej ogólnej ścieżki zasilania: obiekt dostarcza prąd AC, a pokładowa ładowarka pojazdu przekształca go na prąd DC dla akumulatora. Ich wykorzystanie oraz wymagania infrastrukturalne mogą się jednak znacząco różnić.

Publiczny punkt ładowania AC może wymagać autoryzacji użytkownika, opomiarowania energii, komunikacji sieciowej, zdalnego resetowania, przydziału obciążenia oraz udokumentowanego dostępu serwisowego. Pojedynczy domowy punkt ładowania może nie wymagać żadnej z tych funkcji, jednak nadal wymaga prawidłowo zaprojektowanego obwodu końcowego oraz strategii ochrony różnicowoprądowej kompatybilnej z EVSE.

Publiczne ładowanie DC tworzy inną granicę wyposażenia. Ładowarka dokonuje konwersji poza pojazdem i może zawierać moduły zasilające, układ chłodzenia, przełączanie, monitorowanie izolacji, sterowanie wyjściem oraz funkcje zabezpieczeń DC w ramach swojej certyfikowanej konstrukcji. Projektant obiektu musi skoordynować zasilanie AC z tym urządzeniem, zamiast zwiększać skalę obwodu ściennego typu wallbox AC.

W kwestii rodzin złączy, trybów ładowania i podstawowej terminologii należy posłużyć się Rodzaje ładowarek do pojazdów elektrycznych przewodnikiem jako orientacją. Niniejsza strona dotyczy porównania infrastruktury, a nie taksonomii złączy.

Ładowanie AC w budynkach mieszkalnych: zacznij od dostępnej mocy przyłączeniowej

W typowej domowej instalacji AC, stacjonarne urządzenie EVSE steruje połączeniem z pojazdem, podczas gdy ładowarka pokładowa przekształca AC na DC. Urządzenie EVSE jest zazwyczaj zasilane z dedykowanego obwodu końcowego w domowej rozdzielnicy.

Projektowanie rozpoczyna się od budynku mieszkalnego, a nie od znamionowej mocy ładowarki. Należy zweryfikować:

• pojemność przyłącza i rozdzielnicy;
• istniejące maksymalne zapotrzebowanie na moc oraz wszelkie zatwierdzone metody sterowania zapotrzebowaniem;
• maksymalny prąd wejściowy EVSE oraz wymagania dotyczące zabezpieczeń wstępnych określone przez producenta;
• obciążalność prądowa przewodów, sposób instalacji, grupowanie, warunki otoczenia, spadek napięcia oraz ograniczenia zacisków;
• przewidywany prąd zwarciowy oraz zdolność wyłączalna urządzenia zabezpieczającego;
• układ uziemienia oraz warunki samoczynnego wyłączenia zasilania w przypadku uszkodzenia;
• wbudowane funkcje ochronne EVSE oraz wszelkie zewnętrzne zabezpieczenia wymagane przez przyjęte przepisy;
• działanie i zachowanie w przypadku awarii statycznego lub dynamicznego zarządzania obciążeniem.

Harmonogram ładowania może przenieść zapotrzebowanie na inny czas, ale sam wyłącznik czasowy nie gwarantuje odpowiedniej mocy zasilania. Jeśli system zarządzania energią steruje prądem ładowania, należy udokumentować jego punkt pomiarowy, wymuszalny limit, charakterystykę odpowiedzi, stan w przypadku utraty komunikacji oraz test odbiorczy.

Szczegółowe obliczenia obwodów 7 kW i 22 kW powinny znaleźć się w Przewodnik po doborze wyłącznika do ładowarki EV. Nie należy kopiować wielkości wyłącznika automatycznego z innej instalacji bez sprawdzenia rzeczywistego zasilania, przewodu, warunków otoczenia, poziomu prądu zwarciowego, instrukcji EVSE oraz lokalnych przepisów.

Publiczne ładowanie AC: zaprojektuj obwody końcowe i system zbiorczy

Publiczne ładowanie AC w miejscu docelowym zachowuje ścieżkę zasilania AC do ładowarki pokładowej, ale jego rola w obiekcie jest inna. Kilka pojazdów może być podłączonych jednocześnie, godziny pracy są dłuższe, a jeden system dystrybucji może obsługiwać wiele punktów ładowania.

Projekt posiada zatem dwa powiązane poziomy projektowe:

1. Indywidualny punkt przyłączeniowy: zabezpieczenie nadprądowe obwodu końcowego, strategia ochrony przed prądem różnicowym, funkcje izolacji i przełączania, trasa kablowa oraz wymagania EVSE.
2. System dystrybucji ładowania: obciążalność linii zasilających i szyn zbiorczych, zapotrzebowanie zróżnicowane, poziom prądu zwarciowego, selektywność, opomiarowanie, komunikacja, narażenia środowiskowe, konserwacja oraz rozbudowa.

Zarządzanie obciążeniem może rozdzielać stałą moc obiektu pomiędzy podłączone pojazdy. Nie znosi to wartości znamionowych obwodów końcowych ani nie dopuszcza nieudokumentowanego stanu przeciążenia. Należy określić maksymalną moc przydzieloną dla obiektu, minimalną i maksymalną moc przydzieloną dla ładowarki, zachowanie w przypadku utraty komunikacji, sterowanie ręczne oraz metodę weryfikacji limitu podczas uruchomienia.

Publiczne punkty ładowania AC wymagają również strategii postępowania w przypadku awarii operacyjnej. Jeśli sieć lub sterownik ulegnie awarii, specyfikacja powinna określać, czy ładowanie zostaje przerwane, kontynuowane przy określonym bezpiecznym limicie, czy też przechodzi w inny stan zatwierdzony przez producenta.

Publiczne ładowanie DC: koordynacja z certyfikowaną architekturą ładowarki

Szybkie ładowanie DC przenosi konwersję AC na DC poza pojazd. Ładowarka może łączyć prostowanie, konwersję mocy, sterowanie wyjściem DC, chłodzenie, monitorowanie, komunikację oraz funkcje ochronne w szafie lub modułowym systemie zasilania.

Typowe dane wejściowe projektu obejmują:

• zasilanie z sieci elektroenergetycznej i moc transformatora;
• obliczenia prądów zwarciowych dla rozdzielnicy głównej i linii zasilających;
• znamionowe prądy zwarciowe rozdzielnic oraz udokumentowaną koordynację zabezpieczeń;
• maksymalny prąd wejściowy ładowarki, współczynnik mocy, sprawność, harmoniczne oraz dane dotyczące awarii;
• limity termiczne zasilaczy i przewodów;
• wymagania dotyczące chłodzenia modułu zasilającego i przewodu ładowania;
• określone przez producenta granice sterowania awaryjnego, izolacji i konserwacji;
• procedury uruchomieniowe, dostęp diagnostyczny, części zamienne oraz wykwalifikowane wsparcie serwisowe.

Producent ładowarki definiuje certyfikowaną wewnętrzną architekturę ochrony i sterowania DC. Projektant obiektu pozostaje odpowiedzialny za zasilanie AC po stronie źródła, zewnętrzne przełączanie i ochronę, środowisko instalacji oraz koordynację wymaganą przez instrukcje urządzenia i przepisy lokalne.

W przypadku dużych projektów komercyjnych należy kontynuować z Architektura ochrony komercyjnych stacji ładowania pojazdów elektrycznych przewodnik, który przypisuje funkcje ACB, MCCB, MCB/RCBO, RCD/RDC-DD, SPD, izolacji oraz sterowania w hierarchii dystrybucji.

Jak zmienia się granica ochrony

Zabezpieczenia należy dobierać na podstawie funkcji i dowodów, a nie zakładając, że każdy projekt mieszkaniowy wykorzystuje jeden typ urządzenia, a każdy projekt użyteczności publicznej inny.

Zabezpieczenie nadprądowe i przeciwzwarciowe

Urządzenie ochronne musi być dostosowane do przewodu, deklarowanego obciążenia, metody instalacji, spodziewanego prądu zwarciowego, wymaganej koordynacji oraz instrukcji EVSE. Sama rodzina urządzeń nie przesądza o przydatności. W jednym projekcie można zastosować MCB lub RCBO w obwodzie końcowym; inny może wymagać MCCB lub innego zespołu ze względu na prąd, poziom zwarcia, możliwość regulacji, selektywność lub architekturę dystrybucji.

Wykrywanie prądu różnicowego oraz prądu różnicowego DC

Ładowanie AC może powodować stany prądu różnicowego, które wpływają na strategię ochrony. Urządzenie zewnętrzne zależy częściowo od funkcji ochronnych wbudowanych w EVSE.

IEC 62955:2018 obejmuje urządzenia do wykrywania prądu różnicowego stałego (RDC-DD) dla na stałe podłączonych stacji ładowania AC w trybie Mode 3 w ramach określonego zakresu napięcia, prądu i częstotliwości. Nie narzuca to jednego typu zewnętrznego RCD dla każdej instalacji. Należy zweryfikować dokumentację EVSE, układ sieciowy, przyjęte zasady instalacji oraz koordynację między wbudowanym wykrywaniem DC a zabezpieczeniem różnicowoprądowym zainstalowanym powyżej.

Użyj Przewodnik doboru RCD dla ładowarek EV w celu podjęcia szczegółowej decyzji dotyczącej typu A, typu F, typu B oraz RDC-DD. Personel uruchomieniowy powinien postępować zgodnie z zatwierdzonymi procedurami i dokładnymi instrukcjami dotyczącymi sprzętu, zamiast wnioskować o metodzie testowej na podstawie sformułowania “6 mA DC”; zobacz oddzielny przewodnik weryfikacji RDC-DD.

Izolacja, przełączanie i sterowanie awaryjne

Wymagane środki izolacji, przełączania funkcjonalnego i sterowania awaryjnego zależą od architektury, konstrukcji sprzętu, lokalizacji, kategorii użytkowania oraz lokalnie przyjętych przepisów. Słowo publiczny nie ustanawia uniwersalnej lokalizacji zewnętrznego rozłącznika.

Schemat jednokreskowy powinien określać, który środek izoluje każdy punkt przyłączeniowy, zasilacz, sekcję rozdzielczą oraz moduł zasilający ładowarki, jeśli ma to zastosowanie. Należy zweryfikować konfigurację biegunów, parametry znamionowe AC lub DC, możliwość blokady, dostęp oraz granice konserwacji określone przez producenta.

Ochrona przeciwprzepięciowa

Ochrona przeciwprzepięciowa zależy od układu zasilania instalacji, kontekstu ochrony odgromowej, narażenia, wytrzymałości sprzętu, stopni SPD zainstalowanych powyżej, prowadzenia kabli oraz przyjętych przepisów. Ładowarce nie przypisuje się SPD typu 1 lub typu 2 wyłącznie dlatego, że jest przeznaczona do użytku domowego lub publicznego.

The Przewodnik ochrony przeciwprzepięciowej ładowarek EV obejmuje typ SPD, rozmieszczenie, koordynację, zabezpieczenie rezerwowe, prowadzenie przewodów oraz monitorowanie stanu bez polegania na arbitralnej zasadzie odległości kabla.

Zarządzanie obciążeniem

Zarządzanie obciążeniem jest funkcją projektową, a nie tylko funkcją oprogramowania:

• AC w budynkach mieszkalnych: utrzymanie całkowitego zapotrzebowania budynku w granicach zatwierdzonego limitu przyłączeniowego.
• AC w miejscach publicznych: przydzielanie mocy obiektu pomiędzy kilka punktów przyłączeniowych przy zachowaniu udokumentowanych limitów obwodów.
• DC w miejscach publicznych: koordynacja ładowarek dużej mocy, modułów zasilających, magazynów energii i innych dużych obciążeń z uwzględnieniem ograniczeń sieciowych lub transformatorowych.

Należy udokumentować punkt pomiarowy, czas reakcji, limity przydziału, stan w przypadku utraty komunikacji, ręczne sterowanie nadrzędne oraz dowody uruchomienia. Należy określić, czy system jest używany wyłącznie do optymalizacji, czy stanowi część zatwierdzonej metody sterowania mocą.

Normy i mapa akceptacji

Certyfikat urządzenia nie stanowi zatwierdzenia kompletnej instalacji elektrycznej. Normy mają zastosowanie do różnych warstw projektu.

Warstwa projektu	Odniesienie do norm IEC	Odniesienie północnoamerykańskie
Instalacja obwodu zasilania pojazdów elektrycznych (EV)	IEC 60364-7-722:2018 oraz krajowe przepisy dotyczące okablowania	Przyjęte przepisy elektryczne, mające zastosowanie postanowienia dotyczące ładowania pojazdów elektrycznych oraz wymagania organu właściwego w danej jurysdykcji
Ogólne przewodzące urządzenia EVSE	IEC 61851-1:2017, w tym opublikowana errata z 2023 r.	UL 2594 dla urządzeń EVSE objętych jej zakresem
Urządzenia do ładowania prądem stałym DC	Obowiązujące części normy IEC 61851 dla danego urządzenia i systemu ładowania	UL 2202
System ochrony personelu	Zasady instalacji oraz deklarowane funkcje certyfikowanego sprzętu	Seria UL 2231 w ramach stosownego systemu EVSE
Wykrywanie prądu różnicowego DC w trybie Mode 3	IEC 62955 w ramach określonego zakresu stosowania	Zweryfikuj wymieniony system EVSE oraz przyjęte wymagania przepisów

Przegląd infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych (EV) według UL Solutions określa odrębne role norm UL 2594, UL 2202 oraz serii UL 2231. Dla danej jurysdykcji projektu należy potwierdzić obowiązujące wydania, odchylenia krajowe, wykaz lub certyfikację sprzętu, instrukcje instalacji oraz ścieżkę lokalnej akceptacji.

Lista kontrolna specyfikacji projektu

Przed wyborem wyłączników automatycznych, RCD, rozłączników lub SPD należy zebrać następujące informacje:

Grupa wejściowa	Wymagane informacje projektowe
Ścieżka zasilania	AC lub DC dostarczane do pojazdu; granica konwersji pokładowej lub zewnętrznej
Przeznaczenie obiektu	Budynek mieszkalny prywatny, budynek wielorodzinny, miejsce pracy, punkt użyteczności publicznej, flota, baza transportowa lub hub szybkiego ładowania
Zasilanie	Napięcie, fazy, częstotliwość, układ sieciowy, dostępna moc oraz spodziewany prąd zwarciowy
EVSE	Maksymalny prąd wejściowy, tryby pracy, wbudowane zabezpieczenia, dane zwarciowe, certyfikacja/atesty oraz instrukcje producenta
Kategoria użytkowania	Liczba punktów przyłączeniowych, oczekiwana jednoczesność, czas przebywania, cel dostępności oraz plan rozbudowy
Przewodniki	Materiał, trasa, metoda instalacji, obciążalność prądowa, grupowanie, warunki otoczenia, spadek napięcia oraz ograniczenia zacisków
Ochrona	Wymagania dotyczące przetężenia, prądu różnicowego, izolacji, przepięć, sterowania awaryjnego oraz koordynacji
Sterowanie	Metoda zarządzania obciążeniem, punkt pomiarowy, egzekwowalny limit, stan w przypadku utraty komunikacji oraz test uruchomieniowy
Środowisko	Ekspozycja wewnętrzna/zewnętrzna, temperatura, woda, pył, korozja, uderzenia, dostępność oraz przestrzeń serwisowa
Dowody	Przyjęte zasady, decyzje organów, certyfikaty, instrukcje, schemat jednokreskowy, obliczenia, nastawy oraz protokoły z badań

Jeśli te dane wejściowe są niekompletne, wybór urządzenia ochronnego wyłącznie na podstawie mocy ładowarki lub typu obiektu jest przedwczesny.

Przygotowanie propozycji zabezpieczeń

W przypadku propozycji VIOX na poziomie modelu należy podać napięcie zasilania i fazy, układ uziemienia, dane wejściowe EVSE, harmonogram punktów przyłączeniowych, obliczony spodziewany prąd zwarciowy, informacje o przewodach, metodę zarządzania obciążeniem, rynek docelowy, koncepcję schematu jednokreskowego oraz wymagane dokumenty certyfikacyjne. W zależności od obliczonych obciążeń, projekt może zostać skierowany do VIOX MCB, MCCB, RCBOlub SPD.

Oferta dostawcy nie zastępuje obliczeń projektanta, instrukcji producenta EVSE, dowodów koordynacji urządzeń poddanych testom ani zatwierdzenia przez właściwy organ. W celu uzyskania udokumentowanej weryfikacji należy skontaktować się [email protected] z powyższym pakietem danych wejściowych projektu.

Źródła techniczne

• IEC 60364-7-722:2018 — Instalacje elektryczne niskiego napięcia: zasilanie pojazdów elektrycznych
• IEC 61851-1:2017 — Przewodowy system ładowania pojazdów elektrycznych: wymagania ogólne
• IEC 61851-1:2017/COR1:2023 — Sprostowanie 1
• IEC 62955:2018 — RDC-DD do ładowania pojazdów elektrycznych w trybie Mode 3
• UL Solutions — Usługi w zakresie infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych
• U.S. Department of Energy Alternative Fuels Data Center — Ładowanie pojazdów elektrycznych w domu
• U.S. Environmental Protection Agency — Podstawy ładowania pojazdów elektrycznych typu plug-in

Wyłącznie wykwalifikowany personel powinien projektować, instalować, testować i konserwować instalacje elektryczne ładowania pojazdów elektrycznych. Ostateczny dobór urządzeń oraz instalacja muszą być zgodne z lokalnie przyjętymi przepisami, wymogami organów nadzorczych, obliczeniami projektowymi oraz aktualnymi instrukcjami producenta.