Onderwerpen:
- Inleiding
- Laadstekkers en aansluitingen
- Electronic Vehicle Supply Equipment (EVSE)
- Laadmogelijkheden
- Laadtijden
- Prijzen om te laden
- Communicatie tussen laadpaal en voertuig
- Proximity Pilot
- Control Pilot
- Elektriciteitsnetwerk
Inleiding:
De accu’s van elektrische voertuigen of plugin-hybrides kunnen met externe laadvoorzieningen worden geladen. Men kan de auto met een laadkabel verbinden met een publieke laadpaal, publiek laadstation of eigen wallbox (aan de buitengevel of in de garage) om de batterij via het stroomnet te laden. Ook is er vaak een mobiele lader beschikbaar waarmee men via het stopcontact kan laden, maar het is aanbevolen om deze lader alleen voor nood te gebruiken.
De volgende afbeelding toont het laden van een elektrische auto. Aan de zijkant van het voertuig bevindt zich een klep die erg op een tankklep lijkt van een auto met verbrandingsmotor. Achter de klep vinden we de stekkeraansluiting waar de laadstekker in kan worden gestoken.
De sticker in de klep geeft aan welke kleur de LED naast de stekker zal gaan branden bij een bepaalde status.
Laadstekkers en aansluitingen:
De laadstekkers en aansluitingen zijn in Europa gestandaardiseerd. Voor het AC-laden (wisselstroom) kennen we de Mennekes (type 2) en voor DC-laden (gelijkstroom) de CCS2 stekker.
De volgende afbeelding toont een gecombineerde Mennekes Type 2 met CSS2-laadstekkers. Met deze stekker is het mogelijk om met gelijkstroom te (snel)laden.
In de onderstaande afbeelding zijn de stekkers te zien die in andere delen van de wereld worden gebruikt. Er wordt onderscheid gemaakt in AC en DC, waarbij de DC-variant vaak een uitbreiding is van de AC-connector.
Electronic Vehicle Supply Equipment (EVSE):
Publieke laadvoorzieningen zijn te allen tijde voorzien van een interface met EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Hiermee wordt de beveiliging en communicatie gewaarborgd. De functies van de EVSE zijn o.a:
- Controleren van aansluitingen: na een bevestiging dat alle stekkers zijn aangesloten en vergrendeld, start de laadmodus;
- Zelfdiagnose: bij het detecteren van fouten wordt de netvoeding onderbroken;
- Lekstroomdetectie: bij iedere vorm van lekstroom wordt de netvoeding onderbroken;
- Stroomregeling: communiceert met de on-board lader in de auto middels een PWM-signaal om de stroomsterkte te begrenzen.
Laadmogelijkheden:
Bij het laden met wisselstroom (AC) wordt de elektriciteit van het stroomnet in de auto omgezet naar een gelijkstroom (DC). Het nadeel van AC-laden is dat er een grote kans is op inductieverschijnselen en verliezen als gevolg van de geleiderweerstand. Ook vindt er in de auto een omzetting plaats van AC naar DC voordat de energie de accu bereikt, waardoor de laadstroom beperkt is.
Met het laden van gelijkstroom (DC) kan “super” snel worden geladen. Er vindt geen AC/DC-omzetting meer plaats in de on-boardlader, maar buiten het voertuig. De accu kan dus met een groter laadvermogen worden opgeladen en is dus sneller vol. Dit is ideaal om even tijdens een koffiepauze langs de snelweg te laden voor het vervolg van de reis.
De manieren en snelheden waarmee een voertuig kan worden geladen, kunnen we in vier verschillende modi indelen. Mode 1, 2, 3 en 4 geven aan hoe het voertuig met het stroompunt is verbonden.
- Mode 1: laden geschiedt rechtstreeks via het elektriciteitsnet van een huishoudaansluiting. In het voertuig wordt de spanning omgezet van AC (wisselstroom) naar DC (gelijkstroom). De laadinrichting biedt beveiliging omdat er geen stroombegrenzing of terugkoppeling is van het voertuig naar het stopcontact. Deze manier van laden wordt nauwelijks gebruikt, omdat er kans is op gevaar en defecten, en daarom in veel landen verboden is.
- Mode 2: net als in mode 1 wordt de wandcontactdoos van een huisaansluiting gebruikt en beperkt de laadstroom zich tot 16 A met een vermogen van 3,68 kW. Echter, om overbelasting te voorkomen, wordt het vermogen door de laadkabels meestal begrenst tot bij 2,3 kW (ca. 10 A). Met laadmodus 2 is het laadstation uitgevoerd als mobiele oplader, welke kan worden meegenomen. In het voertuig wordt door de on-board lader AC omgezet in DC.
- Mode 3: voor laden wordt gebruik gemaakt van een vaste laadpaal of wallbox, welke net als in mode 2 is aangesloten op het elektriciteitsnetwerk van een gebouw. De mode 3 lader is geschikt voor AC-laden en voor vermogens van 3,68 tot 22 kW. Wederom wordt de AC in de vermogenselektronica van het voertuig omgezet naar DC.
- Mode 4: terwijl bij laadmodi 1 t/m 3 met wisselstroom wordt geladen en deze in het voertuig moet worden omgezet in gelijkstroom, vindt bij mode 4 laden de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom plaats in het laatstation zelf. De gelijkstroom wordt rechtstreeks aan het batterijpakket geleverd. Dit staat bekend als DC-laden of als snelladen. Een DC-laadstation voor modus 4 laden vereist een ingangsspanning van minimaal 480 volt en levert een vermogen vanaf 43 kW.
Laadtijden:
De laadtijden van hybride- en elektrische voertuigen kunnen worden bepaald door de batterijcapaciteit te delen door het geleverde vermogen van de lader.
Het beschikbare laadvermogen wordt niet alleen bepaald door de type lader en laadkabel, maar ook door het maximale laadvermogen waarvoor de vermogenselektronica in het voertuig geschikt is. Nieuwe luxe auto’s krijgen een steeds grotere batterij met meer capaciteit voor een grotere actieradius, maar doordat het laadvermogen toeneemt, kan het zelfs betekenen dat de laadtijd afneemt. Als voorbeeld nemen we een VW e-Golf (32 kWh) ten opzichte van een Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Niet alle voertuigen kunnen tot 100% met DC opladen. Het DC-laden stopt bij 80%. De laatste 20% gaan met een lager laadvermogen via AC. Dit is ter bescherming van de HV-accu.
VW e-Golf (32 kWh)
AC-laden:
Met een Type 2 laadstekker kan het accupakket via AC worden geladen. Het maximale laadvermogen van de boordlader is 3,7 kW. Wanneer het accupakket vanaf 20% via een laadpaal (mode 3) wordt opgeladen, neemt dit ca. 7 uur in beslag. Uitleg: 80% (laden) van 32 kWh = 25,6 kWh. De laadtijd berekenen we door het benodigde vermogen door het geleverde vermogen te delen: (25,6 / 3,68) = 6,96 uur (6 uur en 58 minuten).
Wanneer er via het stopcontact (mode 2) wordt geladen, wordt het vermogen begrenst tot 2,3 kW en bedraagt de laadtijd 11,13 uur (11 uur en 8 minuten).
DC-laden:
Bij het snelladen middels gelijkstroom met een vermogen van 44 kW, is de accu na 0,58 uur volgeladen (35 minuten).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC-laden:
Met een Type 2 laadstekker kan het accupakket via AC worden geladen. Het maximale laadvermogen van de boordlader is 11 kW. Wederom gaan we ervanuit dat we vanaf 20% gaan laden. Het te leveren vermogen van de laadinrichting bedraagt 86,72 kW. Met het laden via de laadpaal bedraagt de laadtijd 7,88 uur (7 uur en 53 minuten).
DC-laden:
Met mode 4 is het mogelijk om tot 207 kW te laden. De laadtijd bedraagt: (86,72 / 207) = 0,42 uur (25 minuten).
Prijzen om te laden:
Er zijn vele aanbieders van laadpassen. Diverse websites bieden overzichten aan met de tarieven. We gaan in deze paragraaf uit van de energietarieven die in maart 2023 golden en houden geen rekening met abonnementsgeld of starttarief per laadsessie, maar alleen met de energieprijzen.
- Nederland AC €0,60/kWh
- Nederland DC €0,85/kWh
- België en Luxemburg €0,65/kWh
- Europa: AC €0,51/kWh
- Europa: DC €0,87/kWh
In de voorbeelden van de VW e-Golf en de Mercedes EQS berekenen we de laadprijzen aan de hand van het laadvermogen en het feit dat we vanaf 20% actieradius gaan laden.
- VW e-Golf: uitgaande van het laadvermogen van 25,6 kW, kost het in Nederland €15,36 voor het AC-laden €21,76 voor DC-laden. Totale actieradius: 190 km.
- Mercedes EQS: met het laadvermogen van 86,72 kW kost het in NL €52,- voor AC-laden en €73,70 voor DC-laden. De actieradius bedraagt rond de 485 km.
Communicatie tussen laadpaal en voertuig:
De laadinterfacemodule voorziet de communicatie tussen de laadpaal en het voertuig. Via de zogenaamde “Proximity Pilot” en de “Control Pilot”, afgekort als “PP” en “CP” wordt aangegeven dat er een laadstekker is aangesloten, en wordt bepaald hoeveel laadstroom er is toegestaan. In de volgende twee paragrafen wordt de werking van de PP en de CP uitgelegd.
In de afbeelding zien we de CP en PP in de Amerikaanse Type 1 (links) en Europese Type 2 Mennekes stekker (rechts), beiden gecombineerd met de DC-laadstekker. We concentreren ons op de rechter stekker met de CP, PP, de drie fasen (L1 t/m L3) met nuldraad (N) en de zgn. Protective Earth (PE).
In deze paragraaf wordt gebruik gemaakt van het volgende schema, welke is gebaseerd op de Europese standaard (IEC 62196-2). Dit betreft de Type 2-connector, ook wel de Mennekes genoemd. In het schema zien we (van links naar rechts) de volgende componenten:
- EVSE controller: dit is de module welke in de laadpaal of wallbox is ingebouwd;
- Laadstekker: naast de laastroom wordt via de PP en CP gecommuniceerd tussen de EVSE controller en de voertuig controller;
- Voertuig controller: de elektronica in het voertuig schakelt het laadproces in zodra aan meerdere voorwaarden zijn voldaan.
Proximity Pilot:
De proximity pilot heeft twee functies: registreren of er een laadkabel is aangesloten en het registeren welk type laadkabel er is aangesloten, zodat de maximale laadstroom kan worden bepaald.
In het onderstaande schema is het circuit van de PP roodgekleurd. Hierin zien we een spanningsdeler tussen R1 en R2, welke is gevoed door 5 volt. De regeleenheid meet de spanning tussen R1 en R2 (dit is voor de duidelijkheid aangegeven met een voltmeter). Weerstand R1 dient als pull-upweerstand.
- Als er geen laadstekker is aangesloten is er géén sprake van een spanningsdeler. Weerstand R1 neemt geen spanning op, waardoor de gemeten spanning 5 volt bedraagt;
- Wanneer de laadstekker is aangesloten, ontstaat er een serieschakeling. Met de gegeven weerstandswaarden zal de regeleenheid een spanning van 3,1 volt meten.
De weerstandswaarde in de laadstekker geeft aan wat de maximale stroomsterkte door de laadkabel mag zijn. Deze weerstandswaarden zijn als volgt:
- 100 ohm: maximaal 63 A;
- 220 ohm: maximaal 32A;
- 680 ohm: maximaal 20 A;
- 1500 ohm: maximaal 13A.
De weerstandswaarde in het voorbeeld bedraagt 220 ohm, wat betekent dat de stroomsterkte door deze laadkabel maximaal 32 A mag bedragen. Een hogere of lagere weerstand zorgt voor een andere spanningsdeling en dus een andere ingangsspanning voor de controller.
De Noord-Amerikaanse connectoren vallen onder de norm: SAE J1772. Deze Type 1 laadstekker wijkt af van de Europese versie:
- Enkelfasige wisselspanning i.p.v. drie fasen wissselspanning in de Europese Type 2 stekker;
- Handmatige vergrendelingshaak. De extra spanningdeler maakt het mogelijk om een extra veiligheid in te bouwen. Zodra wordt herkend dat de knop wordt ingedrukt, schakelt het laadsysteem zich onmiddellijk uit.
Het onderstaande schema toont de Amerikaanse versie.
Met name de vergrendelingshaak geeft een uitbreiding aan het Proximity Pilot circuit.
- Er bevindt zich een spanningsdeler in de connector;
- Schakelaar S3 staat parallel aan weerstand R7. In rust staat de schakelaar gesloten en wordt weerstand R7 overbrugd;
- Bij het demonteren van de stekker moet de bestuurder de vergrendelingshaak bedienen om de stekker uit het voertuig te kunnen trekken. Tijdens het indrukken van deze haak wordt S3 geopend. Weerstand R7 maakt deel uit van de spanningsdeler.
Control Pilot:
De CP monitort het laadproces vanaf het verzoek om te beginnen met laden, tot aan het beëindigen van het laden wanneer de batterij is volgeladen. De CP maakt communicatie mogelijk tussen de EVSE controller in de laadinrichting en het voertuig.
- Na het aansluiten van de laadkabel op het laadstation, zet de EVSE-controller een spanning van 12 volt op de Control Pilot aansluiting van de laadstekker.
- zodra de laadstekker op het voertuig wordt aangesloten, daalt de spanning naar ongeveer 9 volt als gevolg van de spanningsdeler tussen R3 en R4;
- via de ST2 (Schmitt-trigger) meet de controller de inkomende spanning.
Het stroomverloop met aangesloten laadkabel is rood gemarkeerd.
- Na het registreren van de 9 volt is, bekrachtigt de EVSE-controller relais K2. In plaats van de 12 volt voeding, wordt de oscillator in het circuit opgenomen;
- de oscillator produceert een blokspanning van -12 naar +12 volt;
- de diode zorgt ervoor dat de spanning op de CP-aansluiting wisselt tussen +9 en -12 volt;
- met de duty cycle in het PWM-signaal geeft de EVSE-controller aan wat de maximale laadstroom is wat het voertuig mag afnemen.
Na het tot stand brengen van het PWM-signaal, schakelt de voertuigcontroller relais K1 in zodra het voertuig klaar is om te beginnen met laden.
- Relais K1 schakelt weerstand R5 aan massa;
- door de parallelschakeling tussen R4 en R5 zakt de positieve puls van het PWM-signaal naar 6 volt;
- De spanning van 6 volt wordt gemeten door de EVSE-controller in de laadinrichting en verbindt nu de stroomtoevoer naar de laadkabel om de batterij op te laden.
De onderstaande afbeelding toont signaal van de Control Pilot, met daarin het spanningsverloop ten opzichte van de tijd. Dit spanningsverloop is te meten op de Control Pilot aansluiting van de laadstekker, terwijl deze is aangesloten.
- Status A: er is geen verbinding met het voertuig. Zolang er geen laadkabel wordt aangesloten, blijft de spanning 12 volt;
- Status B: Elektrisch Voertuig is verbonden. Relais K2 wordt bekrachtigd. De spanning daalt naar 9 volt als gevolg van de diode in het circuit;
- Status C: Relais K1 wordt bekrachtigd. Dit is “het signaal” voor de laadeenheid om het laadproces te starten.
Status D en E geven aan wanneer er een actie nodig is voor ventilatie, of om het laadproces te beëindigen doordat er een fout is gedetecteerd.
Elektriciteitsnetwerk:
In de paragraaf “laadmogelijkheden” werden de modi 1 t/m 4 getoond. Men kan ervoor kiezen om thuis via de thuislader, wallbox, laadpaal of via een snellader langs de snelweg het voertuig op te laden. Met name het thuis laden via een eigen laadvoorziening wordt steeds populairder. Een thuislader kan men simpelweg verbinden met een stopcontact, maar om met meer laadstroom een zo kort mogelijke laadtijd te verkrijgen, kan met het aanpassen van de groepenkast, een eigen wallbox worden aangesloten. Als eerste kijken we naar de begrippen: 1- en 3 fase wisselstroom.
Bij een 1-fase aansluiting zien we een “standaard” elektriciteitskabel met drie aders:
- bruin: fasedraad;
- blauw: nuldraad;
- geel / groen: aardedraad.
Bij een 1-fase laadpaal of wallbox gaat de elektriciteit door twee draden (de fasedraad en de nuldraad)
Een 1-fase wallbox of laadpaal maakt gebruik van de standaard 230 v aansluiting van de huiselektronica. Het maximale vermogen is 16 A, waarmee het maximale laadvermogen van een 1-fase lader uitkomt op 3,7 kW. Een batterijpakket van 60 kW is met dit laadvermogen in ongeveer 16 uur opgeladen, wat relatief lang duurt. De meeste nieuwe elektrische auto’s hebben een hogere capaciteit.
Het is mogelijk om de maximale stroomsterkte in de groepenkast van de huiselektronica te verhogen, zodat er meer capaciteit is voor een 32 A 1-fase lader. Er kan in dat geval met maximaal 7,4 kW worden geladen. Echter, met een 1-fase lader bestaat de kans dat de groepenkast overbelast raakt, met het uitvallen van de elektriciteit als gevolg. Naast een laadpaal zijn er immers meer elektrische apparaten die gebruikmaken van het elektriciteitsnetwerk, waaronder de wasmachine, vaatwasser, kookplaat en de warmtepomp. Met behulp van load balancing kan de maximale capaciteit worden benut:
- overdag is de kans groot dat meerdere elektrische apparaten worden gebruikt. De laadstroom voor het voertuig wordt gereduceerd;
- ’s nachts staan de meeste apparaten uit, zodat het voertuig meer laadcapaciteit krijgt.
Om sneller te laden, is het mogelijk om de laadpaal of wallbox via een 3-fase aansluiting op groepenkast aan te sluiten. Dit hoeft niet per sé krachtstroom te zijn. Bij een 3-fase aansluiting zien we twee extra draden:
- zwart: extra fasedraad;
- grijs: extra fasedraad.
Bij een 3-fase laadpaal gaat de elektriciteit door vier draden (de drie fasedraden en de nuldraad).
Het laadvermogen van een laadpaal of wallbox op een 3-fase aansluiting is hoger dan bij een 1-fase, waardoor het voertuig sneller oplaadt. De maximale laadstroom van het voertuig wordt daarbij nooit overschreven. Sommige voertuigen zijn maar geschikt om tot 3,7 kW te laden. Het heeft dan geen zin om een 3-fase aansluiting te creëren. Voertuigen kunnen ook geschikt zijn voor 7,4 of 11 kW: hierbij loont het om de capaciteit (3 * 16 A) vanuit de groepenkast te verhogen.
Bij oudere huizen zien we vaak een 1-fase aansluiting (tot 35 A) in de groepenkast. Alle drie de fasen zijn wel aanwezig, maar er is er maar één aangesloten.
De groepenkast kan worden omgebouwd, zodat alle drie de fasen worden gebruikt. Nieuwere huizen, waar de groepenkast is voorbereid op meer elektrische verbruikers (denk aan zonnepanelen, een inductie kookplaat en een warmtepomp), kunnen vanaf de oplevering al zijn voorzien van een 3-fase aansluiting. In dat geval staat er “3×220/230V of 3×380/400 volt” op de elektriciteitsmeter. Er komen ook in totaal vier draden – de drie fasedraden en de nuldraad – uit de onderkant van de groepenkast. Afhankelijk van de groepenkast, is de groep tot 1x25A, 1x30A of 1,35A beveiligd. Hoe groter de vermelde stroomsterkte is, hoe meer stroom er tegelijkertijd kan worden gebruikt.
In de onderstaande afbeelding zijn vijf situaties getoond van een 1-fase tot aan een 3-fase aansluiting in de groepenkast en het gebruik van een 1-fase of 3-fase lader.
1 fase: Met de noodlader kan men het voertuig via het stopcontact opladen. Met een wallbox kan men met een 1-fase groep tot 16A laden zonder load balancing, en 32A mét load balancing. De 32A kan pas worden behaald op het moment dat er geen andere verbruikers in het huis actief zijn.
Voor vermogens tot 7,4 kW is een 1 fase netwerk met load balancing mogelijk. Bij het gebruik van meerdere elektrische apparaten met een hoog verbruik in huis, waaronder de o.a. de wasmachine / droger, vaatwasser en warmtepomp, zal het vermogen afnemen om te beveiligen tegen overbelasting. In de praktijk komt het erop neer dat het vermogen met wel 50% kan afnemen. De overstap van 1- naar 3-fase is daarom verstandig.
3 fase: Op het moment dat er teveel stroom op hetzelfde moment wordt gevraagd, kan dat zorgen voor overbelasting en het inschakelen van de beveiliging, waardoor de stroom uitvalt. Het is dus belangrijk dat het netwerk voldoende elektriciteit kan leveren. Met een 3 fase aansluiting kan er meer stroomsterkte tegelijk worden geleverd. Standaard worden de 3 fase groepen tot 25A beveiligd.
- 11 kW: verzwaring van de meterkast is nodig. De aanpassing van 1 fase naar 3 fase is voldoende;
- 22 kW: naast de aanpassing van 1 fase naar 3 fase is een verzwaring nodig van 35A.
De aanpassing naar 22 kW en 35A is voor particulieren nauwelijks interessant. Door de verzwaring moet men extra jaarlijkse vastrechtkosten á €1000,- betalen. Voor elke zwaardere stap (3x63A of 3x80A) moet er extra worden betaald. Daarnaast zijn veel elektrische voertuigen (nog) niet geschikt om met dusdanig hoge wisselstromen te laden:
De verwachting is dat in de komende jaren het aantal voertuigen die 22 kW op AC kunnen laden zullen toenemen.