Ricarica bidirezionale dei veicoli elettrici

La ricarica bidirezionale consente a un veicolo elettrico sia di esportare sia di ricevere energia elettrica. La capacità effettivamente utile dipende dalla destinazione dell'energia: un carico portatile, un altro veicolo, un edificio isolato o la rete elettrica pubblica.

I nomi definiscono sistemi diversi

“V2X” è un termine generico. I casi d'uso più comuni non sono intercambiabili:

V2L — dal veicolo al carico: il veicolo alimenta apparecchi o utensili tramite una presa di bordo o un adattatore.
V2V — da veicolo a veicolo: un veicolo fornisce energia a un altro, generalmente a potenza limitata.
V2H — dal veicolo all'abitazione: il veicolo alimenta un'abitazione, normalmente attraverso apparecchiature di trasferimento e isolamento.
V2B — dal veicolo all'edificio: il veicolo supporta un sito più grande o circuiti selezionati di un edificio.
V2G — dal veicolo alla rete: il veicolo esporta energia in sincronismo con la rete pubblica, sotto il controllo del gestore e del mercato.
V1G o ricarica gestita: la potenza continua a fluire soltanto verso il veicolo, ma l'orario o la velocità di ricarica vengono controllati per supportare il sito o la rete.

Il V2L può non richiedere alcuna installazione fissa oltre alla presa omologata del veicolo. V2H e V2B richiedono un'integrazione sicura con l'edificio. Il V2G aggiunge interconnessione alla rete, autorizzazione, telemetria e un servizio o una tariffa sostenibile.

Due principali architetture di conversione

La batteria di trazione immagazzina energia DC. La potenza esportata può essere convertita all'interno o all'esterno del veicolo.

Esportazione AC con conversione a bordo

Un inverter bidirezionale di bordo genera corrente AC nel veicolo. Tale corrente può alimentare:

Una presa installata in fabbrica
Un adattatore del connettore con una o più prese
Una porta di ricarica AC compatibile
Un sistema fisso di integrazione domestica

Questa soluzione può ridurre la quantità di elettronica di potenza nell'apparecchiatura esterna, ma il veicolo deve fornire tensione e frequenza con qualità di rete, protezione, limitazione della corrente e la modalità operativa prevista.

Conversione DC esterna al veicolo

Un caricatore bidirezionale DC si collega alla batteria di trazione tramite l'interfaccia DC del veicolo e contiene l'inverter che produce corrente AC. Può servire un'abitazione, un edificio o la rete, mantenendo fissa una parte maggiore dell'hardware di conversione.

Veicolo, caricatore, protocollo di comunicazione e installazione devono supportare la stessa implementazione di esportazione. Un'auto pubblicizzata con V2L non è automaticamente compatibile con una wallbox DC bidirezionale e una presa sul veicolo conforme agli standard non dimostra che il software dell'auto abiliti il V2G.

V2L: potenza portatile

Il V2L è il caso d'uso di esportazione meno complesso perché alimenta carichi locali anziché funzionare in parallelo con la rete. Le implementazioni comuni offrono una presa di tipo domestico nell'abitacolo, nel vano di carico o tramite un adattatore collegato alla presa di ricarica.

La potenza V2L è limitata dall'inverter del veicolo, dalla tensione della presa e dalla corrente. La corrente di avviamento di motori, compressori, pompe, riscaldatori e utensili elettrici può superare il carico durante il funzionamento. Sono importanti sia il limite continuativo dichiarato sia quello di breve durata.

Non immettere energia in un'abitazione attraverso una normale presa a muro. Un sistema V2H approvato deve impedire al veicolo di mettere in tensione le linee del gestore durante un'interruzione e deve gestire neutro, messa a terra, protezione dai guasti e trasferimento tra funzionamento connesso alla rete e in isola.

V2H e V2B: una batteria mobile di riserva

Un sistema per un edificio comprende normalmente:

Un veicolo bidirezionale compatibile
Un EVSE o un'unità di conversione della potenza compatibile
Un commutatore di trasferimento o un gateway di isolamento dalla rete
Circuiti protetti per carichi critici o collegamento dell'intero edificio
Misurazione e controlli dell'energia
Un'impostazione della riserva dello stato di carica
Messa in servizio secondo le norme elettriche e di interconnessione locali

Quando la rete viene a mancare, il sistema deve scollegare l'edificio dal gestore prima di formare un'isola elettrica locale. Questo confine anti-islanding protegge gli addetti alle linee e impedisce una riconnessione incontrollata. Quando torna l'energia di rete, tensione, frequenza e trasferimento devono essere gestiti prima di riprendere il normale funzionamento.

La potenza di riserva e l'energia di riserva rispondono a domande diverse. La potenza determina quali carichi possono funzionare contemporaneamente; l'energia determina per quanto tempo possono funzionare.

Consideriamo a titolo di esempio una batteria da 75 kWh, con il conducente che riserva il 30% alla mobilità e assegna un ulteriore 10% alle perdite di conversione e al margine operativo. Restano circa 45 kWh per i carichi. Con una media di 1 kW, corrispondono a circa 45 ore; con 5 kW, a circa 9 ore. I risultati reali variano in base all'efficienza dell'inverter, al consumo in standby, alla temperatura, ai limiti del veicolo e ai cambiamenti della domanda domestica.

I carichi elevati possono superare la potenza di esportazione anche quando rimane molta energia. Un'abitazione può richiedere il distacco di carichi come riscaldamento resistivo, riscaldamento elettrico dell'acqua, cucina, climatizzazione o più motori.

V2G: esportazione durante la connessione alla rete

Il V2G non è semplicemente un V2H con il commutatore di trasferimento lasciato chiuso. L'esportazione in parallelo con la rete deve sincronizzarsi con il sistema elettrico e rispettare i requisiti locali per tensione, frequenza, fattore di potenza, anti-islanding, risposta ai guasti e controllo remoto.

L'intero sistema può comprendere:

Certificazione del veicolo e del caricatore bidirezionale
Valutazione dell'interconnessione da parte del gestore e autorizzazione al funzionamento
Una tariffa o un programma di mercato che consenta l'esportazione
Un aggregatore che coordini molti veicoli
Orari del conducente, riserva minima ed esigenze di partenza
Comunicazioni sicure e misurazione
Remunerazione per energia, capacità, risposta alla domanda o servizi di rete

L'elenco delle apparecchiature della California Energy Commission illustra la distinzione tra capacità tecnica e autorizzazione: le apparecchiature elencate possono supportare il funzionamento bidirezionale, ma il cliente deve comunque seguire il processo di interconnessione del gestore e ottenere l'autorizzazione prima di esportare energia.

Il V2G può rispondere più rapidamente di un conducente e aggregare molti veicoli parcheggiati. La sua disponibilità è tuttavia incerta, perché le auto si spostano. Un servizio di rete deve rispettare la funzione primaria di trasporto e non può presumere che ogni batteria iscritta sia collegata.

L'insieme degli standard

Nessun singolo standard realizza un sistema bidirezionale completo.

ISO 15118-20 definisce messaggi e sequenze di comunicazione tra veicolo ed EVSE per il trasferimento bidirezionale di potenza.
OCPP 2.1 aggiunge funzioni tra caricatore e sistema di gestione per la ricarica bidirezionale e il controllo delle risorse energetiche distribuite.
UL 9741/CSA 348 riguarda le apparecchiature bidirezionali di esportazione della potenza per veicoli elettrici in Nord America.
UL 1741 e i codici di rete locali disciplinano il comportamento dell'inverter e dell'interconnessione nelle applicazioni pertinenti in Nord America.
Norme nazionali sugli impianti elettrici, procedure dei gestori, tariffe, requisiti di sicurezza informatica e approvazioni dei prodotti completano i confini dell'installazione.

La compatibilità con gli standard riduce il rischio di integrazione, ma non dimostra l'interoperabilità end-to-end. Devono essere allineati anche software del veicolo, firmware del caricatore, ecosistemi dei certificati, implementazione del backend e regole del gestore.

Efficienza, costo e utilizzo della batteria

Ogni ciclo completo comporta perdite di energia. La corrente AC della rete può essere convertita in corrente DC della batteria durante la ricarica e nuovamente in AC durante l'esportazione, con consumi aggiuntivi del veicolo, del cavo, del sistema termico e dello standby. Un calcolo dell'arbitraggio dei prezzi deve includere:

Prezzo di acquisto dell'energia e remunerazione per l'esportazione
Efficienza del ciclo completo
Oneri di rete e di domanda
Hardware e installazione necessari
Pagamenti per la disponibilità nel programma
Valore della potenza di riserva
Energia transitata attraverso la batteria

Il degrado della batteria non può essere ridotto a “il V2G è dannoso” o “il V2G è gratuito”. L'ulteriore quantità di energia transitata consuma una parte della vita utile in cicli della batteria, mentre temperatura, finestra dello stato di carica, corrente, tempo trascorso a carica elevata e chimica delle celle influenzano il risultato. L'esportazione gestita può talvolta evitare lunghi periodi di stoccaggio con SOC elevato, ma il risultato dipende dalla strategia di controllo.

I conducenti dovrebbero impostare una riserva per la mobilità e controllare la garanzia del veicolo e le condizioni V2X. Invecchiamento, riparazione, seconda vita e riciclo della batteria sono trattati in EV Battery Lifecycle; i limiti della garanzia sono trattati in EV Battery Warranty.

Cosa dovrebbero verificare gli acquirenti

“Predisposto per il funzionamento bidirezionale” non è sufficiente. Occorre chiedere quale caso d'uso e quale mercato siano esattamente supportati:

V2L, V2H, V2B, V2G o soltanto ricarica unidirezionale gestita?
Esportazione AC o DC?
Potenza continuativa e di picco alla tensione locale?
Combinazione approvata di veicolo, EVSE, gateway e software?
Funzionamento dell'intera abitazione o di carichi critici selezionati?
Riserva manuale, trasferimento automatico o servizio in parallelo con la rete?
Controlli della riserva minima e dell'orario di partenza?
Capacità di black start dopo un guasto della rete?
Funzionamento in assenza di Internet o del cloud del fornitore?
Installatore locale, certificazione del prodotto, autorizzazione del gestore e tariffa?
Come viene trattata dalla garanzia l'energia esportata?

Il connettore è soltanto una parte della risposta; consultare EV Charging Connectors and Inlets. I confini del sistema di ricarica completo sono trattati in EV Charging: The Complete System.