Przybywa stacji i punktów ładowania pojazdów elektrycznych. Rośnie także znaczenie właściwego zabezpieczenia przed skutkami wyładowań atmosferycznych i przepięć nie tylko samej infrastruktury, ale też elektroniki ładowanego pojazdu.
Większość stacji ładowania pojazdów elektrycznych jest podłączona do sieci elektroenergetycznej. Są one zatem narażone na zakłócenia pojawiające się w instalacji zasilającej – jednym z najważniejszych zagrożeń są przepięcia. Mogą one stopniowo pogarszać stan elementów i skracać ich trwałość albo spowodować natychmiastową awarię – uszkodzenia elementów półprzewodnikowych, układów pomiarowych, sterowania lub izolacji. W stacji ładowania pojazdu przepięcie w sieci może uszkodzić także układ elektroniczny podłączonego do ładowania pojazdu.
Przepięcie stanowi wzrost napięcia znacznie przekraczający wartość przewidzianą dla normalnej pracy urządzeń. Najczęściej ma charakter przejściowy. Amplituda (która może sięgać tysięcy woltów) i czas trwania zależą od źródła zakłócenia oraz parametrów instalacji. Źródłem przepięcia mogą być zarówno wyładowania atmosferyczne, jak i operacje wyłączeniowe czy stany przejściowe w sieci.
Przepięcia wewnętrzne (przepięcia łączeniowe) występują najczęściej, lecz zwykle mają stosunkowo małą amplitudę. Pojawiają się podczas załączania i wyłączania urządzeń, zmian konfiguracji sieci, zwarć oraz innych stanów przejściowych. Określone stany pracy sieci wywołują przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej (TOV, Temporary Overvoltage). Wyładowania atmosferyczne (bezpośrednie lub bliskie uderzenie pioruna) mogą wywołać przepięcia o amplitudzie wielokrotnie przekraczającej odporność urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Na stacje ładowania pojazdów elektrycznych mogą wpłynąć przepięcia indukowane i wzrosty potencjałów powodowane przez oddalone wyładowanie.
Czy obecność wyższego budynku, masztu lub drzewa w sąsiedztwie stacji ładowania zapewnia jej wystarczającą ochronę przed skutkami wyładowań atmosferycznych? Niekoniecznie! Jeśli piorun uderzy w obiekt sąsiadujący, prąd piorunowy rozpływa się w ziemi oraz w przewodzących elementach instalacji. Powoduje to lokalne wzrosty potencjału, także między częściami instalacji stacji. Gwałtowne zmiany prądu piorunowego powodują powstawanie (indukcję) przepięć także w przewodach znajdujących się blisko miejsca wyładowania.
Wyładowanie atmosferyczne może zatem także oddziaływać na urządzenia, które nie zostały trafione bezpośrednio. Dzieje się to w odległości nawet do 2 km od miejsca wystąpienia wyładowania (zależnie od warunków i rodzaju sprzężeń). Ma to szczególne znaczenie w planowaniu ochrony stacji ładowania znajdujących się w sąsiedztwie infrastruktury energetycznej. Dotyczy na przykłąd stacji zlokalizowanych na parkingach, obok słupów oświetleniowych czy przy budynkach).
Nadwozie samochodu (jako przewodząca osłona, co potocznie określa się jako klatkę Faradya) w pewnym stopniu chroni osoby znajdujące się w pojeździe podczas burzy. Jednak podczas podłączenia samochodu do stacji ładowania łączy się ona także z instalacją elektroenergetyczną. Powstaje zatem droga oddziaływania zakłóceń z sieci na układy elektryczne i elektroniczne pojazdu.
W stacjach ładowania mogą występować urządzenia odpowiadające kategorii przepięciowej III lub IV (w instalacji nn oznacza to znamionowe napięcia udarowe wynoszące odpowiednio 4 kV i 6 kV). W samochodzie natomiast stosuje się rozwiązania odpowiadające kategorii przepięciowej II (znamionowe napięcie udarowe 2,5 kV). Dlatego odpornośc samej stacji nie musi oznaczać wystarczającej ochrony samochodu – przepięcie “niezauważalne” dla stacji może być niebezpieczne dla bardziej wrażliwych układów elektronicznych samochodu.
Niebezpieczne może być uszkodzenie układów nadzorujących akumulatory litowo-jonowe, w tym systemu zarządzania baterią BMS, odpowiadających za ograniczenie ryzyka przeładowania, nadmiernego rozładowania, przekroczenia dopuszczalnego prądu oraz przegrzania ogniw. Szczególnie groźny jest niekontrolowany wzrost temperatury, określany jako ucieczka cieplna (thermal runaway) – samopodtrzymujący proces, podczas którego dochodzi do gwałtownego wydzielania ciepła wskutek reakcji zachodzących wewnątrz ogniwa. W skrajnych przypadkach może prowadzić do pożaru.
Jednym z podstawowych elementów ochrony przeciwprzepięciowej są ograniczniki przepięć (SPD). Ich zadaniem jest ograniczenie przepięć udarowych do poziomu odporności chronionych urządzeń, przy uwzględnieniu warunków pracy całej instalacji.
Ograniczniki przepięć stosuje się w odpowiednio dobranych miejscach instalacji zasilającej. W zależności od jej konstrukcji i zagrożeń mogą być instalowane m.in. w rozdzielnicy głównej budynku oraz rozdzielnicy zasilającej punkt ładowania.
Istotnym parametrem SPD jest poziom ochrony napięciowej Up, który należy rozpatrywać w odniesieniu do znamionowego napięcia udarowego wytrzymywanego przez chronione urządzenia. Znaczenie ma przy tym koordynacja ochrony przeciwprzepięciowej. Poszczególne ograniczniki powinny współpracować ze sobą, zapewniając odpowiedni poziom ochrony urządzeń znajdujących się w kolejnych częściach instalacji.
Ogranicznik będzie pracował skutecznie pod warunkiem prawidłowego doboru i podłączenia. Znaczenie mają też długość przewodów przyłączeniowych oraz współpraca z instalacją uziemiającą i połączeniami wyrównawczymi.
Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa stacji ładowania powinna uwzględniać:
Należy uwzględnić zarówno ochronę przed bezpośrednimi skutkami wyładowań atmosferycznych, jak i ochronę urządzeń elektronicznych przed przepięciami przenoszonymi przez instalację zasilającą. Szczególnie istotne jest właściwe skoordynowanie ochrony odgromowej, uziemienia, połączeń wyrównawczych oraz ograniczników przepięć w rozdzielnicach zasilających stację ładowania.
