Rodzaje i budowa stacji ładowania pojazdów elektrycznych
Od prostego wallboxa po wielostanowiskowe stacje ładowania – każde rozwiązanie do ładowania musi spełnić szczególne wymagania pod kątem wydajności i funkcjonalności.
A tym artykule pokażemy na co zwrócić uwagę projektując stację ładowania, jakie funkcje powinna posiadać aby działała niezawodnie, bezpiecznie i zgodnie z wymaganiami aplikacji. Omówimy rodzaje stacji i wyposażenie niezbędne do prawidłowej pracy.
Jedną z pierwszych rzeczy, nad którymi należy się zastanowić to lokalizacja montażu stacji ładowania. Powinna ona być wybrana w taki sposób, aby wszystkie czynności związane z ładowaniem były zawsze bezpieczne. Dotyczy to nie tylko użytkowników stacji, ale i bezpośredniego otoczenia.
Podłączenie pojazdu powinno być możliwe bez użycia przedłużaczy lub bębnów kablowych. Stacja ładowania powinna być zatem zainstalowana w bezpośrednim sąsiedztwie miejsc parkingowych, które mają być zasilane.
Stację ładowania należy dobrać do warunków otoczenia. W miejscu jej pracy należy zapewnić odpowiednie oświetlenie. W zależności od miejsca instalacji i sposobu użytkowania, stacja ładownia powinna spełniać wymagania dotyczące czynników środowiskowych: wytrzymałości mechanicznej (ochrona przed uderzeniami, wandalizmem), odporności na warunki atmosferyczne (odpowiedni stopień ochrony, zakres temperatur pracy), promieniowanie UV, korozję, wibracje.
Phoenix Contact, od 100 lat lider rynku automatyki przemysłowej, oferuje kompletne wyposażenie stacji ładowania. Produkty CHARX zostały specjalnie opracowane do budowy infrastruktury ładowania. W ofercie znajdziesz kable i gniazda ładowania, ograniczniki przepięć, liczniki energii, wyświetlacze, moduły mocy oraz sterowniki i inne akcesoria montażowe.
Sterownik ładowania – serce i mózg całego układu
Sterownik ładowania odpowiada za komunikację z pojazdem oraz nadzoruje proces ładowania.
Modułowe podejście oferowane przez rodzinę sterowników CHARX control pozwala na konfigurację różnych wariantów stacji ładowania AC do pojazdów elektrycznych. Sterowniki ładowania mogą pracować autonomicznie lub być łączone w grupę, tak aby utworzyć wielostanowiskowe stacje ładowania, jak również mogą komunikować się z systemami zewnętrznymi. Urządzenia te monitorują i kontrolują proces ładowania pojazdów elektrycznych zgodnie z międzynarodowymi normami i standardami, takimi jak IEC, GB/T i SAE.
Jak dobrać sterownik w zależności od rodzaju stacji ładowania?
Domowa stacja ładowania
Wallboxy stanowią najliczniejszą kategorię kupowanych stacji ładowania. Konstrukcja takiej stacji jest zazwyczaj bardzo prosta, zazwyczaj jednostanowiskowa i ogranicza się do spełnienia minimalnych wymagań technicznych, dzięki czemu jest to relatywnie „tanie” rozwiązanie.
Sterownik ładowania CHARX SEC-1000 posiada wszystkie funkcje potrzebne do prostych punktów ładowania. Opracowany zgodnie z normą IEC 61851-1 (Tryb 3, B i C) gwarantuje wysoką kompatybilność i bezpieczną pracę ze wszystkimi obecnie produkowanymi samochodami elektrycznymi.
Zasilanie z domowej instalacji elektrycznej pozwala na zredukowanie, niektórych komponentów takich jak licznik energii, czy ograniczniki przepięć.
Miasto: pojedynczy punkt ładowania z bezprzewodową komunikacją z systemami rozliczeniowymi back end
Sterowniki CHARX SEC-3100 lub CHARX SEC-3150 umożliwiają podłączenie punktu ładowania do systemu bilingowego przez sieć 4G i protokół komunikacyjny OCPP.
Parking firmowy: trzy 2- stanowiskowe stacje ładowania z komunikacją back end
Główna stacja ładowania zbudowana jest ze sterownika CHARX SEC-3100 z komunikacją 4G oraz sterownika CHARX SEC-1000.
Ważne: Jedną stację można rozbudować do max. 12. punktów ładowania. W tym celu można połączyć max. 11 sterowników CHARX 1000 ze sterownikiem klasy 3XXX stosując złącza na szynę DIN (w zestawie). Oznacza to, że funkcje i interfejsy komunikacyjne dostępne w CHARX SEC-3xxx będą również dostępne dla wszystkich podłączonych do niego kontrolerów ładowania klasy 1000.
CHARX SEC-3100 zarządza poprzez Ethernet pozostałymi dwoma, dwustanowiskowymi stacjami ładowania składającymi się z CHARX SEC-3000 i CHARX SEC-1000 .
Połączenie z systemem rozliczeniowym zrealizowane jest poprzez sieć komórkową 4G. Aby zrealizować dostęp, tylko dla uprawnionych użytkowników, wystarczy tylko jeden czytnik RFID dla wszystkich punktów ładowania.
Ważne: każdy ze sterowników może zarządzać ładowaniem tylko jednego punktu ładowania wyposażonego w gniazdo lub kabel.
Parking: 48 punktów ładowania z centralną szafą sterowniczą i możliwością połączenia z systemem rozliczeniowym poprzez Ethernet
11 sterowników CHARX 1000 połączonych jest modułowo, poprzez złącza, na szynę DIN ze sterownikiem 3000 tworząc 1 grupę 12 punktów ładowania.
4 sterowniki ładowania CHARX SEC-3000 połączone są w sieci lokalnej, tworząc szeregową grupę klient/serwer dla 48 punktów ładowania.
Usługi takie jak: zarządzanie lokalnym obciążeniem, zewnętrzne protokoły komunikacyjne jak OCPP, Modbus, MQTT i Web-based management dla wszystkich klientów, jak również wszystkich dołączonych modułów rozszerzeń (CHARX 1000) zarządzane są centralnie przez serwer.
Ważne: W przypadku większej ilości punktów ładowania można zastosować sterownik PLCnext.
Wyposażenie stacji ładowania - gniazdo wylotowe lub kabel z wtykiem
Stacja wyposażona w gniazdo
Do podłączenia pojazdu EV ze stacją stosuje się przenośny kabel ładowania AC, posiadający wtyki z obu stron. Podczas ładowania wtyki blokowane są w gnieździe pojazdu i stacji. Warto pamiętać, żeby stacja ładowania mogła awaryjnie odblokować wtyk podłączony do gniazda stacji w przypadku awarii zasilania.
Funkcjonalność awaryjnego odblokowania wtyku może być już zaimplementowana w sterowniku ładowania (np. wszystkie sterowniki CHARX już taką funkcjonalność mają) lub uzyskana dzięki specjalnym modułom odryglowania wtyku.
Przyda się również sygnalizacja stanu stacji ładowania (gotowość, lądowanie, błąd itp. ) taką funkcjonalność zapewni gniazdo.
Stacja wyposażona w kabel ładowania
Nie ma potrzeby awaryjnego odblokowania wtyku.
Zarówno gniazda ładowania jak i kable ładowania AC mogą być w wykonaniu 1 lub 3 fazowym dla prądów do 20 i 32A. Najszybciej naładujemy pojazd poprzez sieć trójfazową no i oczywiście z prądem 32A. Przeszkodą mogą być parametry instalacji (np. za mała moc przyłączeniowa, przekrój przewodów, brak instalacji trójfazowej). Warto podkreślić istotne różnice między zasilaniem klasycznych odbiorników energii w gospodarstwie domowym a zasilaniem pojazdu elektrycznego. Podczas ładowania pojazdu elektrycznego należy wziąć pod uwagę specjalne wymagania dotyczące procesu ładowania. Podczas ładowania – trwającego nawet kilkanaście godzin – wykorzystywana jest bardzo duża moc elektryczna. Natomiast w przypadku chociażby pralki, która ma również wysokie zużycie energii, to trwa to tylko przez stosunkowo krótki czas (do podgrzania wody). W związku z tym instalacja pod stację ładowania, czyli odpowiednie przekroje przewodów i wyłączniki nadprądowe powinna być odpowiednio przygotowana. Wyeliminuje to ryzyko przeciążenia instalacji, a w konsekwencji przegrzewania kabli i ryzyka wystąpienia pożaru.
Monitorowanie prądu upływu
Ze względów bezpieczeństwa, każda instalacja elektryczna powinna być wyposażona w wyłącznik różnicowoprądowy.
Przykład powstawania prądów upływowych DC
Dzięki wykrywaniu minimalnych prądów upływu, powstałych na przykład wskutek drobnych uszkodzeń izolacji kabla urządzenie to odłącza niebezpieczne napięcie chroniąc użytkownika przed poważnymi konsekwencjami zdrowotnymi, a nawet śmiercią.
Szczególne znaczenie ma to w przypadku ładowania pojazdów elektrycznych, gdzie wskutek uszkodzenia izolacji kabla może pojawić się prąd upływu AC, a z powodu uszkodzenia prostownika w pojeździe składowa stała prądu.
Zgodnie z normą IEC 61851-1 w instalacji stacji ładowania pojazdów elektrycznych, należy zastosować jedno z rozwiązań:
Wyłącznik różnicowoprądowy typu B lub wyłącznik różnicowoprądowy typu A wraz z odpowiednim sprzętem zapewniającym wyłączenie zasilania w przypadku pojawienia się prądu różnicowego DC większego od 6 mA.
Takim rozwiązaniem może być zastosowanie kombinacji monitora prądu upływu, sterownika i stycznika. Monitor prądu upływu wykryciu minimalnego stałego prądu (6mA) wysyła sygnał alarmowy do sterownika, a ten wyłącza stycznik przerywając proces ładownia. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie jest konieczne używanie drogiego wyłącznika różnicowoprądowego typu B.
Wszystkie sterowniki ładowania serii CHARX zostały zaprojektowane tak, aby wspierać realizację obu tych środków.
Ważne: nie wszystkie wallboxy są wyposażone w wyłącznik różnicowoprądowy. Należy sprawdzić jaki, bo jeśli zastosowano w nim tylko typ A, to bez monitora prądu upływowego DC nie będzie prawidłowej ochrony!
Pozostałe komponenty do budowy stacji ładowania:
- Zasilacz 12 V - służy do zasilania sterownika ładowania
- Ochrona przed przepięciami – jeśli wallbox zasilany jest z domowej instalacji elektrycznej, w której znajduje się ogranicznik przepięć min. typ 2 a odległość „po kablu” jest mniejsza niż 10m – to naszą stacją nie ma potrzeby doposażać w dodatkowy ogranicznik przepięć. W przeciwnym przypadku należy zainstalować ogranicznik typu 2.
- Wyłącznik nadprądowy – typ w zależności od układu sieci, prądu obciążenia
- Stycznik – typ w zależności od układu sieci, prądu obciążenia
Dochodzą jeszcze złączki szynowe dzięki którym zrealizujesz główne przyłącze zasilania oraz wszelkie połączenia wewnętrzne (jak np. rozprowadzenie zasilania urządzeń niskonapięciowych).
Więcej o komponentach do budowy stacji ładowania
Phoenix Contact
Rafał Sypniewski
rsypniewski@phoenixcontact.pl
Menadżer Segmentu Rynku E-mobility
źródło: Phoenix Contact