Sådan oplades din elbil

En moderne elbil kan oplades på flere måder. I denne artikel giver vi et overblik over de forskellige principper.

af Per Praëm - Dansk Elbil Komité (17-november-2015)

Vi bruger alle batteriopladere hver eneste dag. Når mobiltelefonen skal oplades og vi putter den ene af kablet i stikkontakten og den anden i telefonen, så bruger vi faktisk en batterioplader.

I dag er elektronikken blevet så integreret og så småt at det kan ligge inde i selve stikproppen.

Figuren herover viser et blokdiagram for den elektronik, som ligger inde i en typisk telefonoplader.

I Danmark har vi 230 volt vekselstrøm i vores stikkontakter og på vores el-net. Spændingen i stikkontakten svinger op og ned 50 gange i sekundet også kaldet 50 Hz. Et batteri indeholder jævnstrøm ofte ved en helt anden spænding.

Det er laderens opgave at omdanne stikkontaktens vekselstrøm - også kaldet AC (Alternating Current på engelsk) - til jævnstrøm - DC (Direct Current) for at kunne oplade batteriet. Endvidere skal laderen også tilpasse de 230 volt fra stikkontakten til det, som passer til spændingen på batteriets poler.

I tilfældet med mobiltelefonen skal de 230 volt laves om til 5 volt.

I gamle dage ledte man de 50 Hz vekselspænding direkte ind i transformatoren, hvilket betød at der skulle bruges en masse jern og kobber til at fremstille en transformator, som kunne omforme netspændingen til batteriet lavere spænding. Således blev en sådan transformator ofte ret står og tung.

Siden har vi fået mere effektive halvlederkomponenter og ved at sætte frekvensen meget højere op, så kan transformatoren gøres meget lille og let.

Så det første der sker i en moderne lader, er at stikkontaktens vekselstrøm ensrettes til jævnstrøm, som man straks igen "hakker" i stykker til vekselstrøm. Denne gang med en meget højere frekvens - ofte 50.000 Hz eller mere.

Den høje frekvens betyder at transformatorens kan giver ekstrem lille i forhold til, hvis den skulle virke ved 50 Hz.

En transformator består at to lange kobber tråde, som er viklet op uden på hinanden, også kaldet en primær og en sekundær vikling. Forholdet mellem antallet af viklinger bestemmer hvorledes en transformator omsætter spændingen mellem indgang og udgang.

Hvis man f.eks. laver 230 viklinger på primærsiden, for hver gang man vikler 5 viklinger på sekundærsiden, så vil transformatoren omsætte stikkontaktens 230 volt til 5 volt.

Udgangen fra transformatoren ledes ind i endnu en ensretter, som laver den højfrekvente vekselspænding om til jævnspænding.

Endelig er der et reguleringskredsløb, som måler laderens udgangsspændingen og ændre "højfrekvens-hakker'ens" arbejdspunkt, således der kommer en helt stabil 5 volt jævnspænding ud til telefonen - uanset om der sker variationer i stikkontaktens netspænding.

Opladning af elbilen via "on-board" lader

Elbilens oplader virker fuldstændig efter de samme principper som din mobiltelefon-oplader. Der er kun to forskelle:

- Hvor en telefon har en batteripakke på ca. 4 volt, så er elbilens batteripakke oppe på 350 til 400 volt.

- En typisk telefonoplader kan levere 5 Watt. En elbil oplader levere 3.500 Watt eller mere.

På trods af moderne elektronikkomponeter, så bliver en elbillader på 3-5.000 Watt ikke særlig let og handy. Derfor har alle bilfabrikanterne da også valgt at indbygge laderen som en del af selve elbilen.

Som det ses af figuren herover, så er laderen - som omdanner stikkontaktens vekselspænding til en jævnspænding, som passer til elbilens batteripakke - placeret ombord i elbilen (den lyseblå boks på figuren).

On-board laderen fødes med 230 volt vekselstrøm fra ladeboksen via ladekablet og elbilens ladestik. På udgangssiden har laderen direkte forbindelse til plus og minus polen på elbilens batterpakke.

Går man 10 år tilbage i tiden, så bruge man ikke ladebokse til elbilerne. Man forbandt dengang elbilens ladestik med en direkte ledning til stikkontakten eller også sad ladeledningen simpelt hen fast i elblen, som en permanent forbindelse.

Dette gjorde selv sagt livet som elbilsejer en del lettere, når man bare kunne tage elbilens ladeledning og sætte direkte i en vilkårlig stikkontakt. Der viste sig dog en bagside af medaljen, idet stikkontakterne og de almindelige stikpropper kunne ikke holde til de høje strømstyrker, som oftere og oftere resulterede i brændte stik og stikkontakter.

Derfor fandt man på at udstyre elbilens ladestik med et par ekstra ben, som har til opgave at signalere til en foran siddende ladeboks, at der nu er etableret en sikker forbindelse.

I princippet er en ladeboks blot et relæ, som fjernstyres af elbilen, og som derved sikre at ladestikket er strømløst, når det tages ud eller sættes i elbilen. Denne løsning har gjort at afbrændte ladestik på moderne elbiler er et meget sjældent syn.

Hurtigladning

Før i tiden brugte man bly-batterier eller NikkelCadmium batterier i elbilerne. For 6-7 år siden holdt Lithum-ion batterierne sit indtog i elbilerne. Det betød at man lige pludselig fik nogle batterier, som var meget mere hårdfører. De kunne blandt andet tåle at bliver ladet op på 20-30 minutter.

Det betød at man skulle bruge nogle enormt store batteriladere - ofte 10 gange større end de hidtidige on-board ladere. En batterilader, som kan levere op til 50.000 Watt, bliver så stor og så tung (og dyr) at det ikke længere er praktisk at slæbe rundt på den som en del af elbilen.

Så nu er vi tilbage til samme princip som mobiltelefonopladeren. Ensretter, switchmodekredsløb, effektelektronik og styring er alt sammen anbragt i en stor kasse uden for elbilen.

Et ladekabel med jævnstrøm med samme spænding som batteripakke føres direkte ind i elbilen, hvor strømmen føres videre til batteripakken gennem et relæ (kontaktor), som sikre at der kun er forbindelse til bilen ladestik, når bilen er forbundet til en Quick-lader.

Toyota, Mitsubishi og Nissan var nogle af de første til at bruge ekstern hurtigladning på deres elbiler. Til dette formål opfandt man samme med Tokyo Electric Power Company (Tepco) en standard under navnet CHAdeMO.

Via et CHAdeMO stik kan en elbil oplades fra en ekstern Quick-lader med op til 50 kW, svarende til 100-150 km's kørsel på en times opladning,

Siden har den tyske bilindustri (BMW og VW) lavet deres pendant til CHAdeMO, som de kalder CCS (Combined Charging System).

Tesla bruger også hurtigladning på deres biler, men på grund af Tesla'ens noget større batteripakker, så benytter "Tesla Super Chargers" endnu højere ladeeffekter - helt op til 135 kW..