Zalety modułowej konstrukcji stacji ładowania pojazdów elektrycznych (EV)

Wjeżdżając na stacje paliw oraz parkingi, kierowcy aut spalinowych coraz częściej dostrzegają stacje ładowania pojazdów elektrycznych (EV), które pojawiają się niemalże wszędzie. Jednak z punktu widzenia kierowców pojazdów elektrycznych podróżujących na dłuższych dystansach, a także na krótkich odcinkach, którzy ostatnio zapomnieli naładować pojazd, dostępne stacje ładowania EV mogą wydawać się rzadkością. Wskazuje to na rosnące zapotrzebowanie na produkty komercyjne i przemysłowe, które informuje o potrzebie zaspokojenia oczekiwania na wygodne opcje ładowania samochodów elektrycznych.

Rozwój infrastruktury ładowania jest kluczowy dla realizacji rządowych celów dotyczących zastąpienia pojazdów zasilanych paliwami kopalnymi przez pojazdy elektryczne. Pod koniec 2021 roku administracja Prezydenta Bidena w Stanach Zjednoczonych zapowiedziała plan utworzenia 500 tysięcy publicznych stacji ładowania pojazdów elektrycznych na terenie całego kraju do 2030 roku. Raport Departamentu Energii wykazał, że do tego momentu konieczne będzie 1,2 miliona takich stacji. Wielka Brytania, Chiny oraz Unia Europejska także wspierają i promują inwestycje w publiczną infrastrukturę ładowarek.

Oczekuje się, że dzięki rządowym zachętom oraz ograniczeniom dotyczącym emisji, sprzedaż pojazdów elektrycznych wzrośnie z 2 milionów w 2020 roku do 73 milionów w 2040 roku, co będzie stanowić 61% globalnej sprzedaży samochodów. W Japonii, Stanach Zjednoczonych i Unii Europejskiej ten wskaźnik będzie jeszcze wyższy. McKinsey szacuje, że koszty planowania oraz instalacji publicznej infrastruktury ładowania (pomijając modernizacje sieci i instalacje elektryczne na miejscu) wyniosą w USA 35 miliardów dolarów do 2030 roku, a dodatkowe 16 miliardów dolarów zostanie przeznaczone na lokalizacje w miejscach pracy i zajezdniach flotowych.

Projekt komercyjnego systemu ładowania

Liczba pojazdów elektrycznych na drogach rośnie każdego dnia, dlatego rynek potencjalnych rozwiązań do ich ładowania jest olbrzymi, a urzędowe szacunki w USA wskazują, że na początku 2024 roku liczba publicznych stacji ładowania nie przekracza 200 tysięcy.

Przewiduje się, że zapotrzebowanie wzrośnie w miarę wzrostu zaufania konsumentów do pojazdów elektrycznych oraz wdrażania technologii High Power Charging (HPS), która umożliwi uzyskanie około 30km (19 mil) zasięgu z każdej minuty ładowania. Dla porównania, przy mocy 200kW w standardzie kombinowanego systemu ładowania (CCS) uzyskuje się około 4km (2,5 mili) z każdej minuty ładowania.

Jednym z najistotniejszych czynników projektowych dotyczących komercyjnych i przemysłowych rozwiązań ładowania jest zdolność adaptacji do ewoluujących standardów ładowania pojazdów elektrycznych. Istotne jest, aby projektanci produktów opracowywali skuteczne rozwiązania, koncentrując się na kluczowych cechach, takich jak:

• Efektywne i szybkie ładowanie różnych pojazdów elektrycznych - samochodów osobowych, autobusów oraz ciężarówek
• Sprawność energetyczna, która umożliwia optymalne wykorzystanie mocy ładowania oraz redukuje straty cieplne
• Powtarzalność parametrów ładowania, nawet przy wahaniach napięcia
• Wysoka trwałość i łatwość serwisowania
• Możliwość skalowania do poziomu megawatów, aby sprostać wymaganiom dużych parków ładowania oraz oczekiwanemu wzrostowi liczby pojazdów elektrycznych na drogach
• Bezpieczeństwo i niezawodność działania dzięki ochronie przeciwprzepięciowej, wyłącznikom automatycznym oraz zabezpieczeniom przed przegrzaniem

Aby zagwarantować szybkie, wygodne i niezawodne zasilanie pojazdów elektrycznych, konieczne jest opracowanie produktów, które oferują wysoką sprawność i elastyczność użycia w zastosowaniach publicznych, komercyjnych i przemysłowych.

Modułowe zasilacze do przyspieszonego ładowania samochodów elektrycznych

Firma Phoenix Contact oferuje moduły zasilania CHARX, które stworzono z myślą o szybkim i sprawnym ładowaniu pojazdów elektrycznych. Są one odpowiednie także do ładowania flot oraz ciężkiego sprzętu poza drogami publicznymi, do mikrosieci prądu zmiennego, sieci wysokiego napięcia prądu stałego, magazynowania energii oraz zastosowań związanych z elektrolizą wodoru.

Firma została założona w Niemczech w 1923 roku i jest globalnym liderem w dziedzinie komponentów, systemów oraz rozwiązań w branży elektrotechniki, elektroniki i automatyki. Wspiera ona koncepcję All Electric Society, gdzie zwiększająca się elektryfikacja, rozwój sieci elektrycznych oraz automatyzacja sektorów gospodarki współistnieje z rosnącą potrzebą niezawodnego zasilania. W tym celu skupia się na zapewnianiu szybkich, bezpiecznych i zgodnych ze standardami punktów oraz interfejsów ładowania z wykorzystaniem najnowszych technologii.

Moduły zasilania CHARX, będące elementem wszechstronnej oferty produktów do tworzenia rozwiązań ładowania (ilustracja 1), są dostępne w wersjach konwertujących prąd zmienny na stały i prąd stały na stały. Można je montować bezpośrednio bez użycia szyn DIN w standardowych 19-calowych szafach, które są powszechnie stosowane w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Modułowa konstrukcja plug-and-play urządzeń CHARX ułatwia i przyspiesza instalację oraz konserwację dzięki technologii szybkiego łączenia push-in i T-LOX. Moduł ma 483mm szerokości, 134mm wysokości oraz 550mm głębokości.

Ilustracja 1: modułowa szafa zasilająca CHARX, dostępna w wersjach konwertujących prąd zmienny na stały i prąd stały na stały. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Każdy moduł zasilania, zoptymalizowany do ładowania prądem stałym przy wysokich napięciach i natężeniach, może dostarczać moce ładowania sięgające 360kW. Gwarantują one 95% sprawność energetyczną przy 50% obciążeniu oraz niską moc rozpraszaną poniżej 14W w trybie czuwania, co gwarantuje ekonomikę, gdy nie są aktywnie wykorzystywane.

Skalowalność mocy ładowania można uzyskać poprzez elastyczne łączenie modułów oraz szaf systemowych. Dzięki zaawansowanej technologii chłodzenia, moduły CHARX pozwalają na ładowanie prądem dużej mocy (HPC) dochodzącej do 500kW, co stanowi doskonałe rozwiązanie dla parków ładowania o mocy rzędu megawatów.

Trójfazowy moduł zasilania konwertujący prąd zmienny na stały CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW 1232243 ma zakres wejściowy od 340V_~ do 530V_~. Moduł zasilania konwertujący prąd stały na stały CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW 1296467 ma zakres napięć wejściowych od 300V₌ do 825V₌, dzięki czemu można go używać w wielu układach napięcia stałego. Oba moduły zasilania mają zakres wyjściowy od 30V₌ do 1000V₌.

Moduły zasilania konwertujące prąd stały na stały umożliwiają nieprzerwane śledzenie punktu mocy maksymalnej (MMPT), co pozwala na regulację napięcia wejściowego oraz prądu paneli słonecznych w celu optymalizacji mocy wyjściowej. Pomaga to w osiągnięciu maksymalnej sprawności urządzenia, niezależnie od zmiennych poziomów promieniowania słonecznego, temperatury oraz rodzajów paneli fotowoltaicznych.

Pojedynczy kontroler do wielu szaf sterujących

Protokół komunikacyjny oparty na magistrali CAN (Controller Area Network) gwarantuje efektywną obsługę licznych modułów zasilania i szaf, umożliwiając wymianę danych między urządzeniami bez potrzeby użycia komputera hosta. Protokół komunikacyjny Grid Charge Protocol (GCP) bazujący na magistrali CAN umożliwia wymianę informacji między modułami zasilania i kontrolerem ładowania, obsługując przy tym metody komunikacji równorzędnej, multiemisji oraz rozgłoszeniowej.

Programowany moduł kontrolera ładowania 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 (ilustracja 2) współpracuje z modułami zasilania konwertującymi prąd zmienny na stały lub prąd stały na stały w stacjach ładowania prądem stałym. Stanowi on kluczowy element systemu ładowania elektrycznego, umożliwiający komunikację sieciową, weryfikację tożsamości użytkowników, zarządzanie obciążeniem oraz funkcje związane z bezpieczeństwem. Interfejs magistrali CAN kontroluje rozdział zasilania oraz komunikację w zastosowaniach szybkiego ładowania.

Ilustracja 2: programowany kontroler ładowania EV-PLCC-AC1-DC1 stosowany z modułami zasilania CHARX konwertującymi prąd zmienny na stały i prąd stały na stały. (Źródło: Phoenix Contact)

Kontroler jest zgodny z normami IEC 61851-1, IEC 61851-23, DIN SPEC 70121 oraz CHAdeMO, oferując wszechstronność w zakresie różnych potrzeb ładowania. Jest wyposażony w dwa interfejsy Ethernet oraz wbudowany modem bezprzewodowy z opcją łączności 4G.

Używanie jednego kontrolera do obsługi wielu szaf ułatwia serwisowanie oraz obniża koszty instalacji i eksploatacji. Kontroler CHARX może łączyć się maksymalnie z 48 modułami zasilania. Do komunikacji z systemami zarządzania stacjami ładowania wykorzystuje on protokół OCPP 1.6J (Core-Profile), a także protokoły transmisji Modbus/TCP lub MQTT do integracji z zewnętrznymi systemami i platformami.

Kontroler posiada 16 wejść cyfrowych i używa złączy COMBICON, co umożliwia elastyczny montaż oraz bezpieczne połączenie z modułami zasilania. Wbudowana bateria wielokrotnego ładowania gwarantuje ciągłą pracę podczas przerw w zasilaniu.

Podsumowanie

Moduły zasilania oraz kontrolery CHARX firmy Phoenix Contact oferują wszechstronne i niezawodne rozwiązania do projektowania stacji ładowania o wysokiej mocy. Charakteryzująca się elastycznością i skalowalnością oferta produktów CHARX zawiera rozwiązania, które gwarantują efektywne i ekonomiczne zarządzanie wieloma szafami oraz modułami zasilania dla różnych zastosowań ładowania, a także płynną integrację z różnymi protokołami komunikacyjnymi i systemami zewnętrznymi.