De vier EV-oplaadmodi in de IEC 61851-standaard

In dit artikel bekijken we verschillende EV-oplaadmodi die zijn gespecificeerd door de International Electrotechnical Commission (IEC).

Er worden internationale normen ontwikkeld om te beantwoorden aan de behoeften van de EV-markt. De wereldwijde acceptatie van EV's is afhankelijk van gevestigde internationale normen die de veiligheids-, betrouwbaarheids- en interoperabiliteitsproblemen van de EV-markt kunnen aanpakken.

In dit artikel zullen we kijken naar verschillende EV-oplaadmodi die zijn gespecificeerd door de International Electrotechnical Commission (IEC). Deze modi worden gespecificeerd in de IEC 61851-norm die betrekking heeft op geleidende oplaadsystemen voor elektrische voertuigen. De standaard beschrijft vier verschillende oplaadmodi genaamd modus 1, 2, 3 en 4.

De IEC heeft andere normen ontwikkeld die betrekking hebben op andere aspecten van de EV-oplaadtechnologieën. De IEC 62196 bespreekt bijvoorbeeld stekkers, contactdozen, voertuigconnectoren en voertuiginlaten, terwijl de IEC 61980 zich bezighoudt met draadloze stroomoverdrachtsystemen (WPT) voor elektrische voertuigen.

Verschillende soorten kabelverbindingen

De IEC 61851-1 beschrijft drie verschillende soorten verbindingen, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

De drie belangrijkste soorten EV-oplaadkabels. Afbeelding gebruikt met dank aan de Universiteit van Zagreb

Bij Case A is de kabel permanent verbonden met de EV, maar is deze afneembaar aan de EVSE-zijde van het laadstation (ook wel EVSE-voedingsapparatuur voor elektrische voertuigen genoemd). Case B specificeert een kabel die aan beide uiteinden afneembaar is en Case C is een kabel die permanent is aangesloten op de EVSE.

EV-oplaadmodus 1

Met deze modus wordt de EV rechtstreeks aangesloten op een huishoudelijk stopcontact. De maximale stroomsterkte van deze modus is 16 A en de spanning mag niet hoger zijn dan 250 V bij een enkelfasig systeem en 480 V in het geval van een driefasig netwerk.

De basisstructuur van een elektrische auto die wordt aangesloten op een huishoudelijk stopcontact. Afbeelding gebruikt met dank aan de Universiteit van Zagreb

Mode 1 is de eenvoudigst mogelijke laadmodus en ondersteunt geen communicatie tussen de EV en het laadpunt. Deze oplaadmodus is in veel landen verboden of beperkt.

EV-oplaadmodus 2

Huishoudelijke stopcontacten leveren niet altijd stroom volgens de huidige normen. Bovendien kunnen stopcontacten en stekkers die zijn ontworpen voor huishoudelijke toepassingen, mogelijk geen continu stroomverbruik tolereren bij de maximale nominale waarde.

Daarom kan het langdurig aansluiten van een elektrische auto op het stopcontact zonder bedienings- en veiligheidsfuncties het risico op een elektrische schok vergroten. Om dit probleem op te lossen, hebben specialisten laadmodus 2 ontwikkeld die een speciaal type laadkabel gebruikt die is uitgerust met een in-cable control and protection device (IC-CPD).

De IC-CPD voert de vereiste controle- en veiligheidsfuncties uit. De maximale stroomsterkte van deze modus is 32 A en de maximale spanning mag niet hoger zijn dan 250 V eenfasig of 480 V driefasig. Mode 2 kan worden gebruikt met zowel huishoudelijke als industriële stopcontacten.

De veiligheidsfuncties van deze modus kunnen de aardverbinding detecteren en bewaken. Overstroom- en oververhittingsbeveiliging zijn twee andere veiligheidsfuncties die modus 2 ondersteunt. Bovendien kan de EVSE functioneel schakelen omdat het een verbinding met de EV detecteert en de vraag naar laadvermogen analyseert.

Oplaadmodus 2 en de bijbehorende kabel worden weergegeven in de volgende afbeelding.

Oplaadmodus 2 en bijbehorende kabel. Afbeelding (aangepast) gebruikt met dank aan de Universiteit van Zagreb en Ali Bahrami

Hoewel modus 2 kan worden gebruikt voor privéladen, is het openbare gebruik ervan in veel landen aan beperkingen onderhevig.

EV-oplaadmodus 3

Deze modus maakt gebruik van een speciale EVSE samen met de ingebouwde EV-lader. De wisselstroom van het laadstation wordt toegevoerd aan het boordcircuit om de batterij op te laden. Om de openbare veiligheid te garanderen, worden verschillende controle- en beveiligingsfuncties ingezet. Deze omvatten het verifiëren van de beschermende aardverbinding en de verbinding tussen de EVSE en de EV.

Bovendien kan deze modus de laadstroom aanpassen aan de maximale stroomcapaciteit van het kabelsamenstel. De maximale stroomsterkte van deze laadmodus is 250 A met een 250 V 1-fase of 480 V 3-fase netwerk. Het ondersteunt ook een operationele modus die compatibel is met modus 2 waarbij de maximale stroom beperkt is tot minder dan 32 A voor zowel 1-fase als 3-fase gevallen.

Elk van de drie mogelijke verbindingen (Case A, Case B en Case C) kan in deze modus worden gebruikt. Geval B en Geval C worden hieronder weergegeven.

Case B en Case C in oplaadmodus 3. Afbeelding gebruikt met dank aan de Universiteit van Zagreb

Laten we eens kijken hoe deze modus de communicatie tussen het laadstation en de EV definieert. Het stuurpilootcircuit van modus 3 wordt getoond in de volgende afbeelding.

Bedien pilootcircuit van modus 3. Afbeelding (aangepast) gebruikt met dank aan Energies.

Afhankelijk van de status van de schakelaars S1, S2 en S3 verschijnen er verschillende spanningsniveaus bij het “pilotcontact”. Dit kan worden gebruikt als een weergave van verschillende laadfasen. De EV kan als volgt een laadcyclus beginnen:

Voordat de laadkabel wordt aangesloten, zijn de schakelaars S2 en S3 uit en is S1 aangesloten op de 12 V DC-voeding. In dit geval is de spanning die de EVSE meet aan het pilootcontact 12 V DC (de EVSE realiseert zich dat de EV nog niet is aangesloten).

Nadat de laadkabel is aangesloten op zowel de EV als de EVSE, kan de controller aan de EV-kant S3 inschakelen om de spanning van het pilootcontact te verlagen tot ongeveer 9 V. Dit informeert de EVSE dat de kabel is aangesloten op zowel de EV en de EVSE. Bovendien vertelt het DC 9 V-signaal bij het pilootcontact de EV dat de EVSE nog niet klaar is.

Wanneer de EVSE klaar is om de EV op te laden, verbindt hij S1 met de oscillator. Het PWM-signaal bij het pilootcontact vertelt de EV dat de EVSE gereed is.

Vervolgens schakelt de EV S2 in om een ​​spanning van ongeveer 6 V te creëren bij het pilootcontact om aan te geven dat deze ook klaar is. De spanning die in deze fase wordt gecreëerd, is afhankelijk van de waarde van de R3-weerstand. De waarde van deze weerstand geeft aan of er in dit laadgebied moet worden geventileerd of niet. Bij R3=1,3 kΩ is de stuurcontactspanning ongeveer 6 V. Dit komt overeen met laadgebieden waar geen ventilatie nodig is. Voor gebieden die ventilatie nodig hebben, wordt R3=270 gebruikt, wat een stuurcontactspanning geeft van ongeveer 3 V.

Wanneer het voertuig is opgeladen of de laadcyclus om welke reden dan ook wil afbreken, kan het S2 uitschakelen. Dit verandert het positieve spanningsniveau van de PWM in 9 V en informeert de EVSE dat de EV niet meer klaar is om opgeladen te worden.

EV-oplaadmodus 4

Dit is de enige oplaadmodus die een externe oplader met een DC-uitgang bevat. De gelijkstroom wordt rechtstreeks aan de accu geleverd en de ingebouwde lader wordt omzeild. Deze modus kan 600 V DC leveren met een maximale stroom van 400 A. Het hoge vermogensniveau van deze modus vereist een hoger communicatieniveau en strengere veiligheidsvoorzieningen.

Mode 4 staat alleen een case C-verbinding toe, waarbij de laadkabel permanent is aangesloten op het laadstation.

Modus vier in een klasse C-verbinding. Afbeelding gebruikt met dank aan Ali Bahrami

Conclusie

De norm IEC 61851 heeft betrekking op geleidende oplaadsystemen voor elektrische voertuigen. De norm beschrijft vier verschillende oplaadmodi:modi 1–4.

De eerste drie modi leveren wisselstroom aan de EV-oplader aan boord; modus 4 levert echter rechtstreeks gelijkstroom aan de batterij en omzeilt de ingebouwde lader. Mode 3 maakt gebruik van verschillende controle- en beveiligingsfuncties met als doel de openbare veiligheid. In dit artikel hebben we het stuurpilootcircuit van deze modus nader bekeken.