Elfordonladdning designinfrastruktur – Säkerhet och standarder

Då marknaden för elfordon (EV) har blivit allt mer betydelsefull i Europa de senaste åren ökar stadigt behovet av laddpunkter. Efterfrågan på infrastruktur beror främst på att elfordon ökar eftersom fler biltillverkare nu fokuserar sina ansträngningar på elbilar för att möta EU:s krav. Det är också uppenbart att med ökningar i försäljningen av nya elbilar krävs också ytterligare expansion av infrastrukturen, inklusive nya tillgängliga laddpunkter och utbyggnad av befintliga laddpunkter.

Den övergripande infrastrukturen för EV-laddning inkluderar också typen av laddstationer. Behovet av snabbladdare på lämpliga platser är viktigt för alla resor; som vi vet kräver alla typer av uppladdningsbara batterier laddning under lång tid, elfordon är inte annorlunda. De minsta EV-batterierna är på cirka 20-30 kW och de största kan vara upp till 100 kW. Med batterikapacitet på cirka 100 kW skulle ett vanligt 240 V-hushållsuttag ladda batteriet på cirka 24 timmar vid 2.3 kW. En specialiserad väggladdpunkt laddar batteriet på cirka 7.5 timmar vid 7,4 kW och en snabbladdare kan ladda ett batteri på under 1 timme, uppskattat vid 50 kW. Tillgången på snabbladdare är avgörande för de flesta förare som reser långa sträckor, i annat fall skulle hela infrastrukturen anses vara opraktisk.

I själva verket kommer de flesta elfordonsägare att ha en dedikerad laddare i hemmet ansluten till det interna hushållets elnät och ladda fordonet över natten när el är billigare och det är lägre efterfrågan. Dessa hemmaladdare är antingen ett vanligt 240 V 13 A-uttag eller så installerar de flesta energileverantörer nu en väggenhet som är på 7,4 kW/32 A.

EV-laddpyramiden


Tillväxten av elfordonsmarknaden med biltillverkare har lett till en mängd olika laddare och anslutningstyper, var och en med sin egen unika design. Detta specifika ämne är i sig en stor utmaning i den övergripande designinfrastrukturen för elfordonsladdning. En av lösningarna på detta problem är laddningsstrategier.

I nedre delen av skalan finns långladdare, som vanligtvis är mellan 2-3 kW och kan användas i nära vilket hem som helst. Utöver detta finns det också ett antal hemladdare som kan monteras utanför huset eller i garaget och dessa väggladdare är märkta till 7.4 kW och är direktanslutna till nätet.

Snabbladdare finns på de flesta offentliga platser, så som parkeringsplatser, köpcentrum och i vissa fall på allmän gatuparkering. Dessa laddare laddar ditt elfordon till en viss hastighet enligt laddningsnätverket. Snabbladdare är märkta mellan 7-22 kW och laddar ditt fordon från noll till full kapacitet på cirka 3-6 timmar beroende på din batterikapacitet.

Snabbladdare är ännu snabbare och finns oftast på parkeringsplatser där elbilar lämnas några timmar. De finns i två typer, AC-laddare använder 43 kW och DC-laddare 50 kW. DC-laddarna levererar ström direkt till bilen utan AC/DC-effektomvandling och effektförlust under processen. Med båda dessa laddmetoder laddar ett elfordon sitt batteri på cirka 1 timme.

Överst på laddskalan finns superladdare som laddar någonstans mellan 120 kW och 300 kW. Tesla var ett av de första elbilföretagen som designade en superladdare på 120 kW via en egen proprietär kontakt och nyligen meddelade de om en ny superladdare på 250 kW. Tesla uppger att de kan ladda batterierna fullt på 15-30 minuter i sitt nätverk med över 20 000 superladdare i Europa. Denna typ av laddare är idealiska för bensinstationer eftersom de vanligtvis ligger på idealiska platser för långa resor, och är lättillgängliga.

Det finns några få EV-laddföretag som har överskridit 150 kW som är vanligt hos de flesta superladdare. Ett av dessa företag är ABB i Schweiz. ABB har lanserat sin Terra DC-snabbladdare med hög effekt, som kan ge upp till 350 kW, vilket är nästan tre gånger så mycket som Teslas superladdare. Tyvärr finns ännu inget på marknaden som kan hantera denna typ av laddningsförmåga, men tekniken finns och är redo att implementeras när elfordon väl har den förmågan.

Anslutningsmöjligheter

Det finns inte bara ett stort antal laddningsalternativ inom EV-infrastrukturen utan även en mängd olika laddkontakter. De flesta kontakter och laddsystem är inte kompatibla med varandra, vilket är en utmaning i elfordonsbranschen. Här är en lista över de vanligaste typerna av elfordonkontakter:

Typ 1-kontakt – Typ 1-kontakten är en enfaskontakt som medger laddeffekt upp till 7.4 kW (230 V, 32 A). Standarden används främst i bilmodeller från den asiatiska regionen och är sällsynt i Europa, varför det finns väldigt få offentliga laddstationer av typ 1.

Typ 2-kontakt – Trefaskontaktens huvudsakliga distributionsområde är Europa och anses vara standardmodellen. I privata utrymmen är laddeffektnivåer upp till 22 kW vanliga, medan laddeffektnivåer upp till 43 kW (400 V, 63 A, AC) kan användas i offentliga laddstationer. De flesta offentliga laddstationer är utrustade med ett typ 2-uttag. Alla mode 3-laddkablar kan användas med detta och elbilar kan laddas med både typ 1 och typ 2-kontakter. Alla mode 3-kablar på laddstationer har så kallade Mennekes-kontakter (typ 2).

Kombinationskontakter (kombinerat laddsystem eller CCS) – CCS-kontakten är en förbättrad version av typ 2-kontakten, med ytterligare två strömkontakter för snabb laddning och stöder AC- och DC-laddeffektnivåer upp till 170 kW. I praktiken är värdet vanligtvis cirka 50 kW.

CHAdeMO-kontakt – Detta snabbladdningssystem utvecklades i Japan och möjliggör laddkapacitet upp till 50 kW vid lämpliga offentliga laddstationer. Följande tillverkare erbjuder elbilar som är kompatibla med CHAdeMO-kontakten: BD Otomotive, Citroën, Honda, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Subaru, Tesla (med adapter) och Toyota.

Tesla Supercharger – Till sin superladdare använder Tesla en modifierad version av typ 2 Mennekes-kontakten. Detta gör det möjligt för Model S att ladda upp till 80% inom 30 minuter. Tesla erbjuder sina kunder gratis laddning. Hittills har det inte varit möjligt för andra bilmärken att laddas med Teslas superladdare.

Hushållsuttag – laddeffektnivåer upp till 3.7 kW (230 V, 16 A) kan nås via hushållsuttag förutsatt rätt säkringsnivå. Din elbil laddas via en typ 2-laddkabel. Vi rekommenderar definitivt en maximal laddeffekt på 2.3 kW (230 V, 10 A) om uttaget inte har kontrollerats i förväg. Hushållsuttag finns ibland även på offentliga laddstationer. Denna laddmetod är tillgänglig för alla elbilar.

Nätverksinfrastruktur

Antalet EV-laddpunkter tillgängliga i Europa ökar varje år då ägandet av elbilar växer. Detta sker snabbare i vissa regioner jämfört med andra. År 2019 fanns cirka 15 000 högeffektladdpunkter (22 kW+) och 2020 fördubblades detta nästan till 25 000 enligt uppgifter från European Alternative Fuels Observatory. Detta beror inte enbart på framstegen inom EV-laddning utan också på nationella policyramar (NPF) som införts enligt artikel 3 i direktiv 2014/94/EU.

Ett ledande land inom elfordon är Norge, där det finns över 300 000 registrerade elfordonspassagerare vilket var mer än 15% av den totala bilmarknaden 2020. Plug-in-bilens marknadsandel har varit världens högsta under flera år, och har varit det första landet där försäljningen av elfordon gått om den med förbränningsmotorer. Det finns för närvarande cirka 500 000 elfordon i Norge, inklusive hybrider och plug-in-hybrider med en befolkning på cirka 5,2 miljoner.

Att hantera detta otroliga upptag av elbilar är laddnätinfrastrukturen. Det finns för närvarande cirka 9000 laddpunkter i Norge som spänner över 2500 stationer enligt elektrokartor. Och det är också det renaste nätet i världen, där 98% av elen som används för att ladda elbilar kommer från en förnybara energikällor.

Runt om i Europa finns det många energiföretag som ger sig in i EV-laddbranchen eftersom de är bäst lämpade för denna typ av marknad, särskilt när de kan erbjuda elförsörjningen med förnybara energikällor som vind-, sol- och vattenkraft. Det nederländska företaget Fastned är en ledande EV-laddspecialist med sina nyligen introducerade laddstationer som oberoende förlitar sig på solpaneler. Denna lösning är ett kostnadseffektivt sätt att ladda elbilar eftersom tidigare befintliga lösningar kräver ström från lokala kraftverk. Nya laddstationer skulle därför behöva utnyttja det redan befintliga kraftnätet, vilket ytterligare belastar energinätet då de placeras på offentliga platser.

Vissa företag tittar på elfordon för att förändra sättet att göra affärer, liksom att nå en demografisk utveckling. Oljebolag som BP och Shell har installerat EV-laddare i nästan alla sina bensinstationer i Europa, så att de kan följa med i trender och utvidga sin kundbas. Dessutom är majoriteten av bensinstationerna strategiskt placerade för enkel åtkomst för de flesta förare, vilket är en stor fördel i den övergripande EV-infrastrukturen.

Elfordons laddsäkerhet


Det finns två aspekter i att ladda elfordon, själva laddaren samt laddkabeln med relevant kontakt. EV-laddpunkterna faller under IEC 61851 i EU-direktivet, som för närvarande utvecklas och är i ständig utveckling. Laddkabeln och kontakten faller under EU:s IEC 62196-direktiv för kontakter, uttag, fordonsanslutningar och fordonsuttag. Dessa EU-standarder är satta för säkerheten för utrustningen såväl som för slutanvändaren. Till exempel levereras inte ström till fordonet om inte ett kompatibelt fordon är anslutet, och fordonet också är immobiliserat medan kabeln är ansluten.

Under IEC 62196-direktivet finns också underdirektiv (IEC 62196-1 och IEC 62196-2) som i detalj förklarar utformningen av varje typ av kontakt och dess specifikationer. Det introducerades för att möjliggöra kompatibilitet mellan produkter från olika tillverkare.

Konfigurationer:

Typ 1 – Används ofta i USA och Japan, designades ursprungligen av tillverkningen Yazaki och publicerades under SAE J1772-standarden i USA. Kontakten i sig har ett runt hölje med ett jack på fordonets uttag för att bestämma dess orientering när den används. Det tillåter driftsström på 32 A och maxström på 80 A, men endast i USA.

Typ 2 – Även känd som en Mennekes-kontakt, den har ett runt hölje med ena sidan fasad för att möjliggöra korrekt orientering när den används. Den har också flera stift- och hylskontakter för upp till fyra AC-ledare, en skyddande induktor och även två signalstift för att styra dess funktionalitet. Typ 2-kontakter har också en extra funktion där kontakterna inte kan beröras med ett normalfinger för att förhindra elstötar, och i den nyare versionen av denna kontakt har den förbättrats ytterligare genom att inkludera luckor. Kontaktdonet kan arbeta upp till 63 A med maxström på 70 A för enfasapplikationer. Inom EU är det ett krav att alla offentliga AC-laddare ska vara försedda med en typ 2-kontakt och uttag.

Typ 3 – Denna konfiguration, till skillnad från de andra två, består inte bara av ett kontaktdon utan också en fordonskoppling. Denna speciella kontakt har ett ovalt hus med en fasad sida för korrekt orientering när den används. Det finns också beröringsskydd på i form av luckor över stiften för att förhindra all mänsklig kontakt, och det finns också en låsmekanism när den sätts i ett uttag. Denna kontakt möjliggör enfasladdning upp till 16 A utan kontrollpilotkontakt, 32 A med, samt trefasladdning upp till 63 A.

Som vi redan vet är efterfrågan på EV-laddstationer mycket hög i Europa, och det är också viktigt att se till att varje laddpunkt är i drift. Annars kan infrastrukturen belastas ytterligare. Flera problem kan uppstå som kan leda till en felaktig laddpunkt, så som överbelastning, utrustnings- och systemfel, samt överhettning. Många länder i Europa har redan börjat ta itu med denna fråga genom att se till att varje offentlig laddstation överensstämmer med relevanta europeiska säkerhetsstandarder för elektriska system. Förordningen som måste tillämpas på varje station innehåller följande:

Efter HD 60364 måste alla kvalificerade elektriker utföra tester på ett lågspänningssystem efter installationen. Testerna inkluderar mätning, inspektion och testning av de olika driftstillstånden för laddstationen i fråga. Standardmätprocedurer inkluderar mätning av kontinuitet hos skyddsjordledarna (PE), de inbyggda jordfelsbrytarnas funktion samt isolation och jordresistans.

Testadaptrar för EV -laddstationer

Lämplig för fordonsladdningsstationer med laddningsläge 3

Fluke T6-1000 PRO elektrisk testare

T6-1000 PRO elektriska testare mäter spänning upp till 1000 VAC och ström upp till 200 AAC, allt genom den öppna gaffeln och utan testkabelkontakt till spänning.

Säkerheten gäller inte bara laddarna i sig utan alla aspekter av laddutrustningen, inklusive utformningen av laddkablarna, som måste uppfylla HD 60364-5-52. Detta inkluderar även temperaturtest under en timmes kontinuerlig drift. Resultaten ska i slutändan testa risken för överhettning i både laddenheten och laddkabeln, vilket förhindrar risken för brandskador. En maximal temperaturökning på 45 Kelvin är acceptabel. Dessa risker kan lätt identifieras med värmekameror.

FLIR Exx-serien

Utformad för termografer som regelbundet inspekterar ett stort antal föremål under en dag, guidar FLIR Inspection Route användaren längs en fördefinierad väg för inspektionspunkter så att de kan samla in bilder och data på ett strukturerat sätt.

Fluke TiS55 värmekamera

Ta din plan för ett proaktivt underhållsprogram (PM) och förverkliga det. För att komma igång behöver du funktioner som gör det enkelt att konfigurera din bildorganisation och inspektionsrutiner.

En del av testförfarandena för EV-laddstationer ligger inte i den ursprungliga installationen, utan det är även absolut nödvändigt att periodtest utförs under dess livslängd. Klausul 6.5 i HD 60364-6 måste följas för att inkludera pilotsignalens elektriska säkerhet och driftstester för att överensstämma med EN 61851-1. Ett oscilloskop måste användas för att utföra detta test av PWM-signalen. De grafiska data som returneras bör göra det möjligt för en ingenjör att bedöma eventuella fel i laddningssignalen mellan laddstationen och fordonet i fråga.

Handhållet oscilloskopspaket, 4x 500MHz, 5GSPS, Rohde & Schwarz

Labprestanda i en robust och bärbar design – det perfekta mångsidiga verktyget för labbet eller i fältet.

Handhållet oscilloskop, 4x 200MHz, 2.5GSPS, Fluke

Fluke ScopeMeter 190 Series II kombinerar de högsta säkerhetsbetyg och robusta bärbarheten med den höga prestandan hos ett bänkoscilloskop.

Framtiden för EV-infrastruktur

Eftersom fler och fler användare nu investerar i elfordon görs också kravet på att fler laddpunkter görs tillgängliga på lämpliga platser. Det finns också ett antal regeringsstödda system tillgängliga för att lindra en del av trycket genom att installera EV-laddpunkter för företag för arbetstagare och även hemma.

Och så finns en global klimatförändringspolitik som också är en del av drivkraften bakom att “bli elektrisk” och biltillverkarna anpassar långsamt sin verksamhet från förbränningsmotor till helt elektrisk. Nyligen meddelade Ford att de ska bli helt elektriska till 2030 i alla sina modeller.

Det är ingen tvekan om att laddinfrastrukturen kommer att utvecklas under ett antal år, men det system som för närvarande redan är på plats är en god grund att bygga på i framtiden.

Total
0
Shares
Tidigare inlägg

Kan elfordonsbatterier verkligen hålla en miljon miles?

Nästa inlägg

Hur man förbättrar säkerheten i dagens MRO-värld

Relaterade inlägg