SAE Electric Powertrain Technologies Symposium i Stuttgart – laddteknikfokus
Magnus Karlström
2015-03-24
Vi börjar med att gratulerar Östersunds kommun, som igår vann ett EU-pris för miljövänlig trafik. De vann ”European Mobility Week Award” b la för att kommunen anlagt tankstationer både för gas och för el, gjort nya cykelparkeringar under tak och förbättrat cykelbanenätet [1]. De nämns också i nomineringen att Östersund fick priset för deras ledande roll i samarbetet Green Highway project.
Idag får ni Joakim Nymans bevakning av laddteknikdelarna av konferensen SAE Electric Powertrain Technologies Symposium.
En annan aktuell händelse om laddinfrastruktur är att den 27 mars försvaras avhandlingen ”Distributed Photovoltaics, Household Electricity Use and Electric Vehicle Charging: Mathematical Modeling and Case Studies” i Uppsala [3].
”Studierna visar att elbilsladdning bara till viss del sammanfaller med solelproduktionen för individuella laddstationer och solcellsystem men att den så kallade matchningen blir högre för utspridda system” [3].
[1] Östersund vann EU-pris för miljövänlig trafik. ÖP. 23 mars. länk
[2] Bremen and Östersund announced sustainable urban mobility winners in Europe. 23 mars. länk
[3] Elbilar och solel kan bidra till framtidens elnät. Pressrelease Uppsala Universitet. 23 mars. länk
SAE Electric Powertrain Technologies Symposium i Stuttgart – laddteknikfokus
skrivet av Joakim Nyman (Viktoria Swedish ICT)
Vid SAE Electric Powertrain Technologies Symposium i Stuttgart den 19 november förra året handlade en av fyra sessioner om laddteknik. Två presentationer handlade om nuvarande läget för laddinfrastruktur och allmänna överväganden för elfordonsladdning, en om laddning från batteri till batteri, och två om trådlös laddning.
Affärscase samt räckvidd, tillgänglighet och laddeffekt
Michael Sholz från P3 Group GmbH delade med sig av sin syn på det nuvarande läget för elfordonsladdning genom erfarenheter från deras projekt.
Michael börjar med att säga att laddning vid hemmet är mest populärt i Europa och USA, medan det i stora städer i Asien främst behövs publika laddstationer. Hemmaladdning har han inte mycket att säga om utan ser det som att förutom framtida möjligheter till induktiv laddning, ”smarta” funktioner och stöd för V2G handlar frågan här främst om val och behov av laddeffekt.
När det gäller publik AC-laddning konstaterar Michael att det inte finns något affärscase för operatörer genom att bara sälja el, utan att en sekundär inkomst är nödvändig. Kostnader för investering och drift, vandalism och administration måste täckas av något. Han ger exempel på två scenarier där detta är möjligt, och där även kundens behov möts. Det första är en omfattande subventionering av laddstationer i städer, det andra är laddstationer på parkeringsplatser nära exempelvis restauranger och shoppingområden.
För DC-laddning diskuterar Michael de tekniska utmaningarna: olika system som inte är helt kompatibla med varandra, effektbegränsningar hos batterierna, och nätrelaterade utmaningar. Bland de nätrelaterade utmaningarna pekar han ut olika operatörer, energihanteringsbehov och att mycket planering och administration är nödvändig. Vad gäller DC-infrastruktur nämner han två förekommande scenarier med olika syften, dels laddstationer i stil med bensinstationer och dels utbyggnad längs huvudtransportleder. Den första hävdar Michael är tveksam för Europa och USA men lämplig för asiatiska megastäder.
Michael delar också med sig av en rapport från en färd med en BMW i3 mellan München och Nürnberg – en sträcka på ca 18 mil. Detaljerna är lite oklara, men tre laddstopp var nödvändiga längs vägen och sammanlagt ägnades 75 minuter åt att ladda bilen och 105 minuter åt att köra. Samtliga laddpunkter var då tillgängliga direkt. Michael använder detta som argument för att dra slutsatserna att är nuvarande BEV-räckvidd för liten och att laddeffekten är för låg, samt att tillgänglighet, kompatibilitet och affärscase är viktiga frågor.
”Energy management is KEY”
Michael nämnde energihantering och administration. Klaus Rowecki från Schneider Electric trycker extra mycket på behovet av just energihantering och också av IT-hjälpmedel, där administration är en anledning till det senare.
IT-hjälpmedel är enligt Klaus viktiga för både operatör, kund och tredje parter. Operatören behöver administrationssystem för att hantera infrastrukturen (status, larm osv) och användare (access och rapporter, t.ex.). Kunden behöver bland annat kunna leta upp laddstationer, och för tredje parter kan det röra sig om saker som roamingfunktioner eller faktureringssystem.
Vad gäller energihantering så betonar Klaus att ”energy management is KEY”, och syftar på hur effekten ska fördelas när flera fordon är anslutna till samma kluster av laddare (underförstått att nätanslutningen inte kan leverera full effekt till samtliga fordon samtidigt). Han skissar upp tre olika prioriteringsregler: proportionell, lågeffektprioritering och VIP-prioritering. I den första sänks effekten till samtliga laddare med samma andel, i den andra siktas det på att alla anslutningar ska få samma effekt (högst effekt sänks alltså först) och i den tredje finns ett slags premiumkunder som alltid får full effekt eller bara liten sänkning.
Laddning från batteri
Schneider har hjälpt till med converterteknik i Toyota Motorsports GmbH (TMG) system för laddning från batterier, som Claudia Brasse berättade mer om. TMG sysslar med mycket annat än motorsport men kopplingen till racing finns genom att laddinfrastruktur inte alltid finns där tävlingarna tar plats. Exempelvis så laddas bilarna i det nystartade formel E med hjälp av dieselgeneratorer, enligt Claudia. Hon menar att mobil laddning behövs även i andra sammanhang som vid olika tester, på mässor och utställningar och även i mer vardagliga applikationer som vägassistans. Claudia och TMG har även stationära tillämpningar i tankarna – som nätvänlig energihantering vid laddning av flera fordon (jämför kommentaren om energy management ovan) eller av elbussar, och också industriella tillämpningar och rena nättillämpningar.
TMG har tagit fram ett Li-jonbaserat system med kapaciteten 420 kWh som kan DC-ladda med 100kW. Systemet kan ladda två bilar samtidigt men det var oklart om effekten avser varje bil eller totalt. I formel E har bilarna batterikapaciteten 40 kWh, och skulle alltså kunna laddas på under en halvtimme. Det finns sammanlagt 4-5 laddtillfällen per tävling och eftersom teamen har två bilar vardera behöver varje team högst 400 kWh per tävling. Varje team skulle alltså klara sig med ett av TMG:s system. Laddsystemet kan monteras i en tjugofotscontainer eller i en servicelastbil, och TMG har bl.a. använt det vid tävlingar på Pikes Peak och vid tester och rekordkörningar på Nürburgring.
I formel E testas trådlös laddning, vilket för oss in på de två sista presentationerna.
Trådlös laddning: marknadsutveckling, positionering och radiostörningar
Hella och Vahle samarbetar om att utveckla ett induktivt laddsystem. Carsten Kügeler från Hella börjar med att berätta om förväntningarna på marknaden genom att visa resultaten av en undersökning av Wintergreen Research. Den förutspår en extrem ökning av antalet trådlösa laddstationer de närmsta åren – från 9000 enheter år 2013 till 2 miljoner år 2016 och 9.3 miljoner 2019. Mot slutet av den perioden förväntas 40% av kunderna anse att det är en ’basic feature’ att laddning sker trådlöst. Hella/Vahle betraktar trådlös laddning som en nödvändighet för utbredd EV-användning.
Carsten fortsätter sedan med de tekniska kraven de satt upp för sina system och berättar lite om systemuppbyggnaden och sidofunktioner. I dagsläget siktar Hella/Vahle på 3.6 kW överföringseffekt och senare på 7.2 och 22 kW. Verkningsgraden ska vara minst 90% och överföringsavstånden mellan 12 och 21 cm, med 5 cm tolerans. Toleransen för positionering i x/y-led ska vara 10 respektive 15 cm och mottagarenhetens dimensioner är 25x25x2 cm. Sändaren tillåts vara större; Carsten visar skisser på en enhet som är 70 cm bred och 50 cm lång, sett i bilens riktning. Driftsfrekvensen är 85 eller 140 kHz.
Vad gäller sidofunktioner nämner Carsten kort detektion av främmande och levande föremål och diskuterar positioneringshjälp och radiokompatibilitet i lite större detalj. Hella/Vahle tänker sig tre precisionsnivåer på positioneringshjälpen: en första på 5-30m avstånd, en andra på ca 0.5-1 m avstånd och en sista i slutpositionen, på ca 10 cm avstånd. Kamera- och radiobaserade (RFID) system ska ge riktnings- och avståndsinformation i instrumentklustret eller på laddsystemets stolpe/väggbox, en virtuell toppvy med guidning samt/eller stöd i stil med parkeringshjälpssystem.
Radiokompatibilitet verkar vara något som Hella/Vahle är extra uppmärksamma på, och de ger intryck av att se en relativt stor risk att störa främst keyless entry-system på det laddande fordonet eller fordonen intill. Dataöverföringen som sker mellan fordon och nyckel i sådana system sker tydligen på liknande frekvenser som laddöverföringen.
På slutet lägger Carsten också till att Hella/Vahle ser kompatibilitet mellan olika trådlösa laddsystem och subsystem som en nödvändighet i framtiden.
Stora spolar och låga frekvenser för bättre trådlös överföring?
Andrew Daga från Momentum Dynamics gav en lektion om hur storlek och driftsfrekvens hos spolarna i induktiva laddsystem påverkar magnetiska fältnivåer, läckfält och känsligheten för att sändare och mottagare inte positioneras mitt för varandra.
Budskapet med Andrews lektion var att för många fordonstyper så ger stora spolar och jämförelsevis låga frekvenser (~20kHz) möjlighet till högre effekter och säkrare drift. Stora storlekar ger lägre flödestäthet, större positioneringstolerans, högre verkningsgrad genom bättre koppling, och större överföringsavstånd. Lägre frekvenser ger enligt Andrew också större positioneringstolerans och högre sammantagen verkningsgrad, och även skalbarhet till högre effekt samt mindre ströfält. Som exempel har Momentum Dynamics en mottagare som är en 32 mm tjock cirkulär skiva med 480mm diameter. Den kan överföra 22kW (tester med 50kW pågår) över 152 mm avstånd och med 90% verkningsgrad.
Som exempel på problem och viktiga punkter nämner Andrew att fast storlek på spolarna begränsar effektskalbarheten, att överföringsavståndet borde vara justerbart, att sändare och mottagare bör ha samma storlek för att begränsa virvelströmsförluster och att en gemensam standard för alla fordon skulle ge större flexibilitet och mer ekonomisk laddning. Han brinner lite extra för att upprepat påpeka att höga frekvenser inte ger högre verkningsgrad och dessutom förhindrar skalning till höga effektnivåer.
Vid SAE Electric Powertrain Technologies Symposium i Stuttgart den 19 november förra året handlade en av fyra sessioner om laddteknik. Två presentationer handlade om nuvarande läget för laddinfrastruktur och allmänna överväganden för elfordonsladdning, en om laddning från batteri till batteri, och två om trådlös laddning.
Affärscase samt räckvidd, tillgänglighet och laddeffekt
Michael Sholz från P3 Group GmbH delade med sig av sin syn på det nuvarande läget för elfordonsladdning genom erfarenheter från deras projekt.
Michael börjar med att säga att laddning vid hemmet är mest populärt i Europa och USA, medan det i stora städer i Asien främst behövs publika laddstationer. Hemmaladdning har han inte mycket att säga om utan ser det som att förutom framtida möjligheter till induktiv laddning, ”smarta” funktioner och stöd för V2G handlar frågan här främst om val och behov av laddeffekt.
När det gäller publik AC-laddning konstaterar Michael att det inte finns något affärscase för operatörer genom att bara sälja el, utan att en sekundär inkomst är nödvändig. Kostnader för investering och drift, vandalism och administration måste täckas av något. Han ger exempel på två scenarier där detta är möjligt, och där även kundens behov möts. Det första är en omfattande subventionering av laddstationer i städer, det andra är laddstationer på parkeringsplatser nära exempelvis restauranger och shoppingområden.
För DC-laddning diskuterar Michael de tekniska utmaningarna: olika system som inte är helt kompatibla med varandra, effektbegränsningar hos batterierna, och nätrelaterade utmaningar. Bland de nätrelaterade utmaningarna pekar han ut olika operatörer, energihanteringsbehov och att mycket planering och administration är nödvändig. Vad gäller DC-infrastruktur nämner han två förekommande scenarier med olika syften, dels laddstationer i stil med bensinstationer och dels utbyggnad längs huvudtransportleder. Den första hävdar Michael är tveksam för Europa och USA men lämplig för asiatiska megastäder.
Michael delar också med sig av en rapport från en färd med en BMW i3 mellan München och Nürnberg – en sträcka på ca 18 mil. Detaljerna är lite oklara, men tre laddstopp var nödvändiga längs vägen och sammanlagt ägnades 75 minuter åt att ladda bilen och 105 minuter åt att köra. Samtliga laddpunkter var då tillgängliga direkt. Michael använder detta som argument för att dra slutsatserna att är nuvarande BEV-räckvidd för liten och att laddeffekten är för låg, samt att tillgänglighet, kompatibilitet och affärscase är viktiga frågor.
”Energy management is KEY”
Michael nämnde energihantering och administration. Klaus Rowecki från Schneider Electric trycker extra mycket på behovet av just energihantering och också av IT-hjälpmedel, där administration är en anledning till det senare.
IT-hjälpmedel är enligt Klaus viktiga för både operatör, kund och tredje parter. Operatören behöver administrationssystem för att hantera infrastrukturen (status, larm osv) och användare (access och rapporter, t.ex.). Kunden behöver bland annat kunna leta upp laddstationer, och för tredje parter kan det röra sig om saker som roamingfunktioner eller faktureringssystem.
Vad gäller energihantering så betonar Klaus att ”energy management is KEY”, och syftar på hur effekten ska fördelas när flera fordon är anslutna till samma kluster av laddare (underförstått att nätanslutningen inte kan leverera full effekt till samtliga fordon samtidigt). Han skissar upp tre olika prioriteringsregler: proportionell, lågeffektprioritering och VIP-prioritering. I den första sänks effekten till samtliga laddare med samma andel, i den andra siktas det på att alla anslutningar ska få samma effekt (högst effekt sänks alltså först) och i den tredje finns ett slags premiumkunder som alltid får full effekt eller bara liten sänkning.
Laddning från batteri
Schneider har hjälpt till med converterteknik i Toyota Motorsports GmbH (TMG) system för laddning från batterier, som Claudia Brasse berättade mer om. TMG sysslar med mycket annat än motorsport men kopplingen till racing finns genom att laddinfrastruktur inte alltid finns där tävlingarna tar plats. Exempelvis så laddas bilarna i det nystartade formel E med hjälp av dieselgeneratorer, enligt Claudia. Hon menar att mobil laddning behövs även i andra sammanhang som vid olika tester, på mässor och utställningar och även i mer vardagliga applikationer som vägassistans. Claudia och TMG har även stationära tillämpningar i tankarna – som nätvänlig energihantering vid laddning av flera fordon (jämför kommentaren om energy management ovan) eller av elbussar, och också industriella tillämpningar och rena nättillämpningar.
TMG har tagit fram ett Li-jonbaserat system med kapaciteten 420 kWh som kan DC-ladda med 100kW. Systemet kan ladda två bilar samtidigt men det var oklart om effekten avser varje bil eller totalt. I formel E har bilarna batterikapaciteten 40 kWh, och skulle alltså kunna laddas på under en halvtimme. Det finns sammanlagt 4-5 laddtillfällen per tävling och eftersom teamen har två bilar vardera behöver varje team högst 400 kWh per tävling. Varje team skulle alltså klara sig med ett av TMG:s system. Laddsystemet kan monteras i en tjugofotscontainer eller i en servicelastbil, och TMG har bl.a. använt det vid tävlingar på Pikes Peak och vid tester och rekordkörningar på Nürburgring.
I formel E testas trådlös laddning, vilket för oss in på de två sista presentationerna.
Trådlös laddning: marknadsutveckling, positionering och radiostörningar
Hella och Vahle samarbetar om att utveckla ett induktivt laddsystem. Carsten Kügeler från Hella börjar med att berätta om förväntningarna på marknaden genom att visa resultaten av en undersökning av Wintergreen Research. Den förutspår en extrem ökning av antalet trådlösa laddstationer de närmsta åren – från 9000 enheter år 2013 till 2 miljoner år 2016 och 9.3 miljoner 2019. Mot slutet av den perioden förväntas 40% av kunderna anse att det är en ’basic feature’ att laddning sker trådlöst. Hella/Vahle betraktar trådlös laddning som en nödvändighet för utbredd EV-användning.
Carsten fortsätter sedan med de tekniska kraven de satt upp för sina system och berättar lite om systemuppbyggnaden och sidofunktioner. I dagsläget siktar Hella/Vahle på 3.6 kW överföringseffekt och senare på 7.2 och 22 kW. Verkningsgraden ska vara minst 90% och överföringsavstånden mellan 12 och 21 cm, med 5 cm tolerans. Toleransen för positionering i x/y-led ska vara 10 respektive 15 cm och mottagarenhetens dimensioner är 25x25x2 cm. Sändaren tillåts vara större; Carsten visar skisser på en enhet som är 70 cm bred och 50 cm lång, sett i bilens riktning. Driftsfrekvensen är 85 eller 140 kHz.
Vad gäller sidofunktioner nämner Carsten kort detektion av främmande och levande föremål och diskuterar positioneringshjälp och radiokompatibilitet i lite större detalj. Hella/Vahle tänker sig tre precisionsnivåer på positioneringshjälpen: en första på 5-30m avstånd, en andra på ca 0.5-1 m avstånd och en sista i slutpositionen, på ca 10 cm avstånd. Kamera- och radiobaserade (RFID) system ska ge riktnings- och avståndsinformation i instrumentklustret eller på laddsystemets stolpe/väggbox, en virtuell toppvy med guidning samt/eller stöd i stil med parkeringshjälpssystem.
Radiokompatibilitet verkar vara något som Hella/Vahle är extra uppmärksamma på, och de ger intryck av att se en relativt stor risk att störa främst keyless entry-system på det laddande fordonet eller fordonen intill. Dataöverföringen som sker mellan fordon och nyckel i sådana system sker tydligen på liknande frekvenser som laddöverföringen.
På slutet lägger Carsten också till att Hella/Vahle ser kompatibilitet mellan olika trådlösa laddsystem och subsystem som en nödvändighet i framtiden.
Stora spolar och låga frekvenser för bättre trådlös överföring?
Andrew Daga från Momentum Dynamics gav en lektion om hur storlek och driftsfrekvens hos spolarna i induktiva laddsystem påverkar magnetiska fältnivåer, läckfält och känsligheten för att sändare och mottagare inte positioneras mitt för varandra.
Budskapet med Andrews lektion var att för många fordonstyper så ger stora spolar och jämförelsevis låga frekvenser (~20kHz) möjlighet till högre effekter och säkrare drift. Stora storlekar ger lägre flödestäthet, större positioneringstolerans, högre verkningsgrad genom bättre koppling, och större överföringsavstånd. Lägre frekvenser ger enligt Andrew också större positioneringstolerans och högre sammantagen verkningsgrad, och även skalbarhet till högre effekt samt mindre ströfält. Som exempel har Momentum Dynamics en mottagare som är en 32 mm tjock cirkulär skiva med 480mm diameter. Den kan överföra 22kW (tester med 50kW pågår) över 152 mm avstånd och med 90% verkningsgrad.
Som exempel på problem och viktiga punkter nämner Andrew att fast storlek på spolarna begränsar effektskalbarheten, att överföringsavståndet borde vara justerbart, att sändare och mottagare bör ha samma storlek för att begränsa virvelströmsförluster och att en gemensam standard för alla fordon skulle ge större flexibilitet och mer ekonomisk laddning. Han brinner lite extra för att upprepat påpeka att höga frekvenser inte ger högre verkningsgrad och dessutom förhindrar skalning till höga effektnivåer.