Делаем зарядную станцию для электромобилей из доступных промышленных компонентов

Тема электромобилей и зарядных станций — одна из моих любимых, интересуюсь ей давно и сейчас в связи с началом активного внедрения электротранспорта, получается практически участвовать в различных проектах по разработке зарядной инфраструктуры. В предыдущем обзоре (ссылка в конце публикации) были представлены основные стандарты электрозарядных станций переменного (АС) и постоянного (DC) тока и основы построения инфраструктуры для групповой зарядки. Тема заинтересовала читателей и потенциальных производителей таких станций. При этом большинство вопросов относилось к тому, как создать отдельную зарядную станцию. При этом большинство потенциальных производителей электрозарядных станций ранее не создавали такие станции и поэтому вопросов достаточно много.

В этом обзоре в сжатой форме постараюсь рассказать об основных компонентах для построения зарядной станции и представлением базовой спецификации для практической реализации. Пока не будем затрагивать мифологию, которая сложилась вокруг электромобилей и систем зарядки для них, это тема отдельного обзора. Однозначно буду признателен за вопросы в комментариях по теме электрозарядной инфраструктуры и электромобилей.

Самое главное и важное правило при создания зарядной станции — защита человека от поражения электрическим током при использовании зарядной станции!

Всем кто будет разрабатывать и производить зарядные станции, пожалуйста, распечатайте эту надпись самым крупным шрифтом и обязательно при всех действиях соблюдайте это правило.

Кратко основные стандарты электрозарядных станций

Стандартов действительно несколько и делятся они на две большие группы — зарядка переменным и постоянным током.

Здесь нужно отметить, что аккумуляторные батареи всегда заряжаются постоянным током и поэтому зарядка постоянным током предпочтительнее, чем переменным. Хотя зарядные станции переменного тока весьма просты в изготовлении и гораздо дешевле, но они не могут обеспечить электромобиль быстрой и комфортной зарядкой при росте ёмкости батарей. Почему так происходит рассмотрим в отдельной статье

Современный электромобиль и возможности его заряда

Компоненты для создания зарядной станции.

Компоненты автоматизации SIMATIC

Контроллер зарядной станции: SIMATIC ET 200SP Open Controller + ECC TM Свободно программируемые приложения.
SIMATIC Energy Meter для стандартного технического энергоучёта.
SIMATIC Energy Suite для балансировки нагрузки.
SIMATIC HMI внешняя панель оператора.
SIMATIC RFID считыватель.
SIMATIC SITOP блоки питания.

Компоненты от Siemens

Трансформаторы.
Выпрямители (АС/DC) и преобразователи (DC/DC).
PN/CAN шлюз для CHAdeMO.
Реле, контакторы, защитные аппараты.
Ethernet коммутаторы.

Прочие компоненты

Корпуса, электрошкафы.
Специальные зарядные кабели, розетки, штекера.
Внешнее оборудование для калибровки AC/DC оборудования.

Зарядная станция на основе SIMATIC общая концепция

Основная часть зарядной станции, её мозг — это программный контроллер SIMATIC.

Почему программный контроллер?

Тут всё логично, для зарядной станции необходим не только полный, непрерывный и независимый контроль процесса заряда, что может обеспечить программный контроллер SIMATIC c мощным гипервизором от SIEMENS, но и совмещение этих функций с возможностью использовать сторонние приложения (например, на C#/++) для построения бэкэнд коммуникации, например, для биллинга, идентификации пользователей, взаимодействия с другими системами.

Почему использование децентрализованных решений на основе SIMATIC ET200SP?

Это весьма комфортное и удобное решение, позволяющее создавать простые конфигурируемые решения с очень высокой степенью модульности с минимальными затратами на программирование и масштабирование и минимумом коммуникаций.

Технологические модули для зарядных систем электромобилей ТМ ECC

TM ECC используются совместно с SIMATIC ET200SP обеспечивает соответствие всем стандартам процесса заряда

Существуют два основных модуля для контроля зарядки:

TM ECC 2 x PWM 6FE1242-6TM10-0BB1.

TM ECC 2 x PWM для зарядки переменным током 6FE1242-6TM10-0BB1.

Управление 2 точками заряда AC , мощность: 11/22 кВт (макс. 43 кВт).

SIMATIC ET 200SP TM ECC PL ST 6FE1242-6TM20-0BB1.

И SIMATIC ET 200SP TM ECC PL ST для зарядки постоянным током 6FE1242-6TM20-0BB1.

Управление 1 точкой заряда DC, мощность: 50кВт, 120кВт и более в зависимости от системы заряда.

SIMATIC HMI

Высокозащищенные панели оператора уличного исполнения, позволяют использование при естественном дневном освещении с рабочим диапазоном температур от -30 до +60°C

Сетевые коммутаторы Industrial Ethernet

Широкий выбор промышленных Ethernet сетевых коммутаторов с диапазоном темп. от -30 до 60°C и защитой от IP20 до IP67 как в обычном исполнении, так и в исполнении SIPLUS Extreme.

SIMATIC RF 1060R

Поддержка стандартов ISO 15693 и ISO 14443 A/B (MIFARE)
DLL для подключения к компьютерам с Windows
Полная совместимость с PM LOGON Basic иPremium
Компактная конструкция малой толщины и гибким кабелем с подключением к USB
3-х цветная индикация спереди
Высокая степень защиты (IP65 спереди) и расширенный температурный диапазон (от -25°до+55°C)

SIMATIC ET 200SP Energy Meter

Запись всех необходимых измерений Величины: U, I, f, S, Q, P, Cos φ, φ, E. Сохранение журнала зарядки.

Важно! Предназначены для измерения переменного тока.

SIMATIC PN/CAN LINK

Шлюз для подключения через Profinet к инфраструктуре CAN, настройка в TIA Portal, дизайн в стиле SIMATIC S7-1200.

Есть различные варианты:

PN/CAN LINK
PN/BACnet LINK
PN/M-Bus LINK
PN/J1939 LINK (CAN-based)

SINAMICS DCP

SINAMICS DCP

SINAMICS DCP — специальный двунаправленный преобразователь постоянного тока DC/DC с понижением и повышением напряжения. Предназначен для систем резервного питания с аккумуляторами, систем альтернативной энергетики (например, солнечных электростанций) и систем заряда электромобилей.

Основные характеристики

6RP0010-1AA32-0AA0 — 120 кВт, 200 A при 600 В, изменение напряжения от 30В DC- 800В DC
6RP0000-0AA25-0AA0 — 30 кВт, 50 A при 600 В, изменение напряжения от 30В DC- 800В DC

Базовая архитектура DC зарядной станции

Представленная базовая архитектура DC зарядной станции показывает структуру основных компонентов и их базовые взаимосвязи для зарядной станции. Здесь необходимо отметить, что зарядная станция может иметь различные дополнения и функциональность, поэтому структура может быть расширена и дополнена, различными другими компонентами.

Спецификация для зарядной станции на 240 кВт

Эта спецификация является одним из вариантов, представленным в качестве примера. В спецификации не указано коммуникационное оборудование для валидации и идентификации, а также беспроводной коммуникации с облачными приложениями биллинга

Спецификация коммутационного оборудования

Спецификация системы управления на основе программного контроллера SIMATIC и ET200SP + коммуникация

Спецификация силовой составляющей

Важно! В силовой части в качестве выпрямителей представлены промышленные блоки питания 600В SINAMICS ALM и 7 модулей DCP, модули DCP могут работать на нагрузку параллельно, можно подключать на необходимую мощность. Сразу отвечу на вопрос, почему на станцию номинальной мощности 240 кВт предлагается 7-мы блоков DCP по 120 кВт каждый. Причина в том, что это спецификация премиум станции с очень большими возможностями по силовой части, которая работает на выходное напряжение до 920 Вольт (например если SuperCharger как у Тесла делать нужно). А при повышении напряжения выходная мощность блока падает, например, при напряжении 1000 Вольт выходная мощность будет равна нулю.

Соответственно, если проектируется станция на 600 Вольт выходного напряжения, то можно ставить и меньше блоков DCP. Как крайний вариант, можно обойтись только выпрямителем без блоков DCP.

Также нужно отметить, что силовая часть, самая дорогая и тяжёлая, по весу, часть зарядной станции. Например, каждый модуль DCP 120 кВт весит около 100 кг. В принципе мощные силовые устройства всегда дороги и много весят. В примере спецификации силовой составляющей представлен достаточно дорогой но высокофункциональный вариант с учётом использования, например, пиковых аккумуляторов. Поэтому именно силовая часть — основа для интересных решений и оптимизации стоимости зарядной станции.

Распределение стоимости в зарядной станции.

По понятным причинам у меня нет возможности представить цену компонентов и стоимость зарядной станции, но если использовать базовые доступные цены без учёта скидок и стоимости оболочки (электрошкафа), зарядного кабеля (а это весьма дорогой кабель, причем на мощности около 100 кВт и выше — требуется кабель с жидкостным охлаждением), разъемов.

То распределение стоимости в некотором приближении будет следующее: