Nikola si s Teslou rozumí. Rychlonabíjecí stanice pro elektromobily – hardware, nebo služba?

Elektromobilita je obor starý více než 100 let – první elektromobily byly zkoušeny na přelomu 19. a 20. století – přesto se o ní v posledních několika letech mluví jako o spotřebiči efektivního a ekologického zdroje energie – elektřiny. I přes nesporné výhody elektromobilů, jakými jsou elegantní regulace výkonu, snížení údržbovosti, úžasné dynamické vlastnosti a jízdní pohodlí, nikdy nevytlačily vozidla se spalovacími motory. Je to mimo jiné (nebo hlavně) z důvodu použití akumulátorů elektrické energie – bateriím a jejich nabíjení. To trvá podstatně déle a je komplikovanější než tankování u benzinové 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, jako byl např. prodej letenek prostřednictvím internetu 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.

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

Hlavním tématem vždy byla denzita (hustota) neboli 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.

Označením smysluplná síť se zde myslí nejenom vhodná a strategická poloha nabíječky, ale zejména množství a typy dobíjecích zásuvek a prakticky dostupný výkon. Nemá totiž žádný význam postavit AC nabíječku s omezeným výkonem – z důvodu omezeného pohotovostního výkonu – u dálnice nebo ve frekventovaných lokalitách. Tudy cesta nevede. Nabíječe 22 kW AC jsou vhodným řešením pro hotely a zábavní centra, ne však na hlavní dopravní tahy, kde rozhodujícím parametrem musí být výkon, popř. 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. Jde 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 souboru služeb na místech, kde primárním zdrojem zisku jsou zcela jiné aktivity. Vysoká marže z nuly bude pořád jenom nula, a když se k tomu přičtou další komplikace, je s podivem, že zde vůbec nějaké soukromé nabíjecí stanice vznikají.

Obr. 1. Vnější design nabíjecí stanice

Významný posun nyní nastává 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 k dobíjení elektromobilů. Domácí produkce má kromě ceny pozitivní dopad také na flexibilitu dodávek, rychlost a operativnost servisu a dostupnost náhradních dílů.

Největší přidanou hodnotou však je, že zákazník v ceně automaticky dostává i tzv. 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 současných operátorů. Uživatel ocení příjemné a pohodlné prostředí, pomocí něhož vyhledá, zarezervuje a obslouží nabíjení svého vozu bez nutnosti použít nepohodlné čipy, kredity či registrace.

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 outdoorové jednotky spolupracovali s přední českou designérkou Annou Marešovou, která odvedla bravurní práci a představila čistý a funkcionalistický design prostý jakýchkoliv nevzhledných ovládacích prvků a displejů. Díky nadčasovému a neotřelému vzhledu venkovní jednotka s nabíjecími „pistolemi“ zaujme na první pohled (obr. 1).

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

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

Základní koncepcí nabíjecího zařízení je oddělená výkonová jednotka nabíječe a samostatná vnější účastnická jednotka. Návrh byl inspirován konceptem 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, ovládání a platba probíhají prostřednictvím aplikace pro chytrý telefon. Už žádné smlouvy ani čipy, a hlavně žádné platby předem.

Nikola disponuje oběma běžnými silovými standardy pro DC nabíjení: klasickým CHAdeMO a modernějším CCS Combo. Kabely jsou integrovány do vnější jednotky a tvoří s ní jeden celek. Podle požadavků zákazníka lze 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 tzv. backend (systémová, technická podpora) 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 integrovat zákaznické dobíječky do vyšších celků mají na starosti implementované protokoly OCPI, OICP a OCHP.

Vše uvedené dělá z Nikoly ideální prostředek pro to, jak začít s budováním budoucnosti, začít s něčím, co poskytuje 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 těchto 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 firmwaru a přechod na vyšší verze nabíjecích standardů,
• výstupní výkon 50 kW pro standard CHAdeMO při maximálním dosažitelném napětí 500 V DC,
• výstupní výkon 50 až 100 kW pro standard CCS typ 2 při maximálním dosažitelném napětí 500 V DC,
• dostatečná mechanická odolnost proti úmyslnému poškození,
• velký 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 velký požadovaný výkon vedou k volbě mezi dvěma základními koncepcemi výkonové části nabíjecí stanice. První z nich je paralelní řazení galvanicky oddělených spínaných zdrojů, druhou 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 obr. 2.

Obr. 2. Základní schéma systému

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 využit neřízený dvanáctipulzní usměrňovač 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 požadavky normy 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 2 000 × 800 × × 600 mm (v × š × h). Skříň je určena pro venkovní prostředí s krytím vždy minimálně IP54. Skříň vybavená zámkem dveří je díky absenci ovládacích a signalizačních prvků maximálně odolná proti úmyslnému poškození při instalaci na veřejně přístupných místech. Jediným vnějším prvkem skříně je střešní ventilátor, zajišťující cirkulaci chladicího 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 umožňuje přizpůsobit stanici výkonové kapacitě silového přívodu. V případě více instalovaných nabíjecích stanic je možné okamžitě optimálně rozdělit výkonovou kapacitu přívodu mezi aktuálně používané stanice.

Silové výstupní kabely s konektory CHAdeMO a CCS typ 2 lze 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 125 A. Na tento proud je rychlonabíjecí stanice vždy dimenzována. Díky tomu je i při nejnižším typovém výkonu stanice 50 kW dodáván maximální možný výkon do elektromobilů vybavených konektorem CHAdeMO, a to až do výstupního napětí 400 V, což pokrývá převážnou 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 z běžných 50 kW až na 100 kW. Takový výkon využívá při nejvyšším výstupním napětí 500 V konektor CCS typ 2 v maximální možné míře.

Jeden nabíjecí stojan může být napájen z jedné nebo ze dvou rychlonabíjecích stanic PEG. Výstupní výkon stojanu je dán součtem výkonů připojených stanic. Přepínání výstupů je řešeno bezkontaktně tyristory.

Obr. 3. Pohled do odkrytované nabíječky

Zvolená koncepce s transformátorem pracujícím na síťové frekvenci umožňuje splnit všechny základní požadavky vytyčené při vývoji, navíc oproti koncepci se spínanými zdroji vyniká vyšší účinností a spolehlivostí, danou výrazně menším počtem elektronických prvků. Účinnost stanice jako celku, tj. včetně napájení pomocných obvodů a řídicího 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 indukční jalové energie 0,97 až 0,99, tzn. že pro velkoodběry není třeba dodatečná kompenzace jalového výkonu. Při zástavbě transformátoru do rozváděčové skříně jsou rozměry nabíjecí stanice shodné s rozměry obdobných stanic se spínanými zdroji, větší je pouze hmotnost stanice, způsobená hmotností transformátoru. Ztrátové teplo transformátoru naprázdno je s výhodou využíváno k temperování skříně ve venkovním prostředí při nízkých teplotách. Rychlonabíjecí stanice PEG je schopna pracovat při okolních teplotách v rozsahu –20 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 nepřetržité monitorování. Při poruše je okamžitě upozorněn dispečink firmy PEG, který pomocí podpůrných softwarových nástrojů analyzuje přenesené záznamy dat z okamžiku poruchy, a umožní tak její rychlé a cílené odstranění.

Prostřednictvím vzdálené správy je možné kdykoliv aktualizovat kompletní firmware rychlonabíjecí stanice. Tak lze operativně reagovat na aktualizace nabíjecích standardů, popř. zlepšovat uživatelský komfort implementací nových funkcí.

Výrobcem regulačního a komunikačního softwaru i kompletního hardwaru, včetně řídicích 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, jež umožňuje zrychlený vývoj případných modifikací firmwaru nabíjecí stanice. Tuzemská výroba a vývoj rychlonabíjecí stanice jsou zárukou dostupnosti všech potřebných náhradních dílů a rychlého servisu.

Závěrem

Mít možnost si snadno, pohodlně a bezproblémově dobít svůj elektromobil je pro jejich vlastníky nejdůležitějším 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 ty 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.

www.peg.cz 
www.nikola-evc.cz
www.polyfazer.com/cs

---

QMX a PEG jsou partnerem konference Perspektivy e-mobility IX, kterou pořádá FCC PUBLIC jako součást doprovodného programu veletrhu AMPER 2017. Přijďte se mimo jiné podívat na prezentaci Zbrusu nový DC nabíječ NIKOLA v síti Polyfazer, kterou představí autoři článku Jakub Jedlička a Ing. David Havelka, Ph.D.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 3/2017 na straně 82. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.