Dwukierunkowe ładowanie pojazdów elektrycznych

Ładowanie dwukierunkowe pozwala pojazdowi elektrycznemu zarówno oddawać energię elektryczną, jak i ją pobierać. Rzeczywiste zastosowanie tej funkcji zależy od tego, dokąd trafia energia: do przenośnego odbiornika, innego pojazdu, odizolowanego budynku lub publicznej sieci elektroenergetycznej.

Nazwy określają różne systemy

„V2X” to pojęcie zbiorcze. Typowe zastosowania nie są ze sobą zamienne:

V2L — z pojazdu do odbiornika: pojazd zasila urządzenia lub narzędzia przez pokładowe gniazdo albo adapter.
V2V — z pojazdu do pojazdu: jeden pojazd dostarcza energię do drugiego, zwykle z ograniczoną mocą.
V2H — z pojazdu do domu: pojazd zasila dom, zazwyczaj przez urządzenia przełączające i separujące.
V2B — z pojazdu do budynku: pojazd wspiera zasilanie większego obiektu lub wybranych obwodów budynku.
V2G — z pojazdu do sieci: pojazd oddaje energię, pozostając zsynchronizowany z publiczną siecią elektroenergetyczną i podlegając sterowaniu operatora sieci oraz rynku.
V1G lub ładowanie zarządzane: energia nadal płynie wyłącznie do pojazdu, lecz czas lub szybkość ładowania są sterowane w celu wsparcia obiektu albo sieci.

V2L może nie wymagać żadnej stałej instalacji poza zatwierdzonym gniazdem pojazdu. V2H i V2B wymagają bezpiecznej integracji z budynkiem. V2G dodatkowo wymaga przyłączenia do sieci, zezwolenia, telemetrii oraz odpowiedniej usługi lub taryfy.

Dwie główne architektury konwersji

Bateria trakcyjna przechowuje energię w postaci prądu stałego. Energia oddawana na zewnątrz może być przekształcana w pojeździe lub poza nim.

Pokładowe oddawanie prądu przemiennego

Pokładowy falownik dwukierunkowy wytwarza prąd przemienny w pojeździe. Może on zasilać:

Gniazdo fabryczne
Adapter złącza z jednym lub kilkoma gniazdami
Zgodny port ładowania AC
Stały system integracji z instalacją domową

Takie rozwiązanie może ograniczyć ilość elektroniki mocy w urządzeniach zewnętrznych, ale pojazd musi zapewniać napięcie i częstotliwość o parametrach sieciowych, zabezpieczenia, ograniczanie prądu oraz przewidziany tryb pracy.

Konwersja DC poza pojazdem

Dwukierunkowa ładowarka DC łączy się z baterią trakcyjną przez interfejs prądu stałego pojazdu i zawiera falownik wytwarzający prąd przemienny. Może zasilać dom, budynek lub sieć, pozostawiając większą część układu konwersji jako instalację stacjonarną.

Pojazd, ładowarka, protokół komunikacyjny i instalacja muszą obsługiwać ten sam sposób oddawania energii. Samochód reklamowany jako wyposażony w V2L nie jest automatycznie zgodny z dwukierunkowym wallboksem DC, a zgodność gniazda ze standardami nie dowodzi, że oprogramowanie pojazdu umożliwia V2G.

V2L: przenośne źródło zasilania

V2L jest najmniej złożonym zastosowaniem oddawania energii, ponieważ zasila lokalne odbiorniki, zamiast pracować równolegle z siecią. Typowe rozwiązania oferują gniazdo w standardzie domowym wewnątrz kabiny, w przestrzeni bagażowej albo za pośrednictwem adaptera podłączonego do portu ładowania.

Moc V2L ograniczają falownik pojazdu, napięcie gniazda i natężenie prądu. Prąd rozruchowy silników, sprężarek, pomp, grzejników i elektronarzędzi może przekraczać ich pobór mocy podczas normalnej pracy. Znaczenie mają zarówno deklarowany limit mocy ciągłej, jak i limit krótkotrwały.

Nie wolno zasilać instalacji domowej wstecznie przez zwykłe gniazdo ścienne. Zatwierdzony system V2H musi zapobiegać podaniu napięcia z pojazdu na linie sieciowe podczas awarii oraz prawidłowo obsługiwać przewód neutralny, uziemienie, ochronę przeciwporażeniową i przełączanie między pracą z siecią a pracą wyspową.

V2H i V2B: mobilna bateria rezerwowa

System budynkowy zazwyczaj obejmuje:

Zgodny pojazd dwukierunkowy
Zgodną stację EVSE lub jednostkę konwersji energii
Przełącznik zasilania albo bramę separującą od sieci
Zabezpieczone obwody odbiorników krytycznych albo przyłącze całego budynku
Układ pomiarowy i sterowanie energią
Ustawienie rezerwy stanu naładowania
Uruchomienie zgodnie z lokalnymi przepisami elektrycznymi i zasadami przyłączania

W razie awarii sieci system musi odłączyć budynek od operatora sieci przed utworzeniem lokalnej wyspy elektrycznej. Ta granica ochrony antywyspowej chroni pracowników sieci i zapobiega niekontrolowanemu ponownemu połączeniu. Po powrocie zasilania sieciowego trzeba odpowiednio zarządzać napięciem, częstotliwością i przełączeniem, zanim system wznowi normalną pracę.

Rezerwowa moc i rezerwowa energia odpowiadają na różne pytania. Moc określa, które odbiorniki mogą działać jednocześnie, a energia — jak długo mogą działać.

Rozważmy przykładową baterię o pojemności 75 kWh, przy czym kierowca rezerwuje 30% na jazdę, a kolejne 10% przeznacza na straty konwersji i margines operacyjny. Dla odbiorników pozostaje około 45 kWh. Przy średnim poborze 1 kW wystarczy to na około 45 godzin, a przy 5 kW — na około 9 godzin. Rzeczywiste wyniki zależą od sprawności falownika, poboru w trybie czuwania, temperatury, ograniczeń pojazdu i zmiennego zapotrzebowania gospodarstwa domowego.

Duże odbiorniki mogą przekroczyć dostępną moc wyjściową, nawet gdy zapas energii nadal jest duży. W domu może być konieczne odłączanie odbiorników, takich jak ogrzewanie oporowe, elektryczne podgrzewanie wody, urządzenia do gotowania, klimatyzacja lub kilka silników.

V2G: oddawanie energii przy połączeniu z siecią

V2G nie jest po prostu systemem V2H z pozostawionym w pozycji zamkniętej przełącznikiem zasilania. Oddawanie energii równolegle z siecią wymaga synchronizacji z systemem elektroenergetycznym oraz spełnienia lokalnych wymagań dotyczących napięcia, częstotliwości, współczynnika mocy, ochrony antywyspowej, reakcji na zakłócenia i zdalnego sterowania.

Kompletny system może obejmować:

Certyfikację pojazdu i ładowarki dwukierunkowej
Ocenę przyłączenia przez operatora sieci i zezwolenie na eksploatację
Taryfę lub program rynkowy zezwalający na oddawanie energii
Agregatora koordynującego wiele pojazdów
Harmonogramy kierowców, rezerwę minimalną i potrzeby związane z odjazdem
Bezpieczną komunikację i pomiary
Wynagrodzenie za energię, moc dyspozycyjną, reakcję strony popytowej lub usługi sieciowe

Wykaz urządzeń Kalifornijskiej Komisji Energetycznej ilustruje różnicę między możliwościami technicznymi a zezwoleniem: wymienione urządzenia mogą obsługiwać pracę dwukierunkową, lecz klient nadal musi przejść procedurę przyłączenia u operatora sieci i uzyskać zgodę przed rozpoczęciem oddawania energii.

V2G może reagować szybciej niż kierowca i agregować wiele zaparkowanych pojazdów. Dostępność jest jednak niepewna, ponieważ samochody się przemieszczają. Usługa sieciowa musi uwzględniać podstawową funkcję transportową i nie może zakładać, że każda bateria uczestnicząca w programie jest podłączona.

Zestaw standardów

Żaden pojedynczy standard nie tworzy kompletnego systemu dwukierunkowego.

ISO 15118-20 definiuje komunikaty i sekwencje komunikacji między pojazdem a EVSE na potrzeby dwukierunkowego przepływu energii.
OCPP 2.1 dodaje funkcje komunikacji między ładowarką a systemem zarządzania na potrzeby ładowania dwukierunkowego i sterowania rozproszonymi zasobami energetycznymi.
UL 9741/CSA 348 obejmuje dwukierunkowe urządzenia do oddawania energii z pojazdów elektrycznych w Ameryce Północnej.
UL 1741 oraz lokalne kodeksy sieciowe dotyczą zachowania falownika i przyłączenia w odpowiednich zastosowaniach w Ameryce Północnej.
Krajowe przepisy dotyczące instalacji elektrycznych, procedury operatorów sieci, taryfy, wymagania cyberbezpieczeństwa i dopuszczenia produktów dopełniają wymagań dla całej instalacji.

Zgodność ze standardami ogranicza ryzyko integracji, ale nie dowodzi współdziałania całego systemu. Dopasowane muszą być także oprogramowanie pojazdu, firmware ładowarki, ekosystemy certyfikatów, implementacja systemu backendowego oraz zasady operatora sieci.

Sprawność, koszty i wykorzystanie baterii

Każdy pełny cykl powoduje straty energii. Podczas ładowania sieciowy prąd przemienny może być przekształcany w prąd stały baterii, a podczas oddawania energii ponownie w prąd przemienny; dochodzą do tego straty w pojeździe i kablu oraz obciążenia cieplne i pobór w trybie czuwania. Kalkulacja arbitrażu cenowego musi uwzględniać:

Cenę zakupu i wynagrodzenie za oddawanie energii
Sprawność pełnego cyklu
Opłaty sieciowe i za moc
Wymagany sprzęt i instalację
Płatności za dostępność w programie
Wartość zasilania rezerwowego
Ilość energii przepływającej przez baterię

Degradacji baterii nie można sprowadzić do stwierdzenia „V2G szkodzi” ani „V2G jest bezkosztowe”. Dodatkowy przepływ energii zużywa część trwałości cyklicznej baterii, a na wynik wpływają temperatura, zakres stanu naładowania, natężenie prądu, czas utrzymywania wysokiego poziomu naładowania i chemia ogniw. Zarządzane oddawanie energii może czasami zapobiegać długiemu przechowywaniu baterii przy wysokim stanie naładowania, ale rezultat zależy od strategii sterowania.

Kierowcy powinni ustawić rezerwę na potrzeby jazdy oraz sprawdzić gwarancję pojazdu i warunki dotyczące V2X. Starzenie się, naprawa, drugie życie i recykling baterii zostały omówione w EV Battery Lifecycle, a ograniczenia gwarancji — w EV Battery Warranty.

Co powinni sprawdzić kupujący

Określenie „przystosowany do ładowania dwukierunkowego” nie wystarcza. Należy zapytać o dokładnie obsługiwane zastosowanie i rynek:

V2L, V2H, V2B, V2G czy tylko zarządzane ładowanie jednokierunkowe?
Oddawanie energii jako AC czy DC?
Moc ciągła i szczytowa przy lokalnym napięciu?
Zatwierdzone połączenie pojazdu, EVSE, bramy i oprogramowania?
Zasilanie całego domu czy wybranych odbiorników krytycznych?
Ręczne zasilanie rezerwowe, automatyczne przełączanie czy praca równoległa z siecią?
Sterowanie minimalną rezerwą i czasem odjazdu?
Możliwość rozruchu bez zasilania z sieci po jej awarii?
Działanie przy braku internetu lub chmury dostawcy?
Lokalny instalator, certyfikacja produktu, zgoda operatora sieci i taryfa?
Jak gwarancja traktuje oddaną energię?

Złącze jest tylko jednym z elementów odpowiedzi; zobacz EV Charging Connectors and Inlets. Pełny zakres systemu ładowania omówiono w EV Charging: The Complete System.