Åpningen av hurtigladestasjon på Statoil Økern. (Bilde: Håkon Jacobsen)

HVORDAN VIRKER: HURTIGLADING AV ELBIL

Slik fungerer hurtiglading av elbil

Etablering av hurtigladere er et viktig virkemiddel for å styre bilparken mot en større elbilandel.

Det sørger for at bilen i større grad kan brukes som en bil med forbrenningsmotor.

I dag er de fleste bilmodeller, med unntak av Teslas biler og Kia Soul EV, begrenset til en ladeeffekt på 50 kilowatt.

De fleste elbiler med batteri på rundt 25 kilowattimer trenger å lade omtrent en halvtime for å få nær fullt batteri. 

Om det skal legges til rette for elbilisme, trengs det derfor en hel del hurtigladere langs hovedveiene. De vil selvsagt ikke brukes like hyppig som bensinpumper, men skal du kjøre langt trenger du å lade underveis. Mange hurtigladere vil redusere sannsynligheten for kø ved laderen.

Det eneste som trengs er strøm

Å etablere en hurtiglader er i prinsippet ikke verre enn å ha tilgang til strøm, og et sted å plassere ladestasjonen.

Arne Sigbjørnsen, sjef for ladeinfrastruktur for elbiler i ABB, forklarer at kraftig nok elektrisitetsforsyning vanligvis er lett tilgjengelig. Da er det i prinsippet bare å lage et fundament laderen kan stå på, og koble det opp.

Hurtigladere trenger tilgang til 400 volt trefase, enten rett fra trafostasjon, eller en transformator som transformerer opp fra 230 volt. Likeretteren i laderen forsyner så bilen med likestrøm. Laderen har også en kontroller som kommuniserer med bilen, og kommunikasjon med omverdenen via internett.
Hurtigladere trenger tilgang til 400 volt trefase, enten rett fra trafostasjon, eller en transformator som transformerer opp fra 230 volt. Likeretteren i laderen forsyner så bilen med likestrøm. Laderen har også en kontroller som kommuniserer med bilen, og kommunikasjon med omverdenen via internett. Illustrasjon: Stein Jarle Olsen

 

Hurtiglading vs bensinpumpe

En vanlig bensinpumpe leverer 40 liter i minuttet (kilde).

Det er en energimengde på 364 kilowattimer i minuttet.

Forutsatt at en hurtiglader leverer en konstant effekt på 50 kilowatt, og lader et batteri med 25 kilowattimer fra null til hundre prosent på 30 minutter, leverer hurtigladeren 0,83 kilowattimer i minuttet.

Regnestykket er kraftig forenklet. 

Bensinpumpen leverer uansett flere hundre ganger mer energi per minutt.

Om en hurtiglader skulle levert samme energimengde som bensinpumpen på samme tid, måtte den hatt en effekt på nesten 22 megawatt.

Slik fungerer en hurtiglader

En hurtiglader krever tilgang til trefase 400 volt. Er det ikke dette på stedet, må det i tillegg installeres en trafo som transformerer opp spenningen.

Riktig spenning er dog ikke nok. Det kan tas ut store effekter, så det må også kunne leveres nok strøm. For én hurtiglader på 50 kilowatt kreves minimum 80 ampere.

Noen ladere kan også hurtiglade med likestrøm og vekselstrøm samtidig, for eksempel en Nissan Leaf og en Renault Zoe. Da anbefales det opp mot 160 ampere.

Enova satt som minimumskrav to hurtigladere per ladested under utlysingen av anbudskonkurransen i Sør-Norge, hvor Fortum trakk det lengste strået.

Det må tas høyde for at to biler skal kunne lade med full effekt samtidig. Dermed må hver ladeplass ha tilgang til trefase 400 volt og 160 ampere for å kunne operere to ladere med inntil 100 kilowatt til sammen. 

For at hurtigladeren skal fungere, må strømnettet være stabilt. Den er laget for å kunne klare en spenningsvariasjon på inntil ti prosent, altså i området 360 til 440 volt. Ved lavere eller høyere spenning vil en sikkerhetsmekanisme slå ut, og laderen kobles fra nettet.

Dette kan skje ved variasjoner i nettet, eller om en bil trekker så mye strøm under ladestart at spenningen i nettet faller.

Likeretter

Japansk industri står bak CHAdeMO-standarden.
Japansk industri står bak CHAdeMO-standarden. Foto: Stefan Ataman / Shutterstock.com

Hurtigladeren består i prinsippet av tre ting: Likerettere, som omformer vekselspenning fra nettet til likespenning som lader bilen, og en datamaskin som styrer strøm og spenning ut fra ladestasjonen og kommuniserer med bilen som lades, og en kommunikasjonsmodul som kommuniserer med leverandør og operatør.

– Hurtigladeren har 50 kilowatts likerettere. Hos ABB består dette av moduler på ti kilowatt hver. Noen andre produsenter har én stor likeretter på 50 kilowatt. Fordelen med å heller bruke moduler er at dersom det oppstår en hardware-feil i en av likeretterne, vil hurtigladeren bare begrense effekten til 40 kilowatt. Har du kun én likeretter, har du ingen effekt om den feiler, sier Sigbjørnsen.

Likeretteren i ABBs hurtigladere er tilpasset denne bruken, men er ifølge Sigbjørnsen stort sett en standardkomponent.

Temperaturkontroll

Den har en virkningsgrad på omtrent 96 prosent ved full last. Resten avgis som varme. Hele veien fra strømnett til batteri anslår Sigbjørnsen at virkningsgraden er omtrent 85 til 90 prosent.

Varmen kan fjernes, men den kan også brukes til å holde temperaturen i hurtigladeren innenfor et ønsket optimalt intervall.

Hurtigladeren opererer i temperaturer fra 35 kuldegrader til 50 varmegrader, så avhengig av omgivelsestemperatur må den varmes opp eller kjøles ned. Temperaturen inni skapet er som regel mellom null og 15 grader. Om temperaturen faller, vil et varmeelement sørge for at temperaturen holdes oppe.

Dette er viktig for å sørge for at elektronikken i laderen har riktig driftstemperatur.

Ladeproblemer?

Man kan noen ganger oppleve problemer med hurtiglading. 

Ifølge Sigbjørnsen er de vanligste årsakene til at en elbil ikke kan starte lading på en hurtiglader:

Ikke godkjent betalingsbrikke, eller misforståelse om hva som kreves av betaling.

Mobilt nettverk eller server er nede, slik at betaling ikke kan registreres.

Brukerfeil - Nye elbileiere som ikke vet forskjell på for eksempel AC- og DC CCS-plugg.

Intern feil i elbil, for eksempel at sikkerhetssjekk feiler, at bil er i feil modus, eller at bilen har gammel firmware.

Intern feil i hurtiglader, som defekt kontakt, defekt likeretter, jordfeil, eller sikring. PC i lader kan også være rammet av feil.

Fra lader til bil

Fra likeretteren går likestrøm til bilen for opplading av batteriet. I tillegg er det sikkerhetsmekanismer som jordfeilbryter og overspenningsvern på inngang og utgang. Stort mer komplisert er det ikke.

Det er likevel ikke slik at det bare er å sette strøm på bilen for å lade batteriet. Det er tross alt store effekter involvert, og skadepotensialet er stort dersom noe skulle gå galt. Derfor sjekkes tilkoblingen før lading starter.

Tverrsnittet på likestrømsledningene i kabelen du kobler til bilen ligger typisk på rundt 35-40 kvadratmillimeter. Spenningen over disse er mellom 50 og 500 volt, alt etter hva bilen ber om.

Når ladekabelen settes i bilen, opprettes kommunikasjon mellom laderen og bilen. Bilen signalerer da til laderen informasjon som biltype og batteristørrelse.

Deretter utføres en sikkerhetssjekk med 24 volt, for å undersøke om det er lekkasjestrømmer og jordfeil, og at kontrollsignalet mellom bilen og laderen ser riktig ut. Om alt er i orden, gir laderen klarsignal til bilen. Om noe er galt, startes ikke ladingen.

Bilen har siste ord

Så sant laderen har gitt klarsignal, er det heretter bilen som styrer showet. Den kan nå sende forespørsel om ønsket ladeeffekt, og justere dette underveis i ladingen. Bilen vil aldri lade på full effekt hele tiden.

– Effekten er i snitt 30 kilowatt på en Nissan Leaf med 24 kilowattimers batteri, og toppeffekten omtrent 49 kilowatt, forutsatt at batteriet har driftstemperatur. Toppeffekten leveres bare i noen få minutter, sier Sigbjørnsen.

Jo større batteri bilen har, jo lenger tid vil bilen kunne lade med full effekt. Snitteffekten vil derfor være høyere på en Leaf med 30 kilowattimers batteri, eller en Tesla Model S med inntil 85 kilowattimers batteri - enn en Leaf med 24 kilowattimers batteri. 

Når bilen har fått nok strøm, sender den beskjed til laderen om å avslutte ladingen.

Kommunikasjon

Alle hurtigladere er utstyrt med kommunikasjonsmulighet. Det skjer vanligvis via mobilt internett. ABBs hurtigladere kommuniserer med ABB, NOBIL som tilbyr sanntidsdata om status til hurtigladekart, og ladeoperatøren.

Kommunikasjonen med ABB lar dem overvåke driften av laderne. De kan da undersøke feil eksternt, og i mange tilfeller feilsøke og feilrette eksternt, eller sende ut en tekniker.

Ladeoperatøren kobler sine systemer til laderen via protokollen OCPP. Dette setter operatøren i stand til å identifisere kunder, overvåke hvor mye energi som er levert, ta betaling og annet.

Europeiske og amerikanske bilmerker bruker CCS-standarden.
Europeiske og amerikanske bilmerker bruker CCS-standarden. Foto: Volkswagen

CCS og CHAdeMO

For hurtiglading på offentlig tilgjengelige ladestasjoner er det i praksis to standarder: CCS og Chademo.

Foruten forskjellig utformede ladeplugger, er det en del forskjeller i standardene. Chademo er den eldste standarden, utviklet av japansk bilindustri.

Deretter kom CCS, også kjent som Combo, utviklet av europeiske bilfabrikanter sammen med amerikanske.

Dette gjør ikke bare at det må være to kabler ut, men også at hurtigladeren må utstyres med programvare som kan håndtere begge deler.

– Standardene har ulike sikkerhetssystemer. Et eksempel er Tesla, som har lagd en adapter til Chademo. Sannsynligvis er standarden til Tesla mest lik Chademo, og såpass ulik CCS at det krever mye mer arbeid å få den tilpasset. Men hardware-messig er det motsatt, siden pluggen passer bedre til CCS, sier Sigbjørnsen.

Kommunikasjonsprotokollene og –metodene er også forskjellige. Chademo er basert på kommunikasjon over CANbus-protokollen, mens CCS er basert på PLC-protokoll.

–  Språket i protokollene er skrevet forskjellig. Det beste hadde vært om alle biler kunne tilpasse seg én standard, sier Sigbjørnsen.

På nye ladeplasser er det også krav om vekselstrømladere med type 2-kontakt.
På nye ladeplasser er det også krav om vekselstrømladere med type 2-kontakt. Foto: Renault

Vekselstrømslading kreves

En stund ble hurtigladere også utstyrt med hurtiglading med vekselstrøm opp til 43 kilowatt.

Siden de første årsmodellene av Renault Zoe er den eneste bilen som støtter det, og Renault senere har fjernet mulighet for hurtiglading på nyere modeller, er det sjeldent nye ladestasjoner utstyres med dette.

Slik lading har enkelte fordeler, blant annet at en hurtigladestasjon kan forsyne en bil med vekselstrøm samtidig som en annen bil hurtiglader med likestrøm, så sant det er nok tilgjengelig effekt inn til stasjonen.

Enova har satt 22 kilowatt vekselstrøm som krav på nye hurtigladestasjoner som mottar støtte, slik at alle biler med type 2-kontakt kan lade med vekselstrøm der.

Arctic Roads har installert en hurtiglader fra Delta Electronics som kan levere 120 kilowatt i Vestby.
Arctic Roads har installert en hurtiglader fra Delta Electronics som kan levere 120 kilowatt i Vestby. Foto: Marius Valle

Oppgradering til høyere effekter

I dag hører det til unntaket at hurtigladere leverer høyere effekt enn 50 kilowatt. I fremtiden vil det komme biler som støtter ladeeffekter på mer enn 100 kilowatt.

– Det vil fortsatt være behov for dagens 50 kilowatt hurtigladere i fremtiden, da dagens mer enn 75.000 elbiler fortsatt vil kunne benytte disse. I tillegg vil fremtidens elbiler kunne benytte 50 kilowatt-ladere som en form for semihurtiglading. Derfor vil det være behov for både 50 kilowatt-hurtigladere og høyeffektsladere på mer enn 100 kilowatt når neste generasjon elbiler kommer på markedet, sier Sigbjørnsen.

Sigbjørnsen tror noen operatører kanskje vil ønske kanskje å oppgradere hurtigladere de har, men at det er ikke sikkert det vil lønne seg.

– Det er ikke sikkert kommende standard vil være basert på samme CCS- og Chademo-standard som i dag. Det kan for eksempel bli krav om høyere spenning, som betyr at man må sette inn en ny likeretter. Da må alt byttes, kanskje også kontakter og annet. Det kan være så omfattende at det ikke vil lønne seg å oppgradere eldre stasjoner, sier Sigbjørnsen.

Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.

Kommentarer (16)

Kommentarer (16)