Wann sollten Sie ein bidirektionales OBC verwenden?

Ein bidirektionales On-Board-Ladegerät (OBC) ist eine Überlegung wert, wenn eine Elektrofahrzeugplattform mehr als herkömmliches AC-Laden benötigt. Im Gegensatz zu einem unidirektionalen OBC, das hauptsächlich Wechselstrom in Gleichstrom für die Hochspannungsbatterie umwandelt, kann ein bidirektionales OBC auch einen kontrollierten Stromfluss von der Fahrzeugbatterie zurück zu einer externen Wechselstromlast oder einem Energiesystem unterstützen.

Für Hersteller von Elektrofahrzeugen und Fahrzeugintegratoren kann diese Funktion die Architekturen Vehicle-to-Load (V2L), Vehicle-to-Home oder Building (V2H/V2B) und Vehicle-to-Grid (V2G) unterstützen. Ein bidirektionaler OBC allein schafft jedoch kein vollständiges V2G- oder V2H-System. Auch Fahrzeugsteuerungen, BMS-Strategie, Ladeausrüstung, Kommunikationsprotokolle, Schutzgeräte, Netzanbindungsanforderungen und regionale Vorschriften müssen die beabsichtigte Funktion unterstützen.

Die Entscheidung für den Einsatz eines bidirektionalen OBC sollte daher auf der Ebene der Fahrzeugarchitektur getroffen werden. Dieser Leitfaden erklärt, wann bidirektionales Laden einen echten Mehrwert bietet, welche zusätzlichen Systemanforderungen berücksichtigt werden müssen und wann ein herkömmliches unidirektionales OBC möglicherweise noch die geeignetere Wahl ist.

Wichtige Erkenntnisse

• A Das bidirektionale On-Board-Ladegerät unterstützt die Stromumwandlung sowohl in Lade- als auch in Entladerichtung.

• Verwenden Sie ein bidirektionales OBC, wenn die Fahrzeugplattform V2L, V2H/V2B, V2G, Flottenenergiemanagement oder andere Stromexportfunktionen unterstützen soll.

• V2H und V2G sind Funktionen auf Systemebene. Das OBC muss mit kompatiblen Fahrzeugsteuerungen, EVSE, Kommunikation, Schutz und Netzinfrastruktur zusammenarbeiten.

• ISO 15118-20 kann dort relevant sein, wo eine EV-EVSE-Kommunikation für die bidirektionale Stromübertragung erforderlich ist, während netzinteraktive AC-V2G-Projekte auch regionale Verbindungsanforderungen beinhalten können.

• Die Batterieverschlechterung sollte anhand der Batteriechemie, des SOC-Fensters, der Entladetiefe, der Temperatur, der Zyklusstrategie und des erwarteten bidirektionalen Arbeitszyklus bewertet werden, anstatt sich auf einen universellen Prozentsatz zu verlassen.

Was ist ein bidirektionales Bordladegerät?

Einseitige vs. zweiseitige Stromumwandlung

Ein Konventioneller Das On-Board-Ladegerät ist in erster Linie für die Energieübertragung in eine Richtung beim Wechselstromladen ausgelegt. Es wandelt eingehenden Wechselstrom in geregelten Gleichstrom um, der unter der Steuerung des BMS und des Fahrzeugladesystems an die Traktionsbatterie geliefert werden kann.

A Das bidirektionale On-Board-Ladegerät bietet die Möglichkeit zur umgekehrten Stromumwandlung. Abhängig von der Architektur kann der OBC batterieseitige Gleichstromenergie zurück in einen kontrollierten Wechselstromausgang für eine externe Last oder ein netzgekoppeltes System umwandeln.

So funktioniert die bidirektionale Stromumwandlung

Beim normalen AC-Laden fließt elektrische Energie vom Netz oder EVSE durch das OBC in die Hochspannungsbatterie. Das Ladegerät regelt Spannung und Strom entsprechend den Fahrzeug- und BMS-Befehlen.

Im Rückwärtsbetrieb wird Gleichstromenergie aus der Traktionsbatterie wieder in Wechselstrom umgewandelt. Die erforderlichen AC-Eigenschaften hängen von der vorgesehenen Anwendung ab. Die Versorgung einer isolierten externen Last unterscheidet sich grundlegend vom Betrieb parallel zu einem öffentlichen Stromnetz.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da ein Fahrzeug, das ein Gerät über V2L mit Strom versorgen kann, nicht automatisch die Anforderungen für V2G erfüllt. Der netzparallele Betrieb führt zu zusätzlichen Anforderungen an Synchronisation, Schutz, Anti-Islanding oder damit verbundenes Verbindungsverhalten, Kommunikation, Autorisierung und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.

Wann sollten Hersteller von Elektrofahrzeugen ein bidirektionales OBC verwenden?

Die bidirektionale Fähigkeit ist am wertvollsten, wenn der Energieexport einen definierten Kunden-, Betriebs- oder Netzdienstnutzen schafft. Der OBC sollte nicht nur deshalb bidirektional gemacht werden, weil die Technologie verfügbar ist.

V2L: Wenn das Fahrzeug externe Wechselstromversorgung benötigt

Wo V2L Mehrwert schafft

Vehicle-to-Load ist einer der direktesten bidirektionalen Anwendungsfälle, da die Energie aus der Traktionsbatterie zur Versorgung externer elektrischer Verbraucher genutzt wird und nicht in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

V2L kann wertvoll sein für:

• Gewerbliche Servicefahrzeuge, die Elektrowerkzeuge oder -geräte benötigen

• Bau- und Geländeausrüstung

• Not- oder temporäre Stromversorgungsanwendungen

• Outdoor- und mobile Arbeitsanwendungen

• Spezialfahrzeuge, die eine zusätzliche Wechselstromversorgung benötigen

Für einen Hersteller von Elektrofahrzeugen sind die wichtigen technischen Parameter nicht die Gerätetypen, die ein Verbraucher anschließen könnte. Definieren Sie stattdessen die erforderliche AC-Ausgangsleistung, Ausgangsspannung und -frequenz, Überlastfähigkeit, Steckerarchitektur, Isolationsstrategie, Schutzfunktionen, Arbeitszyklus und thermische Grenzwerte.

V2L ist nicht dasselbe wie V2G

Ein V2L-fähiges Fahrzeug sollte nicht automatisch als V2G-fähig bezeichnet werden. V2L versorgt typischerweise eine lokale externe Last, während V2G einen kontrollierten Betrieb mit einem Stromnetz beinhaltet und daher eine andere Compliance- und Kommunikationsstrategie auf Systemebene erfordert.

Ein bidirektionaler OBC kann wichtige Hardwarefunktionen für beide Konzepte bereitstellen, aber jede Anwendung muss separat validiert werden.

V2H und V2B: Wenn Fahrzeuge zu Energieressourcen werden

Backup- und Energiemanagementanwendungen

V2H- und V2B-Architekturen ermöglichen die Teilnahme einer kompatiblen EV-Batterie an einem Haus- oder Gebäudeenergiesystem. Mögliche Anwendungen umfassen Notstromversorgung, Spitzenlastmanagement, Integration mit lokaler erneuerbarer Energieerzeugung und zeitbasiertes Energiemanagement.

Aus Sicht des Fahrzeugherstellers werden diese Funktionen relevant, wenn erwartet wird, dass das Zielfahrzeug mit einem kompatiblen Energiemanagement-Ökosystem interagiert. Ein bidirektionales OBC kann die fahrzeugseitige Konvertierungsfähigkeit bereitstellen, aber zusätzliche Systemelemente können Folgendes umfassen:

• Kompatible bidirektionale EVSE- oder Power-Export-Geräte

• Fahrzeug- und EVSE-Kommunikation

• Errichtung von Transfer- oder Isolationsgeräten, sofern erforderlich

• Energiemanagement-Controller

• Elektrischer Schutz

• Lokale Installation und Einhaltung der Elektrovorschriften

Aus diesem Grund ist es sicherer und technisch genauer zu sagen, dass ein bidirektionales OBC die V2H-Architektur unterstützt, anstatt zu sagen, dass das OBC allein „das Haus mit Strom versorgt“.

Wann es sich lohnt, V2H anzugeben

Die V2H-Funktionalität kann einen bedeutenden Produktwert schaffen, wenn ein Fahrzeug für Märkte entwickelt wird, in denen Notstrom, Energiemanagement für Privathaushalte oder die Integration erneuerbarer Energien eine wichtige Kundenanforderung sind.

Allerdings sollte der OEM das geplante Ökosystem frühzeitig bestätigen. Der Entwurf einer bidirektionalen Leistungsstufe ohne Definition kompatibler Ladegeräte, Kommunikation, Ausgangsleistung, Batteriereserveanforderungen und regionaler Konformität kann zu Hardwarefunktionen führen, die praktisch nicht eingesetzt werden können.

V2G: Wenn das Fahrzeug mit dem Netz interagieren muss

Was macht V2G anders?

Vehicle-to-Grid ist anspruchsvoller als die einfache externe Wechselstromausgabe, da das Fahrzeug an einem elektrischen System teilnimmt, das parallel zum öffentlichen Stromnetz arbeitet.

Zu den möglichen V2G-Anwendungen gehören:

• Verwaltetes Laden und Entladen der Flotte

• Demand-Response-Beteiligung

• Spitzenlastmanagement

• Aggregation verteilter Energieressourcen

• Netzstützungsleistungen soweit zulässig

Der kommerzielle Wert dieser Funktionen hängt stark von den lokalen Strommarktregeln, Versorgungsprogrammen, Messung, Aggregation, Fahrzeugverfügbarkeit und Energiepreisen ab. Aus diesem Grund sollte ein OEM nicht davon ausgehen, dass jedes V2G-fähige Fahrzeug automatisch Einnahmen für seinen Besitzer oder Flottenbetreiber generiert.

V2G erfordert mehr als bidirektionale Hardware

Ein bidirektionales OBC bietet eine wichtige fahrzeugseitige Leistungsumwandlungsfunktion, für den netzgekoppelten Betrieb sind jedoch möglicherweise auch folgende Anforderungen erforderlich:

Standards und Kommunikation für bidirektionale OBCs

ISO 15118-20 und EV-EVSE-Kommunikation

ISO 15118 sollte nicht einfach als universelle „V2G-Zertifizierung“ beschrieben werden. Es handelt sich um eine Familie von Standards, die die Kommunikation zwischen EV und EVSE abdecken.

ISO 15118-20 definiert speziell Kommunikationsnachrichten und Sequenzanforderungen, die die bidirektionale Energieübertragung unterstützen. Für ein Fahrzeugprogramm, das kompatibles intelligentes oder bidirektionales Laden implementieren soll, sollte der OEM definieren, welche ISO 15118-Funktionen und Implementierungsumfang erforderlich sind.

Anforderungen an die Netzzusammenschaltung

Netzinteraktive AC-Architekturen müssen auch regionale Verbindungsanforderungen berücksichtigen. In Nordamerika beispielsweise befasst sich SAE J3072 mit netzgestützten Wechselrichtersystemen an Bord, die in Plug-in-Elektrofahrzeuge integriert sind, und definiert die entsprechende EV-EVSE-Genehmigung für den Entladebetrieb. Es soll zusammen mit den Anforderungen von IEEE 1547 und IEEE 1547.1 verwendet werden.

Die UL-Richtlinien unterscheiden auch zwischen bordeigenen, netzinteraktiven Wechselrichtersystemen und externen EV-Stromexportgeräten. Das bedeutet, dass ein OEM nicht einfach Standards wie SAE J3072, UL 1741, IEEE 1547 und ISO 15118 in einer Checkliste zusammenfassen und davon ausgehen sollte, dass sie alle in gleicher Weise direkt auf die OBC-Komponente anwendbar sind.

Definieren Sie stattdessen:

• Zielmarkt

• Bidirektionale AC- oder DC-Architektur

• Fahrzeugseitige Wechselrichter-/OBC-Verantwortung

• Verantwortung für EVSE/Verbindungsausrüstung

• Kommunikationsanforderungen

• Erforderliche Sicherheits- und Netzzertifizierungsstrategie

Wie viel bidirektionale OBC-Leistung benötigen Sie?

Die bidirektionale Leistungsbewertung sollte anhand des erforderlichen Anwendungsfalls ausgewählt werden, anstatt davon auszugehen, dass sie der maximal möglichen Laderate des Fahrzeugs entspricht.

Eine zunehmende bidirektionale Leistung kann sich auf die Halbleitergröße, die Magnetik, das thermische Design, die Gehäusegröße, die Anforderungen an das Kühlsystem, das Steckerdesign und die Kosten auswirken. Es sollte daher als Kompromiss zwischen der Fahrzeugsystemtechnik und der Technik betrachtet werden.

Ein Beispiel für ein kommerzielles Elektrofahrzeug mit höherer Leistung finden Sie bei Landworld 44 kW bidirektionales OBC für Elektro-Lkw.

Batteriezustand und bidirektionales Laden

Vermeiden Sie universelle Prozentsätze für die Batterieverschlechterung

Bidirektionales Laden führt zu einem zusätzlichen Energiedurchsatz der Batterie, daher sollten die Auswirkungen der Batteriealterung bei der Fahrzeugentwicklung berücksichtigt werden. Es gibt jedoch keinen einzelnen Prozentsatz, der die Wirkung von V2G oder V2H auf jede EV-Batterie genau darstellt.

Die Verschlechterung der Batterieleistung hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

• Zellchemie

• Batterietemperatur

• Ladezustandsfenster

• Entladungstiefe

• Lade-/Entladeleistung

• Zyklusfrequenz

• Kalenderalterung

• Fahrzeug-Wärmemanagement

Aus diesem Grund sollten Behauptungen wie „V2G verursacht über zehn Jahre nur 9–14 % zusätzlichen Kapazitätsverlust“ nicht als universelle technische Annahme betrachtet werden. Solche Werte hängen stark von den Studienbedingungen und der Batteriemanagementstrategie ab.

Batteriemanagementstrategie ist wichtig

Ein Fahrzeug, das für den häufigen bidirektionalen Betrieb vorgesehen ist, sollte eine Energiemanagementstrategie definieren, die eine minimale Reichweite gewährleistet und unnötige Batteriebelastung vermeidet.

Das BMS und die VCU können Folgendes steuern:

• Minimaler Entladungs-SOC

• Maximaler SOC für Langzeitparken

• Maximale bidirektionale Leistung

• Batterietemperaturgrenzen

• Maximale Entladedauer

• Antriebsenergiereserve

• Fehler- und Verschlechterungsschutz

Das Fahrzeuggarantie- und Haltbarkeitsziel sollte daher auf den beabsichtigten bidirektionalen Anwendungsfall ausgerichtet sein, anstatt das V2G- oder V2H-Verhalten unkontrolliert zu lassen.

Wärme- und Effizienzanforderungen

Der bidirektionale Betrieb erfordert, dass die Leistungsstufe in beiden Wandlungsrichtungen effizient arbeitet. Die Effizienz des Vorwärtsladens allein reicht nicht aus, um einen bidirektionalen OBC zu bewerten.

Ingenieurteams sollten Folgendes bewerten:

• AC-zu-DC-Effizienz beim Laden

• DC-zu-AC-Effizienz beim Stromexport

• Effizienz über repräsentative Lastpunkte hinweg

• Betriebsbereich der Batteriespannung

• AC-Eingangs-/Ausgangsbedingungen

• Kontinuierliche bidirektionale Betriebszeit

• Anforderungen an Kühlmittel oder Luftstrom

• Thermisches Derating-Verhalten

Landworld bietet in seinem erklärenden Artikel zusätzliche Hintergrundinformationen zur OBC-Effizienz wie effizient ein Bordladegerät sein kann.

Wenn ein herkömmliches OBC die bessere Wahl sein könnte

Nicht jede EV-Plattform benötigt bidirektionale Funktionalität. Ein herkömmliches OBC kann die bessere technische Wahl bleiben, wenn:

• Das Fahrzeug benötigt lediglich das Aufladen der Wechselstrombatterie.

• Es gibt keinen definierten V2L-, V2H-, V2G- oder Stromexport-Anwendungsfall.

• Die Ladeinfrastruktur des Zielmarktes unterstützt die vorgesehene bidirektionale Architektur nicht.

• Fahrzeugkosten und Bauraum sind wichtiger als die zukünftige Fähigkeit zum Stromexport.

• Die zusätzlichen Validierungs-, Kommunikations-, Sicherheits- und Homologationsanforderungen können nicht durch den erwarteten Kundennutzen gerechtfertigt werden.

Bidirektionale Fähigkeit sollte daher als Produktanforderung mit einem klaren Anwendungsfall behandelt werden – und nicht einfach als eine Funktion, die zur OBC-Spezifikation hinzugefügt werden muss.

Bidirektionale OBC-Lösungen von Landworld

Bidirektionale Lösungen für verschiedene EV-Plattformen

Landworld Technology entwickelt Bordnetzversorgungslösungen für Elektrofahrzeuge, darunter konventionelle OBCs, bidirektionale OBCs, DC/DC-Wandler und integrierte Ladesysteme.

Die des Unternehmens Das Portfolio an On-Board-Ladegeräten umfasst bidirektionale Lösungen mit unterschiedlichen Leistungsstufen für Pkw-, Nutzfahrzeug-, Offroad- und spezielle EV-Anwendungen.

Für Pkw-Anwendungen hat Landworld ebenfalls eine Bewertung durchgeführt bidirektionale OBC-Leistung in elektrischen Personenkraftwagen.

Welche Informationen sollten Sie für ein bidirektionales OBC-Projekt bereitstellen?

Definieren Sie bei der Kontaktaufnahme mit einem OBC-Anbieter von Anfang an den beabsichtigten bidirektionalen Anwendungsfall. Zu den nützlichen Projektinformationen gehören:

Landworld arbeitet nach einem IATF 16949-zertifizierten Qualitätsmanagementsystem für die Automobilindustrie. Bei Projekten mit Anforderungen an die funktionale Sicherheit kann die ISO 26262-bezogene Entwicklung und Validierung entsprechend dem spezifischen Produkt- und Projektumfang in Angriff genommen werden.

Um ein Projekt zu bewerten, schauen Sie sich Landworlds an über On-Board-LadelösungenErfahren Sie mehr über das Unternehmen , oder Kontaktieren Sie Landworld mit Ihrem Fahrzeug und den bidirektionalen Ladeanforderungen.

Für Pkw-Programme können Sie sich auch die von Landworld ansehen Elektro-Pkw-Lösungen.

Abschluss

Ein bidirektionales OBC sollte verwendet werden, wenn die Fahrzeugplattform eine klare Anforderung hat, Energie sowohl zu exportieren als auch zu empfangen. V2L kann externe Geräte und mobile Energieanwendungen unterstützen, V2H/V2B kann das Fahrzeug mit kompatiblen Gebäudeenergiesystemen verbinden und V2G kann es dem Fahrzeug ermöglichen, an netzinteraktiven Energiearchitekturen teilzunehmen, sofern Infrastruktur und Vorschriften dies zulassen.

Diese Funktionen sollten jedoch nicht allein dem OBC zugeschrieben werden. Erfolgreiches bidirektionales Laden hängt vom gesamten System ab, einschließlich Batterie, BMS, VCU, EVSE, Kommunikation, Schutz, thermischem Design, Netzschnittstelle und regionaler Compliance-Strategie.

Für OEMs und Fahrzeugintegratoren von Elektrofahrzeugen lautet die richtige Frage daher nicht einfach „Brauchen wir ein bidirektionales Ladegerät?“, sondern: „Welche Stromexportfunktion muss dieses Fahrzeug unter welchen Betriebsbedingungen erfüllen und welche Systemarchitektur ist erforderlich, um es zuverlässig zu unterstützen?“

FAQ

Unterstützt jedes Elektrofahrzeug mit bidirektionalem OBC V2G?

Nein. Ein bidirektionaler OBC bietet fahrzeugseitige Leistungsumwandlungsfähigkeit, aber V2G erfordert auch kompatible Fahrzeugsteuerungen, EVSE, Kommunikation, Netzverbindungsfunktionen und eine behördliche Genehmigung. Bidirektionale Hardware allein garantiert keinen V2G-Betrieb.

Was ist der Unterschied zwischen V2L, V2H und V2G?

V2L versorgt externe elektrische Verbraucher, V2H nutzt Fahrzeugenergie innerhalb eines kompatiblen Heimenergiesystems und V2G ermöglicht die Interaktion des Fahrzeugs mit dem öffentlichen Stromnetz. Die technischen und regulatorischen Anforderungen werden immer komplexer, je weiter das Fahrzeug von isolierten Lasten hin zum netzparallelen Betrieb übergeht.

Macht ISO 15118 ein EV V2G-fähig?

Nicht von alleine. ISO 15118 definiert die Kommunikation zwischen EV und EVSE, und ISO 15118-20 enthält Kommunikationsanforderungen zur Unterstützung der bidirektionalen Energieübertragung. Das Fahrzeug erfordert weiterhin eine geeignete bidirektionale Leistungselektronik, Steuerung, EVSE-Kompatibilität, Schutz und alle geltenden Netzverbindungsvorschriften.

Schadet bidirektionales Laden der Batterie des Elektroautos?

Ein zusätzlicher Energiedurchsatz kann zur Batteriealterung beitragen, die tatsächliche Auswirkung hängt jedoch von der Batteriechemie, der Temperatur, der Entladetiefe, dem SOC-Fenster, der Entladeleistung, der Zyklusfrequenz und der Energiemanagementstrategie ab. Es ist nicht korrekt, für jedes Fahrzeug oder jedes V2G-Programm einen Verschlechterungsprozentsatz anzuwenden.

Kann ein bidirektionaler OBC während eines Ausfalls Notstrom bereitstellen?

Es kann eine fahrzeugseitige Rückstromumwandlungsfunktion für eine kompatible V2H- oder Notstromarchitektur bereitstellen. Für den eigentlichen Backup-Betrieb sind jedoch auch geeignete externe Geräte, ggf. Isolations- oder Übertragungsfunktionen, Fahrzeugsteuerung und die Einhaltung der örtlichen Elektrovorschriften erforderlich.

Wann sollte sich ein OEM für ein bidirektionales OBC entscheiden?

Wählen Sie die bidirektionale Fähigkeit, wenn V2L, V2H/V2B, V2G, Flottenenergiemanagement oder ein anderer definierter Stromexport-Anwendungsfall genügend Kunden- oder Betriebswert schafft, um die zusätzlichen Hardware-, Software-, Wärme-, Validierungs- und Compliance-Anforderungen zu rechtfertigen.

Wie kann Landworld ein bidirektionales OBC-Projekt unterstützen?

Landworld entwickelt bidirektionale OBC- und integrierte Stromversorgungslösungen für verschiedene EV-Anwendungen. Fahrzeughersteller können Batteriespannung, Vorwärts- und Rückwärtsleistungsanforderungen, AC-Eingangs-/Ausgangsbedingungen, Kommunikation, Kühlung, Gehäusebeschränkungen, Zielmarkt und den beabsichtigten V2X-Anwendungsfall für die technische Bewertung angeben.