Back to Basics:
Rekenen aan het thuis opladen van een EV
In een Tesla Model 3 opent het handschoenenkastje elektrisch, gaaf! Toch is het oude techniek in een nieuw jasje. Hetzelfde kunstje zien we in iedere auto met centrale portiervergrendeling. Zo komen we veel sensoren, actuatoren en embedded systems (computers) uit ‘oude’ auto’s tegen in EV’s. Daarnaast bieden elektrische auto’s technieken die nieuw zijn voor autotechnici. In deze B2B: laden aan huis.
LEES MEER
De batterij in een EV werkt altijd met gelijkspanning, in het Engels: Direct Current of DC. De elektronen lopen van de ene pool naar de andere. De richting van de stroom blijft continu gelijk. Bij ontladen van plus naar min (de gatenstroom), en bij opladen andersom. Onze elektriciteitsvoorziening thuis is Alternating Current (AC) ofwel wisselspanning. Hierbij wisselt de stroom continu van richting. In onze thuisinfrastructuur gebeurt dat plusminus vijftig keer per seconde (50 Hz).
Van AC naar DC
Wil je thuis een batterij opladen, dan moet die AC van het huis omgezet worden naar DC. Dat gebeurt door de lader (charger) in de auto. Voor het opladen van de batterij moet de aangeboden gelijkspanning hoger zijn dan de klemspanning van de batterij. Bij het opladen verloopt het chemische proces in de batterij exact omgekeerd dan bij het ontladen.
DC-laden
Thuis laden hoeft vaak niet snel. Onderweg is dat anders! Vijf uur extra reistijd om Groningen te halen is niet grappig. Daarom beschikken veel EV’s over de mogelijkheid om snel te laden. Dat snelladen gebeurt met gelijkstroom. Vaak wordt daar een CCS-aansluiting voor gebruikt. Die Combined Charging System-aansluiting is een combinatie tussen een type 2-connector en de DC-snellaadaansluiting.
Bij dat snelladen wordt de batterij direct geladen met gelijkstroom door een laadsysteem buiten de auto. Er is dus geen tussenkomst van een lader in de auto. De omzetting van AC naar DC gaat gepaard met warmte, maar door de opstelling buiten het voertuig is deze warmte makkelijker af te voeren en is de grootte van de installatie veel minder een beperkende factor.
De infrastructuur thuis
De elektriciteitsvoorziening in veel woningen beschikt over drie fasen. Toch kan het best zijn dat in de groepenkast maar één fase gebruikt wordt voor het huis.Laten we even uitgaan van een driefasenaansluiting aan huis. Dat is ook de huidige standaard. Elke fase L (bruine draad) heeft een spanningsverschil van 230 volt (AC) ten opzichte van de Nul (blauwe draad). Driefasenaansluiting wordt ook wel krachtstroomaansluiting genoemd. Dan wordt gemeten tussen twee van de drie fasen. Je meet dan een spanning van 400 volt (AC).
Drie keer 16 ampère
Voorbeeld: een Tesla Model 3 kan gebruikmaken van de driefasenaansluitingen, maar gebruikt elke fase apart. Dat betekent dat voor elke fase, L1, L2 en L3, een lader is opgenomen in het voertuig. Deze laders samen zorgen voor de gelijkspanning die wordt aangeboden aan de batterij. De Model 3 kan aan huis laden met een vermogen van 11 kW. Dat betekent dat elke lader 16 A stroom kan vragen van de infrastructuur van het huis.
Waarom?
Even rekenen:11 kW is 11.000 Watt.
P = U * I, dus: 11.000 = 230 * I.
Dan is: I = 11.000 / 230, dus I = 47,8 ampère.
47,8 A / 3 fasen = 15,9 A per fase (afgerond 16 A).
Het bereik van een EV
Als voorbeeld neem ik weer een Tesla, omdat ik daar makkelijk aan gegevens kom. Elk ander voertuig wijkt hier in enige mate van af. Een Model X is nu eenmaal groter dan de Model 3. Ook een Jaguar I-Pace met sportwielen heeft een ander verbruik dan een I-Pace met originele wielen. De Model 3 Long Range wordt geleverd met een batterij van 75 kWh.
kWh’s of liters
Het verbruik van de Tesla is 216 Wh/km over een totale afstand van 3.984 km. De batterij heeft een capaciteit van 75 kWh. Dat is 75.000 Watt, één uur lang. 75.000 Wh / 216 Wh/km = 347 km actieradius (dit is gemeten in de winter).
Voor een auto met benzinemotor zou je precies dezelfde rekensom kunnen maken. Kijk maar:
Met een tank van 75 liter en een verbruik van 200 ml/km kun je op 1.000 ml 5 km rijden. 1000 ml / 200 ml = 5 km/l geeft een actieradius van 75 l * 5 km/l = 375 km.
Een batterij van 75 kWh met een verbruik van 200 Wh/km betekent dat je op 1 kWh, 5 km kunt rijden. Dus: 1.000 Wh / 200 Wh/km = 5 km. Dat geeft je een actieradius van 75 kWh * 5 km= 375 km.
Verbruik: 1 op 5.
Kortom, een Tesla Model 3 rijdt ongeveer 1 op 5. Dat is iets om te onthouden. Of 1 op 5 veel is? Och, als je de verbrandingswaarde van een liter benzine omrekent van megajoules naar kilowatturen kom je op 9 kWh/l. Op de energie van een liter benzine rijdt een Tesla 3 dus: 9 kWh/l * 5 km/kWh = 45 km/l.
Laadinstallaties aan huis
Die kWh’s kun je thuis laden en dat kan weer op verschillende manieren. Het makkelijkst is een leverancier van laadpalen bellen en die door een erkend installateur laten installeren aan huis. Kost wat, maar dan heb je ook wat.
Drie factoren
Het afgenomen vermogen en daarmee de snelheid van laden wordt bepaald door drie factoren. Factor 1 is de laadapparatuur in de auto. Factor 2 is het vermogen dat de huisaansluiting kan leveren. En factor 3 is het vermogen dat de laadkabel aan kan. Zo kun je bijvoorbeeld een voertuig kopen met een éénfaselader met een capaciteit van 32 A. Maar met een stopcontact thuis met een maximale capaciteit van 16 A is de laadsnelheid dan toch beperkt tot die 16 A.
Je kan dan niet: P = U * I; P = 230 * 32; P = 7.360 Watt, dus: 7,3 kWh/uur laden. Maar slechts: P = 230 * 16; P = 3.680 Watt, dus: 3,7 kWh/uur.
Met de 75 kWh-batterij uit de Tesla 3 betekent dit het volgende voor de laadtijd (verliezen niet meegerekend en uitgaande van een lege accu): Niet 75 kWh / 7,3 kWh/uur = 10,2 uur voor een volle batterij, maar 75 kWh / 3,7 kWh/uur = 20,4 uur.
Kanttekening: stel je hebt een 35 A hoofdzekering en je hebt een 32 A zekering voor je laadinrichting. Dan hou je 3 ampère over voor de rest van je huis. Dat is te weinig. Dit vraagt om ‘load balancing’ om te voorkomen dat je netwerk overbelast raakt. Kortom: een doordachte laadinrichting aan huis is noodzakelijk. Want 16 A vragen van een stopcontact over een duur van 20,4 uur is echt niet verstandig!
_w732_h718_1.jpg)
Laadoplossing zonder laadpaal
Naast een laadpaal zijn er nog andere mogelijkheden om een hybride of EV op te laden. Vanaf je laadaansluiting in de auto direct naar je stopcontact gaat niet lukken. Er is vanuit de auto altijd meer informatie nodig om de laadstroom te bepalen. De auto wil weten welk type laadkabel aangesloten is. Ook is het van belang om te weten of er geladen kan worden met 10, 14, 16 of 32 A.
Communicatiedraden
Deze communicatie gaat als volgt. Naast driefaseaansluitingen en een nulaansluiting zijn er twee communicatiedraden toegevoegd aan de laadkabel. Deze draden zorgen voor de communicatie van en naar het laadstation. Door de weerstand opgenomen in de laadstekker is er meteen een hardwarematige koppeling ontstaan over de laadstroom.
Capaciteit van de laadkabel
Door de juiste weerstand te kiezen, weet het voertuig voor welke laadstroom de kabel geschikt is. Vervolgens laat het stukje intelligentie dat je toe moet voegen aan je meterkast weten met welke stroom het voertuig mag laden. Voorbeeld:
Laadkabel geschikt voor 32 A, infrastructuur geeft aan: 14 A max: Laadstroom max 14 A.
Laadkabel geschikt voor 16 A, infrastructuur geeft aan: 32 A max. Laadstroom max 16 A.
Dynamic load balancing
Doordat er steeds meer elektrische apparaten het huis in komen, is de vraag naar stroom op piekmomenten best flink. Stel je laadkabel kan 32 A aan en het laadsysteem is ingesteld op 3 keer 16 A, dan zou het voertuig met een lege batterij gewoon 16 A kunnen gaan laden. Staan de vaatwasser, de droger en de warmtepomp volle bak energie te vragen, dan wordt de infrastructuur te zwaar belast. De oplossing hiervoor zit in Dynamic Load Balancing.
Dit systeem meet continu de stroom die het huis ingaat. Afhankelijk van het totale verbruik wordt de laadstroom naar het voertuig dan bijgesteld. Stel, je verbruikt 16 A in huis en de fase kan maximaal 25 A leveren. Dan zal de laadinrichting communiceren met het voertuig dat de maximale afname 9 ampère mag zijn.
NEN 9140 of NEN 3140
Veiligheidstechnisch gezien komen we met het opladen in een interessant gebied terecht. Veiligheidsmaatregelen in en om een hybride en elektrische voertuigen worden beschreven in de NEN 9140-norm. Veiligheidsmaatregelen bij werken aan de infrastructuur van een woning vallen onder de NEN 3140-norm.
Daarnaast is bij het aansluiten van degelijke laadinrichtingen in een woning de NEN 1010 van kracht. Allemaal maatregelen waar wij als autotechneuten niet in geschoold zijn.
Grote risico’s
Bij een elektrische storing in een voertuig is in de meeste gevallen een belletje naar de ANWB genoeg. Maar de vermogens en daarmee warmteontwikkeling die gepaard gaan met een slechte montage in een huis zijn enorm. Een slecht aangesloten fasedraad wordt warm, of erger heet, zonder dat er te veel stroom gaat lopen. Door het vermogen kan daardoor veel gemakkelijker brand ontstaan dan door een slecht aangesloten stekker op een koplamp in een voertuig. Kortom: een erkende installateur is in deze geen slecht advies.
