Dra nytte av en modulær konstruksjon for hurtigladestasjoner for elbiler

Førere av bensindrevne biler opplever stadig oftere at ladestasjoner for elbiler (EV – electric vehicle) dukker opp på bensinstasjoner og parkeringsplasser, tilsynelatende overalt. For elbilsjåfører som er på lange turer, eller korte turer med lavt batteri, kan imidlertid tilgjengeligheten av ladestasjoner virke lav, med lange avstander mellom hver. Dette er en indikator på den økte etterspørselen etter kommersielle og industrielle produkter som kan fylle behovet for praktiske alternativer for opplading av elbiler.

Utbygging av ladeinfrastruktur er viktig for å oppfylle myndighetenes mål om å erstatte kjøretøy som krever fossilt brennstoff med elbiler. I USA, nær slutten av 2021, annonserte Biden-administrasjonen en strategi for å bygge 500 000 offentlige elbil-ladere over hele landet innen 2030, og en rapport fra Olje- og energidepartementet indikerte at det er behov for 1,2 millioner innen den tid. Storbritannia, Kina og EU subsidierer og fremmer også investeringer i offentlig ladeinfrastruktur.

Statlige insentiver og emisjonsrestriksjoner forventes å øke salget av elbiler fra 2 millioner i 2020 til 73 millioner i 2040, noe som representerer 61 % av bilsalget på verdensbasis og enda høyere i Japan, USA og EU. McKinsey anslår at kostnadene for maskinvare, planlegging og installasjon (unntatt oppgraderinger av strømnettet og anlegget) for offentlige ladere i USA, er 35 milliarder USD frem til 2030, og ytterligere 16 milliarder USD for steder som arbeidsplasser og flåtestasjoner.

Utforming av kommersielle ladeløsninger

Med det økende antallet elbiler på veien hver dag, er det potensielle markedet for ladeløsninger enormt. Amerikanske myndigheters anslag for offentlige installasjoner med ladeporter tidlig i 2024 utgjorde mindre enn 200 000.

Det forventes at etterspørselen vil øke etter hvert som forbrukernes tillit til elbiler øker med innføringen av ladeteknologi med høy effekt (HPC – High Power Charging), som vil levere ca. 31 km rekkevidde per minutt med lading. Dette kan sammenlignes med 4 km per minutt lading med 200 kW ladestrøm i CCS-standarden (CCS – Combined Charging System).

Det er mange konstruksjonsfaktorer å ta hensyn til for kommersielle og industrielle ladeløsninger, ikke minst evnen til å tilpasse seg nye ladestandarder for elbiler. Det er viktig at produktutviklere lager løsninger rundt viktige egenskaper, for eksempel:

• Rask og effektiv lading for en rekke elektriske kjøretøy, inkludert biler, busser og lastebiler
• Energieffektivitet som sikrer at maksimal effekt brukes til lading og at varmetapet minimeres
• En konsekvent ladeopplevelse, selv i nærvær av spenningsvariasjoner
• Lang levetid og enkelt vedlikehold
• Skalerbar opptil megawatt-området for å imøtekomme driften av store ladeområder og den forventede veksten av elbiler på veien
• Sikker og pålitelig drift med overstrømsvern, automatsikringer og beskyttelse mot overoppheting

Rask, praktisk og driftssikker strømforsyning til elbiler krever produktkonstruksjoner som gir høy effektivitet og fleksibilitet for bruk i offentlige og kommersielle/industrielle utrustninger.

Modulære strømforsyninger for raskere lading av elbiler

Phoenix Contact tilbyr modulære CHARX-strømmoduler som er konstruert for rask og effektiv lading av elbiler. De er også egnet for lading utenfor motorveinettet for flåter og anleggsmaskiner, AC-mikrostrømnett, høyspente likestrømsnett (DC), energilagring og hydrogenelektrolyseutrustninger.

Selskapet ble grunnlagt i Tyskland i 1923, og er en verdensomspennende markedsleder for komponenter, systemer og løsninger innen produktutvikling, elektronikk og automatisering. De samtykker i visjonen til All Electric Society der økende elektrifisering, nettverksdrift og automatisering av sektorer går hånd i hånd med en økende avhengighet av pålitelige strømforsyningsløsninger. For å oppnå dette, fokuseres det på å levere raske, trygge og standardkompatible ladepunkter og ladekontakter med den nyeste teknologien.

CHARX-strømmodulene (figur 1) er en del av et omfattende produktsortiment for konstruksjon av ladeløsninger, og de er tilgjengelige i AC–DC- og DC–DC-versjoner som kan monteres direkte uten DIN-skinner i et standard 19-tommers kabinett, som vanligvis brukes i ladestasjoner for elbiler. Den modulære CHARX-utformingen, som er «plug-and-play»-klar, forenkler og fremskynder installasjons- og vedlikeholdsprosesser med innstikkbar teknologi og T-LOX-hurtigkoblingsteknologi. Modulen er 483 mm bred, 134 mm høy og 550 mm dyp.

Figur 1: Det modulære CHARX-strømkabinettet, tilgjengelig i AC–DC- og DC–DC-modeller. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Hver strømmodul er optimalisert for DC-lading med høye spenninger og strømmer, og kan gi en ladeeffekt på opptil 360 kW. De gir 95 % energieffektivitet ved 50 % belastning og lavt forbruk på under 14 W i hvilemodus, noe som sikrer kostnadseffektivitet når de ikke er i aktiv bruk.

Ladeeffekten er skalerbar takket være fleksibel tilkobling av moduler og systemkabinetter. Med egnet kjøleteknologi muliggjør CHARX-modulene en HPC-ladeeffekt på opptil 500 kW, noe som er ideelt for lading av ladeområder i megawatt-området.

Den trefasede 1232243 CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW AC–DC-strømmodulen har et inngangsområde fra 340 V_AC til 530 V_AC. 1296467 CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW DC–DC-strømmodulen har et inngangsområde fra 300 V_DC til 825 V_DC for bruk i mange bruksområder med likespenning. Begge strømmodulene har et utgangsområde fra 30 V_DC til 1000 V_DC.

DC–DC-modulene gir kontinuerlig MPPT-funksjonalitet (MPPT – maximum power point tracking) som justerer inngangsspenningen og strømmen til et solcellepanel for å optimalisere utgangseffekten. Dette bidrar til den mest effektive utgangen for enheten, til tross for varierende nivåer av solstråling, temperatur og solcellepaneltyper.

Enkel styring for flere kabinetter

Den CAN-bussmeldingsbaserte protokollen (CAN – Controller Area Network) sørger for effektiv drift av flere strømmoduler og -kabinetter og muliggjør kommunikasjon mellom enheter uten noen vertsdatamaskin. Den CAN-baserte GCP-protokollen (GPC – Grid Charge Protocol) sørger for kommunikasjon mellom én eller flere strømmoduler og en ladestyring, og støtter metoder som peer-to-peer (direkte kommunikasjon mellom datamaskiner som ikke går gjennom noen server), multicast (kringkasting av data til flere brukere) og radiosendingskommunikasjon.

Den programmerbare ladestyringsmodulen 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 (figur 2) er virksom med enten AC–DC- eller DC–DC-strømmoduler for DC-ladestasjoner. Det er den sentrale komponenten i det elektriske ladesystemet, som gir nettverkskommunikasjon, brukerautentisering, laststyring og sikkerhetsfunksjoner. CAN-bussgrensesnittet styrer strømdistribusjon og -kommunikasjon for raske ladekonstruksjoner.

Figur 2: Den programmerbare ladestyringen EV-PLCC-AC1-DC1 for bruk med CHARX AC–DC- og DC–DC-strømmodulene. (Kilde: Phoenix Contact)

Styringen fungerer i henhold til IEC 61851-1-, IEC 61851-23-, DIN SPEC 70121- og CHAdeMO-standardene, og gir allsidighet for forskjellige ladekrav. Den har to Ethernet-grensesnitt og et integrert trådløst modem, som omfatter et 4G-alternativ.

Muligheten til å bruke én enkelt styring for flere kabinetter forenkler vedlikeholdet og reduserer installasjons- og driftskostnadene. CHARX-styringen kan koble til opptil 48 strømmoduler. Den støtter OCPP 1.6J (kjerneprofil) for kommunikasjon med administrasjonssystemer for ladestasjoner, samt Modbus/TCP- eller MQTT-kommunikasjonsprotokoller for integrasjon med eksterne systemer og plattformer.

Styringen støtter 16 digitale innganger og bruker COMBICON-kontakter for fleksibel montering og sikre tilkoblinger til strømmodulene. Kontinuerlig drift under strømbrudd er mulig takket være et integrert, oppladbart batteri.

Konklusjon

Phoenix Contacts CHARX-strømmoduler og -styring gir allsidige og pålitelige alternativer for å konstruere kraftige ladestasjoner. CHARX-produktporteføljen er fleksibel og skalerbar, og muliggjør løsninger som gir effektiv og kostnadseffektiv håndtering av flere kabinetter og strømmoduler for forskjellige ladeutrustninger, samt sømløs integrasjon med forskjellige kommunikasjonsprotokoller og eksterne systemer.