1. No category

Lading av elbil med EV PowerCharger
Magnus Grøtterud
Jonathan Jørstad
Sindre Heimly Brun
Tor Martin Iversen
Institutt for Elkraftteknikk
NTNU 2010
Forord
Bruken av elektriske biler øker, og reduksjon av ladetid og -tap har blitt et konkurransekriterie i produksjon av elbiler, batterier og tilhørende ladeutstyr. Ny teknologi innen
batteri og generell kraftelektronikk har blitt utviklet, og vi har derfor vært interessert i
hvordan en slik lader fungerer, og hva som er den mest begrensende faktor.
Arne Steinbakk og Morten Hostvedt ved Eltek Valere har vært til god hjelp i vår
forståelse av oppbygging og virkemåte. Vi vil også takke Sverre Skalleberg Gjerde og
Bård Almås for all veiledning.
TRONDHEIM 25.10.2010
Magnus Grøtterud
Sindre Heimly Brun
Jonathan Jørstad
Tor Martin Iversen
i
Innhold
1 Sammendrag
1.1 English Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
2 Introduksjon
2.1 Problemstilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
2
3 Teori
3.1 Batteriteknologi . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Utfordringer ved hurtiglading . . . . . . . . .
3.3 Effektivitet i ladere . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Harmoniske komponenter i strøm og spenning
3.5 Lastfaktorkorreksjon . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Laderoppbygning . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
3
3
4
4
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4 Måleoppsett og metode
5
5 Resultater og diskusjon
5.1 Effektivitet . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Tomgangsmåling . . . . . . . . . . . .
5.3 Strømmåling på inngang . . . . . . . .
5.4 Lastfaktor . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Rippel i utgangsspenning . . . . . . .
5.6 Duty Cycle . . . . . . . . . . . . . . .
5.7 Målinger av harmoniske komponenter .
5.8 Kortslutningstest . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
6
6
7
7
9
10
10
12
15
6 Konklusjon
15
7 Videre arbreid
16
ii
1
Sammendrag
I dette prosjektet er Eltek Valeres lader EV PowerCharger 3000 blitt undersøkt. Dette
er en lader som er konstruert for å utnytte en ordinær 16 A kurs maksimalt til å lade
batteriet i elbilen Think. Ulike egenskaper ved laderen er blitt testet, som effektivitet, harmoniske komponenter, tomgangs- og kortslutningsmålinger og rippel i utgangsspenning.
Laderens prinsippielle virkemåte er forklart i teoridelen, hovedhensikten med prosjektet
er å gjøre målinger og observasjoner som kan bekrefte denne teorien. Målingene er foretatt ved å koble en variabel resisitv last til laderens utgang og deretter gjøre målinger
på laderens inngang og utgang, samt inne i laderen med prober. Målingene har vist at
laderen oppfører seg som forventet. Laderen sender ikke store harmoniske komponenter
ut på nettet, men holder seg godt innenfor EN-61000-3-2. Effektiviteten er også høy ved
last over ca 1kW. Høyeste effektivitet oppnådd er 97%. Effektfaktor ble funnet å være
0,99, noe som betyr at det nesten bare overføres aktiv effekt og at databladet er korrekt.
Rippel samt støy på ladespenningen ble målt til 404mV RMS. I det hele fungerte laderen
slik Eltek Valere hadde lovet.
1.1
English Summary
In this mini project the Eltek Valere charger EV PowerCharger 3000 has been examined.
The charger is constructed for charging the battery pack of the Think EV by maximum
utilization of an ordinary 16 A circuit. Various properties of the charger have been tested,
such as the efficiency, the creation of harmonic components, open curcuit and short circuit
current and voltage as well as the ripple in the output voltage. The conceptual mode of
operation of the charger is explained in the theory section. The main purpose of this
project is to conduct tests and measurements to validate this theory. The tests have been
conducted by connecting a resisitive load at the charger output while doing measurements
at the charger input and output, as well as using test probes in the charger circuitry.
The tests show that the charger behaves as expected. It does not pollute the grid with
significant harmonic components, but stays in accordance with the charger data sheet.
The efficiency is high at loads over 1kW, the highest achieved efficiency being 97%. The
power factor was determined to be 0.99, meaning almost only active power is being
transferred and confirming the data sheet. The ripple and noise in the output voltage
was measured at 404mV RMS. In total, the charger behaves according to the claims of
Eltek Valere.
1
2
Introduksjon
2.1
Problemstilling
1. Hva er de største utfordringene med dagens batterier og hurtiglading?
2. Er det mulig å etterprøve noen av resultatene fra databladet og kartlegge en grunnleggende virkemåte, og holder EV PowerCharger 3000 hva den lover?
2.2
Mål
Dette miniprosjektet skal gi en oversikt over problematikken rundt lading av elbiler.
For å bli bedre kjent med ladekonseptet skal det gjøres nærmere undersøkelser av EV
PowerCharger 3000 som har en maksimaleffekt på 3060W. Dette er en lader som blandt
annet blir brukt i Think. Det skal simuleres en ladeprosess der en PC med programvare
skal brukes for å simulere signalene fra et batteri, mens effektmotstander står for motstanden i batteriet. Ved hjelp av målinger skal også virkemåten til laderen studeres og
om mulig resultater fra databladet etterprøves.
3
3.1
Teori
Batteriteknologi
Batteriteknologien drives fram av behovet for stadig mindre fysisk størrelse, men samtidig
større kapasitet. Etterspørselen har i hovedsak vært størst innenfor PC- og mobiltelefonbransjen, men nå skriker også bilbransjen etter ny batteriteknologi.
For å oppnå en optimal kombinasjon av ytelse og mekanisk pålitelighet er følgende
faktorer avgjørende når en ser etter et elbilbatteri: høy effekt- og energitetthet, lang
levetid, høy effektivitet, fungere i mange temperaturområder, minimal selvutlading, lav
indre motstand, ingen minneeffekter, mulighet for hurtig lading, høy driftsikkerhet, lav
produksjonskostnad og mulighet for å gjenvinne batteriet etter bruk.[2]
Ulikt konfigurerte Li-ion-batterier trer frem som klare favoritter til bruk i moderne
elektriske biler. De har høyest energitetthet (>160Wh/kg), kan hurtiglades, har lav indre motstand og høyere cellespenning enn for eksempel NiMH-batterier. En annen fordel
i forhold til NiMH-celler er at de omtrent ikke krever vedlikehold. I tillegg øker produksjonen av Li-ion-batterier og de blir mer og mer økonomisk tilgjengelige. Det finnes
fortsatt utfordringer tilknyttet sikkerhet, og det finnes flere historier om eksploderende
PC-batterier. I en typisk ladekarakteristikk for Li-ion-batterier er det punkt der spenningen plutselig øker raskt når batterispenningen nærmer seg merkespenning. God regulering
er derfor viktig.[1]
Et eksempel på bruk av Li-ion-batterier, er i Tesla Roadster. Cellene i Roadster
er av typen 18650 (18mm x 65mm), denne størrelsen er delvis valgt på grunn av den
ekstra sikkerheten små celler gir. En kan se flere eksempler på at battericeller i bærbare
datamaskiner har eksplodert, og hvis cellene er store kan dette gjøre en del skade. I Tesla
Roadster ligger det 6800 slike celler tettpakket i en batteripakke på 450kg, noe som gir
2
lagringsmulighet for 53kWh.[4] Et annet eksempel på effektiv bruk av Li-ion-batterier er
et studentprosjekt ved MIT som har brukt litium-jernfosfat celler i en bil som kan lades
på 10 minutter kontra Teslaens 3 timer.
Det er dermed tydelig at ny batteriteknologi vil være avgjørende for utviklingen av
elektriske biler.
3.2
Utfordringer ved hurtiglading
En av de største utfordringene elbiler står ovenfor i dag er den lange ladetiden. Sammen
med begrenset rekkevidde per lading gjør dette elbilen uegnet til langdistansetransport.
Muligheten for å kunne lade elbilen hurtig vil øke bruksområdet betraktelig, og dermed
øke målgruppen for hele elbilsegmentet. Når det gjelder hurtiglading er det flere flaskehalser som må overkommes, der en av dem er den maksimale effekten som kan trekkes i
en vanlig kurs i en enebolig.
En vanlig inntakssikring i nybygg i dag er 63A, i eldre hus er den mindre. Denne
hovedsikringen sitter i sikringsskapet og forgrener seg til flere mindre kurser, der den
vanligste forbrukerkursen er på 16A. De fleste elbilladere i dag dimensjoneres derfor etter
dette.
I tillegg er det utfordringer knyttet til belastningene på nettet. Dersom antallet elbiler
på norske veier skulle øke vesentlig, vil det være en fare for uholdbare lastsituasjoner
på nettet om alle setter elbilen på hurtiglading idet de kommer hjem etter jobb. Ved
en overbelastning i en fordelingstransformator med påfølgende havari kan deler av eller
hele nabolag bli mørklagt. Strømnettet er visse steder hardt belastet allerede i dag, og
utfordringene vil ikke bare gjelde distribusjonsnettet, men også sentral- og regionalnettet.
Kravet til forsyningssikkerhet vil nødvendiggjøre nybygging eller opprustning av linjer
eller økt lokal energiproduksjon. Uforutsigbare laderutiner vil også gjøre det vanskelig
både for nettselskapene å dimensjonere nettene, og for kraftprodusentene å planegge
produksjonen. En løsning kan derfor være å begrense lading til natterstid, da lasten
ellers i nettet er liten.
I tillegg til å transportere denne effekten må det finnes tilstrekkelig med produksjon
i ladeøyeblikket. I Norge er det i dag en installert produksjon på rundt 30GW,[7] og på
vinteren er den noe mindre på grunn av frosne elver og magasinering. Det er i praksis
nok til å dekke dagens topplast om vinteren, men med en stor elbilflåte vil Norge bli
avhengig av å importere kraft fra utlandet eller å satse på ny produksjon.
Det er også utfordringer ved ladehastigheten batteriene tåler. Strømmen overføres til
ioner som må vandre gjennom battericellen. Dette kan ikke skje momentant. Ved forsøk
på for hurtig lading, kan batteriet overlades ved at ionene ikke beveger seg raskt nok, og
batteriet kan ta skade. Det forskes i dag i stor skala på batteriteknologi som kan lades
hurtig.
3.3
Effektivitet i ladere
EV PowerCharger 3000 har en veldig høy effektivitet. Små tap er spesielt viktig for
ladere som skal plasseres i biler, og brukes når bilen står i ro, gjerne på en glovarm
3
parkeringsplass der varmeutvikling og kjøling er et reelt problem. Hvis en elbil skal bruke
en intern lader eller annet utstyr som skaper varme på grunn av tap, blir det straks et
behov for å ha kjølesystemer i gang. En effektivitet på 96% er oppgitt i datablad fra
produsenten.
3.4
Harmoniske komponenter i strøm og spenning
Et generelt problem for kraftelektronisk utstyr er at det skaper harmonisk støy på kraftnettet. Det er derfor viktig at det lages på en slik måte at nettet blir påvirket i minst
mulig grad. Det finnes i dag EN-standarder for tillatt harmonisk støy fra kraftelektronisk
utstyr[3] for å sørge for best mulig effektkvalitet. Harmoniske komponenter på nettet vil
kunne skape store strømmer i nøytrallederne uten sikringer som kan føre til brannfare.
Det vil også kunne gi overopphetning av transformatorer og minke levetiden eller føre til
overstrøm og overslag på grunn av resonans[6]. En energiomformer som benytter høyfrekvent kobling, slik som en batterilader, kan skape slik støy på nettet. Desto stivere nettet
er, desto mindre sårbart vil det være.
3.5
Lastfaktorkorreksjon
Å opprettholde en effektfaktor lik 1, det vil si at strøm og spenning er i fase, er viktig
for å unngå å måtte transportere reaktiv effekt på nettet. Overharmoniske strømmer vil
også føre til at det overføres reaktiv effekt. Det er derfor viktig at en lader verken trekker
vesentlige overharmoniske strømmer eller en strøm som ikke er i fase med nettspenningen.
I en batterilader kan det installeres en lastfaktorkorreksjonskrets (PFC-krets) før det
kapasitive filteret på AC-siden som gjør de harmoniske komponentene ut på nettet svært
små.
3.6
Laderoppbygning
EV PowerCharger 3000 er konstruert slik at den kan ta inn ulik AC-spenning for å kunne
brukes i store deler av verden. I tillegg er den laget slik at DC-spenningen ut er varierende ettersom spenningen på batteriet ikke er konstant. Laderen har en lastfaktorkorreksjonskrets før AC-spenningen likerettes. Grunnen til dette er forklart under avsnittet
om Lastfaktorkorreksjon. AC-spenningen blir så likerettet i en diode- og transistorbro.
Transistorene brukes for å regulere spenningen. Den likerettede spenningen blir deretter
transformert med en resonans DC-DC-omformer.[5] Denne operer i området 100-300kHz
for at laderen skal bli så kompakt som mulig. Ved så høy frekvens vil man kunne benytte
en fysisk liten transformator. En annen fordel med høy frekvens er at det blir lettere å
filtrere ut harmoniske komponenter. Spenningen blir likerettet før den blir tatt ut som
en nesten rippelfri DC-spenning. Figur 1 viser en prinsippiell skisse over virkemåten til
laderen.
4
Figur 1: Prinsippskisse av EV PowerCharger 3000
For at laderen skal fungere, er den avhengig av å ha et avansert kontroll- og overvåkningssystem av batteriet. Eltek Valere bruker et kommunikasjonssystem som heter
CAN. Laderen er utstyrt med en mottakerenhet som får signaler fra en enhet på batteriet. Hvis laderen ikke mottar signaler fra batteriet så vil den ikke kunne slå seg på.
Den slår seg også av hvis den mister signalet under en ladeprosess. Dette er for å ivareta
sikkerheten. Som nevnt under avsnitt 3.1 vil spenningen på batteriene plutselig stige
raskt. I dette tilfellet er det viktig at laderen kan regulere ned effekten hurtig slik at
batteriet ikke blir overopphetet. Når laderen mottar signaler om tilstanden til batteriet
vil en digital signalprosessor regne ut de nye signalene til transistorene, for å senke eller
øke utgangseffekten.
4
Måleoppsett og metode
Utstyr som ble brukt i testoppsettet:
• EV PowerCharger 3000
• Kjøleribbe
• Lastmotstand
• Oscilloskop (G04-0347) med differensialprober (I06-0467, I06-0357)
• Nettanalyseapparat (H02-0110
• Rogowskispole (I04-0475)
• PC-progam for simulering av batterikommunikasjon via CAN-bus
5
• Multimeter (S03-0172)
Laderens varmeutvikling er oppgitt til maksimalt 185W, og den er ment å kobles til
bilens kjølekrets. I testing er det derfor viktig å få avkjølt laderen, og en kjøleribbe er
montert.
For å simulere lading av elbilbatteriet ble en variabel høyeffektsmotstand brukt. Laderen er konstruert for å kommunisere med batteriet via en CAN-bus for å motta informasjon om batteriets tilstand under ladesyklusen, og justere ladeeffekten tilført batteriet deretter. Siden en vanlig ohmsk motstand ikke gir noen særlig informasjon om
dens ladestatus, er et PC-program utviklet av Eltek Valere brukt for å erstatte denne
kommunikasjonen. I programmet kan en i tillegg hente ut informasjon om strømmer og
spenninger inn og ut av laderen, samt temperaturer og alarmer om feil.
For å kunne se på hvordan laderen påvirker strømnettet, er formen på inngangsstrøm
studert med oscilloskop via en Rogowskispole som har stor nok båndbredde til å kunne
oppfatte eventuelle påvirkninger fra laderens raske svitsjefrekvens. Harmoniske komponenter er målt med et nettanalyseapparat. En shuntmotstand ble også innkoblet i et
forsøk på å studere formen på strømmen inn på laderen.
For sammenligning mot data oppgitt av Eltek Valere, er laderens effektivitet beregnet
ved forskjellige belastninger.
5
Resultater og diskusjon
5.1
Effektivitet
Med hjelp av et dataprogram utviklet av Eltek Valere, kunne forskjellige effekter kjøres
på lasten, og effektiviteten beregnes.
Figur 2: Effektivitet til EV PowerCharger 3000
En kan tydelig se fra figur 2 at effektiviteten er høy ved større belastninger. Laderen
6
er konstruert for å operere optimalt opp mot merkeeffekten, og dette vises i kurven.
Effektiviteten er i samsvar med Eltek Valeres datablad.[8]
Det må nevnes at kun den førsteharmoniske komponenten til strømmen bidrar til aktiv effekt, men i målinger gjort med PC-programmet er alle de harmoniske komponentene
lagt til grunn for RMS-verdien.
5.2
Tomgangsmåling
De første målingene som ble gjort var å måle tomgangsstrømmen til laderen. Dette ble
målt ved hjelp av de innebygde strøm- og spenningsmålerne i laderen og lest av på PC.
Tomgangsstrømmen ble avlest til 0,4A og spenningen til 230V som tilsier at laderen
trekker en tomgangseffekt på 92W. Tomgangseffekten er ikke så urealistisk når en tar
det store effektpotensialet i betraktning. Effekten som dissiperes på tomgang går over til
varme i resistanser, transistorer, kondensatorer og spoler.
5.3
Strømmåling på inngang
Måling av inngangsstrøm ved å se på spenningen over en shuntmotstand i serie med
laderen viste seg å være vanskelig. Shunten hadde en motstand på 0,002Ω, og vil dermed
gi et spenningsfall på 28mV når laderen går med full last og trekker en strøm på 14A.
Målingene som ble gjort på denne var helt urealistiske og er presentert i figur 3.
Målingene viste alt for lav frekvens og en kraftig forstyrret sinusbølge. Dette skyldes
sannsynligvis at det er vanskelig å måle en så lav spenning ved en så høy frekvens.
Figur 3: Strømmen laderen trekker fra nettet målt som spenningen over en shuntmotstand.
For å klare å måle den svært høyfrekvente strømmen ble forskjellige strømspoler
7
forsøkt brukt, men ingen hadde høy nok båndbredde. Til slutt ble det brukt en Rogowskispole. Denne hadde båndbredde fra 3,5Hz - 17MHz og kunne dermed måle alle de
interessante komponentene av strømmen. Den ble hektet rundt en av fasene på inngangen
og resultatet vises i figur 4. Rogowskispolen har et forhold mellom strøm og spenning på
10mv/A som i følge figur 3 vil tilsi at inngangsstrømmen måtte være 4,52A. Dette er ca
halvparten av hva den faktiske strømmen inn var og kan skyldes feil i probeinnstillingene
på oscilloskopet.
Figur 4: Strømmen laderen trekker fra nettet målt med Rogowskispole
Målingene i figur 4 viser et sinusformet signal med 50Hz som ved videre innzooming
viste seg å bestå av at høyfrekvent sinussignal med mye mindre amplitude jf. figur 5.
Det høyfrekvente signalet ble målt til 45kHz og hadde en amplitude på ca 13% av 50Hz
signalet. Frekvensen til PFC-kretsen er 45kHz og det synes dermed naturlig at denne
frekvensen observeres på utgangen. Grunnen til at 45kHz er valgt som frekvens i PFCkretsen er at denne gjør at den tredjeharmoniske blir under 150kHz som er grensen der
kravet til ledningsbundet støy blir strengere. Frekvensen kan observeres i figur 5.
8
Figur 5: Forstørret: 45kHz-komponenten i inngangsstrømmen
5.4
Lastfaktor
Hvis en studerer strøm og spenning ved inngangen til laderen i samme figur ser en at
strømmen ligger foran spenningen med ca 0,5ms. Dette betyr en faseforskjell på 9◦ og
en ledende lastfaktor på 0,99. Effektfaktoren er svært bra og stemmer helt med oppgitt
verdi i databladet fra Eltek Valere.[8]
Figur 6 viser nettspenningen og strømmen laderen trekker.
Figur 6: Nettspenning og strøm
9
5.5
Rippel i utgangsspenning
Ved å koble oscilloskopet over lasten ble det målt rippel og støy på DC-ladespenningen.
Det ble koblet på en last på 35,38Ω, og påtrykket en spenning fra laderen på 253V. Spenningen ble igjen målt med oscilloskop. Utgangssignalet viste seg å være svært høyfrekvent
med veldig små variasjoner i amplitude. Rippel og støy ble målt til en topp til topp- verdi
på 1,4V. Ved å tilnærme dette signalet som en trekantspenning kan RMS-verdien regnes
ut til å bli 404mV.
Figur 7: Rippel i DC-spenning ved last 1671W
Det var ikke mulig å se noen klar repetitiv form på likespenningen. Rippel og støy ble
målt til en verdi som er 154mV høyere enn målingene Eltek Valere oppgir sitt datablad.
Dette kan skyldes at Eltek Valere har målt direkte på laderutgangen mens disse målingene
ble gjort med to meter kabler til lasten som sannsynligvis tar inn en del støy.
5.6
Duty Cycle
Ved å måle gatespenningen på en av transistorene ble det observert hvordan driftsyklusen
økte når en høyere utgangsspenning ble etterspurt via CAN-bussen. Svitsjefrekvensen
til transistoren ble målt til 45kHz og amplituden på triggersignalet ble målt til 10,3V.
Driftsyklusen kan ved to forskjellige lastspenninger sees i figur 8 og 9.
10
Figur 8: Driftsyklus på 18% gir en utspenning på 300V
Figur 9: Driftsyklus på 33% gir en utspenning på 400V
Ved å måle spenningen mellom kilde og jord på den samme transistoren ser en at
transistoren leder når spenningen på source er positiv. Dette kan observeres i figur 10.
11
Figur 10: Spenningen mellom kilde og jord
Det er vanskelig å bestemme nøyaktig hvilken transistor dette er da Eltek Valere ikke
kunne gi ut en detaljert kretstegning, men ut fra den målte frekvensen er det naturlig å
anta at denne transistoren sitter i lastfaktorkorreksjonskretsen.
5.7
Målinger av harmoniske komponenter
Et nettanalyseapparat ble brukt til å studere de harmoniske komponentene i inngangsstrømmen. Her ble en Ragowskispole brukt til å måle strømmen samtidig som spenningen
ved inngangen ble målt. Figur 11 viser nettanalyseapparatets plot av nettspennigen og
inngangsstrømmen, og det er sett nærmere på selve strømmen.
12
Figur 11: Inngangsstrøm og nettspenning i samme graf
Nettanalyseapparatet er i stand til å finne de harmoniske komponentene til strømmen
den måler. I dette tilfellet er den førsteharmoniske målt til klart dominerende. Målingen
ble gjort ved en nettstrøm på 4,6A og en spenning på 228V. De første 50 harmoniske er
vist i søylediagram i figur 12. Diagrammet er forstørret i vertikal retning, for å lettere se
de mindre komponentene.
13
Figur 12: Harmoniske komponenter i nettstrømmen ved 1kW last
De 7 første harmoniske komponentene er målt og størrelse, vinkel og frekvens er gitt
i tabell 1. Det lyktes ikke å få riktig skalering på instrumentet, så de målte amplitudeverdiene er ikke korrekte. Total strøm er 4,6A.
Tabell 1: De 7 første harmoniske komponentene i nettstrømmen
Nr
Avlest verdi (mA)
Vinkel (◦ )
1
3
5
7
9
11
13
76.1
0,9
0,9
0,6
0,7
0,2
0,6
0
-177
-104
-118
-160
-150
104
Frekvens (Hz)
50
150
250
350
450
550
650
En ser av tabell 1 at de harmoniske synker veldig raskt og det er nesten bare den
førsteharmoniske som er betydelig. Den tredjeharmoniske er ca 2% av den første, noe
14
som stemmer godt med data gitt av Eltek Valere sine målinger, gitt i figur 13. Det vises
at laderen er godt under grensene i EN-standarden 61000-3-2.
Figur 13: Måling av harmoniske komponenter, oppgitt av Eltek Valere
5.8
Kortslutningstest
Det ble gjort forsøk på å starte lading da DC-lasten var kortsluttet. Laderen prøvde da å
koble inn for så å koble ut gjentatte ganger. Når lasten var koblet inn igjen måtte laderen
kobles fra nettet og programvaren restartes før den ville levere effekt til DC-siden igjen.
Kortslutningsvernet til laderen ser ut til å virke etter hensikten.
6
Konklusjon
1. Problemet med hurtiglading av elbiler har vist seg å være et komplekst problem. I
nær fremtid kan en si at det er ladeffekten som batteriene klarer å håndtere som
er den begrensende faktoren. Ved høy effekt blir batteriene svært varme og kan
også eksplodere. Hvis en ser på hurtiglading i fremtiden kommer problematikken
rundt nettkapasiteten til å gjøre seg mye mer gjeldende. Hurtiglading av bilbatterier
krever svært store effekter, og når mange skal lade samtidig vil dette utgjøre en
stor påkjenning på trafostasjoner og nett som per dags dato ikke er forberedt på å
takle så store laster.
2. EV PowerCharger 3000 består hovedsakelig av fire elementer.
• Lastfaktorkorreksjon
15
• Likeretter
• Step up resonans DC-DC transformator
• Likeretter
Lastfaktorkorreksjonskretsen opererer på 45kHz og harmoniske komponenter har så
høy frekvens at de er lette å filtrere bort. Likeretteren lager likespenning til en DCbuss som så blir omformet til en vekselspenning med en frekvens på 150-300kHz.
Denne høyfrekvente spenningen blir transformert opp med resonanstransformatoren. Til slutt blir denne spenningen likerettet av en diodebro og glattet med en
kondensator til en nesten rippelfri DC-spenning.
Det har i dette forsøket blitt vist at en ved hjelp av datamaskin, oscilloskop, Rogowskispole og en ohmsk motstand kan simulere lading av et batteri og etterprøve
resultater fra databladet til EV PowerCharger 3000. Laderen var avhengig av å
kommunisere med et batteri som lot seg simulere ved hjelp av en PC og programvare utviklet av Eltek Valere. Effektiviteten som ble målt stemte godt overens med
tallene i databladet og var høyest rundt 50% av topplast. Her ble den målt til
97%, noe som er veldig bra. Strømmer, spenninger og maksimaleffekter var også
som lovet. Inngangsstrømmens harmoniske har blitt analysert med et nettanalyseapparat. Den tredjeharmoniske er den nest største harmoniske og var ca 2% av
førsteharmoniske. Effektfaktoren har blitt bestemt ved å studere strøm og spenning i oscilloskopet og bestemt til 99% ledende som også er det samme som oppgitt
av Eltek Valere.
Alt i alt holder EV PowerCharger 3000 akkurat det den lover.
7
Videre arbreid
Videre vil det være naturlig å gå mer i detalj på virkemåte samt kjøre mer kompliserte
simuleringer. En lading av et faktisk batteri vil være interessant, da laderen må arbeide
dynamisk når batteriet lades opp og spenningen øker.
I forbindelse med hurtiglading, kan en simulere en oppkobling av flere slike moduler
i parallell og på den måten lade et batteri med høyere ladestrøm.
Referanser
[1] J.P. Aditya and M. Ferdowsi. Comparison of nimh and li-ion batteries in automotive
applications. pages 1 –6, sep. 2008.
[2] A. Affanni, A. Bellini, G. Franceschini, P. Guglielmi, and C. Tassoni. Battery choice
and management for new-generation electric vehicles. Industrial Electronics, IEEE
Transactions on, 52(5):1343 – 1349, oct. 2005.
16
[3] EUROPEAN POWER SUPPLY MANUFACTURERS ASSOCIATION. Harmonic
current emissions, guidelines to the standard en 61000-3-2. http://www.epsma.org/
pdf/PFC20Guide_April202005.pdf, 2004. [Nett; nedlastet 22-October-2010].
[4] G. Berdichevsky et al. The tesla roadster battery system. http://www.teslamotors.
com/display_data/TeslaRoadsterBatterySystem.pdf, 2006. [Online; accessed 21October-2010].
[5] W. Robbins N. Mohan, T. Undeland. The Power Electronics: Converter, Applications
and Design. Ed. Wiley, 2003.
[6] COMPUTER POWER and VICTOR A. RAMOS JR. CONSULTING CORPORATION. Treating harmonics in electrical distribution systems. http://www.cpccorp.
com/harmonic.htm, 1999. [Nett; nedlastet 22-October-2010].
[7] Statistisk Sentralbyrå.
Årlig elektrisitetsstatistikk.
elektrisitetaar/tab-2010-05-26-01.html, 1989-2008.
October-2010].
http://www.ssb.no/
[Nett; nedlastet 20-
[8] Eltek Valere. Datasheet ev powercharger 3000. http://www.eltekvalere.com/wip4/
e-mobility/c/detail_product.epl?cat=17219, 2010. [Nett; nedlastet 22-October2010].
17