Aufbau einer modularen DC-Schnellladestation

Eine DC-Schnellladestation aufzubauen, erfordert normalerweise entsprechendes Know-how und ist mit hohen Kosten verbunden. Vorkonfigurierte und skalierbare Module für die 19“-Rack-Montage schaffen jetzt Abhilfe, da sie eine schnelle Inbetriebnahme bei geringen Systemkosten ermöglichen.

Neue Module für die 19“-Rack-Montage von Phoenix Contact reduzieren die Komplexität und vereinfachen den Designprozess, sodass auch Branchenneulinge am Markt für Ladeinfrastruktur partizipieren können. Mithilfe des Verteilermoduls, der Leistungsmodule sowie des Steuermoduls, kann eine DC-Schnell­ladestation in kurzer Zeit aufgebaut werden (Bild 1).

Die DC-Schnellladestation »für jedermann«

Die Entwicklung und der Aufbau einer DC-Schnellladestation gemäß dem internationalen Standard IEC 61851 stellt Marktteilnehmer vor Hürden. Neben einer hohen Expertise ist viel Zeit erforderlich, um Erfahrung in diesem Bereich aufzubauen. Insbesondere bei Kleinserien oder Produktanläufen ist dieser initiale Aufwand nicht kostendeckend.

Das modulare 19“-System »Charx« von Phoenix Contact soll eine schnelle Time-to-Market ermöglichen, ohne auf ein individuelles Design zu verzichten. Es bietet zudem eine schnelle Montage sowie Wartungs- und Reparaturmöglichkeiten durch den einfachen Austausch einzelner Module. Die Ladeleistung kann sowohl vorab skaliert als auch nachträglich gesteigert oder reduziert werden (Bild 2).

Im Vergleich zur klassischen Bestückung mit Tragschienenkomponenten reduziert der modulare Aufbau die Verdrahtungs­arbeiten und Fehleranfälligkeit einer DC-Ladesäule. Die Schnellanschlusstechnik, die RJ45-Kommunikationsschnittstellen und das etablierte 19“-Standardmaß ermöglichen einen schnellen Einbau und Austausch der Module sowie ein breites Angebot an Montagematerial. Verbindungskabel müssen lediglich abisoliert werden.

Beide Faktoren sparen System- und Montagekosten. Der Aufbau einer voll funktionsfähigen Ladestation gelingt so in kurzer Zeit. Vergleichbare Leistungsmodule erfordern hingegen eine herstellerspezifische Konfektionierung von Leitungen und variieren beim Bauraum. Ähnliche Module zur Absicherung, Steuerung oder Überwachung der Ladestation sucht man bisher vergeblich. Vom Design und Entwicklung über die Installation und Verdrahtung bis zur Wartung der Schnell­ladestationen werden somit alle Prozesse beschleunigt und optimiert.

Die 19“-Module des Systems im Detail

Das Portfolio des Systems »Charx« im 19“-Format umfasst Leistungsmodule 30 kW als AC/DC- oder DC/DC-Variante, eine Leistungssteuereinheit sowie eine AC-Verteilereinheit.

Die Leistungsmodule haben einen Wirkungsgrad von bis zu 96 % und eine konstante Ausgangskennlinie in einem Spannungsbereich von 150 … 1000 V. Die Leistungsmodule sind durch die galvanische Isolation sowie die Möglichkeit, bis zu 48 Module parallel zu schalten, flexibel einsetzbar. Das ermöglicht Ladeleistungen bis zu 1,5 MW. Insbesondere große Fahrzeugbatterien, z. B. bei Nutzfahrzeugen, erfordern Ladeleistungen in dieser Größenordnung. Zur direkten Anbindung an Solaranlagen ist die Variante mit DC-Eingang mit einer Maximum-Power-Point-Tracking-Software ausgestattet und erspart weitere Komponenten (Bild 3). Leistungsmodule in dieser Leistungsklasse eignen sich auch für andere Anwendungsbereiche, z. B. für lokale Batteriespeicher zum Auffangen von Lastspitzen oder zur Notstromversorgung, Elektrolyseanlagen zur Gewinnung von Wasserstoff sowie DC-Netze zur Vermeidung von Wandlungsverlusten.

Mithilfe des Verteilermoduls und des Leistungssteuermoduls lässt sich der gesamte Leistungsfluss vom Netz bis ins Fahrzeug mit Modulen im 19“-Format aufbauen. Dabei verteilt das AC-Verteilmodul die AC-Leistung aus dem Netz auf bis zu fünf Leistungsmodule. Die erzeugte DC-Leistung wird im Leistungssteuermodul gesammelt und ans Fahrzeug übergeben.

Das Verteilermodul versorgt alle Komponenten in der Ladesäule mit AC-Netzstrom. Ein integrierter Überspannungsschutz, Sicherungsautomaten sowie ein Überhitzungsschutz sorgen für die Sicherheit aller nachgeschalteten Module und Leitungen. Somit kann man auch für die AC-Verteilung auf die Montage einer Hutschiene verzichten.

Das Leistungssteuermodul besteht unter anderem aus Ladesteuerung, Mobilfunkmodem, Isolationsüberwachung, Leistungsschützen und Sicherung. Es vereint in einem Gerät von 19“ und 3 HE die notwendigen Funktionen, um Leistungsmodule zu steuern und den Ladeprozess zu überwachen. Zur einfachen Systemintegration und zum Fernzugriff bietet es die Kommunikationsschnittstellen TCP/IP, RS-485, CAN-Bus und I/Os. Die Temperaturmessung an mehreren Stellen ist ebenso möglich wie die Versorgung und Steuerung externer Lüfter zum Kühlen der Ladestation. Die eingesetzte Ladesteuerung ist vorkonfiguriert, sodass unmittelbar nach dem Abschluss der Montage ein Ladevorgang mit Basisfunktionalitäten gestartet werden kann. Man kann unmittelbar mit dem System- und Temperaturtest der Ladesäule beginnen.

Das Leistungssteuermodul managt bis zu fünf Leistungsmodule mit je 30 kW, was Ladeleistungen von bis zu 150 kW mit einem Ladestrom von maximal 500 A ermöglicht.

Fazit

Bisher konnten Anbieter von Ladeinfrastruktur einzelne Komponenten oder eine vollständige Ladestation auf dem Markt erwerben. Die Realisierung individueller Anforderungen ist so nur mit beträchtlichem Aufwand oder ggf. nicht möglich. Das modulare 19“-System »Charx« füllt diese Lücke.

Die Module ermöglichen den Aufbau einer DC-Schnellladestation, ohne Grenzen beim Design zu setzen. Die Vorteile sind eine schnelle Installation, der geringe Bauraum und die skalierbare Ladeleistung. Zukünftig wird das System um weitere Module erweitert, die den Aufbau einer batteriegepufferten Ladestation ermöglichen, um DC-Schnellladen auch unabhängig von der örtlichen Infrastruktur ermöglichen zu können.

Autor

Eduard Hartmann, M.Sc., Product Marketing, High Power Systems, Phoenix Contact Power Supplies GmbH
Quelle und Bildquelle: www.elektro.net