Opladning af elbiler: Det komplette system

Opladning af elbiler er et koordineret system til overførsel af strøm, ikke blot et kabel mellem en stikkontakt og et batteri. Køretøjet, ladeudstyret, elinstallationen, stikket, kommunikationen, betalingstjenesten og batteristyringen skal alle være enige, før energien kan strømme.

Ét system, flere grænseflader

Ordet oplader bruges upræcist. Det er lettere at forstå opladning, når komponenterne adskilles:

Elforsyningen leverer vekselstrøm fra en bolig, en bygning eller en nettilslutning.
Elbilens ladeudstyr (EVSE) sørger for kobling, beskyttelse, signalering og en sikker forbindelse til køretøjet.
Den indbyggede oplader omdanner vekselstrøm til jævnstrøm under AC-opladning.
En DC-ladestation udfører den primære omdannelse fra vekselstrøm til jævnstrøm uden for køretøjet og leverer kontrolleret jævnstrøm til højspændingssystemet.
Køretøjets ladestyring og batteristyringssystem afgør, hvor høj spænding og strømstyrke køretøjet må anmode om.
Et ladenetværk kan håndtere godkendelse, tariffer, betaling, overvågning og fjernbetjening.

EVSE'en tvinger ikke den annoncerede effekt ind i bilen. Den kommunikerer, hvad der er tilgængeligt, og køretøjet anmoder om en mængde inden for hele systemets sikre grænser.

De fire afgørende størrelser

I samtaler om opladning blandes effekt, energi, spænding og strømstyrke ofte sammen:

Effekt, målt i kilowatt (kW), er den øjeblikkelige hastighed, som energi overføres med.
Energi, målt i kilowatttimer (kWh), er den mængde, der leveres eller lagres.
Spænding, målt i volt (V), er den elektriske potentialforskel.
Strømstyrke, målt i ampere (A), er hastigheden af strømmen af elektrisk ladning.

For en ideel DC-forbindelse:

Effekt = spænding × strømstyrke

En station, der leverer 700 V ved 400 A, yder 280 kW på det pågældende tidspunkt. Hverken mærkningen på kabinettet eller bilens angivne spidseffekt dokumenterer, at denne kombination vil forekomme. Kabeltemperatur, fordeling på anlægget, stationens spændingsområde, stikkets strømstyrke, batteriets tilstand og køretøjets begrænsninger kan alle reducere effekten.

Ladetiden er ikke blot batterikapaciteten divideret med spidseffekten. Spidseffekten varer måske kun kort, hjælpesystemer bruger energi, og den tilladte effekt ændrer sig under en ladesession. Fysikken på batterisiden, C-rate, temperatur, ladekurve og effekten af ladetilstanden gennemgås i How an EV Battery Charges.

AC og DC følger forskellige strømveje

Ved AC-opladning leverer stationen kontrolleret vekselstrøm, som bilens indbyggede oplader omdanner til jævnstrøm. Den anvendelige effekt begrænses derfor af den laveste mærkeværdi blandt bygningens forsyning, strømkredsen, EVSE'en, kablet og den indbyggede oplader. AC-opladning passer til steder, hvor en bil holder parkeret i flere timer: boliger, arbejdspladser, hoteller og destinationer.

Ved DC-opladning omdanner effektelektronik uden for bilen strømnettets vekselstrøm til kontrolleret jævnstrøm. Stationen og køretøjet fastlægger en sikker spænding, lukker kontaktorerne og forhandler løbende strømstyrken. DC-udstyr er større og dyrere, men kan overføre langt mere effekt, fordi det ikke afhænger af bilens indbyggede AC-oplader. Det bruges primært til opladning undervejs, hurtig klargøring af flåder og køretøjer uden pålidelig adgang til opladning natten over.

Den praktiske forskel er opholdstiden. En forbindelse med lav effekt kan være den bedste løsning, når bilen skal holde i ti timer; en forbindelse med høj effekt er vigtig, når hvert minut forsinker rejsen.

Niveauer, tilstande og markedsføringsbetegnelser

Terminologien for opladning varierer fra region til region. I Nordamerika er AC Level 1, AC Level 2 og DC-hurtigopladning almindelige kategorier. Markeder, der anvender IEC-standarder, bruger også Mode 1–4 til at beskrive tilslutnings- og styringsarrangementet. “Level 3” bruges ofte uformelt om DC-opladning, men er ikke en universel standard for personbiler.

Betegnelser som fast, rapid, ultra-fast og high-power charging har ingen fælles global tærskel. En præcis beskrivelse angiver strømtypen, den tilgængelige effekt, spændings- og strømområdet, stikket og det relevante ladeinterval.

Fysisk kompatibilitet er kun det første lag. Stikket skal passe, men køretøjet og stationen skal også understøtte kompatibel spænding, signalering, digital kommunikation, godkendelse og sikkerhedsadfærd. EV Charging Connectors and Inlets forklarer de vigtigste regionale grænseflader og adapteres begrænsninger.

Hvad bestemmer den faktiske effekt?

På ethvert tidspunkt begrænses den anvendelige ladeeffekt af den mest restriktive aktive grænse:

Faktisk effekt ≤ den laveste grænse, der fastsættes af
anlæg, station, kabel, stik, køretøjshardware og batteristyring

Eksempler:

En dispenser på 350 kW, der er tilsluttet et kabinet med effektdeling, kan have mindre effekt til rådighed, når et andet køretøj oplades.
En strømbegrænset station kan måske ikke levere sin annoncerede effekt til et batteri med lavere spænding.
En højspændingsbil kan have brug for en spændingsbooster eller et omkonfigurerbart batteri for at kunne benytte en DC-station med lavere spænding.
En trefaset EVSE på 11 kW kan ikke få en bil med en enfaset indbygget oplader på 7.4 kW til at modtage 11 kW.
Et koldt, varmt, næsten fuldt eller termisk mættet batteri kan anmode om væsentligt mindre, end stationen kan levere.

Den annoncerede værdi er derfor et kompatibilitetsloft, ikke en forudsigelse. Ved DC-opladning er den gennemsnitlige effekt over et angivet interval for ladetilstanden og den tilførte energi som regel mere informative end spidseffekten alene.

Kort over ladeserien

Resten af denne serie følger systemets grænseflader i stedet for at gentage batteriteorien:

EV Charging Connectors and Inlets omhandler stik, indtag, regionale standarder, adaptere og placering af ladeporten.
Home EV Charging omhandler dimensionering af strømkredse, installationssikkerhed, belastningsstyring, tariffer og det daglige energibehov.
DC Fast Charging omhandler strømvejen ved offentlig opladning, sessionens forløb, effektdeling, betaling, driftssikkerhed og ruteplanlægning.
Bidirectional EV Charging skelner mellem V2L, V2H, V2B og V2G og forklarer det nødvendige udstyr til konvertering og adskillelse fra elnettet.
Battery Swapping undersøger automatiseret batteriskift, stationens lager, standardisering, sikkerhed og økonomi.

Ledningsbaseret opladning dominerer blandt nutidens vejkøretøjer, men er ikke den eneste metode til energioverførsel. Trådløs opladning bruger magnetisk kobling over en luftspalte, mens automatiske ledningsbaserede systemer fjerner behovet for manuel håndtering af kabler. Begge kræver stadig kompatibel hardware i køretøjet, korrekt placering, kommunikation, beskyttelse og en egnet elinstallation.

Batteriskift flytter ventetiden ved energipåfyldning væk fra føreren: Stationen monterer et opladet batteri og oplader det afmonterede batteri senere.

Hvad bør en elbilkøber kontrollere?

En nyttig ladespecifikation besvarer praktiske spørgsmål i stedet for blot at anføre det største tal:

Hvilke AC- og DC-stik er monteret på det pågældende marked?
Hvad er den maksimale AC-effekt samt antallet af faser og strømstyrken?
Hvilke områder for DC-spænding og -strømstyrke kan køretøjet bruge?
Hvor meget energi tilføres i et klart angivet ladeinterval, og hvad er den gennemsnitlige effekt?
Forvarmer eller -køler navigationen automatisk batteriet før et planlagt DC-stop?
Kan bilen benytte ældre stationer eller stationer med lavere spænding uden et alvorligt effekttab?
Understøttes Plug & Charge, roaming og betaling uden abonnement på de netværk, føreren vil bruge?
Er tovejskapaciteten tilgængelig nu til det ønskede formål, eller beskrives den blot som forberedt til fremtiden?
Hvor sidder indtaget, og rækker typiske kabellængder ved kørsel med anhænger eller udstyr monteret bagpå?

Ingen enkelt ladespecifikation besvarer alle anvendelsestilfælde. Hjemmeopladning er et spørgsmål om energiplanlægning; opladning undervejs er et spørgsmål om tid og netværk; batteriets modtagelse af strøm er et elektrokemisk og termisk spørgsmål. Når disse grænser holdes tydelige, bliver sammenligninger retfærdige.