Innledning
Elbiler er kommet for å bli og det blir stadig flere av dem; fremtiden er elektrisk også på veiene våre.
Dette kan kanskje gi noen utfordringer for den bilinteresserte som skriver (eller leser) om elbiler siden dette fagområdet nå inneholder mange nye ord og begreper.
Her følger derfor et lite forsøk å hjelpe til, fra en bil&motor-interessert elektroingeniør… (skulle vel være en grei kombinasjon, det). Merk at dette ikke er en lærebokartikkel i elektroteknikk, men en (forhåpentligvis) enkel forklaring på noen av de mange nye ord og begreper du nå må forholde deg til som bil&motorjournalist.
Generelt om elektrisitet
Elektrisitet beskrives av noen grunnleggende fysiske enheter og karakteristikker som strømstyrke, spenning, effekt, elektrisk motstand, energimengde, like- eller vekselstrøm, osv., og vi skal ta disse etter hvert og si litt om hvordan vi skal forstå dem når vi snakker eller skriver om elbiler.
Før vi starter, en liten bønn fra en elektroingeniør: Forsøk i det lengste å holde styr på store og små bokstaver i disse enhetene, f.eks. kW for kilowatt. Prefikset liten k betyr alltid kilo, og fysiske enheter som er oppkalt etter en person (Watt, Volt, Ampére, Newton, Siemens, Tesla, m.fl.) skrives med store bokstaver. Vi vil helst ikke se Kw når du mener kW. Det du skriver vil fremstå som et hakk mer profesjonelt for mange av oss dersom du greier å håndtere dette…
Ord og begreper
Strømstyrke
Dette kalles også ofte for strøm men vi bruker heller det begrepet for å beskrive konseptet som helhet, f.eks. bilen går på strøm, vi bruker strøm til oppvarming. Strømstyrke forteller hvor mange elektroner som passerer gjennom et punkt i en kabel hvert sekund, dvs. hvor mye elektrisitet vi sender gjennom en leder eller inn på eller ut av et batteri, inn i en motor, osv. Strømstyrke måles i Ampére og forkortes A. I formler bruker vi symbolet I om strømstyrken.
Spenning
Dette er egentlig potensialforskjellen mellom lederne i kabelen vi bruker, viklingene på elmotoren, eller mellom pluss- og minuspolene på batteriet. Spenning angis i Volt og forkortes V. Vi kjenner begrepet fra andre ting rund oss; lysnettspenningen i huset ditt er 230 V, en vanlig battericelle (brunstensbatteri) er 1,5 V mens en celle i et litium-ion-batteri er på 3,6 V. I formler bruker vi som oftest symbolet U om spenningen. For å oppnå ønsket spenning i et batteri kan vi koble mange celler i serie, f.eks. 111 Li-ion-celler for å få 400 V i et elbilbatteri eller 6 brunstensceller til 9 V i et batteri til en røykvarsler. Samtidig kobler vi mange celler i parallell for å oppnå ønsket lagringskapasitet angitt i kWh (to celler i parallell gir dobbelt lagringskapasitet).
Effekt
Effekt er produktet av strøm og spenning og er et annet av de sentrale begrepene. Effekt måles i Watt, W og i vår sammenheng i kW (kilowatt, 1000 watt). I formler bruker vi P om effekt.
Effektloven sier at effekten er produktet av strøm og spenning, eller P = U * I. Da ser vi at vi kan oppnå ønsket effekt ved ulike kombinasjoner av strøm og spenning. Lenger nede forklarer vi hva elektrisk motstand har å si for strømstyrke og tap i en ledning.
Effekt beskriver f.eks. ytelsen til en elmotor (også forbrenningsmotorer), den sier noe om hvor sterk motoren er eller hvor mye den yter. Her skjønner vi at det er sammenheng mellom de ulike komponentene i en elbil: For å lade batteriet med en gitt effekt må laderen kunne levere minst samme effekt (pluss tap), og for at elbilmotoren skal kunne yte et antall kW må batteriet og styringselektronikken kunne levere minst samme effekt.
Det som er viktig å huske for å skille begrepene fra hverandre er at effekt er et uttrykk for en øyeblikksverdi av noe, da er det lettere å unngå å blande samme effekt og energimengde (se senere).
Noen eksempler: Hvis vi kobler en elbillader til stikkontakten i veggen hjemme får vi 230 V og 10 eller 16 A (vanlig kontakt/støpsel), dvs. at laderen kan trekke maksimalt 2,3 eller 3,6 kW fra vegguttaket før sikringen ryker. I praksis vil laderen ikke trekke mer enn ca 14 – 14,5 A av de tilgjengelige 16 A for ikke å overbelaste elnettet ditt som vanligvis ikke er laget for kontinuerlig maksimal strøm. I dette eksemplet snakker vi om såkalt 230 V IT-nett 1-fase som fortsatt er vanligst i de aller fleste hus, mens 400 V TN-nett 3-fase som er standarden i dag med mulighet for 3-fase-tilkoblinger vil gi mulighet for opptil 22 kW lading der strømmen fordeles mellom de tre fasene.
Enheten kilowatt har også i mange år nå formelt vært måleenheten for effekt fra forbrenningsmotorer og er den som oppgis i f.eks. vognkortet til en bil, selv om jeg og mange andre fortsatt foretrekker hestekrefter eller horsepower. En fordel med å bruke kW er at vi da har en felles enhet for både metriske og britiske miljøer siden metriske HK/PS ikke er helt lik britiske HP, (se mer på konradWeb).
Kapasitet – energimengde
Her snakker vi f.eks. om lagringskapasiteten i et batteri, og det er samme begrep som du ser som f.eks. forbruk siste måned på strømregningen din. For elektrisk energi bruker vi som oftest begrepet kWh (ev. kWt på norsk) som betyr kilowatt-time. Vi forstår at dette er produktet av gjennomsnittseffekten og tiden vi bruker denne effekten. Strømmen du kjøper fra leverandøren din koster deg et antall øre pr kWh/kWt. En varmeovn hjemme som trekker 2000 W i 1 time forbruker 2 kWh.
Når det gjelder energimengde passer det bra å skyte inn for de som leser ferskenfargede aviser at man der irriterende ofte skriver kW/h (kilowatt pr time) som med respekt å melde bare er tullprat uten mening. Mange fagfolk har forsøkt mange ganger å få dem til slutte med det, men dette vet de åpenbart bedre enn landets el-ingeniører av ulike slag… Dette tullebegrepet ønsker vi helt klart ikke å se i stoff som du skriver, da er det i praksis over og ut med det profesjonelle inntrykket du forhåpentligvis ønsker å gi.
Et sentralt begrep innenfor elbil er jo størrelsen på batteripakken i betydningen hvor mye energi kan jeg lagre der og ta med meg ut på kjøretur, og den måler vi altså i et antall kWh. Ut fra denne kan vi altså si noe om ladetiden (med gitt effekt) og kjøretiden (med gitt gjennomsnittsforbruk). Hele tiden må vi korrigere for tap i ledninger og elektronikk og batterier, samt det faktum at vi aldri kan lade eller tømme et batteri 100 %, i alle fall ikke når det har vært brukt en tid.
Elektrisk motstand
Det siste sentrale begrepet vi må forstå er elektrisk motstand (kalles ofte bare motstand eller resistans). Denne måles i Ohm, Ω, og er et uttrykk for den motstanden(!) som ledermaterialet i en elektrisk kabel yter mot overføring av strøm. (Det motsatt begrepet blir «ledningsevne» som måles i Siemens, S, men det brukes i bare liten grad).
Alle ledermaterialer har en gitt motstand (sa ser vi bort fra såkalte superledere); kobber er mest brukt siden det har en grei kombinasjon av ledningsevne og kostnad (sølv og gull er mye bedre ledere…). Det viktige her er at motstanden er en kombinasjon mellom materialet og tverrsnittsarealet i lederen; motstanden i en kabel øker med økt lengde på kabelen men minsker med økt tverrsnitt. Når vi vet at motstanden gir (effekt)tap i overføringen forstår vi at det er derfor vi bruker tykke kobberledere når vi skal overføre store strømmer.
Her bør vi legge til at motstand/resistans forklart på denne måten er en forenklet fremstilling; for vekselstrøm snakker vi om impedans (vekselstrømsmotstand) og da kommer det ting som fasevinkel og frekvens inn i bildet, men det trenger vi ikke å bry oss om i denne sammenhengen.
Dette med tap i ledningen er også bakgrunnen for at vi bruker høyspenning i kraftoverføringsnettene; når vi transformerer opp spenningen kan vi overføre ønsket effekt med mindre strøm og dermed få mindre tap.
Et enkelt regneeksempel: Batteriet i en Tesla Model S 100D har en spenning på 400 Vdc og kan levere kortvarige effekter på 450 kW, det gir en maksimal strøm på over 1,1 kA og inverteren/kraftelektronikken er derfor dimensjonert for min 1,2 kA (1200 A). En slik høy strømstyrke gir mye varmetap både i ledninger og i elektronikken som styrer motoren. I praksis må alle komponenter i en elbil som håndterer høye spenninger og store strømstyrker kjøles ned med ulike former for væskekjøling, men disse tapene er fortsatt mye mindre enn for biler med forbrenningsmotorer.
Likestrøm eller vekselstrøm
Dette er det også viktig å holde rede på. Likestrøm har en pluss- og en minuspol og strømmen går gjennom en brukerkrets (batteri, elmotor, lyspære, etc.) fra pluss til minus (tradisjonell forståelse av strømretningen). Vi kjenner dette fra batteriene som bare kan lagre likestrøm og det er viktig å vite.
Vekselstrøm skifter polaritet (minus til pluss til minus, osv) mange ganger i sekundet, antallet er det vi kaller frekvensen og angir i Hertz, Hz. Frekvensen i kraftnettet i f.eks. Europa er 50 Hz mens den i f.eks. USA er 60 Hz. Det fine med vekselstrøm er at vi kan transformere spenningen opp eller ned på en enkel måte. Den strømmen du har i stikkontakten din har gjerne startet som typisk 25 kV i en generator i en kraftstasjon, den har gjerne vært transformert opp flere ganger til 300 eller 420 kV i transmisjonsnettet, ned til 132 kV i regionalnettet og videre ned til 22 kV i distribusjonsnettet og til 230 V i huset ditt (400 V hvis du har moderne såkalt TN-nett med fire-/femleders inntak).
Ulempen med vekselstrøm er at den ikke kan lagres i et batteri. Derfor trenger vi en likeretter som konverterer vekselstrømmen til likestrøm før lading av batteriet. Denne likeretteren sitter i ombordladeren i elbilen eller den kan sitte i ladestasjonen hvis denne kan levere likestrøm ut (noen hurtigladere kan det).
Her bruker vi som oftest de engelske begrepene Direct Current – DC, og Alternating Current – AC og vi henger disse på V og A som f.eks. 230 Vac eller 400 Vdc for å angi om spenningen er veksel- eller likestrøm.
Konvertering fra AC til DC og vise versa
Vekselstrøm må altså konverteres til likestrøm før lading av batterier og det skjer ved bruk av en likeretter. En mobillader med USB-utgang f.eks. inneholder en liten trafo og en likeretter som gir deg 5 Vdc fra vegguttakets 230 Vac. Dette gjør vi altså alltid når det vi skal levere strøm til, enten det er en mobillader eller en elektrisk motor eller et batteri, må ha likestrøm.
Hvis vi skal drive f.eks. en AC-motor fra et batteri må likestrømmen derimot konverteres til vekselstrøm. Da må vi bruke en vekselretter, kalles ofte for en inverter. Denne er mer komplisert fordi den må bygge opp vekselstrømmen (på en noenlunde ryddig måte) som f.eks. en vekselstrømsmotor må ha for å fungere. Denne konverteren er en viktig del av motorens styringselektronikk som også kontrollerer frekvensen og strømstyrke/spenning som sendes til motoren for å regulere hastigheten.
Selv om du eventuelt lader med likestrøm må du allikevel ha en likestrømskonverter (DC/DC) i bilen din for å kunne strømforsyne vanlig brukerutstyr i bilen som f.eks. lysutstyr, radio/CD-spiller, osv som trenger 12 Vdc.
Motortyper, AC- eller DC
Da elbiler (igjen) begynte å dukke opp på markedet for noen tiår siden var det vanlig med DC-motorer med børster/kommutatorer for overføring av strøm til viklingene i rotoren trolig først og fremst fordi det var slike motorer som var tilgjengelige i aktuelle størrelser (fra gaffeltrucker o.a.). Disse har noen svakheter, f.eks. må børstene byttes av og til pga slitasje og de kan også gi opphav til radiostøy ved dårlig kontakt. Moderne motorer er børsteløse DC-motorer og såkalte AC synkronmotorer og det ser ut til at AC-motorene blir mer og mer vanlige. Hastigheten på en DC-motor styres av strømstyrke/spenning som den får fra elektronikken som leverer strømmen. AC-motorens hastighet styres etter frekvensen på vekselstrømmen som sammen med strømstyrke og spenning kontrolleres av styringselektronikken (inverteren).
En viktig fordel med moderne elmotorer er at de kan brukes som generator ved bremsing. Det er det vi kaller regenerativ bremsing som altså produserer strøm som mates tilbake til batteriene. En Tesla Model S 100D kan f.eks. levere opptil 60 kW i regenerativ modus. Dette er altså effekt (og energi) som ellers ville gått til varme- og slitasjetap i bilens bremser.
Her kommer det mer stoff etter hvert…
Ladesystemer og ladestandarder
Også her kommer det mer stoff etter hvert…