Hvordan fungerer en elbil?

Hvad sker der teknisk set, når du oplader en elbil? Hvordan virker elbilens motor? Hvordan fungerer bremsesystemet, de elektriske kredsløb, og hvordan kan elbilens motor fungere som generator?

Er du nysgerrig på, hvordan elbilteknologien hænger sammen – og er du i forvejen ganske godt klædt på, når det handler om teknik – så læs med her, hvor vi går et spadestik dybere i vores tekniske forklaringer.

Er du nysgerrig på elbiler og opladning, men har du endnu ikke haft lejlighed til at lære de mange nye ord og tekniske termer at kende, eller foretrækker du bare den korte version i lægmandstermer, så kan du her på fdm.dk naturligvis også finde artikler til netop dig.

Læs mere: Bliv klogere på el- og hybridbil

Hvilken type strøm benytter elbiler og plugin-hybrider?

Uanset hvilken lademetode du bruger, så er det fælles for dem alle, at ladeboksen anvender vekselstrøm (AC), som er den samme strømtype, der er tilgængelig i vores almindelige el-net. Vekselstrøm kan dog ikke lagres i elbilens batteri. Batteriet i bilen oplagrer energi i en anden form, som kaldes jævnstrøm. Jævnstrøm forkortes med bogstaverne DC (DC står for Direct Current, det engelske ord for jævnstrøm). 

Hvordan laves strømmen om? 

I selve elbilen sidder der en lader, som også kaldes for OBC eller on board charger. Det er den lader, der sørger for at konvertere vekselstrømmen om til jævnstrøm, som elbilens batteri så oplades med. Man kan sammenligne processen med opladning af sine batteridrevne elektriske apparater i husstanden, bare i en noget større skala. Bilens teknik og laderens opbygning er afgørende for, hvor hurtigt og effektiv ladeprocessen er. Jo bedre lader i bilen, desto mindre energitab sker der i konverteringsprocessen. Al energien går ikke 1-til-1 ned i batteriet, da der sker et konverteringstab. Derudover kan der være behov for køling, og det koster også lidt energi.

Hvad kendetegner de elektriske kredsløb i en elbil og en plugin-hybrid? 

I en elbil og en plugin-hybrid fungerer det meste udover drivlinjen (det der får bilen til at køre) på et lavvolts batteri på 12V, som også er det bilbatteri, du kender fra fx benzin- og dieselbiler. Dette batteri oplades ikke særskilt af en separat generator eller lader, men får strøm via den såkaldte DC-DC converter. Den sørger for at supplere 12V-batteriet fra bilens højvoltsbatteri. Det elektriske forbrug i elbilen eller hybridbilen til sædevarme eller ventilationen leveres altså oprindeligt fra højvoltsbatteriet, og det er derfor, at du må forvente, at et højt forbrug forkorter rækkevidden.

Disse lavvoltsbatterier kan også være af Litium Ion typen, og nogle producenter lægger lavvoltsbatteriet i forlængelse af højvoltsbatteripakken som en kombineret højvolt/lavvolt batteripakke.

Hvordan kan du oplade din elbil hjemme?

Du kan AC-lade din elbil eller plugin-hybrid på tre forskellige måder:

• Nødladerkabel som bruges i en almindelig stikkontakt med 230V.
• Ladeboks med 230V over 1 fase.
• Ladeboks via 400V over 3 faser.

Der er primært ladehastigheden, der er den afgørende forskel. Generelt er det sådan, at jo større effekt laderen kan levere, desto stærkere går det med at lade op. Dog skal bilen og ladeboksens specifikationer matche hinanden for at få den optimale ladeløsning til netop din bil. 

Læs mere: Sådan finder du billigste type ladeløsning for dig

Hvornår må du bruge nødlader til elbil? 

Nødlader-kablet kan bruges i den almindelige stikkontakt, og mange elbiler og plugin-hybrider leveres kun med dette kabel. 

Tidligere var der ikke overvågning af ladekablet, men i dag er dette ladekabel udstyret med en styreboks imellem stikket i bilen og stikket i vægkontakten - kaldet ICCB. Styreboksen sørger for at overvåge sikkerheden under opladning bl.a. ved brug af temperaturovervågning.

Det kan i nogle tilfælde være muligt at regulere ladeeffekten mellem 6-16 ampere eller op til 3,7 kW. Nødladerne, som leveres med bilerne, leverer ofte en højere effekt end det, Sikkerhedsstyrelsen anbefaler. Ifølge Sikkerhedsstyrelsen bør opladning af elbil eller plugin-hybrid ved anvendelse af nødlader i kombination med en almindelig stikkontakt ikke ske med en strømstyrke, som er højere end 6 ampere i mere end 2 timer.

Det mest sikre er at lade med 6 ampere i så kort tid som muligt. Husk også at understøtte (løfte) styreboksen på ledningen, så vægten fra den ikke ødelægger stikkontakten, da styreboksen kan være tung.

FDM anbefaler, at opladning af elbil eller plugin-hybrid sker via en dedikeret installation. Her skal du have en separat sikringsgruppe med fejlstrømsafbryder og kabler med en godkendt tykkelse, som er trukket direkte fra din eltavle til en industrikontakt. Det er vigtigt, at kablerne ikke er samlet undervejs, og at stikkontakten er lavet til langvarig brug. Almindelige stikkontakter kan ikke tåle varmeudviklingen ved ladning af en elbil eller plugin-hybrid.

Man må under ingen omstændigheder bruge forlængerledning eller kabeltromle.

Kontakt en autoriseret elektriker for at undersøge mulighederne.

Læs mere: Det skal du vide om nødladeren

Hvorfor skal du vælge en intelligent ladeboks?

FDM anbefaler, at opladningen af elbil og plugin-hybrid sker via en ladeboks, som installeres i husstanden på en separat gruppe. Bilens og ladeboksens specifikationer skal matche hinanden for at opnå den hurtigste ladeløsning.

Du bør overveje en intelligent ladeboks, da du på den måde kan handle strømmen på tidspunkter, hvor den er billigst og på den måde kan du spare penge. 

Hvor hurtigt kan du lade elbilen op?

Ladetiden er en væsentlig faktor for mange ejere af elbil og plugin-hybrid. Der er flere faktorer, som er afgørende for, hvor hurtigt du kan oplade din bil.

• Ladeboksens tekniske egenskaber
• Laderens (OBC) tekniske egenskaber.
• Batteriets temperatur
• Batteriets ladetilstand og balancering
• Batteriets størrelse (antallet af kWh, det kan rumme)

Som tommelfingerregel kan man køre ca. 5 km pr kWh eller 200 Wh pr. km.

Det betyder eksempelvis, at du med en 11 kW lader på 1 time kan oplade til 55 km kørsel. Med en hurtiglader på fx 50 kW kan du tilsvarende på 1 time oplade til 250 km kørsel. 

Hvordan beregner du ladetid for batteriet?

Batterikapacitet på både elbil og plugin-hybrid er vigtig for dens rækkevidde og brugbarhed. Det er derfor vigtigt, at du kender til batteriets kapacitet. Da udviklingen går stærkt, så kan der være stor forskel på to identiske bilers batterier og dermed også deres rækkevidde. Størrelsen på batteriet angives på el/hybridbiler i kilowatt timer (kWh).

Sådan kan du udregne ladetiden for et batteri:

Batteri: 
Din bil har eksempelvis et batteri på 40kWh 

Ladeboks:
Ladeboksens effekt og bilens lader ( OBC) afgør, hvor hurtig opladningen sker. Boksens ladeeffekt angives i 1/3 faser, antal ampere og kilowatt (kW). Denne boks har eksempelvis en ladeeffekt på 11 kW

Udregning:
For at finde ud af hvor hurtig du kan oplade batteriet (teoretisk og under optimale forhold), så tager man batteriets størrelse angivet i kWh og dividerer med antallet af kW, som laderen kan lade med.

Regnestykket ser dermed således ud: batteri 40 kWh / ladeeffekt 11 kW = ca. 3,60 timer  

Denne beregning er dog teoretisk, da opladningstiden afhænger af bl.a. batteriets ladetilstand, temperatur (batteriet) og cellebalancering som BMS´en (battery management systemet) varetager. Derudover kan der være et ladetab, som også påvirker opladningstiden.  

Hvilke typer ladestik findes til elbiler? 

Der findes i dag tre gængse ladestik typer:

• Type 2
• CCS-Combo hurtigladestik
• CHAdeMO hurtigladestik

Hvad er et Type 2-stik?

Type 2-stikket er det moderne og mest gængse ladestik på både elbiler og plugin-hybrid i Europa. Type 2-stikket bruges til at oplade elbil og plugin-hybrid via vekselspænding, og kan håndtere opladning med 230V-1fase eller 400V-3 faser.

Stikket består af han/hun stik og kan anvendes på de fleste ladestandere. En del ladebokse har dog et integreret stik, som er en fast del fra ladestanderen.

Type 2-stikket har 7 stikben: 

• PP – Proximity Pilot 
• CP - Control Pilot 
• PE – Protective Earth
• N – Neutral (nul leder)
• L1, L2, L3 – de 3 faser 

Stikkets ben anvendes således under opladning:

Ved opladning via 1 fase anvendes pin N og L1. 

Ved opladning via 3 faser anvendes N og de 3 faser går via L1, L2 og L3. 

Ved opladning registrerer bilen at ladekablet sættes i bilens ladeport. Dette sker gennem CP og PP linjen. Stikket låses derefter fast med en mekanisk lås, som sidder i bilens ladeport og ladeboksen.

CP-kontakten i bilens ladeport er indrettet således, at det er den første kontakt, der slipper ladekablet, hvis det trækkes ud. Dette er en sikkerhedsfunktion, der sikrer, at stikket er i indgreb og hvis CP-linjen afbrydes, stopper opladningen prompte for at forhindre, at der dannes en lysbue (elektrisk udladning).

Ladeboksen og bilens BMS (Battery Management System) kommunikerer via PWM signaler (pulsvidde modulation) på CP-linjen. Bilen og ladeboksen/ladestanderen registrerer hinanden og udveksler data om den tilgængelige ladeeffekt, om der skal lades, og i så fald hvor meget der skal lade med. Hvis ikke der er fejl, accepterer BMS´en at opladningen går i gang, og der kan nu leveres AC vekselspænding fra ladeboksen til bilens lader og batteriet kan nu oplades. Når ladeprocessen er ved at være slut, så beder BMS´en ladeboksen eller standeren om at stoppe opladningen, vekselspændingen afbrydes, og opladningen stopper. Opstår der fejl på stikket, eller andre fejl i strømkredsen mellem bil og ladeboks, så ophører opladningen automatisk.

PP-linjen sørger for, at der ikke trækkes en større strøm end kablet kan håndtere. Desuden sørger den for, at bilen ikke kan køre, mens stikket sidder i.  

Hvad betyder CCS-Combo? 

CCS-Combo (Combined Charging System) er en videreudvikling af Type 2 stikket.

En del af de store tyske bilproducenter har udarbejdet denne standard for hurtigladning. Man kombinerer Type2-stikket, som bruges til AC-opladning, med mulighed for hurtigladning via DC. 

De 3 stikben i Type 2-delen af stikket bruges til kommunikation via analoge signaler eller PLC (Power Line Communication) og sikkerhed mellem bil og lader. Som tillæg er stikket udbygget med to store stikben nederst til levering af en højeffekt DC ladning på 50-350 kW.

Stikket har som Type 2-stikket hul til mekanisk låsning. Låsen sider i bilens ladeport, og stikket kan ikke trækkes ud, før BMS'en godkender en strømløs tilstand.

Hvad er CHAdeMO?

CHAdeMO er udviklet af en japansk sammenslutning af bilproducenter, som har udviklet denne standard for hurtigladning via DC (jævnstrøm).

Stikket har 10 stikben og anvender en særlig standard kommunikationsprotokol som både anvender analoge- og CAN-signaler. Typisk leveres der op 50 kW, men effekten er stigende.

De otte af benene bruges til kommunikation og de to store stik anvendes som DC+ og DC -. 

Stikket har en mekanisk krog, som er elektrisk låst, og der åbnes ikke for låsen, før BMS'en godkender en strømløs tilstand.

Hvordan hurtiglader du elbilen på farten?

Når du er på farten, eller når tiden er knap, er der i en del elbiler mulighed for at hurtiglade. Til formålet anvendes et andet stik end Type 2-stikket (bortset fra Tesla). Alt efter bilmodel vil du skulle bruge CCS-Combo eller CHAdeMO.

Hurtigopladningen foregår udenom bilens lader (OBC), men stadigvæk via kommunikation med bilens BMS-system. Grunden til, at man kan gå udenom laderen er, at DC-ladeboksens udgang leverer jævnstrøm (DC), hvilket betyder, at bilens lader (OBC) ikke behøver at konvertere strømmen fra vekselstrøm til jævnstrøm. Man sparer dermed 'mellemleddet' og kan levere strømmen direkte ned i batteriet.

Laderen er altså placeret uden for bilen til forskel for almindelig opladning via vekselstrøm (AC). Det er dog altid BMS-systemet, som bestemmer, hvor stor en ladeeffekt, bilen kan modtage. Så selvom DC-laderen eksempelvis kan levere op til 150 kW, så lades der ikke kraftigere på batteriet, end det kan klare.

I de fleste tilfælde kan elbilerne ikke håndtere mere end 50 kW, men effekten stiger med udviklingen af bilerne.

Hvad er Tesla Type 2-stik?

Tesla Type 2 'Tesla Supercharger' DC -opladning (kun til Tesla). Til forskel fra andre elbilproducenter bruger Tesla i deres supercharger anlæg i Europa et særligt stik, der er udformet som et Type 2-stik. Stikket anvendes til at lade med jævnstrøm med en effekt på op til 120 kW. I stikket anvendes de 3 faseledere og N som DC stikben. Altså to ben til DC + og to ben til DC -. Man kan ikke anvende Teslas Supercharger anlæg, hvis ikke man har en bil fra Tesla, og ladekablet er en integreret del af DC-laderen. Stikket låses på samme måde som et almindelig Type 2-stik.

Tesla Model 3 understøtter som den første det europæiske CCS-Combo stik. 

Hvordan kan motoren på elbilen fungere som generator?

Det smarte ved elektriske motorer er, at man med den rette elektroniske opbygning og styring kan anvende dem som generatorer. Når den elektriske motor anvendes som motor, sender man strøm ned igennem motoren. På den måde omdanner man elektrisk energi til mekanisk energi, som driver bilen frem.

Når den elektriske motor anvendes som generator, er det faktisk det modsatte, der sker. Man bruger den mekaniske energi i motorens rotor (den bevægende del i motoren) til at påvirke magnetfelterne i motorens stator (den statiske del i motoren), der så omdanner mekanisk energi til elektrisk energi, som sendes retur til batteriet.

Det er inverter/converterens opgave at sørge for denne proces, da den står for at skifte mellem jævnstrøm og vekselstrøm.  

Når man skal bruge motoren, skal jævnstrøm omdannes til vekselstrøm. Når der bremses, sker det modsatte. Her bliver vekselstrøm omdannet til jævnstrøm, når der trædes på bremsepedalen.   

Hvordan fungerer bremsesystemet i en el- og hybridbil?

Når du træder på bremsen i en el- eller hybridbil, er det ikke helt det samme, der sker, som når du træder på bremsen i en konventionel bil. I el- og hybridbiler bruger man den elektriske motor til at bremse køretøjet. På den måde kan man genanvende noget af energien, som ellers ville gå til spilde som varme og friktion i bremserne. Derfor slides bremser mindre på el- og hybridbiler. 

Udover den hydrauliske del, som vi kender det på de konventionelle biler, er der også en hel del elektronik i bremsesystemet i dag. Man har udformet og udført bremsesystemet på en sådan måde, at føreren ikke mærker overgangen fra E-motorbremsen til det hydrauliske bremsesystem.

Der sidder i hovedcylinderen nogle kamre, fjedre og tryksensorer, som simulerer bremsetrykket, så føreren får en fornemmelse af en normal nedbremsning. Bilen fordeler altså bremsningen alt efter bilens hastighed, lade-tilstand på højvoltsbatteriet, bremsetryk samt friktion og bringer køretøjet til standsning.

Denne nedbremsning kan næsten foregå med E-motoren alene, så snart magnetfelterne i E-motoren er opbygget, men ved behov for kraftigere nedbremsning bruges E-motoren i kombination med det hydrauliske system. Det betyder, at der sidder et mere komplekst bremsesystem i el- og hybridbiler i forhold til konventionelle biler.

Hvordan vil fremtiden være for opladning af elbiler?

I fremtiden vil bilerne blive opladet via såkaldt induktiv ladning eller kontaktløs opladning. Ligesom nogle mobiltelefoner allerede er det i dag, så vil bilens bund være specielt konstrueret til at kunne omdanne elektromagnetisme til jævnstrøm, som så lagres i højvoltsbatteriet. Når teknologien bliver mere effektiv vil denne kontaktløse opladning lette brugen af bilen for brugeren. Man stiller bare bilen over en slags plade, og opladningen vil gå i gang.