Bidirectioneel laden van EV's

Bidirectioneel laden stelt een EV in staat elektrische energie te leveren én te ontvangen. De bruikbare mogelijkheid hangt af van de bestemming van die energie: een draagbare verbruiker, een ander voertuig, een geïsoleerd gebouw of het openbare elektriciteitsnet.

De namen definiëren verschillende systemen

“V2X” is een overkoepelende term. De gangbare gebruiksscenario's zijn niet onderling uitwisselbaar:

V2L — vehicle to load: het voertuig voedt apparaten of gereedschap via een ingebouwd stopcontact of een adapter.
V2V — vehicle to vehicle: het ene voertuig levert energie aan het andere, doorgaans met beperkt vermogen.
V2H — vehicle to home: het voertuig voedt een woning, normaal gesproken via omschakel- en isolatieapparatuur.
V2B — vehicle to building: het voertuig ondersteunt een grotere locatie of geselecteerde stroomkringen van een gebouw.
V2G — vehicle to grid: het voertuig levert energie terwijl het onder controle van de netbeheerder en de markt met het openbare net is gesynchroniseerd.
V1G of beheerd laden: de energie stroomt nog steeds alleen het voertuig in, maar het tijdstip of vermogen wordt geregeld om de locatie of het net te ondersteunen.

Voor V2L is mogelijk geen vaste installatie nodig buiten het goedgekeurde stopcontact van het voertuig. V2H en V2B vereisen een veilige integratie met het gebouw. V2G voegt netaansluiting, toestemming, telemetrie en een levensvatbare dienst of tarief toe.

Twee hoofdarchitecturen voor conversie

De tractiebatterij slaat DC-energie op. Het geëxporteerde vermogen kan in of buiten het voertuig worden omgezet.

AC-export vanuit het voertuig

Een bidirectionele omvormer in het voertuig genereert AC. Die wisselstroom kan het volgende voeden:

Een fabrieksmatig ingebouwd stopcontact
Een connectoradapter met één of meer contactdozen
Een compatibele AC-laadpoort
Een vast systeem voor integratie met de woning

Dit kan de hoeveelheid vermogenselektronica in externe apparatuur verminderen, maar het voertuig moet spanning en frequentie van netkwaliteit, beveiliging, stroombegrenzing en de beoogde bedrijfsmodus leveren.

Externe DC-conversie

Een bidirectionele DC-lader maakt via de DC-interface van het voertuig verbinding met de tractiebatterij en bevat de omvormer die AC produceert. Zo kan een woning, gebouw of net worden bediend terwijl meer conversiehardware stationair blijft.

Het voertuig, de lader, het communicatieprotocol en de installatie moeten dezelfde exportimplementatie ondersteunen. Een auto die met V2L wordt geadverteerd, is niet automatisch compatibel met een bidirectionele DC-wallbox, en een aansluiting die de normen ondersteunt, bewijst niet dat de voertuigsoftware V2G mogelijk maakt.

V2L: draagbaar vermogen

V2L is het minst complexe exportscenario, omdat het lokale verbruikers voedt in plaats van parallel aan het net te werken. Gangbare implementaties bieden een huishoudelijk stopcontact in het interieur, in een laadruimte of via een adapter bij de voertuigaansluiting.

Het V2L-vermogen wordt beperkt door de omvormer, uitgangsspanning en stroom van het voertuig. De aanloopstroom van motoren, compressoren, pompen, verwarmingstoestellen en elektrisch gereedschap kan hoger zijn dan hun verbruik tijdens bedrijf. Zowel de vermelde continue limieten als de kortdurende limieten zijn belangrijk.

Voed een woning niet terug via een gewoon wandstopcontact. Een goedgekeurd V2H-systeem moet voorkomen dat het voertuig tijdens een stroomstoring spanning op de leidingen van de netbeheerder zet en moet de nulleider, aarding, foutbeveiliging en overgang tussen netgekoppeld bedrijf en eilandbedrijf beheren.

V2H en V2B: een mobiele noodbatterij

Een systeem voor een gebouw omvat normaal gesproken:

Een compatibel bidirectioneel voertuig
Een compatibele EVSE of vermogensconversie-eenheid
Een omschakelaar of gateway voor netscheiding
Beveiligde stroomkringen voor kritieke belastingen of een aansluiting voor het hele gebouw
Meting en energieregeling
Een instelling voor de reservelaadtoestand
Inbedrijfstelling volgens lokale regels voor elektriciteit en netaansluiting

Wanneer het net uitvalt, moet het systeem het gebouw van de netbeheerder loskoppelen voordat het een lokaal elektrisch eiland vormt. Deze anti-eilandgrens beschermt mensen die aan de leidingen werken en voorkomt ongecontroleerde heraansluiting. Wanneer het net terugkeert, moeten spanning, frequentie en omschakeling worden beheerd voordat het normale bedrijf wordt hervat.

Het vermogen en de energie van de noodvoorziening beantwoorden verschillende vragen. Het vermogen bepaalt welke belastingen gelijktijdig kunnen werken; de energie bepaalt hoe lang ze kunnen werken.

Neem als voorbeeld een batterij van 75 kWh waarbij de bestuurder 30% reserveert voor mobiliteit en nog eens 10% toestaat voor conversieverliezen en bedrijfsmarge. Er blijft ongeveer 45 kWh over voor belastingen. Bij gemiddeld 1 kW is dat ongeveer 45 uur; bij 5 kW ongeveer 9 uur. De werkelijke resultaten variëren door het rendement van de omvormer, het stand-byvermogen, de temperatuur, voertuiglimieten en een veranderende huishoudelijke vraag.

Grote belastingen kunnen het exportvermogen overschrijden, zelfs wanneer er nog veel energie beschikbaar is. Een woning kan belastingen moeten afschakelen, zoals weerstandsverwarming, elektrische waterverwarming, koken, airconditioning of meerdere motoren.

V2G: exporteren terwijl het voertuig met het net is verbonden

V2G is niet simpelweg V2H met de omschakelaar dicht. Netparallelle export moet met het elektriciteitssysteem worden gesynchroniseerd en voldoen aan lokale eisen voor spanning, frequentie, arbeidsfactor, anti-eilandbeveiliging, storingsreactie en bediening op afstand.

De volledige keten kan het volgende omvatten:

Certificering van het voertuig en de bidirectionele lader
Beoordeling van de netaansluiting door de netbeheerder en toestemming om te werken
Een tarief of marktprogramma dat export toestaat
Een aggregator die veel voertuigen coördineert
De planning van bestuurders, minimumreserve en vertrekbehoeften
Veilige communicatie en meting
Vergoeding voor energie, capaciteit, vraagrespons of netdiensten

De apparatenlijst van de California Energy Commission illustreert het onderscheid tussen technische capaciteit en toestemming: de vermelde apparatuur kan bidirectioneel bedrijf ondersteunen, maar de klant moet nog steeds het aansluitingsproces van de netbeheerder doorlopen en toestemming verkrijgen voordat er mag worden geëxporteerd.

V2G kan sneller reageren dan een menselijke bestuurder en veel geparkeerde voertuigen bundelen. De beschikbaarheid is echter onzeker omdat auto's zich verplaatsen. Een netdienst moet de primaire transportfunctie respecteren en kan niet aannemen dat elke ingeschreven batterij is aangesloten.

De normenketen

Geen enkele norm vormt op zichzelf een volledig bidirectioneel systeem.

ISO 15118-20 definieert communicatieberichten en -sequenties tussen voertuig en EVSE voor bidirectionele energieoverdracht.
OCPP 2.1 voegt functies tussen lader en beheersysteem toe voor bidirectioneel laden en de regeling van gedistribueerde energiebronnen.
UL 9741/CSA 348 behandelt bidirectionele apparatuur voor de export van EV-vermogen in Noord-Amerika.
UL 1741 en lokale netcodes behandelen het gedrag van omvormers en netaansluitingen in de betreffende Noord-Amerikaanse toepassingen.
Nationale installatievoorschriften, procedures van netbeheerders, tarieven, cyberbeveiligingseisen en productgoedkeuringen completeren de installatiegrens.

Compatibiliteit met normen vermindert het integratierisico, maar bewijst geen interoperabiliteit van begin tot eind. Ook de voertuigsoftware, laderfirmware, certificaatecosystemen, back-endimplementatie en regels van de netbeheerder moeten op elkaar aansluiten.

Efficiëntie, kosten en batterijgebruik

Elke heen-en-terugcyclus verliest energie. AC van het net kan tijdens het laden worden omgezet in DC voor de batterij en tijdens de export weer in AC, met extra verbruik door het voertuig, de kabel, thermische systemen en stand-byfuncties. Een berekening voor prijsarbitrage moet het volgende omvatten:

Importprijs en exportvergoeding
Efficiëntie van de volledige cyclus
Netkosten en kosten voor piekvraag
Benodigde hardware en installatie
Vergoedingen voor beschikbaarheid binnen het programma
De waarde van noodstroom
De energiedoorvoer door de batterij

Batterijdegradatie kan niet worden gereduceerd tot “V2G is schadelijk” of “V2G is gratis”. Extra energiedoorvoer verbruikt een deel van de levensduur in cycli van een batterij, terwijl de temperatuur, het venster van de laadtoestand, de stroom, de tijd met een hoog laadniveau en de celchemie het resultaat beïnvloeden. Beheerde export kan langdurige opslag met een hoge SOC soms vermijden, maar het resultaat hangt af van de regelstrategie.

Bestuurders moeten een mobiliteitsreserve instellen en de voertuiggarantie en V2X-voorwaarden controleren. Batterijveroudering, reparatie, tweede leven en recycling worden behandeld in EV Battery Lifecycle; garantielimieten worden behandeld in EV Battery Warranty.

Wat kopers moeten controleren

“Voorbereid op bidirectioneel laden” is niet genoeg. Vraag naar het exacte ondersteunde gebruiksscenario en de markt:

V2L, V2H, V2B, V2G of alleen beheerd eenrichtingsladen?
AC-export of DC-export?
Continu- en piekvermogen bij de lokale spanning?
Een goedgekeurde combinatie van voertuig, EVSE, gateway en software?
Bedrijf van de hele woning of geselecteerde kritieke belastingen?
Handmatige noodvoorziening, automatische omschakeling of netparallelle dienst?
Regeling van minimumreserve en vertrektijd?
Black-startmogelijkheid nadat het net uitvalt?
Werking als internet of de cloud van de leverancier uitvalt?
Lokale installateur, productcertificering, toestemming van de netbeheerder en tarief?
Hoe behandelt de garantie geëxporteerde energie?

De connector is slechts één deel van het antwoord; zie EV Charging Connectors and Inlets. De volledige grens van het laadsysteem wordt behandeld in EV Charging: The Complete System.