Kampen om fremtidens ladestik til elbiler

Trods stor arbejdsindsats i de internationale standardiseringsorganer, så er der stadig stor uenighed om hvordan ladestikket til fremtidens elbil skal se ud. På det seneste er flere automobilfabrikanter begyndt at gået sammen for at lave deres egne normer.

af Per Praëm - Dansk Elbil Komité (29-januar-2013)

Opladning af elbilen kan deles op i to områder, som i nogen grad afspejles i udformningen af de stik, som bruges til opladning. Det hænger sammen med at elbilen kan lades på 2 måder: Enten har man selve laderen installeret, som en del af elbilen - eller også anbringes laderen uden for elbilen.

I førstnævnte tilfælde vil elbilens ladestik skulle bruges til at overføre en vekselspænding fra f.eks. en stikkontakt på el-nettet - også kaldet AC-opladning. I det andet tilfælde, hvor laderen ikke er en del af bilen, skal stikke bringe den eksterne lader i direkte forbindelse med elbilens batteri. Denne form for opladning kaldes DC-opladning.

IEC Norm 61851

Denne norm definere fire forskellige måder (modes) hvorpå elbilen kan oplades. Mode 1 er rettet mod ældre elbiler, her benyttes de eksisterende elstik (f.eks. det tre-benede danske jordstik) og der er ingen krav til ekstra sikkerheds og beskyttelsesfunktioner.

Overbelastede stikkontakter og el-installationer samt ladestik, hvor stikben giver dårlige forbindelser fordi stikket trækkes ud, mens store strømme er tilstede, er blevet et større problem i takt med at elbilerne kræver højere og højere ladestrømme.

Derfor har man i Mode 2 og Mode 3 indført et par ekstra ben i elbilens ladestik. Disse har til formål at sikre at ladestikket er strømløst, når det sætte i elbilen og når det igen tages ud. Endvidere kan elbilens "grådighed" styres, så man undgår at overbelaste f.eks. en stikkontakt eller installations sikring. Mode 4 i IEC-61851 definere forhold under opladning, når der benyttes ekstern DC-lader.

IEC Norm 62896

I denne IEC-norm har man forsøgt at standardisere elbilens ladestik. Resultatet afspejler at det nok ikke har været et let arbejde. I første omgang er standarden begrænset til kun at definere stik til AC-opladning.

Ved opladning af en elbil er der mange tings, som der skal tages højde for bl.a. skal den passe til det el-net den tilsluttes. I USA og Japan har man et 1-faset el-net med enten 120 eller 240 volt. Her i Europa har vi normalt 3 faser og en nul-leder. Der er 230 volt mellem en vilkårlig fase og nul-lederen og 400 volt, hvis man måler mellem to faser.

Det har betydet at man i USA og Japan har valgt et ladestik med kun 5 ben, hvor vi her i Europa skal have 2 ekstra. Endvidere kan man få det indtryk at franskmændene ikke kan lide der, som er opfundet i Tyskland. Som et kompromis er normen endt med at definere 3 forskellige AC-ladestik til elbilen:

Type er den amerikanske 1-fasede type, som for øvrigt også er defineret som standard hos den amerikanske bilindustri som SAE J-1772. Type 2 er en 3-faset udgave af type-1 stikket udviklet at det tyske firma Mennekes - hvilket har gjort at dette stik ofte går under betegnelsen "et Mennekes stik".

Som sagt kan Frankrig tilsyneladende ikke lide Tyskland, og det har bevirket at franskmændene har fået deres eget stik, som er blevet til Type 3.

Det ser ud til at man i Europa er endt med at blive enige om Type 2 stikket til AC opladning, således vil alle de ladestandere, som både Better Place og CLEVER opstiller her i Danmark da også være med dette stik. Det er dog ikke så kritisk, da der altid skal bruges et løst kabel mellem elbilen og ladestanderen.

Det gør systemet ret fleksibelt, idet elbilen ikke behøver at have samme stik, som ladestanderen - man anskaffer bolt et ladekabel med et Type 2 stik i den ene ende og i den anden ende forefindes et stik, som passer til ens elbil.

Hurtig oplading fra ekstern lader med DC

Oplading med DC fra en ekstern (off-board) lader bruges næsten altid i forbindelse med hurtigladning. Det er anslået at 90-95 % af al opladning foregår med langsom (6-8 timer) AC-opladning, der hvor elbilen er parkeret i længere tid. Det er for det meste om natten hjemme i ejerens garage eller carport, men det kan dog også ske på arbejdspladsen, mens ejeren er på arbejde.

DC opladning vil derfor stort aldrig foregå under private forhold, men udelukkende i det offentlige rum. Når elbilejeren har behov for at lade uden for hjemmet, er det ofte fordi elbilens batterikapacitet ikke er tilstrækkelig for at kunne gennemføre den ønskede køretur.

Det bliver sådan en form for "mellem-ladning", som hurtigt skal overstås, så turens mål kan nås. Derfor må det antages, at det er hurtigladning, som vil blive efterspurgt ved offentlige ladestandere. Maks. en halv time også går turen videre.

CHAdeMO

De japansk producerede elbiler (fra Mitsubishi og Nissan) har været de første til at komme med mulighed for hurtigopladning. Sammen med Tokyo's elselskab Tepco har de japanske bilfabrikker for mere end 3 år siden introduceret CHAdeMO ladestikket med tilhørende kommunikationsprotokol.

Dette stik er gået hen og blevet en form for de-facto standard og det er p.t. verdens mest udbredte. Ud over Nissan, Toyota, Mitsubishi, Mazda, Honda og Subaru, så støtter franske PSA også op om dette stik.

CHAdeMO stikket og den tilhørende kommunikationsprotokol understøtter en enhver batteripakke med en vilkårlig spænding mellem 100 og 400 volt. Ladestrømmen kan være helt op til 125 amp. dog maksimal effekt på 50 kW. Det betyder at alle de elbiler, som vi kender i dag kan oplades på ca. en halv time.

På grund af de høje ladestrømme så er det ikke praktisk muligt - ej heller af sikkerhedsmæssige grunde - at have løse ladekabler ved DC-hurtigladning. Ladekablet og ladestikket er derfor en fast del af ladestanderen, og det betyder igen at ladestanderen og elbilen skal have samme stik.

SAE-1772 rev B - Combo

I USA har man anvendt et fem-polet en-faset ladestik til AC-opladning - Defineret i den europæiske IEC norm, som type 1. I efteråret 2012 vedtog den amerikanske SAE organisation en udvidelse af 1772 normen med introduktion at et helt nyt stik kaldt combo-plug. Man har åbenbart haft en eller anden form for avation mod det, som er opfundet i Japan, siden man har valgt at gå egne veje. P.t. er det kun GM med deres Chevrolet Spark, som planlægger at understøtte det stik.

IEC type 2 - Combo

Samme modvilje mod det japanske har visse tyske bilfabrikker også haft, idet Audi, BMW, Ford, GM, Porsche og VW med Daimler i spidsen har valgt at lave deres helt eget stik, hvor de krydser den amerikanske SAE combo-plug med et Mennekes stik (IEC type 2).

Hvad er forskellen på de 3 stik?

Den amerikanske og den europæiske combo-plug adskiller sig kun på et område - ellers er det helt ens i funktion og virkemåde. Samme kommunikationssystem, sammen mekaniske låsesystem - eneste forskel er AC-delens udformning med henholdsvis 1 og 3 faser. CHAdeMO stikket er udviklet udelukkende til DC opladning. De elbiler, som benytter dette stik vil da også have et andet separat stik til AC-opladning.

CHAdeMO stikket bruger 8 ben til handshake og kommunikation, hvor Combo-stikket pga. sin arv fra AC-stikket må nøjes med 2 ben. Ved DC opladning med høje strømstyrker er sikkerheden enormt vigtig - dels skal det sikres at der er ordentlig forbindelse mellem bil og ladestander inden der åbnes for strømmen, men lige så vigtigt at også den løbende kommunikation med elbilens ladestyring (BMS) og ladestanderen.

Det er nemlig sådan at det er elbilens computer som hele tiden fortæller ladestanderen hvor mangle volt og hvor mange ampere, der skal overføres. Hvis denne kommunikation svigter, så kan det i værste fald medføre overlading af enkelte battericeller med efterfølgede barand i batteripakken.

CHAdeMO har valgt at benytte den af bilindustrien gammelkendte CAN-Bus til denne kommunikation, hvilket umiddelbart i mine ører lyder, som et godt valg, idet det er en Bus, som er designet til at virke fejlfrit i et elektrisk støjfyldt miljø, som en bil er.

På Combo-pluggen har man ikke haft den frihed at kunne tilføje de stikben, som man funktionelt har behov for. Derfor har man måttet opfinde et mere komplekst system. Control-pilot og Proximity benene bruges til at sikre korrekt tilslutning med elbilen ved ind og udkobling af ladestikket, men da man har manglet stikben til en CAN-bus, så har man måtte opfinde et nyt system til at overlejre kommunikationen mellem BMS og ladestander på de eksisterende stikben. Her benytter med det såkaldte PLC (Power-Line-Communcation), hvor kommunikationssignalerne lægges ovenpå et eksisterende ben med en form for højfrekvent radiokommunikation.

Alt andet lige en mere kompleks måde at gøre tingene på…

En anden væsentlig forskel på de to typer stik er låsning af stikket under opladning. Da der er tale om ret store strømstyrker, så er det vigtigt at stikket ikke kan trækkes ud af elbilen under opladning, derfor har begge systemer en elektromekanisk låsning af stikket. Forskellen er blot, at ved CHAdeMO sidder hele mekanikken til dette i stikket. Ved både den amerikanske såvel som den europæiske Combo-plug er det elbilen, som skal låse stikket fast.

Det betyder at ved CHAdeMO, så er det operatøren at ladestanderen, som skal sikre at stikkets låsesystem fungere korrekt, hvorimod ved Combo-stikket er det den enkelte elbilejer, som selv er ansvarlig for at låsefunktionen ikke er defekt. Hvis det ender med at Combo-stikket vinder kampen og bliver fremtidens DC-ladestik, bør man nok overveje om ikke der skal indføres nye retningslinjer for årlig syn af elbiler, hvor man efterprøver og godkender ladestikkets sikkerhedsfunktioner.