Dra nytta av en modulär utformning av snabbladdningsstationer för elfordon

Förare av bensindrivna bilar blir alltmer vana vid synen av laddningsstationer för elfordon (EV) på bensinstationer och parkeringsplatser och de verkar dyka upp nästan överallt. Men, för de elfordonsförare på långa resor eller de på korta resor som glömde att fylla på laddningen nyligen, kan de tillgängliga laddningsstationerna verka vara få, och ligga långt ifrån varandra. Det är ett tecken på den ökande efterfrågan av kommersiella och industriella produkter som uppfyller behovet av praktiska laddningsalternativ för elfordon.

Att bygga ut laddningsinfrastrukturen är avgörande för att uppfylla regeringens mål om att ersätta fossildrivna fordon med elfordon. Mot slutet av 2021 meddelade Bidens regering i USA en strategi för att fram till 2030 bygga 500 000 offentliga elfordonsladdare runtom i landet. En rapport från energidepartementet visade att det vid den tidpunkten kommer finnas ett behov av 1,2 miljoner elfordonsladdare. Även Storbritannien, Kina och EU subventionerar och främjar investeringar i infrastruktur för offentliga laddare.

Statliga incitament och utsläppsbegränsningar förväntas driva på försäljningen av elfordon från 2 miljoner enheter år 2020 till 73 miljoner enheter år 2040, vilket motsvarar 61 % av den globala bilförsäljningen och ännu mer i Japan, USA och EU. McKinsey uppskattar kostnaden för hårdvara, planering och installation av offentliga laddare i USA (exklusive uppgraderingar av elnätet och elinstallationer på platsen) till 35 miljarder USD fram till 2030, och ytterligare 16 miljarder USD för laddare på arbetsplatser och vid vagnparksdepåer.

Konstruktion av kommersiella laddningslösningar

Antalet elfordon på vägarna ökar varje dag och den potentiella marknaden för laddningslösningar är enorm eftersom den amerikanska regeringen uppskattar att antalet installationer av offentliga laddningsstationer i början av 2024 kommer att vara färre än 200 000.

Efterfrågan väntas öka i takt med att konsumenternas förtroende för elfordon växer med införandet av teknik för laddning med hög effekt (High Power Charging) som ger en räckvidd på ca 30 km per laddningsminut. Det kan jämföras med 4 km per laddningsminut vid en laddningseffekt på 200 kW enligt standarden CCS (Combined Charging System).

Det finns många faktorer som måste beaktas vid utformningen av kommersiella och industriella laddningslösningar, inte minst förmågan att anpassa sig till nya laddningsstandarder för elfordon. Det är viktigt att konstruktörer av produkter skapar framgångsrika lösningar baserat på viktiga egenskaper, som exempelvis:

• Snabb och effektiv laddning av en mängd olika elfordon, inklusive bilar, bussar och lastbilar
• Verkningsgrad som garanterar att maximal effekt används vid laddning och att värmeförluster minimeras
• En konstant laddningsupplevelse, även vid spänningsvariationer
• Lång livslängd och enkelt underhåll
• Skalbarhet upp till megawattområdet för att hantera drift av stora laddningsstationer och den förväntade ökningen av elfordon på vägarna
• Säker och tillförlitlig drift, med överspänningsskydd, kretsbrytare och överhettningsskydd

För att elfordon ska kunna förses med snabb, smidig och tillförlitlig laddningsström krävs det att produkten har hög verkningsgrad och är flexibel, så att den kan nyttjas för användning i offentliga och kommersiella/industriella tillämpningar.

Modulära nätaggregat för snabbare laddning av elfordon

De modulära kraftmodulerna CHARX från Phoenix Contact är utformade för snabb och effektiv laddning av elfordon. De passar även i tillämpningar vid sidan av motorvägen för laddning av vagnparker och tunga maskiner, mikronät för växelström, likströmsnät med hög spänning, energilagring och vätgaselektrolys.

Företaget grundades 1923 i Tyskland och är en världsledande leverantör av komponenter, system och lösningar inom elektroteknik, elektronik och automation. Bolaget har anslutit sig till visionen om ett "elektrifierat samhälle" där ökad elektrifiering, nätverksbyggande och automatisering av samhällssektorer går hand i hand med ett växande beroende av tillförlitliga strömförsörjningslösningar. Därför fokuserar de på att leverera snabba, säkra laddningsstationer och laddningsgränssnitt med den senaste tekniken som uppfyller relevanta standarder.

Kraftmodulerna CHARX (figur 1) ingår i ett stort produktsortiment med laddningslösningar och finns i versioner för AC/DC och DC/DC. De kan monteras utan DIN-skenor i ett standardskåp på 19-tum som normalt används i laddningsstationer för elfordon. CHARX modulära konstruktion med plug and play förenklar och påskyndar installations- och underhållsprocessen med anslutningar av instickstyp och snabbanslutningstekniken T-LOX. Modulen är 483 mm bred, 134 mm hög och 550 mm djup.

Figur 1: Det modulära elskåpet CHARX, som finns i modeller för AC/DC och DC/DC. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Respektive kraftmodul är optimerad för likströmsladdning med hög spänning och ström och kan tillhandahålla en laddningseffekt på upp till 360 kW. De har en verkningsgrad på 95 % vid 50 % belastning med låg effektförlust, under 14 W, i standby-läge vilket garanterar kostnadseffektivitet när de inte används aktivt.

Laddningseffekten är skalbar genom flexibel anslutning av moduler och systemskåp. Med lämplig kylteknik möjliggör CHARX-modulerna en laddningseffekt på upp till 500 kW, vilket är perfekt för laddningsstationer i megawattklassen.

Kraftmodulen 1232243 CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW AC/DC för trefas har ett inspänningsområde på mellan 340 V_AC och 530 V_AC. Kraftmodulen 1296467 CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW DC/DC har ett inspänningsområde på mellan 300 V_DC och 825 V_DC för användning i många olika likspänningstillämpningar. Båda kraftmodulerna har utgångar från 30 V_DC till 1 000 V_DC.

DC/DC-modulerna har kontinuerlig MMPT (Maximum Power Point Tracking) som justerar inspänningen och strömmen i en solcellsmatris för att optimera uteffekten. Det ger den effektivaste uteffekten för enheten, trots varierande nivåer av solstrålning, temperatur och olika typer av solcellspaneler.

En styrenhet för flera skåp

Effektiv drift av flera kraftmoduler och skåp tillhandahålls med hjälp av CAN-bussens (Controller Area Network) meddelandebaserade protokoll, som möjliggör kommunikation mellan enheter utan en värddator. GCP (Grid Charge Protocol) baserat på CAN möjliggör kommunikation mellan en eller flera kraftmoduler och en styrenhet för laddning samt stödjer kommunikationsmetoderna peer-to-peer, multicast och broadcast.

Den programmerbara styrmodulen för laddning 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 (figur 2) kan användas med antingen kraftmoduler för AC/DC eller DC/DC för laddningsstationer med likström. Den är huvudkomponent i det elektriska laddningssystemet och tillhandahåller nätverkskommunikation, användarautentisering, lasthantering och säkerhetsfunktioner. CAN-bussens gränssnitt hanterar strömfördelning och kommunikation i tillämpningar med snabbladdning.

Figur 2: Den programmerbara laddningsregulatorn EV-PLCC-AC1-DC1 för användning med kraftmodulerna CHARX för AC/DC och DC/DC. (Källa: Phoenix Contact)

Styrenheten uppfyller standarderna IEC 61851-1, IEC 61851-23, DIN SPEC 70121 och CHAdeMO, vilket skapar användbarhet för olika laddningskrav. Den har dubbla gränssnitt för Ethernet och ett inbyggt trådlöst modem, inklusive ett alternativ för 4G.

Möjligheten att använda en enda styrenhet för flera skåp förenklar underhållet och minskar installations- och driftskostnaderna. Upp till 48 kraftmoduler kan anslutas till CHARX-styrenheten. Den stödjer OCPP 1.6J (Core-Profile) för kommunikation med administrationssystem för laddningsstationer, samt kommunikationsprotokollen Modbus/TCP eller MQTT för integration med externa system och plattformar.

Styrenheten har stöd för 16 digitala ingångar och använder kontaktdonen COMBICON för flexibel montering och säkra anslutningar av kraftmoduler. Ett inbyggt, uppladdningsbart batteri för kontinuerlig drift vid strömavbrott.

Sammanfattning

Kraftmoduler och styrenheterna CHARX från Phoenix Contact är mångsidiga och tillförlitliga alternativ vid utformning av laddningsstationer med hög effekt. Produktsortimentet CHARX är flexibelt, skalbart och möjliggör lösningar som tillhandahåller en effektiv och prisvärd hantering av flera skåp och kraftmoduler i olika laddningstillämpningar, samt sömlös integration med olika kommunikationsprotokoll och externa system.