Lading av elbil med EV PowerCharger

Magnus GrøtterudJonathan Jørstad

Sindre Heimly BrunTor Martin Iversen

Institutt for ElkraftteknikkNTNU 2010

Forord

Bruken av elektriske biler øker, og reduksjon av ladetid og -tap har blitt et konkurranse-kriterie i produksjon av elbiler, batterier og tilhørende ladeutstyr. Ny teknologi innenbatteri og generell kraftelektronikk har blitt utviklet, og vi har derfor vært interessert ihvordan 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 vårforståelse av oppbygging og virkemåte. Vi vil også takke Sverre Skalleberg Gjerde ogBård Almås for all veiledning.

TRONDHEIM 25.10.2010

Magnus GrøtterudSindre Heimly BrunJonathan JørstadTor Martin Iversen

i

Innhold

1 Sammendrag 11.1 English Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Introduksjon 22.1 Problemstilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 Teori 23.1 Batteriteknologi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2 Utfordringer ved hurtiglading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.3 Effektivitet i ladere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.4 Harmoniske komponenter i strøm og spenning . . . . . . . . . . . . . . . . 43.5 Lastfaktorkorreksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.6 Laderoppbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Måleoppsett og metode 5

5 Resultater og diskusjon 65.1 Effektivitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65.2 Tomgangsmåling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.3 Strømmåling på inngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75.4 Lastfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.5 Rippel i utgangsspenning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.6 Duty Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.7 Målinger av harmoniske komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.8 Kortslutningstest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

6 Konklusjon 15

7 Videre arbreid 16

ii

1 Sammendrag

I dette prosjektet er Eltek Valeres lader EV PowerCharger 3000 blitt undersøkt. Detteer en lader som er konstruert for å utnytte en ordinær 16 A kurs maksimalt til å ladebatteriet i elbilen Think. Ulike egenskaper ved laderen er blitt testet, som effektivitet, har-moniske komponenter, tomgangs- og kortslutningsmålinger og rippel i utgangsspenning.Laderens prinsippielle virkemåte er forklart i teoridelen, hovedhensikten med prosjekteter å gjøre målinger og observasjoner som kan bekrefte denne teorien. Målingene er fore-tatt ved å koble en variabel resisitv last til laderens utgang og deretter gjøre målingerpå laderens inngang og utgang, samt inne i laderen med prober. Målingene har vist atladeren oppfører seg som forventet. Laderen sender ikke store harmoniske komponenterut på nettet, men holder seg godt innenfor EN-61000-3-2. Effektiviteten er også høy vedlast over ca 1kW. Høyeste effektivitet oppnådd er 97%. Effektfaktor ble funnet å være0,99, 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 laderenslik 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 maximumutilization 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 circuitcurrent and voltage as well as the ripple in the output voltage. The conceptual mode ofoperation of the charger is explained in the theory section. The main purpose of thisproject is to conduct tests and measurements to validate this theory. The tests have beenconducted by connecting a resisitive load at the charger output while doing measurementsat 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 withsignificant 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%. Thepower factor was determined to be 0.99, meaning almost only active power is beingtransferred and confirming the data sheet. The ripple and noise in the output voltagewas measured at 404mV RMS. In total, the charger behaves according to the claims ofEltek 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 grunn-leggende 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 blandtannet blir brukt i Think. Det skal simuleres en ladeprosess der en PC med programvareskal brukes for å simulere signalene fra et batteri, mens effektmotstander står for mot-standen i batteriet. Ved hjelp av målinger skal også virkemåten til laderen studeres ogom mulig resultater fra databladet etterprøves.

3 Teori

3.1 Batteriteknologi

Batteriteknologien drives fram av behovet for stadig mindre fysisk størrelse, men samtidigstørre kapasitet. Etterspørselen har i hovedsak vært størst innenfor PC- og mobiltelefon-bransjen, men nå skriker også bilbransjen etter ny batteriteknologi.

For å oppnå en optimal kombinasjon av ytelse og mekanisk pålitelighet er følgendefaktorer avgjørende når en ser etter et elbilbatteri: høy effekt- og energitetthet, langlevetid, høy effektivitet, fungere i mange temperaturområder, minimal selvutlading, lavindre motstand, ingen minneeffekter, mulighet for hurtig lading, høy driftsikkerhet, lavproduksjonskostnad og mulighet for å gjenvinne batteriet etter bruk.[2]

Ulikt konfigurerte Li-ion-batterier trer frem som klare favoritter til bruk i moderneelektriske biler. De har høyest energitetthet (>160Wh/kg), kan hurtiglades, har lav ind-re motstand og høyere cellespenning enn for eksempel NiMH-batterier. En annen fordeli forhold til NiMH-celler er at de omtrent ikke krever vedlikehold. I tillegg øker pro-duksjonen av Li-ion-batterier og de blir mer og mer økonomisk tilgjengelige. Det finnesfortsatt utfordringer tilknyttet sikkerhet, og det finnes flere historier om eksploderendePC-batterier. I en typisk ladekarakteristikk for Li-ion-batterier er det punkt der spennin-gen plutselig øker raskt når batterispenningen nærmer seg merkespenning. God reguleringer derfor viktig.[1]

Et eksempel på bruk av Li-ion-batterier, er i Tesla Roadster. Cellene i Roadsterer av typen 18650 (18mm x 65mm), denne størrelsen er delvis valgt på grunn av denekstra sikkerheten små celler gir. En kan se flere eksempler på at battericeller i bærbaredatamaskiner har eksplodert, og hvis cellene er store kan dette gjøre en del skade. I TeslaRoadster 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 eret studentprosjekt ved MIT som har brukt litium-jernfosfat celler i en bil som kan ladespå 10 minutter kontra Teslaens 3 timer.

Det er dermed tydelig at ny batteriteknologi vil være avgjørende for utviklingen avelektriske biler.

3.2 Utfordringer ved hurtiglading

En av de største utfordringene elbiler står ovenfor i dag er den lange ladetiden. Sammenmed begrenset rekkevidde per lading gjør dette elbilen uegnet til langdistansetransport.Muligheten for å kunne lade elbilen hurtig vil øke bruksområdet betraktelig, og dermedøke målgruppen for hele elbilsegmentet. Når det gjelder hurtiglading er det flere flaske-halser som må overkommes, der en av dem er den maksimale effekten som kan trekkes ien vanlig kurs i en enebolig.

En vanlig inntakssikring i nybygg i dag er 63A, i eldre hus er den mindre. Dennehovedsikringen sitter i sikringsskapet og forgrener seg til flere mindre kurser, der denvanligste forbrukerkursen er på 16A. De fleste elbilladere i dag dimensjoneres derfor etterdette.

I tillegg er det utfordringer knyttet til belastningene på nettet. Dersom antallet elbilerpå norske veier skulle øke vesentlig, vil det være en fare for uholdbare lastsituasjonerpå nettet om alle setter elbilen på hurtiglading idet de kommer hjem etter jobb. Veden overbelastning i en fordelingstransformator med påfølgende havari kan deler av ellerhele nabolag bli mørklagt. Strømnettet er visse steder hardt belastet allerede i dag, ogutfordringene vil ikke bare gjelde distribusjonsnettet, men også sentral- og regionalnettet.Kravet til forsyningssikkerhet vil nødvendiggjøre nybygging eller opprustning av linjereller økt lokal energiproduksjon. Uforutsigbare laderutiner vil også gjøre det vanskeligbåde for nettselskapene å dimensjonere nettene, og for kraftprodusentene å planeggeproduksjonen. En løsning kan derfor være å begrense lading til natterstid, da lastenellers i nettet er liten.

I tillegg til å transportere denne effekten må det finnes tilstrekkelig med produksjoni ladeøyeblikket. I Norge er det i dag en installert produksjon på rundt 30GW,[7] og påvinteren er den noe mindre på grunn av frosne elver og magasinering. Det er i praksisnok til å dekke dagens topplast om vinteren, men med en stor elbilflåte vil Norge bliavhengig av å importere kraft fra utlandet eller å satse på ny produksjon.

Det er også utfordringer ved ladehastigheten batteriene tåler. Strømmen overføres tilioner som må vandre gjennom battericellen. Dette kan ikke skje momentant. Ved forsøkpå for hurtig lading, kan batteriet overlades ved at ionene ikke beveger seg raskt nok, ogbatteriet kan ta skade. Det forskes i dag i stor skala på batteriteknologi som kan ladeshurtig.

3.3 Effektivitet i ladere

EV PowerCharger 3000 har en veldig høy effektivitet. Små tap er spesielt viktig forladere 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 brukeen intern lader eller annet utstyr som skaper varme på grunn av tap, blir det straks etbehov for å ha kjølesystemer i gang. En effektivitet på 96% er oppgitt i datablad fraprodusenten.

3.4 Harmoniske komponenter i strøm og spenning

Et generelt problem for kraftelektronisk utstyr er at det skaper harmonisk støy på kraft-nettet. Det er derfor viktig at det lages på en slik måte at nettet blir påvirket i minstmulig grad. Det finnes i dag EN-standarder for tillatt harmonisk støy fra kraftelektroniskutstyr[3] for å sørge for best mulig effektkvalitet. Harmoniske komponenter på nettet vilkunne 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 tiloverstrøm og overslag på grunn av resonans[6]. En energiomformer som benytter høyfre-kvent kobling, slik som en batterilader, kan skape slik støy på nettet. Desto stivere netteter, 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 viktigfor å unngå å måtte transportere reaktiv effekt på nettet. Overharmoniske strømmer vilogså føre til at det overføres reaktiv effekt. Det er derfor viktig at en lader verken trekkervesentlige overharmoniske strømmer eller en strøm som ikke er i fase med nettspenningen.I en batterilader kan det installeres en lastfaktorkorreksjonskrets (PFC-krets) før detkapasitive filteret på AC-siden som gjør de harmoniske komponentene ut på nettet sværtsmå.

3.6 Laderoppbygning

EV PowerCharger 3000 er konstruert slik at den kan ta inn ulik AC-spenning for å kunnebrukes i store deler av verden. I tillegg er den laget slik at DC-spenningen ut er varie-rende ettersom spenningen på batteriet ikke er konstant. Laderen har en lastfaktorkor-reksjonskrets før AC-spenningen likerettes. Grunnen til dette er forklart under avsnittetom Lastfaktorkorreksjon. AC-spenningen blir så likerettet i en diode- og transistorbro.Transistorene brukes for å regulere spenningen. Den likerettede spenningen blir derettertransformert med en resonans DC-DC-omformer.[5] Denne operer i området 100-300kHzfor at laderen skal bli så kompakt som mulig. Ved så høy frekvens vil man kunne benytteen fysisk liten transformator. En annen fordel med høy frekvens er at det blir lettere åfiltrere ut harmoniske komponenter. Spenningen blir likerettet før den blir tatt ut somen nesten rippelfri DC-spenning. Figur 1 viser en prinsippiell skisse over virkemåten tilladeren.

4

Figur 1: Prinsippskisse av EV PowerCharger 3000

For at laderen skal fungere, er den avhengig av å ha et avansert kontroll- og over-våkningssystem av batteriet. Eltek Valere bruker et kommunikasjonssystem som heterCAN. Laderen er utstyrt med en mottakerenhet som får signaler fra en enhet på bat-teriet. 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 ivaretasikkerheten. Som nevnt under avsnitt 3.1 vil spenningen på batteriene plutselig stigeraskt. I dette tilfellet er det viktig at laderen kan regulere ned effekten hurtig slik atbatteriet ikke blir overopphetet. Når laderen mottar signaler om tilstanden til batterietvil en digital signalprosessor regne ut de nye signalene til transistorene, for å senke ellerøke 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 tilbilens kjølekrets. I testing er det derfor viktig å få avkjølt laderen, og en kjøleribbe ermontert.

For å simulere lading av elbilbatteriet ble en variabel høyeffektsmotstand brukt. La-deren er konstruert for å kommunisere med batteriet via en CAN-bus for å motta in-formasjon om batteriets tilstand under ladesyklusen, og justere ladeeffekten tilført bat-teriet deretter. Siden en vanlig ohmsk motstand ikke gir noen særlig informasjon omdens ladestatus, er et PC-program utviklet av Eltek Valere brukt for å erstatte dennekommunikasjonen. I programmet kan en i tillegg hente ut informasjon om strømmer ogspenninger inn og ut av laderen, samt temperaturer og alarmer om feil.

For å kunne se på hvordan laderen påvirker strømnettet, er formen på inngangsstrømstudert med oscilloskop via en Rogowskispole som har stor nok båndbredde til å kunneoppfatte eventuelle påvirkninger fra laderens raske svitsjefrekvens. Harmoniske kompo-nenter er målt med et nettanalyseapparat. En shuntmotstand ble også innkoblet i etforsøk på å studere formen på strømmen inn på laderen.

For sammenligning mot data oppgitt av Eltek Valere, er laderens effektivitet beregnetved forskjellige belastninger.

5 Resultater og diskusjon

5.1 Effektivitet

Med hjelp av et dataprogram utviklet av Eltek Valere, kunne forskjellige effekter kjørespå 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 ak-tiv effekt, men i målinger gjort med PC-programmet er alle de harmoniske komponentenelagt til grunn for RMS-verdien.

5.2 Tomgangsmåling

De første målingene som ble gjort var å måle tomgangsstrømmen til laderen. Dette blemålt 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 laderentrekker en tomgangseffekt på 92W. Tomgangseffekten er ikke så urealistisk når en tardet store effektpotensialet i betraktning. Effekten som dissiperes på tomgang går over tilvarme i resistanser, transistorer, kondensatorer og spoler.

5.3 Strømmåling på inngang

Måling av inngangsstrøm ved å se på spenningen over en shuntmotstand i serie medladeren viste seg å være vanskelig. Shunten hadde en motstand på 0,002Ω, og vil dermedgi 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 skyldessannsynligvis 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 shuntmot-stand.

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 Ro-gowskispole. Denne hadde båndbredde fra 3,5Hz - 17MHz og kunne dermed måle alle deinteressante komponentene av strømmen. Den ble hektet rundt en av fasene på inngangenog resultatet vises i figur 4. Rogowskispolen har et forhold mellom strøm og spenning på10mv/A som i følge figur 3 vil tilsi at inngangsstrømmen måtte være 4,52A. Dette er cahalvparten av hva den faktiske strømmen inn var og kan skyldes feil i probeinnstillingenepå oscilloskopet.

Figur 4: Strømmen laderen trekker fra nettet målt med Rogowskispole

Målingene i figur 4 viser et sinusformet signal med 50Hz som ved videre innzoomingviste 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 50Hzsignalet. Frekvensen til PFC-kretsen er 45kHz og det synes dermed naturlig at dennefrekvensen observeres på utgangen. Grunnen til at 45kHz er valgt som frekvens i PFC-kretsen er at denne gjør at den tredjeharmoniske blir under 150kHz som er grensen derkravet 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 atstrømmen ligger foran spenningen med ca 0,5ms. Dette betyr en faseforskjell på 9ogen ledende lastfaktor på 0,99. Effektfaktoren er svært bra og stemmer helt med oppgittverdi 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. Spen-ningen ble igjen målt med oscilloskop. Utgangssignalet viste seg å være svært høyfrekventmed veldig små variasjoner i amplitude. Rippel og støy ble målt til en topp til topp- verdipå 1,4V. Ved å tilnærme dette signalet som en trekantspenning kan RMS-verdien regnesut 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 blemålt 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 målingeneble 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 driftsyklusenøkte når en høyere utgangsspenning ble etterspurt via CAN-bussen. Svitsjefrekvensentil 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 attransistoren 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 ikkekunne gi ut en detaljert kretstegning, men ut fra den målte frekvensen er det naturlig åanta at denne transistoren sitter i lastfaktorkorreksjonskretsen.

5.7 Målinger av harmoniske komponenter

Et nettanalyseapparat ble brukt til å studere de harmoniske komponentene i inngangs-strømmen. Her ble en Ragowskispole brukt til å måle strømmen samtidig som spenningenved inngangen ble målt. Figur 11 viser nettanalyseapparatets plot av nettspennigen oginngangsstrømmen, 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 strømmenden måler. I dette tilfellet er den førsteharmoniske målt til klart dominerende. Målingenble gjort ved en nettstrøm på 4,6A og en spenning på 228V. De første 50 harmoniske ervist i søylediagram i figur 12. Diagrammet er forstørret i vertikal retning, for å lettere sede 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 gitti tabell 1. Det lyktes ikke å få riktig skalering på instrumentet, så de målte amplitude-verdiene er ikke korrekte. Total strøm er 4,6A.

Tabell 1: De 7 første harmoniske komponentene i nettstrømmen

Nr Avlest verdi (mA) Vinkel () Frekvens (Hz)

1 76.1 0 503 0,9 -177 1505 0,9 -104 2507 0,6 -118 3509 0,7 -160 45011 0,2 -150 55013 0,6 104 650

En ser av tabell 1 at de harmoniske synker veldig raskt og det er nesten bare denførsteharmoniske 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 visesat 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 åkoble inn for så å koble ut gjentatte ganger. Når lasten var koblet inn igjen måtte laderenkobles 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. Inær fremtid kan en si at det er ladeffekten som batteriene klarer å håndtere somer den begrensende faktoren. Ved høy effekt blir batteriene svært varme og kanogså eksplodere. Hvis en ser på hurtiglading i fremtiden kommer problematikkenrundt nettkapasiteten til å gjøre seg mye mer gjeldende. Hurtiglading av bilbatterierkrever svært store effekter, og når mange skal lade samtidig vil dette utgjøre enstor påkjenning på trafostasjoner og nett som per dags dato ikke er forberedt på åtakle 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 såhøy frekvens at de er lette å filtrere bort. Likeretteren lager likespenning til en DC-buss som så blir omformet til en vekselspenning med en frekvens på 150-300kHz.Denne høyfrekvente spenningen blir transformert opp med resonanstransformato-ren. Til slutt blir denne spenningen likerettet av en diodebro og glattet med enkondensator til en nesten rippelfri DC-spenning.

Det har i dette forsøket blitt vist at en ved hjelp av datamaskin, oscilloskop, Ro-gowskispole og en ohmsk motstand kan simulere lading av et batteri og etterprøveresultater fra databladet til EV PowerCharger 3000. Laderen var avhengig av åkommunisere med et batteri som lot seg simulere ved hjelp av en PC og program-vare utviklet av Eltek Valere. Effektiviteten som ble målt stemte godt overens medtallene i databladet og var høyest rundt 50% av topplast. Her ble den målt til97%, noe som er veldig bra. Strømmer, spenninger og maksimaleffekter var ogsåsom lovet. Inngangsstrømmens harmoniske har blitt analysert med et nettanalyse-apparat. Den tredjeharmoniske er den nest største harmoniske og var ca 2% avførsteharmoniske. Effektfaktoren har blitt bestemt ved å studere strøm og spen-ning i oscilloskopet og bestemt til 99% ledende som også er det samme som oppgittav 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 komplisertesimuleringer. En lading av et faktisk batteri vil være interessant, da laderen må arbeidedynamisk når batteriet lades opp og spenningen øker.

I forbindelse med hurtiglading, kan en simulere en oppkobling av flere slike moduleri 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 automotiveapplications. pages 1 –6, sep. 2008.

[2] A. Affanni, A. Bellini, G. Franceschini, P. Guglielmi, and C. Tassoni. Battery choiceand management for new-generation electric vehicles. Industrial Electronics, IEEETransactions on, 52(5):1343 – 1349, oct. 2005.

16

[3] EUROPEAN POWER SUPPLY MANUFACTURERS ASSOCIATION. Harmoniccurrent 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 21-October-2010].

[5] W. Robbins N. Mohan, T. Undeland. The Power Electronics: Converter, Applicationsand Design. Ed. Wiley, 2003.

[6] COMPUTER POWER and VICTOR A. RAMOS JR. CONSULTING CORPORA-TION. Treating harmonics in electrical distribution systems. http://www.cpccorp.com/harmonic.htm, 1999. [Nett; nedlastet 22-October-2010].

[7] Statistisk Sentralbyrå. Årlig elektrisitetsstatistikk. http://www.ssb.no/elektrisitetaar/tab-2010-05-26-01.html, 1989-2008. [Nett; nedlastet 20-October-2010].

[8] Eltek Valere. Datasheet ev powercharger 3000. http://www.eltekvalere.com/wip4/e-mobility/c/detail_product.epl?cat=17219, 2010. [Nett; nedlastet 22-October-2010].

17