Jak zbudowana jest szybka stacja ładowania DC?

Jak zbudowana jest szybka stacja ładowania DC? To ciekawe zagadnienie, ale jednocześnie dość skomplikowane.

Zaczynamy od prostej obserwacji: na pierwszy rzut oka, stacja szybkiego ładowania to „słup” z kablami i ekranem. Pod "maską" jednak kryje się skomplikowany układ energetyczny, sterowania i zabezpieczeń, zaprojektowany tak, żeby w kilka-kilkanaście minut dostarczyć setki kilowatów mocy, bez szkody dla sieci i baterii. Opis poniżej łączy techniczną precyzję z praktycznym doświadczeniem, bez udawania, że projektowanie stacji to banał😉.

Architektura energetyczna, zwykle dwustopniowa, modularna i skalowalna

Większość współczesnych DC fast-chargerów, realizuje konwersję energii w dwóch głównych etapach. Najpierw przekształcenie zasilania z sieci (AC), do pośredniej szyny DC z korekcją współczynnika mocy (PFC), a potem izolowany konwerter DC-DC, który podnosi/obniża napięcie, do wartości wymaganej przez baterię pojazdu. Taka separacja, ułatwia kontrolę jakości zasilania, redukcję zakłóceń i pozwala na modularne łączenie „bloków mocy” w celu osiągnięcia wymaganych kW.

W praktyce producenci, dzielą moc całej stacji na moduły (np. 50–120 kW każdy). Uruchamia się wtedy tyle modułów, ile potrzeba dla danej sesji. To pozwala na lepsze zarządzanie sprawnością i obciążeniem transformatora zasilającego.

Główne podsystemy i co robi każdy z nich?

Energia przychodzi z sieci (niskie/średnie napięcie → trafostacja), wchodzi do stacji, przez zabezpieczenia i rozdzielnię, przechodzi przez układ PFC (korektor mocy), trafia na szynę DC (link DC), a stamtąd do izolowanego DC-DC i na wyjście do kabla CCS/CHAdeMO/NACS. Do tego dochodzi elektronika sterująca (MCU/DSP), systemy komunikacji z backendem i z pojazdem, oraz warstwa bezpieczeństwa i metrologii.

Elementy, które warto zapamiętać:
• PFC / AC→DC: dba o jakość prądu, spełnienie wymogów sieciowych i wysoką sprawność.
• DC link: kondensatory wygładzające, linie pomiarowe napięcia/prądu.
• Izolowany DC-DC: podaje napięcie i prąd zgodne z profilem ładowania pojazdu.
• Moduły mocy: paralelizowane jednostki dla skalowalności i redundancji.
• Chłodzenie, okablowanie i mechanika: bardzo istotne przy prądach powyżej kilkuset amperów.

Parametry mocy i zakresy napięć, czyli co dziś spotykamy w terenie?

Typowe stacje DC, to zakres od ~50 kW (starsze, mniejsze) przez 150–180 kW do 350 kW a nawet 400 kW, w systemach „ultra-fast”. Coraz częściej pojawiają się rozwiązania powyżej 350 kW, a rozwój technologii SiC/MOSFET umożliwia pracę, przy napięciach baterii 400–920 V, a nawet wyżej w pojazdach użytkowych. Te wartości są istotne podczas doboru transformatora, przekrojów kabli i stopnia izolacji komponentów.

Zabezpieczenia i zgodność z normami. Bezpieczeństwo ponad wszystko

Stacje DC, mają rozbudowany system zabezpieczeń. Zabezpieczenia nadprądowe, ochronę przed zwarciem, detekcję upływów i zwarcia doziemnego, nadzorowanie temperatury kabli i konektorów, systemy awaryjnego odłączenia oraz izolacji galwanicznej tam, gdzie jest wymagana.

Standardy i normy (np. IEC 61851-23 i związane z tym dokumenty dotyczące komunikacji i bezpieczeństwa), definiują wymagania dla stacji DC. Nowsze edycje standardów (aktualizowane w ostatnich latach), rozszerzają dopuszczalne napięcia i zaostrzyły wymagania testowe. Przy projektowaniu instalacji trzeba mieć te normy na uwadze.

Komunikacja - od kabla do chmury

Komunikacja odbywa się na dwóch poziomach: protokół pojazd↔stacja (np. CCS kontrola ładowania, linia CP/PP sygnalizuje parametry) oraz stacja↔backend (operator), tu króluje OCPP (Open Charge Point Protocol), obecnie w wersjach 1.6/2.0.x, pozwalający na zdalne zarządzanie, profile ładowania, autoryzacje, firmware-update i integrację z systemami płatności i EMS. To dzięki OCPP, operator może zdalnie ograniczać moc, ustawiać priorytety i monitorować "zdrowie" urządzeń.

Integracja z siecią i magazynami energii. Trend, który rośnie bardzo szybko

Dla stacji dużej mocy, przyłączenie znacznego poboru energii, wymaga często wzmocnienia przyłącza (trafostacja MV/LV) lub instalacji lokalnego magazynu energii (ESS) i/lub PV, by ograniczyć szczyty z sieci i obniżyć koszty. Czasami, albo właściwie, coraz częściej, stosuje się obydwa rozwiązania.

Dla przykładu: Moc przyłącza energetycznego, to tylko 100 kW. Magazyn energii o pojemności 2 MWh, czyli bardzo duży. Do tego 50 kWp paneli PV, na dachu firmy. Taki zestaw zasila dwie stacje o mocy 400 kW każda.

Priorytetem jest zasilanie z banku energii. Magazyny pozwalają też na agregację usług (np. podpora sieci), a inteligentne sterowanie ładowaniem harmonizuje piki. Projektując stację, należy rozważyć: moc przyłączeniową, wymagania operatora sieci, opcję ESS, oraz strategie undo-load (zagęszczanie sesji).

Kwestie praktyczne instalacji, czyli co sprawia najwięcej bólu głowy inwestorom?

Kilka spraw, które w realu decydują o kosztach i powodzeniu projektu: dostępność miejsca i droga dla ciężkich rozwiązań transformatorowych, odprowadzenie ciepła (wentylacja, chłodzenie cieczą w topowych 350 kW+ stacjach), uziemienie i ekranowanie EMC, przejścia kablowe, zabezpieczenia przeciwpożarowe oraz ergonomia stanowiska ładowania (długość przewodów, wygoda użytkownika). Równie ważna jest metrologia (legalizacja liczników), integracja płatności i UX ekranu, bo jeśli klient nie umie uruchomić stacji, zasoby i tak zostaną nieużyte. Musi więc być prosto, łatwo i przyjemnie, jak to często się mówi😄.

Przykładowy proces projektowy (w skrócie, ale rzeczowo)

W praktyce: najpierw analiza lokalizacji i dostępnej mocy przyłączeniowej → wybranie topologii (np. moduły 100 kW vs monoblok 350 kW) → wymiarowanie transformatora i kabli → integracja chłodzenia i ochrony → dobór protokołów komunikacyjnych (OCPP, backend) → próby fabryczne i testy zgodności z normami (IEC) → odbiór sieci i uruchomienie. To proces, w którym błąd w którymkolwiek punkcie generuje opóźnienia liczone w tygodniach i dziesiątkach tysięcy złotych. To wersja pesymistyczna. Kiedy nabierze się doświadczenia, wtedy wszystkie te aspekty robi się niemal automatycznie i nie popełnia błędów. Ale wiadomo, że na początku, kiedy firma uczy się stawiać stacje, uczy się również na własnych błędach, niestety często kosztownych.

To już koniec małego kompendium wiedzy o stacjach DC...

Budowa stacji DC, to balans między elektroniką mocy, mechaniką, przepisami i UX. Projektować należy myśląc o sieci, o pojeździe i o użytkowniku, każdy z tych "aktorów" ma swoje wymagania, a one nie zawsze idą w parze. Dobrze zrobiona stacja działa latami, źle zaprojektowana pożera czas i pieniądze.