Tovejsopladning af elbiler

Tovejsopladning gør det muligt for en elbil både at levere og modtage elektrisk energi. Den nyttige funktion afhænger af, hvor energien sendes hen: en transportabel belastning, et andet køretøj, en isoleret bygning eller det offentlige elnet.

Betegnelserne definerer forskellige systemer

“V2X” er en samlebetegnelse. De almindelige anvendelser er ikke indbyrdes udskiftelige:

V2L — vehicle to load: Køretøjet forsyner apparater eller værktøj gennem en indbygget stikdåse eller adapter.
V2V — vehicle to vehicle: Ét køretøj leverer energi til et andet, normalt med begrænset effekt.
V2H — vehicle to home: Køretøjet forsyner en bolig, normalt gennem omskiftnings- og isolationsudstyr.
V2B — vehicle to building: Køretøjet understøtter et større anlæg eller udvalgte strømkredse i en bygning.
V2G — vehicle to grid: Køretøjet eksporterer energi, mens det er synkroniseret med det offentlige elnet under netselskabets og markedets styring.
V1G eller styret opladning: Effekten strømmer stadig kun ind i køretøjet, men tidspunktet eller hastigheden styres for at understøtte anlægget eller elnettet.

V2L kræver muligvis ingen fast installation ud over køretøjets godkendte udtag. V2H og V2B kræver sikker integration med bygningen. V2G tilføjer nettilslutning, tilladelse, telemetri og en levedygtig tjeneste eller tarif.

To primære konverteringsarkitekturer

Fremdriftsbatteriet lagrer jævnstrømsenergi. Den eksporterede effekt kan konverteres i eller uden for køretøjet.

Indbygget AC-eksport

En indbygget tovejsinverter skaber vekselstrøm i køretøjet. Vekselstrømmen kan forsyne:

En fabriksmonteret stikdåse
En stikadapter med en eller flere stikdåser
En kompatibel AC-ladeport
Et fast system til boligintegration

Dette kan reducere mængden af effektelektronik i det eksterne udstyr, men køretøjet skal levere spænding og frekvens af netkvalitet, beskyttelse, strømbegrænsning og den tilsigtede driftstilstand.

Ekstern DC-konvertering

En tovejs-DC-oplader forbindes med fremdriftsbatteriet gennem køretøjets DC-grænseflade og indeholder inverteren, der producerer vekselstrøm. Den kan forsyne en bolig, en bygning eller elnettet, mens en større del af konverteringshardwaren forbliver stationær.

Køretøjet, opladeren, kommunikationsprotokollen og installationen skal understøtte den samme eksportimplementering. En bil, der markedsføres med V2L, er ikke automatisk kompatibel med en tovejs-DC-ladeboks, og et indtag, der understøtter standarderne, beviser ikke, at køretøjets software aktiverer V2G.

V2L: transportabel strømforsyning

V2L er den mindst komplekse eksportanvendelse, fordi den forsyner lokale belastninger i stedet for at køre parallelt med elnettet. Almindelige implementeringer har en stikdåse som i en bolig i kabinen, i et lastrum eller via en adapter ved ladeindtaget.

V2L-effekten begrænses af køretøjets inverter samt udtagets spænding og strømstyrke. Startstrøm fra motorer, kompressorer, pumper, varmeapparater og elværktøj kan overstige deres belastning under drift. Både de angivne kontinuerlige og kortvarige grænser har betydning.

Tilbagefør ikke strøm til en bolig gennem en almindelig stikkontakt. Et godkendt V2H-system skal forhindre køretøjet i at sætte strøm på forsyningsledninger under en strømafbrydelse og skal håndtere nulleder, jording, fejlbeskyttelse og omskiftning mellem nettilsluttet drift og ø-drift.

V2H og V2B: et mobilt backupbatteri

Et bygningssystem omfatter normalt:

Et kompatibelt tovejskøretøj
En kompatibel EVSE eller strømkonverteringsenhed
En omskifter eller gateway til isolation fra elnettet
Beskyttede strømkredse til kritiske belastninger eller tilslutning af hele bygningen
Måling og energistyring
En indstilling for reserve-ladetilstand
Idriftsættelse efter lokale regler for elinstallation og nettilslutning

Når elnettet svigter, skal systemet afbryde bygningen fra forsyningsnettet, før det danner en lokal elektrisk ø. Denne grænse mod ø-drift beskytter ledningsarbejdere og forhindrer ukontrolleret gentilslutning. Når strømmen fra nettet vender tilbage, skal spænding, frekvens og omskiftning styres, før normal drift genoptages.

Backup-effekt og backup-energi besvarer forskellige spørgsmål. Effekten bestemmer, hvilke belastninger der kan køre samtidigt; energien bestemmer, hvor længe de kan køre.

Tag som eksempel et batteri på 75 kWh, hvor føreren reserverer 30% til mobilitet og afsætter yderligere 10% til konverteringstab og driftsmargen. Omkring 45 kWh er tilbage til belastninger. Ved et gennemsnit på 1 kW svarer det til cirka 45 timer; ved 5 kW cirka 9 timer. De faktiske resultater varierer med inverterens effektivitet, standbyforbrug, temperatur, køretøjets grænser og skiftende efterspørgsel i boligen.

Store belastninger kan overstige eksporteffekten, selv om der er masser af energi tilbage. En bolig kan have behov for belastningsafkobling af modstandsvarme, elektrisk vandopvarmning, madlavning, aircondition eller flere motorer.

V2G: eksport under tilslutning til elnettet

V2G er ikke blot V2H med omskifteren efterladt lukket. Eksport parallelt med elnettet skal synkroniseres med elsystemet og følge lokale krav til spænding, frekvens, effektfaktor, beskyttelse mod ø-drift, fejlrespons og fjernstyring.

Den samlede kæde kan omfatte:

Certificering af køretøj og tovejsoplader
Netselskabets gennemgang af nettilslutningen og driftstilladelse
En tarif eller markedsordning, der tillader eksport
En aggregator, der koordinerer mange køretøjer
Førerens tidsplaner, minimumsreserve og behov ved afgang
Sikker kommunikation og måling
Godtgørelse for energi, kapacitet, forbrugsfleksibilitet eller nettjenester

California Energy Commissions udstyrsliste illustrerer forskellen mellem teknisk kapacitet og tilladelse: Det anførte udstyr kan understøtte tovejsdrift, men kunden skal stadig gennem netselskabets nettilslutningsproces og have tilladelse, før der eksporteres.

V2G kan reagere hurtigere end en menneskelig fører og samle mange parkerede køretøjer. Tilgængeligheden er dog usikker, fordi bilerne bevæger sig. En nettjeneste skal respektere den primære transportopgave og kan ikke antage, at alle tilmeldte batterier er tilsluttet.

Standardstakken

Ingen enkelt standard skaber et komplet tovejssystem.

ISO 15118-20 definerer meddelelser og sekvenser til kommunikation mellem køretøj og EVSE ved tovejsstrømoverførsel.
OCPP 2.1 tilføjer funktioner mellem oplader og administrationssystem til tovejsopladning og styring af distribuerede energiressourcer.
UL 9741/CSA 348 omhandler udstyr til tovejs eksport af strøm fra elbiler i Nordamerika.
UL 1741 og lokale netregler omhandler inverter- og nettilslutningsadfærd i relevante nordamerikanske anvendelser.
Nationale installationsregler, netselskabernes procedurer, tariffer, cybersikkerhedskrav og produktgodkendelser fuldender installationens grænseflade.

Standardkompatibilitet reducerer integrationsrisikoen; den dokumenterer ikke interoperabilitet fra ende til ende. Køretøjets software, opladerens firmware, certifikatøkosystemer, backendimplementeringen og netselskabets regler skal også stemme overens.

Effektivitet, omkostninger og batteribrug

Hver rundtur medfører energitab. Elnettets vekselstrøm kan under opladning blive omdannet til jævnstrøm i batteriet og tilbage til vekselstrøm under eksport med yderligere belastninger fra køretøj, kabel, termiske systemer og standby. En beregning af prisarbitrage skal medtage:

Importpris og godtgørelse for eksport
Samlet virkningsgrad for opladning og eksport
Net- og effektafgifter
Påkrævet hardware og installation
Betaling for tilgængelighed i ordningen
Værdien af reservestrøm
Energigennemstrømning i batteriet

Batterinedbrydning kan ikke reduceres til “V2G er skadeligt” eller “V2G er gratis”. Ekstra energigennemstrømning bruger en del af batteriets cykluslevetid, mens temperatur, interval for ladetilstand, strømstyrke, tid ved høj opladning og cellekemi påvirker resultatet. Styret eksport kan undertiden undgå langvarig opbevaring ved høj SOC, men resultatet afhænger af styringsstrategien.

Føreren bør indstille en mobilitetsreserve og undersøge køretøjets garanti og V2X-vilkår. Batterialdring, reparation, anden anvendelse og genanvendelse gennemgås i EV Battery Lifecycle; garantibegrænsninger gennemgås i EV Battery Warranty.

Hvad bør købere kontrollere?

“Forberedt til tovejsopladning” er ikke tilstrækkeligt. Bed om den præcise understøttede anvendelse og det konkrete marked:

V2L, V2H, V2B, V2G eller kun styret envejsopladning?
AC-eksport eller DC-eksport?
Kontinuerlig effekt og spidseffekt ved den lokale spænding?
En godkendt kombination af køretøj, EVSE, gateway og software?
Drift af hele boligen eller udvalgte kritiske belastninger?
Manuel reservestrøm, automatisk omskiftning eller netparallel tjeneste?
Styring af minimumsreserve og afgangstidspunkt?
Black-start-kapacitet efter svigt i elnettet?
Drift ved tab af internetforbindelse eller leverandørens cloudtjeneste?
Lokal installatør, produktcertificering, tilladelse fra netselskabet og tarif?
Garantiens behandling af eksporteret energi?

Stikket er kun en del af svaret; se EV Charging Connectors and Inlets. Hele ladesystemets grænseflade gennemgås i EV Charging: The Complete System.