Využití výhod modulární konstrukce pro rychlonabíjecí stanice pro elektromobily

Řidiči automobilů na tradiční paliva se na čerpacích stanicích a parkovištích stále častěji setkávají s nabíjecími stanicemi pro elektromobily (EV), které jako by se začaly objevovat na každém kroku. Řidičům elektromobilů na dlouhých cestách nebo na krátkých cestách, kteří nedávno zapomněli dobít, se však může zdát, že dostupných dobíjecích stanic je nedostatek. Tato situace svědčí o zvýšené poptávce po komerčních a průmyslových produktech, jež uspokojí požadavky na pohodlné dobíjení elektromobilů.

Vybudování nabíjecí infrastruktury je zásadní pro splnění vládních cílů na poli nahrazování vozidel na fosilní paliva elektromobily. Koncem roku 2021 oznámila Bidenova administrativa v USA strategii vybudování 500 000 veřejných nabíječek pro elektromobily po celé zemi do roku 2030 a zpráva ministerstva energetiky uvádí, že do té doby jich bude potřeba 1,2 miliónu. Velká Británie, Čína a Evropská unie také dotují a podporují investice do veřejné nabíjecí infrastruktury.

Vládní pobídky a emisní omezení podle odhadů zvýší prodeje elektromobilů ze 2 milionů v roce 2020 na 73 milionů kusů v roce 2040, což představuje 61 % celosvětových prodejů automobilů, přičemž v Japonsku, USA a EU bude toto číslo ještě vyšší. Společnost McKinsey odhaduje náklady na hardware, plánování a instalaci veřejných nabíječek v USA (bez modernizace sítě a elektrických zařízení) na 35 miliard dolarů do roku 2030 a dalších 16 miliard dolarů na nabíječky na pracovištích a ve vozových parcích.

Návrh řešení komerčního nabíjení

Vzhledem k tomu, že počet elektromobilů na silnicích každým dnem roste, je potenciální trh s nabíjecími řešeními velmi rozsáhlý, protože podle odhadů americké vlády bude na začátku roku 2024 instalováno méně než 200 000 veřejných nabíjecích portů.

Očekává se, že poptávka se bude zvyšovat s tím, jak poroste důvěra spotřebitelů v elektromobily a jak se bude zavádět technologie High Power Charging (HPS), která zajistí dojezd přibližně 19 mil za minutu nabíjení. Pro srovnání: při nabíjecím výkonu 200 kW podle standardu CCS (Combined Charging System) ujedete za minutu nabíjení 2,5 km.

Při návrhu komerčních a průmyslových řešení nabíjení je třeba zohlednit řadu aspektů, v neposlední řadě také schopnost přizpůsobit se vyvíjejícím se standardům pro nabíjení elektromobilů. Je důležité, aby konstruktéři produktů vytvářeli úspěšná řešení na základě klíčových charakteristik včetně následujících:

• Rychlé a efektivní nabíjení pro celou řadu elektromobilů, včetně osobních automobilů, autobusů a nákladních vozidel.
• Energetická účinnost, která zajišťuje maximální využití energie pro nabíjení a minimalizuje tepelné ztráty.
• Konzistentní nabíjení i v případě kolísání napětí.
• Dlouhá životnost a snadná údržba.
• Škálovatelnost až do řádu MW, která se přizpůsobuje provozu velkých nabíjecích parků a očekávanému nárůstu počtu elektromobilů na silnicích.
• Bezpečný a spolehlivý provoz díky přepěťové ochraně, jističům a ochraně proti přehřátí.

Poskytování rychlého, pohodlného a spolehlivého napájení elektromobilů vyžaduje konstrukci produktů, které jsou zárukou vysoké účinnosti a flexibility pro použití ve veřejných a komerčních/průmyslových aplikacích.

Modulární napájecí zdroje pro rychlejší nabíjení elektromobilů

Společnost Phoenix Contact nabízí modulární výkonové moduly CHARX navržené pro rychlé a efektivní nabíjení elektromobilů. Jsou také vhodné pro nabíjení mimo silnice pro vozový park a těžkou techniku, střídavé mikrosítě, vysokonapěťové stejnosměrné sítě, skladování energie a aplikace elektrolýzy vodíku.

Společnost založená v Německu v roce 1923 je předním světovým dodavatelem komponentů, systémů a řešení v oblasti elektrotechniky, elektroniky a automatizace. Hlásí se k vizi „All Electric Society", v níž rostoucí elektrifikace, propojování a automatizace odvětví jdou ruku v ruce s rostoucí závislostí na spolehlivých řešeních dodávek energie. Za tímto účelem se zaměřuje na poskytování rychlých, bezpečných a standardům vyhovujících nabíjecích míst a rozhraní s nejnovějšími technologiemi.

Výkonové moduly CHARX (obrázek 1), jež jsou součástí komplexního portfolia produktů pro řešení nabíjení v budovách, jsou k dispozici ve verzích AC/DC a DC/DC, které lze přímo namontovat bez lišty DIN do standardní 19palcové skříně, běžně používané v nabíjecích stanicích pro elektromobily. Modulární plug-and-play konstrukce modulu CHARX zjednodušuje a urychluje instalaci i údržbu díky technologii push-in a rychlému připojení T-LOX. Modulu má rozměry 483 mm na šířku, 134 mm na výšku a 550 mm do hloubky.

Obrázek 1: modulární výkonová skříň CHARX, dostupná v modelech AC/DC a DC/DC. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Každý výkonový modul je optimalizován pro stejnosměrné nabíjení vysokým napětím i proudem a je schopen dodávat nabíjecí výkon až 360 kW. Moduly vykazují 95% výkonovou účinnost při 50% zatížení a nízké energetické ztráty (pod 14 W) v pohotovostním režimu, což je zárukou úspornosti v době, kdy nejsou aktivně využívány.

Díky flexibilnímu připojení modulů a systémových skříní je nabíjecí výkon škálovatelný. Při vhodné technologii chlazení jsou moduly CHARX schopné dodávat nabíjecí výkon HPC až 500 kW, což je ideální pro nabíjecí parky až do řádu MW.

Třífázový výkonový AC/DC modul 1232243 CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW má rozsah vstupních napětí 340 V_AC až 530 V_AC. Výkonový DC/DC modul 1296467 CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30kW má rozsah vstupních napětí 300 V_DC až 825 V_DC pro použití v mnoha prostředích se stejnosměrným napětím. Oba výkonové moduly mají výstupní rozsah napětí 30 V_DC až 1 000 V_DC.

Moduly DC/DC umožňují nepřetržité sledování bodu maximálního výkonu (MMPT), které upravuje vstupní napětí a proud solárního pole pro optimalizaci výstupního výkonu. Toto řešení pomáhá dosáhnout co nejefektivnějšího výkonu zařízení i navzdory různým úrovním slunečního záření, teplotám a typům fotovoltaických panelů.

Jedna řídicí jednotka pro více skříní

Efektivní provoz více výkonových modulů a skříní zajišťuje sběrnicový protokol CAN (Controller Area Network) umožňující komunikaci mezi zařízeními bez hostitelského počítače. Protokol Grid Charge Protocol (GCP) založený na sběrnici CAN, který zajišťuje komunikaci mezi jedním nebo více výkonovými moduly a řídicí jednotkou nabíjení, podporuje metody komunikace peer-to-peer, multicast a broadcast.

Modul programovatelné řídicí jednotky nabíjení 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 (obrázek 2) pracuje s výkonovými AC/DC nebo DC/DC moduly pro stejnosměrné nabíjecí stanice. Jedná se o ústřední součást systému elektrického nabíjení zajišťující síťovou komunikaci, ověřování uživatelů, správu zátěže a bezpečnostní funkce. Rozhraní sběrnice CAN tohoto modulu řídí distribuci energie a komunikaci pro aplikace rychlého nabíjení.

Obrázek 2: programovatelná řídicí jednotka nabíjení EV-PLCC-AC1-DC1 pro použití s výkonovými AC/DC a DC/DC moduly CHARX. (Zdroj: Phoenix Contact)

Řídicí jednotka pracuje v souladu s normami IEC 61851-1, IEC 61851-23, DIN SPEC 70121 a CHAdeMO, čímž dokáže všestranně uspokojit různé požadavky na nabíjení. Obsahuje dvě ethernetová rozhraní a integrovaný bezdrátový modem včetně připojení 4G.

Možnost použití jediné řídicí jednotky pro více rozváděčů usnadňuje údržbu a snižuje náklady na instalaci a provoz. K řídicí jednotce CHARX lze připojit až 48 výkonových modulů. Jednotka podporuje protokol OCPP 1.6J (Core-Profile) pro komunikaci se systémy správy nabíjecích stanic a komunikační protokoly Modbus/TCP nebo MQTT pro integraci s externími systémy a platformami.

Řídicí jednotka podporuje 16 digitálních vstupů a využívá konektory COMBICON pro flexibilní montáž a bezpečné připojení k výkonovým modulům. Nepřetržitý provoz při přerušení napájení zajišťuje integrovaná dobíjecí baterie.

Závěr

Výkonové moduly a řídicí jednotka CHARX od společnosti Phoenix Contact představují univerzální a spolehlivá řešení pro konstrukci nabíjecích stanic s vysokým výkonem. Díky flexibilitě a škálovatelnosti podporuje portfolio produktů CHARX řešení poskytující účinnou a nákladově efektivní správu více rozváděčů a napájecích modulů pro různé nabíjecí aplikace, jakož i bezproblémovou integraci s různými komunikačními protokoly a externími systémy.