Gdańsk, 16 cze 2023

Autor:

Klaudia Kostogłód

 

 

DLB, czyli dynamiczne zarządzanie obciążeniem (ang. Dynamic Load Balancing) to funkcjonalność w ładowarkach Enelion, która umożliwia kontrolowanie mocy ładowania samochodów, aby sumarycznie nie przekroczyć ograniczenia prądowego głównego przyłącza. Odpowiednie zarządzanie obciążeniem pozwala na pełniejsze wykorzystanie dostępnej mocy. Punkty ładowania automatycznie wykorzystują możliwie dużą moc, a ograniczają ją tylko jeśli jest to konieczne. Z jednej strony zwiększa to zyski z oferowanych usług ładowania, a z drugiej strony skraca średni czas ładowania samochodów.

 

W teorii balansowanie mocą ładowania brzmi prosto. Wystarczyłoby dostępną moc podzielić na ilość samochodów i z tego wynikałaby moc, z którą każdy samochód powinien się ładować. Takie podejście jest prawidłowe, gdyby wszystkie samochody ładowały się na jednej i tej samej fazie. W rzeczywistej instalacji mamy jednak do czynienia z przyłączami trójfazowymi. Jest to szczególnie mylące w sytuacji, gdy posługujemy się jednostkami mocy nie podając ile faz jest dostępnych na przyłączu. Przykładowo moc 22 kW w instalacji trójfazowej oraz 7.4 kW w instalacji jednofazowej posiada to samo ograniczenie prądu równe 32 ampery. Jest to szczególnie ważne, ponieważ to prąd jest czynnikiem ograniczającym przyłącze elektryczne.

 

W typowej instalacji każdy punkt ładowania musi mieć zarezerwowaną moc w przyłączu elektrycznym. Zarezerwowana moc nie jest wykorzystywana jeżeli dana ładowarka nie ładuje lub zakończyła ładowanie. Z tego powodu można podłączyć małą liczbę ładowarek na jedno przyłącze lub przyłącze przekracza 50 kW, co oznacza wejście w przyłącze przemysłowe, którego konsekwencja są wysokie opłaty za dostępną moc.

 

Wykorzystując DLB można zwiększyć ilość punktów ładowania, ponieważ po zakończeniu ładowania moc ładowarek, które nie ładują zostanie zwolniona dla tych, które jej potrzebują. W przypadku, gdy wszystkie urządzenia są w użyciu, moc każdego z nich, a wraz z nią prąd dostępny na fazie, zmniejszy się odpowiednio, tak aby nie przeciążyć przyłącza elektrycznego. Dzięki tej funkcji można znacznie zwiększyć liczbę punktów ładowania do dostępnej mocy przyłącza.

 

Działanie DLB

 

Moc ładowania samochodu zależy od wielu czynników - mocy i typu ładowarki pokładowej samochodu, stanu naładowania baterii oraz przekroju przewodu ładowania. Moc ładowania samochodów ograniczona przez DLB będzie równa, chyba, że moc ładowania samochodu będzie ograniczona z innego powodu.

 

Minimalny prąd dostępny na jednej fazie umożliwiający ładowanie to 6A. Jeżeli prąd w każdej stacji zmniejszył się do minimalnego poziomu (6A) i nie wystarczyło go na wszystkie punkty ładowania, następuje kolejkowanie. Kolejkowanie, czyli cykliczne przełączanie ładowania między samochodami, umożliwia obsługiwanie wszystkich samochodów jednocześnie bez przeciążenia sieci. Kolejka rotowana jest domyślnie co 5 minut w następujący sposób: do kolejki przenoszona jest stacja ładowania, która przekazała do samochodu najwięcej energii od momentu wyjścia z kolejki ładowania, a ładowanie rozpoczyna stacja, która czekała w kolejce najdłużej.

 

Do prawidłowego działania DLB stacje w danej sieci muszą się ze sobą komunikować. Ładowarki łączą się za pomocą Enelion chain (magistrala CAN), w przypadku stacji Lumina za pomocą wifi-mesh. Ładowarki w danej sieci muszą być zasilane ze wspólnego przyłącza. Dla prawidłowego działania sieci konektory muszą być odpowiednio zaadresowane, czyli aby każdy konektor miał unikatowy numer w danej sieci.

 

 

DLB w sieci ładowarek

 

Wszystkie ładowarki połączone w sieć będą tak dzielić prąd, aby sumarycznie nie przekroczyć przyłącza. DLB podzieli prąd przyłącza równo pomiędzy samochody.

 

Przykładowy scenariusz działania DLB w ładowarce z dwoma konektorami W ładowarkach typu Vertica oraz Wallbox Duo Power możliwe jest wykorzystanie DLB aby balansować moc między konektorami. W sytuacji gdy jedno gniazdo nie ładuje, drugie będzie oferować pełną moc ładowania. Jeżeli podłączone zostaną dwa samochody w tym samym czasie, ładowarka zawsze podzieli równo prąd pomiędzy samochody, co nie oznacza, że pojazdy jedno i trójfazowe dostaną tą samą moc.

 

W przyłączu jest dostępne 32A na każdą fazę. Jeśli w obu gniazdach jest ustawiony taki sam limit np. 32A to podział mocy w przypadku podłączenia dwóch konektorów będzie równy. Pierwszy samochód dostanie pełny prąd, po przyjeździe drugiego prąd zostanie podzielony po równo na oba. W ładowarkach Enelion przyjęte zostało kryterium równego podziału prądu ładowania. Oznacza to, że wszystkie samochody ładowane z danej fazy ładują się takim samym prądem.

 

Poniższy przykład obrazuje na wykresie w jaki sposób zostanie podzielona moc przyłącza trójfazowego pomiędzy dwa samochody:

Nissan Leaf - z jednofazową ładowarką pokładową

Renault ZOE - z trójfazową ładowarką pokładową.

 

 

Przyłącze posiada wartość 22 kW co oznacza ograniczenie prądowe 32 amperów na fazę. Podczas ładowania dwóch samochodów podzielimy prąd ładowania na dwa czyli po 16 amperów. Ze względu na to, że Nissan Leaf posiada jednofazową ładowarkę pokładową będzie się ładować 3,7 kW, natomiast Renault ZOE z trójfazową ładowarką pokładową 11 kW.

 

Jak można zauważyć na powyższym wykresie, część mocy przyłącza nie jest używana. Dzieje się tak, ponieważ samochody trójfazowe musi się ładować równym prądem na wszystkich fazach. Sumarycznie patrząc wykorzystane zostanie 14.8 kW z 22 kW dostępnej mocy przyłącza. Możemy dostrzec pewną dysproporcję, ponieważ samochód ładując się trzema fazami pobiera taki sam prąd co samochód jednofazowy, ale na trzech fazach, co skutkuje trzykrotnie większą mocą ładowania.

 

Konfiguracja DLB

 

Parametry DLB do skonfigurowania w stacji są ustawiane podczas instalacji. Każdy konektor musi mieć takie same ustawienia DLB

 

● ograniczenie prądowe przyłącza

Wszystkie ładowarki w sieci są ograniczone całkowitą mocą przyłącza, która nie może zostać przekroczona. Każda ze stacji powinna być podłączona do przyłącza przewodem odpowiednim do jej mocy ładowania (w tym dwa panele Vertici muszą być podłączone przewodem o odpowiednim przekroju lub ograniczone konfiguracyjnie do posiadanej instalacji).

● przeplot faz podłączonych do ładowarki

Aby efektywniej wykorzystać moc przyłącza, ładowarki mogą być połączone w tzw. przeplocie faz, co pozwoli na równomierne obciążenie przyłącza przez samochody jednofazowe

 

 

Maszyna stanów DLB

Przyjęto, że najbardziej efektywną i sprawiedliwą metodą podziału energii jest równy podział prądu dla każdej stacji. Rozproszenie sieci obliczeniowej DLB polega na tym, że każda stacja indywidualnie liczy prądy, a że wszystkie mają te same dane, bo komunikują się ze sobą, uzyskują ten sam wynik - przydział prądu każdej stacji.

 

Maszyna stanów DLB składa się z czterech stanów:

 

 

IDLE

Stan oczekiwania na EV. Ładowarka nie chce ładować, czyli nie jest jej przydzielony prąd ładowania. Do stanu IDLE przechodzi ładowarka np. po zakończeniu ładowania.

 

WAITING

Stan oczekiwania na zwolnienie prądu w sieci DLB. Pozostałe ładowarki liczą nowy, równy podział prądu. Pierwszeństwo we włączeniu się do ładowania ma zawsze ładowarka o najniższym adresie w stanie WAITING. Z tego stanu możliwe jest przejście do stanu BALANCING lub do stanu IDLE w przypadku zakończenia transakcji.

 

BALANCING

Stan balansowania w sieci to jedyny stan, w którym ładowarka ładuje samochód. Inne ładowarki balansujące na tej samej fazie traktują tę ładowarkę jako 'balansującą' czyli przestrzegającą podziału mocy po równo pomiędzy pozostałe balansujące ładowarki. Faza balansowania w przypadku ładowania EV jednofazowego zależy od skonfigurowanego przeplotu ładowarki, natomiast w przypadku ładowania trójfazowego zależy od najbardziej obciążonej fazy.

 

SUSPENDED

Stan wstrzymania ładowania. Ładowarka nie bierze udziału w podziale energii. Wstrzymanie może wynikać z zakończenia ładowania, wstrzymania od strony EV lub zbyt małego dostępnego prądu. Z tego stanu ładowarka wraca do stanu WAITING np. w przypadku kiedy przypada kolej samochodu na ładowanie lub w sieci nastąpi zwiększenie dostępnego prądu np. przez zakończenie ładowania innego samochodu. 

 

Enelion Energy Guard

 

DLB dzieli stałą wartość prądu między stacjami. W rzeczywistości nie zawsze jest możliwość uzyskania dedykowanego przyłącza wyłącznie dla ładowarek. W praktyce moc zamówiona jest przewidziana dla stacji i dla pozostałych odbiorów. W zależności od wykorzystania budynku dostępna moc dla ładowarek zmienia się w czasie. W przypadku dużego obciążenia przez budynek i wysokiej zajętości stacji ładowania istnieje ryzyko przeciążenia przyłącza. Rozwiązaniem tego problemu jest Enelion Energy Guard. Jest to urządzenie rozszerzające Dynamiczne Zarządzanie Obciążeniem (DLB) w ładowarkach Enelion, które monitoruje zużycie energii w całym budynku – od pojedynczego gospodarstwa domowego po największe parki biurowe. EEG na bieżąco aktualizuje maksymalną wartość dostępnego prądu każdej fazy dla DLB - zapewnia bezpieczeństwo przed przeciążeniem przyłącza energetycznego - sumaryczna moc budynku i ładowarek nie przekroczy ustalonego limitu. Energia przekazywana do budynku ma pierwszeństwo przed samochodami, które odpowiednio zmniejszają używaną moc. W momencie małego poboru energii przez budynek, ładowarki w pełni wykorzystają przyłącze aby jak najszybciej naładować podłączone samochody. W wielu przypadkach takie rozwiązanie pozwala zainstalować wiele stacji ładowania bez konieczności zwiększania mocy przyłącza.

 

Poniżej znajduje się wykres przedstawiający zużycie energii w instalacji z Energy Guardem. W godzinach 8-18 widać, że moc dostępna dla ładowarki została zmniejszona z powodu zwiększonego obciążenia sieci.