Когда следует использовать двунаправленный OBC?

Двунаправленное бортовое зарядное устройство (OBC) стоит рассмотреть, когда платформе электромобиля требуется больше, чем обычная зарядка переменным током. В отличие от однонаправленного OBC, который в основном преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока для высоковольтной батареи, двунаправленный OBC также может поддерживать контролируемый поток мощности от аккумулятора транспортного средства обратно к внешней нагрузке переменного тока или энергосистеме.

Для производителей электромобилей и интеграторов транспортных средств эта возможность может поддерживать архитектуры «автомобиль-нагрузка» (V2L), «автомобиль-дом или здание» (V2H/V2B) и «автомобиль-сеть» (V2G). Однако сам по себе двунаправленный OBC не создает полноценную систему V2G или V2H. Средства управления транспортными средствами, стратегия BMS, зарядное оборудование, протоколы связи, защитные устройства, требования к подключению к сети и региональные правила также должны поддерживать намеченную функцию.

Поэтому решение об использовании двунаправленного OBC должно приниматься на уровне архитектуры транспортного средства. В этом руководстве объясняется, когда двунаправленная зарядка приносит реальную пользу, какие дополнительные системные требования необходимо учитывать и когда обычный однонаправленный OBC по-прежнему может быть более подходящим выбором.

Ключевые выводы

• А Двунаправленное встроенное зарядное устройство поддерживает преобразование энергии как в направлении зарядки, так и в направлении разрядки.

• Используйте двунаправленный OBC, если платформа автомобиля предназначена для поддержки V2L, V2H/V2B, V2G, управления энергопотреблением парка или других функций экспорта энергии.

• V2H и V2G — это возможности системного уровня. OBC должен работать с совместимыми средствами управления транспортными средствами, EVSE, связью, защитой и сетевой инфраструктурой.

• ISO 15118-20 может быть уместен там, где требуется связь EV-EVSE для двунаправленной передачи энергии, в то время как проекты интерактивной сети переменного тока V2G могут также включать требования к региональным межсетевым соединениям.

• Деградацию батареи следует оценивать в соответствии с химическим составом батареи, окном SOC, глубиной разряда, температурой, стратегией цикла и ожидаемым двунаправленным рабочим циклом, а не полагаться на один универсальный процент.

Что такое двунаправленное бортовое зарядное устройство?

Одностороннее и двустороннее преобразование энергии

Обычный Встроенное зарядное устройство в первую очередь предназначено для односторонней передачи энергии во время зарядки переменным током. Он преобразует входящую мощность переменного тока в регулируемый выходной постоянный ток, который может подаваться на тяговую батарею под контролем BMS и системы зарядки автомобиля.

А Двунаправленное встроенное зарядное устройство обеспечивает возможность обратного преобразования энергии. В зависимости от архитектуры OBC может преобразовывать энергию постоянного тока на стороне батареи обратно в управляемый выход переменного тока для внешней нагрузки или системы, подключенной к сети.

Как работает двунаправленное преобразование мощности

Во время обычной зарядки переменным током электрическая энергия течет из сети или EVSE через OBC в высоковольтную батарею. Зарядное устройство регулирует напряжение и ток в соответствии с командами автомобиля и BMS.

При реверсе энергия постоянного тока от тяговой батареи преобразуется обратно в переменный ток. Требуемые характеристики переменного тока зависят от предполагаемого применения. Питание изолированной внешней нагрузки принципиально отличается от работы параллельно с энергосистемой.

Это различие важно, поскольку транспортное средство, способное питать устройства через V2L, не удовлетворяет автоматически требованиям V2G. Работа в параллельном режиме сети предъявляет дополнительные требования к синхронизации, защите, предотвращению изолирования или соответствующему поведению при межсетевом взаимодействии, связи, авторизации и соблюдению нормативных требований.

Когда производителям электромобилей следует использовать двунаправленный OBC?

Двунаправленная возможность наиболее ценна, когда экспорт энергии создает определенную выгоду для клиентов, эксплуатации или сетевых услуг. OBC не следует делать двунаправленным просто потому, что технология доступна.

V2L: когда транспортному средству требуется внешнее питание переменного тока

Где V2L добавляет ценность

Транспортное средство-загрузка является одним из наиболее прямых двунаправленных вариантов использования, поскольку энергия тяговой батареи используется для питания внешних электрических нагрузок, а не экспортируется в энергосистему.

V2L может быть полезен для:

• Коммерческие транспортные средства, которым необходимы электроинструменты или оборудование

• Строительная и внедорожная техника

• Аварийное или временное энергоснабжение

• Применение на открытом воздухе и в мобильных условиях

• Транспортные средства специального назначения, требующие вспомогательного источника переменного тока

Для производителя электромобилей важными инженерными параметрами являются не типы приборов, которые потребитель может подключить. Вместо этого определите необходимую выходную мощность переменного тока, выходное напряжение и частоту, перегрузочную способность, архитектуру разъема, стратегию изоляции, функции защиты, рабочий цикл и температурные ограничения.

V2L — это не то же самое, что V2G

Транспортное средство с поддержкой V2L не должно автоматически описываться как поддерживающее V2G. V2L обычно обеспечивает локальную внешнюю нагрузку, тогда как V2G предполагает контролируемую работу с электрической сетью и, следовательно, требует другой стратегии соответствия и коммуникации на уровне системы.

Двунаправленный OBC может обеспечить важные аппаратные возможности для обеих концепций, но каждое приложение необходимо проверять отдельно.

V2H и V2B: когда транспортные средства становятся энергетическими ресурсами

Приложения для резервного копирования и управления энергопотреблением

Архитектуры V2H и V2B позволяют совместимому аккумулятору электромобиля участвовать в энергетической системе дома или здания. Потенциальные приложения включают резервное питание, управление пиковой нагрузкой, интеграцию с местными возобновляемыми источниками энергии и управление энергопотреблением по времени.

С точки зрения производителя транспортного средства, эти функции становятся актуальными, когда ожидается, что целевой автомобиль будет взаимодействовать с совместимой экосистемой управления энергопотреблением. Двунаправленный OBC может обеспечить возможность преобразования на стороне транспортного средства, но дополнительные элементы системы могут включать:

• Совместимое двунаправленное EVSE или оборудование для экспорта энергии

• Связь между автомобилем и EVSE

• Оборудование для перемещения зданий или изоляционное оборудование, где это необходимо.

• Контроллер энергоменеджмента

• Электрическая защита

• Местная установка и соответствие электротехническим нормам

По этой причине безопаснее и технически точнее сказать, что двунаправленный OBC поддерживает архитектуру V2H, а не говорить, что OBC сам по себе «снабжает дом электроэнергией».

Когда стоит использовать V2H

Функциональность V2H может повысить ценность продукта, когда транспортное средство разрабатывается для рынков, где резервное питание, управление энергопотреблением в жилых домах или интеграция с возобновляемыми источниками энергии являются важными требованиями клиентов.

Однако OEM-производитель должен заранее подтвердить предполагаемую экосистему. Проектирование двунаправленного силового каскада без определения совместимого зарядного оборудования, связи, выходной мощности, требований к резерву батареи и региональных требований может привести к тому, что аппаратные возможности невозможно будет практически реализовать.

V2G: когда транспортное средство должно взаимодействовать с сетью

Что отличает V2G?

Подключение автомобиля к сети более требовательно, чем простая внешняя мощность переменного тока, поскольку автомобиль участвует в электрической системе, которая работает параллельно с энергосистемой.

Потенциальные приложения V2G включают в себя:

• Управляемая загрузка и разгрузка автопарка

• Участие в реагировании на спрос

• Управление пиковой нагрузкой

• Агрегация распределенных энергетических ресурсов

• Услуги по поддержке сетей, где это разрешено

Коммерческая ценность этих функций во многом зависит от правил местного рынка электроэнергии, коммунальных программ, учета, агрегирования, наличия транспортных средств и цен на энергию. По этой причине OEM-производитель не должен предполагать, что каждое транспортное средство с поддержкой V2G будет автоматически приносить доход своему владельцу или оператору автопарка.

V2G требует больше, чем просто двунаправленное оборудование

Двунаправленный OBC обеспечивает важную функцию преобразования энергии на стороне транспортного средства, но для работы с сетью также может потребоваться:

Стандарты и связь для двунаправленных OBC

ISO 15118-20 и связь EV-EVSE

ISO 15118 не следует описывать просто как универсальную «сертификацию V2G». Это семейство стандартов, охватывающих связь между EV и EVSE.

ISO 15118-20 конкретно определяет коммуникационные сообщения и требования к последовательности, которые поддерживают двунаправленную передачу энергии. Для программы транспортного средства, в которой предполагается реализовать совместимую интеллектуальную или двунаправленную зарядку, OEM-производитель должен определить, какие функции ISO 15118 и объем реализации необходимы.

Требования к сетевому соединению

Грид-интерактивные архитектуры переменного тока также должны учитывать региональные требования к взаимосвязи. В Северной Америке, например, стандарт SAE J3072 касается бортовых инверторных систем поддержки сети, встроенных в подключаемые к сети электромобили, и определяет соответствующие разрешения EV–EVSE для работы в режиме разрядки. Он предназначен для использования вместе с требованиями IEEE 1547 и IEEE 1547.1.

В рекомендациях UL также проводится различие между бортовыми интерактивными инверторными системами и внешним оборудованием для экспорта энергии электромобилей. Это означает, что OEM-производитель не должен просто помещать такие стандарты, как SAE J3072, UL 1741, IEEE 1547 и ISO 15118, в один контрольный список и предполагать, что все они одинаково применимы непосредственно к компоненту OBC.

Вместо этого определите:

• Целевой рынок

• Двунаправленная архитектура переменного или постоянного тока

• Ответственность за инвертор на стороне автомобиля/OBC

• Ответственность за EVSE/межсетевое оборудование

• Требования к связи

• Требуемая стратегия безопасности и сертификации сети

Сколько двунаправленной мощности OBC вам нужно?

Номинальную мощность двунаправленной передачи следует выбирать исходя из требуемого варианта использования, а не предполагать, что она равна максимально возможной скорости зарядки транспортного средства.

Увеличение двунаправленной мощности может повлиять на размер полупроводников, магнитные свойства, тепловую конструкцию, размер корпуса, требования к системе охлаждения, конструкцию разъема и стоимость. Поэтому его следует рассматривать как компромисс между инженерными системами автомобиля.

Пример коммерческого электромобиля большей мощности см. в статье Landworld. Двунаправленный OBC мощностью 44 кВт для электрогрузовиков.

Состояние аккумулятора и двунаправленная зарядка

Избегайте универсального процента деградации аккумуляторов

Двунаправленная зарядка обеспечивает дополнительную пропускную способность аккумулятора, поэтому влияние старения аккумулятора следует учитывать при разработке автомобиля. Однако не существует единого процента, который бы точно отражал влияние V2G или V2H на каждую батарею электромобиля.

Деградация батареи зависит от таких факторов, как:

• Клеточная химия

• Температура батареи

• Окно состояния заряда

• Глубина разряда

• Мощность заряда/разряда

• Частота цикла

• Календарное старение

• Управление температурой автомобиля

По этой причине такие утверждения, как «V2G вызывает лишь 9–14% дополнительных потерь мощности за десять лет», не следует рассматривать как универсальное инженерное предположение. Такие значения сильно зависят от условий исследования и стратегии управления батареями.

Стратегия управления батареями имеет значение

Транспортное средство, предназначенное для частого двустороннего движения, должно иметь стратегию управления энергопотреблением, которая обеспечивает минимальный запас хода и позволяет избежать ненужной нагрузки на аккумулятор.

BMS и VCU могут контролировать:

• Минимальный разряд SOC

• Максимальный SOC для длительной стоянки

• Максимальная двунаправленная мощность

• Пределы температуры аккумулятора

• Максимальная продолжительность разряда

• Запас движущей силы

• Защита от сбоев и деградации

Таким образом, целевые показатели гарантии и долговечности транспортного средства должны разрабатываться с учетом предполагаемого двунаправленного варианта использования, а не оставлять поведение V2G или V2H неконтролируемым.

Требования к температуре и эффективности

Двунаправленная работа требует, чтобы силовой каскад работал эффективно в обоих направлениях преобразования. Одной только эффективности прямой зарядки недостаточно для оценки двунаправленного OBC.

Инженерные группы должны оценить:

• Эффективность преобразования переменного тока в постоянный во время зарядки

• Эффективность преобразования постоянного тока в переменный при экспорте электроэнергии

• Эффективность в репрезентативных точках нагрузки

• Рабочий диапазон напряжения аккумулятора

• Условия входа/выхода переменного тока

• Время непрерывной двунаправленной работы

• Требования к охлаждающей жидкости или воздушному потоку

• Поведение при термическом снижении номинальных характеристик

Landworld предоставляет дополнительную информацию об эффективности OBC в своей статье, объясняющей насколько эффективным может быть бортовое зарядное устройство.

Когда обычный OBC может быть лучшим выбором

Не каждая платформа электромобилей нуждается в двунаправленной функциональности. Обычный OBC может оставаться лучшим инженерным выбором, если:

• Транспортному средству требуется только зарядка аккумулятора переменного тока.

• Не существует определенного варианта использования V2L, V2H, V2G или экспорта энергии.

• Инфраструктура зарядки целевого рынка не поддерживает предполагаемую двунаправленную архитектуру.

• Стоимость транспортного средства и его вместимость более важны, чем будущие возможности экспорта электроэнергии.

• Дополнительные требования к валидации, коммуникации, безопасности и омологации не могут быть оправданы ожидаемой потребительской ценностью.

Поэтому двунаправленную связь следует рассматривать как требование к продукту с четким сценарием использования, а не просто как функцию, которую можно добавить в спецификацию OBC.

Двунаправленные решения Landworld OBC

Двунаправленные решения для различных платформ электромобилей

Landworld Technology разрабатывает решения для бортового электропитания для электромобилей, включая обычные OBC, двунаправленные OBC, преобразователи постоянного тока в постоянный и интегрированные системы зарядки.

компании В портфолио бортовых зарядных устройств входят двунаправленные решения с различными уровнями мощности для пассажирских, коммерческих, внедорожных и специализированных электромобилей.

Landworld также провела оценку применения легковых автомобилей. двунаправленная работа OBC в пассажирских электромобилях.

Какую информацию следует предоставить для двунаправленного проекта OBC?

При обращении к поставщику OBC с самого начала определите предполагаемый вариант двунаправленного использования. Полезная информация о проекте включает в себя:

Landworld работает в рамках системы управления качеством автомобильной промышленности, сертифицированной IATF 16949. Для проектов с требованиями функциональной безопасности разработка и валидация, связанные с ISO 26262, могут осуществляться в соответствии с конкретным продуктом и объемом проекта.

Чтобы оценить проект, просмотрите Landworld's решения для бортовых зарядных устройств , подробнее о компании или свяжитесь с Landworld и сообщите о своем автомобиле и требованиях к двунаправленной зарядке.

Что касается программ для легковых автомобилей, вы также можете ознакомиться с программой Landworld. решения для электрических легковых автомобилей.

Заключение

Двунаправленный OBC следует использовать, когда платформа транспортного средства имеет четкое требование экспортировать энергию, а также получать ее. V2L может поддерживать внешнее оборудование и мобильные силовые приложения, V2H/V2B может подключать автомобиль к совместимым энергетическим системам зданий, а V2G может позволить транспортному средству участвовать в интерактивных энергетических архитектурах, где это позволяют инфраструктура и правила.

Однако эти функции не следует приписывать только OBC. Успешная двунаправленная зарядка зависит от всей системы, включая батарею, BMS, VCU, EVSE, связь, защиту, тепловое проектирование, сетевой интерфейс и региональную стратегию соответствия.

Поэтому для производителей электромобилей и интеграторов транспортных средств правильный вопрос заключается не просто в «Нужно ли нам двунаправленное зарядное устройство?», а в следующем: «Какую функцию экспорта энергии должен выполнять этот автомобиль, при каких условиях эксплуатации и какая системная архитектура требуется для его надежной поддержки?»

Часто задаваемые вопросы

Поддерживает ли каждый электромобиль с двунаправленным OBC V2G?

Нет. Двунаправленный OBC обеспечивает возможность преобразования энергии на стороне транспортного средства, но V2G также требует совместимых органов управления транспортным средством, EVSE, связи, функций межсетевого соединения и одобрения регулирующих органов. Одно только двунаправленное оборудование не гарантирует работу V2G.

В чем разница между V2L, V2H и V2G?

V2L питает внешние электрические нагрузки, V2H использует энергию автомобиля в совместимой домашней энергосистеме, а V2G позволяет транспортному средству взаимодействовать с электросетью. Технические и нормативные требования становятся все более сложными по мере того, как транспортное средство переходит от изолированных нагрузок к работе в параллельном режиме.

Обеспечивает ли ISO 15118 возможности EV V2G?

Не сам по себе. ISO 15118 определяет связь между EV и EVSE, а ISO 15118-20 включает требования к связи, поддерживающие двунаправленную передачу энергии. Транспортному средству по-прежнему требуется подходящая двунаправленная силовая электроника, управление, совместимость с EVSE, защита и любые применимые требования к межсетевым соединениям.

Повреждает ли двунаправленная зарядка аккумулятор электромобиля?

Дополнительная пропускная способность энергии может способствовать старению батареи, но фактический эффект зависит от химического состава батареи, температуры, глубины разряда, окна SOC, мощности разряда, частоты циклов и стратегии управления энергопотреблением. Неправильно применять один процент деградации к каждому транспортному средству или программе V2G.

Может ли двунаправленный OBC обеспечить резервное питание во время сбоя?

Он может обеспечить возможность обратного преобразования энергии на стороне транспортного средства для совместимой архитектуры V2H или резервного питания. Однако фактическая операция резервного копирования также требует соответствующего внешнего оборудования, функций изоляции или передачи, где это применимо, управления транспортным средством и соответствия местным электротехническим нормам.

Когда OEM-производителю следует выбирать двунаправленный OBC?

Выбирайте двунаправленную возможность, когда V2L, V2H/V2B, V2G, управление энергопотреблением парка или другой определенный вариант использования экспорта электроэнергии создает достаточную потребительскую или эксплуатационную ценность, чтобы оправдать дополнительные требования к оборудованию, программному обеспечению, температуре, проверке и соответствию.

Как Landworld может поддержать двунаправленный проект OBC?

Landworld разрабатывает двунаправленные OBC и интегрированные решения в области электропитания для различных приложений электромобилей. Производители транспортных средств могут предоставить для технической оценки напряжение аккумулятора, требования к прямой и обратной мощности, условия ввода/вывода переменного тока, связь, охлаждение, ограничения корпуса, целевой рынок и предполагаемый вариант использования V2X.