Infrastructuurcomponenten voor elektromobiliteit

Infrastructuurcomponenten voor elektromobiliteit

Voor zekerheid in elektromobiliteit.

Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 1

26.07.2011 13:19:20

„De kwaliteit van een product wordt bepaald door zijn componenten.“ Infrastructuur­ componenten voor veilige elektromobiliteit.

2 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 2

26.07.2011 13:19:24

Inhoudsopgave Informatie

Componenten voor elektromobiliteit.

Verklarende woordenlijst........................................................................................................4 Normering en standaardisatie................................................................................................5 Verschillende laadmodi.................................................................................................... 6 – 7 Basiscommunicatie met het voertuig......................................................................................8 Eén norm – drie systemen......................................................................................................9 Het MENNEKES ontwerp (Type 2).........................................................................................10 De oplossing voor u.............................................................................................................11 MENNEKES laadkabels.........................................................................................................12 MENNEKES componenten voor laadstations.........................................................................

13

. . .

3 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 3

26.07.2011 13:19:26

Verklarende woordenlijst Begrippen. Afkortingen.

Voor de verschillende com­ ponenten gebruiken we de gebruikelijke terminologie uit de norm. Bedrijfsspeci­ fieke termen voor compo­ nenten kunnen voorkomen en kunnen naast de in de norm gespecificeerde func­ tionaliteit ook nog extra functies behelzen.

CP

Control Pilot, aanduiding van het contact / ader, waarover de communicatie-informatie overgedragen wordt

CP-Box of CP-communicatiebox

MENNEKES aanduiding voor de PWM-module

EVSE

Electric Vehicle Supply Equipment, internationale aanduiding van het laadstation voor het laden van elektrische voertuigen

ICCB

Incable Control Box, bestaat uit SPE-PRCD en PWM-module (of CP-Box)

Modus 1 - 3

Verschillende wijzen van laden, welke zich onderscheiden in maximaal laadvermogen en in de communicatiemoge­ lijkheden met het voertuig

PRCD

Portable Residual Current Device, mobiele aardlek­ schakelaar

PRCD-S

Portable Residual Current Device-Safety, mobiele aardlek­ schakelaar met toegevoegde aardleidingherkenning en -bewaking

Proximity / PP

Proximity contact of Plug Present Contact voor het vast­l­eggen van het maximale laadvermogen van de laadkabel en activering van de wegrijdblokkade

PWM

Pulsbreedtemodulatie. Wijze van overdracht van de communicatie-informatie (communicatieprotocol)

PWM-module

Module van de ICCB (bij modus 2 laden) dan wel van het laadstation (bij modus 3 laden) voor communicatie met het voertuig

SPE-PRCD

Switched Protective Earth-Portable Residual Current Device = verplaatsbare, afschakelbare foutstroomapparatuur, ter verhoging van de veiligheid

Weerstandcodering

De laadkabels hebben een weerstandcodering. Deze wordt gebruikt door het laadpunt, om de laadstroom tot de ma­ ximaal toelaatbare stroom van de laadkabel te begrenzen

4 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 4

26.07.2011 13:19:27

Normering en standaardisatie Overzicht van de belangrijkste normen

Veranderingen in de norm van de tweede generatie

IEC 62196-1:2003 Momenteel in nabewerking. Stekkers, contactdozen, voertuigcontactmateriaal en voertuigstekker – het laden van elektrische voertuigen – deel 1: laden met kabel van elektrische voertuigen t/m 250A wisselstroom en 400 A gelijkstroom. Voldoet aan EN 62196­1:2003 en VDE 0623 deel 5:2004­06

Totdat een norm inter­ nationaal geldig is, door­ loopt deze vele stappen, waarop nog aanpassingen om verschillende redenen

IEC 62196-2 Komt momenteel tot stand. Stekkers, contactdozen, voertuigcontactmateriaal en voertuigstekker – het laden van elektrische voertuigen – deel 2­2: eisen en gradaties voor de uitwisselbaarheid van pen­ en buscontactma­ teriaal, versie juli 2009, ook gepubliceerd als VDE AR­E 2623­2­2:2009­10 IEC 61851-1:2001 Momenteel in bewerking. Elektrische uitrusting van elektrovoertuigen – con­ ductieve laadsystemen voor elektrovoertuigen – deel 1: algemene eisen. Voldoet aan EN 61851­1:2001 en VDE 0122 deel 1:2001­11

IEC 61851-21:2002 Momenteel in nabewerking. Elektrische uitrusting van elek­ trovoertuigen – conductieve laadsystemen voor elektro­ voertuigen – deel 2­1: eisen van een elektrovoertuig voor conductieve connectie aan AC/DC voeding. Voldoet aan EN 61851­21:2001 en VDE 0122 deel 2­1:2002­10

plaatsvinden. Zo ook bij de internationale totstand­ koming van de normen voor laadsystemen.

IEC 61851-22:2001 Momenteel in nabewerking. Elektrische uitrusting van elektrovoertuigen – con­ ductieve laadsystemen voor elektrovoertuigen – deel 2­2: wisselstroom ­ laadstation voor elektrovoertuigen. Voldoet aan EN 61851­ 22:2001 en VDE 0122 deel 2­2:2002­10 IEC 60364-7-722 Komt momenteel tot stand. Installeren van laagspannings­ installaties – deel 7­722: eisen voor bedrijfsterreinen, ruimtes en installaties van bijzondere soort – voeding van elektro­ voertuigen. Wordt naar ver­ wachting VDE 0100 deel 722.

Infrastructuur contactdozen en laadstekker blijven ongewijzigd.

Aanwijzing Gepubliceerde normen kunnen verkregen worden bij het Nederlands Normalisatie Instituut (NEN) in Delft.

Voertuigstekker en laadkoppeling volgens de actuele stand van de internationale normering. 5

Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 5

26.07.2011 13:19:44

Verschillende laadmodi Overzicht laadmodi

Laadmodus Modus 1, Modus 2 of Modus 3?

Laadmodus

Communicatie

Vergrendeling

Eenfase

Driefase

Modus 1

geen

in voertuig

max. 16A 3,7 kW

max. 16A 11,0 kW

Modus 2

PWM­module in laadkabel

in voertuig

max. 32A 7,4 kW

max. 32A 22,0 kW

Modus 3

PWM­module in laadstation

in voertuig en in laadcontactdoos

max. 63A 14,5 kW

max. 63A 43,5 kW

Verschillende laadmodi Voor het veilig en naar be­ hoefte laden van elektrovoer­ tuigen worden verschillende laadmodi beschreven. Deze laadmodi onderscheiden zich enerzijds met betrekking tot de gebruikte contactdozen (beschermingscontact, CEE, laadcontactdoos), anderzijds met betrekking tot het maximale laadvermogen en bovendien in de communi­ catiemogelijkheden.

Modus 1 Voor het laden volgens modus 1 vindt de aansluiting op het energienet plaats via regulier, genormeerd con­ tactmateriaal. De laadstroom mag maximaal 16A bedragen, echter ook niet meer dan de

Nennstroom van de gebruikte contactdoos. Een 16A drie­ fase CEE­contactdoos maakt een laadvermogen mogelijk van max. 11 kW. De laadtijd is hier relatief lang, door het geringe laadvermogen.

Aan de voertuigzijde vindt de aansluiting plaats via een laadkoppeling volgens IEC 62192­2. De aan de aansluitzijde vereiste aard­ lekschakelaar zorgt voor elektrische veiligheid.

Laadaansluiting volgens modus 1 Laadcontactmateriaal volgens IEC 62196­2

CEE 16A eenfase, driefase, SCHUKO® of andere land­ specifieke uitvoeringen met PE­contact. MENNEKES biedt geen driefase oplossing.

]

[

6 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 6

26.07.2011 13:20:19

Modus 2

Laadaansluiting volgens modus 2

Voor modus 2 schrijft de norm een mobiel toestel voor, ter verhoging van de veilig­ heid (SPE_PRCD). Bovendien is er, voor de capaciteitsinstel­ ling en om te voldoen aan de veiligheidseisen, een commu­ nicatievoorziening (PWM­mo­ dule) met het voertuig vereist. Beide componenten worden verenigd in de Incable Con­ trol Box (ICCB). Aan de voertuigzijde vindt de aansluiting plaats via laadcontactmateriaal volgens IEC 62196­2, die gedurende het laadproces vergrendeld wordt.

Aan de netzijde wordt regu­ lier contactmateriaal t/m 32A, driefase, gebruikt. Dit kunnen CEE­contactmaterialen zijn

Modus 3

Laadaansluiting volgens modus 3

Modus 3 houdt in: het laden aan een nader omschreven laadinstallatie volgens IEC 61851, de zogenaamde „Electrical Vehicle Supply Equipment”(EVSE), ofwel de laadinfrastructuur. Daarbij zijn voor het laadstation PWM­ communicatie, aardlekscha­ kelaar, installatie­automaat, afschakeling, evenals een specifieke laadcontactdoos voorgeschreven. Hierbij is het laadcontactmateriaal zowel aan voertuigzijde als aan laadpuntzijde vergrendeld.

Laadcontactmateriaal volgens IEC 62196­2

CEE 16A eenfase t/m 32A driefase, SCHUKO® of andere landspecifieke uitvoeringen met PE­contact. MENNEKES biedt geen driefase oplossing. ICCB

of contactmaterialen met be­ schermingscontact (SCHUKO® dan wel landspecifieke contactmaterialen) zijn.

Laadcontactmateriaal volgens IEC 62196­2

In modus 3 kan het voertuig t/m 63A driefase geladen wor­ den. Daardoor is een laad­

De laadstroom bedraagt maximaal 32A en maakt een laadcapaciteit mogelijk t/m 22 kW.

Laadstation / Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE)

vermogen mogelijk tot aan 43,5 kW. Modus 3 maakt het mogelijk om sneller te laden.

Afhankelijk van accucapaciteit en laadtoestand is laden in minder dan een uur mogelijk. 7

Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 7

26.07.2011 13:20:38

Basiscommunicatie met het voertuig Veiligheidscheck en laadstroom­ begrenzing.

Al voordat het laden begint, vindt in laadmodus 2 en 3 PWM­communicatie plaats naar het voertuig via de CP leiding. Er worden meerde­ re parameters doorgegeven en afgestemd. Pas als alle veiligheidsvoorschriften eenduidig met de eisen overeenkomen en de maximaal toelaatbare laad­ stroom doorgegeven is, start het laden.

Laadstation

In het algemeen vinden deze stappen plaats:  het laadstation (in modus 2 het mobiele toestel, de ICCB, in de laadkabel) con­ troleert de aardverbinding naar het voertuig en geeft de beschikbare laadstroom door.  het voertuig stelt de lader overeenkomstig in.  het voertuig vergrendelt de laadkoppeling en geeft het commando om het laden te starten.  het laadstation vergrendelt het contactmateriaal aan de infrastructuurzijde. Is aan alle verdere voor­ waarden voldaan, dan schakelt het laadstation de laadcontactdoos in.

Tijdens het laden wordt continu, via de PWM­com­ municatie, de aardverbinding bewaakt en het voertuig heeft de mogelijkheid om de spanningsvoorziening door het laadstation af te laten schake­ len. Het beëindigen van het laden en de ontgrendeling van het contactmateriaal gebeurt via een voorziening in het voertuig. Deze signalen wor­ den via de CP­leiding aan het laadstation overgedragen. Begrenzing van de laadstroom Het laadapparaat van het voertuig bepaalt de voort­ gang van het laden. Om te vermijden dat de laadappa­

ratuur van het voertuig de laadcapaciteit van het laadstation of van de laad­ kabel overschrijdt, worden de capaciteitsgegevens van het systeem geïdentificeerd en op elkaar afgestemd. De CP­box leest de capaci­ teitsgegevens uit de kabel uit. De capaciteitsgegevens van het laadstation zijn in de CP­box vastgelegd. Voordat het laden wordt gestart, zendt de CP­box middels het PWM­signaal capaciteitsgegevens naar het voertuig, de lader van het voertuig wordt overeen­ komstig ingesteld en het laden kan beginnen, zonder dat er een situatie van over­ belasting kan plaatsvinden.

Ω

Lader Laadkabel

De zwakste schakel van de laadketting bepaalt de maximaal toelaatbare laadstroom: afhankelijk van de capaciteit van het laadstation en de weerstandcodering in de stekker van de laadkabel wordt de laadstroom in de lader begrensd.

8 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 8

26.07.2011 13:20:53

Eén norm – drie systemen Verschillende stellingnames.

Normontwerpen

Uitgangspunt voor veilig en comfortabel laden van het voertuig op iedere plaats is naast een gede­ gen infrastructuur van de energieverzorging ook een eenduidig laadsysteem. Alleen zo kan de E-auto tot vervoermiddel van de toekomst uitgroeien. De internationale normen van laadapparatuur beschrijven echter in totaal drie oplos­ singen. Deze onderscheiden zich duidelijk van elkaar. Naast het Duitse norm­ ontwerp van MENNEKES (Type 2, ook wel de „MENNEKES stekker” ge­

noemd) die door Europese autofabrikanten en ener­ giemaatschappijen wordt geprefereerd en die ook de voertuigzijde behelst, is er nog een Japans en een Ita­ liaans ontwerp. Alle drie de typen worden in de interna­ tionale norm IEC 62196-2 genormeerd, met als gevolg dat regionaal verschillende systemen toegepast kunnen worden. Het gevolg: omdat deze contactmaterialen onderling niet compatibel zijn, kan het door de ver­ schillende aansluittechnie­ ken een probleem worden

om steeds een passende laadzuil te vinden. Om dit probleem te vermijden zullen regio‘s, zoals bijvoor­ beeld Europa, voor één type kiezen. Deze stelling ondersteund MENNEKES met het normontwerp Type 2. Europese OEM‘ers hebben zich ondertussen al eenduidig voor Type 2 uitgesproken. In Nederland hebben de verantwoordelijke en betrokken instanties zich eveneens uitgesproken voor het MENNEKES norm­ ontwerp Type 2.

Ontwerp Type 1

MENNNEKES ontwerp (Type 2)

Ontwerp Type 3

ontwikkeld in Japan

ontwikkeld in Duitsland

ontwikkeld in Italië

Vormgeving

één bouwvorm

één bouwvorm

drie verschillende bouwvormen

Capaciteit

t/m 7,4 kW t/m 32A eenfase

t/m 44 kW t/m 63A één- t/m driefase

t/m 22 kW t/m 32A één- t/m driefase

9 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 9

26.07.2011 13:20:55

Het MENNEKES ontwerp (Type 2) Als innovator op gebied van industrieel contactmateri­ aal heeft MENNEKES een normontwerp bij de IEC ingediend. Deze was in het voorjaar van 2009 de basis van de overeenstemming van Europese energieleveranciers en autofabrikanten met betrekking tot de discussie over de laadaansluiting van elektrische auto‘s.

Energieoverdracht in twee richtingen

earth proximity

control pilot neutral

L1

L2

Het door MENNEKES ont­ wikkelde laadcontactmate­ riaal is reeds voorbereid op toekomstige eisen. Daartoe behoort ook de energie­ overdracht in twee richtin­ gen: de energie kan dan zowel van het energienet naar het voertuig worden overgedragen als van het voertuig in het energienet.

L3

MENNEKES levert open normontwerp

VDE gekeurd

Het normontwerp van MENNEKES voldoet aan de volgende eisen:  het is geschikt voor laad­ stromen van 13A t/m 63A.  het is geschikt voor één­ fase t/m driefase aanslui­ tingen.  het maakt energieover­ dracht in twee richtingen mogelijk.  de datacommunicatie wordt via de „control pilot” (CP) en het „earth” (PP) contact gegarandeerd.

De eerste laadkabels met laadstekkers en laadcon­ tactdozen zijn succesvol door de VDE goedgekeurd.

Het MENNEKES normontwerp is de basis voor de Duitse norm VDE­AR­E­2623­2­2, die als overgangsoplossing dient. Ook de internationale normen zijn gebaseerd op het MENNEKES normontwerp, deze zijn echter nog niet afgerond.

Voorbeelden van laadvermogens 230V

400V

13A

3,0 kW

9.0 kW

16A

3,7 kW 11,0 kW

20A

4,6 kW 13,8 kW

32A

7,4 kW 22,0 kW

63A 14,5 kW 43,5 kW

10 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 10

26.07.2011 13:20:56

De oplossing voor u Laadstroom

Welk systeem gaat het worden?

Een eenduidig laadsysteem is een belangrijke factor voor de acceptatie van elektromo­ biliteit. De volgende factoren zijn daarbij doorslaggevend:  compatibiliteit tussen de verschillende energie­ voorzieningen  veiligheidseisen  systeemkosten  gebruiksgemak  onderhoudskosten

Internationaal zijn er verschil­ lende meningen omtrent de benodigde laadstroom van de laadinrichting. Belangrijk is: meer laadstroom betekent kortere laadtijden. Het MENNEKES ontwerp (Type 2) maakt de hoogst toepasbare laadstroom van de drie systemen mogelijk, zon­ der nadelige gevolgen inzake kosten, gewicht of grootte. Veiligheid Het laden van elektrovoer­ tuigen moet vooral veilig zijn. Derhalve worden verschillen­ de veiligheidseisen vastge­ legd:  alle installaties voor elektro­ voertuigen moeten een aardlekschakelaar hebben.

 modus 3 laadcontactdozen worden pas ingeschakeld als de stekker gestoken en vergrendeld is.  modus 3 laadcontactdozen zijn afgeschakeld, zolang er geen communicatie met het voertuig bewerkstelligd is en zolang de aardverbin­ ding niet gecontroleerd is. Een verhoogde aanrakings­ veiligheid, zoals er in enkele Europese landen voor laag­ spanningscontactdozen in woningen vereist is, is niet noodzakelijk, omdat de modus 3 laadcontactdozen in ongestoken toestand altijd spanningsvrij zijn. Systeemkosten De systeemkosten worden beïnvloed door constructieve opbouw, het aantal gewenste contactdozen per laadpunt, onderhoudsvriendelijkheid en productievolume.

Voor al deze situaties biedt het MENNEKES ontwerp (Type 2) voordelen:  eenvoudige constructie met zo min mogelijk onderdelen.  slechts één contactdoos voor alle vermogens t/m 43,5 kW / 63A.  robuuste constructie minimaliseert de onder­ houds­ en reparatiekos­ ten. Gebruik Een stekker zonder extra mechanische bedienelemen­ ten is gebruiksvriendelijk en robuust. Bij het gebruik van – of in de buurt van – voertuigen is het niet uit te sluiten dat de laadkabel of de stekker overreden wor­ den. Robuuste, ingegoten stekkers zonder bewegende delen bieden hier de grootst mogelijke zekerheid.

Drievoudige zekerheid Pas wanneer aan alle volgende voorwaarden voldaan is, wordt de laadinstallatie van spanning voorzien: 1. Alle aansluitingen van de installatie zijn juist en goed aangesloten. 2. Alle aansluitingen, zowel in de auto als in de laad­ inrichting, zijn vergrendeld. 3. Er is een gedegen communicatie­ en aardverbinding. Het MENNEKES ontwerp (Type 2), die in samenwerking met Europese energieleveranciers en autofabrikanten is ontwik­ keld, voldoet aan alle eisen.

Is er aan één van deze voorwaarden niet voldaan, dan blijft de contactdoos spanningsloos. 11

Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 11

26.07.2011 13:20:58

MENNEKES laadkabel De juiste MENNEKES laadkabel voor alle laadmethoden.

De verbinding tussen ener­ giebron en voertuig loopt via de geschikte laadka­ bels. Voor de verschillende laadmodi biedt MENNEKES de volgende verschillende laadkabels aan. Voor het laden volgens modus 2 hebben de laadkabels aan de netzijde een stekker met beschermingscontact of een CEE­stekker IEC 309 16A, eenfase, 230V en aan de voertuigzijde een laadkop­ peling. Een ICCB (incable control box) in de modus 2 laad­ kabel wordt gebruikt als mobiele beveiliging, hierin is de communicatie­inter­ face naar het elektrische voertuig inbegrepen. In verbinding met een con­ tactdoos detecteert het apparaat onafhankelijk of de stroombron onder lading staat en of er aarding (een PE­contact) aanwezig is. De communicatie­interface controleert ook continue de

aardverbinding tussen de ICCB en de contactdoos. De geïnte­ greerde aardlekschakelaar in het apparaat biedt een extra bescherming voor de gebruiker tegen een elektrische schok in geval van een defect. Laden volgens modus 3 vereist specifieke laadkabels voor verschillende laadcapaci­ teiten. Deze laadkabels zijn in eerste instantie verkrijgbaar in de capaciteit 13A, 20A en 32A. Met behulp van weerstandco­ dering detecteert het voertuig de maximaal overdraagbare laadstroom en past de laad­ stroom overeenkomstig aan. Momenteel zijn verschillende varianten tot 32A driefase en max. 22 kW laadcapaciteit verkrijgbaar.

Modus 2 laadkabel met stekker met beschermings­ contact en laadkoppeling voor het voertuig.

Modus 3 laadkabel volgens IEC 62196­2, met aanrakings­ veilige laadstekker en koppeling.

12 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 12

26.07.2011 13:21:11

MENNEKES componenten voor laadstations Componenten op de juiste wijze gebruiken.

Installatieautomaat / aardlekschakelaar

Relais

CP­communicatiebox Actor

Actor­ sturing

Montagering met klapdeksel Modus 3 laadcontactdoos

De laadcontactdoos voor modus 3 laden is eigenlijk slechts één component van een laadsysteem. Hij kan alleen in combinatie met andere, voor een veilig functioneren noodzake­ lijke, componenten gebruikt worden. In de minimale configuratie moeten modus 3 laadsta­ tions de volgende compo­ nenten bevatten:  beveiligingen zoals aard­ lekschakelaar en installa­ tieautomaat.  relais om de laadaan­ sluiting af te schakelen van de voeding.  CP­communicatiebox voor de communicatie met het voertuig omtrent de laad­ parameters en de bewa­ king van de aansluiting.  de actor als onderdeel van de contactdoos voor de vergrendeling ­ oftewel de vrijgave ­ van de stek­ ker in de contactdoos.  actorsturing voor het aan­ sturen van de vergrende­ ling van de infrastructuur­ contactdoos in verbinding met de CP­box. Alleen bij MENNEKES met geïntegreerde ontgrendelfunctie bij stroomuitval.  modus 3 contactdoos voor het aansluiten van de laadkabel.  montagering met klap­ deksel om de vereiste IP beschermingsgraad te ga­ randeren (tenminste IP 44). 13

Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 13

26.07.2011 13:21:17

Infrastructuurcomponenten voor elektromobiliteit Laadkabel en infrastructuur­ componenten.

14 Elektroauto Komponenten NL 2011-07-25.indd 14

26.07.2011 13:21:21