Sikre forbindelser til morgendagens elbiler
Af Per Praëm - Danske Elbil Komité ( 21. oktober 2008)
Med snart hundrede af nye elbiler på vej ser det ikke ud til, at der ikke tegner sig nogen fælles standard for stikforbindelser til opladning. Hver model går sin vej.
Det myldrer frem med nye elbiler næsten hver dag og elselskaberne snakker om et intelligent netværk til opladning af elbilerne med vindmøllestrøm, men hvordan skal det nogen sinde lade sig gøre at lave en sådan infrastruktur, hvis hvert fabrikat har sit eget system til tilslutning for opladning.
Der forskellige typer af batteripakker med forskellige klemspændinger i de mange elbiler, som pibler frem, hver med sin egen on-board lader, som ofte "kun" indeholder stikforbindelser til overførsel af energi - i de fleste tilfælde ender kablet, der skal tilsluttes lysnettet i et 1-faset, 16 amperes blåt CEE-stik.
Det er på tide at nogen tager fat om nældens rod, så vi, inden det er for sent, får lavet en fælles standard for ladetilslutning til morgendagens elbiler.
Fabrikkerne kender tilsyneladende ikke brugernes krav/ønsker
Skal en ladeforbindelse betragtes som pålidelig er der en række basale krav, som skal være opfyldt. For det første skal stikforbindelsen i begge ender af ladeledningen være vejrbestandig. Stikforbindelsen skal være vandtæt, så der ikke kommer vand ind i stikket, når det regner.
Ledningen skal være sikret mod vejret
For år tilbage, da vi her i Danmark stadig kørte løb med elbiler - det såkaldte "solarcup" - deltog jeg også, og en nat i Ålborg hvor der skulle lades til næste dags etape, slog et HFi relæ fra gentagne gange. Til sidst blev årsagen fundet: En Kewet elbil, hvor man samler 230 voltledningen ca. 10 cm uden for bilen med et almindeligt forlængelednings hunstik, som for øvrigt kun er beregnet til indendørs brug, havde fået vand ind i samlingen, selv om ejeren af bilen havde forsøgt at beskytte sig ved at pakke samlingen ind i en plasticpose.
Ledningen skal være sikret mod hærværk
Når en elbil lader op på offentlige parkeringspladser, sker det ofte, at ejeren efterlader bilen uden opsyn. Hele formålet er jo netop at han kan gå i biografen, ud og shoppe eller på arbejde mens bilen lader op.
Derfor er det vigtigt at man kan stole på at bilens batteri har modtaget den forventede mængde strøm, når ejeren kommer tilbage og skal køre videre. Skulle det ikke være tilfældet, så er det jo ikke sikkert at han/hun har strøm nok til at nå frem til sit næste bestemmelsessted.
Det er derfor af stor vigtighed at ingen andre en ejeren af bilen kan afbryde ladeforløbet, derfor bør ladekablet låses fast i begge ender - både til bilen såvel som til den ladestander, som levere strømmen. Ingen tilfældig forbipasserende må - som drengestreger - kunne frakoble strømmen, ligesom en anden elbilejer heller ikke må kunne flytte kablet over til sin bil, så han på den måde stjæler strøm på en anden mands konto.
Automatisk identifikation af den tilsluttede elbil
Da de nuværende ladestandere i København så dagens lys i starten af halvfemserne, blev strømmen afregnet via små-penge-kortet ”Danmønt”. Efter end tankning, skulle brugeren indsætte sit Danmønt-kort og når den forbrugte strøm var blevet debiteret kortet, så frigav standeren brugens ladeledning, som var fastlåst til standeren indtil betaling havde fundet sted.
I dagens Danmark vil betalingen foregå ved at pengene trækkes direkte på ens bankkonto, når blot ladestanderen har fået oplysninger hvem der ejer den tilsluttede elbil. En måde at gøre disse oplysninger tilgængelige for standeren, kunne være at indbygge en RF-ID chip i det stik, som sættes i standeren. Akkurat som vi kender fra Storebælts ”Bro-bizz”.
Når brugeren har sat sit stik i ladestanderen, skal han indtaste en PIN-kode for at godkende købet af strøm, herved låses stikket fast til standeren og strømmen begynder at flyde. Når ladningen ønskes afbrudt, så indtaster brugeren på ny sin PIN-kode, hvorved ledningen frigives.
Koordinering af ladestrøm i takt med vindemøllernes produktion
Som udgangspunkt behøvede der ikke at foregå nogen form for kommunikation mellem elbilens computer og ladestanderen.
Ofte, når man sætter sin elbil til opladning på en offentlig parkeringsplads i centrum af en byen, er det fordi man
har behov for at lade op, fordi man ellers ikke kan nå sit næste mål - f.eks. ikke har strøm nok til at komme hjem igen.
Derfor må det forventes at en stor del af de brugere, som besøger ladestanderen i dag- eller aften-timerne ikke ønsker at ladningen vil blive reguleret ned i tilfælde af, at der ikke er nok vindmøllerstrøm til stede. Hvorimod de elbiler, som står til ladning natten over, ofte vil være ejet af en person, som bor i lejlighed i nærheden, og som vil være tilfreds, bare bilen er fuldt opladet til næste morgen.
Ladestanderen vil med fordel kunne indrettes således, at når brugeren har indtastet sin PIN-kode, så vil han - via standerens display - blive spurgt, om han ønsker at lade til "rabat-takst" - dvs. kun vindmøllestrøm, eller om han insisterer på at få strøm på batterierne uanset hvor strømmen kommer fra, og derfor er indforstået med at betale den høje takst.
Når laderstanderen har fået den information af brugeren, så er det en smal sag for elselskabet at kommunikere med de ladestandere, som arbejder på "rabat-takst" og bede dem om at afbryde ladningen, hvis/når vindmøllestrømmen svigter.
3 faser er vigtigt
De nuværende Københavnske ladestandere er alle forsynet med at 16 amperes blåt CEE stik på en fase af 230 volt.
Det betyder at opladningen er begrænset til 3680 Wh i timen. Tages der højde for tab i lader og batterier, svarer det nogenlunde til 25 kilometers kørsel.
Med de batteristørrelser morgendagens elbil vil få, er det alt for lidt. Derfor skal ladestikket være 3-faset, så der kan leveres omkring 11 kWh i timen (ved 16 amp sikring). Om den enkelte elbil kan udnytte de 3 faser eller ej, er kun et spørgsmål om, hvordan bilens lader er tilsluttet. Har elbil "kun" en en-faset lader, så efterlades de to af de tre fase-ben i stikket uforbundet.
Vedrørende størrelser på sikringer og 1 kontra 3 faser i ladestikket, så kan du se flere eksempler på beregninger af opladetider på dette link: www.danskelbilkomite.dk/ladetider.htm
Quick ladning bliver den store udfordring
Mange af de nye batterier, der er på vej til at blive brugt i elbiler, kan lyn-oplades. Det betyder ofte af man kan komme fra et fladt batteri til et som typisk er opladet 80% på mellem 10 og 60 minutter afhængig af fabrikatet.
I japan har Subaru og Mitsubishi lanceret en fælles ekstern quick-lader, som ser ud til at kunne blive en standard i Japan. For ti år siden lavede franske PSA en quick-lader tilpasset NiCD batterierne i Citroën, Peugeot og Renault elbilerne - den nærmeste findes i Malmö.
En quick-lader skal tilpasses batteripakkens størrelse og den skal vide noget om den kemi, der er brugt til at opbygge batteriets celler - Det er sikkert ikke samme lade-algoritme, som skal benyttes ved Li-ion som ved NiCd. Endvidere er information om de enkelte batteriers temperatur, sikkert også vigtigt at kende under ladeforløbet.
Af den grund er det højst tænkeligt at der skal foregå en eller anden form for kommunikation mellem elbilens computer system og den computer, som styrer quick-laderen. Endvidere er quick-laderen en ekstern lader, som kræver at få direkte forbindelse til batteripakkens plus og minus poler.
Derfor er det ikke længere nok med et ladekabel på 3 x 2½ kvadrat ledning. Så et minimumskrav til stikforbindelsen for ladning på elbilen vil være som følger:
• 2 store ben, som kan bærer mindst 100 ampere (til quickladning)
• 5 ben minimum 2½ kvadrat til 3 x 230 volt 16 ampere til forsyning af den indbyggede lader
• 2-4 ben til kommunikation med bilens computer (RS 485 eller CAN-bus)
Ved at elbilens computer kan kommunikerer direkte ud på ladestikket, kan den eksterne quick-lader få information om det batteri, som skal oplades: nominel spænding, kapacitet, øjeblikkelig ladetilstand, temperatur og måske endda en beskrivelse af den algoritme, som skal benyttes under hurtig ladning - hvis ikke lige frem det er elbilens computer som fjernstyrer quick-laderen, f.eks. ved at bede om, at den skruer spændingen op til 150 volt.
Kommunikationen med elbilen computersystem, kan evt. også erstatte den før omtalte RF-ID chip, således det er elbilens computer, som giver bankoplysninger etc.
V2G (Vehicle to Grid)
En dansk privatbil bliver typisk kun brugt 2 timer om dagen, og hvis det var en elbil kunne den resten af tiden via ladestikket fungere som to-vejs buffer
på elnettet. Dvs. Den elbil, som i løbet af natten er blevet tanket med billig vindmøllestrøm, kan sende en del af den oplagrede energi tilbage på elnettet og på den måde være med til at stabilisere elnettet ved spidsbelastning.
Dette giver mulighed for at vi med tiden kan basere helt op til 50% af Danmarks elproduktion på vindkraft og anden vedvarende energi - uden at elnettet bliver ustabilt.
Med den ovennævnte stikforbindelse er det muligt at opfylde de krav, som skal gøre det muligt at koble elbilens batterier til vores elnet. Der er to muligheder - Enten placeres den enhed, som skal omdanne batteriernes jævnstrøm til 50 Hz vekselspænding (synkront med elnettet), i selve ladestanderen, således der tappes direkte fra de to kraftige ledninger i kablet, som kommer fra batteripakkes plus og minus pol.
Ved kommunikation med elbilens computer får vekselretteren at vide dels hvor mange ampere, der må trækkes fra bilens batterier, samt hvor mange ampere-timer, bilens ejer "har sat til salg", og hvornår han forventer at skulle bruge sin bil igen.
I dette tilfælde bliver vekselretteren elselskabets ejendom og ansvar. Det har nok den fordel, at der er mere styr på frekvensen og selve synkroniseringen under indkobling. Samtidig vil dette system kunne bruges på alle typer elbiler.
En anden måde, at få batteriets jævnstrøm lavet til vekselstrøm, kunne være at udnytte at mange af de fremtidige elbiler, vil blive drevet at en trefaset vekselstrømsmotor. Derved har bilen sin egen vekselretter om bord i form af den frekvensomformer, som normalt laver vekselstrøm til at drive bilens motor. Hvis bilens elmotor er nomineret til 3 x 230 volts drift, vil det være en simpel sag, for frekvensomformeren at levere 50 Hz og så sende det ud på de tre (fem) ben, hvor elnettet normalt er koblet til.
Sidstnævnte løsning lyder umiddelbart som den mest attraktive, men den kan måske give adgang til diskussion i det lange løb, dels er det elbilejerens ansvar at den frekvensomformer fungere korrekt, og skulle den gå i stykker mens der leveres strøm tilbage på nettet, hvem skal så erstatte den?
Konklusion
Godt nok har Dansk Standard her den 11. august 2008 meldt ud at man vil nedsætte et udvalg til at udvikle en standard for elbiler, men med den fart, der er på ude i verden hos mange af de store bilfabrikker, ender vi med at få en masse nationale systemer, som bliver besværlige at få til at snakke sammen - vi må hurtigst muligt for sagen bragt op på et højere plan - f.eks. få EU til at gå i samarbejde med de store bilfabrikker, således at et quick-lade system ikke kun bliver en japansk standard.
Jeg kan ikke forstå, hvorfor ladetilslutningen på en elbil absolut skal være noget der minder om det rør, man fylder benzin på i en almindelig (gammeldags) bil med forbrændingsmotor.
Hvorfor skal det være en løs ledning med stik i begge ender? Hvorfor er det ikke bare en ledning, der er fastmonteret til bilen i dens bagagerum? - Det er jo alligevel her den ligger, når den ikke er i brug. Der kunne så være en lille udfræsning eller lignende, som gør at bagagerummet kan lukke uden at ledningen kommer i klemme, når bilen står til opladning.
Derved undgår man i hvert fald at ondsindede kan komme til frakoble ledningen i elbilens ende, for den ligger låst inde i bilen - godt beskyttet mod regn og slud.
Dansk Elbil Komité har alle brugernes erfaringer og vil derfor meget gerne bistå med rådgivning og evaluering af en evt. kommende international specifikation af elbilernes opladning og herunder stikforbindelser og anden praktisk udformning af bl.a. ladekablet.