«FastCharge», ταχυφόρτιση για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα του μέλλοντος

Ένας πρωτότυπος σταθμός φόρτισης ισχύος έως 450 kW εγκαινιάστηκε στο Jettingen-Scheppach της Βαυαρίας. Εκεί, τα ηλεκτρικά οχήματα που δημιουργήθηκαν για τις ανάγκες του project μπορούν να  φορτίζονται σε λιγότερο από τρία λεπτά για τα πρώτα 100 χιλιόμετρα αυτονομίας, ενώ για πλήρη φόρτιση απαιτούνται μόλις 15 λεπτά (10-80 % State of Charge (SOC)).

Ο νέος σταθμός φόρτισης μπορεί να χρησιμοποιείται άμεσα, δωρεάν, και είναι κατάλληλος για ηλεκτρικά μοντέλα όλων των μαρκών με την έκδοση Type 2 του ευρέως διαδεδομένου στην Ευρώπη, Συστήματος Συνδυασμένης Φόρτισης – Combined Charging System (CCS).

Πίσω από το ερευνητικό πρόγραμμα «FastCharge» βρίσκεται ένα κονσόρτσιουμ βιομηχανικών εταίρων, με επικεφαλής το BMW Group. Τα υπόλοιπα μέλη είναι: η Allego GmbH, η Phoenix Contact E-Mobility GmbH, η Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG και η Siemens AG.

Το «FastCharge» χρηματοδοτείται με το ποσό των 7,8 εκατομμυρίων ευρώ από το Ομοσπονδιακό Υπουργείο Μεταφορών και Ψηφιακών Υποδομών. Την εφαρμογή των οδηγιών χρηματοδότησης συντονίζει ο εθνικός οργανισμός για την τεχνολογία υδρογόνου και κυψελών καυσίμου – NOW GmbH (National Organisation Hydrogen and Fuel Cell Technology).

Η ταχεία και εύκολη φόρτιση θα αυξήσει την απήχηση της ηλεκτροκίνησης. Η αύξηση της δυναμικότητας φόρτισης έως 450kW (τρεις έως εννέα φορές μεγαλύτερη από αυτή που διέθεταν μέχρι σήμερα σταθμοί ταχείας φόρτισης DC) επιτρέπει σημαντική μείωση στους χρόνους φόρτισης. Το «FastCharge» διερευνά τις τεχνικές απαιτήσεις που πρέπει να πληρούν τόσο τα οχήματα όσο και η υποδομή για να μπορεί να αξιοποιηθεί η πολύ υψηλή ισχύς φόρτισης.

Πώς λειτουργεί

Τη βάση αποτελεί μία πολύ αποδοτική υποδομή φόρτισης. Το σύστημα παροχής ενέργειας της Siemens που χρησιμοποιείται στο project επιτρέπει στους ερευνητές να δοκιμάζουν τα όρια της δυναμικότητας ταχείας φόρτισης που παρουσιάζουν οι μπαταρίες οχημάτων. Μπορεί ήδη να διαχειρίζεται υψηλότερη τάση 920 volts, δηλαδή το επίπεδο που προβλέπεται για τα μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα.

Το σύστημα ενσωματώνει ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος για τα συστήματα φόρτισης αλλά και επικοινωνίας στα ηλεκτρικά οχήματα. Αυτός ο ελεγκτής φόρτισης εξασφαλίζει ότι η ισχύς προσαρμόζεται αυτόματα, ώστε διαφορετικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα να μπορούν να φορτίζονται από μία υποδομή.

Η ευέλικτη, αρθρωτή αρχιτεκτονική του συστήματος επιτρέπει την ταυτόχρονη φόρτιση αρκετών οχημάτων. Χάρη στις δυνατότητες παροχής υψηλού ρεύματος και τάσης, το σύστημα είναι κατάλληλο για αρκετές διαφορετικές εφαρμογές, όπως για λύσεις φόρτισης στόλων και φόρτιση στον αυτοκινητόδρομο.

Για τη σύνδεση του συστήματος στο δημόσιο ηλεκτρικό δίκτυο του Jettingen-Scheppach εγκαταστάθηκε ένας σταθμός φόρτισης με δύο παροχές: η μία προσφέρει μία πρωτοφανή δυναμικότητα φόρτισης έως 450 kW, ενώ η δεύτερη μπορεί να αποδίδει έως 175 kW. Και οι δύο σταθμοί φόρτισης διατίθενται τώρα δωρεάν για όλα τα οχήματα που είναι συμβατά με CCS.

Οι πρωτότυποι σταθμοί φόρτισης Allego χρησιμοποιούν τώρα την Ευρωπαϊκή έκδοση Type 2 του καθιερωμένου προτύπου φισών φόρτισης Combined Charging System (CCS). Αυτό το πρότυπο έχει ήδη αποδειχτεί επιτυχημένο σε πολλά ηλεκτρικά οχήματα και χρησιμοποιείται ευρέως σε διεθνές επίπεδο.

Για τις ανάγκες της ταχείας φόρτισης χρησιμοποιούνται ειδικά καλώδια με σύστημα ψύξης HPC (High Power Charging) της Phoenix Contact, που είναι πλήρως συμβατά με το CCS. Το υγρό ψύξης είναι ένα μίγμα νερού και γλυκόλης, φιλικό προς το περιβάλλον, που επιτρέπει στο κύκλωμα ψύξης να μην είναι ερμητικά κλειστό. Έτσι η συντήρηση είναι σχετικά εύκολη συγκριτικά με τα ερμητικά κλειστά συστήματα που χρησιμοποιούν λάδι, π.χ. ως προς τον ανεφοδιασμό με υγρό ψύξης.

Μία από τις δυσκολίες ήταν να εξασφαλιστεί ότι οι σωλήνες ψύξης στη γραμμή φόρτισης δε θα τσακίζουν όταν συνδέονται με το σταθμό φόρτισης όπως θα συνέβαινε με μία συμβατική πλεξούδα καλωδίου. Αυτό ενδεχομένως επηρέαζε τη ροή και κατ’ επέκταση την απόδοση ψύξης.

Το πρόβλημα έλυσε η Phoenix Contact μέσω ενός ειδικά σχεδιασμένου επιτοίχιου αγωγού με προκαθορισμένες διεπαφές για μεταφορά ισχύος, επικοινωνία και ψύξη, καθώς και με ένα ενσωματωμένο σύστημα αποφόρτισης μηχανικών τάσεων.

Πόσο διαρκεί η φόρτιση

Ανάλογα με το μοντέλο, ο νέος σταθμός ταχείας φόρτισης μπορεί να χρησιμοποιείται για οχήματα με συστήματα μπαταρίας 400 V και 800 V. Η δυναμικότητα φόρτισης προσαρμόζεται αυτόματα στη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ φόρτισης από πλευράς αυτοκινήτου.

Ο χρόνος που εξοικονομείται σαν αποτέλεσμα της αυξημένης ισχύος φόρτισης φαίνεται στο παράδειγμα του πειραματικού BMW i3. Μία διαδικασία φόρτισης 10-80 % SOC διαρκεί μόλις 15 λεπτά για τη μπαταρία υψηλής τάσης των 57 kWh. Αυτό επιτυγχάνεται από πλευράς αυτοκινήτου μέσω μιας ειδικά σχεδιασμένης μπαταρίας υψηλής τάσης, σε συνδυασμό με μία έξυπνη στρατηγική φόρτισης, η οποία περιλαμβάνει ακριβή θερμοκρασιακή προετοιμασία της μπαταρίας στο ξεκίνημα της φόρτισης, διαχείριση θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και ένα άριστα συντονισμένο προφίλ φόρτισης με την πάροδο του χρόνου.

Η φόρτιση γίνεται μέσω του προηγμένου δικτύου πολλαπλών τάσεων του οχήματος, με τη βοήθεια ενός μετατροπέα υψηλής τάσης DC/DC(HV-DC/DC), ώστε να μετατρέπονται τα απαιτούμενα 800V υψηλής τάσης του σταθμού φόρτισης στα 400V που απαιτεί το σύστημα του πειραματικού BMW i3.

Το σύστημα HV-DC/DC έχει και δυνατότητα αντιστροφής, για φόρτιση τόσο σε παλιούς όσο και σε μελλοντικούς σταθμούς φόρτισης. Βασικός παράγοντας για την εξασφάλιση αξιόπιστης λειτουργίας είναι η ασφαλής επικοινωνία μεταξύ οχήματος και σταθμού φόρτισης. Γι’ αυτό, θέματα προτυποποίησης που σχετίζονται με διαλειτουργικότητα διερευνώνται και υποβάλλονται στις σχετικές Αρχές.

Η Porsche του ερευνητικού προγράμματος με καθαρή χωρητικότητα μπαταρίας 90 kWh απολαμβάνει ισχύ φόρτισης πάνω από 400 kW, επιτρέποντας χρόνους φόρτισης μικρότερους των τριών λεπτών για τα πρώτα 100 km αυτονομίας.

Νίκος Τσάδαρης