Analys av SAE standard om trådlös laddning samt hälsoeffekter och induktiv laddning
Skribent (gästinlägg)
2014-02-19
skrivet av Ellen Alexandersson (Viktoria Swedish ICT)
Den 14 november 2013 (Warrendale, Pa.) lanserade SAE efter 3 år av internationellt samarbete och utredning en ny standard för trådlös laddning av lätta fordon. Trådlös laddning via induktiv teknik har under de senaste åren tagits upp som en möjlig lösning vad gäller laddning av elfordon. Det har dock fram till nu inte funnits några standarder att förhålla sig till vid utveckling av tekniken.
Frekvensen 85-kHz
Bakom standarden står SAE International, vilket är en global organisation för parter inom områdena transport och fordon och som koordinerar arbete kring tekniska standarder [1]. Gruppen som arbetat med frågor kring trådlös laddning är ”J2954 Wireless Charging Task Force”, vilken startade i november 2010 [2]. Det man enats om är en gemensam frekvens för trådlös laddning av lätta fordon. Frekvenser mellan ca 20 kHz och 140 kHz har länge diskuterats och nu har man bestämt sig för området runt 85 kHz. Att ha en gemensam frekvens ökar möjligheten att få fungerande driftkompatibilitet. Den valda frekvensen ligger enligt SAE inom ett internationellt tillgängligt frekvensband, bandet mellan 81,38 kHz och 90,00 kHz [3].
Tre effektklasser
Förutom beslut angående frekvens har SAE också tagit beslut om tre effektklasser, WPT1-3, för trådlös laddning. – WPT1: 3,7 kW – WPT2 (privat/publik parkering): 7,7 kW – WPT3 (snabbladdning): 22 kW Detta beslut gäller också det lätta fordon och siffrorna är maximala energiöverföringsnivåer [3].
Väntad TIR-rapport
Under våren 2014 kommer SAEs arbetsgrupp även komma ut med en rapport, ”Technical Information Report” (TIR), där de färdigställt andra aspekter kring driftkompatibiliteten vid trådlös laddning. Rapporten kommer bland annat innehålla spolgeometrier, spolarnas placering i förhållande till varandra och minsta kopplingsfaktor ”k”. Innehållet i rapporten kommer att ligga till grund för en uppdaterad version av standarden J2954 som förväntas komma ut inom ett till två år [4]. Att ha gemensamma standarder för trådlös laddning i ett relativt tidigt skede är av stor vikt för att slippa liknande problematik som nu föreligger kring olika lösningar för vanlig sladdladdning, exempelvis CHAdeMO [5].
Tunga fordon
Standardiseringsarbete kring trådlös energiöverföring för tunga fordon pågår i SAEs arbetsgrupp ”J2954/2 Wireless power transfer of heavy duty plug-in electric vehicles and positioning communication” [6].
IEC/CENELEC/SEK
SAE är i grunden en amerikansk standardiseringsorganisation, men har många internationella medlemmar [7]. I Europa arbetar IEC/CENELEC med standardisering kring trådlös laddning och där SEK Svensk Elstandard arbetar som det svenska referensorganet. I beslut kring hur olika frekvensband ska användas är dock myndigheten Post- och telestyrelsen involverad. Enligt Thomas Borglin på SEK Svensk Elstandard finns än så länge inget beslut om frekvensval annonserat [8].
Toyota testar trådlös laddning
Det händer som sagt mycket inom trådlös laddning och många av de större fordonsbolagen satsar på tekniken. Bland annat har Toyota meddelat att de kommer erbjuda trådlös laddning i alla sina framtida BEVs och PHEVs [9]. De har också meddelat att de nu i slutet av februari kommer att inleda tester för att verifiera att deras trådlösa laddsystem fungerar. Tekniken (85 kHz, 2kW) testas i tre PHEV som används i hem i Aichi Prefecture, Japan [10].
Egna kommentarer
Vi kommer nog att fortsätta att se en snabb utveckling kring den nya trådlösa tekniken. Jag hoppas att standardiseringsarbetet hinner med att ta väl genomtänkta beslut så att utvecklingen kan ske på ett säkert vis och så att man inte låser in sig i en halvbra lösning utan möjlighet till vidareutveckling. Det kommer att bli spännande att se vad arbetsgruppen kommer fram till i den väntade TIR-rapporten och om Europa går på samma spår som SAE gällande frekvensval.
Tack till Peter Claeson (SIS) och Thomas Borglin för (SEK Svensk Elstandard) för hjälp att förstå sig på standardiseringsarbetet i Sverige.
Källor
[1] SAE International homepage
[2] SAE TIR J2954: wireless charging of electric and plug-in hybrid vehicles, Schneider, J. J2954 taskforce chair, 2011, länk
[3] SAE International task force announces agreement on frequency of operation and power classes for wireless power transfer for its electric and plug-in electric vehicle guideline, SAE International, 14 nov 2013, länk
[4] Wireless charging advances with selection of 85-kHz charging frequency, SAE International, 3 dec 2013, länk
[5] Coming soon: standards for wireless electric car charging, Plugincars, 25 nov 2013,länk
[6] Wireless Power Transfer of Heavy Duty Plug-In Electric Vehicles and Positioning Communication, SAE International, länk
[7] SAE International, Wikipedia, 13 feb 2014, länk
[8] Mailkonversation Thomas Borglin SEK Svensk Elstandard, 17:e jan 2014.
[9] Toyota to offer wireless charging in future HEV and BEV vehicles, Electric vehicle research, 13 dec 2013, länk
[10] Toyota to begin wireless vehicle charging system verification testing, Green car congress, 13 feb 2014, länk
Hälsoeffekter och induktiv energiöverföring
När man idag talar om hur man ska förse framtidens plugin- och elfordon med energi kommer ofta induktiv energiöverföring upp som ett alternativ, både för stationär laddning och energiöverföring under färd. Dock har diskussioner redan satt igång huruvida läckfält vid energiöverföringen skulle kunna ha negativa hälsoeffekter.
En omvärldsanalys om vilken kunskap som finns idag kring eventuella hälsoeffekter och induktiv energiöverföring har gjorts inom ramarna för Electromobility-projektet, ett projekt som drivits av FFI-parterna sedan 2010 och där Svenskt Hybridfordonscentrum (SHC) står som projektledare.
Rapporten [1] kan du ladda ner här (pdf).
Nedan följer en sammanfattning av rapporten:
Elektromagnetiska fält finns naturligt i vår omgivning, men beroende på typ av fält, frekvens och fältstyrka interagerar de med kroppen på olika sätt. Lågfrekventa elektriska fält bygger upp laddningar på ytan av kroppen och skapar flöden av elektriska strömmar i kroppen. Lågfrekventa magnetiska fält skapar istället cirkulerande strömmar i kroppen genom induktion. Fält med frekvenser över 100 kHz kan leda till uppvärmning av exponerad vävnad.
För kraftfrekventa fält (50-60 Hz) och radiofrekventa fält (MHz-GHz) har en hel del forskning genomförts kring biologiska effekter och möjlig hälsopåverkan. Utifrån resultaten har den internationella kommissionen för icke-joniserande strålning (ICNIRP) tagit fram rekommendationer för högsta tillåtna exponeringsnivåer av fält [2]. Rekommendationerna bygger på bevisade effekter, vilket är direkta, akuta effekter på nervsystemet eller uppvärmningseffekter, som sker vid mycket höga fältstyrkor.
Vad man vet om möjliga långtidseffekter som skulle kunna bero på lägre exponeringsnivåer är osäkerheten större. Det finns bland annat ett antal rapporter som visar på en förhöjd risk att drabbas av vissa typer av cancer vid en ökad fältexponering. Andra studier har dock inte kunnat visa på någon ökning. Tvetydigheten i resultaten har gjort att ICNIRP inte tagit hänsyn till dem i sina rekommendationer. Strålsäkerhetsmyndigheten i Sverige har valt att följa ICNIRPs rekommendationer, men att samtidigt även rekommendera att försiktighetsprincipen tillämpas, det vill säga att onödig exponering bör undvikas för att minimera eventuella långtidseffekter [3].
De fält som är av intresse för induktiv energiöverföring ligger i ett mellanfrekvensområde (kHz), det vill säga frekvensmässigt mellan kraftfrekventa fält och radiofrekventa fält, och där frekvenser mellan 20 kHz och 140 kHz under en lägre tid har diskuterats. För fält i kHz-området saknas i stort sett forskning då de i princip inte har använts i någon stor utsträckning och människor därmed generellt inte har exponerats för denna typ av fält. ICNIRP har ändå fastställt rekommendationer för dessa fält där referensvärdet för exponering av allmänheten ligger på 27 μT. På grund av att forskningsresultaten för kHz-fälten är få har man till stora delar använt resultat för kraft- och radiofrekventa fält och extrapolerat fram gränsvärden utifrån dem [4].
ICNIRPs referensvärde på 27 μT skulle kunna jämföras med jordens magnetfält som ligger på 50-100 μT. Skillnaden är dock att jordens magnetfält är statiskt, dvs. ändras inte i tiden med en specifik frekvens, och därmed inte påverkar kroppen på samma sätt.
ICNIRPs uppsatta referensvärden utesluter inte att fält kan generera störningar eller effekter på medicintekniska produkter som proteser av metall, pacemakers, defibrillatorer och hörapparater. Exempelvis kan störningar på pacemakers ske vid nivåer under referensvärdena [2].
Egna kommentarer
I dagsläget är det mycket diskussioner kring hur man skulle kunna detektera prylar/djur mellan spolarna, såsom mynt, metallskräp och katter. Detta för att undvika att metallföremål tar upp energi och blir varma vilket kan leda till brand, eller att djur som ofta söker värme lägger sig mellan spolarna och blir exponerade för höga fältnivåer. Detektionen är nog relativt lätt att hitta lösningar för, det svåra kommer nog antagligen att vara att den inte blir så känslig att laddningen aldrig startar och användaren blir irriterad för att bilen är oladdad. Vad gäller fältnivåer verkar de flesta leverantörer satsa på att hålla sig under ICNIRPs referensvärden.
[1] Induktiv laddning och hälsoeffekter – omvärldsanalys kring elektromagnetiska fält vid induktiv laddning av elfordon, Alexandersson, E. 2013
[2] ICNIRP publication, ”ICNIRP guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz – 100 kHz),” Health Physics, vol. 99, nr 6, pp. 818-836, 2010.
[3] Försiktighetsprincipen http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/start/Magnetfalt–tradlos-teknik/Forsiktighetsprincipen/
[4] International EMF project, ”Electromagnetic fields and public health intermediate frequencies, information sheet,” 2005.