NORMALISATIE VOERTUIGEN
VAN
LAADPUNTEN
VOOR
ELEKTRISCHE
Focus Om tot een krachtige laadinfrastructuur te komen is normgeving van groot belang. Normalisatie dient in te staan voor veiligheid, uitwisselbaarheid en prestaties. Er bestaan vele organisaties die zich bezig houden met normalisatie zoals ISO (mondiaal), IEC (mondiaal), SAE (USA), Jari (Japan) en CEN (EU). In Europa zijn er drie, namelijk CEN, CENELEC en ETSI. De laatste twee zijn respectievelijk specifiek voor elektriciteit en telecommunicatie. Normalisatie Op wereldniveau is er tussen ISO en IEC een afspraak gemaakt dat de eerste zich richt op het elektrisch voertuig als een geheel en dat de IEC zich richt op de elektrische componenten en de infrastructuur van de elektriciteitsvoorziening. Dit gebeurt door taakcomité IEC 69. Deze heeft een norm voor conductief elektrisch laden uitgebracht: IEC 61851:2001 – Electric vehicle conductive charging system. Hoewel de normalisatie moet proberen universeel te zijn, moet het zich ook bewust zijn van lokale verschillen. Het elektriciteitsnet is waarschijnlijk het verschillendst in de landen. In de VS bestaat er een eenfasig systeem met 120 V, een tweefasig systeem op 240 V en een driefasig systeem zonder neuter op 240 V (alleen in industriële omgeving). In Europa is er natuurlijk een eenfasig systeem op 230 V en een driefasig-systeem. Hiervan bestaan twee varianten: één op 400 V met een neuter en een driefasensysteem zonder neutrale lijn op 230 V. Dit kan verschillen van stad tot stad of zelfs straat tot straat! Niet alleen de spanningen variëren, ook de maximum toegelaten stroomsterktes zijn verschillend tussen de Europese landen. Een éénfase-aansluiting van 90 A is mogelijk in Frankrijk, terwijl in Zwitserland vanaf 16 A een driefasenaansluiting wordt gerealiseerd. In Japan bestaan er eenfasige 100 V systemen en 200 V tweefasige installaties. Van deze verschillen is toch niets opgenomen in de standaard. In de Verenigde Staten is er een indeling van drie elektriciteitsniveaus om het elektriciteitsnet te beschrijven: ‘level 1’: 120 V
‘level 2’: 240 V ‘level 3’: gelijkspanning Merk op dat de driefasenstroom (met beide varianten) niet is opgenomen in de indeling.
Figuur 1: logo’s van normalisatie-instellingen.
Oplaadwijzes en -niveaus In de IEC-norm zijn vier verschillende oplaadwijzes vastgelegd. Dit is van groot belang voor de laadinfrastructuur. Het betreft: Modus 1 laden: onaangepast stopcontact (‘non-dedicated outlet’); Modus 2 laden: onaangepast stopcontact met een beschermingswijze in de kabel; Modus 3 laden: speciaal stopcontact (‘dedicated outlet’); Modus 4 laden: DC-aansluiting. Modus 1 laden maakt gebruik van standaard binnenlandse stopcontacten. Aarding en differentieel (‘GFCI’) of een verliesstroomdetector (‘RCD’) zijn van essentieel belang voor de veiligheid. Hoewel dit verplicht is in nieuwe installaties, is het niet gegarandeerd voor alle installaties. In sommige landen in de wereld is deze modus niet toegestaan, maar kan misschien toch worden toegestaan voor privéterreinen. Modus 1 laden is het meest gebruikte systeem vandaag en volkomen veilig indien correct toegepast. Dit betekent bijvoorbeeld dat de stekker niet moet worden uitgetrokken tijdens het opladen. Bij grote laadstromen is dit extra van belang. De modus 2 is een tijdelijke oplossing voor de Verenigde Staten. Het voordeel van de oplossing is dat het enigszins kan werken met een elektrische installatie zonder veiligheidsmaatregelen. Modus 3 laden heeft zowel een speciaal stopcontact voor EV-gebruik en een bescherming middels een ‘control pilot’ functie. Deze controleert de juiste aansluiting van de auto. De contactdoos is zonder spanning als er geen voertuig aanwezig is. Het stopcontact controleert de integriteit van de aarding (aardlekschakelaar) en controleert de amperage van de lader. De communicatiemethode is gedefinieerd in IEC 61851-1. Het signaal is van het type pulsbreedtemodulatie. De pulsbreedte bepaalt de toegestane stroom. Hierdoor kan ook een in de tijd wisselende signaal worden gegeven, wat nodig is voor SmartGrid-laden. Alleen als de veiligheid
gewaarborgd is, wordt een contactor gesloten en komt er spanningen op de laadpinnen. Voor openbare infrastructuur is dit noodzakelijk. Op de lange termijn wordt het beoordeeld als de gewenste oplossing voor alle laadpunten. Bij het laden worden er drie niveaus onderscheiden: 16 A: 'normaal' opladen, 32 A: 'semi-fast' laden en hoogvermogen 'fast' laden. In spanningen en aantal fases wordt aldus geen onderscheid gemaakt in de norm, maar wel naar stroomsterkte. Dit onderscheid is belangrijk voor de elektrische installatie en de stekkers. In de modus 3 is er een ‘control pilot’ functie voorzien. Oorspronkelijk is dit voorzien als een fysieke pin in de stekker. Een impedantie van 1000 Ω tussen de piloot en de aarding is voorgeschreven met een stroom die vloeit door de piloot-aarde-lus. Het breken van de lus moet het laadcircuit verbreken. Ook een korte, tweede ‘pilot pin’ is voorgeschreven. Het moet de laadpinnen beschermen in het geval dat de stekker wordt uitgetrokken tijdens het opladen. De korte pin verliest als eerste de aansluiting waardoor de contactor hoort af te schakelen waardoor de laadpinnen op tijd spanningsloos worden zonder dat er een vonkbrug wordt getrokken. Volgens nieuwe inzichten kan de pilootfunctie ook worden uitgevoerd door een communicatie-mechanisme over de bestaande laaden aardingspinnen. Dit maakt het ook gemakkelijker dat dezelfde stekker kan worden gebruikt voor zowel modus 1 en modus 3 laden, respectievelijk thuis en bij openbare gebouwen. Modus 4 laden (DC laden) is nog niet gestandaardiseerd. Niettemin promoot een vereniging in Japan onder leiding van Tokyo Electric Power hun DC laadstekker en een (CAN) communicatieprotocol om auto's te laden. De vereniging heet CHAdeMO en de grote Japanse autofabrikanten maken ervan deel uit. Fonetisch staat de afkorting in het Japans voor: drink een kop thee.
Figuur 2: logo van CHAdeMO.
Stekkers De mondiale normen voor stekkers betreffen meer de veiligheid dan de exacte vorm. Voor de regelgeving is aansluiting gezocht bij de standaard voor industriële stekkers. Ten minste zes stekkertypes zijn voorgesteld voor elektrische voertuigen. Ze zijn opgelijst in figuur 3. De stekker kan aan de autozijde, de laadpaalzijde of aan beide zijn aangebracht. Dit hangt ervan af of de kabel vast is bevestigd aan de auto, aan de laadpaal, of dat de kabel los is met stekkers aan elk uiteinde: de stopcontactzijdige stekker en de voertuigstekker. Deze twee stekkers kunnen verschillend zijn. Boven 32A moet de kabel volgens de IEC-norm vast worden bevestigd aan de laadpaal.
A
D
B
E
C
F
Figuur 3: stekkers voor elektrische voertuigen
Op de eerste rij van figuur 3 staan de bestaande stekkers, op de tweede rij nieuwe soorten. A is de standaard-industriële driefase-stekker (bestaat ook als een blauwe enkelfasige stekker). B is de SCAME stekker, een Italiaanse nationale standaard (één fase, 16 A in modus 1 of 32A in modus 3). C is de eenfasige Mennekes stekker die wordt gebruikt in Zwitserland (één fase, 16A in modus 1, 32A in modus 3). D is een 1+3 fase (32A) stekker voorgesteld door de Frans-Italiaanse EV plug-alliantie. E is de SAE J1772 stekker of Yazaki stekker (eenfasig 120 / 240 V, 30A). F is de 1 +3 fase Mennekes stekker (16A eenfasig en 63A driefasig ofwel 43 kW!). In de Verenigde Staten en Japan is de SAE J1772 stekker aangewezen eind 2009 als hun standaard stekker (eenfasig 120 / 240 V, 30 A). In Europa zijn de besprekingen nog bezig. Echter een voorkeur lijkt te gaan naar de driefasige Mennekes stekker (16 A éénfase en 63 A driefasig); dit ten minste als de voertuigzijdige stekker. Deze stekker is
ergodynamischer dan de industriële stekkers en omvat een controle- en pilootfunctiepin. Echter, er bestaat ook tegenstand, om wille van onder andere de hoge kosten van de stekker, dat in schril contrast staat met de industriële stekkers. Ongeacht de wereldwijde verschillen kan 240 V - 32 A ofwel ruim 7 kW laden bijna overal worden toegepast. Middels de ‘control pilot’ functie zoals gedefinieerd voor modus 3 laden, kan de amperage van het net bepaald worden. Communicatie De communicatielaag die nodig is voor geavanceerdere communicatie dan de stroomsterkteselectie, zoals autoherkenning en facturatie zijn niet gestandaardiseerd en moeten zo snel mogelijk worden vastgesteld. Hiertoe werken IEC en ISO samen. De standaardisatie zou het mogelijk maken voor een auto om te communiceren met het netwerk over de laadbehoefte en de beschikbare parkeertijd. Het Smart Grid paradigma wordt nog niet nauwelijks meegenomen. De auto-industrie is in de tussentijd al bijna een stap verder te wijten aan ontwikkelingen in de voertuig-naar-voertuigcommunicatie (V2V), voertuig-infrastructuurcommunicatie (V2I) en weg-naar-voertuigcommunicatie (R2V). Deze methoden zijn draadloos. Figuur 4 toont een aantal van de communicatiemogelijkheden en de bandbreedte die al is gereserveerd voor dit soort communicatie. De Europese normalisatieinstellingen hebben een mandaat gekregen om de laadinfrastructuur te harmoniseren. CEN en CENELEC hebben een ‘Focus Group’ opgezet die 31 maart 2011 hoort te rapporteren. Het ETSI onderzoekt onder hetzelfde mandaat de communicatievereisten.
Bron : Vlaamse Instelling voor Technonologisch onderzoek, VITO Mol Auteur: Grietus Mulder
