Opladning af elbiler og de forskellige kontakttyper

Hans Steffensen  

Oversat og bearbejdet af Hans Steffensen.


Hvad sker i en biloplader?

Batteriet i en elbil oplades ved hjælp af jævnstrøm (DC). Vekselstrøm (AC), som man får fra elnettet, skal derfor ensrettes før den kan benyttes til opladning af batteriet.

Dette gøres i den ladeenhed som er bygget ind i bilen. Hvor effektiv laderen er, bestemmer hvor hurtigt bilen kan oplades med AC, og hvor stort et energitab der sker under opladningen. 

For eksempel, kan den interne oplader i en Nissan Leaf kun lade med en effekt på max 3,3 kW, mens Renault Zoe kan lade med op til 43 kW. Tesla leveres standard med 11 kW intern oplader, men kan udvides til 22 kW (dobbeltlader).

Hurtig opladning foregår normalt med jævnstrøm (DC), hvor selve ladeenheden er udenfor bilen. Det er selve ladestationen, der er opladeren. Det gør det muligt at levere meget høj effekt (kort ladetid) og forenkler konstruktionen af opladeren i bilen, der således ikke behøver at håndtere den høje effekt. 

Ulempen ved at placere ladeenheden i en ekstern ladestation er, at det kræver en væsentlig større investering at installere en DC ladestation end at opsætte en AC ladeboks, eller et industristik til brug for opladeren i bilen.

At installere en hurtig ladestation med CHAdeMO og CCS eller en Tesla Super Charger, kan koste flere hundrede tusind kroner.

Hvilket ”opladnings mode”?

Ud over de forskellige stiktyper, er der også forskellige såkaldte ”modes” at forholde sig til.

Mode 1: Direkte tilslutning til stikkontakt eller industriskontakt med jord. Mode 1 opladning er begrænset til en ladestrøm på max 16 A, 230 V enfaset eller 400 V trefaset. Mode 1 kontakter har ingen kommunikation mellem strømkilden og bilens ladekredsløb. Mode 1 anvendes ikke i moderne elbiler.

Mode 2: Tilslutning til almindelig stikkontakt med jord eller industristik men med en kontrolboks på ladekablet. Mode 2 opladning er begrænset til max 32 A, 230 V enfaset eller max 32 A, 400 V trefaset. Kontrolboksen på kablet kommunikerer med opladeren i bilen og sikrer blandt andet, at jordforbindelsen er korrekt. Desuden bestemmes hvor stor ladestrøm der må trækkes fra strømkilden. ”Mormorlader” er et typisk eksempel på en Mode 2 oplader.

Mode 3: Tilkobling til ladestander eller ladeboks med indbygget kontrolenhed. Mode 3 opladning forudsætter kommunikation mellem opladningspunkt og bil. Opladningen kan ikke starte, førend kommunikationen mellem bil og opladningspunkt er oprettet. For ladestrøm over 32 A kræves et specielt kabel, der understøtter ekstra høj strømstyrke. Mode 3 hurtigladere har normalt et fast monteret ladekabel. Fastmonterede hjemmeladere er typisk Mode 3 opladere. Transportable ladebokse som tilsluttes industristik er normalt også Mode 3 opladere.

Mode 4: Tilkobling til en DC oplader med kommunikation mellem bil og ladestation. CHAdeMO og CCS samt Tesla Super Charger er typiske eksempler på Mode 4 opladning. Opladningsstrøm på op til 400 A understøttes.

Sådan fungerer de forskellige ladekontakter til elbiler

Mange oplader via almindelig stikkontakt derhjemme. Der er imidlertid mange farer og ulemper forbundet med dette, som bl.a. fremført af Sikkerhedsstyrelsen i Danmark.

Stikkontakter i boligen er ikke beregnet til vedvarende høj belastning, og der er en væsentlig risiko for overophedning og i værste fald brand. Det anbefales derfor at få installeret en fast hjemmeladeløsning som er langt mere sikker.

Dette giver desuden den fordel, at man kan få en højere ladehastighed når man bruger en sikker løsning med speciel installeret ladeboks eller industristik til opladning af elbil.

Ingen fælles standard

I en ideel verden var alle elbil fabrikanter blevet enige om en standard for opladning af elbiler. Sådan er det desværre ikke. I dag, er det i praksis tre forskellige systemer, og variationer af disse, som i større eller mindre grad, er kompatible med hinanden.



Type 1 kontakten er almindelig på japanske biler, og er standard i Nordamerika.

Type 1 kontakten er almindelig på japanske biler, og er standard i Nordamerika.

Type 1

Type 1 er den kontakt, der bruges til normal opladning af bl.a. Nissan Leaf. Også kaldet Yakazi-stik.

Den bruges til at forsyne bilens oplader med enfaset vekselstrøm (AC). Type 1 forbindelse er specificeret til at håndtere 120 og 240 V, op til 80 A.

Type 1 understøtter effekter op til 19 kW, men i praksis bruges den kun til opladning med op til ca. 3,6 kW (230 V, 16 A). Der er kun understøttelse af enkelt fase strømforsyning i type 1 kontakt.

Det har fem forbindelser, hvor to er til ladestrøm, én er til jord, og to til signaloverføring.

Sikkerhedsmekanismer

Så længe der er kontakt via signalforbindelsen, vil bilen ikke kunne sættes i gang. Pilot signalet sikrer kommunikation mellem kontrolboks og opladeren i bilen.

Stikket er designet således at kontakterne til signaloverføring vil miste kontakten først hvis stikket trækkes ud. Derfor vil ladestrømmen afbrydes før kontakten er trukket helt ud.

Det er også en sikkerhedsmekanisme i den fysiske udløsermekanisme i stikket, som straks bryder signalforbindelsen og dermed ladestrømmen, hvis udløsermekanismen påvirkes.

Type 1 kontakt kan bruges sammen med type 2 udtag på en ladestation ved hjælp af et kabel, der har type 1 stik på køretøjssiden og type 2 stik på strømudtagssiden.

Type 1 kontakt findes i praksis kun i biler, som også har CHAdeMO forbindelse til hurtigladning.

Type 1 anvendes, blandt andet af: Nissan Leaf, Nissan EV200, Peugeot/ Citroën /Mitsubishi "trillinger", Kia Soul EV, Ford Focus Electric.



Type 2 kontakten er en forholdsvis enkel kontakt med mange muligheder. Den understøtter tre-faset AC strømforsyning, men kan også bruges til jævnstrøm (DC).

Type 2 kontakten er en forholdsvis enkel kontakt med mange muligheder. Den understøtter tre-faset AC strømforsyning, men kan også bruges til jævnstrøm (DC).

Type 2

Type 2 kontakten er meget fleksibel. Den understøtter jævnstrøm (DC) og vekselstrøm(AC), såvel én-faset og tre-faset. Endvidere er den relativt lille i størrelse.

Kontakten har syv forbindelser. Tre er faseledere, én er nulleder, og én er jord. De to sidste bruges til kommunikation mellem bil og ladepunkt når der sluttes til et Mode 2 eller Mode 3 opladningspunkt.

Type 2 kontakten er specificeret op til 500 V AC og 63 A, tre-fase, eller 70 A, én-fase. Hurtig AC opladning med Type 2 kontakt er i praksis baseret på tre-faset vekselstrøm.

Kontakten kan også benyttes til jævnstrøm (DC), op til 500 V og 140 A, ved at flere faseledere og nulleder bruges afhængig af strømstyrken. Tesla benytter denne metode i Europa, men har en proprietær løsning, der er forstærket til at tåle 250 A.

Ingen kontakt, ingen strøm

Som type 1 kontakten, er type 2 designet således at faselederne ikke spændingssættes førend kontrolsignalerne er på plads. Disse sidder dybere i kontakten, og vil derfor blive brudt først hvis stikket trækkes ud.

Faselederne vil derfor ikke være strømførende hvis stikket trækkes ud. Herved undgås dannelse af lysbue og beskadigelse af kontakten og stikket.

Type 2 har også en mekanisk lås, på såvel bilsiden som på strømudtagssiden, som styres af bilen. Dette forhindrer at man kan fjerne kablet, selv hvis opladningen er afsluttet. Det forhindrer også at stikket kan trækkes ud, mens det er spændingssat.

Det er ikke muligt at sætte bilen i bevægelse, mens den er tilsluttet.

Mange biler understøtter Type 2 kontakten, men ikke alle kan hurtiglade med den. I praksis er det for nærværende kun Renault Zoe, SMART og Tesla Model S, der kan hurtigoplade eller semi-hurtigoplade med Type 2.

Kun en kontakt nødvendig

Fordelen ved type 2 er at der kun er behov for én ladekontakt. Selve kontakten er desuden relativ lille og enkelt konstrueret.

Offentlige hurtigladere som benytter Type 2, leverer som regel op til 400 V 63 A trefaset AC. Dette giver en effekt på 43 kW. Det kræver at laderen i bilen formår at håndtere så stor en effekt.

Lige nu er det kun Renault Zoe, der har en sådan lader indbygget i bilen. Fremover vil 43 kW lader ikke være tilgængelig på alle modeller hos Renault, så i virkeligheden sælges kun et begrænset antal nye biler med understøttelse af hurtig opladning med AC.

Praktisk taget alle de elbiler der sælges i Europa kan bruge type 2 til normal opladning (2kW – 11 kW).

CCS kontakten er baseret på type 2 stik, og tager vekselstrøm i del af kontakten, der har den samme facon som type 2.

Type 2 bruges blandt andet af: Alle biler med CCS, MB B-klasse Electric Drive, Renault Zoe/Kangoo, Tesla Model S.

Med korrekt ladekabel kan Type 2 strømudtag også anvendes af alle biler med Type 1 kontakt til én-faset opladning. Signalforbindelsen i Type 2 er kompatibel med Type 1.

Tesla's Type 2 variant

Den europæiske variant af Tesla Model S understøtter ikke hurtig opladning med AC over Type 2, kun semi- hurtig opladning, op til 22 kW. Det kræves dobbelt oplader i bilen for at opnå denne effekt.

I stedet benytter Tesla en modificeret løsning baseret på Type 2 kontakt, som også kan modtage jævnstrøm (DC) med en effekt på 120 kW. Her kan understøttes indtil 500V 250A, som er mulig på Tesla´s Super Charger stationer.

I denne opsætning er alle faseledere og nulleder brugt til jævnstrøm (DC) som det principielt er muligt på Type 2. Tesla har dog forstærket kontakterne i Type 2, således at de kan levere langt større strømstyrker. Dette gør Tesla´s løsning proprietær.

Det er ikke muligt at oplade andre end Tesla elbiler på Super Charger stationerne, trods samme udformning af Type 2 kontakten. Kommunikationen mellem ladestation og bil vil forhindre at opladning startes. Modificeret Type 2 bruges p.t. kun på Tesla Model S. Vil også blive anvendt på kommende Model X og andre fremtidige modeller fra Tesla.



CCS kontakten er en videreudvikling af den normale Type 2 kontakt, men med særlige kontakter for jævnstrøm (DC). Jordforbindelse og kommunikation sker over kontakterne i Type 2 delen.

CCS kontakten er en videreudvikling af den normale Type 2 kontakt, men med særlige kontakter for jævnstrøm (DC). Jordforbindelse og kommunikation sker over kontakterne i Type 2 delen.

CCS-Combo

Combo Charging System, eller CCS er som det forkortes, er et system udviklet i et forsøg på at harmonisere opladning verden over. Det er en videreudvikling af eksisterende Type 1 og Type 2 kontakterne.

Mens man i Europa og Kina ønsker at bruge tre-faset vekselstrøm (AC) til opladning, er dette ikke udbredt i Japan og USA. Derfor har man baseret CCS på de eksisterende kontakter, men tilføjet særlige jævnstrømskontakter (DC) som tåler høj effekt.

Over disse ekstra to kontakter kan der leveres indtil 500V  200 A, som giver en effekt på 100 kW. I praksis leveres 50 kW på offentlige jævnstrøms ladestationer (DC) i dag.

Identisk med Type 2

CCS kontaktens øverste del i bilen er helt identisk med den almindelige Type 2 kontakt. For hurtig jævnstrømsladning (DC) benyttes de nederste kontakter. Kommunikationskontakterne i Type 2 delen bruges til kommunikation mellem bil og ladestation.

Sikkerhedsmekanismerne er de samme som på Type 2.

Kontakterne i den øverste del af Type 2 kontakten bruges til at forbinde vekselstrøm (AC) til bilen, når der ikke skal hurtiglades. Dermed behøves kun et standard Type 2 kabel til normal opladning af en bil med CCS kontakt.

Fordelen ved CCS er således, at biler i teorien kan bygges til at understøtte hurtig opladning med både vekselstrøm (AC) og jævnstrøm (DC).

I praksis benyttes på nuværende tidspunkt kun jævnstrøm (DC) til hurtig opladning af biler med CCS.

CCS bruges blandt andet af:  VW e-UP, VW e-Golf, BMW i3.

 

 

CHAdeMO kontakten bruges til hurtig opladning af hovedsagelig japanske biler. Den har et omfattende kommunikationssystem med både analog og digital signalering mellem bilen og opladeren.

CHAdeMO kontakten bruges til hurtig opladning af hovedsagelig japanske biler. Den har et omfattende kommunikationssystem med både analog og digital signalering mellem bilen og opladeren.

CHAdeMO

CHAdeMO er en standard udviklet af hovedsagelig japanske bilproducenter og Tokyo Electric Power Company. I dette system bruges kun jævnstrøm (DC).

Biler der bruger CHAdeMO, må derfor have en separat kontakt til vekselstrøm (AC). Da CHAdeMO kun benyttes af biler fra japanske og koreanske producenter, benyttes Type 1 kontakten til dette formål.

CHAdeMO opererer på op til 500 V, og kan levere op til 125 A. Dette giver en effekt på 62,5 kW. I praksis leverer de fleste CHAdeMO hurtigladere op til 50 kW.

CHAdeMO specifikationerne muliggør imidlertid strømstyrker på indtil 200 A i fremtiden.

Redundant system

Sikkerheden varetages ved at tilkoblingen er fysisk låst. Der sættes ikke spænding på kontakterne førend bilen beder om det. Under opladning overvåges for jordfejl, således at eventuelle fejl straks stopper opladningen.

CHAdeMO kontakten har ti forbindelser. To af disse er til DC, to er til kommunikationen med køretøjets CAN-bus system, og resten er til analog kommunikation.

Dette er et redundant system. Den analoge kommunikation bruges til at sende et signal om at opladningen er ved at starte. Information om batteriets kapacitet og ladestrøm sendes derefter fra bilen til ladestationen via CAN-bus.

Hvis alt er i orden, beder bilen om at opladning startes via et analogt signal. Derefter låses stikket på plads, og der testes for bl.a. jordfejl førend opladningen startes.

Det er muligt at konfigurere opladere for kun at bruge digital kommunikation via CAN-bus, men der bruges normalt en kombination for at udelukke eventuel fejlinformation fra CAN-bus. Hvis det analoge signal bliver afbrudt, vil opladningen stoppe øjeblikkeligt.

Det er ikke muligt at sætte bilen i bevægelse, mens den er tilsluttet.

Selvom både CHAdeMO og CCS benytter jævnstrøm (DC), er de ikke kompatible med hinanden. Dette fordi de bruger forskellige kommunikationsprotokoller mellem bilen og ladestationen.

Mens CCS benytter GreenPHY-protokollen, bruger CHAdeMO en egenudviklet protokol i tillæg til CAN bus-protokollen.

CHAdeMO bruges blandt andet af: Nissan Leaf, Nissan EV200, Kia Soul EV, Mitsubishi/Peugeot/Citroën "trillinger". Peugeot Partner og Tesla Model S understøtter også CHAdeMO via særlig adapter.

 

 

Industrikontakter, også kendt som CEE kontakter, findes i flere varianter. De kan levere én-faset eller tre-  faset vekselstrøm (AC) og væsentlig større strømstyrker end almindelige stikkontakter samt tåle konstant   høj belastning.

Industrikontakter, også kendt som CEE kontakter, findes i flere varianter. De kan levere én-faset eller tre- faset vekselstrøm (AC) og væsentlig større strømstyrker end almindelige stikkontakter samt tåle konstant høj belastning.

Industrikontakt

Ud over de tidligere nævnte typer af kontakter, kan elbiler også oplades via en industrikontakt med én-faset eller tre-faset vekselstrøm (AC).

Her skal man benytte et overgangsstik eller et passende mellemkabel, afhængigt af hvad bilmodellen understøtter.

I de fleste tilfælde behøves også en kontrolboks på kablet, så man får Mode 2 opladning. Der findes også flere typer transportable ladebokse der kan tilsluttes industrikontakter, de fleste af disse ladebokse understøtter Mode 3 opladning.

Der findes flere typer af industri kontakt end de her viste. Farven fortæller hvilken spænding kontakten har. Blå er 230 V 16 A én-fase, og rød er 400 V tre-fase. Røde kontakter findes i 16 A / 32 A / 63 A.

Man kan se industrikontakten som en meget kraftig udgave af en almindelig stikkontakt med jordforbindelse. Hvor stor effekt der kan lades med, afhænger af den aktuelle industrikontakt og bilens indbyggede lader.

Almindelig stikkontakt

Langt de fleste biler kan oplades fra en almindelig stikkontakt med jord. Fordelen er tilgængelighed næsten overalt, men der er mange begrænsninger for hvor stor effekt der kan aftages.

Som oftest er begrænsningen på 10 A (2,3 kW) og i mange tilfælde tillades kun max belastning i et begrænset tidsrum, f.eks. højst 3 timer. Specielt i gamle elinstallationer, med mange koblingspunkter mellem sikringsskab og stikkontakt, kan det være problematisk at belaste med 10-16 A over længere perioder.

Overophedning af kabler og samlepunkter samt selve stikkontakten, kan være et alvorligt problem. I gamle og defekte elinstallationer kan der opstå brandfare.

Medmindre man kan benytte en stikkontakt med direkte kabelfremføring til eltavlen og med separat sikring, bør en almindelig stikkontakt kun benyttes til nødopladning over kortere tidsrum. Strømstyrken bør begrænses til 6-10 A.

Den sikreste løsning, som samtidig også giver kortere ladetid, er som tidligere nævnt en speciel installation med fast ladeboks eller industrikontakt med tilstrækkelig strømstyrke.



 Kommentér på FaceBook