Kviklader til elbiler
Ved Anton Bech.
29.april 2003>> Formål
>> Virkemåde
>> Strømkilde
>> Valg af ladeeffekt
>> Kabinettet
>> Sikkerhed mod kørsel med ledninger tilkoblet
>> Omkoblinger
>> Opfølgning
Peugeot 106 electrique med 2 kW kviklader
Jeg beskriver her, hvorfor og hvordan jeg har lave en ny kviklader til vores elbil. Allerførst vil jeg gøre opmærksom på, at denne artikel ikke er en opfordring eller byggevejledning til "gør det selv folk", da der i forbindelse med at lave en sådan lader udføres arbejde på dele med stærkstrøm. Man skal derfor have tilstrækkelig faglig kyndighed for at kunne gøre dette.
Formål
Jeg har gennem flere år nydt den fordel at kunne lade min elbil (Peugeot 106 electrique) med en kviklader. Min nuværende kviklader kan ved optimale strømforholde (3 faser 400V 16A) lade bilen op fra tom til fyldt batteri på 2 timer. Det giver bilen nye muligheder, da lange ture ud over bilens rækkevidde på 100 km ikke medfører så lange ventetider til ladning. Ladetid på 2 timer kan man tilbringe med en spisepause og en gåtur i byen. Uden kvikladeren ville det vare ca. 4½ time at genoplade bilen, hvilket er lang tid at vente.
Med en kviklader ændres bilens "rækkevidde" væsentligt. Det tager ca. 2 timer at køre 100 km og derefter skal der uden kviklader lades i 4½ timer, før der igen kan køres 100 km. Således bliver cyclustiden 6½ time pr 100 km. Det svarer til en gennemsnitshastighed på 15 km/h. Med ekstra ladeeffekt på 2kW forøges gennemsnitshastigheden til 22 km/h, med 4kW forøges gennemsnitshastigheden til 26 km/h og ved 6 kW ekstra effekt bliver gennemsnitshastigheden ca. 30 km/h. Det er således muligt at fordoble køredistancen, som bilen kan gøre på en dag. Dagsrejser på op til 400 km vil være overkommeligt, om man har 6kW ekstra ladeeffekt. Med fulde batterier ved start kan 400 km køres på ca. 12 timer.
En anden fordel ved kvikladeren indtræder når man kommer hjem med lav energi i batterierne og skal videre på en længere tur. Her giver laderen mulighed for at kunne komme af sted igen uden at skulle vente længe eller være nødsaget til at vælge andet transportmiddel.
En tredje fordel ved kvikladeren er at idealhastigheden under kørsel ud over batteriernes kapacitet stiger. Med kvikladeren er det bedre at køre hurtigere for at nå hurtigere frem til ladning frem for at spare på strømmen under kørsel. Optimumet ligger uden kviklader på ca. 60 km/h og for en 6 kW kviklader ligger det på over 80 km/h.
Min "gamle" lader vejer 52 kg og er en væsentlig ekstravægt at have med i bilen. Den yder ca. 4 kW DC effekt. Jeg har valgt at bygget en ny lader med lette moderne elektroniske laderenheder. Den nye lader vejer ca. 25 kg og kan give 6 kW DC effekt. Det er en væsentlig mere fornuftig ydelse i forhold til vægt. Laderen er ligesom dens forgænger lavet som en kuffert, som kan medtages i bilens bagagerum. Derved optager den ikke plads i bilen, når den ikke behøves og den er således ikke bundet til kun at blive brugt i min bil.
Jeg forsøgte sidste år at få et firma til at bygge ladere til elbiler, men det var ikke muligt, da de ikke kunne få et svar fra bilfabrikkerne om tilladelse til at bruge laderen.
Jeg vil her give en detaljeret beskrivelse af, hvordan min kviklader virker og er bygget. Da jeg ejer en Peugeot 106, er laderen tilpasset denne biltype.
top
Virkemåde
For at bilens batteri kan lades med ekstra effekt, skal flg. betingelser være opfyldt:
- Bilen skal være ladeaktiv med bilens lader.
- Bilens lader skal være i effektfasen.
- Batterispændingen skal være mindre end 7,5V pr batteri (6V batteri).
Kvikladeren er beregnet til at lade strøm på batteriet sammen med bilens egen lader. Laderen styres af bilens lader. Derved er det bilens batterimanagement, som styrer ladningen. Denne eksterne lader er således kun en slavelader, som hjælper bilens lader med at levere effekt til batteriet.
Bilens lader tilføres strøm via kvikladeren, som måler strømmen i den ledning, der går til bilens lader. Når bilens lader trækker en stor strøm fra nettet er det et tegn på at bilens lader er i effektfasen, hvor batteriet kan optage stor effekt. Når bilens lader trækker mere end 10A, kobles kvikladeren ind og leverer ekstra effekt til bilens batterier. Går bilens lader ned på lav effekt eller slukkes, afbrydes kvikladeren. Da bilens lader af og til under topladning tripper mellem lav og høj effekt, sættes yderlig en grænsebetingelse ind. Kvikladeren kan kun levere strøm, hvis batterispændingen er lavere end 7,5V/batteri, som svarer til 150V for P106 og SAXO. Ved 155 V går ladning over til topladning, hvor batteriet ikke længere må få høj effekt. Dette styres ved at ladeenhederne i kvikladeren sættes til at spændingsbegrænse sig selv til 150V, hvorved de ikke kan levere strøm ved højere spænding end de 150V.
top
Strømkilde
Som strømkilde kræves 1 fase med 230V med 13-16A til bilen, samt 1 eller 2 faser 230V med 10-16A til kvikladeren. Det mest forekommende er at finde en kraftgruppe, som den røde CEE stik, der har 3 faser på 400V og 16A. Dette stik vil almindeligvis have en nulleder, så det er muligt at hente 3 x 230V mellem hver fase og nullederen. Der er således 1 fase til bilen og 2 faser til laderen. Da bilens lader og kvikladerens ladere kun tåler 230V og der ved fejl kan være mulighed for at få 400 V ind på en fase og nul, indbygges der en overspændingsbeskyttelse i laderen, så der ikke opstår skader på hverken bilens eller de andre ladereenheder, om der er fejl i tilslutningen. Det kan være manglende nulleder eller forbyttet fase og nul. Beskyttelsen gøres ved at sætte finsikringer og varistorer ind imellem nettet og laderne. I tilfælde af fejlspænding vil sikringen brænde og spændingen afbrydes.
Laderen tilsluttes til bilen gennem det specielle stik fra Mareshal, som i forvejen bruges til ladning af bilen. Stikket udbygges med kontaktorer til jævnstrøm, så stikket kan levere både netstrøm til bilens lader og jævnstrøm til bilens batteri. Inde i stikket monteres en sikring på den ene jævnstrømskontakt. Det er meget vigtigt at sætte denne sikring i stikket, da ledningen i tilfælde af fejl kan brænde af på grund af den høje strøm, som batterierne kan levere.
Laderen tilsluttes til nettet via 3 blå CEE indtag. Herved kan den være fri for netledningen, medens man bærer den ud i bilen. Man kan koble den til kraftstikket via en forlængerledning til kraft, som ender i 3 blå CEE stik. Ved at den har 3 separate blå CEE indtag stik, kan man også hente 2 eller 3 faser fra uafhængige 230 V stik.
top
Valg af ladeeffekt
Laderen er modulopbygget. Den består af en fælles styringsdel, samt et antal effektmoduler. Effektmodulerne er enheder på hver 1000W DC og kan fås med spænding på 48V eller 60V DC. Begge typer kan justeres i udgangsspænding, så de kan tilpasses batteriets spænding.
Flg. kombinationer er mulige:
Forslag 1: Den mindste kombination kan bestå af 2 stk. 60V moduler i serie, som giver en ladeeffekt på 2 kW ved et net på 230V 10A, samt 230V 15A til bilen lader (i alt 2faser). Er bilens lader sat til 3kW, vil ladetiden med denne blive reduceret til 57 % (ladermodulerne har bedre virkningsgrad end bilens lader!). Se oversigten nedenunder.
Forslag 2: Den næstmindste kombination er at koble 3 enheder på 48 V sammen i serie, så der fås en ladeeffekt på 3kW. Den skal så fra nettet have 1 fase 15A eller 1 fase 10A + 1 fase 5A, + 1 fase til bilen på 15A. Med denne kombination reduceres ladetiden til 47 % (mere end halveret).
Forslag 3: Den næststørste er 4 enheder på 60V, som kobles parvis i serie og parallelt. Dette giver 4kW ladeeffekt og kræver 2 faser på 10A, samt 1 fase 15A til bilen. Hvis der ikke er tre faser til rådighed, kan den også virke på 2 enheder. Da kobles den som i forslag 1, med kun de 2 enheder aktive. Med 4 enheder er ladetiden reduceret til 40 %.
Forslag 4: Den største kombination er at koble 6 enheder sammen. Det kan være 48V eller 60V enheder, som kobles sammen. Det giver 6kW ladeeffekt, som reducerer ladetiden til 30 %. På netsiden bruges 2 faser 15A+ 1 fase 15A til bilen (3 faser 15A).
Oversigt over laderkombinationer:
Antal enheder Effekt Net Ladetid
Bare bilens lader 1 fase 15A 4h 30min 100 %
2stk. á 60V 2kW 2 faser 10+15A 2h 33min 57 %
3stk. á 48V 3kW 2 faser 15A 2h 06min 47 %
4stk. á 60V 4kW 3 faser 10A+10A+15A 1h 47min 40 %
6stk. á 48/60V 6kW 3 faser 15A 1h 22min 30 %
De mest fordelagtige er nok 60V versionerne, da de kan bruges til 10A sikringer og kan kobles/udbygges i etaper af 2 enheder. Derudover kommer muligheden for at koble 3 eller 2x3 enheder på 60V i serie, så laderen også kan lade en Berlingo/Partner, som har højere batterispænding end P106'eren..
Jeg har ofte haft problemer med at finde stik med 16A, så det har nogle gange været kritisk med at kunne lade bilen uden at brænde sikringen på 10A. Bilens lader kan programmeres til at lade på 10, 13 eller 16 A sikringer, men det kræver et specielt instrument, som ikke er hver mands eje. Derfor laves laderen også, så den kan lade bilen uden at bilens lader er aktiv. Ved at sætte bilen med tænding på, vil batterimanagementet være aktivt og bilen kan lades uden at aktivere bilens lader.
Derved er det muligt at lade bilen fra en 10 A fase. For ikke at komme til at lade bilen med tændingen afbrudt, laves en feed back fra bilens elkreds til laderen, som betinger at bilen har tændingen på for at laderen kan være aktiv.
Jeg bygger på basis af den store fleksibilitet min kviklader først med 2stk 60V enheder. Derfra kan den senere udvides til 4 eller 6 enheder om det ønskes.
top
Kabinettet
Laderen bygges ind i en metalkasse af aluminium, som har lav egenvægt og samtidig beskytter enhederne mod fysiske skader. Kassen indrettes således, at laderenhederne ligger ned gennem kassens top. På grund af enhedernes længde kan de ikke som normalt stå op, da de ellers vil gå imod klappen over bagagerummet. På den side af kassen, som vender bagud i bilen (benævnes herefter front), monteres samtlige betjeningsdele. Det være elstik, sikringer, ledningsudtag, omkoblekontakter, faselamper, instrumenter m. m.
I kassens højre ende er alle funktionskomponenterne monteret. Der er de let tilgængelige og kompakt indbygget. I resten af kassen er ladeenhederne placeret side ved side. I frontpladen er der luftindtag til køling af enhederne og på den modsatte side er der ventilatorer til at blæse den varme luft ud. Hver enhed har ca. 100 W effekttab, som fremstår som spildvarme. Med 4-6 enheder varmer de til sammen som en brødrister. Deraf er det nødvendigt at sættes blæsere ind for at køle enhederne.
top
Sikkerhed mod kørsel med ledninger tilkoblet
For at undgå at man kører med ledninger monteret skal der være sikkerhedssystemer mod dette. Ved brug kobles Mareskal stikket til bilens strømindtag og kraftledningen til et kraftstik. Når Mareskal-stikket er i bilens stik, kan bilen ikke køre. Når Mareshal-stikket er taget fra, vil bilen kunne køre. For at reducere risikoen for at køre med bilen, medens netledningen er tilsluttet, laves en alarm. Alarmen giver en tone fra sig, når der er netspænding til laderen men ikke stik i bilen. Dette gøres ved at overvåge, at hvis laderen er tilsluttet netstrøm, så skal der også være strøm ind fra bilens batteri ind til laderen, ellers aktiveres alarmen.
top
Omkoblinger
Der monteres på frontpladen en omkobler kontakt, som gør det muligt at vælge mellem flg. funktionsmåder:
- 3 faser (Bilen + 6 enheder).
- 3 faser (Bilen + 4 enheder).
- 2 faser (Bilen + 2 enheder).
- 1 fase (Bilen alene).
Derudover har jeg monteret en aflåselig omkobling til valg mellem P106/SAXO og Berlingo/Partner. Denne omkobler er med nøgle, så den kun kan bruges med omtanke. Den kan koble 3 enheder i serie, så udgangsspændingen passer til de 27 batterier, som findes i Berlingo/Partner. Derved kan laderen bruges til både biler med 20 og 27 batterier. Omkobleren sætter ikke samtidig udgangsspændingen ned på enhederne, De kan således ikke begrænse spændingen til 203V, men vil kunne levere op til 225 V. Derfor bør den ikke bruges til ladning uden at være styret af bilens lader. I modsat fald må man trimme modulerne ned i spænding ved at indstille modulernes spænding gennem frontpladen.
2-modul lader med 2 kW DC effekt
Opfølgning
Jeg har tage et par foto af en 2-modul laderen, som jeg har bygget for at prøve systemet. Denne lader har ikke alle beskrevne funktioner. Jeg har dog sat billederne ind i denne artikel. Når jeg engang har bygget en lader med flere moduler, vil artiklen blive opdateret.
For further discussion
Contact:Eng. Anton Bech
E-mail:
antonbech@mail.tdcadsl.dk
top