Elbilsladdning: hela systemet

Elbilsladdning är ett samordnat system för effektöverföring, inte bara en kabel mellan ett uttag och ett batteri. Fordonet, matningsutrustningen, elinstallationen, kontakten, kommunikationen, betaltjänsten och batteristyrningen måste vara överens innan energin kan flöda.

Ett system, flera gränser

Ordet laddare används ofta oprecist. Det blir lättare att förstå laddningen om komponenterna hålls isär:

Elförsörjningen levererar växelström från en bostad, byggnad eller nätanslutning.
Laddutrustningen för elfordon (EVSE) sköter koppling, skydd, signalering och en säker anslutning till fordonet.
Den inbyggda laddaren omvandlar växelström till likström vid AC-laddning.
En DC-laddstation utför den huvudsakliga omvandlingen från växelström till likström utanför fordonet och levererar kontrollerad likström till högspänningssystemet.
Fordonets laddstyrning och batterihanteringssystem avgör hur hög spänning och ström fordonet får begära.
Ett laddnätverk kan hantera autentisering, tariffer, betalning, övervakning och fjärrstyrning.

EVSE:n tvingar inte in sin annonserade effekt i bilen. Den kommunicerar vad som finns tillgängligt, och fordonet begär en mängd inom hela systemets säkra gränser.

De fyra storheterna som spelar roll

I diskussioner om laddning blandas ofta effekt, energi, spänning och ström ihop:

Effekt, mätt i kilowatt (kW), är den momentana hastigheten för energiöverföringen.
Energi, mätt i kilowattimmar (kWh), är den mängd som levereras eller lagras.
Spänning, mätt i volt (V), är den elektriska potentialskillnaden.
Ström, mätt i ampere (A), är flödet av elektrisk laddning per tidsenhet.

För en idealisk DC-anslutning:

Effekt = spänning × ström

En station som levererar 700 V vid 400 A ger 280 kW i det ögonblicket. Varken märkningen på kraftskåpet eller bilens angivna toppeffekt visar att denna kombination faktiskt kommer att uppstå. Kabeltemperatur, anläggningens effektfördelning, stationens spänningsområde, kontaktens strömgräns, batteriets tillstånd och fordonets begränsningar kan alla sänka effekten.

Laddtiden är inte bara batterikapaciteten dividerad med toppeffekten. Toppeffekten kanske bara varar en kort stund, hjälpsystem förbrukar energi och den tillåtna effekten förändras under laddsessionen. Fysiken på batterisidan, C-rate, temperatur, laddkurva och effekterna av laddningsnivån behandlas i How an EV Battery Charges.

AC och DC följer olika effektvägar

Vid AC-laddning levererar stationen kontrollerad växelström, som bilens inbyggda laddare omvandlar till likström. Den användbara effekten begränsas därför av den lägsta märkningen för byggnadens matning, strömkretsen, EVSE:n, kabeln och den inbyggda laddaren. AC-laddning passar platser där en bil står parkerad i flera timmar: bostäder, arbetsplatser, hotell och resmål.

Vid DC-laddning omvandlar extern kraftelektronik elnätets växelström till kontrollerad likström. Stationen och fordonet fastställer en säker spänning, sluter sina kontaktorer och förhandlar kontinuerligt om strömmen. DC-utrustning är större och dyrare men kan överföra betydligt mer effekt eftersom den inte är beroende av bilens inbyggda AC-laddare. Den används främst för laddning under resor, snabb återgång i drift för fordonsflottor och fordon utan tillförlitlig tillgång till nattladdning.

Den praktiska skillnaden är uppehållstiden. En anslutning med låg effekt kan vara den bästa lösningen när bilen ska stå i tio timmar, medan en anslutning med hög effekt är viktig när varje minut fördröjer resan.

Nivåer, lägen och marknadsföringsbegrepp

Laddterminologin varierar mellan regioner. I Nordamerika är AC Level 1, AC Level 2 och DC-snabbladdning vanliga kategorier. Marknader som bygger på IEC-standarder använder också Modes 1–4 för att beskriva anslutnings- och styrarrangemanget. “Level 3” används ofta informellt om DC-laddning, men är inte en universell standard för personbilar.

Begrepp som fast, rapid, ultra-fast och high-power charging saknar en gemensam global tröskel. En exakt beskrivning anger strömtyp, tillgänglig effekt, spännings- och strömområde, kontakt och relevant laddintervall.

Fysisk kompatibilitet är bara det första lagret. Kontakten måste passa, men fordonet och stationen måste också stödja kompatibel spänning, signalering, digital kommunikation, auktorisering och säkerhetsbeteende. EV Charging Connectors and Inlets förklarar de viktigaste regionala gränssnitten och adaptrarnas begränsningar.

Vad avgör den faktiska effekten?

Vid varje given tidpunkt begränsas den användbara laddeffekten av den mest restriktiva aktiva gränsen:

Faktisk effekt ≤ den lägsta gräns som sätts av
anläggning, station, kabel, kontakt, fordonshårdvara och batteristyrning

Exempel:

En laddare på 350 kW som är ansluten till ett kraftskåp med effektdelning kan ha mindre effekt tillgänglig när ett annat fordon laddas.
En strömbegränsad station kanske inte kan leverera sin annonserade effekt till ett batteri med lägre spänning.
En högspänningsbil kan behöva en spänningsomvandlare eller ett omkonfigurerbart batteri för att använda en DC-station med lägre spänning.
En trefas-EVSE på 11 kW kan inte få en bil med en enfasig inbyggd laddare på 7.4 kW att ta emot 11 kW.
Ett kallt, varmt, nästan fullt eller termiskt mättat batteri kan begära betydligt mindre än stationen kan leverera.

Den annonserade siffran är därför ett kompatibilitetstak, inte en prognos. För DC-laddning är genomsnittlig effekt över ett angivet intervall för laddningsnivån och den tillförda energin vanligtvis mer informativa än enbart toppeffekten.

Översikt över laddningsserien

Resten av denna serie följer systemgränserna i stället för att upprepa batteriteorin:

EV Charging Connectors and Inlets behandlar kontakter, intag, regionala standarder, adaptrar och laddportens placering.
Home EV Charging behandlar dimensionering av strömkretsar, installationssäkerhet, laststyrning, tariffer och det dagliga energibehovet.
DC Fast Charging behandlar effektvägen vid offentlig laddning, sessionsförlopp, effektdelning, betalning, tillförlitlighet och ruttplanering.
Bidirectional EV Charging skiljer mellan V2L, V2H, V2B och V2G och förklarar den utrustning som krävs för omvandling och isolering från elnätet.
Battery Swapping undersöker automatiserade batteribyten, stationens lager, standardisering, säkerhet och ekonomi.

Konduktiv laddning dominerar bland dagens vägfordon, men det är inte den enda metoden för energiöverföring. Trådlös laddning använder magnetisk koppling över ett luftgap, medan automatiska konduktiva system tar bort den manuella kabelhanteringen. Båda kräver fortfarande kompatibel fordonshårdvara, korrekt inriktning, kommunikation, skydd och en lämplig elinstallation.

Batteribyte flyttar väntetiden för energipåfyllning bort från föraren: stationen installerar ett laddat batteripaket och laddar sedan det borttagna paketet senare.

Vad bör en elbilsköpare kontrollera?

En användbar laddspecifikation besvarar praktiska frågor i stället för att bara ange den största siffran:

Vilka AC- och DC-kontakter är monterade på den avsedda marknaden?
Vilka är den maximala AC-effekten, antalet faser och strömmen?
Vilka områden för DC-spänning och -ström kan fordonet använda?
Hur mycket energi tillförs under ett tydligt angivet laddintervall, och vilken är den genomsnittliga effekten?
Förkonditionerar navigationssystemet automatiskt batteriet före ett planerat DC-stopp?
Kan bilen använda äldre stationer eller stationer med lägre spänning utan ett kraftigt effekttapp?
Stöds Plug & Charge, roaming och ad hoc-betalning i de nätverk som föraren kommer att använda?
Finns dubbelriktad funktion tillgänglig nu för det avsedda användningsfallet, eller beskrivs den bara som förberedd för framtiden?
Var sitter intaget, och fungerar typiska kabellängder vid körning med släp eller utrustning monterad baktill?

Ingen enskild laddspecifikation besvarar alla användningsfall. Hemmaladdning är ett energiplaneringsproblem, laddning under resan är ett tids- och nätverksproblem, och batteriets förmåga att ta emot effekt är ett elektrokemiskt och termiskt problem. Tydliga gränser gör jämförelserna rättvisa.