Hoe werkt een laadstation voor elektrische auto's? Het werkingsprincipe (AC, DC, veiligheid)

Wanneer u een elektrische auto op het net aansluit, begint er eigenlijk een complex maar zeer geordend proces: de auto en het station herkennen elkaar, er wordt besloten hoeveel stroom er mag worden opgenomen, de veiligheidscontroles worden uitgevoerd en pas daarna gaat de energie stromen. In dit artikel leggen we het werkingsprincipe van een laadstation voor elektrische auto's van begin tot eind uit, technisch maar begrijpelijk.

Het korte antwoord: een EV-laadstation is een gecontroleerde schakel die de stroom uit het net veilig naar de auto overbrengt. Het station en de auto communiceren voortdurend; het station stuurt de energie, bewaakt de beveiligingscircuits en beheert de autorisatie. Het eigenlijke 'slimme' werk schuilt in hoe de energie wordt omgezet en hoe die veilig wordt gehouden.

Wat is de basistaak van een laadstation?

Een veelvoorkomend misverstand is dat de lader de accu rechtstreeks 'vult'. Bij AC-laden (wisselstroom) is het station in wezen een gecontroleerde schakelaar en een veiligheidseenheid: het voert de netspanning naar de auto, meldt hoeveel stroom er mag worden opgenomen en schakelt het circuit af zodra er een probleem is. Het eigenlijke omzetten doet de eenheid in de auto. Bij DC-snelladen (gelijkstroom) gebeurt het grootste deel van de omzetting daarentegen binnen in het station.

Een EV-laadstation heeft dus drie basistaken: (1) veilig communiceren met de auto, (2) de juiste en veilige hoeveelheid energie overbrengen en (3) zorgen voor autorisatie en, waar nodig, beheer op afstand.

Hoe communiceren auto en station? (Control Pilot / het pilotsignaal)

Voordat het laden begint, 'praten' de auto en het station met elkaar. Bij de aansluitingen Type 2 en CCS2 staat de Control Pilot (CP), oftewel het pilotsignaal, centraal in die communicatie. Via de pilotlijn bevestigen het station en de auto dat ze met elkaar verbonden zijn en komen ze overeen hoeveel ampère er is toegestaan.

De werking is kort samengevat als volgt: het station stuurt een signaal over de pilotlijn. Zodra de auto wordt aangesloten, verandert die het signaal om toestanden als 'ik ben verbonden' en 'ik ben klaar om te laden' door te geven. Het station geeft de auto via de vorm van het signaal de maximale stroomgrens door; de auto neemt vervolgens naar gelang de capaciteit van zijn eigen onboard charger een waarde onder die grens op. Zo wordt vanaf het begin voorkomen dat er meer stroom wordt opgenomen dan de kabel of het station kan dragen.

Bij DC-snelladen komt er bovenop die basissignalering een geavanceerdere digitale communicatielaag bij. De auto en het station delen seconde na seconde voortdurend gegevens zoals de accuspanning, de temperatuur, het beoogde laadniveau en de momentane stroomvraag. Het station stelt zijn uitgangsspanning en -stroom op basis van die gegevens continu bij.

Nabijheidsdetectie (proximity) en kabelherkenning

Naast het pilotsignaal is er in de meeste systemen ook een nabijheidssignaal (proximity). Dankzij die lijn kan het station vaststellen dat de kabel werkelijk is aangesloten en welke stroomgrens bij de gebruikte kabel hoort. Een kabel van 16A wordt bijvoorbeeld anders herkend dan een kabel van 32A en het systeem stelt de grens daarop af.

De AC-route: de omzetting gebeurt in de auto (onboard charger)

De meeste wandladers (wallboxen) thuis en op het werk laden met AC. De wisselstroom uit het net wordt via de kabel rechtstreeks naar de auto gevoerd. De accu van de auto wordt echter met gelijkstroom (DC) gevuld. Precies daar komt de 'onboard charger' (de laadeenheid in de auto) in beeld: die zet de binnenkomende AC om naar DC en voedt de accu met de passende spanning.

Daarom wordt de bovengrens van de AC-laadsnelheid meestal niet door het station bepaald, maar door de capaciteit van de onboard charger van de auto. Ook als het station 22 kW kan leveren, laadt een auto met een onboard charger van 11 kW in de praktijk met 11 kW. Bij AC-laden kan er met een eenfasige of driefasige aansluiting sprake zijn van een vermogen van 7,4 kW tot 22 kW.

De AC-wallboxmodellen van Bemis E-V Charge (7,4–22 kW, Type 2) en de Type 2-laadkabels werken precies op die AC-route: het station voert de AC-energie veilig en gecontroleerd door en de auto neemt de omzetting voor zijn rekening.

De DC-route: de omzetting gebeurt in het station (snelladen)

Bij DC-snelladen draait de logica om. Om niet tegen het beperkte vermogen van de onboard charger aan te lopen, wordt het omzetten uit de auto naar binnen in het station verplaatst. In DC-snellaadunits zoals CCS2 zetten de krachtige omvormers in het station (gelijkrichters/vermogensmodules) de AC van het net met hoog vermogen om naar DC en leveren ze die gelijkstroom rechtstreeks aan de accu.

Omdat de onboard charger buiten spel staat, kunnen er bij DC-laden veel hogere vermogens worden bereikt; daarom worden DC-stations 'snelladers' genoemd. De auto zegt hier voortdurend tegen het station 'ik wil zoveel spanning en stroom'; het station beantwoordt die vraag met zijn eigen vermogensmodules en stelt de uitgang bij op de momentane toestand van de accu.

• AC-laden: het station voert AC door, de onboard charger in de auto doet de omzetting. De vermogensgrens wordt meestal door de auto bepaald.
• DC-laden: de omvormers in het station zetten AC om naar DC en leveren die rechtstreeks aan de accu. Een veel hoger vermogen is mogelijk.
• Type 2: de standaardaansluiting voor AC-laden in Turkije en Europa.
• CCS2: de standaard voor DC-snelladen in Turkije en Europa; werkt met de twee DC-pinnen die onder de Type 2-aansluiting zijn toegevoegd.
• kW is vermogen (snelheid), kWh is energie (de opgeslagen of overgebrachte hoeveelheid).

Bij AC-laden doet de onboard charger in de auto de omzetting; bij DC-laden doet het station dat. De eigenlijke taak van het station is in alle gevallen de energie veilig en gecontroleerd over te brengen.

Hoe wordt de veiligheid geregeld? (beveiliging, aarding, vergrendeling van de aansluiting)

Omdat er tijdens het laden hoog vermogen in het spel is, is veiligheid het meest cruciale onderdeel van een EV-laadstation. Binnen het werkingsprincipe zit beveiliging in meerdere lagen.

De aardlekbeveiliging onderbreekt de energie onmiddellijk zodra er in het circuit een ongewenste lekstroom (bijvoorbeeld een isolatiefout) wordt gedetecteerd en voorkomt zo het risico van een elektrische schok. De aarding biedt de lekstroom bij een fout een veilige weg en voorkomt dat oppervlakken zoals de behuizing onder spanning komen te staan. Het station bewaakt daarnaast situaties als overstroom en oververhitting; wordt er een afwijking vastgesteld, dan stopt het laden.

Ook de vergrendeling van de aansluiting hoort bij de veiligheid: terwijl het laden doorgaat, wordt de stekker door het station of door de auto vergrendeld. Zo wordt voorkomen dat de kabel per ongeluk wordt losgetrokken terwijl er energie stroomt; de vergrendeling gaat pas open wanneer het laden veilig is beëindigd. Aan de kant van de fysieke robuustheid geeft beschermingsgraad IP65–IP66 aan dat de unit tegen stof en water bestand is en geschikt is voor omstandigheden buiten; de CE-markering geeft aan dat het product aan de betreffende Europese conformiteitseisen voldoet.

Wat bewaakt het station voortdurend tijdens het laden?

• Dat de verbinding met de auto via het pilotsignaal voortdurend in orde blijft
• Of de opgenomen stroom binnen de overeengekomen grens blijft
• Of er sprake is van lekstroom, kortsluiting of een aardingsfout
• De temperatuurwaarden (stekker, kabel, vermogensmodules)
• Dat de vergrendeling van de aansluiting gedurende het hele laden gesloten blijft

Autorisatie: wie start het laden? (RFID / app / OCPP)

Thuis kan de meeste wallboxen zo worden gebruikt dat het laden begint zodra de auto wordt aangesloten. In gedeelde ruimtes, op werkplekken en bij openbare stations wil men daarentegen dat het laden door bevoegde personen wordt gestart. De gangbaarste methoden daarvoor zijn een RFID-kaart en een mobiele app: de gebruiker houdt zijn kaart voor of start de sessie vanuit de app, het station bevestigt de autorisatie en geeft daarna de energiestroom vrij.

Hier komt OCPP in beeld. Modellen met OCPP-ondersteuning maken het mogelijk het station te verbinden met een centraal beheersysteem (CSMS). Zo kunnen functies als autorisatie, starten en stoppen op afstand, gebruiksregistratie en energiemeting centraal worden beheerd. Dat is vooral van belang in scenario's op werkplekken en bij wagenparken waar meerdere stations worden geëxploiteerd.

Wilt u OCPP en de bijbehorende begrippen uitgebreider bekijken, dan hebben we ook een aparte gids die uitlegt waar het protocol voor dient.

De fasen van een laadsessie

Wat het werkingsprincipe het best samenvat, is zien hoe één laadsessie van begin tot eind verloopt. Een gebruikelijke sessie doorloopt de volgende fasen:

• 1) Verbinding: de kabel wordt op de auto en op het station aangesloten; de verbinding wordt met het nabijheidssignaal gedetecteerd.
• 2) Herkenning en overeenkomst: via het pilotsignaal herkennen de auto en het station elkaar en wordt de maximale stroomgrens vastgesteld.
• 3) Autorisatie: zo nodig wordt de sessie geautoriseerd met een RFID-kaart of een app.
• 4) Vergrendeling en controle: de aansluiting wordt vergrendeld en de veiligheidscontroles (lekstroom, aarding, temperatuur) worden afgerond.
• 5) Energieoverdracht: op de AC-route vult de auto de accu met de onboard charger, op de DC-route doen de omvormers van het station dat.
• 6) Beheer: het station bewaakt de stroom voortdurend en brengt het vermogen stapsgewijs terug naarmate de accu voller raakt.
• 7) Afronding: zodra het doel is bereikt of de gebruiker stopt, wordt de energie onderbroken, gaat de vergrendeling open en kan de kabel veilig worden losgenomen.

Waarom laadt een accu na 80 procent langzamer? (taper / stapsgewijs afnemen)

Vooral bij DC-snelladen merkt u dat de laadsnelheid duidelijk terugloopt nadat de accu een bepaald laadniveau heeft bereikt, vaak rond 80 procent. Dat heet 'taper', oftewel stapsgewijs afnemen, en het is geen storing maar bewust beschermend gedrag.

Accu's kunnen een hoge stroom niet veilig accepteren wanneer ze vol raken; om oververhitting en een kortere levensduur van de cellen te voorkomen vraagt de auto steeds minder stroom aan het station. Het station volgt die vraag en brengt zijn uitgang omlaag. Daarom is bij snelladen het traject van een laag laadniveau tot 80 procent doorgaans het efficiëntst; de laatste 20 procent kan onevenredig veel langer duren. Bij AC-laden zijn de vermogens sowieso lager, waardoor die vertraging meestal minder opvalt.

Samenvatting: wat doet een laadstation eigenlijk?

Een EV-laadstation is een gecontroleerd apparaat dat met de auto communiceert, de energie veilig stuurt en waar nodig autoriseert en op afstand kan worden beheerd. Bij AC-modellen neemt de auto de omzetting voor zijn rekening en bij DC-modellen het station; maar in alle gevallen vormen veiligheid (aardlekbeveiliging, aarding, vergrendeling van de aansluiting) en een juiste communicatie (het pilotsignaal) het hart van het werkingsprincipe.

Bemis E-V Charge is een merk met een eigen fabriek in Bursa dat met AC-wallboxen, draagbare laders, Type 2-kabels, V2L/C2L-adapters en CCS2 DC-snellaadunits alle schakels van dit werkingsprincipe zelf maakt. Met modellen die voldoen aan CE en IP65–IP66 en die OCPP ondersteunen, biedt het producten voor zowel particulier als zakelijk gebruik.