Jak zajezdnia autobusowa obniżyła koszty szczytowego ładowania o 28% dzięki elastycznemu stosowi ładowania prądem stałym o mocy 240–720 kW

Tło klienta

Miejski operator komunikacji miejskiej w regionie Ren-Zagłębie Ruhry zarządza flotą 42 autobusów elektrycznych z napędem akumulatorowym i co miesiąc pokonuje około 120 000 km według rozkładu. Flota opiera się na jednej bazie zbudowanej w 2019 r., w której zainstalowano 30 stałych ładowarek prądu stałego o mocy 120 kW do obsługi ładowania nocnego i okazjonalnego.

Podstawowe zadanie przewoźnika: utrzymywanie autobusów w ruchu przez co najmniej 16 godzin dziennie, włączając w to poranne i popołudniowe szczyty. Oznaczało to, że okresy ładowania między blokami usług trwały zaledwie 45 minut. Istniejący układ ze stałą ładowarką okazał się zbyt sztywny w stosunku do tych ograniczeń operacyjnych.

Wyzwanie: stała moc, stałe stawki i bezczynne ładowarki

Każda stała ładowarka o mocy 120 kW została przypisana do jednego autobusu. Kiedy autobusy wracały falami po porannym i wieczornym kursie, wiele ładowarek stało bezczynnie, a przy czynnych utworzyła się kolejka. Autobus naładowany do 40% nadal potrzebował 1,5 godziny na ładowarce o mocy 120 kW – to za długo na 45-minutową przerwę.

Ponieważ połączenie składu z siecią było ograniczone do 600 kW jednoczesnego obciążenia, dostarczenie większej mocy do stoczni wymagałoby nowego transformatora i długiego procesu uzyskiwania pozwoleń, a koszt szacowany był na 180 000 dolarów. W międzyczasie operator próbował dwóch obejść:

• Ręczne planowanie rozkładów jazdy autobusów, aby uniknąć rywalizacji o władzę, co opóźniało godziny odjazdów i ograniczało punktualność.
• Zaprogramowanie istniejących ładowarek tak, aby ograniczały moc w okresie szczytowego zapotrzebowania, ale to tylko wydłużało czas ładowania i powodowało niedoładowanie autobusów przez następny blok.

Bezpośrednią konsekwencją były rosnące tarcia operacyjne: kolejki, spóźnienia na odjazdy i miesięczne opłaty za żądanie, które stale sięgały 24 000 dolarów. Zespół potrzebował architektury ładowania, która mogłaby dostosowywać alokację mocy w czasie rzeczywistym do miejsca, w którym jest to potrzebne, a nie zestawu stałych wyjść.

Dlaczego elastyczny stos ładowania prądu stałego o mocy 240–720 kW

Operator ocenił dwie alternatywy, zanim zdecydował się na elastyczny stos ładowania prądu stałego Soutya o mocy 240–720 kW.

Pierwszą alternatywą było dodanie drugiego transformatora i zastosowanie większej liczby stałych ładowarek o mocy 120 kW. Takie podejście wyeliminowałoby kolejki, ale nadal wiele ładowarek byłoby bezczynnych w środku dnia, a sama modernizacja sieci pochłonęłaby cały roczny budżet energetyczny.

Drugą alternatywą była centralna ładowarka dużej mocy z mechaniczną matrycą przełączników, która mogła łączyć jedną magistralę na raz. Rozwiązało to problem podziału mocy, ale stworzyło nowe wąskie gardło: pojedyncza awaria systemu przełączającego spowodowała zatrzymanie całej składnicy.

Elastyczny stos ładowania Soutya wyróżniał się z trzech powodów:

• Dynamiczny przydział mocy:Pojedyncza jednostka o mocy 600 kW może podzielić swoją moc wyjściową na sześć do ośmiu punktów ładowania, zapewniając każdemu autobusowi tylko taką moc, jakiej w danej chwili potrzebuje. Przydział jest aktualizowany w czasie rzeczywistym, bez konieczności ręcznej interwencji.
• Skalowalność modułowa:Stos zbudowany jest z wymiennych modułów mocy. Jeśli flota się powiększy, operator może dodawać moduły bez konieczności wymiany całej jednostki.
• Nie jest wymagana aktualizacja sieci:Ponieważ stos może wymusić konfigurowalne maksymalne całkowite obciążenie, mieści się w istniejącym połączeniu z siecią o mocy 600 kW, co pozwala uniknąć projektu transformatora o wartości 180 000 dolarów.

Wdrożenie: wdrażanie etapowe i dynamiczne zarządzanie obciążeniem

Projekt został zrealizowany w ciągu sześciu tygodni, od podpisania umowy do pełnego uruchomienia. Wdrożenie składało się z czterech etapów:

1. Badanie witryny i mapowanie układu.Zespół sporządził mapę miejsc parkingowych dla autobusów, tras kablowych i istniejącej przepustowości rozdzielni, aby określić optymalną liczbę punktów ładowania na stos.
2. Montaż czterech pali o mocy 600 kW,każdy skonfigurowany z ośmioma złączami, co daje łącznie 32 punkty ładowania. Pale ułożono pomiędzy rzędami parkingowymi, aby zminimalizować długość kabli i straty.
3. Integracja z systemem zarządzania magazynem.Przydział mocy stosu został powiązany z bazą danych rozkładów jazdy pojazdów, dzięki czemu autobusy z wcześniejszymi godzinami odjazdu otrzymały moc priorytetową.
4. Szkolenie personelu.Operatorzy opłat zostali przeszkoleni w zakresie odczytywania wykresów alokacji mocy oraz tego, co robić w rzadkich przypadkach błędu połączenia.

Kluczowe wyzwanie pojawiło się w drugim tygodniu. Istniejące pomieszczenie elektryczne składu nie byłoby w stanie pomieścić dodatkowej ochrony przeciwprzepięciowej i sprzętu pomiarowego wymaganego dla nowych pali bez niewielkiej rekonfiguracji. Problem rozwiązano, instalując kompaktową podrozdzielnię i przenosząc zapasowe obciążenia elektryczne na inną fazę — drobne prace budowlane, które wydłużyły harmonogram o cztery dni.

Wymierne wyniki: szybsze realizacje, niższe opłaty za popyt, mniej kolejek

Dane operacyjne z pierwszych trzech miesięcy pracy na elastycznych słupach ładujących Soutya wykazały wymierną poprawę we wszystkich obszarach.

• Czas ładowania autobusu spadł o 38%.Średni czas dla akumulatora o mocy 200 kWh spadł z 4,5 godziny do 2,2 godziny, ponieważ stos mógł skoncentrować 240 kW na jednym autobusie, gdy parking był w połowie pusty.
• Opłaty za szczytowy popyt spadły o 28%,od 24 000 do 17 300 dolarów miesięcznie. Algorytm ograniczający obciążenie pala utrzymywał całkowity pobór zajezdni poniżej progu 600 kW, nawet gdy ładowało się jednocześnie 20 autobusów.
• Wykorzystanie ładowania wzrosło z 47% do 78%.Ponieważ zasilanie jest rozłożone elastycznie, autobus przyjeżdżający o 14:00 może ładować się z pełną mocą, podczas gdy autobus zaplanowany na 18:00 czeka na swoją kolej.
• Uniknięto modernizacji sieci o wartości 180 000 dolarów.Koszt projektu, obejmujący cztery pale i instalację, wyniósł około 96 000 dolarów, co oznacza, że ​​okres zwrotu inwestycji wyniósł ponad rok w oparciu wyłącznie o oszczędności w opłatach popytowych.

Szerszy wpływ był widoczny w przestrzeganiu rozkładu jazdy: liczba autobusów wyjeżdżających z zajezdni ze stanem naładowania mniejszym niż 90% spadła z 12 do 2 tygodniowo, a wskaźnik punktualności odjazdów floty wzrósł z 92% do 98%.

Opinia klienta

Kierownik operacyjny magazynu ujął to w prosty sposób:

„Elastyczny stos nie zapewnia szybszego ładowania; przywraca nam kontrolę nad harmonogramem. Nie muszę już decydować, który autobus będzie ładowany jako pierwszy. Moc trafia tam, gdzie jest potrzebna, a to zmieniło sposób, w jaki nasze plany dotyczące całej zmiany”.

Inny kierownik ds. konserwacji dodał: „Modułowa konstrukcja oznacza, że ​​możemy zwiększyć wydajność bez niszczenia istniejącej instalacji. Nie było to możliwe w przypadku naszych starych jednostek stacjonarnych”.

Lekcje dla innych operatorów flot i ładowania

Z tego projektu wyciągnięto trzy powtarzalne wnioski:

1. Dopasuj konfigurację stosu do rzeczywistych rozkładów jazdy autobusów, a nie do maksymalnej mocy.W zajezdni rozważano model o mocy 720 kW, ale jednostki o mocy 600 kW z 32 gniazdami lepiej pasują do rotacji autobusów i są tańsze. Zrozumienie szczytowego pokrywania się czasów zwrotu jest cenniejsze niż zakup możliwie największej jednostki.
2. Korzystaj z algorytmu alokacji mocy od pierwszego dnia.Domyślne ustawienie fabryczne jest ustawione dla scenariusza ogólnego. Wydajność zajezdni poprawiła się dopiero po skonfigurowaniu priorytetów alokacji dostosowanych do godzin odjazdów i stanu naładowania akumulatorów.
3. Zaplanuj rozwój floty, wybierając jednostkę modułową.Jeśli operator doda kolejnych 10 autobusów, będzie mógł wstawić w istniejące stosy dodatkowe moduły mocy. Stała ładowarka wymagałaby zupełnie nowej instalacji i innego podłączenia do sieci.

Największą niespodzianką dla zespołu był wpływ zmiany w sposobie ładowania na ogólną działalność firmy. Przejście z modelu o stałym zasilaniu na model oparty na zapotrzebowaniu pozwoliło zaoszczędzić pieniądze, poprawić terminowość i wyeliminować codzienne źródło stresu personelu.

Referencje

Dla operatorów oceniających elastyczne stosy ładowania DC poniższe standardy branżowe zapewniają przydatny kontekst dotyczący bezpieczeństwa i wydajności:

• EN 50620:2017 – Kable elektryczne do ładowania pojazdów elektrycznych, określające elastyczność kabli, odporność na warunki atmosferyczne i wymagania napięciowe dla systemów 0,6/1 kV DC.
• Seria IEC 62196 – Wtyczki, gniazdka i złącza samochodowe do przewodzącego ładowania pojazdów elektrycznych, obejmujące wymagania interfejsów AC i DC (w tym CCS i CHAdeMO).
• UL 1699B – Fotowoltaiczna (PV) ochrona obwodu prądu stałego przed łukiem elektrycznym, odniesienie do metod wykrywania zwarć łukowych prądu stałego stosowanych w systemach ładowania prądem stałym dużej mocy.