Sähköauton kaksisuuntainen lataus

Kaksisuuntaisen latauksen avulla sähköauto voi sekä syöttää sähköenergiaa ulospäin että vastaanottaa sitä. Hyödyllinen toiminto määräytyy sen mukaan, minne energia menee: siirrettävälle kuormalle, toiseen ajoneuvoon, sähköverkosta erotettuun rakennukseen vai julkiseen sähköverkkoon.

Nimet tarkoittavat eri järjestelmiä

”V2X” on kattotermi. Yleiset käyttötapaukset eivät ole keskenään vaihdettavissa:

V2L — ajoneuvosta kuormalle: ajoneuvo syöttää virtaa kodinkoneille tai työkaluille sisäisen pistorasian tai sovittimen kautta.
V2V — ajoneuvosta ajoneuvoon: yksi ajoneuvo syöttää energiaa toiseen, yleensä rajallisella teholla.
V2H — ajoneuvosta kotiin: ajoneuvo syöttää virtaa kotiin tavallisesti siirto- ja erotuslaitteiston kautta.
V2B — ajoneuvosta rakennukseen: ajoneuvo tukee suurempaa kiinteistöä tai rakennuksen valittuja virtapiirejä.
V2G — ajoneuvosta verkkoon: ajoneuvo syöttää energiaa julkiseen sähköverkkoon tahdistettuna sähköyhtiön ja markkinan ohjauksessa.
V1G eli ohjattu lataus: teho kulkee edelleen vain ajoneuvoon, mutta ajoitusta tai lataustehoa ohjataan kiinteistön tai sähköverkon tukemiseksi.

V2L ei välttämättä tarvitse ajoneuvon hyväksytyn ulostulon lisäksi kiinteää asennusta. V2H ja V2B edellyttävät turvallista liittämistä rakennukseen. V2G vaatii lisäksi verkkoliitännän, luvan, telemetrian sekä soveltuvan palvelun tai tariffin.

Kaksi pääasiallista muunnosarkkitehtuuria

Ajoakku varastoi tasavirtaenergiaa. Ulospäin syötettävä teho voidaan muuntaa ajoneuvossa tai sen ulkopuolella.

Ajoneuvon sisäinen AC-syöttö

Ajoneuvon sisäinen kaksisuuntainen invertteri tuottaa vaihtovirtaa ajoneuvossa. Vaihtovirtaa voidaan syöttää seuraaviin kohteisiin:

Tehdasasenteinen pistorasia
Liitinsovitin, jossa on yksi tai useampi pistorasia
Yhteensopiva AC-latausliitäntä
Kiinteä koti-integraatiojärjestelmä

Tämä voi vähentää ulkoisen laitteiston tehoelektroniikan määrää, mutta ajoneuvon on tuotettava sähköverkon laatuvaatimukset täyttävä jännite ja taajuus sekä toteutettava suojaus, virranrajoitus ja tarkoitettu toimintatila.

Ajoneuvon ulkopuolinen DC-muunnos

Kaksisuuntainen DC-laturi liittyy ajoakkuun ajoneuvon DC-liitännän kautta ja sisältää vaihtovirtaa tuottavan invertterin. Se voi palvella kotia, rakennusta tai sähköverkkoa, kun suurempi osa muunnoslaitteistosta pysyy kiinteästi asennettuna.

Ajoneuvon, laturin, tiedonsiirtoprotokollan ja asennuksen on tuettava samaa energian ulossyötön toteutusta. V2L-toiminnolla markkinoitu auto ei ole automaattisesti yhteensopiva kaksisuuntaisen DC-seinälaturin kanssa, eikä standardeja tukeva latausliitäntä todista, että ajoneuvon ohjelmisto mahdollistaa V2G:n.

V2L: siirrettävä sähkönsyöttö

V2L on yksinkertaisin energian ulossyötön käyttötapaus, koska se syöttää paikallisia kuormia eikä toimi sähköverkon rinnalla. Tavallisissa toteutuksissa on kotitalouspistorasian kaltainen liitäntä matkustamossa tai tavaratilassa taikka latausliitäntään kytkettävässä sovittimessa.

V2L-tehoa rajoittavat ajoneuvon invertteri sekä pistorasian jännite ja virta. Moottoreiden käynnistysvirta sekä kompressorit, pumput, lämmittimet ja sähkötyökalut voivat ylittää niiden normaalin käyntikuorman. Sekä ilmoitettu jatkuvan käytön raja että lyhytaikainen raja ovat tärkeitä.

Älä syötä sähköä kotiin takakautta tavallisen seinäpistorasian kautta. Hyväksytyn V2H-järjestelmän on estettävä ajoneuvoa jännitteistämästä sähköyhtiön johtoja sähkökatkon aikana. Sen on myös hallittava nollajohdin, maadoitus, vikasuojaus sekä siirtyminen sähköverkkoon kytketyn käytön ja saarekekäytön välillä.

V2H ja V2B: liikkuva vara-akku

Rakennusjärjestelmään kuuluvat tavallisesti:

Yhteensopiva kaksisuuntainen ajoneuvo
Yhteensopiva EVSE tai tehonmuunnosyksikkö
Siirtokytkin tai sähköverkosta erottava yhdyskäytävä
Suojatut kriittisten kuormien virtapiirit tai koko rakennuksen liitäntä
Mittaus ja energianhallinta
Varaustason reserviasetus
Käyttöönotto paikallisten sähkö- ja verkkoliitäntämääräysten mukaisesti

Sähköverkon vikaantuessa järjestelmän on irrotettava rakennus sähköyhtiön verkosta ennen paikallisen sähkösaarekkeen muodostamista. Tämä saarekekäytön eston rajapinta suojaa linja-asentajia ja estää hallitsemattoman jälleenkytkennän. Kun verkkosähkö palautuu, jännitettä, taajuutta ja siirtoa on hallittava ennen normaalin toiminnan jatkumista.

Varajärjestelmän teho ja energia vastaavat eri kysymyksiin. Teho määrittää, mitä kuormia voidaan käyttää samanaikaisesti, kun taas energia määrittää, kuinka kauan niitä voidaan käyttää.

Tarkastellaan esimerkkinä 75 kWh:n akkua, josta kuljettaja varaa 30% ajamiseen ja lisäksi 10% muunnoshäviöihin ja käyttövaraksi. Kuormille jää noin 45 kWh. Keskimääräisellä 1 kW:n teholla se riittää noin 45 tunniksi ja 5 kW:n teholla noin 9 tunniksi. Todelliseen tulokseen vaikuttavat invertterin hyötysuhde, valmiustilan kulutus, lämpötila, ajoneuvon rajoitukset ja kotitalouden vaihteleva kulutus.

Suuret kuormat voivat ylittää ulossyöttötehon, vaikka energiaa olisi vielä runsaasti jäljellä. Kodissa voidaan tarvita kuormanpudotusta vastuslämmityksen, sähköisen käyttöveden lämmityksen, ruoanlaiton, ilmastoinnin tai useiden moottoreiden vuoksi.

V2G: energian syöttäminen sähköverkkoon kytkettynä

V2G ei ole pelkkä V2H, jossa siirtokytkin jätetään kiinni. Verkon rinnalla tapahtuva ulossyöttö on tahdistettava sähköjärjestelmään, ja sen on noudatettava paikallisia jännitettä, taajuutta, tehokerrointa, saarekekäytön estoa, vikavastetta ja etäohjausta koskevia vaatimuksia.

Koko järjestelmäkokonaisuuteen voivat kuulua:

Ajoneuvon ja kaksisuuntaisen laturin sertifiointi
Sähköyhtiön verkkoliitäntätarkastus ja käyttölupa
Ulossyötön salliva tariffi tai markkinaohjelma
Monia ajoneuvoja koordinoiva aggregaattori
Kuljettajan aikataulut, vähimmäisreservi ja lähtötarpeet
Turvallinen tiedonsiirto ja mittaus
Korvaus energiasta, kapasiteetista, kysyntäjoustosta tai verkkopalveluista

California Energy Commissionin laiteluettelo havainnollistaa teknisen valmiuden ja luvan välistä eroa: luetteloidut laitteet voivat tukea kaksisuuntaista toimintaa, mutta asiakkaan on silti käytävä läpi sähköyhtiön verkkoliitäntäprosessi ja saatava lupa ennen energian syöttämistä verkkoon.

V2G voi reagoida ihmiskuljettajaa nopeammin ja yhdistää suuren määrän pysäköityjä ajoneuvoja. Sen käytettävyys on kuitenkin epävarmaa, koska autot liikkuvat. Verkkopalvelun on kunnioitettava ajoneuvon ensisijaista kuljetustehtävää, eikä se voi olettaa, että jokainen ohjelmaan liitetty akku on kytkettynä.

Standardikokonaisuus

Mikään yksittäinen standardi ei muodosta täydellistä kaksisuuntaista järjestelmää.

ISO 15118-20 määrittelee ajoneuvon ja EVSE:n välisen tiedonsiirron viestit ja jaksot kaksisuuntaista tehonsiirtoa varten.
OCPP 2.1 lisää laturin ja hallintajärjestelmän välisiä toimintoja kaksisuuntaiseen lataukseen ja hajautettujen energiaresurssien ohjaukseen.
UL 9741/CSA 348 kattaa sähköautojen kaksisuuntaiset tehon ulossyöttölaitteet Pohjois-Amerikassa.
UL 1741 ja paikalliset verkkosäännöt käsittelevät invertterien ja verkkoliitäntöjen toimintaa soveltuvissa pohjoisamerikkalaisissa käyttökohteissa.
Kansalliset johdotussäännöt, sähköyhtiöiden menettelyt, tariffit, kyberturvallisuusvaatimukset ja tuotehyväksynnät täydentävät asennuksen vaatimukset.

Standardien yhteensopivuus vähentää integrointiriskiä, mutta se ei todista päästä päähän -yhteentoimivuutta. Myös ajoneuvon ohjelmiston, laturin laiteohjelmiston, varmenne-ekosysteemien, taustajärjestelmätoteutuksen ja sähköyhtiön sääntöjen on sovittava yhteen.

Hyötysuhde, kustannukset ja akun käyttö

Jokaisessa latauksen ja purkamisen kierrossa menetetään energiaa. Sähköverkon vaihtovirta voidaan muuntaa latauksen aikana akun tasavirraksi ja ulossyötön aikana takaisin vaihtovirraksi, minkä lisäksi häviöitä aiheutuu ajoneuvossa, kaapelissa, lämmönhallinnassa ja valmiustilassa. Hinta-arbitraasin laskelmassa on otettava huomioon:

Tuontisähkön hinta ja ulossyötöstä saatava korvaus
Latauksen ja purkamisen kokonaishyötysuhde
Verkko- ja tehomaksut
Tarvittavat laitteet ja asennus
Ohjelman käytettävyyskorvaukset
Varavirtakäytön arvo
Akun läpi siirretty energiamäärä

Akun kulumista ei voi pelkistää väitteisiin ”V2G on haitallista” tai ”V2G on ilmaista”. Energian lisääntynyt läpivirtaus kuluttaa osan akun syklikestosta, ja tulokseen vaikuttavat lämpötila, varaustason käyttöikkuna, virta, pitkään korkealla varaustasolla vietetty aika sekä kennokemia. Ohjattu ulossyöttö voi toisinaan välttää pitkää säilytystä korkealla varaustasolla, mutta lopputulos riippuu ohjausstrategiasta.

Kuljettajien kannattaa asettaa ajovara ja tarkistaa ajoneuvon takuu sekä V2X-ehdot. Akun vanhenemista, korjaamista, uusiokäyttöä ja kierrätystä käsitellään artikkelissa EV Battery Lifecycle; takuun rajoituksia käsitellään artikkelissa EV Battery Warranty.

Mitä ostajan kannattaa varmistaa

”Valmius kaksisuuntaiseen lataukseen” ei riitä. Pyydä tarkat tiedot tuetusta käyttötapauksesta ja markkina-alueesta:

V2L, V2H, V2B, V2G vai vain ohjattu yksisuuntainen lataus?
AC- vai DC-ulossyöttö?
Jatkuva teho ja hetkellinen huipputeho paikallisella jännitteellä?
Hyväksytty ajoneuvon, EVSE:n, yhdyskäytävän ja ohjelmiston yhdistelmä?
Koko kodin käyttö vai valitut kriittiset kuormat?
Manuaalinen varasyöttö, automaattinen siirto vai verkon rinnalla toimiva palvelu?
Vähimmäisreservin ja lähtöajan ohjaus?
Mustakäynnistyskyky sähköverkon vikaannuttua?
Toiminta internetyhteyden tai valmistajan pilvipalvelun katketessa?
Paikallinen asentaja, tuotesertifiointi, sähköyhtiön lupa ja tariffi?
Miten takuu käsittelee ulospäin syötettyä energiaa?

Liitin on vain yksi osa vastausta; katso EV Charging Connectors and Inlets. Latausjärjestelmän koko kokonaisuutta käsitellään artikkelissa EV Charging: The Complete System.