Sådan virker ladeboksen - Gennemgang af teknikken bag AC opladning

IEC norm 61851 definerer ledningsforbindelser til oplading. I denne norm defineres fire forskellige modes. Mode 3 er den oftest anvendte, når det gælder opladning af moderne elbiler. I denne artikel går vi bag om teknikken ved AC opladning i henhold til mode 3.

af Per Praëm - Dansk Elbil Komité (22-november-2015)

Går vi blot 6-8 år tilbage i tiden, var det normalt at elbiler blev opladet fra en almindelig stikkontakt og når der skulle bruges meget strøm brugte man industri stik - de såkaldte blå eller røde CEE-stik.

Det vidste sig imidlertid - i takt med at elbilerne fik større og større batterier - at selv industristik ikke kunne klare mosten i det lange løb. Stikkontakterne og selv industristikkene smeltede fra tid til anden. Årsagen var ofte, at der gik strøm igennem stikbenene på det tidspunkt, hvor brugeren trak kablet ud for at afslutte opladningen.

IEC 61851 - mode 3

For at undgå at ladestikket bliver beskadiget, når det trækkes ud af elbilen, så har man i IEC norm 61851, Mode 3 tilføjet to ekstra stikben i ladestikket.

Det vigtigste af disse to ben er Control Pilot. Gennem dette ben snakker ladeboksen og elbilen sammen og afgør hvornår der er en sikker elektrisk forbindelse. Til at begynde med er der ikke strøm på ladestikket. Først når det er sat i elbilen, og elbilen sender signal tilbage til ladeboksen, vil ladeboksen "lukke op for strømmen".

Det andet ekstra stikben kaldes proximity detekt (eller Plug Pressent). Dette ben bruges til at fortælle elbilen, at der er tilsluttet et ladekabel. Når elbilen kan se at der er signal på Proximity benet, så kobles elmotoren fra, således bilen ikke kan køre, så længe der sidder et ladestik i bilen.

Sådan virker mode 3 kommunikationen

Nedenstående figur viser et blokdiagram for en ladeboks og en elbil. For nemheds skyld viser tegningen et en-faset ladestik af type 1 (i USA kaldet SAE J1772).

Den grå firkant helt til venstre symbolisere ladeboksen. Som man kan se er der inde i ladeboksen en styrbar afbryder - i fagsprog kaldet en kontaktor eller et relæ. Når boksen ikke er forbundet til en elbil, så er relæ'et åbent og der er derfor ikke spænding på Nul og Fase på ladestiket.

Den lysebrune firkant midt på figuren skal forstille ladestikket (ladepistolen).

Den grå firkant helt til højre viser et blokdiagram over elektronikken bag ladestikket i elbilen.

For at illustrere funktionen er der øverst tegnet et oscilloscop, som bruges til at vise kurveformer for strøm. Endvidere er der et ampere-meter, som angiver hvor meget strøm elbilen trækker.

State A

I norm IEC 61851 defineres forbindelsen mellem ladeboks og elbil at kunne være i 1 ud af 5 tilstande. Normen kalder dem for State A til State E.

State A er den tilstand, hvor elbil og ladeboks endnu ikke er forbundet til hinanden - dvs. ladestikket er ikke sat i elbilen.

Inde i ladeboksen sidder noget kontrol-elektronik, som styrer et lille elektronisk omskifter - kaldet S1 på figuren. I State A er omskifteren S1 koblet således at der ledes konstant 12 volt DC ud i gennem R1, som er en modtand på 1000 ohm, ud på ladestikkets ben 4. Ben 4 er ved Type 1 stik det samme som Control Pilot benet.

Læg mærke til at der går en forbindelse fra Control Pilot (efter R1 modstanden) tilbage til kontrol Elektronikken. Denne forbindelse er markeret "Målekredsløb" på tegningen.

Vis måleledningen kan kontrol elektronikken følge med i hvad der sker på Control Pilot benet. I State A vil der kunne måles 12 volt, da der kun går en ubetydelig strøm igennem R1 og derfor ikke er noget spændingsfald over modstanden.

State B

Når ladestikket sættes I elbilen sker der flere ting. De 12 volt fra ladeboksens kontrol elektronik kobles inde i elbilen til jord gennem dioden D og modstanden R3.

Da modstanden R3 ifølge normen er omkring 2000 ohm, så sker der en spændingsdeling at de tilførte 12 volt mellem R1 på 1000 ohm og R3 på 2000 ohm. Hvis i første omgang ser bort fra dioden D, så betyder denne spændingsdeling at spændingen på Control Pilot benet falder til 9 volt.

Når kontrol elektronikken i ladeboksen opdager dette spændingsfald gennem sit målekredsløb, så skal ladeboksen ifølge normen skrifte omskifteren S1 til nederste position. Herved erstattes de faste 12 volt DC til en firkantet vekselspænding på 1000 Hertz, som varierer mellem -12 volt og op til + 12 volt (målt i forhold til Jord).

Som det ses på figuren, så har elbilen også noget kontrol elektronik. På figuren kaldes det for "Charge Controller".

State C

Elbilens Charge Controller kigger også med på, hvad der foregår på Control Pilot ledningen. Når Charge Controlleren opdager at spændingen er faldet til 9 volt, så lukker Charge Controlleren kontakten S2.

Når S2 lukkes kobles R2 i parallel med R3 inden i elbilen. Da R3 også er på 2000 ohm, så resulterer det i, at parallelforbindelsen af de to modstande bliver 1000 ohm. Det igen betyder at de +12 volt fra ladeboksen spændingsdeles mellem to 1000 ohms modstande, hvilke resulterer i en spænding på 6 volt på Control Pilot benet.

Når kontrol elektronikken i ladeboksen opdager at elbilen har trukket spændingen ned til 6 volt (hvilket betyder at ladestikket er sat korrekt i elbilen og forbindelsen mellem ladeboks og elbil nu er sikker), så sætter kontrol elektronikken spænding på spolen i ladeboksens relæ. Herved begynder der at "flyde" 230 volt vekselstrøm fra elnettet gennen ladeboks og ladekabel til elbilen.

Charge Controlleren i elbilen har samtidig med at den sendte State C signal til ladeboksen koblet elbilens "on-board-charger" til elbilens batteri.

Som det ses på ampere-metret på inllustrationen, så oplades elbilen med 16 ampere fra el-nettet. 16 ampere x 230 volt giver 3680 Watt (i daglig tale kaldet 3,7 kW).

PWM - Pulse Width Modulation

Det er således elbilen, det 100 % bestemmer hvilken tilstand (State) forbindelsen mellem ladeboks og elbil befinder sig i. Det sker ved at elbilen trækker Control Pilot ledningen mere eller mindre mod jord, ved at indkoble forskellige modstandsstørrelser.

Men Kontrol Elektronikken i ladeboksen kan også give signaler til elbilens Charge Controller. Det sker ved noget, som kaldes Pulse Width Modulation (på dansk Pulsbreddemodulation). Man kender det faktisk fra telegrafen og morsealfabetet, hvor man med et kort signal sender en prik og et længere signal sender en streg.

Normalt når man laver firkantede vekselspændingssignaler, så er signalet højt i lige så lang tid som det er lavt (50 % - 50 %).

Men ved at ændre på puls/pause forholdet kan man overføre analoge måleværdier på en digital linje.

Ved opladning af elbiler efter IEC 61851 mode 3 benytter ladeboksen pulsbreddemodulation af Control Pilot signalet til at fortæller elbilens lader, hvor meget strøm den må trække.

For hver procent Control Pilot signalet er højt, så må elbilen trække 0,6 ampere. Hvis f.eks. signalet er højt i 27 % af tiden og lav i 73 % af tiden, så betyder det, at elbilen har tilladelse til at bruge 27 x 0,6 = 16,2 ampere.

Hvis ladeboksen - som på figuren herover - har ændret PWM værdien til 16,6 %, så skal elbilen inden for et antal millisekunder skrue sit forbrug ned til 10 ampere.

Afslutning af opladningen

Hidtil har vi ikke kigget på det andet hjælpesignal i elbilens ladestik - Proximity. Som de ses på nedenstående figur, så er det et signal, som kun elbilen kigger på.

I elbilen føres 12 volt gennem R4 ud til ben 5 (Proximity) på ladestikket. Hvis der ikke er tilsluttet en elbil vil dette signal være højt. Når ladestikket sættes i elbilen, vil R6 (inde i ladepistolen) trække signalet til en lavere spænding. Derved ved elbilen at der er tilsluttet et ladekabel.

Ladestik af type 1 har en trykknap, som dels udløser den mekaniske lås, men inde i ladestikket sidder en lille elektrisk kontakt (S3) som åbner, når der tykkes på udløserknappen.

Når knappen således er aktiveret vil en ekstra modstand - R7 - bliver koblet i serie med R6 inde i ladestikket. Det vil elbilen se som Proximity signalet går højt.

Når elbilens Charge Controller opdager at Proximity signalet ikke længere er lavt, så vil den åbne kontakten S2, hvorved Control Pilot signalet går op på 9 volt (State B).

Når ladeboksen opdager at elbilen har bedt om State B, så åbner Kontrol Elektronikken i ladeboksen relæ'et, hvilket medfører at spændingen til elbilen afbrydes.

Alt dette sker hurtigere en brugeren kan nå at trække ladestikket ud af elbilen. Man opnår derved at ladestikket er strømløst når det trækkes ud og når det sættes ind i elbilen. Dette sikre lange levetid for ladestikket, da der ikke opstår nogen form for gnist under til og fra-kobling.

Type 2 ladestik

Fuldstændig de samme mekanismer, som beskrevet ovenfor for type 1 stikket, gælder også for ladestik af type 2. Her har man dog ingen afbryder knap på Proximity signalet. Man har opnået samme funktion, ved at gøre Control Pilot stikbenet lidt kortere end de andre stikben, således at Control Pilot signalet forsvinder som det første, når ladstikket trækkes ud af elbilen.

Hvis der ikke er kontakt til Control Pilot, vil ladeboksen se det som State A, og omgående åbne relæet og derved afbryde AC spændingen på ladestikket. Igen så sker denne sekvens hurtigere end de (strømførende) længere stikben når at misste deres forbindelse.

State D og E

Tidligere var elbiler bygget på Bly/syre batterier, som har den ulempe, at der udvikles knaldgas (ilt+brint) under opladning. Derfor er det ikke godt at oplade en sådan elbil i et lukket rum. Det er taget højde for i norm 61851, idet der er noget, som kaldes State D.

Hvis elbilen har bly/syre batterier, skal den nemlig trække Control Pilot signalet yderligere ned i spænding til 3 volt ved at indkoble en ekstra shuntmodstand over R2 og R3.

Når ladeboksen opdager State D, skal den - ud over at koble AC-relæet ind (som i State C) - også aktivere endnu et relæ. Dette relæ nummer 2 kan så bruges til at starte et eventuelt udsugningsanlæg, når der lades i lukkede rum.

State E (0 volt på Control Pilot) betyder fejl.

Resumé – Samlede specifikationer for IEC 61851 mode 3

Tabellen her under viser en samlet oversigt over de definerede States:

State Pilot High Pilot Low Frequency Resistance Charging State
State A + 12V - DC Not Connected
State B + 9V - 12V 1 kHz 2700 Ω EV Connected
State C + 6V - 12V 1 kHz 880 Ω EV Charge
State D + 3V - 12V 1 kHz 240 Ω EV Charge (Ventilation required
State E 0V 0V - - Error
State F - -12V - - Charge Box Error

Styring af ladestrømmen sker via PWM procenten på Control Pilot signalet.

PWM signalet må ikke gå under 10 % (alt under 10 % regnes som 0 %), så derfor er den mindste ladestrøm, som kan indstilles 6 ampere.

Op til 50 ampere udregnes ladestrømmen efter denne formel:

    Current [A] = Duty Cycle [%] x 0,6

Over 50 ampere bruges denne formel:

    Current [A] = (Duty Cycle [%] -64) x 2,5

Her er en oversigt over sammenhængen mellem ladestrøm og PWM procent ved et anatal udvalgte procentsatser:

PWM %Current [A]
10 %6A
20 %12A
30 %18A
40 %24A
50 %30A
66 %40A
80 %48A
90 %65A
94 %75A
96 %80A