Äly tasaa latausjärjestelmän huipputehon tarvetta

Pakkasilla sähköautojen akkuja pitää lämmittää latauksen aikana. Tämä syö virtaa akkujen varsinaiselta lataukselta. Kuva Mikko Käkelä.
Pakkasilla sähköautojen akkuja pitää lämmittää latauksen aikana. Tämä syö virtaa akkujen varsinaiselta lataukselta. Kuva Mikko Käkelä.

Tekijät sähköurakalle: Elfin =>

Sähköautojen latauspaikat, teho, ajankohta, latauksen kesto sekä energia muodostavat vaativan yhtälön. Oikealla mitoituksella on valtava taloudellinen vaikutus.

Useiden sähköautojen samanaikainen lataus kuormittaa jakelua täydellä teholla, jos käytössä ei ole kuormituksen valvontaa eli älyä, joka ohjaa latauksia tarvittaessa eli viimeistään silloin, kun sähkönjakelu on ylikuormittumassa.

Älykkään latausjärjestelmän yksi etu on, että se parantaa huomattavasti latausten jaksottumista: ensimmäiset lataajat saavat enemmän tehoa ja akut täyttyvät parhaimmillaan jo ennen seuraavien lataajien paikalle tulemista. Kaikki nämä eri tekijät huomioiden voidaan miettiä järjestelmien mitoittamista tarkemmin kohdekohtaisesti ja vaihe kerrallaan. On tunnettava käyttäjien keskimääräiset tarpeet. Asetelma on täysin erilainen riippuen siitä, onko kohde taloyhtiö, kauppakeskus vai työpaikka.

Latausratkaisuja toimittavan IGL-Technologies oy:n Antti Hiekkasen mukaan latausjärjestelmät tulisi mitoittaa vähintään 2 kW teholle per ladattava auto. Kuva Mikko Käkelä.

Sähköliittymien ja keskusten mitoittamisessa on totuttu katsomaan pelkästään mahdollista huipputehoa todennäköinen yhtäaikaisuus ja kuormitusaste huomioiden. Sähköautojen älykäs lataus muuttaa ajattelutapaa.

Alkuvaiheessa kaivataan nopeita ratkaisuja ensimmäisten sähköautoilijoiden ajaessa töpseli kädessä pihaan. Aluksi latausta voidaan ottaa tavanomaisista suko-pistorasioista tietyin edellytyksin ja esiselvityksin, jos vain laskutus ja muut taloyhtiön velvoitteet saadaan hoidettua sovitusti. Älykkäällä latausjärjestelmällä on mahdollista hyödyntää jopa nykyistä sähkönjakelua riittävästi.

Parhaimmillaan jo alkuvaiheessa voidaan varmistaa, että laitteet soveltuvat myös tulevaisuudessa osaksi älykästä latausjärjestelmää. Samalla ratkaistaan se, kuinka paljon sähköliittymä kestää, kuinka paljon pysäköintialueen keskus kestää ja kuinka paljon yksittäinen lämmitystolppien linja kestää myös kesäisin.

Pakkasilla tarvitaan enemmän virtaa

ST-kortistossa latausjärjestelmien minimimitoitukseksi suositellaan 2 kW per ladattava auto. Lisähaasteen tarkasteluihin tuo joidenkin ladattavien automallien suurempi latausvirrantarve etenkin pakkasella. Kevyemmin eristettyä akustoa on lämmitettävä samalla, kun sitä ladataan.

Sillä mitoitetaanko verkot 2 kW vai esimerkiksi 3,7 kW mitoitusteholla ja ehkä joskus jopa 2,7 miljoonan ladattavan auton massalle, on merkittävä kansantaloudellinen vaikutus. Aihe vaatii lisää tutkimusta.

Tällöin muistetaan edellä mainittu vähimmäisraja 2 kW per auto ja pyritään vastaamaan energiakapasiteetin kannalta seuraaviin kysymyksiin: riittääkö sähköliittymän vapaa energiakapasiteetti haluttuna latausaikana halutuille ajosuoritteille huomioiden mahdollisen auton lämmitysenergian vähenemisen liittymän kulutuksessa, riittääkö vastaavasti pysäköintialueen keskuksen ja sen syötön energianjakelukyky sekä riittääkö nykyisten lämmitystolppien energianjakelu.

On myös mietittävä sitä, riittääkö vähimmäisteho per autopaikka haluttuna latausaikana, jotta lataukset varmasti toimivat myös kylmemmillä säillä.

Standardi mahdollistaa erilaiset toteutukset

Standardi ei rajaa kuormituksen valvonnassa mitään erityistä toteutustapaa: mikä tahansa käy, kunhan ylikuormitussuojat eivät laukea ja haittaa siten kaikkien sähkönkäyttöä. Valvonta voidaan toteuttaa ohjelmallisesti, virtavahdeilla ja -releillä, reaaliaikaisella sähkönmittauksella tai sitten kaikkien näiden yhdistelmänä.

Huomionarvoista on, että useilla valmistajilla niin sanotun perusmallin latausasemat alkavat sisältää jo valmiuden älykkään latausjärjestelmän toteuttamiseen, koska sitä tarvitaan ennemmin tai myöhemmin. Yleensä tällainen varaus saadaan käyttöön lisäämällä keskuslaitteet ja tietoliikenneyhteydet.

Lataustavan 3 latausasemissa on joko sähköautojen liitosjohdoille tarkoitettu pistorasia (tyyppi 2) tai kiinteä liitosjohto (yleensä tyyppi 2 tai harvinaisempi tyyppi 1).

Peruslatauksessa (lataustapa 3) käytetään ohjauselektroniikalla ja suojalaitteilla varustettuja latausasemia. Peruslatauksen lataustehot yltävät parhaimmillaan 22 kW (3×32 A) asti. Yleensä nykyisten automallien latausteho on yksivaihelatureilla 7,4 kW (1×32 A) ja kolmivaihelatureilla 11 kW (3×16 A).

Lataustapa 4 eli ns. teholataus koskee vaihtosähkön tasasähköksi muuntavia latausasemia. Teholatausasemien liitosjohdot ovat aina kiinteitä.


Teholatauksessa (lataustapa 4) käytetään vaihtosähkön tasasähköksi muuntavia latausasemia. Liitosjohdot ovat aina kiinteitä ja autojen päässä olevat vastakkeet ovat erilaisia kuin vaihtosähkölatauksella. Myös näitä latauksia pystytään säätämään ja useilla suurilla latauskentillä käytetäänkin latausasemien välistä tehonjakamista.

Teholatauksessa suoralla tasasähkösyötöllä akustoa voidaan syöttää jopa 350 kW teholla, kun keskimääräinen automallien tehonottokyky on noin 100–150 kW.
Auton akuston hallinta voi rajoittaa lataustehoa akuston varaustilan, lämpötilan ja akuston kennojen tasapainotuksen yhteisvaikutuksesta.

Kaikkialla ei tarvita teholatausta

Suurteholaturi. Kuva Tuomas Sauliala.
Suomalaisen Kempower oy:n suuritehoinen latausasema poikkeaa perinteisistä suurteholatureista. Tehoelektroniikka, joka muuntaa sähköverkon vaihtovirran auton lataamiseen soveltuvaksi tasavirraksi, on moduuleissa erillisessä kaapissa latauspaikkojen läheisyydessä. Kuva Tuomas Sauliala.

Uusi laki sähköautojen latausjärjestelmistä ei aseta kriteerejä latausvalmiuden toteutusperiaatteille, mutta toki sähköistysten on oltava toimivia. Yksi tärkeimpiä asioita on latausajankohta eli milloin pyritään takaamaan riittävä energia ladattaville autoille.

Taloyhtiöissä voidaan olettaa latauksen tapahtuvan pääosin yöllä ja työpaikoilla päivällä. Tällöin riittää, että tarkastellaan järjestelmien riittävyyttä ennen kaikkea halutun latausajankohdan ja keskimääräisen lataustarpeen osalta.

Lomakausien ruuhkat ovat oma lukunsa, ja niihin pitää varautua esimerkiksi huoltamoilla. Voi syntyä tilanteita, joissa hyvin monella on akku tyhjänä ja latausta kaivataan heti täydellä teholla. Silti ei ole kannattavaa mitoittaa jakelua joka paikassa yhden yksittäisen piikin mukaan, sillä se aiheuttaisi merkittäviä lisäinvestointeja ja jatkuvasti suurempia sähköliittymän perusmaksuja.

Traficomin henkilöliikennetutkimuksien perusteella suomalainen liikkuu keskimäärin 40–50 kilometriä päivässä. Tällöin kaupunkiseutujen mitoituslähtökohta voisi olla 100 km/päivä ja muualla 200 km/päivä. Sähköautojen energiatarpeena voi käyttää arvioinneissa 20 kWh / 100 km.

A- ja B-tyypin vikavirtasuojat

Tasasähkövikavirralta suojautuminen on tärkeimpiä latausjärjestelmien lisäsuojauksia. Vaihtoehtona on käyttää A-tyypin vikavirtasuojaa yhdessä yli 6 mA tasavirtakomponentin tunnistavan lisäosan kanssa tai käyttää B-tyypin vikavirtasuojaa.

Lisäosa tarvitaan A-tyypin vikavirtasuojan yhteydessä siksi, että liian suuri tasavirta kyllästää A-tyypin vikavirtasuojan, jolloin se ei toimi. Vastaavaa ongelmaa ei ole B-tyypin vikavirtasuojalla, eikä 6 mA tasavirta tällöin edes saa laukaista suojalaitetta.

Tällä hetkellä A-tyyppi yhdessä lisäosan kanssa lienee yleisempi ratkaisu, mutta B-tyypin vikavirtasuojan hinnan laskiessa sen käyttö yleistynee ja mahdollista on, että B-tyypin vikavirtasuojan käyttö tulisi vaatimukseksi tietyissä lataustavoissa.

Jokaiselle liitäntäpisteelle tulee olla omat suojat eli vikavirta- ja ylivirtasuojat, jotta yhden auton vika ei aiheuta muiden autojen latauksen keskeytymistä. Saman ylivirtasuojan taakse saa kytkeä vain saman auton lämmityspistorasian. Vanhoja autonlämmityksen tolppalinjoja ja niin kutsuttua ketjutusta voidaan hyödyntää, kunhan kullekin latauspisteelle on omat suojansa ketjutuksen jälkeen.

Lataustavassa 2 suojalaitteet sijaitsevat lähtökohtaisesti kotitalouspistorasiaan liitettävän latausjohdon noin maitotölkin kokoisessa suojalaiteyksikössä. Lataustavalla 3 suojalaitteiden tulee olla latausasemassa tai sitä edeltävässä jakelussa. Lataustavalla 3 DC-vikavirralta tulee siis suojautua jossakin kohdin syöttöä joko B-tyypin vikavirtasuojalla tai A-tyypin vikavirtasuojalla ja 6 mA tasavirran havaitsevalla lisäosalla. Näiden vaatimusten kanssa on oltava tarkkana, koska latausasemia myydään sekalaisesti varustettuna.

Seikkaperäiset ohjeet latausjärjestelmän asennusvaatimuksiin ja mitoittamiseen löytyvät valmistajien ohjeiden ohella Sähkötieto ry:n julkaisemasta ST-kortista 51.90, ST-käsikirjasta 41 Sähköautot ja latausjärjestelmät sekä Sesko ry:n lataussuosituksesta.

Matti Orrberg, teksti