Effects on Charging Behaviour and Attitudes

Wireless charging has been introduced for drivers of 20 electrical vehicles that serves the public sector in Sweden. A longitudinal survey that stretches over 1 year has identified the possible challenges and effects of wireless charging.

It has been shown that the technology has the possibility to overcome barriers of adoption of electric vehicles as the attractiveness for electric vehicles initially increases with inductive charging. It is also shown that the charging pattern may change as the parking time required to feel motivated to start the charging is lower with inductive charging compared to using a cord. Furthermore, it is highlighted that concerns of safety may not become a barrier for using the technology.

The charging cord can be perceived as a barrier for electric car buyers and it is envisioned that wireless charging may provide a significant contribution for the adoption of electric vehicles.

The study consists of 4 digital surveys sent out during a 12-month long test period of the technology. Additional interviews have been performed with key personnel/users of the participating organisations to capture further information. The study was set up as a comparative study in which the first survey captured the experience of using the cord while the following three captured the experience of wireless charging. The study highlights the following questions: with wireless charging (1) will electric cars become more attractive? (2) Is the charging pattern changed? (3) Do safety become a hinder for adoption?

A total of 14 locations in the south of Sweden installed had 1 to 6 charging spots installed to enable wireless charging, ending up at a total of 20 equipped vehicles. Most vehicles were accessed via a car pool set up, and both new and recurrent drivers were included in the study. The vehicles were used for transport between locations with a typical range of 20-30km/day. The typical driver used the vehicle 1-2 times/week. The most drivers had to depend on the vehicles for executing their daily work, while they may not have chosen themselves to take part in this project. That is, the user group is characterised as “early majority” or “late majority” as according to the Innovation Adoption Curve.

Current users of cord charging express: ”It’s much easier than you think to charge with cable, but it is not so fun in the winter when it´s snowing and it’s cold and you have to take off your gloves and enter a code or swipe your charging card…”

The survey focused on the subjective experience of charging using a six-graded-Likert-scale in which the drivers were asked to grade their experience and attitudes towards the charging equipment. A total of 212 answers has been collected (Q1:65; Q2:56; Q3:46; Q4:45). As the vehicles, have been used in a car pool setting with no control over who has been using the vehicles, there are only 10 people that has answered all questionnaires. The analysis has been performed from three perspectives: the individual questionnaires (Q1-Q4), the location of the technology and the drivers that have answered all questionnaires (N=10).

The questionnaire indicates that the attractiveness of electric vehicles is higher for inductive charging. However, after the first questionnaire regarding wireless charging the attractiveness is reduced. The interviews indicate the attractiveness is reduced as the drivers are exposed to technical problem with the technology regarding activation related to parking precision. Also, the interview study in which drivers describe the charging process indicates that the single action “put in the cord” has been replaced with two different actions “park correctly over the pad” and “check that the charging has started” for wireless charging; thereby replacing one action with two other types of actions, reducing the initial attractiveness of wireless charging. Moreover, there are indication that the choice and design of the physical parking space for which inductive charging has been installed has been identified as a determining factor for the satisfaction of the technology, and hence, its attractiveness.

Drivers using wireless charging express: “the idea is great …”; “.. you do not need to handle a cord..”; “Inductive charging as such is good. However it is not suitable always and in all locations…”; ”… a better and more forgiving docking of the car would have been good”; “It is difficult to get the car in the correct position at once. It takes some adjustments to get the charging to work”.

Interestingly, we do not see any strong trend regarding correlation between the amount of use compared to how attractive the technology is perceived to be for inductive charging within this user group.

Furthermore, the wireless technology has the potential to change the current charging pattern of electric vehicle. The analysis of the questionnaire indicates that wireless charging has a lower threshold to be activated (a majority indicates <10 min parking time) as compared to cord (a majority indicates >10 min parking time).

In addition, no substantial evidence that safety would hinder the introduction of wireless charging has been found for the studied user group. The questionnaire highlights that the concern for safety is similar for cord charging (Q1: mean 4,93) as compared to wireless charging (Q4: mean 4,33). The interviews exemplify that drivers have knowledge of the technology through the use in everyday equipment (i.e., stove, lamps, toothbrush, etc.). Also, they have a general belief in approved and tested technology which influence their perceptions of safety. However, there were some concern regarding the effect on pacemaker.

To conclude, it can be argued that wireless charging has the potential to play a significant role for the development of electric vehicles. Regarding the studied user group (car pool users) it can be argued that the usability of the technology is important as the participants within the users group constantly changes and, thus, demands a fool proof technology that is easy to learn. The technology cannot become a hinder in their daily work. In particular, the study highlights that it may be challenging to park correctly over the charging pad when the parking space provides challenges for parking which may be found at public parking spaces/garage.

 

Read more in the article: Introducing wireless charging for drivers of electrical vehicles in Sweden – effects on charging behaviour and attitudes

Electric grid measurements

För att elektrisk utrustning skall få kopplas in på elnätet utan extra tillstånd måste man bland annat uppfylla krav på det som lite slarvigt brukar kallas elkvalitet. Direktivet som är relevant i projektets fall är framför allt EN 61000-3-12:2011, vilket är en delmängd av de krav som ställs för elektromagnetisk kompatibilitet inom EU. Det längre namnet är: Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-12: Limits – Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current > 16 A and <= 75 A per phase. 

Det här direktivet ställer kvar på frekvensinnehållet i den använda strömmen för en produkt. Elnätet i Europa har en frekvens på 50Hz eller perioder per sekund. Produkter av tekniskt enklare modell brukar sällan ha problem med just frekvensinnehållet. Brödrostar, spisar (dock ej induktiva spishällar), kylskåp, lampor och likande produkter utan betydande kraftelektronik har nästan endast 50Hz i den förbrukade strömmen. Nyare nätaggregat i elektronik är ofta vad som kallas switchade. Det innebär att man istället för att använda sig av strömmens egna inneboende 50Hz komponent gör om den till en ny spänning och ström med en betydligt högre frekvens, typiskt i området 10 till 100kHz. Anledningen till det här är att man kan använda sig av mindre, lättare och därmed ofta billigare komponenter. Det är av den här anledningen de, ofta felaktigt men populärt kallade, ’transformatorer’ man sätter i vägguttaget blivit mycket lättare de senaste 10 åren. Om man vill gå lite djupare tekniskt brukar det här göras genom att man likriktar ingående anslutning, växelriktar med högre frekvens, transformerar, och därefter igen likriktar eller växelriktar till den frekvens man vill ha.

Om man inte tar hänsyn till det här under designen av sin komponent ger den här processen typiskt upphov till andra frekvenskomponenter utöver 50Hz i den ingående strömmen. Dessa högre frekvenser transporteras via elnätet och kan värma upp ledningar  och komponenter i andra anslutna nätaggregat och därmed åldras snabbare än de varit designade för. WiCh projektet har därför mätt upp dessa strömmar för den induktiva laddenhet som används i projektet. För att dessa mätningar skall vara så oberoende som möjligt har de genomförts av SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. Dessa mätningar visade att frekvenskomponenterna låg utanför de tillåtna värdena på de udda harmoniska övertonerna ända upp till den 11:e övertonen (550Hz).

Man får dock ansluta enheter som ej uppfyller kraven om elnätsägaren gör en konsekvensanalys av den inkopplade utrustningen och därefter ger sitt explicita tillstånd för inkopplingen. För projektets del innebar det att man kontaktat parternas nätägare, bett dem göra en analys och fått godkännande från dem att det är ok att koppla in utrustningen.

Läs mer i rapporten Vattenfall Harmonic measurement campaign.

State of the Art

Länderna som är tongivande i utveckling av teknologin och i standardiserings-arbetet är USA, Tyskland och Japan. Några namnkunniga biltillverkare har som mål att 2018 kunna erbjuda induktiv laddutrustning för hemmaladdning med låg effekt och hög verkningsgrad som uppfyller en standard som skall vara färdig till dess. I dagsläget finns endast Evatrans Plugless-utrustning för eftermontering. Fortsatt arbete inriktas på att senare kunna erbjuda högre effekter och en lägre kostnad.

Läs mer i rapporten State of the Art.

 

Tests related to CE marking

Många konsumentprodukter inom EU är märkta med CE, vilket är en förkortning av ”Conformité Européenne”. Märkningen innebär att varan överensstämmer med EU:s lagstiftning och därmed kan säljas fritt inom det Europeiska ekonomiska samarbetsområdet (EES). Typiskt skall CE-märket sättas dit av tillverkaren eller importören av varan. CE-märkning finns inom väldigt skilda områden; allt ifrån regler som gäller linbanor till pyrotekniska produkter via t.ex. aktiva medicinska implantat.

För WiCh-projektets del var de relaterade direktiven och förordningarna lågspänningsdirektivet (2014/35/EU), direktivet om elektromagnetisk kompatibilitet (2014/30/EU), samt direktivet om begränsning av användning av vissa farliga ämnen i elektrisk och elektronisk utrustning (RoHS, 2014/2/EU).

Projektet använde sig av SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut för att göra de relevanta testen för att få en oberoende utvärdering av utrustningen. Testen som genomfördes gjordes dels i lab-uppställning med en elektriskt simulerad bil (för lågspänningsdirektivet, RoHS och EMC). Tester gjordes också med utrustningen installerad i de olika fordonsmodeller projektet använde sig av för att garantera att utrustningen ur ett EMC perspektiv inte skulle interagera med fordonen på ett negativt, icke förutsägbart sätt.

Mätresultaten gäller endast denna specifika version av laddsystem, och i fallet med mätresultat i fordon gäller de endast den specifika kombinationen av fordon och laddsystem. Resultaten är därför inte giltiga för andra induktionsladdningssystem eller kombinationer av laddsystem och fordon.

Mätresultaten visar att utrustningen inte uppfyller lågspänningsdirektivet eller EMC-direktivet, och kan därför inte CE-märkas. Inte heller RoHS kan garanteras även ifall inte heller motsatsen kunnat fastställas. När inte direktiven uppfylls innebär det att utrustningen inte får monteras utan att ytterligare skydd och hänsyn till installationerna tas. För att projektet skulle kunna installera utrustningen hos projektdeltagarna behövdes därför ytterligare skydd och information vid installation och användning

De extra åtgärder projektet vidtagit är följande:

  • Användning av ett externt filter för ledningsbundna radiostörningar tillsammans med skärmade elkablar
  • De strålade emissionerna uppmättes till något över gränsvärdet vilket krävde ett undantagsbeslut från PTS.
  • Övertoner i elanslutningen krävde godkännande från elnätsoperatörerna för att utrustningen skulle vara okej att installera.
  • Mindre överträdelser mot lågspänningsdirektivet krävde extra information vid installationsförfarandet. Exempel på detta var avvikande färg på elinstallationskablarna. Ett annat exempel var att ett relä skulle ha överhettats om utrustningen användes i det temperaturområde som produkten godkänts för i USA. I sverige gjorde SP bedömningen att yttertemperaturen inte kommer vara lika hög som i USA och att risken för termiska problem därför är små. Ett annat test som utrustningen inte klarade var att ett ’test-finger’ till viss del kunde ta sig in i lådan och därmed komma i kontakt med spänningsförande delar. Eftersom utrustningen endast monterats på arbetsplatser samt skyddats med dubbla jordfelsbrytare bedömdes risken som liten av SP.
  • Överträdelserna sammantaget har krävt individuella dispenser på fordonen från Transportstyrelsens föreskrifter TSFS 2010-2, samt registreringsbesiktning.

Läs mer i SP:s testrapporter:

Elsäkerhet

SP 4P07673 Electrical safety testing of inductive charger Evatran P2.033

EMC

SP 4P08476A Chevrolet Volt

SP 4P08476B Nissan Leaf Gen I

SP 4P08476C Nissan Leaf Gen II

SP 4P08476D Charging Station

Magnetic fields

Många oroar sig för magnetiska fält. Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM) har mätt de magnetiska fälten i och runt de trådlöst laddade bilarna i WiCh-projektet.

Även om magnetfälten vid laddning kan vara relativt höga intill bilens bakände och ännu högre under bilen vid själva laddenheten, så är fälten låga inne i bilen. Så förutom precis intill laddutrustningen så är magnetfälten lägre än vad som tillåts enligt Arbetsmiljöverkets riktlinjer, vilket innebär att utrustningen kunde användas i projektet.

Mätresultaten gäller endast denna specifika kombination av bil och laddsystem och är inte generellt giltiga för andra induktionsladdningssystem.

Det finns andra projekt som tittar på lösningar för att minska strålningen från trådlös laddning, till exempel SAWE (Safe Wireless Energy) som drivs av Viktoria Swedish ICT i samverkan med Chalmers Tekniska Högskola, QRTECH, Vattenfall och Bienzero.

Läs mer i SSMs rapport här. Sammanfattning:

Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM) har mätt magnetfält i och runt elbil och hybridbil som laddas induktivt. Laddningssystemet alstrar magnetfält med frekvensen 19,5 kHz. Mätningarna visar att magnetfälten under laddning kan uppgå till 44 μT alldeles intill bilens bakre del. Under bilen är magnetfältet högre. Inne i bilen har magnetfält upp till 0,3 μT mätts upp under laddning.

Med hänsyn till att magnetfälten kraftigt överstiger SSM:s referensvärde (6,25 μT vid frekvensen 19,5 kHz enligt SSMFS 2008:18) på platser runt och under bilen vid laddning finns anledning att inte använda systemet på platser som allmänheten eller privatpersoner har tillträde till innan dess att tillverkaren kan visa att laddningssystemet inte innebär några strålskyddsrelaterade risker. I Sverige används systemet hittills endast i forsknings- och utvärderingssyfte och då på platser som är begränsade till arbetstagare. Där gäller Arbetsmiljöverkets insatsnivå (100 μT vid frekvensen 19,5 kHz enligt AFS 2016:3).

 

Efficiency measurement

För att få så små energiförluster som möjligt vid energiöverföringen så eftersträvas en hög verkningsgrad. I WiCh har Test Site Sweden på Lindholmen Science Park mätt verkningsgrad på de induktiva systemen som användes i WiCh. Syftet med mätningarna var att undersöka hur bra den trådlösa laddningen överför energi till bilen och hur detta varierar med avståndet mellan bil och laddplatta.

Resultaten pekar på att laddningen sker inom ett område om cirka 20 gånger 25 centimeter. Verkningsgraden ökar med en ökande lateral avvikelse från centrum upp till en gräns, varefter den drastiskt minskar tills laddutrustningen inte längre klarar av att överföra energi. Detta tyder på att positioneringen vid parkering är viktig för att få en hög verkningsgrad. Avståndet i höjdled mellan laddplatta och bil påverkar också verkningsgraden, ett kortare avstånd ger högre verkningsgrad.

Det är viktigt att poängtera att mätresultaten endast gäller denna specifika version av laddsystem i kombinationen med fordonet det testades i.

Läs mer i TSS mätrapport TSS Charging efficiency.