Precision Measuring Technology For High-Power Charging

Precyzyjna technologia pomiarowa do ładowania o dużej mocy. Źródło zdjęcia: Porsche AG

Precision Measuring Technology For High-Power Charging

Stacje ładowania prądem stałym mogą naładować samochód elektryczny w zaledwie kilka minut. Ponieważ jednak do niedawna nie istniały mierniki zgodne z przepisami dotyczącymi kalibracji, Porsche Engineering wypełniło tę lukę.

Jeśli lubisz sportową jazdę, nie lubisz długich postojów na ładowanie. Dlatego ładowanie Porsche Taycan do 100 kilometrów zasięgu NEDC powinno zająć nie więcej niż około czterech minut. Naturalnie, kupując pojazd elektryczny, oczekujesz istnienia infrastruktury do ładowania o dużej mocy.

Porsche Charging Stations – Image Credit: Porsche AG

Publicznie dostępne obecnie w Niemczech stacje ładowania pojazdów elektrycznych dostarczają głównie prąd zmienny (AC) o stosunkowo niskiej mocy ładowania. Pełne naładowanie akumulatora pojazdu zajmuje kilka godzin. Stacje ładowania prądem stałym (DC), o mocy wyjściowej do 350 kilowatów, są znacznie szybsze, dzięki czemu zyskały przydomek "ładowarek dużej mocy". Naładowanie samochodu sportowego, takiego jak Taycan, na kolejne 100 kilometrów na jednej z takich stacji zajmie naprawdę tylko kilka minut.

Dodajmy do tego, że do tej pory nie istniała żadna technologia pomiarowa, która byłaby zgodna z przepisami dotyczącymi kalibracji. Nie istniał prawnie zatwierdzony sposób pomiaru energii elektrycznej zużywanej podczas ładowania. Zgodne pomiary wymagają oceny zgodności i zatwierdzenia przez PTB, niemiecki krajowy instytut metrologiczny. PTB kontroluje systemy technologiczne, aby ocenić, czy są one zgodne z różnymi niemieckimi przepisami dotyczącymi pomiarów i kalibracji. Ponieważ certyfikowane ładowarki dużej mocy DC nie istniały, a ich dostępność w momencie premiery Taycana była niepewna, specjaliści z Porsche Engineering sami je opracowali: Ich Porsche DC Energy Meter to certyfikowany miernik dla systemów ładowania prądem stałym o mocy do 350 kilowatów. Stanowi on podstawę do zbudowania infrastruktury ładowania o dużej mocy na czas przed premierą Taycana.

"Stanęliśmy przed nie lada wyzwaniem - musieliśmy zaprojektować system, nie znając dokładnych wymagań, jakie musi on spełniać" - Alexander Schneider-Schaper.

"Stanęliśmy przed nie lada wyzwaniem - musieliśmy zaprojektować system, nie znając dokładnych wymagań, jakie musi on spełnić" - wyjaśnia główny inżynier Alexander Schneider-Schaper, odpowiedzialny za projekt. Jeszcze jesienią ubiegłego roku tylko jedna rzecz była pewna: Każdy klient miał prawo wiedzieć dokładnie, ile energii i kiedy pozyskał. Oznaczało to, że inżynierowie byli zmuszeni rozpocząć prace nad licznikiem energii DC, podczas gdy kilka pytań pozostawało jeszcze bez odpowiedzi. Kiedy rozpoczęto prace, DKE, niemiecki komitet ds. elektrotechniki i technologii informacyjnej - organ powołany przez niemiecki krajowy instytut norm DIN i stowarzyszenie elektrotechniczne VDE - wciąż opracowywał propozycje. Proponowane dyrektywy musiały następnie zostać przedłożone do oceny innemu komitetowi śledczemu (REA) i ostatecznie przekazane do krajowego biura kalibracji.

Pomiar energii przesyłanej do pojazdu elektrycznego na stacji ładowania może być bardzo skomplikowany. W przeciwieństwie do gospodarstwa domowego, w którym zawsze jest ten sam użytkownik i wystarczy odczytać licznik raz w roku, publiczne stacje ładowania przechodzą przez cały cykl użytkowników dzień po dniu. Każdy z nich ma prawo do precyzyjnego, przejrzystego rachunku. Porsche Engineering przełożyło ten zestaw warunków na katalog wymagań do opracowania licznika Porsche DC Energy Meter: Musiał on identyfikować użytkownika, rejestrować czas ładowania oraz mierzyć prąd, napięcie i czas podczas procedury ładowania. Pomiary mogą być następnie wykorzystane do obliczenia pracy elektrycznej w kilowatogodzinach. Wszystkie te dane muszą następnie zostać przesłane za pośrednictwem backendu do dostawcy, który następnie wystawia klientowi szczegółową fakturę.

Kolejnym poważnym wyzwaniem było to, że same stacje ładowania oferują dość mało miejsca wewnątrz. Większość ich wnętrza zajmują gniazda połączeniowe, kabel ładowania i jego zintegrowane chłodzenie oraz jednostki sterujące ładowaniem. Aby pomieścić dodatkową technologię, inżynierowie zdecydowali się zaprojektować dwuczęściowy system składający się z samego DC Energy Meter oraz czujnika mierzącego prąd i napięcie. Ten ostatni jest podłączony do obwodu elektrycznego między odbiornikiem a stacją ładowania. Jego możliwości pomiarowe sięgają 500 amperów i 1000 woltów.

DC Energy Meter to licznik dla stacji ładowania prądem stałym o mocy wyjściowej do 350 kilowatów. Zdjęcie: Porsche AG 

Połączenie z serwerem zaplecza

Czujnik przesyła zmierzone wartości do rzeczywistego licznika prądu stałego, którego rozmiar został ograniczony do objętości półlitrowej puszki napoju. Licznik rejestruje dane i oblicza przesyłaną energię, łącząc ją z danymi klienta i pakując całość w krotkę z unikalnym podpisem - pakiet danych, którego nie można już edytować. Tę krotkę otrzymuje operator backendu i wykorzystuje ją do wystawienia faktury. Operator backendu jest również osobą kontaktową, z którą klienci mogą sprawdzić - na przykład za pomocą oprogramowania do przejrzystości, takiego jak aplikacja - kiedy, gdzie i ile energii elektrycznej pobrali. Oczywiście informacje te są również wyświetlane w czasie rzeczywistym na wyświetlaczu Porsche Engineering LC podczas ładowania.

"Ochrona systemu przed manipulacją była kluczowym czynnikiem podczas jego projektowania" - mówi Schneider-Schaper. Aby upewnić się, że nikt nie otworzy czujnika lub licznika energii DC, konstrukcja obudowy jest bezpiecznie zamknięta i uszczelniona. Zatwierdzenie przez PTB - obecnie jedyny organ upoważniony do oceny zgodności w dziedzinie elektromobilności - zostanie przyznane przed końcem 2019 r., teraz, gdy kryteria oceny dla zatwierdzenia zostały ustalone. Oceniane czynniki będą obejmować konstrukcję i działanie, kompatybilność środowiskową oraz to, czy stacja ładowania i oprogramowanie są zgodne z przepisami dotyczącymi pomiarów i kalibracji podczas pracy.

Wszystkie przeszkody na drodze do wdrożenia technologii zostały zatem usunięte. "W tej chwili wszyscy koncentrują się na rozbudowie istniejącej infrastruktury, nawet jeśli nie wszystkie specyfikacje lub standardy są ostateczne" - mówi Schneider-Schaper. "Daje to Niemcom możliwość działania jako pionier i wprowadzenia technologii, która jest już tutaj certyfikowana i zatwierdzona".

Zespół projektowy: Alexander Schneider-Schaper, Sunny Rohilla i Jiri Naprstek (od lewej do prawej). Zdjęcie: Porsche AG

Licznik energii DC w skrócie

Zakres pomiaru napięcia
0 do 1000 V

Zakres pomiaru prądu
0 do 500 A

Zakresy temperatur
-40 do +85 °C Temperatura przechowywania
-40 do +70 °C Temperatura pracy

Dimensions

Obudowa licznika energii DC:
B 162 mm
wys. 82 mm
T 55 mm

Korpus czujnika:
B 130 mm
wys. 104 mm
T 59 mm

Mierzone ilości
Napięcie
Aktualny
Power
Energia

Wyświetlacz
Zużycie energii
Czas trwania
Czas
Date
Identyfikator użytkownika

Dokładność
0,5 % wartości mierzonej napięcia
0,4 % bieżącej wartości pomiarowej

Weight
530 g

Licznik energii DC spełnia normy EN 50470-1 i EN 50470-3.
i spełnia najnowsze wymagania pomiarowe, na przykład w zakresie
kompatybilności elektromagnetycznej, temperatury i wibracji. Obudowa jest zabezpieczona przed wnikaniem cieczy zgodnie z klasą ochrony IP 30.