Dubbelriktad laddning av elbilar

Dubbelriktad laddning gör att en elbil både kan mata ut och ta emot elektrisk energi. Den användbara funktionen beror på vart energin går: till en portabel last, ett annat fordon, en isolerad byggnad eller det allmänna elnätet.

Beteckningarna avser olika system

”V2X” är ett samlingsbegrepp. De vanligaste användningsfallen är inte utbytbara:

V2L — vehicle to load: fordonet driver apparater eller verktyg genom ett inbyggt uttag eller en adapter.
V2V — vehicle to vehicle: ett fordon levererar energi till ett annat, vanligtvis med begränsad effekt.
V2H — vehicle to home: fordonet försörjer en bostad, normalt via omkopplings- och isoleringsutrustning.
V2B — vehicle to building: fordonet stöder en större anläggning eller utvalda kretsar i en byggnad.
V2G — vehicle to grid: fordonet matar ut energi synkroniserat med det allmänna elnätet under nätägarens och marknadens styrning.
V1G eller styrd laddning: effekten flödar fortfarande bara in i fordonet, men tidpunkten eller nivån styrs för att stödja anläggningen eller elnätet.

V2L behöver kanske ingen fast installation utöver fordonets godkända uttag. V2H och V2B kräver säker integrering med byggnaden. V2G kräver dessutom nätanslutning, tillstånd, telemetri och en fungerande tjänst eller tariff.

Två huvudsakliga omvandlingsarkitekturer

Drivbatteriet lagrar likströmsenergi. Den utmatade effekten kan omvandlas i eller utanför fordonet.

Inbyggd växelströmsutmatning

En inbyggd dubbelriktad växelriktare skapar växelström i fordonet. Växelströmmen kan matas till:

Ett fabriksmonterat uttag
En kontaktadapter med ett eller flera uttag
En kompatibel laddport för växelström
Ett fast system för integrering med bostaden

Detta kan minska mängden kraftelektronik i den externa utrustningen, men fordonet måste tillhandahålla spänning och frekvens med nätkvalitet, skydd, strömbegränsning och avsett driftläge.

Extern likströmsomvandling

En dubbelriktad DC-laddare ansluts till drivbatteriet genom fordonets DC-gränssnitt och innehåller växelriktaren som skapar växelström. Den kan försörja en bostad, byggnad eller elnätet samtidigt som mer av omvandlingsutrustningen förblir stationär.

Fordonet, laddaren, kommunikationsprotokollet och installationen måste stödja samma lösning för energiutmatning. En bil som marknadsförs med V2L är inte automatiskt kompatibel med en dubbelriktad DC-laddbox, och en standardkompatibel anslutning bevisar inte att fordonets programvara aktiverar V2G.

V2L: portabel strömförsörjning

V2L är det minst komplicerade användningsfallet för energiutmatning eftersom lokala laster försörjs utan parallellkoppling till elnätet. Vanliga lösningar har ett uttag av hushållstyp i kupén, i ett lastutrymme eller via en adapter vid laddningsanslutningen.

V2L-effekten begränsas av fordonets växelriktare, uttagsspänning och ström. Startströmmen för motorer, kompressorer, pumpar, värmare och elverktyg kan överstiga deras effekt under kontinuerlig drift. Både de angivna gränserna för kontinuerlig och kortvarig drift har betydelse.

Mata inte en bostad bakvägen genom ett vanligt vägguttag. Ett godkänt V2H-system måste förhindra att fordonet spänningssätter elnätsledningar under ett strömavbrott och måste hantera neutralledare, jordning, felskydd och övergången mellan nätansluten drift och ödrift.

V2H och V2B: ett mobilt reservbatteri

Ett byggnadssystem omfattar normalt:

Ett kompatibelt dubbelriktat fordon
En kompatibel EVSE eller effektomvandlingsenhet
En omkopplare eller gateway för isolering från elnätet
Skyddade kretsar för kritiska laster eller anslutning av hela byggnaden
Mätning och energistyrning
En inställning för reserverad laddningsnivå
Driftsättning enligt lokala regler för elinstallationer och nätanslutning

När elnätet slutar fungera måste systemet koppla bort byggnaden från nätet innan ett lokalt ö-nät bildas. Detta ödriftskydd skyddar ledningspersonal och förhindrar okontrollerad återanslutning. När elnätet återkommer måste spänning, frekvens och omkoppling hanteras innan den normala driften återupptas.

Reservkraftens effekt och energi besvarar olika frågor. Effekten avgör vilka laster som kan köras samtidigt, medan energin avgör hur länge de kan köras.

Anta som exempel ett batteri på 75 kWh där föraren reserverar 30% för körning och ytterligare 10% för omvandlingsförluster och driftmarginal. Omkring 45 kWh återstår för lasterna. Vid i genomsnitt 1 kW räcker det i ungefär 45 timmar och vid 5 kW i ungefär 9 timmar. Det verkliga resultatet varierar beroende på växelriktarens verkningsgrad, effektförbrukning i vänteläge, temperatur, fordonsbegränsningar och hushållets varierande behov.

Stora laster kan överstiga den utmatade effekten även när mycket energi återstår. En bostad kan behöva lastfrånkoppling för resistiv uppvärmning, elektrisk vattenuppvärmning, matlagning, luftkonditionering eller flera motorer.

V2G: utmatning vid anslutning till elnätet

V2G är inte bara V2H med omkopplaren lämnad sluten. Nätparallell utmatning måste synkroniseras med elsystemet och följa lokala krav på spänning, frekvens, effektfaktor, ödriftskydd, felrespons och fjärrstyrning.

Hela systemkedjan kan omfatta:

Certifiering av fordon och dubbelriktad laddare
Nätägarens granskning av anslutningen och drifttillstånd
En tariff eller ett marknadsprogram som tillåter utmatning
En aggregator som samordnar många fordon
Förarnas scheman, minsta reserv och behov inför avfärd
Säker kommunikation och mätning
Ersättning för energi, kapacitet, efterfrågeflexibilitet eller nättjänster

California Energy Commissions utrustningslista illustrerar skillnaden mellan teknisk förmåga och tillstånd: listad utrustning kan stödja dubbelriktad drift, men kunden måste ändå genomgå nätägarens anslutningsprocess och få tillstånd före utmatning.

V2G kan reagera snabbare än en mänsklig förare och samla många parkerade fordon till en gemensam resurs. Tillgängligheten är dock osäker eftersom bilar förflyttas. En nättjänst måste respektera det primära transportuppdraget och kan inte utgå från att varje registrerat batteri är inkopplat.

Standarderna som bildar systemet

Ingen enskild standard skapar ett fullständigt dubbelriktat system.

ISO 15118-20 definierar meddelanden och sekvenser för kommunikation mellan fordon och EVSE vid dubbelriktad effektöverföring.
OCPP 2.1 lägger till funktioner mellan laddare och administrationssystem för dubbelriktad laddning och styrning av distribuerade energiresurser.
UL 9741/CSA 348 omfattar utrustning för dubbelriktad effektutmatning från elbilar i Nordamerika.
UL 1741 och lokala nätkoder behandlar växelriktarens och nätanslutningens beteende i relevanta nordamerikanska tillämpningar.
Nationella elinstallationsregler, nätägarnas rutiner, tariffer, cybersäkerhetskrav och produktgodkännanden kompletterar installationskraven.

Standardkompatibilitet minskar integrationsrisken, men bevisar inte fullständig interoperabilitet från början till slut. Fordonets programvara, laddarens fasta programvara, ekosystem för certifikat, backendimplementering och nätägarens regler måste också vara samordnade.

Verkningsgrad, kostnad och batterianvändning

Energi går förlorad vid varje tur-och-returcykel. Växelström från nätet kan omvandlas till likström i batteriet under laddning och tillbaka till växelström under utmatning. Därtill kommer förbrukning i fordon, kabel, värmehantering och vänteläge. En beräkning av prisarbitrage måste ta hänsyn till:

Importpris och ersättning för utmatning
Verkningsgrad tur och retur
Nät- och effektavgifter
Nödvändig utrustning och installation
Ersättning för tillgänglighet i programmet
Värdet av reservkraft
Batteriets energiomsättning

Batteridegradering kan inte förenklas till ”V2G är skadligt” eller ”V2G är gratis”. Extra energiomsättning förbrukar en del av batteriets cykellivslängd, medan temperatur, laddningsintervall, ström, tid vid hög laddningsnivå och cellkemi påverkar resultatet. Styrd utmatning kan ibland undvika långvarig förvaring vid hög SOC, men resultatet beror på styrstrategin.

Föraren bör ställa in en körreserv och granska fordonsgarantin och villkoren för V2X. Batteriets åldrande, reparation, återanvändning och återvinning behandlas i EV Battery Lifecycle, medan garantibegränsningar behandlas i EV Battery Warranty.

Vad köpare bör kontrollera

”Förberedd för dubbelriktad laddning” räcker inte. Fråga efter exakt vilket användningsfall och vilken marknad som stöds:

V2L, V2H, V2B, V2G eller endast styrd enkelriktad laddning?
AC-utmatning eller DC-utmatning?
Kontinuerlig effekt och toppeffekt vid den lokala spänningen?
Godkänd kombination av fordon, EVSE, gateway och programvara?
Drift av hela bostaden eller utvalda kritiska laster?
Manuell reservkraft, automatisk omkoppling eller nätparallell tjänst?
Styrning av minsta reserv och avfärdstid?
Svartstartsförmåga efter nätavbrott?
Drift vid förlust av internetanslutning eller leverantörens molntjänst?
Lokal installatör, produktcertifiering, nätägarens tillstånd och tariff?
Hur garantin behandlar utmatad energi?

Kontakten är bara en del av svaret. Se EV Charging Connectors and Inlets. Laddsystemets fullständiga gränser behandlas i EV Charging: The Complete System.