APPLIKATION AV CYKELLADDNING OMBORD PÅ JÄRNVÄGSFORDON : Konceptutveckling av elcykelladdning ombord på Öresundståget Contessa X31 i samarbete med Bombardier Transportation

APPLIKATION AV CYKELLADDNING OMBORD PÅ JÄRNVÄGSFORDON

Konceptutveckling av elcykelladdning ombord på Öresundståget Contessa X31 i

samarbete med Bombardier Transportation

OLIVIA NYDESTEDT

AMANDA SYLVAN

Akademin för ekonomi, samhälle och teknik

Kurs: Examensarbete i energiteknik Kurskod: ERA 206

Ämne: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp

Program: Högskoleingenjör i energiteknik

Handledare: Lars Tallbom Examinator: Jan Sandberg

Uppdragsgivare: Peter Jerregård, Bombardier

Transportation

Datum: 2020-06-15 E-post:

ABSTRACT

There is a great need to reduce the use of fossil-fueled road transport. In order to encourage the use of public transport, opportunities for the application of electrical charging stations for e-bikes aboard railway vehicles were analyzed. A theoretical concept was developed for the introduction of electrical charging stations aboard railway vehicles, with Contessa - Oeresund Train Unit X31 as the subject of study. The design was based on a set of required

management characteristics, which included any requirements from the vehicle owner, traveler and society (such as improved environment, public transport and health of the citizens). The study was based on the current standards, requirements and safety regulations for railway vehicles operating within the European Union. Upon completion of the study, one was able to establish that the potential exists for introducing the concept aboard the subject of study, as well as for other railway vehicles. The charging station consisted of a group of three power supplies and a sizing was performed for two such groups, to adapt as needed. The result indicates that fast charging modes have the greatest functionality for users with shorter travel time on board the train, such as commuters. At the present time, it is not possible to implement a fast charging mode as a standard feature for all e-bikes, as no standardized fast charger fits all e-bikes, independent of the manufacturer. Fast charging modes cannot be implemented for normally charged electric bicycles based on functionality, battery wear and fire risk. Furthermore, the study shows that large reductions in greenhouse gas emissions can be achieved using electric bicycles in combination with communal trains, by effectively replacing car trips.

FÖRORD

Denna rapport speglar vårt examensarbete för utbildningsprogrammet högskoleingenjör i energiteknik vid Mälardalens Högskola, Västerås. Arbetet har genomförts under vårterminen 2020 med en omfattning på 15 hp.

Vi vill rikta ett stort tack till vår uppdragsgivare Peter Jerregård för allt stöd och handledning under arbetets gång. Ett stort tack riktas även till Håkan Sjöholm som hjälpt oss med den tekniska lösningen och Majid Alam för all hjälp med framtagning av ritningar i AutoCAD. Vi vill även tacka de ingenjörer och montörer på Bombardier som har stöttat oss. Slutligen vill vi tacka vår handledare och examinator från Mälardalens Högskola som gett oss konstruktiv kritik.

Västerås i Juni 2020

SAMMANFATTNING

Det finns stora behov för att reducera användningen av fossildrivna vägtransporter. Med avsikt att uppmuntra kollektivtrafiken analyseras möjligheten att införa elcykelladdning ombord på järnvägsfordon i hopp om att kunna reducera koldioxidutsläppet och därmed nå Sveriges miljömål till 2045.

Konceptets kartläggning utfördes på Öresundståget som studieobjekt där befintliga flexutrymmet och hjälpkraftsystem användes. En analys utfördes på olika laddstationer utifrån marknadens utbud vid tiden av studien, för att finna den som ansågs mest lämpad för konceptet. Studien baserades på de aktuella normer, krav och säkerhetsföreskrifter som gäller för järnvägsfordon inom Europeiska unionen.

Dimensioneringen baserades utifrån en kravmatris inriktad på de relevanta målområdena: fordonsägare, resenär och samhälle. Syftet var att testa och verifiera konceptets resultat mot de prioriterade kraven för respektive målområde. Ett platsbesök ombord på studieobjektet har även utförts, för att få en klarare bild av hur konceptet kan tillämpas och ett kretsschema har designat i SolidWorks electrical som representerar kopplingsschemat mellan

elmatningskällan och laddstationen.

Efter avslutad studie fann man att applicering av elcykelladdning ombord på studieobjektet såväl som andra järnvägsfordon är fullt möjlig, utefter tillgänglig effekt och befintligt utrymme för ombordtagning av cyklar. Vidare visar studien att stora reduceringar i

växthusgasutsläpp kan uppnås via användning av elcyklar i kombination med järnväg, genom att effektivt ersätta bilresor.

Konceptet utformades enbart för en laddstation bestående av en grupp om tre uttag. Dock är antalet laddningsmöjligheter anpassningsbara utefter behov samt konstruktion, beroende på järnvägsfordonets trafikuppgift. Effektbehovet för laddstationen är utformad för att kunna erbjuda användare snabbladdning. Snabbladdning i jämförelse med normalladdning, uppfyller störst funktionalitet vid kortare tågresetid, med avseende på resenärens

användningsbehov av en elcykel. För tillfället är detta ej möjligt att implementera som en standardiserad funktion för alla resenärer. Således ingen allmän snabbladdare passar elcyklar oberoende av tillverkare, kan inte denna typ av laddning implementeras för normalladdade elcyklar utifrån funktionalitet, batterislitage samt brandrisk.

En av förmånerna med konceptet är att snabbladdning ombord på järnvägsfordon möjliggör en sammanhängande resa och skapar därmed en bättre flexibilitet för en pendlare. Däremot kan säkerheten komma att påverkas negativt vid införandet av laddstationer och för att förebygga detta finns en jordfelsbrytare kombinerad med en personskyddsbrytare som

införande av framtida betalningstjänster en stor potential till att bli ekonomiskt lönsamt för tågoperatörer.

INNEHÅLL

2.1 Dimensionering och kartläggning ... 3

2.2 Tillvägagångsätt för insamling och analys ... 3

2.3 Beräkningar ... 3

2.4 Framtagning av kravmatris ... 3

3 ÄMNESFÖRDJUPANDE STUDIE ...4

3.1 Växthusgasutsläpp för olika färdmedel ... 4

3.2 Förekommande pendlarsträckor ... 4

3.3 Specifikationer av en elcykel ... 6

3.4 Laddning av elcyklar ... 7

3.4.1 Laddning av Litium-jonbatteri ... 7

3.4.2 Batteriet och laddarens säkerhetsuppbyggnad... 9

3.4.3 Brandrisker med litium-jon batterier ... 9

3.5 Tidigare studier... 9

3.6 Normer, standarder och tekniska krav för järnvägsfordon ...10

3.6.1 Säkerhet vid brand ...10

3.6.2 Säkerhetsbarriär ...10

3.6.3 Felskydd för elektronisk utrustning ...11

4.2.1 Elektriskt hjälpkraftsystem ...14 4.2.2 Systemets uppgifter ...14 4.3 Laddningslägen ...14 4.3.1 Normalladdning ...15 4.3.2 Snabbladdning ...15 4.4 Laddningsinfrastruktur ...15 4.4.1 Laddstolpe ...16 4.4.2 Laddställning ...17 4.4.3 Ladduttag ...18 4.5 Elmatningsdimensionering ...18 4.6 Montering ...18 5 RESULTAT ... 20 5.1 Layout ombord ...20 5.2 Kartläggning: Elmatning ...22 5.3 Laddningsinfrastruktur ...23 5.4 Laddningstyp ...23 5.5 Elmatningsdimensionering ...23 5.6 Montering ...24 5.7 Säkerhetsåtgärder ...26 6 DISKUSSION... 27

6.1 Teoretisk dimensionering av laddningskonceptet ...27

6.2 Eventuella fördelar med elcyklar och järnvägstrafik ...28

6.3 Säkerhetspåverkan av installationen ...29

6.4 Nackdelar och problemområden ...30

7 SLUTSATSER ... 31

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 32

8.3 Betalningstjänst i framtiden ...32

8.4 Möjligheten för övrig kollektivtransport ...33

9 REFERENSER ... 34

BILAGA 1: KRETSSCHEMA MATNINGSKÄLLA ... 39

BILAGA 2: KRETSSCHEMA LADDSTATION ... 40

BILAGA 3: KRAVMATRIS ... 41

FIGURFÖRTECKNING

Figur 2. Laddningskurva för ett litium-jon batteri. ... 7

Figur 3. Layout av vagn T47 med stora flexarean i mitten ...16

Figur 4. Laddstation av typen laddstolpe ... 17

Figur 5. Ett exempel på en laddställning med ladduttag ... 18

Figur 6. Ett exempel på laddning ur ett vanligt jordat uttag ... 13

Figur 7. Layout av flexutrymmet med aviserad placering för elmatning ... 20

Figur 8. Insidan av flexutrymmet i T47 med utritade kryss för alternativa placeringar för laddstationerna ...21

Figur 9. Principskiss av elmatning till laddstationerna i flexutrymmet ... 22

Figur 10. Principskiss av montering och samtliga komponenter som krävs. ... 25

TABELLFÖRTECKNING

Tabell 2. Laddningskapacitet för ett 4A batteri, utgående från ett fullständigt urladdat batteri vid start... 8

Tabell 3. Laddningskapacitet för ett 4A batteri, utgående från ett batteri med 50% kapacitet. 8 Tabell 4. Laddningskapacitet för ett 4A batteri, utgående från ett batteri med 75% kapacitet. 8 Tabell 5. Laddningstider för olika laddare och modeller från märket Bosch. ... 15

BETECKNINGAR

Beteckning Beskrivning Enhet

I Ström A

P Effekt W

U Spänning V

FÖRKORTNINGAR

Förkortning Beskrivning

ACM Auxiliary converter module (hjälpkraftströmriktare) ECF European Cycling Federation

M43 Benämning på ändvagn i fordonet X31 M45 Benämning på ändvagn i fordonet X31 OTU Contessa - Oeresund Train Unit X31

T47 Benämning på mellanvagnen i fordonet X31

DEFINITIONER

Definition Beskrivning

Branddäckare Brandvarnare

Fordonsägare Syftar på ägare av järnvägsfordon Hjälpkraft All övrig effekt än 15kV, 16 2/3 Hz som

används till att driva vagnar och deras system (fläktar, belysning, batteriladdning, med mera) IP-klass Kapslingsklassning enligt internationell

Jord Ledande massa av jord, vars elektriska

potential i alla punkter är konventionellt utsatt till noll eller nära noll.

Jordning En ledare (eller grupp av ledare i närkontakt) som ger elektrisk kontakt till jord.

Koldioxidekvivalenter Måttenhet som är gemensam för alla växthusutsläpp.

Korg Balkstruktur på järnvägsfordon

Laddstation En plats där ett eller flera laddbara fordon kan ladda samtidigt. Elmatning avsedd för

batteriladdaren.

Låggolv Golv i järnvägsfordon, på samma höjdnivå som stationens perrong.

Nedströms Från vald referenspunkt och närmare konsumentet av el, till exempel elcykelbatteriladdare

Uppströms Från vald referenspunkt och närmare matningskällan

1 INLEDNING

1.1 Bakgrund

Sveriges regering har lagt fram miljömålet för noll nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären som ska uppfyllas senast 2045(Sveriges Miljömål, 2020). Under året 2018 bestod Sveriges totala växthusutsläpp av 51 779 kiloton koldioxidekvivalenter varav inrikes transporter stod för en tredjedel (Holmström, 2019). Inom inrikes transporter bidrog biltrafiken med 61% av utsläppen samtidigt som järnvägstransporten bidrog med mindre än 1% (Naturvårdsverket, 2019).

Flera etappmål har därmed skapats för att lättare uppnå miljömålet. Ett av etappmålen är att minska utsläppen från inrikes transport med 70% jämfört med 2010, senast 2030. Det innebär en nedgång på 8% per år (Sveriges Miljömål, 2020b). Möjligheterna finns, bland annat med energieffektivare fordon och en ökad användning av biodrivmedel, men lösningarna behöver bli fler (Sveriges Miljömål, 2020). Hela 25 % av persontransporter önskar man år 2025 ska bestå av kollektivtrafik samt cykel och gång. Genom att lyfta fram kollektivtrafiken samt gång och cykelresor via ett större utbud, kapacitet och infrastruktur skapas en attraktivare kollektivtrafik som kan få resenärer att ersätta personbilstrafiken (Sveriges Miljömål, 2019b).

Förklaringen till att utsläppen skjunker sakta men säkert beror delvis på fler

energieffektivare fordon och en övergång till mer biodrivmedel (Trafikverket, 2019). Utvecklingen går i rätt riktningen, men framstegen räcker inte till för att uppnå miljömålet till 2045. Det krävs en betydlig större satsning på smidigare kollektiva lösningar, om biltrafiken ska reduceras markant.

Elcykeln har nått nya höjder av popularitet under de senaste åren. I Sverige har

elcykelmarknaden upplevt en kraftig ökning (Trafikverket, 2019b). En bidragande faktor till den drastiska ökningen 2018 kan bero på elfordonspremien som infördes av

Naturvårdsverket. Budgeten innefattade 411 miljoner kronor varav 368 miljoner erfodrades till elcyklar (Hallqvist, 2019). Samtidigt har elcyklar ökat i popularitet även inom Europa, varav Frankrike och Italien tillhör länderna som upplevt den största ökningen (Statista, 2020).

I dagsläget erbjuder tågoperatörer som Öresundståget, Tåg i Bergslagen och Skånetrafiken ombordtagning av cykel. SJ å andra sidan erbjuder inte denna typ av tjänst, utan kräver att cykeln ska vara nedmonterad för att på så sätt räknas som resegods. En kartläggning över dagens resande med cykel ombord på tåg visar att det framförallt gäller turister eller fritidsresande som utnyttjar denna tjänst (Envall, Backelin, & Koucky, n.d). Enligt

Skånetrafiken såldes år 2015 cirka 60 000 cykelbiljetter där 2/3 av biljetterna såldes under månaderna juni till september (Morin, 2016).

(Envall, Backelin, & Koucky, n.d). Även tågbolag i Polen (Ceské dráhy, 2017), Tjeckien (PKP Intercity, 2015) och Österrike (ÖBB, n.d) gör det möjligt för resenärer att ta med sig cykeln ombord.

1.2 Syfte

Syftet med studien är att undersöka applikationen av elcykelladdning ombord på

järnvägsfordon och dess funktionalitet för pendlarsträckor. Målet är att reducera de dagliga utsläppen som orsakas av biltrafiken genom att underlätta övergången till mer hållbara transportmedel, såsom järnväg och elcyklar.

1.3 Frågeställningar

 Vilka normer, standarder och tekniska krav finns för järnvägsfordon gällande främst hjälpkraftsystemet samt inredning?

 Hur kan en teoretisk dimensionering av laddningskonceptet för tåg se ut inom ramverket?

 Vilka fördelar bidrar konceptet med?

 Vilka nackdelar och problemområden finns?

 Hur påverkas säkerheten vid installation av laddstationer ombord på järnvägsfordonet?

1.4 Avgränsning

Studien riktas till att undersöka teoretiska appliceringen av konceptet. Dimensioneringen baseras på studieobjektet Contessa - Oeresund Train Unit X31 (OTU) och hölls inom ramarna till kravmatrisen för samtliga uppfyllnadskrav. Betalningskoncept samt ekonomi kommer ej tas i hänsyn.

Aktuella nyckeltal, som effekt, elmatningskartläggning och vagnkonstruktion med avseende på studieobjektets data och specifikationer som föreligger hos Bombardier Transportation.

2 METOD

2.1 Dimensionering och kartläggning

Analys och dimensionering av laddstationer genomfördes på studieobjektet OTU:s befintliga uppbyggnad med hänsyn till det nuvarande hjälpkraftsystemet. En analys utfördes på olika laddinfrastrukturer utifrån marknadens utbud vid tiden av studien, för att finna en

laddstation mest lämpad för konceptet. Ett platsbesök ombord på studieobjektet har utförts (i flexutrymmet) för att få en klarare bild av hur konceptet kan tillämpas. Ett kretsschema designad i SolidWorks electrical framtogs som representerar kopplingsschemat mellan elmatningskällan och laddstationen, (Se Bilaga 2).

2.2 Tillvägagångsätt för insamling och analys

Kunskapsinhämtning har skett genom samtal med ingenjörer på Bombardier SER Nordics i Västerås, och genom litteraturstudier. Beskrivningar, instruktioner, ritningar och

komponentinformation återfanns från databasen Trainmate innehållande dokumentationer inom järnvägsfordon och relaterade produkter inom järnväg.

2.3 Beräkningar

Beräkningar har genomförts för att få fram effektbehovet laddningsstationen kräver och sedan har en jämförelse gjorts med befintliga kapaciteten hos hjälpkraftsystemet.

2.4 Framtagning av kravmatris

En kravmatris (se Bilaga 3) skapades med syfte att både testa och verifiera konceptets resultat mot de prioriterade kraven och behoven från de olika målområdena. Målområdena definierades som de relevanta parterna i konceptet och är enligt följande:

 Samhället

 Fordonsägare (järnväg)  Resenär

3 ÄMNESFÖRDJUPANDE STUDIE

3.1 Växthusgasutsläpp för olika färdmedel

Järnvägsfordon har möjligheten att transportera en stor andel passagerare med en relativt liten energiförbrukning, cirka 4 g CO2/km (IVL Svenska MIljöinstitutet , 2019). På ett järnvägsfordon, får det plats lika många resenärer motsvarande mer eller mindre än 140 bilar. Baserat på att i en genomsnittlig personbil reser cirka 1,2 passagerare (Stridsberg, Hallenberg, & Sundin, 2019).Vägtrafiken står för den största delen av transportsektorns utsläpp av växthusgaser. Under 2018 förbrukade en genomsnittlig (ny) bensindriven bil 128 g CO2/km och en genomsnittlig (ny) dieseldriven bil 133 g CO2/km (Transportstyrelsen, 2020). Klimatpåverkan från en elcykel är obetydlig jämfört med vad en bil släpper ut. Enligt en rapport av European Cycling Federation (ECF) är utsläppet (hela livscykelperspektivet) för en vanlig cykel 21 g CO2/km medan för en elcykel ligger utsläppet på 22 g CO2/km. Detta indikerar att en elcykel enbart släpper ut 1 g CO2/km. Viktigt att notera är att beräkningen som gjordes av EFC genomfördes år 2011 och siffrorna kan därmed har förändrats (Blondel, Mispelon & Ferguson, 2011). Hur betydande miljöpåverkan är från en elcykel, är beroende av vilken typ av el (förnybar eller annan energimix) som batteriet laddas upp med. Den största klimatboven är tillverkningen av litium-jonbatteriet. Utsläppet från produceringen av

batteriet varierar mellan 22 till 30 kg CO2 beroende på bland annat materialkomponenter och systemgränser (Wachotsch, Kolodziej, Specht, Kohlmeyer, & Petrikowski , 2014). Om en elcykel har brukats istället för en bil, på en sträcka om cirka 100 km, har man kompenserat för batteriets tillverkningsutsläpp (Rudell, 2018).

3.2 Förekommande pendlarsträckor

I Sverige ökar antalet resor med tåg och under 2019 gjordes 266 miljoner personresor (Trafikanalys, 2020). Mellan Sverige och Danmark utgörs ungefär 15 000 arbetsresor i huvudsak över Öresundsbron. Pendling i form av arbets-, tjänste- och skolresor är mest förekommande av resorna i Sverige, med cirka 2,2 miljarder resor. Av dessa var bilresor dominerande. Under 2018 dominerade vägtrafiken med 132,5 miljarder personkilometer varav personbilstrafiken svarade för 116 miljarder personkilometer (Saxton, 2018). Samtidigt gjordes 13 547 miljoner personkilometer med järnväg (Lindberg & Petterson, 2019). Vanliga pendlarsträckor som förekommer på järnvägen sker mellan Stockholm–Gävle, med Uppsala som mittpunkt. Även resor mellan Stockholm–Enköping–Västerås–Örebro och Stockholm– Strängnäs–Eskilstuna–Arboga är ofta förekommande (Saxton, 2011).

Tabell 1. Pendlarsträckor indelad utifrån restid i minuter med järnväg (Samtrafiken, 2020)

Pendlarsträckor indelad i restid

Sträcka Restid med järnväg [min]

Örebro - Stockholm Västerås - Enköping 15 Västerås - Örebro 50 Stockholm - Enköping 40 Stockholm - Västerås 55 Stockholm-Arboga Stockholm-Strängnäs 47 Stockholm-Eskilstuna 61 Eskilstuna-Arboga 25

3.3 Specifikationer av en elcykel

En elcykel är som en standardcykel, fast med en elektrisk motor som gör det lättare för en cyklist att ta sig längre sträckor utan att behöva använda mycket energi. Ett exempel på ett varumärke som tillverkar elcyklar är Sjösala (se Figur 1). För modellen Sjösala Okero gäller följande specifikation.

Elcykeln kan ställas in på tre olika hastighetslägen beroende på hur mycket hjälpkraft användaren vill ha. Batteriet är av typen litium-jon placerat på undersidan av pakethållaren. För en bättre livslängd rekommenderas det att ladda batteriet kontinuerligt. Laddningen kan både ske genom att ta loss batteriet eller när den sitter monterad på cykeln. För

batteriladdaren Powerpack 300 tillverkad av Bosch (Bosch, n.d) tar laddningstiden från noll till 100 % ungefär 4–6 timmar, med en effekttillförsel motsvarande cirka 144 W. Generellt beror laddningstiden på batteriet och den variant av laddare som används.

Hastigheten når upp till maximalt 25 km/h med en räckvidd på ungefär 4,5 mil beroende på hur mycket man trampar, viktbelastning, samt terräng (Manuall, n.d).

3.4 Laddning av elcyklar

Under denna sektion presenteras en laddningskurva av ett godtyckligt litium-jonbatteri vid semi-snabbladdning. Detta är till grund för laddningsprocessen i elcykelbatterier under olika tidsintervall som redovisas i tabell 2–4. Slutligen beskrivs batteriets och laddarens

säkerhetsuppbyggnad samt förekommande brandrisker med litium-jonbatterier.

3.4.1 Laddning av Litium-jonbatteri

Figur 2. Laddningskurva för ett litium-jonbatteri med 4A-strömmatning. Fas 1 (stage 1) applicerar bulkladdning under konstant ström. Fas 2 (stage 2) slutför laddningen under konstant spänning som

del av mättnadsladdning. Fas 3 (stage 3) är redoläget med ingen applicerad laddning (Battery University, 2017).

I ett litium-jonbatteri sker laddningsprocessen i tre steg och Figur 2 illustrerar hur laddningsprocessen ser ut hos ett godtyckligt litium-jonbatteri. Första fasen, även kallad bulkladdning, innebär att spänningen ökar med en konstant ström, fram tills batteriets maximala spänning uppnås. Batteriet är då uppladdad till cirka 56% av dess kapacitet. I andra fasen går man över till mättnadsladdning. Här hålls spänningen på maxnivå konstant medan strömmen sjunker stadigt. Laddningen slutförs för batteriets resterande 44%. Avslutningsfasen, så kallad redoläge, innebär att laddningen avbryts. Batteriet är härmed fulladdat och ingen mer laddning tas emot.

tid. Under enbart första fasen uppnås 56% laddningskapacitet, vilket sker inom de första 40 minuterna av laddningstiden, beroende på tillverkare. Detta tyder på att under en kort laddningstid kan man generera en tillräcklig kapacitet för att klara sig en lång sträcka. Nedan i Tabell 2–4 visas olika laddningsscenarior beroende på hur mycket kapacitet batteriet har vid starten av laddningen. Exemplet har utgått från laddningskurvan presenterad i Figur 2 som motsvarar ett 4A-batteri, vilket innebär ett batteri med 4A-matningsström och kan därmed se olika ut beroende på storleken av märkströmmen som batteriet tolererar.

Tabell 2. Laddningskapacitet med avseende på tid, ström, spänning och effekt för ett 4 A-batteri, utgående från ett fullständigt urladdat batteri vid start. Baserad på Figur 2.

Laddningskapacitet över tid, för ett urladdat batteri vid start av laddning Laddningskapacitet [%] Tid [min] Effekt [W] Ström [A] Spänning [V]

19 15 13.7 3.5 3.9

39 30 14.4 3.5 4.1

58 45 14.3 3.4 4.2

72 60 9.7 2.3 4.2

Tabell 3. Laddningskapacitet med avseende på tid, ström, spänning och effekt för ett 4 A-batteri, utgående från ett batteri med 50% kapacitet. Baserad på Figur 2.

Laddningskapacitet över tid, för ett batteri med 50% kapacitet vid start av laddning Laddningskapacitet [%] Tid [min] Effekt [W] Ström [A] Spänning [V]

68 15 10.9 2.6 4.2

80 30 7.1 1.7 4.2

87 45 5 1.2 4.2

90 60 3.4 0.8 4.2

Tabell 4. Laddningskapacitet med avseende på tid, ström, spänning och effekt för ett 4 A-batteri, utgående från ett batteri med 75% kapacitet. Baserad på Figur 2.

Laddningskapacitet över tid, för ett batteri med 75% kapacitet vid start av laddning Laddningskapacitet [%] Tid [min] Effekt [W] Ström [A] Spänning [V]

83 15 6.3 1.5 4.2

89 30 4.2 1 4.2

92 45 2.5 0.6 4.2

95 60 2.1 0.5 4.2

batterikapacitet har uppnåtts, reduceras mängden kapacitet som genereras över tid (se Tabell 3).

Motsvarigheten till laddningstid i detta fall gäller resetid över vanligt förekommande pendlarsträckor presenterades i Tabell 1. Det visar på att samtliga pendlarsträckor är långa nog för att ge en tillräcklig batteriladdning under resetiden, givet batterikapaciteten som genereras. Viktigt att poängtera är att grafen inte specifikt gäller för normal- eller

snabbladdning, därmed varierar specifikationerna i kurvan utifrån den effekt som levereras

3.4.2 Batteriet och laddarens säkerhetsuppbyggnad

Dagens elcykelbatteri har olika typer av inbyggda skydd för bättre personsäkerhet. Dessa skydd skiljer sig åt mellan tillverkare. Allmänt har litium-jonbatterierna skydd mot bland annat överspänningar, överströmmar, överladdning, temperaturskydd samt

kortslutningsskydd. Detta för att skydda batteriet och ens egna säkerhet vid användning (Balakrishnan, Ramesh, & Kumar, 2005). Samma typ av inbyggt skydd tillkommer även i laddaren (Panasonic Industry, n.d).

3.4.3 Brandrisker med litium-jon batterier

Med ett elcykelbatteri tillkommer risker varav brandrisken är dominerande. Brandrisker i samband med ett litium-jonbatteri förekommer mestadels vid överladdning som en

konsekvens när överladdningsskyddet inte fungerar korrekt. Detta kan inträffa om det sker ett elektrisk fel inne i laddaren (Johansson, 2010). Nedan presenteras några exempel på andra risker som kan förekomma för elfordon (Transportstyrelsen, 2019).

 Felaktig hantering av batteriet eller laddaren.

 Vid skadad kabel eller på grund utav fuktinträngning kan en kortslutning av batteriet ske.

 Laddning av skadat batteri, exempelvis om man tappat batteriet och därmed skadat innehållande delar.

 Batteriet kan ta skada om en annan laddare än tillverkaren används.

3.5 Tidigare studier

Fram till denna punkt har man granskat uppbyggnaden av konceptet, såsom kartläggning och elektrisk dimensionering. Här i kommande sektioner presenteras olika undersökningar för elcykelns påverkan på resvanor, mer specifikt i relation till bilanvändning. Vidare, presenteras några faktorer som attraherar en elcykelanvändare.

I en del av en studie om elcykelns resepåverkan granskades resultatet från ett prov utförd på 80 anställda, från ett företag i Brighton. Samtliga anställda utlånades elcyklar för

angav en önskning för att i framtiden ha tillgång till en elyckel för användning, och att de skulle cykla mer om så var fallet. Studien i sin helhet, fann att en andel av elcykelturer typiskt ersätter bilanvändning samt att pendling indikerades som det dominerande syftet (Behrendt, Cairns, Raffo, Beaumont, & Kiefer, 2017).

Samtidigt, gjordes en norsk undersökning gällande elcykelns roll som ett verktyg för att ersätta svårigheterna som uppstår vid cykling. Av dessa hinder var potential för dåligt väder den tredje största faktorn, följd utav fysiska utmaningen av att cykla och faktum att det finns branta uppförsbackar. Varav de två sistnämnda faktorerna kan underlättas av en elcykel. Genom ett frågeformulär via internet frågades norska bilägare om deras uppfattning om cykling generellt och mer specifikt elcyklar. Av dessa fick slumpmässiga deltagare tillgång till en elcykel under en begränsad period. Det visade sig att de bilägare som var mest

intresserade av att köpa en elcykel var de bilägare som cyklade som minst (Fyhri, Sundfør, Heinen, & Fearnley, 2017).

För att skapa en bra infrastruktur för användning av snabbladdare har man konstaterat att installationen behöver placeras ut där behovet är som störst. En snabbladdningsstation är tänkt som en laddplats för en kort vistelse, för att snabbt kunna ladda upp sitt batteri. Att ladda innebär att man tvingas avbryta sitt resande, beroende på hur länge man behöver ladda (Frising & Carlsson , 2014). En liknande slutsats visades av Lunds Universitets strategiska undersökning, angående vilka egenskaper som attraherar en elcykel användare. Bland annat visade deras intervjuer hos ägare av elcyklar, att de önskar att räckvidden för batteriet ska vara längre (Nordh, Aguilar, Svensson, & Winslott, 2015).

3.6 Normer, standarder och tekniska krav för järnvägsfordon

Järnvägstransporter har särskilda säkerhetskrav ombord för dess utrustning, på grund utav de höga påfrestningar som dessa komponenter utsätts för.

3.6.1 Säkerhet vid brand

Design av järnvägsfordon och de produkter som används ska implementera målet av att begränsa eldspridning vid inträffandet av en tändning. Vid brand ska passagerare och

anställda ha möjlighet att utrymma från branden utan utomstående hjälp, och nå fram till en säker plats (EN 45545–2:2013). Lämpliga säkerhetsbarriärer måste därmed finnas på plats.

Sekundärskydd finns i alla järnvägsfordon, några exempel redovisas nedan:





passering för funktionsnedsatta.



 Vid brandlarm – Kopplas strömmen av för de interna dörrarna och hålls sedan stängda genom den inbyggda fjädern.

 Utrymningsstege – Placerad i ett skåp mellan varuautomaterna i vagn T47.  Evakueringsutrustning – Innehållande två brandsläckare, en kolsyre- och

skumsläckare samt en förbandslåda. Dessa finns stationerade inne i skåpet ovanför varuautomaterna.

3.6.3 Felskydd för elektronisk utrustning

Felskyddsanordningar för elektronisk utrustning faställer att utgående kablar ska klassificeras som lägst, till det aktuella gränsvärdet för skyddsanordningen för kretsen. Utrustningen ska skyddas mot externa fel till exempel kortslutnings- eller öppna

kretsförhållanden vid behov. Alla skyddsanordningar som används ska vara anordnade att risken för brand i utrustningen minimeras BS EN 50155:2017.

För mindre produkter inom elektroteknik, såsom effektbrytare, säkringar och terminaler gäller uppfyllandet av brandssäkerhetskravet enligt standarden EN45545–2:2013.

3.6.4 Elektrisk installation

Dagens inredning gällande den elektriska installationen av uttagen följer de säkerhets- och tekniska krav som behövs för att bevara en bra säkerhetsnivå. I kommande sektioner beskrivs specifikationerna av de relevanta kraven för denna studie.

Kapslingar ska vara av korrekt IP-klass för att uppfylla inomhusmiljön som uttagen kommer att utsättas för, vilket innebär att uttagen behöver vara droppsäkra samt isolerande (skydd mot kortslutning och införande av finger). Rätt typ av kablage ska användas beroende på storleken av ström som transporteras genom kabeln. Kabeldragningen från elmatningskällan ut till laddstationen ska följa standarden EN 50343, som beskriver regler för installation av kabel på järnvägsfordon.

Jordningskrav omfattar att en användare av uttagen inte ska kunna få en strömgenomgång därmed måste baksidan av uttagen vara jordade. Även monteringsplåten som uttagen ska monteras fast mot måste vara jordade. Om en brand skulle inträffa finns två

utrymningsvägar i mellanvagnen. Även en brandsläckare finns på plats inne i flexutrymmet samt två nödsläckare placerade i skåpet ovanför varuautomaterna. Ett redan befintligt

Elsäkerhetskravet för järnvägsfordon kräver parallelljordningar mellan strömledande komponenter (inklusive inredningsmaterial) där risk för personskada kan uppstå. Vid fallet av ett jordningsfel i en specifik punkt, ska därmed resterande komponenter hållas säkra med kvarvarande jordning. För att undvika elolyckor används jordfelsbrytare. En jordfelsbrytare kan användas i olika sammanhang för att skydda från felströmmar till jord. För ett

personskydd syftar man på en märkutlösningsström om högst 30mA innan en jordfelsbrytare ska lösas ut. Om jordfelsbrytaren löser ut påverkas resterande komponenter som är kopplade till jordfelsbrytaren och blir därmed strömlösa (Elsäkerhetsverket, 2013).

4 AKTUELL STUDIE

I följande avsnitt beskrivs det studerade objektets specifikationer och tillvägagångssätt för konceptet. Fordonsritningar, elektriska specifikationer och konstruktion hämtas i största mån från fordonets tekniska beskrivning och i övriga fall från konsultering med ingenjörer. Teoretiska dimensioneringen med avseende på kartläggning av laddstation,

laddinfrastruktur, samt elmatning baseras på framtagna kravmatrisen och information från fordonsägaren.

4.1 Beskrivning av studieobjektet

Järnvägsfordonet delas upp i tre olika vagnar, ändvagnarna M43 och M45, samt

mellanvagnen T47 som innehåller stora flexutrymmet. I Figur 3 nedan presenteras en layout för T47.

Figur 3. Layout av vagn T47 med stora flexarean i mitten. Numrering representerar (1) Rullband; (2) Fällstol; (3) Plats för rullstol; (4); Utrymme för varuautomater; (5) Ståstöd; och (6) Handledare.

(Bombardier Transportation, 2009a)

Interiören i stora flexutrymmet utgörs av fällbara sittplatser placerade utmed sidoväggarna, varav två platser är prioriterade för resenärer med funktionshinder. I övrigt är flexarean avsedd för resenärer med barnvagnar, stora bagage samt cyklar. Därav har vagnen en låggolvsyta. Totalt finns det plats för nio cyklar, som placeras utmed fällsätena (enligt Figur 3) och hålls fast med hjälp av rullbälten monterade mot väggen. Dock finns endast plats för sex cyklar när en rullstol är parkerad. I dagsläget finns det två varuautomater ståendes bredvid toaletterna (se nr 4), dessa planeras att tas bort och ge möjligheter för annat (Bombardier Transportation, 2009a).

4.2 Elmatning

4.2.1 Elektriskt hjälpkraftsystem

Elmatningen från kontaktledningen till järnvägsfordonet hanteras av högspänningssystemet vars uppgift är att mata olika elförbrukare på järnvägsfordonet med hjälp av

huvudtransformatorn (Bombardier Transportation, 2009a). På järnvägsfordonet finns det två hjälpkraftströmriktare som försörjer mellanvagnen med nödvändig ström.

Hjälpkraftströmriktaren (på engelska Auxiliary converter module, även förkortat ACM) är en elektrisk enhet som omvandlar likspänning (1650 VDC) till trefasspänning (3x400 V/50 Hz) med en fast frekvens och amplitud. Kortfattat kan man säga att det är kedjan mellan

fordonets strömförsörjning och konsumenterna. Den är placerad inne i strömriktarlådan som är stationerad under golvet i ändvagnarna M43 och M45. ACM:en kyls med vatten samt internluft och är konstruerad för att hålla de skandinaviska förhållandena vilket omfattar en omgivningstemperatur mellan -40° C till +35° C. (Bombardier Transportation, 2001)

4.2.2 Systemets uppgifter

Hjälpkraftsystemets funktion är att förse elektrisk energi till järnvägsfordonets komponenter så som kompressorer, ventilationssystem, fläktar och batteriladdare. Dess maximala uteffekt ligger på 190 kVA. Hjälpkraftsystemet hämtar energi från ACM:en som i sin tur tar sin energi från en av huvudtransformatorns sekundärlindningar. ACM:en i M43 och M45 matar vardera sin spänning synkroniserat till mellanvagnen T47 (Bombardier Transportation, 2001).

Det finns två olika driftlägen som hjälpkraftsystemet arbetar i. Dessa två är normaldrift och nödläge. Vid normaldrift matar hjälpkraftströmriktaren ut 3×230/400 V, 50 Hz till

tågbussen. Det innebär att hjälpkraftkontaktorn i T47 är sluten. Vid nödläge förser batteriet de viktiga komponenterna som krävs för drift, vilket inte inkluderar laddstationerna.

4.3 Laddningslägen

Elfordon kan laddas med olika laddningseffekter beroende på användningsområde. Det finns tre olika typer av laddningslägen: normal-, semisnabb- och snabbladdning; alla med olika laddningstider, detta kan ses i Tabell 5. Semisnabbladdning, definieras som en snabb

normalladdning och är en definition som används främst för elbilar (Höjevik, 2014). I denna studie appliceras definitionen även för elcyklar.

Tabell 5. Laddningstider för olika laddare och modeller från märket Bosch.

Laddningstid (i timmar) för olika modeller av laddare från Bosch vid både snabb- , semi och normalladdning

Laddare Compact charger (36V, 2A DC) Standard charger (36V, 4A DC) Fast charger (36V, 6A DC) Modell/Laddningslägen Normalladdning Semi-snabbladdning Snabbladnning PowerPack 300 5h 2,5h 2h PowerPack 400 6,5h 3,5h 2,5h PowerPack 500 7,5h 4,5h 3h

4.3.1 Normalladdning

Normalladdning innebär en laddning på låg effekt och innebär oftast en strömtillförsel på 2– 4 A (DC). Därmed varierar effekten mellan 72–121 W sett ifrån nedströmssidan. Denna typ av laddning är mer anpassad för användning vid parkeringar där ett elfordon är ståendes under natten exempelvis vid hemmet (Höjevik, 2014).

4.3.2 Snabbladdning

Denna typ av laddning genererar en hög effekt och därmed blir laddningstiden kortare jämfört med en normalladdning (Höjevik, 2014). Strömtillförseln för en snabbladdare ligger runt 3–6 A (DC) och innebär en effekt mellan 108–216 W sett från nedströmssidan.

4.4 Laddningsinfrastruktur

Teknikutvecklingen av elfordon växer och med det behövs laddningsmöjligheter. Laddningen förekommer oftast i hemmen, i ett vanligt ladduttag. Vid publik laddning används vanligen laddstolpar, laddställningar samt ladduttag, alla med samma funktionalitet med

huvudsakliga skillnaden på design. En laddstolpe erbjuder exempelvis oftast två uttag, medan en laddställning låter dig kunna parkera cykeln samtidigt som man får tillgång till laddning. Den simplaste varianten är ladduttag, som kan beskrivas som ett vanligt uttag som finns i hemmet. Alla dessa modeller är oberoende av väder, däremot finns de uttag som endast är avsedda för inomhusbruk. Det som även kan skilja sig från dessa modeller är att en laddstolpe och en laddställning är oberoende av placering förutsatt att det finns el att dra till platsen, medan ett ladduttag behöver fästas fast mot något exempelvis en vägg. Alla dessa laddningstyper kräver att användaren har tillgång till en egen laddare.

4.4.1 Laddstolpe

Laddstolpar (se Figur 4) är främst avsedda för laddning i utomhusmiljöer och av den orsaken konstruerad i galvaniserat stål med kapslingsskydd på eluttagen (skyddsnivå upp till IP-klass 50). Oftast ingår två uttag. Stolpkonstruktionen innebär att stationen bultas fast beroende på typen av underlag i övrigt är den fristående.

Figur 4. Laddstation av typen laddstolpe. Tillstånd av Hallandsposten och fotograf Roger Larsson (Skoglund, 2009).

4.4.2 Laddställning

Laddställningar erbjuder cykelställ och har därmed en större struktur som kräver större yta, se Figur 5. Ladduttagen är fäst vid ställningen vilket gör det praktiskt för användaren. Beroende på tillverkarens specifikationer kan denna appliceras i inomhus- och

utomhusmiljöer.

4.4.3 Ladduttag

Kompakt storlek relativt de tidigare nämnda modellerna. Till skillnad från andra typer kräver denna att monteras fast på vägg. Ett ladduttag kan även innebära ett vanligt jordat uttag i hemmet vilket kan ses i Figur 6 nedan.

Figur 6. Ett exempel på laddning ur ett vanligt jordat uttag. Bild av Markus Spiske med tillstånd från Pixabay (markusspiske, n.d).

4.5 Elmatningsdimensionering

Ett godtyckligt elcykelbatteri kräver ungefär 36 V och 6 A spänning respektive ström, därmed är effektbehovet som krävs för en eller flera laddstationer relativt lågt, med avseende på hjälpkraftsystemets effektkapacitet. Utifrån antagandet att verkningsgraden på en

batteriladdare är 90% (dock varierar detta mellan tillverkare) där resterande 10% motsvarar en effektförlust, krävs därmed 10% högre effekt för att uppfylla effektbehovet.

4.6 Montering

Interiören hos järnvägsfordon, avsedda för kommunal trafik, bedöms som en inomhusmiljö dock med tillkommande säkerhetskrav på grund utav samtliga påfrestningar. Utifrån de risker som kan förekomma ombord krävs en något högre kapslingsklass, än vad som gäller

Tabell 6. Kapslingsklass indelad i isolerande- samt vattenavstötande förmåga (IEC 62262:2002).

Kapslingsklassning indelad i isolerande- samt vattenavstötande förmåga. Specifikation

Isolerande (objekt < 12 mm)

Isolerande

(objekt < 1 mm) Dammskärmat Dammtätt

Oskyddad IP20 IP40

Droppsäker IP21

Regnavstötande IP23 IP43

Sprutsäker/sköljsäker IP44 IP54

Spolsäker IP45 IP55 IP65

Spolsäker högt tryck IP66

Vattentät IP67

För att montera ett uttag till vagnens väggpanel krävs en monteringsplåt på insidan av väggstrukturen. Monteringsplåten ska vara skyddsjordad i enlighet med säkerhetskraven som gäller för järnvägsfordon. Av den anledningen används jordkutsar för korrekt utförd jordning. Monteringsplåtar och samtliga jordkutsar ska vara av rostfritt stål vid fallet då korgen är av rostfritt material. På så sätt skyddas konstruktionen mot exempelvis korrosion.

5 RESULTAT

I följande avsnitt beskrivs framtagna resultat baserat på den aktuella studien. Avsnittet inleds med kartläggningen ombord på studieobjektet. Därnäst presenteras elmatningens

systemuppbyggnad med avseende på elektrisk dimensionering av konceptet, så som infrastruktur, installations- och monteringskrav.

5.1 Layout ombord

Resultatet är utformad för att installera en grupp om tre uttag, med elmatning draget från elskåpet K3 i vagn T47. Vid ett större behov kan ytterligare laddstationer installeras, genom en ny elmatning från samma elmatningskälla eller påbygga ladduttag på redan befintlig grupp. Därmed kan antigen ett eller samtliga placeringsalternativ utnyttjas, som presenteras i Figur 7 (se röd markering). Alternativa platser för laddstationerna är tänka att placeras mellan fönsterna för att vara lättåtkomliga för cykelanvändarna, då dessa platser är avsedda för cyklar (se Figur 8).

Figur 8. Insidan av flexutrymmet i T47 med utritade ladduttag för alternativa placeringar för laddstationerna.

5.2 Kartläggning: Elmatning

Figur 9. Principskiss av elmatningen från källa (indikerad PI.K3) till en laddstation i flexutrymmet.

Efter vidare evaluering bedömdes det att elmatningskällan ska hämtas från elskåpet K3 (illustrerad i Figur 9), belägen inne i T47. Fördelar med elmatning som hämtas från elskåp K3 är dels befintliga DC/AC-omvandlare med en matning på 230V, 50 Hz AC, dessutom medföljer en jordfelsbrytare i elskåpet. Övriga elskåp i vagnen matar enbart ut 110V DC, vilket ej är kompatibelt med marknadens elcykelladdare och därmed skulle en DC/AC omvandlare behövas installeras. Elskåpet kan även generera den effekt som krävs för

laddstationen. Elcykelladdning är enbart tillgängligt vid normal drift. I övriga driftfall, såsom nödläge, prioriteras ej detta.

I Bilaga 1 visas ett detaljerat kretsschema för elskåpet K3 och dess matning till övriga

komponenter i järnvägsfordonet. Laddstationen hämtar sin matning genom att koppla vidare på befintligt kablage 773401, 773402, 773403, där 773403 är jordning. I Bilaga 2 visas istället ett kretsschema från matning till laddstationen ute i flexarean. Gruppen är avsäkrad med 10A för att skydda ingående komponenter efter säkringen (kablage och uttag). En

personskyddsautomat (jordfelsbrytare) på 30 mA, som är kombinerad med säkringen,

skyddar användare vid jordfel (kortslutning, beröring av strömförande del). I kretsschemat är det uppritat tre streckade rektanglar som representerar tre medtagna batteriladdare

kopplade till varsitt uttag.

En vidare koppling längs existerande kablage inne i hatthyllan och sedan ut till flexutrymmet där laddstationen ska placeras har även undersökts. Elmatningsgruppen som leds via

hatthyllan går till resenärers eluttag, avsedd för laddning av elektronisk utrustning, så som datorer och telefoner. Huvudsakliga nackdelen med lösningen av detta slag är begränsning av mängden strömtillförsel, då elmatningsgruppen är avsäkrad med 10A och fördelas mellan samtliga användare anslutna till gruppen. Det totala effektbehovet, tillsammans med elmatningen för elcyklarna riskerar att överskrida elmatningsgruppens kapacitet (2,3kW).

5.3 Laddningsinfrastruktur

Laddstationerna som tidigare har granskats har visat sig ha samma funktion, med främst skillnad på design. Därmed har man valt att gå vidare med att använda ett vanligt ladduttag. Grunden till valet är att bibehålla passagerarflödet med avseende på brandutrymningsväg, bevaring av befintliga sittplatser samt passage för funktionshindrade. Dessutom ska det finnas plats åt större bagage och barnvagnar.

Uttagen som används ska vara jordade, i enlighet med giltiga normer och standarder. Interiörmiljön i järnvägsfordonet definieras som inomhus, dock krävs ytterligare

säkerhetsåtgärder för att täcka riskerna som kan tillkomma. Därmed väljs ladduttag av IP-klass 21, innebärande isolerande samt skydd mot droppande vatten.

5.4 Laddningstyp

Med dagens teknik är det möjligt att erbjuda snabbladdning för resenärerna som själva medtar en snabbladdare. Ett elcykelbatteri med en tillhörande normalladdare är till stor del oberoende av mängden strömtillförseln som ges ifrån ladduttaget, eftersom laddaren endast tar emot den ström som tillåts (utifrån tillverkare). Alternativet hade varit att erbjuda resenärer en universal adapter som snabbladdar, men eftersom olika tillverkare inte har samma uttag, precis som övrig elektronik kommer snabbladdningslösningen i sådant fall endast rikta in sig på vissa modeller.

5.5 Elmatningsdimensionering

Följande sektion presenterar effektbehovet för en kopplingsgrupp om tre uttag, baserat på ett godtyckligt elcykelbatteri. Samtliga beräkningar baserades på Ohms lag ( ).

För en laddstation, räknat med tre inkopplade elcykelbatterier, krävs en effekt på 648W, räknat utifrån ett batteri med motsvarigheten på nedströmssidan på 6A och 36V DC. För att kompensera effektförlusten krävs istället en total effekt på 713W (effektivvärde) per

laddstation. Detta motsvarar på uppströmssidan en ström och spänning på 3A respektive 230V AC. En sammanställning av spänning-, ström- och effektbehovet för en eller flera laddstationer presenteras i Tabell 7.

Tabell 7. Spänning, ström och effekt för en eller flera laddstationer

Spänning, ström och effekt för en eller flera laddstationer

Antal laddstationer 1 2 3 Antalet laddningsmöjligheter 3 6 9 Spänning (Uppströms) 230V AC 230V AC 230V AC Ström (Uppströms) 3A 6A 9A

Effekt (inkluderat förlust)

713 W 1430 W 2140 W

Resultatet i Tabell 7 redogör den totala ström- samt effektmatning som krävs på

uppströmssidan. Det är viktigt att notera att laddstationerna är kopplade på varsin matning från elskåpet K3. I praktiken är det möjligt att koppla in många fler ladduttag på samma matning, men strömtillförseln blir då reducerad och konceptet har därmed tappat sin funktion.

5.6 Montering

Utifrån förutsättningarna ombord på studieobjektet och medföljande flexutrymme; ska samtliga ladduttag vara tillverkade av plast, avsedda för inomhusmiljö. Utifrån de risker som kan förekomma ombord anses kapslingklass IP 21 uppfylla skyddsbehovet. Det innebär skydd mot inträngande av fasta föremål samt skydd mot droppande vatten. En lösning avsedd för allmän applicering på olika järnvägsfordon kan kräva en starkare konstruktion, därmed ett materialval av metall.

För att montera fast ett sådant uttag till vagnens väggpanel krävs det en monteringsplåt på insida vägg. Skruvar används för att montera fast monteringsplåten i väggen.

Monteringsplåten ska vara skyddsjordad i enlighet med säkerhetskraven för järnvägsfordon. Av den anledningen används två jordkutsar för korrekt utförd jordning. En jordkuts ska svetsas direkt på monteringsplåten och en jordkuts ska svetsas fast mot korgen. En skruv monterad på jordkutsen är kopplad till en jordningsledare som i sin tur är kopplad till ytterligare en jordkuts. Monteringsplåten och samtliga jordkutsar ska vara av rostfritt stål på grund utav att korgen är rostfri och därmed skyddas konstruktionen mot korrosion

Figur 10. Principskiss av montering och samtliga komponenter som krävs. Uttagen är endast en demonstrering i förhållande till monteringsplåten.

5.7 Säkerhetsåtgärder

Man har i denna studie kommit fram till att ladduttagen ska ha personsskyddsbrytare kombinerade med en 10A säkring (se Bilaga 1) då detta uppfyller både säkerheten för personskada och kabelskydd. Hela gruppen ska vara säkrad parallellt, med anledningen att standardiserad elinstallation för ett järnvägsfordons interiör (exempelvis lässlampor) följer detta. Kopplingen innebär att gruppens komponenter fortsätter fungera exempelvis om en kabel går sönder vid ett uttag, men vid ett jordfel eller vid överskridning av tillåtna

effektuttaget som är 2,3kW, slår jordfel

sbrytaren eller säkringen ut.

Vid möjliga risker som uppstår vid användning av laddstationerna ombord på tågfordonet, blir det svårt för fordonsägare att kontrollera säkerheten särskilt om batteriet i sig är i dåligt skick eller att kabeln är trasig. För att laddningen ska kunna genomföras på ett säkert sätt krävs det tydlig information vid uttaget, angående vilka regler och förhållanden som är aktuella vid laddning av elcykelbatteriet. Först och främst läggs ansvaret hos resenären för handhavande som går emot batteritillverkarens rekommendationer.

6 DISKUSSION

Denna studie rapporterar på applikationen av elcykelladdning ombord på järnvägsfordon som konceptet, riktad åt att bedöma (1) hur en teoretisk dimensionering av

laddningskonceptet för tåg bör se ut inom ramverket för europeiska järnvägsfordon; (2) vilka fördelar medför konceptet; (3) vilka nackdelar och problemområden finns; och (4) huruvida säkerheten ombord på järnvägsfordonet påverkas

6.1 Teoretisk dimensionering av laddningskonceptet

Uttagen ska placeras strax ovanför befintliga fällsätena i flexutrymmet, och vara belägna nära rullbältena; för att säkerställa enkel åtkomst vid bruk. Mer fördelaktiga lösningar har ej påträffats. Uttagen ska monteras på baksidan av väggstrukturen inuti flexutrymmet. Elskåpet K3 belägen i T47 ska användas som elmatningskälla av den anledningen att det är den enda matningskällan med 230V 50 Hz AC utmatning. Övriga elskåp matar ut 110V DC och kräver en installation av en DC/AC omvandlare (ej förmånligt för fordonsägare på grund utav kostnad). Alternativa lösningar framställda i sektion 5.2, är belägna längre bort från

laddstationen. De kräver mer kabeldragning samt upptar en större yta inuti fordonets väggar. Gällande kapslingskravet har IP-klass 21 valts för samtliga uttag, för att ge tillfredställande skydd mot miljön då den valda placeringen är så pass högt att den skyddar mot övriga påfrestningar. För elmatningen från K3 till laddstationen avsäkras grupen med en 10A-säkring kompletterad med en personskyddsbrytare i en 230V-matning och en effekt på 2,3kW. Grunden till detta är uppfyllandet av säkerhetskraven. Vid fallet där mer effekt krävs, behövs också en högre ström (spänningen är konstant), vilket kräver en större kabelarea. Därmed är det fördelaktigt att använda en 10 A-säkring vid denna spänningsmatning, då en standard 1,5 mm2_{-kabel kan utnyttjas.}

Elmatningen kan ske genom olika typer av laddstationer för detta koncept krävs dock en laddningsinfrastruktur som bevarar ett bra passagerarflöde och samtidigt bevarar antalet sittplatser. Utifrån tidigare nämnda laddningsinfrastrukturer (se sektion 3.6), visar sig dessa uppfylla samma funktion med framförallt konstruktion som största skillnad. Därav anses vanliga ladduttag uppfylla funktionalitet och krav från fordonsägaren. Konceptet är både applicerbart för snabbladdning och normalladdning, men huvudsakliga syftet är att erbjuda resenärer snabbladdning då det ger störst värde för resenärer som reser en kortare

pendlarsträcka med tåget. Snabbladdning är dock inget som kan garanteras för en resenär, då detta är upp till användaren själv att tillhandahålla en egen adapter som tillåter

snabbladdning.

Med tillgång till 10A AC vid 230V, det vill säga en effektkapacitet på 2,3kW från

elmatningskällan ombord finns det god marginal för samtidig laddning på olika sätt. Med tre snabbladdare ges en spänning respektive ström på 36V DC och 6A sett från nedströmssidan; inräknat med förluster fås ett effektuttag på 713W. Det betyder att snabbladdningsfunktionen fortfarande kan bevaras även om sex resenärer snabbladdar. I praktiken är det fullt möjligt

separata matningar från elskåp K3, för att på så sätt generera ännu fler laddningsmöjligheter. Dock kräver alternativet mer kablage och utrymme vid insida vägg såväl som i elskåpet. Tågoperatörer kan dock inte säkerställa att resenärer inte kopplar på andra komponenter än laddarna för elcykelbatterierna som då kanske kräver ett större effektuttag. Vid ett sådant tillfälle skulle därmed säkringen gå som resulterar i att ingen kan ladda, eftersom kretsen är dimensionerad för 2,3kW.

De tidigare punkterna resonerar enbart kring effektaspekterna, men vid denna typ av installation bör hänsyn tas till krav från fordonsägaren (såsom passagerarkapacitet, passagerarflöde, tillgänglighet för alla passagerargrupper och utrymningsväg). Därmed valdes, genom sammanställning av alla förenämnda faktorer, en laddstation bestående av tre ladduttag. Detta också med tanke på att det aktuella behovet vid tiden av denna studie bedöms okänt.

Olika järnvägsfordon har olika trafikuppgifter, varav en del kräver mer tåliga konstruktioner. Ett exempel är pendeltåg vars trafikuppgift innebär större påfrestningar. Påfrestningar innebär exempelvis passageraflöde (på- och avstigningar) och övriga påfrestningar, såsom avsiktliga sparkar mot uttag och inredning, samt vandalisering. I sådana fall krävs material av metall på uttagen, då metall inte spricker på samma sätt som plast, och med en robust konstruktion kan åtkomst till elektroniska utrustning undvikas.

6.2 Eventuella fördelar med elcyklar och järnvägstrafik

Konceptet har i denna studie tagit hänsyn till studieobjektet OTU:s specifikationer, såsom layout och hjälpkraftskapacitet. Framtagna åtgärder är i enighet med aktuella normer,

standarder och krav för europeiska järnvägsfordon. Vid tillämpning på andra järnvägsfordon, gäller främst uppfyllandet av säkerhetsstandarder, normer och krav för respektive fordon. Effektbehovet bör ej anses som ett hinder, varken för studieobjektet eller andra

järnvägsfordon, då effektförbrukning för en laddstation är nästintill försumbar relativt existerande effektkapacitet. Inom Europa finns det flertal tågbolag som tillåter

ombordtagning av cyklar (se sektion 1.1). Detta indikerar att möjligheterna existerar på andra järnvägsfordon, utöver OTU.

Vid en kombination av elcykel och järnväg, som en ersättning för bilfärder, kan stora reduktioner av koldioxidutsläpp uppnås (Västtrafik AB, n.d). Marken som används för biltransporter kan istället utnyttjas för en bättre stadsmiljö som potentiellt kan förbättra folkhälsan (exempelvis via reducering av utsläpp). Hälsonyttan stärks även vid användning av elcykel då betydligt mer motion fås, i jämförelse med bilanvändning. Fysisk inaktivitet kan ge upphov till sjukdomar och medföljande vårdkostnader för samhället.

framförallt öppnas nya möjligheter för resenärer som i dagsläget inte kan ta sig till

arbetsplatsen utan bil. Även resenärer som saknar tillgång till bil kan utöka sitt resande och därmed öka deras dagliga räckvidd i samhället såsom arbetsort.

Vid laddning på offentliga platser är stölder av batterier ett stort problem. Folksam fastslår att det förekommer en ökning av cykelstölder och främst ser man en ökning hos elcyklar. Framförallt gäller stölderna batterierna då de flesta är avtagbara och värdefulla. Vid laddning av en elcykel på en offentlig plats kan det vara svårt att undvika denna typ av stöld (Cision, 2019). Att istället ladda ombord på tåget tillåter uppsikt över ens elcykel, vilket medför en trygghet för användaren.

En fördel med konceptet är elcykelns potentiella påverkan på bilisteres resebeteende då bilägare är den huvudsakliga målgruppen. Enligt en undersökning var de bilisterna som cyklade minst, som var mest intresserade av att börja använda sig utav en elcykel. De tyder på att bilanvändare är villiga att byta ut befintliga resvanor mot mer hållbara färdsätt. Utöver detta har man funnit att andelen elcykelturer typiskt ersätter bilanvändning där pendling ansågs som det dominerande syftet (se sektion 3.7). Det finns därmed ett starkt underlag för elcykelns positiva påverkan på resebeteendet hos bilister.

6.3 Säkerhetspåverkan av installationen

Upphandlingar och lagar kräver att viktiga säkerhetskrav ska uppfyllas för publika järnvägstransporter. Därav ingår det att alla järnvägsfordon i Europa ska ha samma

säkerhetsskydd som motsvarar dess trafikuppgift; alla fordon ska enbart föra fram ändringar som godkänns och uppfyller kraven.

Fordonsägare har det stora ansvaret att uppfylla samtliga standarder, normer och krav. Detta ansvar sträcker sig från elmatningskällan fram till laddstationen och dess användning; proaktiva konstruktioner ska skydda från felhantering av samtliga uttag. Man utgår från en så kallad överbeskyddande konstruktion som täcker samtliga faktorer och risker (se sektion 3.2) som kan förekomma ombord.

Förekommande fel från uppströmssidan, som hjälpkraftsystemet, bör ej vara märkbart utöver att ingen effekt tillförs nedströms. Nedströmssidan skyddar samtlig elutrustning och användare med en säkring och personskyddsbrytare. De skyddar kablage, uttag och personer vid denna sida av kretsen.

För resenärer gäller ansvaret att följa de råd och instruktioner som gäller vid användning av laddstationen. För en proaktiv lösning bör man ge tydliga instruktioner i närheten av laddstationen, för att användningen av utrustningen ska hållas säker.

6.4 Nackdelar och problemområden

I tidigare avsnitt har man introducerat eventuella fördelar med denna typ av installation dock bör dessa övervägas mot samtliga nackdelar och problemområden, vilket diskuteras i denna sektion.

Behovet av konceptet avgörs i stort utifrån dess förmåga att uppfylla en funktion för samhället då elcyklar kan laddas i hemmet. En viktig faktor är användarbeteendet med elcyklar och vilken utsräckning de nyttjas. Detta kan eventuellt vara anledningen till att destinationsladdning för elcyklar inte finns i en tillräcklig omfattning idag.

Om brandriskerna är alltför stora kan tågbolagen eventuellt behöva förbjuda laddning ombord. Ökad brand- och explosionsrisk uppstår för batteriet vid överhettning, ett resultat av påtvingad snabbladdning när batteriet ej är tillverkat för detta. Därmed behöver det skapas ladduttag som klarar av säkerheten och funktionaliteten för resenärer med

snabbladdning. En potentiell lösning kan vara ett införande av laddskåp som omfattar en ökad brandsäkerhet. Laddskåpen tillverkade av Vindico påstås minska både brand- och stöldriskerna (Holmström A. , 2020). För studieobjektet kan ett sådant placeras där varuautomaterna står idag; varuautomaterna är planerade för borttagning.

7 SLUTSATSER

Denna rapport presenterar resultatet av en teoretisk konceptutveckling för elcykelladdning ombord på järnvägsfordon. Efter avslutad studie har man fastställt att potentialen finns för att införa konceptet ombord på studieobjektet samt övriga järnvägsfordon.

I detta koncept har man utgått ifrån att införa endast en laddstation bestående av en grupp om tre uttag, som därmed tillåter tre resenärer att ladda sitt elcykelbatteri samtidigt. Man har även dimensionerat för möjligheten att installera fler laddstationer om behovet finns. Däremot kan enbart två laddstationer vara kopplade på samma matning, för att bibehålla snabbladdningsfunktionen. Tekniskt sett finns möjligheten att installera fler laddstationer dock inte på samma matning, eftersom strömtillförseln reduceras och därmed kan inte snabbladdning garanteras.

Laddstationen är även utformad för att kunna erbjuda resenärer snabbladdning, vilket motsvarade ett effektbehov på 713 W (inkluderat förluster). Den lämpligaste infrastrukturen är vanliga ladduttag avsedda för inomhusmiljö. Elmatningskällan till laddstationen valdes att hämtas från elskåpet K3 i T47. Uttagen för laddstationen monteras fast mot väggen strax ovanför fällsäten, för att vara lättillgängliga för användarna. Ett robustare alternativ innebär ett materialval av metall för uttagen; krävs för järnvägsvagnar som utsätts för större

påfrestningar i trafiken. Monteringen innebär då att uttagen fästs fast mot en metallplåt, som monteras inuti fordonets väggpanel. Jordkutsar svetsas fast både på metallplåten och i vagnskorgen för anslutning av jordkabeln. Detta för att uppfylla säkerhetskraven ombord på järnvägsfordonet.

Införandet av konceptet kan medföra en negativ påverkan på säkerheten. För att förebygga detta finns både en säkring samt en personskyddsbrytare som skyddar både användare och elutrustning. Däremot finns ingen möjlighet att förebygga farorna med själva batteriet och dess kondition. Här läggs främst ansvaret på resenärerna att följa de förhållningsregler som gäller för respektive elcykelbatteri och laddare. Tågoperatör och fordonsägare måste uppfylla de standarder, normer och tekniska krav som gäller för europeiska järnvägstransporter. Det huvudsakliga målet med utvecklingen av detta koncept är att förebygga

koldioxidutsläppet som orsakas av biltrafiken. Detta ska då uppnås via framtagning av alternativa transportlösningar. I det här fallet via en installation av laddstationer för elcyklar ombord på järnvägsfordon, som en metod för att främja dessa två hållbara färdmedel.

8 FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE

8.1 Alternativa säkerhetsåtgärder

Säkerhetspåverkan ombord är konceptets huvudsakliga problemområde, och med lämpliga åtgärder kan denna påverkan sannolikt minimeras. I sektion 6.4 introducerades laddskåp konstruerade av Vindico som reducerar brand- och stöldrisker. En granskning huruvida säkerheten faktiskt främjas av dessa laddskåp kan vara en fortsatt studie som kunnat bidra till en säkrare laddning ombord.

Oavsett om det finns tydliga restriktioner för laddning av elcykelbatterier och att resenärer följer samtliga rekommendationer som gäller för respektive elcykelbatteri, kvarstår ändå risken för överhettning vid felaktigt handhavande eller trasigt batteri. En timer på

laddstationen kan reducera denna risk genom att laddningstiden kontrolleras under en viss period.

8.2 Behov av koncept

Man har tidigare sett att ombordtagning av cyklar förekommer främst under sommaren. Behovet av konceptet är därmed svårt att avgöra, med tanke på att denna typ av applikation inte finns i dagsläget. Det man kan konstatera är att möjligheter finns redan för laddning av en elcykel i hemmet, vilket eventuellt kan täcka laddningsbehovet. En

marknadsundersökning riktad främst mot bilister, men även andra relevanta målgrupper kan därmed avgöra behovet.

Att uppmuntra ökad användning av elcyklar kan vara en positiv konsekvens av denna typ av koncept. Frågan är om samma trend kan åstadkommas bättre via andra medel. Att erbjuda elcyklar för provning under kortare perioder har visat ge ett ökat intresse för köp av elcykel (Fyhri, Sundfør, Heinen, & Fearnley, 2017). Det kan vara att det inte är räckvidden av en elcykel som hindrar folk att använda elcyklar (eller vanliga cyklar) utan möjligheten eller enkelheten att ta med den ombord på kollektivtrafik. Här kan fler låggolvsytor på vagnen samt mer funktionella flexutrymmen möjligen få fram liknande, om inte bättre, resultat.

8.3 Betalningstjänst i framtiden

Utifrån denna studie rekommenderas det att elcykelladdning ombord bör hållas kostnadsfritt för resenärer, åtminstone vid dess introduceringsfas. Anledningen till detta är att resandet

kostnad för laddning kan ge upphov till ett komplext betalningssystem för tågoperatörer, så väl som resenärer, exempelvis vilken kostnad som sätts i förhållande till laddningstiden behöver tas i hänsyn. Detta är dock upp till varje tågoperatör att avgöra om det bör införas eller ej, samt hur betalningskonceptet bör se ut.

Införandet av framtida betalningstjänster har stor potential till att bli ekonomiskt lönsamma för tågoperatörer. Effekten som krävs för att driva laddstationerna är väldigt låg relativt hjälpkraftens effektkapacitet. Detta i kombination med dagens elpriser bör det ej bidra med en stor driftkostnad. Vid eventuella fallet att populariteten av konceptet är säkerställd, kan tågoperatörer exempelvis införa bokningsbetalning för att garantera en plats hos en laddstation. Konkurrens för laddstationer kan då anses som fördelaktigt.

8.4 Möjligheten för övrig kollektivtransport

Det är även av intresse att undersöka möjligheterna för tillämpning av konceptet på övrig kollektivtransport. Specifikt för denna studie, är konceptet mest lämplig för spårfordon (exempelvis regionaltåg och spårvagn), på längre sträckor som har nödvändig elmatning att förse laddstationerna med. Utrymme för att transportera cyklar och befintlig låggolvsyta är fördelaktigt, för att göra det behändigt för elcykelpassagerare. Därmed är buss ej tillämpbart.

9 REFERENSER

Arkelsten, B. (den 23 11 2016). Laddstolpar för elcyklar. Hämtat från Insyn Sverige: https://insynsverige.se/documentHandler.ashx?did=1874383

Balakrishnan, P. G., Ramesh, R., & Kumar, T. P. (2005). Safety mechanisms in lithium-ion

batteries. Hämtat från https://krc.cecri.res.in/ro_2006/066-2006.pdf

Battery University. (den 18 09 2017). How to Charge Li-ion with a Parasitic Load. Hämtat från Battery University:

https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_charge_li_ion_with_a_parasiti c_load

Behrendt, F., Cairns, S., Raffo, D., Beaumont, C., & Kiefer, C. (2017). Electrically-assisted

bikes: Potential impacts on travel behaviour. Transportation Research Part A: Policy

and Practice. Hämtat från

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0965856415301865

Bengtsson, J. (den 12 12 2019). Territoriella utsläpp och upptag av växthusgaser. Hämtat från Naturvårdsverket: https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Statistik-A-O/Vaxthusgaser-territoriella-utslapp-och-upptag/

Bergstrand, K. (den 07 05 2017). Cykel och kollektivtrafik. Hämtat från Samtrafiken:

https://samtrafiken.se/wp-content/uploads/2017/05/Cykel-och-kollektivtrafik_f%C3%B6rstudierapport_2017-05.pdf

Blondel, B.; Mispelon, C.; Ferguson, J. (2011). CyCle more often 2 Cool down the planet! Hämtat från https://ecf.com/sites/ecf.com/files/ECF_CO2_WEB.pdf

Bombardier Transportation. (2001). Systembeskrivning. Hjälpkraftsystemet OTU. Bombardier Transportation. (2009a). Fordonsbeskrivning. Oeresund Train Unit. Bosch. (n.d). BOSCH BATTERIER. Hämtat från Bosch:

https://www.bosch-ebike.com/se/produkter/batterier/

British Standards Institution. (2017). BS EN 50155 Railway applications - Rolling stock -

Electronic equipment.

British Standards Institution. (u.d.). BS EN 50343:2014, Railway applications - Rolling

stock - Rules for installation of cabling .