emner:
- introduktion
- Ladestik og tilslutninger
- Electronic Vehicle Supply Equipment (EVSE)
- Opladningsmuligheder
- Indlæsningstider
- Priser at indlæse
- Kommunikation mellem ladestation og køretøj
- Nærhedspilot
- Kontrol Pilot
- Elektricitetsnet
Forord:
Batterierne i elbiler eller plug-in hybrider kan oplades med eksterne ladefaciliteter. Du kan tilslutte bilen med et ladekabel til en offentlig ladestation, offentlig ladestation eller din egen vægboks (på den udvendige facade eller i garagen) for at oplade batteriet via elnettet. Der er også ofte en mobiloplader til rådighed, som giver dig mulighed for at oplade via stikkontakten i væggen, men det anbefales kun at bruge denne oplader til nødstilfælde.
Følgende billede viser opladningen af en elbil. På siden af køretøjet er der en klap, der ligner meget en brændstofklap på en bil med forbrændingsmotor. Bag klappen finder vi stikforbindelsen, som ladestikket kan sættes i.
Klistermærket i klappen angiver, hvilken farve LED'en ved siden af stikket vil lyse i en bestemt status.
Ladestik og tilslutninger:
Ladestik og tilslutninger er standardiserede i Europa. Vi bruger Mennekes (type 2) til AC-opladning (vekselstrøm) og CCS2-stikket til DC-opladning (jævnstrøm).
Følgende billede viser en kombineret Mennekes Type 2 med CSS2 ladestik. Dette stik gør det muligt at oplade (hurtigt) med jævnstrøm.
Billedet nedenfor viser de stik, der bruges i andre dele af verden. Der skelnes mellem AC og DC, hvor DC-varianten ofte er en forlængelse af AC-stikket.
Elektronisk køretøjsforsyningsudstyr (EVSE):
Offentlige ladefaciliteter er altid udstyret med en grænseflade med EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Dette sikrer sikkerhed og kommunikation. Funktionerne i EVSE omfatter:
- Kontrol af forbindelser: efter bekræftelse af, at alle stik er tilsluttet og låst, starter opladningstilstand;
- Selvdiagnose: når der opdages fejl, afbrydes strømforsyningen;
- Lækstrømsdetektion: netforsyningen afbrydes i tilfælde af enhver form for lækstrøm;
- Strømstyring: kommunikerer med den indbyggede oplader i bilen ved hjælp af et PWM-signal for at begrænse strømmen.
Indlæsningsmuligheder:
Ved opladning med vekselstrøm (AC) omdannes strømmen fra elnettet i bilen til jævnstrøm (DC). Ulempen ved AC-opladning er, at der er stor risiko for induktionsfænomener og tab på grund af ledermodstand. Der sker også en konvertering fra AC til DC i bilen, inden energien når batteriet, hvilket begrænser ladestrømmen.
Jævnstrømsopladning (DC) giver mulighed for "super" hurtig opladning. AC/DC-konvertering finder ikke længere sted i den indbyggede oplader, men uden for køretøjet. Batteriet kan derfor oplades med en større ladekapacitet og bliver derfor hurtigere fyldt op. Dette er ideelt til opladning under en kaffepause langs motorvejen for resten af rejsen.
De måder og hastigheder, hvormed et køretøj kan læsses, kan opdeles i fire forskellige tilstande. Mode 1, 2, 3 og 4 angiver, hvordan køretøjet er tilsluttet strømforsyningen.
- Mode 1: opladning foregår direkte via elnettet på en husstandsforbindelse. I køretøjet konverteres spændingen fra AC (vekselstrøm) til DC (jævnstrøm). Opladningsenheden giver sikkerhed, fordi der ikke er nogen strømbegrænsning eller feedback fra køretøjet til stikkontakten. Denne læssemetode bruges sjældent, fordi der er risiko for fare og defekter, og er derfor forbudt i mange lande.
- Mode 2: ligesom i tilstand 1 bruges vægstikket på en husforbindelse, og ladestrømmen er begrænset til 16 A med en magt på 3,68 kW. For at forhindre overbelastning er effekten gennem ladekablerne dog normalt begrænset til 2,3 kW (ca. 10 A). Med ladetilstand 2 er ladestationen designet som en mobiloplader, som kan tages med. I køretøjet konverterer den indbyggede oplader AC til DC.
- Mode 3: opladning bruger en fast ladestation eller vægboks, der ligesom i tilstand 2 er tilsluttet en bygnings elnet. Mode 3-opladeren er velegnet til AC-opladning og til ydelser fra 3,68 til 22 kW. Igen konverteres AC til DC i køretøjets strømelektronik.
- Mode 4: Mens ladetilstand 1 til 3 bruger vekselstrøm og denne skal omdannes til jævnstrøm i køretøjet, med mode 4 opladning sker omdannelsen fra vekselstrøm til jævnstrøm i selve ladestationen. Jævnstrømmen tilføres direkte til batteripakken. Dette er kendt som DC-opladning eller hurtig opladning. En DC ladestation til mode 4 opladning kræver en indgangsspænding på mindst 480 volt og leverer en effekt på 43 kW.
Indlæsningstider:
Opladningstiderne for hybrid- og elbiler kan bestemmes af batterikapacitet skal divideres med det leverede beløb magt fra opladeren.
Den tilgængelige ladeeffekt bestemmes ikke kun af typen af oplader og ladekabel, men også af den maksimale ladeeffekt, som kraftelektronikken i køretøjet er egnet til. Nye luksusbiler får i stigende grad større batterier med mere kapacitet til en større rækkevidde, men fordi ladekapaciteten stiger, kan det endda betyde, at ladetiden falder. Som eksempel tager vi en VW e-Golf (32 kWh) sammenlignet med en Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Ikke alle køretøjer kan lade op til 100 % med DC. DC-opladning stopper ved 80%. De sidste 20 % går med en lavere ladekapacitet via AC. Dette er for at beskytte HV-batteriet.
VW e-Golf (32 kWh)
AC opladning:
Med et Type 2 ladestik kan batteripakken oplades via AC. Den maksimale ladeeffekt for den indbyggede oplader er 3,7 kW. Når batteripakken oplades fra 20 % via en ladestation (tilstand 3), tager dette cirka 7 timer. Forklaring: 80 % (opladning) af 32 kWh = 25,6 kWh. Vi beregner opladningstiden ved at dividere den nødvendige effekt med den leverede effekt: (25,6 / 3,68) = 6,96 timer (6 timer og 58 minutter).
Ved opladning via stikkontakten (tilstand 2) er effekten begrænset til 2,3 kW og ladetiden er 11,13 timer (11 timer og 8 minutter).
DC opladning:
Ved hurtig opladning med jævnstrøm med en effekt på 44 kW er batteriet fuldt opladet efter 0,58 timer (35 minutter).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC opladning:
Med et Type 2 ladestik kan batteripakken oplades via AC. Den maksimale ladeeffekt for den indbyggede oplader er 11 kW. Endnu en gang antager vi, at vi opkræver fra 20%. Den effekt, der skal leveres af opladeren, er 86,72 kW. Ved opladning via ladestationen er ladetiden 7,88 timer (7 timer og 53 minutter).
DC opladning:
Med tilstand 4 er det muligt at lade op til 207 kW. Opladningstiden er: (86,72 / 207) = 0,42 timer (25 minutter).
Priser for at indlæse:
Der er mange udbydere af ladekort. Forskellige hjemmesider tilbyder oversigter over taksterne. I dette afsnit antager vi de energipriser, der gjaldt i marts 2023 og tager ikke højde for abonnementsgebyrer eller startpriser pr. opladningssession, men kun energipriser.
- Holland AC 0,60 €/kWh
- Holland DC 0,85 €/kWh
- Belgien og Luxembourg 0,65 €/kWh
- Europa: AC €0,51/kWh
- Europa: DC 0,87 €/kWh
I eksemplerne på VW e-Golf og Mercedes EQS beregner vi ladepriserne ud fra ladekapaciteten og det faktum, at vi begynder at lade fra et 20 %-interval.
- VW e-Golf: baseret på ladeeffekten på 25,6 kW koster den €15,36 for AC-opladning i Holland og €21,76 for DC-opladning. Samlet rækkevidde: 190 km.
- Mercedes EQS: med en ladekapacitet på 86,72 kW koster den 52 € i Holland for AC-opladning og € 73,70 for DC-opladning. Rækkevidden er omkring 485 km.
Kommunikation mellem ladestation og køretøj:
Ladeinterfacemodulet sørger for kommunikation mellem ladestationen og køretøjet. Den såkaldte "Proximity Pilot" og "Control Pilot", forkortet til "PP" og "CP" angiver, at der er tilsluttet et ladestik og bestemmer, hvor meget ladestrøm der er tilladt. De næste to afsnit forklarer driften af PP og CP.
På billedet ser vi CP og PP i det amerikanske Type 1 (venstre) og europæiske Type 2 Mennekes stik (højre), begge kombineret med DC ladestikket. Vi koncentrerer os om det rigtige stik med CP, PP, de tre faser (L1 til L3) med neutral ledning (N) og den såkaldte beskyttelsesjord (PE).
Dette afsnit bruger følgende diagram, som er baseret på den europæiske standard (IEC 62196-2). Det drejer sig om Type 2-stikket, også kaldet Mennekes. I diagrammet ser vi (fra venstre mod højre) følgende komponenter:
- EVSE controller: dette er modulet, der er indbygget i ladestationen eller wallboxen;
- Ladestik: Ud over ladestrømmen foregår kommunikationen mellem EVSE-controlleren og køretøjscontrolleren via PP og CP;
- Køretøjscontroller: elektronikken i køretøjet aktiverer opladningsprocessen, så snart flere betingelser er opfyldt.
Nærhedspilot:
Proximity-piloten har to funktioner: at registrere om der er tilsluttet et ladekabel og at registrere hvilken type ladekabel der er tilsluttet, så den maksimale ladestrøm kan bestemmes.
I diagrammet nedenfor er PP-kredsløbet farvet rødt. Her ser vi en spændingsdeler mellem R1 og R2, som drives af 5 volt. Styreenheden måler spændingen mellem R1 og R2 (dette er angivet med et voltmeter for tydelighedens skyld). Modstand R1 fungerer som en pull-up modstand.
- Hvis der ikke er tilsluttet et ladestik, er der ingen spændingsdeler. Modstand R1 absorberer ingen spænding, så den målte spænding er 5 volt;
- Når ladestikket tilsluttes, oprettes en serieforbindelse. Med de givne modstandsværdier vil styreenheden måle en spænding på 3,1 volt.
Modstandsværdien i ladestikket angiver den maksimale strøm gennem ladekablet. Disse modstandsværdier er som følger:
- 100 ohm: maksimalt 63 A;
- 220 ohm: maksimalt 32A;
- 680 ohm: maksimalt 20 A;
- 1500 ohm: maksimalt 13A.
Modstandsværdien i eksemplet er 220 ohm, hvilket betyder, at strømmen gennem dette ladekabel maksimalt må være 32 A. En højere eller lavere modstand sikrer en anden spændingsdeling og derfor en anden indgangsspænding for regulatoren.
De nordamerikanske stik falder ind under standarden: SAE J1772. Dette type 1 ladestik adskiller sig fra den europæiske version:
- Enfaset vekselspænding i stedet for trefaset vekselspænding i det europæiske Type 2 stik;
- Manuel låsekrog. Den ekstra spændingsdeler gør det muligt at indbygge ekstra sikkerhed. Så snart det registreres, at der er trykket på knappen, slukker ladesystemet øjeblikkeligt.
Diagrammet nedenfor viser den amerikanske version.
Især låsekrogen forlænger Proximity Pilot-kredsløbet.
- Der er en spændingsdeler i stikket;
- Switch S3 er parallel med modstand R7. I hvile er kontakten lukket, og modstand R7 er brokoblet;
- Når stikket tages ud, skal føreren betjene låsekrogen for at trække stikket ud af køretøjet. Mens du trykker på denne krog, åbnes S3. Modstand R7 er en del af spændingsdeleren.
ControlPilot:
CP'en overvåger opladningsprocessen fra anmodningen om at starte opladningen til slutningen af opladningen, når batteriet er fuldt opladet. CP'en muliggør kommunikation mellem EVSE-controlleren i ladeanlægget og køretøjet.
- Efter tilslutning af ladekablet til ladestationen påfører EVSE-controlleren en spænding på 12 volt til Control Pilot-tilslutningen på ladestikket.
- så snart ladestikket er tilsluttet køretøjet, falder spændingen til ca. 9 volt på grund af spændingsdeleren mellem R3 og R4;
- Regulatoren måler den indgående spænding via ST2 (Schmitt trigger).
Strømforløbet med tilsluttet ladekabel er markeret med rødt.
- Efter registrering af 9 volt aktiverer EVSE-controlleren relæ K2. I stedet for 12 volt strømforsyningen er oscillatoren inkluderet i kredsløbet;
- oscillatoren producerer en firkantbølgespænding fra -12 til +12 volt;
- dioden sørger for, at spændingen på CP-forbindelsen skifter mellem +9 og -12 volt;
- Med driftscyklussen i PWM-signalet angiver EVSE-controlleren den maksimale ladestrøm, som køretøjet kan forbruge.
Efter at have etableret PWM-signalet, tænder køretøjscontrolleren relæ K1, når køretøjet er klar til at begynde opladningen.
- Relæ K1 skifter modstand R5 til jord;
- på grund af parallelforbindelsen mellem R4 og R5 falder PWM-signalets positive puls til 6 volt;
- 6 volt spændingen måles af EVSE controlleren i ladeenheden og forbinder nu strømforsyningen til ladekablet for at oplade batteriet.
Billedet nedenfor viser signalet fra kontrolpiloten, der viser spændingsudviklingen kontra tid. Denne spændingsprofil kan måles ved Control Pilot-tilslutningen på ladestikket, mens det er tilsluttet.
- Status A: Der er ingen forbindelse til køretøjet. Så længe der ikke er tilsluttet et ladekabel, forbliver spændingen 12 volt;
- Status B: Elbil er tilsluttet. Relæ K2 er aktiveret. Spændingen falder til 9 volt på grund af dioden i kredsløbet;
- Status C: Relæ K1 er aktiveret. Dette er "signalet" for ladeenheden til at starte opladningsprocessen.
Status D og E angiver, hvornår en handling er påkrævet for ventilation, eller for at afslutte opladningsprocessen, fordi der er registreret en fejl.
Elektricitetsnet:
I afsnittet "opladningsmuligheder" blev tilstande 1 til 4 vist. Du kan vælge at oplade køretøjet derhjemme via hjemmeopladeren, wallboxen, ladestationen eller via en hurtiglader langs motorvejen. Især opladning derhjemme via din egen opladningsfacilitet bliver stadig mere populær. En hjemmeoplader kan blot tilsluttes en stikkontakt, men for at opnå den kortest mulige ladetid med mere ladestrøm, kan du tilslutte din egen vægboks ved at justere fordelerboksen. Først ser vi på begreberne: 1- og 3-faset vekselstrøm.
Med en 1-faset tilslutning ser vi et "standard" elkabel med tre ledere:
- brun: fasetråd;
- blå: neutral ledning;
- gul/grøn: jordledning.
Med en 1-faset ladestation eller wallbox strømmer elektriciteten gennem to ledninger (faseledningen og den neutrale ledning).
En 1-faset wallbox eller ladestation anvender hjemmeelektronikkens standard 230 V tilslutning. Den maksimale effekt er 16 A, hvilket bringer den maksimale ladeeffekt for en 1-faset oplader op på 3,7 kW. En 60 kW batteripakke oplades på cirka 16 timer med denne ladekapacitet, hvilket tager forholdsvis lang tid. De fleste nye elbiler har en højere kapacitet.
Det er muligt at øge den maksimale strøm i hjemmeelektronikkens fordelerboks, så der er mere kapacitet til en 32 A 1-faset oplader. I så fald kan opladningen maksimalt ske med 7,4 kW. Men med en 1-faset oplader er der en chance for, at fordelerboksen bliver overbelastet, hvilket resulterer i strømsvigt. Udover en ladestander er der flere elektriske apparater, der bruger elnettet, herunder vaskemaskine, opvaskemaskine, kogeplader og varmepumpe. Ved hjælp af lastbalancering kan maksimal kapacitet udnyttes:
- I løbet af dagen er der god chance for, at der bliver brugt flere elektriske apparater. Ladestrømmen til køretøjet reduceres;
- De fleste enheder er slukket om natten, så køretøjet har mere ladekapacitet.
For at oplade hurtigere er det muligt at tilslutte ladestationen eller wallboxen til fordelerboksen via en 3-fase tilslutning. Dette behøver ikke nødvendigvis at være strømflow. Med en 3-fase forbindelse ser vi to ekstra ledninger:
- sort: ekstra fasetråd;
- grå: ekstra fasetråd.
Med en 3-faset ladestation strømmer elektriciteten gennem fire ledninger (de XNUMX-fasede ledninger og den neutrale ledning).
Ladekapaciteten på en ladestation eller vægboks på en 3-faset tilslutning er højere end ved en 1-faset tilslutning, hvilket betyder, at køretøjet oplader hurtigere. Køretøjets maksimale ladestrøm overskrides aldrig. Nogle køretøjer er kun egnede til at lade op til 3,7 kW. Så giver det ingen mening at skabe en 3-faset forbindelse. Køretøjer kan også være egnede til 7,4 eller 11 kW: det er umagen værd at øge kapaciteten (3 * 16 A) fra fordelerboksen.
I ældre huse ser vi ofte en 1-faset tilslutning (op til 35 A) i fordelerboksen. Alle tre faser er til stede, men kun én er forbundet.
Fordelingsboksen kan ombygges, så alle tre faser anvendes. Nyere huse, hvor fordelerboksen er klargjort til flere elforbrugere (såsom solpaneler, induktionskogeplade og varmepumpe), kan allerede fra levering udstyres med 3-faset tilslutning. I så fald siger elmåleren “3×220/230V eller 3×380/400 volt”. Der er også i alt fire ledninger - de trefasede ledninger og den neutrale ledning - der kommer fra bunden af fordelerboksen. Afhængigt af fordelerboksen er gruppen beskyttet op til 1x25A, 1x30A eller 1,35A. Jo større strømstyrke, jo mere strøm kan der bruges på samme tid.
Billedet nedenfor viser fem situationer fra en 1-faset til en 3-faset tilslutning i fordelerboksen og brugen af en 1-faset eller 3-faset oplader.
1 fase: Med nødopladeren kan du oplade køretøjet via stikkontakten. Med en wallbox kan en 1-faset gruppe lade op til 16A uden belastningsudligning, og 32A med belastningsudligning. 32A kan kun opnås, når ingen andre forbrugere er aktive i huset.
For ydelser op til 7,4 kW er et 1-faset netværk med belastningsafbalancering muligt. Ved brug af flere elektriske apparater med højt forbrug i hjemmet, herunder vaskemaskine/tørretumbler, opvaskemaskine og varmepumpe, vil effekten falde for at beskytte mod overbelastning. I praksis betyder det, at effekten kan falde med helt op til 50 %. Skiftet fra 1 til 3 fase er derfor fornuftigt.
3 fase: Hvis der kræves for meget strøm på samme tid, kan dette forårsage overbelastning og udløse beskyttelsen, hvilket forårsager strømafbrydelse. Det er derfor vigtigt, at nettet kan levere tilstrækkelig strøm. Med en 3-faset tilslutning kan der tilføres mere strøm samtidigt. De 3 fase grupper er beskyttet op til 25A som standard.
- 11 kW: forstærkning af målerskabet er nødvendig. Justeringen fra 1 fase til 3 fase er tilstrækkelig;
- 22 kW: Ud over justeringen fra 1 fase til 3 fase kræves en stigning på 35A.
Tilpasningen til 22 kW og 35A er næppe interessant for private. På grund af stigningen skal der betales yderligere årlige faste gebyrer på €1000. For hvert tungere trin (3x63A eller 3x80A) skal der betales et ekstra gebyr. Derudover er mange elektriske køretøjer (endnu) ikke egnede til opladning med så høje vekselstrømme:
Det forventes, at antallet af køretøjer, der kan lade 22 kW på AC, vil stige i de kommende år.
