Emner:
- introduksjon
- Ladeplugger og tilkoblinger
- Electronic Vehicle Supply Equipment (EVSE)
- Ladealternativer
- Lastetider
- Priser å laste
- Kommunikasjon mellom ladestasjon og kjøretøy
- Nærhetspilot
- Kontrollpilot
- Elektrisitetsnett
Forord:
Batteriene til elbiler eller plug-in hybrider kan lades med eksterne ladeanlegg. Du kan koble bilen med ladekabel til offentlig ladestasjon, offentlig ladestasjon eller egen veggboks (på utvendig fasade eller i garasjen) for å lade batteriet via strømnettet. Det er også ofte en mobillader tilgjengelig som lar deg lade via stikkontakten, men det anbefales å bruke denne laderen kun i nødstilfeller.
Følgende bilde viser lading av en elbil. På siden av kjøretøyet er det en klaff som ligner veldig på en drivstoffluke på en bil med forbrenningsmotor. Bak klaffen finner vi stikkontakten som ladepluggen kan settes inn i.
Klistremerket i klaffen indikerer hvilken farge LED ved siden av støpselet vil lyse i en viss status.
Ladeplugger og tilkoblinger:
Ladepluggene og tilkoblingene er standardisert i Europa. Vi bruker Mennekes (type 2) til AC-lading (vekselstrøm) og CCS2-pluggen til DC-lading (likestrøm).
Følgende bilde viser en kombinert Mennekes Type 2 med CSS2 ladeplugger. Denne pluggen gjør det mulig å lade (raskt) med likestrøm.
Bildet nedenfor viser pluggene som brukes i andre deler av verden. Det skilles mellom AC og DC, hvor DC-varianten ofte er en forlengelse av AC-kontakten.
Elektronisk utstyr for kjøretøyforsyning (EVSE):
Offentlige ladeanlegg er alltid utstyrt med et grensesnitt med EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Dette sikrer sikkerhet og kommunikasjon. Funksjonene til EVSE inkluderer:
- Kontrollere tilkoblinger: etter å ha bekreftet at alle plugger er tilkoblet og låst, starter lademodus;
- Selvdiagnose: når feil oppdages, blir strømforsyningen avbrutt;
- Deteksjon av lekkasjestrøm: strømforsyningen avbrytes ved noen form for lekkasjestrøm;
- Strømstyring: kommuniserer med den innebygde laderen i bilen ved hjelp av et PWM-signal for å begrense strømmen.
Lastealternativer:
Ved lading med vekselstrøm (AC) omdannes strømmen fra strømnettet i bilen til likestrøm (DC). Ulempen med AC-lading er at det er stor risiko for induksjonsfenomener og tap på grunn av ledermotstand. En konvertering fra AC til DC skjer også i bilen før energien når batteriet, noe som begrenser ladestrømmen.
Likestrømslading (DC) gir "super" rask lading. AC/DC-konvertering skjer ikke lenger i den innebygde laderen, men utenfor kjøretøyet. Batteriet kan derfor lades med større ladekapasitet og blir derfor raskere fullt. Dette er ideelt for lading under en kaffepause langs motorveien for resten av reisen.
Måtene og hastighetene et kjøretøy kan lastes med kan deles inn i fire forskjellige moduser. Modus 1, 2, 3 og 4 indikerer hvordan kjøretøyet er koblet til strømuttaket.
- Modus 1: lading skjer direkte via strømnettet til en husholdningstilkobling. I kjøretøyet konverteres spenningen fra AC (vekselstrøm) til DC (likestrøm). Ladeenheten gir sikkerhet fordi det ikke er noen strømbegrensning eller tilbakemelding fra kjøretøyet til stikkontakten. Denne metoden for lasting brukes sjelden, fordi det er fare for fare og defekter, og er derfor forbudt i mange land.
- Modus 2: akkurat som i modus 1, brukes veggkontakten til en hustilkobling og ladestrømmen begrenses til 16 A med en makt på 3,68 kW. For å unngå overbelastning er imidlertid effekten gjennom ladekablene vanligvis begrenset til 2,3 kW (ca. 10 A). Med lademodus 2 er ladestasjonen utformet som en mobillader, som kan tas med. I kjøretøyet konverterer den innebygde laderen AC til DC.
- Modus 3: lading bruker en fast ladestasjon eller veggboks, som akkurat som i modus 2 er koblet til elektrisitetsnettet til en bygning. Mode 3-laderen er egnet for AC-lading og for effekter fra 3,68 til 22 kW. Nok en gang konverteres AC til DC i kjøretøyets kraftelektronikk.
- Modus 4: Mens lademodus 1 til 3 bruker vekselstrøm og denne må gjøres om til likestrøm i kjøretøyet, med modus 4 lading skjer omformingen fra vekselstrøm til likestrøm i selve ladestasjonen. Likestrømmen tilføres direkte til batteripakken. Dette er kjent som DC-lading eller hurtiglading. En DC-ladestasjon for modus 4-lading krever en inngangsspenning på minst 480 volt og leverer en effekt på 43 kW.
Lastetider:
Ladetidene til hybrid- og elbiler kan bestemmes av batterikapasitet skal deles på levert beløp makt fra laderen.
Den tilgjengelige ladeeffekten bestemmes ikke bare av typen lader og ladekabel, men også av den maksimale ladeeffekten som kraftelektronikken i kjøretøyet er egnet for. Nye luksusbiler får i økende grad større batterier med større kapasitet for større rekkevidde, men fordi ladekapasiteten øker kan det til og med bety at ladetiden går ned. Som eksempel tar vi en VW e-Golf (32 kWh) sammenlignet med en Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Ikke alle kjøretøy kan lade opptil 100 % med DC. DC-lading stopper ved 80 %. De siste 20 % går med lavere ladekapasitet via AC. Dette er for å beskytte HV-batteriet.
VW e-Golf (32 kWh)
AC lading:
Med en Type 2 ladeplugg kan batteripakken lades via AC. Maksimal ladeeffekt for den innebygde laderen er 3,7 kW. Når batteripakken lades fra 20 % via en ladestasjon (modus 3), tar dette ca. 7 timer. Forklaring: 80 % (lading) av 32 kWh = 25,6 kWh. Vi beregner ladetiden ved å dele nødvendig effekt på levert effekt: (25,6 / 3,68) = 6,96 timer (6 timer og 58 minutter).
Ved lading via stikkontakten (modus 2) er effekten begrenset til 2,3 kW og ladetiden er 11,13 timer (11 timer og 8 minutter).
DC-lading:
Ved hurtiglading med likestrøm med en effekt på 44 kW er batteriet fulladet etter 0,58 timer (35 minutter).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC lading:
Med en Type 2 ladeplugg kan batteripakken lades via AC. Maksimal ladeeffekt for den innebygde laderen er 11 kW. Nok en gang antar vi at vi belaster fra 20 %. Effekten som skal leveres av ladeenheten er 86,72 kW. Ved lading via ladestasjonen er ladetiden 7,88 timer (7 timer og 53 minutter).
DC-lading:
Med modus 4 er det mulig å lade opp til 207 kW. Ladetiden er: (86,72 / 207) = 0,42 timer (25 minutter).
Priser for å laste:
Det er mange leverandører av ladekort. Ulike nettsider tilbyr oversikt over prisene. I denne delen antar vi energisatsene som gjaldt i mars 2023 og tar ikke hensyn til abonnementsavgifter eller startpriser per ladeøkt, men kun energipriser.
- Nederland AC €0,60/kWh
- Nederland DC € 0,85/kWh
- Belgia og Luxembourg € 0,65/kWh
- Europa: AC € 0,51/kWh
- Europa: DC € 0,87/kWh
I eksemplene med VW e-Golf og Mercedes EQS beregner vi ladeprisene basert på ladekapasiteten og det faktum at vi vil lade fra et 20 %-område.
- VW e-Golf: basert på ladeeffekten på 25,6 kW koster den €15,36 for AC-lading i Nederland og €21,76 for DC-lading. Total rekkevidde: 190 km.
- Mercedes EQS: med ladekapasiteten på 86,72 kW koster den €52 i Nederland for AC-lading og €73,70 for DC-lading. Rekkevidden er rundt 485 km.
Kommunikasjon mellom ladestasjon og kjøretøy:
Ladegrensesnittmodulen gir kommunikasjon mellom ladestasjonen og kjøretøyet. Den såkalte "Proximity Pilot" og "Control Pilot", forkortet til "PP" og "CP" indikerer at en ladeplugg er tilkoblet og bestemmer hvor mye ladestrøm som er tillatt. De neste to avsnittene forklarer driften av PP og CP.
På bildet ser vi CP og PP i den amerikanske Type 1 (venstre) og European Type 2 Mennekes-pluggen (til høyre), begge kombinert med DC-ladepluggen. Vi konsentrerer oss om riktig plugg med CP, PP, de tre fasene (L1 til L3) med nøytral ledning (N) og den såkalte beskyttelsesjorden (PE).
Denne delen bruker følgende diagram, som er basert på den europeiske standarden (IEC 62196-2). Dette gjelder Type 2-kontakten, også kalt Mennekes. I diagrammet ser vi (fra venstre til høyre) følgende komponenter:
- EVSE-kontroller: dette er modulen som er innebygd i ladestasjonen eller wallboxen;
- Ladeplugg: i tillegg til ladestrømmen foregår kommunikasjon mellom EVSE-kontrolleren og kjøretøykontrolleren via PP og CP;
- Kjøretøykontroller: elektronikken i kjøretøyet aktiverer ladeprosessen så snart flere betingelser er oppfylt.
Nærhetspilot:
Nærhetspiloten har to funksjoner: registrere om ladekabel er tilkoblet og registrere hvilken type ladekabel som er tilkoblet, slik at maksimal ladestrøm kan bestemmes.
I diagrammet nedenfor er PP-kretsen farget rød. Her ser vi en spenningsdeler mellom R1 og R2, som drives av 5 volt. Styreenheten måler spenningen mellom R1 og R2 (dette er indikert med et voltmeter for tydelighetens skyld). Motstand R1 fungerer som en opptrekksmotstand.
- Hvis ingen ladeplugg er tilkoblet, er det ingen spenningsdeler. Motstand R1 absorberer ingen spenning, så den målte spenningen er 5 volt;
- Når ladepluggen kobles til, opprettes en seriekobling. Med gitte motstandsverdier vil styreenheten måle en spenning på 3,1 volt.
Motstandsverdien i ladepluggen indikerer maksimal strøm gjennom ladekabelen. Disse motstandsverdiene er som følger:
- 100 ohm: maksimalt 63 A;
- 220 ohm: maksimalt 32A;
- 680 ohm: maksimalt 20 A;
- 1500 ohm: maksimalt 13A.
Motstandsverdien i eksemplet er 220 ohm, noe som betyr at strømmen gjennom denne ladekabelen kan være maksimalt 32 A. En høyere eller lavere motstand sikrer en annen spenningsdeling og derfor en annen inngangsspenning for kontrolleren.
De nordamerikanske kontaktene faller inn under standarden: SAE J1772. Denne ladepluggen av type 1 skiller seg fra den europeiske versjonen:
- Enfaset vekselspenning i stedet for trefaset vekselspenning i den europeiske type 2-pluggen;
- Manuell låsekrok. Den ekstra spenningsdeleren gjør det mulig å bygge inn ekstra sikkerhet. Så snart det oppdages at knappen er trykket, slås ladesystemet umiddelbart av.
Diagrammet nedenfor viser den amerikanske versjonen.
Spesielt låsekroken forlenger Proximity Pilot-kretsen.
- Det er en spenningsdeler i kontakten;
- Bryter S3 er parallelt med motstand R7. I hvile er bryteren lukket og motstand R7 er brokoblet;
- Når du tar ut pluggen, må sjåføren betjene låsekroken for å trekke pluggen ut av kjøretøyet. Mens du trykker på denne kroken, åpnes S3. Motstand R7 er en del av spenningsdeleren.
ControlPilot:
CP-en overvåker ladeprosessen fra forespørselen om å starte lading til slutten av ladingen når batteriet er fulladet. CP-en muliggjør kommunikasjon mellom EVSE-kontrolleren i ladeanlegget og kjøretøyet.
- Etter å ha koblet ladekabelen til ladestasjonen, tilfører EVSE-kontrolleren en spenning på 12 volt til Control Pilot-tilkoblingen til ladepluggen.
- så snart ladepluggen er koblet til kjøretøyet, faller spenningen til ca. 9 volt på grunn av spenningsdeleren mellom R3 og R4;
- Regulatoren måler den innkommende spenningen via ST2 (Schmitt trigger).
Strømstrømmen med tilkoblet ladekabel er markert med rødt.
- Etter å ha registrert 9 volt, aktiverer EVSE-kontrolleren relé K2. I stedet for 12 volts strømforsyning er oscillatoren inkludert i kretsen;
- oscillatoren produserer en firkantbølgespenning fra -12 til +12 volt;
- dioden sørger for at spenningen på CP-forbindelsen endres mellom +9 og -12 volt;
- Med driftssyklusen i PWM-signalet, indikerer EVSE-kontrolleren den maksimale ladestrømmen som kjøretøyet kan forbruke.
Etter å ha etablert PWM-signalet, slår kjøretøykontrolleren på relé K1 når kjøretøyet er klart til å begynne å lade.
- Relé K1 bytter motstand R5 til jord;
- på grunn av parallellforbindelsen mellom R4 og R5, faller den positive pulsen til PWM-signalet til 6 volt;
- Spenningen på 6 volt måles av EVSE-kontrolleren i ladeenheten og kobler nå strømforsyningen til ladekabelen for å lade batteriet.
Bildet under viser signalet fra kontrollpiloten, som viser spenningsutviklingen kontra tid. Denne spenningsprofilen kan måles ved Control Pilot-tilkoblingen til ladepluggen mens den er tilkoblet.
- Status A: Det er ingen forbindelse til kjøretøyet. Så lenge ingen ladekabel er tilkoblet, forblir spenningen 12 volt;
- Status B: Elbil er tilkoblet. Relé K2 er aktivert. Spenningen faller til 9 volt på grunn av dioden i kretsen;
- Status C: Relé K1 er aktivert. Dette er "signalet" for ladeenheten for å starte ladeprosessen.
Status D og E indikerer når en handling er nødvendig for ventilasjon, eller for å avslutte ladeprosessen fordi en feil har blitt oppdaget.
Elektrisitetsnett:
I delen "Ladealternativer" ble modus 1 til 4 vist. Du kan velge å lade kjøretøyet hjemme via hjemmeladeren, wallboxen, ladestasjonen eller via en hurtiglader langs motorveien. Spesielt å lade hjemme via eget ladeanlegg blir stadig mer populært. En hjemmelader kan enkelt kobles til en stikkontakt, men for å få kortest mulig ladetid med mer ladestrøm kan din egen veggboks kobles til ved å justere fordelerboksen. Først ser vi på konseptene: 1- og 3-faset vekselstrøm.
Med en 1-fase tilkobling ser vi en "standard" strømkabel med tre kjerner:
- brun: fasetråd;
- blå: nøytral ledning;
- gul/grønn: jordledning.
Med en 1-fase ladestasjon eller wallbox, strømmer elektrisiteten gjennom to ledninger (faseledningen og den nøytrale ledningen).
En 1-fase wallbox eller ladestasjon bruker standard 230 V-tilkoblingen til hjemmeelektronikken. Maksimal effekt er 16 A, noe som bringer maksimal ladeeffekt til en 1-fase lader til 3,7 kW. En 60 kW batteripakke lades på cirka 16 timer med denne ladekapasiteten, noe som tar relativt lang tid. De fleste nye elbiler har høyere kapasitet.
Det er mulig å øke maksstrømmen i fordelingsboksen til hjemmeelektronikken, slik at det blir mer kapasitet til en 32 A 1-fase lader. Lading kan i så fall gjøres med maks 7,4 kW. Men med en 1-fase lader er det en sjanse for at distribusjonsboksen blir overbelastet, noe som resulterer i strømbrudd. I tillegg til en ladestasjon er det flere elektriske apparater som bruker strømnettet, inkludert vaskemaskin, oppvaskmaskin, kokeplate og varmepumpe. Ved hjelp av lastbalansering kan maksimal kapasitet utnyttes:
- I løpet av dagen er det stor sjanse for at flere elektriske apparater brukes. Ladestrømmen for kjøretøyet reduseres;
- De fleste enheter er slått av om natten, slik at kjøretøyet får større ladekapasitet.
For å lade raskere er det mulig å koble ladestasjonen eller wallboxen til fordelerboksen via en 3-fase tilkobling. Dette trenger ikke nødvendigvis være strømflyt. Med en 3-fase tilkobling ser vi to ekstra ledninger:
- svart: ekstra fasetråd;
- grå: ekstra fasetråd.
Med en 3-fase ladestasjon strømmer elektrisiteten gjennom fire ledninger (de trefasetrådene og den nøytrale ledningen).
Ladekapasiteten til en ladestasjon eller veggboks på en 3-fase tilkobling er høyere enn ved en 1-fase tilkobling, noe som betyr at kjøretøyet lader raskere. Den maksimale ladestrømmen til kjøretøyet overskrides aldri. Noen kjøretøy er kun egnet for lading opp til 3,7 kW. Det gir da ingen mening å opprette en 3-fase forbindelse. Kjøretøy kan også være egnet for 7,4 eller 11 kW: det er verdt å øke kapasiteten (3 * 16 A) fra distribusjonsboksen.
I eldre hus ser vi ofte en 1-fase kobling (opptil 35 A) i fordelerboksen. Alle tre fasene er tilstede, men bare en er koblet til.
Fordelingsboksen kan bygges om slik at alle tre fasene benyttes. Nyere hus, hvor fordelerboksen er klargjort for flere elektriske forbrukere (som solcellepaneler, induksjonstopp og varmepumpe), kan allerede fra levering utstyres med 3-fase tilkobling. I så fall sier strømmåleren «3×220/230V eller 3×380/400 volt». Det er også totalt fire ledninger - de trefasede ledningene og den nøytrale ledningen - som kommer fra bunnen av distribusjonsboksen. Avhengig av distribusjonsboksen er gruppen beskyttet opp til 1x25A, 1x30A eller 1,35A. Jo større strømstyrke, jo mer strøm kan brukes samtidig.
Bildet under viser fem situasjoner fra en 1-fase til en 3-fase tilkobling i distribusjonsboksen og bruk av en 1-fase eller 3-fase lader.
1 fase: Med nødladeren kan du lade kjøretøyet via stikkontakten. Med wallbox kan en 1-fase gruppe lade opp til 16A uten lastbalansering, og 32A med lastbalansering. 32A kan bare oppnås når ingen andre forbrukere er aktive i huset.
For effekter opp til 7,4 kW er et 1-faset nettverk med lastbalansering mulig. Ved bruk av flere elektriske apparater med høyt forbruk i hjemmet, inkludert vaskemaskin/tørketrommel, oppvaskmaskin og varmepumpe, vil effekten reduseres for å beskytte mot overbelastning. I praksis betyr det at effekten kan gå ned med så mye som 50 %. Vekslingen fra 1 til 3 fase er derfor fornuftig.
3 fase: Hvis det kreves for mye strøm samtidig, kan dette føre til overbelastning og utløse beskyttelsen, og forårsake strømbrudd. Det er derfor viktig at nettet kan levere tilstrekkelig strøm. Med 3-fase tilkobling kan mer strøm tilføres samtidig. De 3 fasegruppene er beskyttet opp til 25A som standard.
- 11 kW: forsterkning av målerskapet er nødvendig. Justeringen fra 1 fase til 3 fase er tilstrekkelig;
- 22 kW: i tillegg til justeringen fra 1 fase til 3 fase kreves en økning på 35A.
Justeringen til 22 kW og 35A er neppe interessant for privatpersoner. På grunn av økningen må ytterligere årlige stående gebyrer på € 1000 betales. For hvert tyngre trinn (3x63A eller 3x80A) må det betales et tilleggsgebyr. I tillegg er mange elektriske kjøretøy (ennå) ikke egnet for lading med så høye vekselstrømmer:
Det er ventet at antall kjøretøy som kan lade 22 kW på AC vil øke i årene som kommer.
