EV-pikalatausasemien modulaaristen suunnitteluvaihtoehtojen hyödyntäminen

Polttomoottoriautojen kuljettajat ovat tottuneet näkemään yhä useammin sähköajoneuvojen (Electric Vehicle, EV) latausasemia huoltoasemilla ja parkkipaikoilla. Ne saattavat kuitenkin olla edelleen liian harvassa EV-kuljettajien näkökulmasta, olivatpa he sitten pitkällä matkalla tai vain unohtaneet ladata akun lyhyempää ajoa varten. Tämä on merkki siitä, että kätevän EV-latauksen mahdollistavien kaupallisten ja teollisten tuotteiden kysyntä on kasvussa.

Latausinfrastruktuurin rakentaminen on huipputärkeää, jotta fossiilisia polttoaineita käyttäviä ajoneuvoja voidaan korvata sähköajoneuvoilla valtioiden asettamien tavoitteiden täyttämiseksi. Vuoden 2021 loppupuolella USA:ssa Joe Bidenin hallinto ilmoitti strategiastaan rakentaa 500 000 julkista EV-latausasemaa ympäri maata vuoteen 2030 mennessä. Maan energiavirasto ilmoitti, että kyseiseen ajankohtaan mennessä tarvittaisiin 1,2 miljoonaa uutta asemaa. Myös Yhdistynyt kuningaskunta, Kiina ja Euroopan unioni tukevat taloudellisesti ja edistävät julkisen latausinfrastruktuurin rakentamista.

Valtioiden kannustimien ja päästörajoitusten ennakoidaan myös kasvattavan EV-myyntiä 2 miljoonasta (vuonna 2020) 73 miljoonaan (vuonna 2040), mikä merkitsee 61 prosenttia maailmanlaajuisesta autojen myynnistä. Osuuden ennakoidaan olevan vielä suurempi Japanissa, USA:ssa ja EU:ssa. McKinsey arvioi, että USA:ssa julkisten latauslaitteiden, suunnittelutyön ja asennusten (pois lukien sähköverkon ja toimipaikkojen sähköjärjestelmien päivitykset) kustannukset nousevat vuoteen 2030 mennessä 35 miljardiin dollariin ja että toiset 16 miljardia tarvitaan työpaikkalatausta ja yritysten omistamien ajoneuvojen latausta varten.

Kaupallisten latausratkaisujen suunnittelu

Sähköajoneuvojen määrä teillä kasvaa jatkuvasti, joten latausratkaisujen potentiaaliset markkinat ovat valtavat – varsinkin, kun huomioidaan, että USA:n hallituksen arvioiden mukaan vuoden 2024 alussa julkisia latausasemia oli vain alle 200 000.

Kysynnän odotetaan vain lisääntyvän, kun kuluttajien luottamus sähköajoneuvoja kohtaan kasvaa ja suurteholataustekniikkaa (High Power Charging, HPS) otetaan enenevissä määrin käyttöön. Tämä tekniikka mahdollistaa yli 30 kilometrin ajomatkan jokaista latausminuuttia kohden. Tämä on valtava parannus verrattuna Combined Charging System (CCS) -standardiin, jossa 200 kW:n latausvirta tarjoaa 4 ajokilometriä per latausminuutti.

Kaupallisiin ja teollisiin latausratkaisuihin liittyy lukuisia suunnittelutekijöitä, kuten kyky sopeutua kehittyviin EV-latausstandardeihin. Suunnittelijoiden on tärkeää pystyä luomaan onnistuneita ratkaisuja tärkeimpien ominaisuuksien pohjalta, joita ovat:

• erilaisten ajoneuvojen, kuten autojen, bussien ja kuorma-autojen, nopea ja tehokas lataus
• energiatehokkuus, joka varmistaa latauksen maksimitehon ja minimoi lämpöhäviöt
• yhtenäinen latauskokemus myös jännitteen vaihdellessa
• pitkä käyttöikä ja helppo huolto
• skaalautuvuus megawattiluokkaan, mikä mahdollistaa suuret latausasemat ja odotetun sähköajoneuvojen käytön kasvun
• turvallinen ja luotettava toiminta, ylijännite- ja ylikuumenemissuojaus sekä johdonsuojakatkaisijat.

Nopean, kätevän ja luotettavan virransyötön tarjoaminen sähköajoneuvoille edellyttää tuotetarjontaa, jossa yhdistyvät korkea energiatehokkuus ja monipuolisuus julkisia, kaupallisia ja teollisia sovelluksia varten.

Modulaariset virtalähteet EV-latauksen nopeuttamiseksi

Phoenix Contact tarjoaa modulaarisia CHARX-virransyöttömoduuleita, jotka on suunniteltu nopeaan ja tehokkaaseen EV-lataukseen. Ne soveltuvat myös moottoriteiden varsille asennettaviin latausasemiin sekä raskaan kaluston lataussovelluksiin, AC-mikroverkkoihin, korkean jännitteen DC-verkkoihin, energian varastointiin ja vetyelektrolyysiin.

Tämä vuonna 1923 Saksassa perustettu yritys on huipputoimija sähkötekniikan, sähkölaitteiden ja automaation komponenttien, järjestelmien ja ratkaisujen maailmanlaajuisilla markkinoilla. Yrityksen visiona on täyssähköinen yhteiskunta, jossa eri sektorien sähköistäminen, verkkoyhteydet ja automaatio kulkevat käsi kädessä luotettavien virtalähderatkaisujen alati kasvavan tarpeen kanssa. Tätä varten yritys keskittyy toimittamaan nopeita, turvallisia ja standardienmukaisia latauspisteitä ja -rajapintoja käyttäen uusinta tekniikkaa.

Latausratkaisujen rakentamiseen tarkoitettuun tuotevalikoimaan sisältyvät CHARX-virransyöttömoduuleja (kuva 1) on saatavana AC/DC- ja DC/DC-versioina, jotka voidaan asentaa suoraan ilman DIN-kiskoja EV-latausasemissa usein käytettäviin vakiomallisiin 19 tuuman kaappeihin. CHARX-ratkaisun modulaarinen Plug and Play -rakenne yksinkertaistaa ja nopeuttaa asennus- ja huoltoprosesseja paikoilleen työnnettävän T-LOX-pikaliitosteknologian ansiosta. Moduulin mitat ovat 483 (leveys) x 134 (korkeus) x 550 mm (syvyys).

Kuva 1: Modulaarinen CHARX-virransyöttökaappi on saatavilla AC/DC- ja DC/DC-malleina. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Nämä virransyöttömoduulit on optimoitu DC-lataukseen korkealla jännitteellä ja virralla, ja niiden maksimi latausteho on jopa 360 kW. Niiden hyötysuhde on 95 %, kun kuormitus on 50 %. Tehohäviö valmiustilassa on alle 14 W, mikä mahdollistaa kustannustehokkuuden silloinkin, kun laitetta ei käytetä aktiivisesti.

Lataustehoa voidaan skaalata moduulien ja järjestelmäkaappien joustavalla yhdistämisellä. Sopivaa jäähdytystekniikkaa käytettäessä CHARX-moduulit mahdollistavat lataamisen jopa 500 kW:n HPC-virralla, mikä sopii ihanteellisesti jopa megawattiluokan latausasemille.

Kolmivaiheisen 1232243 CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW AC/DC -virransyöttömoduulin tulojännitealue on 340 V _AC – 530 V_AC. 1296467 CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW DC/DC -virransyöttömoduulin tulojännitealue on 300 V_DC – 825 V_DC ja sitä voidaan käyttää erilaisilla DC-jänniteasetuksilla. Kummankin virransyöttömoduulin lähtöjännitealue on 30 V_DC – 1000 V_DC.

DC/DC-moduulit mahdollistavat suurimman virtapisteen jatkuvan seurannan (Maximum Power Point Tracking, MMPT), jolla voidaan säätää aurinkopaneeliston tulojännitettä ja -virtaa lähtötehon optimoimiseksi. Tämä auttaa optimoimaan laitteen lähdön silloinkin, kun auringonsäteily, lämpötila ja aurinkosähköpaneeleiden tyypit vaihtelevat.

Yksi ohjain useille kaapeille

Useita virransyöttömoduuleita ja kaappeja voidaan käyttää tehokkaasti yhdessä hyödyntämällä Controller Area Network (CAN) -väyläviestiprotokollaa, joka mahdollistaa laitteidenvälisen tiedonsiirron ilman isäntätietokonetta. CAN-pohjainen Grid Charge Protocol (GCP) -protokolla mahdollistaa tiedonsiirron yhden tai useamman virransyöttömoduulin ja latausohjaimen välillä, minkä lisäksi se tukee vertaiskommunikaatiota sekä ryhmä- ja yleislähetystä.

Ohjelmoitava 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 -latausohjainmoduuli (kuva 2) toimii AC/DC- ja DC/DC-virransyöttömoduuleiden kanssa DC-latausasemissa. Se on sähkölatausjärjestelmän keskeinen komponentti, joka tarjoaa verkkoviestinnän, käyttäjien todennuksen, kuormituksen hallinnan ja turvallisuusominaisuudet. Se käyttää CAN-väylärajapintaa nopeiden lataussovellusten virranjakelun ja tiedonsiirron toteutukseen.

Kuva 2: Ohjelmoitava EV-PLCC-AC1-DC1-latausohjain sopii käyttöön AC/DC- ja DC/DC-tyyppisten CHARX-virransyöttömoduuleiden kanssa. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Ohjaimen toiminta noudattaa IEC 61851-1-, IEC 61851-23-, DIN SPEC 70121- ja CHAdeMO-standardeja ja se tukee erilaisia latausvaatimuksia. Siinä on kaksi Ethernet-liitäntää ja integroitu langaton modeemi, 4G-vaihtoehto mukaan lukien.

Mahdollisuus käyttää yhtä ohjainta useamman kaapin kanssa yksinkertaistaa huoltoa sekä laskee asennus- ja käyttökustannuksia. CHARX-ohjaimeen voi yhdistää jopa 48 virransyöttömoduulia. Se tukee OCPP 1.6J (Core-Profile) -tiedonsiirtoa latausasemien hallintajärjestelmien kanssa sekä Modbus/TCP- ja MQTT-tiedonsiirtoprotokollia ulkoisiin järjestelmiin ja alustoihin integrointia varten.

Ohjain tarjoaa 16 digitaalista tuloa ja se käyttää COMBICON-liittimiä virransyöttömoduulien joustavaa kokoonpanoa ja luotettavia liitäntöjä varten. Toiminnan jatkuminen sähkökatkojen aikana voidaan varmistaa integroidulla ladattavalla akulla.

Yhteenveto

Phoenix Contactin CHARX-virransyöttömoduulit ja ohjain tarjoavat joustavat ja luotettavat vaihtoehdot korkeatehoisten latausasemien suunnitteluun. CHARX-tuotevalikoiman joustavuus ja skaalautuvuus mahdollistavat ratkaisut useiden kaappien ja virransyöttömoduuleiden kustannustehokkaaseen hallintaan erilaisissa lataussovelluksissa sekä eri tiedonsiirtoprotokollien ja ulkoisten järjestelmien saumattoman integroinnin.