Vorteile eines modularen Designs von Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge

Autofahrer, die mit Benzin betriebene Fahrzeuge fahren, sind zunehmend daran gewöhnt, an Tankstellen und auf Parkplätzen Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EV) zu entdecken, die fast überall aufzutauchen scheinen. Für Fahrer von E-Fahrzeugen, die auf langen Strecken unterwegs sind oder auf Kurzstrecken vergessen haben, ihr Fahrzeug aufzuladen, scheinen die verfügbaren Ladestationen jedoch rar zu sein. Dies ist ein Indikator für die steigende Nachfrage nach gewerblichen und industriellen Produkten, die den Bedarf an bequemen Auflademöglichkeiten für Elektrofahrzeuge decken.

Der Ausbau der Ladeinfrastruktur ist unerlässlich, um die Ziele der Regierung zu erreichen, fossil betriebene Fahrzeuge durch E-Fahrzeuge zu ersetzen. Ende 2021 kündigte die Regierung Biden in den USA eine Strategie an, um bis 2030 landesweit 500.000 öffentliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu errichten, und ein Bericht des Energieministeriums zeigte, dass bis dahin 1,2 Millionen benötigt werden. Auch das Vereinigte Königreich, China und die Europäische Union subventionieren und fördern Investitionen in die öffentliche Ladeinfrastruktur.

Staatliche Anreize und Emissionsbeschränkungen werden den Absatz von E-Fahrzeugen voraussichtlich von 2 Millionen im Jahr 2020 auf 73 Millionen Einheiten im Jahr 2040 ansteigen lassen, was 61 % der weltweiten Autoverkäufe entspricht und in Japan, den USA und der EU noch höher liegt. McKinsey schätzt die Kosten für Hardware, Planung und Installation von öffentlichen Ladestationen in den USA (ohne Netz- und Standortaufrüstung) bis 2030 auf 35 Milliarden Dollar und weitere 16 Milliarden Dollar für Ladestationen an Arbeitsplätzen und Flottendepots.

Entwurf einer kommerziellen Ladelösung

Da die Zahl der E-Fahrzeuge auf den Straßen täglich steigt, ist der potenzielle Markt für Ladelösungen enorm, denn die US-Regierung schätzt, dass Anfang 2024 weniger als 200.000 öffentliche Ladestationen installiert sein werden.

Es wird erwartet, dass die Nachfrage steigen wird, da das Vertrauen der Verbraucher in E-Fahrzeuge mit der Einführung der HPS-Technologie (High Power Charging, Laden mit hoher Leistung) wächst, die eine Reichweite von ca. 19 Meilen pro Minute Ladezeit ermöglicht. Zum Vergleich: Mit dem 200-kW-Ladestrom des CCS-Standards (Combined Charging System, kombiniertes Ladesystem) werden nur 2,5 Meilen pro Minute erreicht.

Es gibt zahlreiche Designüberlegungen für kommerzielle und industrielle Ladelösungen, nicht zuletzt die Fähigkeit, sich an die sich entwickelnden EV-Ladestandards anzupassen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass überzeugende Lösungen entwickelt werden, die sich an den wichtigsten Merkmalen orientieren:

• Schnelles und effizientes Laden für eine Reihe von Elektrofahrzeugen, einschließlich Pkw, Busse und Lkw
• Energieeffizienz, die sicherstellt, dass die maximale Leistung zum Laden verwendet wird und der Wärmeverlust minimiert wird
• Ein gleichmäßiges Ladeerlebnis, auch bei Spannungsschwankungen
• Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit
• Skalierbarkeit bis in den Megawattbereich, um den Betrieb großer Ladeparks und das erwartete Wachstum von E-Fahrzeugen auf der Straße zu ermöglichen
• Sicherer und zuverlässiger Betrieb, mit Überspannungsschutz, Schutzschaltern und Überhitzungsschutz

Die schnelle, bequeme und zuverlässige Stromversorgung von E-Fahrzeugen erfordert Produktdesigns, die eine hohe Effizienz und Flexibilität für den Einsatz in öffentlichen und gewerblichen/industriellen Anwendungen bieten.

Modulare Stromversorgungen für schnelleres Laden von Elektrofahrzeugen

Phoenix Contact bietet modulare CHARX-Leistungsmodule an, die für schnelles und effizientes Laden von Elektrofahrzeugen konzipiert sind. Sie eignen sich auch für Off-Highway-Ladevorgänge für Flotten und schwere Geräte, AC-Microgrids, Hochspannungs-Gleichstromnetze, Energiespeicherung und Wasserstoff-Elektrolyse-Anwendungen.

Das 1923 in Deutschland gegründete Unternehmen ist ein weltweiter Marktführer für Komponenten, Systeme und Lösungen in der Elektrotechnik, Elektronik und Automation. Es folgt der Vision der All Electric Society, in der die zunehmende Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung von Sektoren mit einer wachsenden Abhängigkeit von zuverlässigen Stromversorgungslösungen einhergeht. Zu diesem Zweck konzentriert sich das Unternehmen auf die Bereitstellung schneller, sicherer und normgerechter Ladepunkte und Ladeschnittstellen mit den neuesten Technologien.

Als Teil eines umfassenden Produktportfolios für Ladelösungen in Gebäuden sind die CHARX-Leistungsmodule (Abbildung 1) in AC/DC- und DC/DC-Versionen erhältlich, die ohne Hutschienen direkt in einen 19-Zoll-Standardschrank montiert werden können, der üblicherweise in EV-Ladestationen verwendet wird. Das modulare Plug&Play-Design von CHARX vereinfacht und beschleunigt die Installations- und Wartungsprozesse durch Steck- und T-LOX-Schnellanschlusstechnik. Die Abmessungen des Moduls sind 483 mm Breite, 134 mm Höhe und 550 mm Tiefe.

Abbildung 1: Die modulare CHARX-Stromversorgungseinheit, erhältlich in AC/DC- und DC/DC-Ausführung. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Optimiert für das Gleichstromladen mit hohen Spannungen und Strömen, kann jedes Leistungsmodul eine Ladeleistung von bis zu 360 kW bereitstellen. Sie bieten einen Wirkungsgrad von 95 % bei einer Last von 50 % und eine geringe Verlustleistung von weniger als 14 W im Standby-Modus, so dass sie auch dann kostengünstig sind, wenn sie nicht aktiv genutzt werden.

Die Ladeleistung ist durch die flexible Verbindung von Modulen und Systemeinheiten skalierbar. Mit geeigneter Kühltechnik ermöglichen die CHARX-Module Ladeleistungen bis zu einem HPC-Strom von bis zu 500 kW, ideal für Ladeparks bis in den Megawattbereich.

Das dreiphasige CHARX-AC/DC-Leistungsmodul 1232243 (PS-M2/3AC/1000DC/30KW) hat einen Eingangsbereich von 340 V_AC bis 530 V_AC. Das CHARX-DC/DC-Leistungsmodul 1296467 (PS-M2/825DC/1000DC/30KW) hat einen Eingangsbereich von 300 V_DC bis 825 V_DC für den Einsatz in zahlreichen Gleichspannungsbereichen. Beide Leistungsmodule verfügen über einen Ausgangsbereich von 30 V_DC bis 1000 V_DC.

Die DC/DC-Module bieten eine kontinuierliche Nachführung des maximalen Leistungspunktes (MMPT), das die Eingangsspannung und den Strom einer Solaranlage anpasst, um die Ausgangsleistung zu optimieren. Dies trägt dazu bei, dass das Gerät trotz unterschiedlicher Sonneneinstrahlung, Temperatur und PV-Paneltypen die effizienteste Leistung erzielt.

Ein Controller für mehrere Schaltschränke

Der effektive Betrieb mehrerer Leistungsmodule und Schaltschränke wird durch das nachrichtenbasierte Protokoll des Controller Area Network (CAN-Bus) gewährleistet, das die Kommunikation zwischen den Geräten ohne einen Host-Computer ermöglicht. Das CAN-basierte Grid Charge Protocol (GCP) ermöglicht die Kommunikation zwischen einem oder mehreren Leistungsmodulen und einem Ladecontroller und unterstützt Peer-to-Peer-, Multicast- und Broadcast-Kommunikationsmethoden.

Das programmierbare Ladesteuermodul 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 (Abbildung 2) arbeitet entweder mit AC/DC- oder DC/DC-Leistungsmodulen für DC-Ladestationen. Es ist die zentrale Komponente des elektrischen Ladesystems, die Netzwerkkommunikation, Benutzerauthentifizierung, Lastmanagement und Sicherheitsfunktionen bereitstellt. Seine CAN-Bus-Schnittstelle verwaltet die Stromverteilung und die Kommunikation für Schnellladeanwendungen.

Abbildung 2: Der programmierbare Laderegler EV-PLCC-AC1-DC1 zur Verwendung mit den CHARX-AC/DC- und -DC/DC-Leistungsmodulen. (Quelle: Phoenix Contact)

Der Controller arbeitet nach IEC 61851-1, IEC 61851-23, DIN SPEC 70121 und den CHAdeMO-Standards und ist somit vielseitig für unterschiedliche Ladeanforderungen einsetzbar. Er verfügt über zwei Ethernet-Schnittstellen und ein integriertes drahtloses Modem, einschließlich einer 4G-Option.

Die Möglichkeit, einen einzigen Controller für mehrere Schaltschränke zu verwenden, vereinfacht die Wartung und reduziert die Installations- und Betriebskosten. Der CHARX-Controller kann mit bis zu 48 Leistungsmodulen verbunden werden. Er unterstützt OCPP 1.6J (Core-Profile) für die Kommunikation mit Ladestationsmanagementsystemen sowie Modbus/TCP- oder MQTT-Kommunikationsprotokolle für die Integration mit externen Systemen und Plattformen.

Der Controller unterstützt 16 digitale Eingänge und verwendet COMBICON-Steckverbinder für eine flexible Montage und sichere Verbindungen zu den Leistungsmodulen. Ein integrierter, wiederaufladbarer Akku sorgt für einen kontinuierlichen Betrieb bei Stromunterbrechungen.

Fazit

Die CHARX-Leistungsmodule und -Controller von Phoenix Contact bieten vielseitige und zuverlässige Optionen für die Entwicklung von Hochleistungs-Ladestationen. Mit seiner Flexibilität und Skalierbarkeit ermöglicht das CHARX-Produktportfolio Lösungen, die ein effizientes und kostengünstiges Management von mehreren Schaltschränken und Leistungsmodulen für verschiedene Ladeanwendungen sowie eine nahtlose Integration mit verschiedenen Kommunikationsprotokollen und externen Systemen ermöglichen.