Nikola si s Teslou rozumí: rychlonabíjecí stanice pro elektromobily – hardware nebo služba?

Elektromobilita je obor starý více jak 100 let – první elektromobily byly zkoušeny na přelomu 19. a 20. století – přesto se o ní v posledních letech mluví jako o spotřebiči efektivního a ekologického zdroje energie – elektřiny.

I přes nesporné výhody elektromobilů, jako je elegantní regulace výkonu, snížení údržbovosti, úžasné dynamické vlastnosti a jízdní pohodlí, nikdy nevytlačily vozidla se spalovacími motory. Je to mimo jiné (nebo hlavně) díky akumulátorům el. energie – bateriím – a jejich nabíjení, které trvá podstatně déle a je komplikovanější, než natankování u benzínové pumpy.

Novému přístupu k rychlému nabíjení elektromobilů, bez použití účastnických čipů, registrací plateb předem a podobných omezení, se věnuje tento článek. Nový systém nabíjení Nikola-Polyfazer, pojatý především jako „služba“, představuje stejnou změnu v nabíjení elektromobilů, jakou byl např. prodej letenek přes internet nebo nákup jízdenek pomocí SMS.

Co se týče sítě nabíjecích stanic, aktuální situace v České republice není růžová, ale zdaleka ne beznadějná. Velcí hráči se jen velmi pomalu probouzejí ze zimního spánku a pečlivě plánují rozvoj své infrastruktury a strategicky rozšiřují své sítě dobíjecích stanic tempem zdaleka ne překotným.

Naštěstí vlna elektromobility vedla a zajisté i nadále povede privátní investory z různých více či méně příbuzných oborů k rozhodnutím investovat do výstavby vlastních dobíječek a přispět tak k rozvoji elektromobility v České republice.

Hlavním tématem vždy byla denzita (hustota), nebo chcete-li pokrytí území našeho státu smysluplnou sítí tak, aby řidiči necestovali ve stresu, zda jim nedojde energie zrovna v oblasti, kde žádná příležitost k dobití vozu není.

Pokud říkáme smysluplná síť, tak máme na mysli nejenom vhodnou a strategickou polohu nabíječky, ale zejména i množství a typy dobíjecích zásuvek a technologicky maximální elektrický výkon.

Nemá totiž žádný význam postavit AC nabíječku s omezeným výkonem – z důvodu omezeného pohotovostního výkonu – u dálnice nebo na frekventovaných lokalitách. Tudy cesta nevede. Nabíječe 22 kW AC jsou vhodným řešením pro hotely a zábavní centra, ne však na hlavní dopravní tahy, kdy klíčovým parametrem musí být výkon, respektive rychlost dobíjení.

Tato řešení jsou investičně velmi náročná, proto potřebují pečlivý přístup a rozvážné plánování s důrazem na celistvost a kompaktnost celé sítě. Budování kvalitní nabíjecí infrastruktury je poměrně komplexní záležitostí a je tudíž zapotřebí našim „mecenášům“ maximálně pomoci.

Jedná se o mecenáše v pravém slova smyslu, neboť objem obchodu s elektrickou energií určenou pro pohon elektromobilu se zatím pohybuje v řádech, které nepokryjí ani vzniklé investiční náklady a existence dobíjecí stanice je otázkou spíše doplnění portfolia služeb na místech, kde primárním zdrojem zisku jsou zcela jiné aktivity.

Vysoká marže z nuly bude pořád jenom nula, a když k tomu přičteme další komplikace, tak je s podivem, že zde vůbec nějaké soukromé nabíjecí stanice vznikají.

K významnému posunu nyní dochází díky pražským firmám QMX s.r.o. a PEG spol. s r.o., které spojily své síly a pustily se do vývoje ryze českého produktu. Snaží se tak vyplnit díru na trhu, kde prozatím dominují drahé zahraniční výrobky bez smysluplné uživatelské podpory.

Firmy QMX a PEG ve svých oborech dokázaly za poměrně krátký čas navrhnout komplexní řešení pro budování jak individuálních nabíjecích míst, tak i rozsáhlých sítí určených pro dobíjení elektromobilů. Domácí produkce má kromě ceny také pozitivní dopad na flexibilitu dodávek, rychlost a operativnost servisu a dostupnost náhradních dílů.

Největší přidanou hodnotou však je, že zákazník v ceně automaticky dostává i networking a systémový dohled s webovým portálem umožňující správu a monitoring jeho sítě. Softwarové řešení podporuje celou řadu průmyslových standardů a je tudíž bezproblémově integrovatelné do větších celků a agregačních sítí.

Zakoupenou nabíječku lze též zakomponovat do již existujících projektů a umožnit tak plynulý přechod (upgrade) od pomalého AC dobíjení k rychlému a efektivnějšímu DC dobíjení, což je případ některých stávajících operátorů.

Uživatel pak ocení příjemné a pohodlné prostředí, pomocí něhož vyhledá, zarezervuje a obslouží nabíjení svého vozu bez nutnosti nepohodlných čipů, kreditů či registrací.

Zajímavostí je i to, jak autoři projektu uchopili otázku designu. Vzhledem k tomu, že obal prodává, bylo zapotřebí zapracovat i v této oblasti. Na vývoji outdoor jednotky spolupracovali s přední českou designérkou Annou Marešovou, která odvedla bravurní práci a představila čistý a funkcionalistický design prostý jakýchkoli nevzhledných ovládacích prvků a displejů. Díky nadčasovému a neotřelému vzhledu zaujme venkovní jednotka s nabíjecími „pistolemi“ na první pohled.

Právě ovládání a monitoring byly přesunuty na obrazovky chytrých telefonů. Protože jednoduchost a spolehlivost spolu úzce souvisí, odstraněním displejů a ovládacích prvků autoři projektu eliminovali veškeré potenciální zdroje poruch.

Nový produkt nese poetické jméno Nikola. Tento název pochází z řeckého „niké“, což znamená vítězství. Cíleně nám však asociuje souvislost se srbským vynálezcem a velkým propagátorem střídavého proudu Nikolou Teslou.

Základní koncepcí nabíjecího zařízení jsou oddělená výkonová jednotka nabíječe a samostatná vnější účastnická jednotka. Návrh se nechal inspirovat konceptem zahraničních Superchargerů, kde okolí parkovacích míst určených pro dobíjení, nehyzdí žádné nevzhledné krabice zlověstně funící horký vzduch s nepochopitelnou změtí tlačítek a čteček identifikačních čipů.

Právě eliminace RFID karet představuje převratnou myšlenku a byla jedním z hlavních požadavků na vývoj nového systému. Veškerá identifikace uživatele, ovládaní a platba probíhá prostřednictvím aplikace pro chytrý telefon. Už žádné smlouvy ani čipy a hlavně – žádné platby předem.

Nikola nabízí oba dva běžné silové standardy pro DC nabíjení. Klasický CHAdeMO a modernější CCS Combo. Kabely jsou integrovány do vnější jednotky a tvoří s ní jeden celek. Dle požadavků zákazníka je možné umožnit nabíjení až dvou elektromobilů u jednoho stojanu se součtovým výkonem až 200 kW! (V případě dvou přípojek standardu CCS Combo)

Kvalitní hardware systému Nikola bylo třeba doplnit propracovaným softwarem. Komunikační báze a celý backend pracují v cloudu. Controlpanel v podobě webového portálu je dostupný odkudkoliv, komukoliv a kdykoliv. Ovládací platformou je systém Polyfazer, který figuruje jako CPO (Charge Point Operator).

Díky cloudu je zajištěna možnost škálování systému jak horizontálně tak vertikálně a zároveň je zajištěn nepřetržitý monitoring a dostupnost systémů 99 % (SLA). Možnost integrace zákaznických dobíječek do vyšších celků mají pak na starosti implementované protokoly OCPI, OICP a OCHP.

Vše výše uvedené dělá z Nikoly ideální prostředek, jak začít s budováním budoucnosti, jak začít s něčím co přináší dobrý pocit. Úspory finančních prostředků jsou předzvěstí toho, že děláme něco pro sebe a pro naši planetu.

Silová část rychlonabíjecí stanice je produktem firmy PEG spol. s r.o., která stanici vyvinula, vyrábí a dodává. Vývoj vycházel z několika základních požadavků, které lze shrnout do následujících bodů:

• Možnost rychlého stejnosměrného nabíjení nejběžnějšími standardy CHAdeMO a CCS Typ 2
• Vysoká účinnost stanice při vysoké provozní spolehlivosti
• Snadná instalace a servisovatelnost stanice
• Možnost vzdáleného dohledu a monitoringu poruch
• Vzdálená aktualizace firmware a přechod na vyšší verze nabíjecích standardů
• Výstupní výkon 50 kW pro standard CHAdeMO při maximálním dosažitelném napětí 500 V DC
• Výstupní výkon 50-100 kW pro standard CCS Typ 2 při maximálním dosažitelném napětí 500 V DC
• Dostatečná mechanická odolnost proti úmyslnému poškození
• Vysoký rozsah provozních teplot a odolnost proti povětrnostním vlivům

Dosažení uvedených vlastností je do značné míry determinováno zvolenou koncepcí rychlonabíjecí stanice. Požadavek na galvanické oddělení výstupního napětí od napájecí sítě a poměrně vysoký požadovaný výkon vede k volbě mezi dvěma základními koncepcemi výkonové části nabíjecí stanice.

První z nich je paralelní řazení galvanicky oddělených spínaných zdrojů, druhou pak galvanické oddělení síťovým transformátorem, usměrnění a následná regulace výstupních veličin stejnosměrným pulzním měničem.

Koncepce rychlonabíjecí stanice

Rychlonabíjecí stanice firmy PEG využívá uspořádání se síťovým transformátorem v kombinaci se vstupním dvanáctipulzním usměrňovačem a výstupním stejnosměrným pulzním měničem. Blokové schéma výkonové části stanice je znázorněno na obrázku.

Vstupní střídavé napětí je po průchodu odrušovacím filtrem galvanicky odděleno třívinuťovým síťovým transformátorem se zvýšeným rozptylem. K získání stejnosměrného napětí pro meziobvod pulzního měniče je využito neřízeného dvanáctipulzního usměrňovače v sériovém zapojení.

Použití dvanáctipulzního usměrňovače eliminuje hlavní nevýhodu zvolené koncepce, kterou jsou harmonické vstupní proudy. Tyto proudy jsou s využitím dvanáctipulzního zapojení usměrňovače potlačeny na velikost umožňující splnit EMC normy.

Sériové zapojení usměrňovačů ve spojení se zvýšeným rozptylem transformátoru zajišťuje rovnoměrnost rozdělení fázových proudů včetně jejich harmonických složek. Zvýšený rozptyl transformátoru nahrazující vstupní indukčnost současně vede ke zvýšení celkové účinnosti zařízení.

Spojením uvedeného řešení a vstupního odrušovacího filtru je zajištěna elektrická kompatibilita v celém rozsahu frekvencí. Nabíjecí stanice splňuje normu IEC 61000-6-3 ve třídě B, lze ji proto použít i v obytných a komerčních prostorech.

U rychlonabíjecích stanic do výkonu 60 kW jsou všechny komponenty včetně silového transformátoru umístěny v jedné rozváděčové skříni o rozměrech 2000 x 800 x 600 mm (v x š x h). Skříň je určena pro venkovní prostředí s krytím vždy minimálně IP 54.

Skříň vybavená zámkem dveří je díky absenci ovládacích a signalizačních prvků maximálně odolná proti úmyslnému poškození v případě instalace na veřejně přístupných místech. Jediným vnějším prvkem skříně je střešní ventilátor, zajišťující cirkulaci chladícího vzduchu.

U stanic o výkonu nad 60 kW je napájecí transformátor umisťován vně rozváděčové skříně v samostatném plechovém krytu. Výstupní výkon rychlonabíjecí stanice lze softwarově řídit v celém rozsahu typového výkonu a to i vzdáleně on-line.

To umožnuje přizpůsobení stanice výkonové kapacitě silového přívodu. V případě více instalovaných nabíjecích stanic je pak možné okamžité optimální rozdělení výkonové kapacity přívodu mezi aktuálně používané stanice.

Silové výstupní kabely s konektory CHAdeMO a CCS Typ 2 je možné instalovat přímo na rozváděčovou skříň. Ve větší míře se však předpokládá využití samostatných designových stojanů Nikola, které zvyšují variabilitu umístění nabíjecích pozic.

Konektor CHAdeMO umožňuje nabíjet maximálním stejnosměrným proudem 125A. Na tento proud je rychlonabíjecí stanice vždy dimenzována.

Díky tomu je tak i při nejnižším typovém výkonu stanice 50kW dodáván maximální možný výkon do elektromobilů vybavených konektorem CHAdeMO, a to až do výstupního napětí 400V, což pokrývá drtivou většinu aktuálně vyráběných elektromobilů, včetně elektromobilů Tesla.

Při vyšších hladinách výstupního napětí je stanicí přes konektor CHAdeMO dodáván maximální výkon 50 kW. Nabíjecí stanice plně podporuje mimo jiné i nabíjení vozidel Tesla přes rozhraní CHAdeMO s využitím příslušného adaptéru.

Konektor CCS Typ 2 umožňuje nabíjet maximálním stejnosměrným proudem až 200 A. Rychlonabíjecí stanice PEG jsou proto jednoduše konfigurovatelné a lze je dodat se zvýšeným výstupním výkonem ze standardních 50 kW až na 100 kW.

Takový výkon využívá při nejvyšším výstupním napětí 500 V konektor CCS Typ 2 v maximální možné míře. V jeden okamžik je možné nabíjet vždy pouze jedním výstupním konektorem. Přepínání výstupů je řešeno bezkontaktně tyristory.

Zvolená koncepce s transformátorem pracujícím na síťové frekvenci umožňuje naplnit všechny základní požadavky vytyčené při vývoji, navíc oproti koncepci se spínanými zdroji vyniká vyšší účinností a spolehlivostí danou výrazně nižším počtem elektronických prvků.

Účinnost stanice jako celku, tj. včetně napájení pomocných obvodů a řídícího PLC dosahuje 97 % při jmenovitém výstupním výkonu. Při odběru více než 50 % jmenovitého výkonu se účinnost drží nad 96 %.

Vstupní účiník Cos ϕ se vždy pohybuje v distributory tolerovaném pásmu odběru induktivní jalové energie 0,97 – 0,99, tzn. pro velkoodběry není potřeba dodatečná kompenzace jalového výkonu.

V případě zástavby transformátoru do rozváděčové skříně jsou rozměry nabíjecí stanice shodné s obdobnými stanicemi se spínanými zdroji, vyšší je pouze hmotnost stanice způsobená váhou transformátoru.

Ztrátového tepla transformátoru naprázdno je s výhodou využíváno pro temperování skříně ve venkovním prostředí při nízkých teplotách. Rychlonabíjecí stanice PEG je schopna pracovat při okolních teplotách v rozsahu -20 °C až +40 °C. Při vyšších teplotách je plynule omezován maximální dodávaný výkon.

Vzdálená správa rychlonabíjecí stanice

Pro zajištění maximální využitelné doby provozu je rychlonabíjecí stanice vybavena systémem vzdálené správy, který zajišťuje její nepřetržitý monitoring. V případě poruchy je okamžitě upozorněn dispečink firmy PEG, který pomocí podpůrných softwarových nástrojů analyzuje přenesené záznamy dat z okamžiku poruchy a umožní tak rychlé a cílené odstranění poruchy.

Pomocí vzdálené správy je možné kdykoliv aktualizovat kompletní firmware rychlonabíjecí stanice. Tímto způsobem je možné operativně reagovat na aktualizace nabíjecích standardů, případně zvyšovat uživatelský komfort implementací nových funkcí.

Výrobcem regulačního a komunikačního software i kompletního hardware, včetně řídících mikroprocesorových a komunikačních desek, silové vstupní a výstupní části je firma PEG spol. s r.o.

Použitý, nově vyvinutý regulátor PEG ReDex I. je založen na nejnovějších signálových procesorech řady CM408 z produkce firmy Analog Devices, vybavených jádrem ARM Cortex M4 umožňujícím zrychlený vývoj případných modifikací firmwaru nabíjecí stanice. Tuzemská výroba a vývoj rychlonabíjecí stanice je zárukou dostupnosti všech potřebných náhradních dílů a rychlého servisu.

Závěrem

Mít možnost si snadno, pohodlně a bezproblémově dobít svůj elektromobil je pro jejich vlastníky klíčovým prvkem nerušeného využívání v běžném pracovním životě i při cestování za odpočinkem.

Nejenom hustota a úroveň nabíjecích stanic, ale i rozsah variant, jak za odebranou energii platit, jsou právě těmi atributy, které mají zásadní vliv na rozvoj elektromobility ve společnosti.

Předchozí řádky naznačují jednu z cest, jak zmiňovanému rozvoji pomoci a případným zájemcům ukázat směr, kterým se vydat.

Přijďte nás navštívit!

Zveme vás k návštěvě našeho stánku na veletrhu Amper (hala F, stánek 1.11.), kde si můžete naši rychlonabíjecí stanici Nikolu prohlédnout a vyzkoušet naživo. A rádi vám odpovíme na všechny vaše otázky.