Profiteer van een modulair ontwerp voor EV-snellaadstations

Bestuurders van benzineauto's komen steeds vaker laadstations voor elektrische voertuigen tegen in tankstations. Deze laadstations lijken tegenwoordig bijna overal op te duiken. Maar voor EV-bestuurders die lange reizen maken of die een korte trip maken maar vergeten zijn om bij te laden, kan het aantal beschikbare laadstations schaars lijken. Dat is een indicatie van de toegenomen vraag naar commerciële en industriële producten om aan de behoefte aan EV-laadmogelijkheden te voldoen.

Het uitbreiden van de infrastructuur voor laadstations is essentieel voor de overheidsdoelstellingen om voertuigen die op fossiele brandstof rijden te vervangen door EV's. Eind 2021 kondigde de Amerikaanse regering-Biden een strategie aan om in 2030 500.000 openbare EV-laadpalen in de VS te hebben. Een rapport van het Amerikaanse Department of Energy gaf aan dat er tegen die tijd behoefte zou zijn aan 1,2 miljoen laadpalen. Ook het Verenigd Koninkrijk, China en de Europese Unie subsidiëren en stimuleren investeringen in de infrastructuur voor openbare laadpalen.

Overheidsstimulansen en emissiebeperkingen zullen naar verwachting de verkoop van EV's doen stijgen van 2 miljoen voertuigen in 2020 tot 73 miljoen in 2040, wat neerkomt op 61% van de wereldwijde autoverkoop en zelfs nog meer in Japan, de VS en de EU. McKinsey schat de kosten voor de hardware, planning en installatie van openbare laadpunten in de VS (exclusief net- en locatie-upgrades) op 35 miljard dollar tot eind 2030, en nog eens 16 miljard dollar voor laadpunten op werkplekken en locaties voor wagenparken.

Ontwerp van een commerciële laadoplossing

Nu het aantal EV's op de weg met de dag toeneemt, is de potentiële markt voor laadoplossingen enorm, aangezien de Amerikaanse overheid schat dat er begin 2024 minder dan 200.000 openbare laadpoorten waren.

Verwacht wordt dat de vraag zal toenemen naarmate het vertrouwen van de consument in EV's groeit met de invoering van HPS-technologie (High Power Charging) waarmee een rijbereik van circa 30 km per minuut laden kan worden bereikt. Vergelijk dat met 4 km per minuut laden met het 200kW-laadvermogen van de CCS-standaard (Combined Charging System).

Er zijn tal van ontwerpoverwegingen voor commerciële en industriële laadoplossingen, inclusief het vermogen om zich aan te passen aan de steeds evoluerende EV-laadstandaarden. Het is essentieel dat productontwerpers de beste oplossingen creëren rond belangrijke kenmerken, zoals:

• snel en efficiënt laden van verschillende elektrische voertuigen, waaronder auto's, bussen en vrachtwagens
• energie-efficiëntie die ervoor zorgt dat maximaal vermogen wordt gebruikt voor opladen en dat warmteverlies tot een minimum wordt beperkt
• een consistente oplaadervaring, zelfs bij spanningsschommelingen
• lange levensduur en eenvoudig onderhoud
• schaalbaarheid tot het megawatt-bereik om de werking van grote laadparken en de verwachte groei van het aantal EV's op de weg mogelijk te maken
• een veilige en betrouwbare werking, met overspanningsbeveiliging, stroomonderbrekers en bescherming tegen oververhitting

Om EV's snel en gemakkelijk van betrouwbare stroom te voorzien, zijn productontwerpen nodig die een hoge efficiëntie en flexibiliteit bieden voor gebruik in openbare en commerciële/industriële toepassingen.

Modulaire laadstations voor het sneller laden van EV's

Phoenix Contact biedt modulaire CHARX-vermogensmodules die zijn ontworpen voor het snel en efficiënt laden van EV's. Ze zijn ook geschikt voor het off-road opladen van wagenparken en zwaar materieel, AC-microgrids, gelijkstroomnetwerken, energieopslag en waterstofelektrolysetoepassingen.

Het bedrijf werd in 1923 in Duitsland opgericht en is een wereldwijde marktleider op het gebied van componenten, systemen en oplossingen voor elektrotechniek, elektronica en automatisering. Phoenix Contact onderschrijft de visie van de 'All Electric Society' waarbij toenemende elektrificatie, netwerken en automatisering van sectoren hand in hand gaan met een groeiende afhankelijkheid van betrouwbare oplossingen voor stroomvoorziening. Daarom richt het zich op het leveren van snelle, veilige en normconforme oplaadpunten en oplaadinterfaces met de nieuwste technologieën.

Als onderdeel van een uitgebreid productportfolio voor het bouwen van laadoplossingen, zijn de CHARX-vermogensmodules (afbeelding 1) verkrijgbaar in AC/DC en DC/DC versies. Deze kunnen rechtstreeks zonder DIN-rails gemonteerd worden in een standaard 19inch-kast, die vaak gebruikt wordt in EV-laadstations. Dankzij het modulaire plug-and-play-ontwerp van CHARX zijn installatie- en onderhoudsprocessen eenvoudiger en sneller met push-in en T-LOX-snelkoppelingstechnologie. De module is 483 mm breed, 134 mm hoog en 550 mm diep.

Afbeelding 1: De modulaire CHARX-stroomkast is verkrijgbaar in AC/DC- en DC/DC-modellen. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

Elke vermogensmodule is geoptimaliseerd voor gelijkstroomladen met hoge spanning en stroom en kan een laadvermogen tot 360 kW leveren. Ze bieden een energie-efficiëntie van 95% bij een belasting van 50% en een lage vermogensdissipatie van minder dan 14 W in stand-bymodus, waardoor ze kosteneffectief zijn wanneer ze niet actief worden gebruikt.

Het laadvermogen is schaalbaar dankzij een flexibele aansluiting van modules en systeemkasten. Dankzij geschikte koeltechnologie leveren de CHARX-modules laadvermogens tot HPC-stroom van maar liefst 500 kW, ideaal voor laadparken tot het megawattbereik.

De driefasige 1232243 CHARX PS-M2/3AC/1000DC/30KW AC/DC-vermogensmodule heeft een ingangsbereik van 340 V_AC tot 530 V_AC. De 1296467 CHARX PS-M2/825DC/1000DC/30KW DC/DC-vermogensmodule heeft een ingangsbereik van 300 V_DC tot 825 V_DC voor gebruik in tal van DC-spanningsinstellingen. Beide vermogensmodules hebben een uitgangsbereik van 30 V_DC tot 1000 V_DC.

De DC/DC-modules bieden continue 'maximum power point tracking' (MMPT) dat de ingangsspanning en -stroom van een zonnepaneel aanpast voor optimaal uitgangsvermogen. Dit zorgt voor de meest efficiënte output voor het apparaat, ondanks de verschillende niveaus van zonnestraling, temperatuur en typen PV-panelen.

Eén controller voor meerdere kasten

Effectief gebruik van meerdere vermogensmodules en kasten is mogelijk met het CAN-busprotocol (Controller Area Network), dat op berichten is gebaseerd en communicatie tussen apparaten mogelijk maakt zonder een hostcomputer. Het CAN-gebaseerde Grid Charge Protocol (GCP) voorziet in communicatie tussen een of meer energiemodules en een laadcontroller en ondersteunt peer-to-peer-, multicast- en broadcast-communicatiemethoden.

De 1624130 EV-PLCC-AC1-DC1 programmeerbare laadregelmodule (afbeelding 2) werkt met AC/DC- of DC/DC-vermogensmodules voor DC-laadstations. Het is het centrale onderdeel van het elektrische laadsysteem, dat netwerkcommunicatie, gebruikersauthenticatie, laadbeheer en veiligheidsfuncties biedt. De CAN-businterface beheert de stroomverdeling en communicatie voor snellaadtoepassingen.

Afbeelding 2: De EV-PLCC-AC1-DC1 programmeerbare laadregelaar voor gebruik met de CHARX AC/DC- en DC/DC-vermogensmodules. (Bron: Phoenix Contact)

De controller werkt in overeenstemming met de normen IEC 61851-1, IEC 61851-23 en DIN SPEC 70121 en de CHAdeMO-standaard, wat veelzijdigheid biedt voor verschillende laadvereisten. Hij bevat dubbele ethernetinterfaces en een geïntegreerde draadloze modem, inclusief een 4G-optie.

De mogelijkheid om één controller te gebruiken voor meerdere kasten vereenvoudigt het onderhoud en verlaagt de installatie- en bedrijfskosten. De CHARX-controller kan verbinding maken met maximaal 48 energiemodules. Het ondersteunt OCPP 1.6J (Core-Profile) voor communicatie met beheersystemen voor laadstations, evenals Modbus/TCP- of MQTT-communicatieprotocollen voor integratie met externe systemen en platforms.

De controller ondersteunt 16 digitale ingangen en maakt gebruik van COMBICON-connectoren voor flexibele montage en veilige verbindingen met de vermogensmodules. Een geïntegreerde, oplaadbare batterij zorgt ervoor dat het systeem tijdens stroomonderbrekingen blijft werken.

Conclusie

De CHARX-vermogensmodules en -controller van Phoenix Contact bieden veelzijdige en betrouwbare opties voor het ontwerpen van laadstations met een hoog vermogen. Dankzij de flexibiliteit en schaalbaarheid biedt het CHARX-productportfolio oplossingen voor efficiënt en kosteneffectief beheer van meerdere kasten en vermogensmodules voor verschillende oplaadtoepassingen, evenals naadloze integratie met verschillende communicatieprotocollen en externe systemen.