Wie bidirektionales Laden von EVs den Nutzen des Akkus maximiert

Wenn der Strom in beide Richtungen fließen kann, ist ein EV mehr als nur ein Fortbewegungsmittel. Es ist zudem eine Energiequelle in einem intelligenten Stromnetz, die Bedarfsschwankungen ausgleichen, ein Haus während eines Stromausfalls weiterversorgen oder als mobile Ladestation für Firmenflotten dienen kann.

Das bidirektionale Laden steckt zwar noch in den Kinderschuhen, aber dank dieser Technologie können sowohl die Ladestationen als auch die EVs selbst so ausgerüstet werden, dass sie eine intelligentere Stromverteilung in den Städten unterstützen und eine Vielzahl industrieller Ladeanwendungen in der Landwirtschaft, im Bauwesen und in der Logistik ermöglichen.

Der Anstieg von EVs und die wachsende Akkukapazität

Immer mehr Fahrzeuge auf und abseits der Straße sind elektrisch angetrieben. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) stiegen die weltweiten Verkaufszahlen von EV 2021 auf 6,6 Millionen, verglichen mit drei Millionen im Vorjahr, was einem Marktanteil von neun Prozent entspricht. Im Jahr 2022 wurden etwa 4,5 Prozent aller Busse und 1,2 Prozent aller Lkw weltweit als EV gekauft. Zwar hat China den Markt in diesem Bereich jahrelang dominiert, aber die Verkäufe in Amerika und Europa steigen mittlerweile ebenso wie die Anzahl der verfügbaren Modelle.

Der Zuwachs an EVs hat wiederum zu einer wachsenden Schnellladeinfrastruktur geführt. Laut der IEA erreichte die Zahl der öffentlich zugänglichen Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EVSE) im Jahr 2021 weltweit 1,8 Millionen Ladepunkte – ein Drittel davon waren Schnellladestationen. Die Zahl der Installationen stieg 2021 mit fast 500.000 Ladestationen drastisch an, was mehr als der Gesamtzahl der 2017 verfügbaren öffentlichen Ladestationen entspricht, während die Zahl der öffentlich zugänglichen Ladestationen 2021 um 37 Prozent wuchs.

Nach Angaben des ICCT wird der Energieverbrauch von mittelschweren und schweren Nutzfahrzeugen bis 2030 voraussichtlich um 140.000 Megawattstunden pro Tag steigen. Ein Großteil dieses Bedarfs in den USA wird entlang der Fernstraßen für den Güterfernverkehr (National Highway Freight Network – NHFN) und in den Bundesstaaten entstehen, die die kalifornische Vorschrift Advanced Clean Trucks übernommen haben. Um die potenzielle Belastung des Stromnetzes zu verringern, prüft Kalifornien, wo rund eine Million EVs auf den Straßen sind, wie die Verbreitung von rückspeisefähigen Konzepten (Vehicle to Grid – V2G) per Gesetz beschleunigt werden kann.

Die Vorteile und Herausforderungen des bidirektionalen Ladens

Obwohl viel über das Potenzial des V2G-Ladens gesprochen wird, sind die heutigen Ladeinfrastrukturen und EVs in der Regel nur für eine Richtung ausgelegt: vom Netz oder einer anderen Quelle zum Fahrzeug. In einem typischen Akkuladeszenario arbeitet ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler mit einer Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und wandelt die Wechselstrom (AC) -Netzspannung in eine Gleichstrom (DC) -Ausgangshochspannung um, die in einen isolierten DC/DC-Wandler geleitet wird. Der DC/DC-Wandler bietet eine galvanische Trennung für die Sicherheit und wandelt die feste DC-Eingangsspannung in einen Konstantstrom- (CC) oder Konstantspannungs (CV) -Ausgang um, der den Akku mithilfe des Batteriemanagementsystems (BMS) lädt.

Beim bidirektionalen Laden ist der Ladevorgang jedoch keine Einbahnstraße. Denn anstatt nur Strom aus dem Netz zu ziehen, kann ein EV ihn auch wieder einspeisen. Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, Wechselstrom wieder aus dem Akku zurückzugewinnen.

1. Separater Wechselrichter
2. Bidirektionale Stromumwandlung

Die einfachste Möglichkeit ist die Verwendung eines Wechselrichters parallel zum Ladegerät, um die Gleichspannung des Akkus in eine Netzwechselspannung umzuwandeln. In der Regel erfolgt dies mithilfe einer DC/DC-Stufe. Dieses Verfahren benötigt zwar Platz, bringt zusätzliches Gewicht mit sich und erhöht die Kosten, ist aber einfacher zu konstruieren und zu steuern.

Um den zusätzlichen Platz-, Gewichts- und Kostenaufwand zu vermeiden, verwendet ein echtes bidirektionales Ladegerät bidirektionale Schalttopologien mit komplexen digitalen Steuerungen, die es jeder Leistungsumwandlungsstufe ermöglichen, Strom in beide Richtungen zu übertragen.

Effiziente AC/DC-Wandlung und Leistungsfaktorkorrektur

Nicht alle Stromwandlertopologien sind für die bidirektionale Leistungsübertragung geeignet. Ein offensichtlicher Grund ist die Verwendung von Brückengleichrichtern in der AC/DC-Stufe, die den Strom nur in eine Richtung leiten. Diese kommen häufig bei Ladegeräten mit geringerer Leistung zum Einsatz, denen aus Gründen der Kosteneinsparung und Einfachheit ein Aufwärtswandler mit PFC nachgeschaltet ist. Diese Konstruktionen sind jedoch ineffizient und lassen sich nicht gut parallel betreiben, was das Wärmemanagement bei hohen Übertragungsleistungen erschwert.

Die sogenannten brückenlosen Topologien arbeiten ohne Brückengleichrichter, um die Effizienz zu verbessern. Diese Wandler sind komplexer, da statt einfacher Dioden aktive Schalter verbaut werden, und einige Topologien sind in der Lage, einen bidirektionalen Stromfluss zu ermöglichen. Das vielleicht einfachste Beispiel ist die brückenlose Totem-Pole-PFC-Topologie, bei der im Wesentlichen die Brückengleichrichterdioden durch aktive bidirektionale Schalter ersetzt werden.

In der AC-DC-Richtung ähnelt diese Topologie einem Aufwärtswandler und wandelt den AC-Eingang in einen DC-Ausgang um, während der Eingangsstrom so geformt wird, dass er der Spannung für die PFC entspricht. In der DC/AC-Richtung wird die Gleichspannung „zerhackt“ und in eine Wechselspannung umgewandelt.

Es gibt auch andere bidirektionale Topologien, die nach Kosten, Leistungsdichte, Effizienz und Komplexität ausgewählt werden. Die Effizienz ist wichtig, um Verluste zu minimieren und die Nutzung und Lebensdauer des Akkus zu maximieren.

Bidirektionale DC/DC-Wandlung für optimale Energieübertragung

Die DC/DC-Stufe ist konzeptionell einfacher, da sie eine DC/DC-Wandlung durchführt, unabhängig davon, in welche Richtung der Strom fließt. Wie beim AC/DC-Wandler müssen die Gleichrichter durch aktive Schalter ersetzt werden, um einen bidirektionalen Stromfluss zu ermöglichen. Außerdem müssen die Schalter sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite aktiv steuerbar sein, was durch das Vorhandensein einer Isolierung erschwert wird. Die gängige Topologie für diese Stufe ist der sogenannte DAB-Wandler (Dual Active Bridge). Dieser Wandler arbeitet auf jeder Seite der Isolationsbarriere mit einer aktiven Vollbrücke. Resonanztopologien werden häufig verwendet, um Schaltverluste zu minimieren, die Größe zu reduzieren und die Effizienz zu maximieren. Der typische unidirektionale LLC (Induktor-Induktor-Kondensator) -Wandler wird zu einem CLLC (Kondensator-Induktor-Induktor-Kondensator) -DAB-Wandler für bidirektionale Anwendungen.

Vorteile des bidirektionalen Ladens von EV-Batterien

Unabhängig davon, ob die Ladestation mit bidirektionalen Topologien oder einem separaten, klobigen Wechselrichter arbeitet, bietet die Möglichkeit, Strom aus einem EV-Akku abzuzweigen, viele Vorteile. Dazu zählen eine Reihe von Anwendungen, von denen viele eine Variation des Namens V2X tragen, wie unter anderem:

• V2G – Vehicle to Grid (Fahrzeug zu Netz)
• V2B – Vehicle to Building (Fahrzeug zu Gebäude)
• V2H – Vehicle to Home (Fahrzeug zu Haus)
• V2E – Vehicle to Equipment (Fahrzeug zu Gerät)
• V2V – Vehicle to Vehicle (Fahrzeug zu Fahrzeug)

Der offensichtlichste Vorteil des bidirektionalen Ladens besteht darin, dass EVs in einem V2G-Modell zur Unterstützung des Stromnetzes verwendet werden können. Die meisten Stromnetze sind so konzipiert, dass sie nicht über umfangreiche Speichermöglichkeiten verfügen. Die erzeugte Energie wird sofort verbraucht oder geht verloren, was zu komplexen Bedarfsschätzungen führt, um ausreichend Energie ohne übermäßige Verluste zu liefern. Bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie kann der Bedarf jedoch die Kapazität zu bestimmten Zeiten übersteigen, wie es z. B. bei Solarenergie in den Nachtstunden der Fall ist.

Durch den Einsatz von EV-Akkus zur Speicherung können Stromnetze das Maximum aus dem durch erneuerbare Energien erzeugten Strom herausholen, indem sie die überschüssige Energie zur späteren Nutzung speichern, wenn die Erzeugung unter dem Bedarf liegt. Da sich der Akku näher am Verbraucher befindet, kann er auch kurzzeitig auftretende Spitzenlasten des Verbrauchers auffangen, um zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität beizutragen. Akkus könnten außerdem als Kondensatoren fungieren und lokale Spitzenlasten abdecken, was die Belastung der Verteilungsleitungen und Transformatoren verringern und Spannungsschwankungen reduzieren kann.

Ein weiteres überzeugendes Argument für die Rückeinspeisung von EV-Strom in das Stromnetz sind Notfälle. Bei einem Stromausfall könnten kommunale Fahrzeuge wichtige Gebäude (V2B) und Anlagen (V2E) am Laufen halten, während ein Hochhaus die in seiner Tiefgarage angeschlossenen EV zur Stromversorgung des Gebäudes nutzen könnte – im Grunde also eine alternative unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Auch ein Einfamilienhaus könnte auf ein EV zurückgreifen, um einen Stromausfall zu überbrücken (V2H).

Ein V2B-Szenario, das gerade in der Stadt Boulder, Colorado, erprobt wird, ist der Anschluss eines Nissan Leaf über eine bidirektionale Ladestation an das Freizeitzentrum North Boulder. Ziel ist es, Energiekosten zu sparen, indem der Akku des Nissan Leaf nachts aufgeladen und dann zu Spitzenbedarfszeiten wieder entladen wird. Dadurch wird das Stromnetz entlastet und Stromkosten werden eingespart.

Stadtanwendungen für bidirektionales Laden

Die Entnahme von Strom aus EV, um ihn wieder ins Netz oder in ein einzelnes Gebäude rückzuspeisen, ist jedoch nur der Anfang. Es gibt viele weitere überzeugende und kreative Anwendungsfälle für bidirektionales Laden. Ein EV, das Strom in beide Richtungen übertragen kann, wird im Grunde zu einer mobilen Ladeeinheit. Wenn mehr EV unterwegs sind, könnte man ein liegengebliebenes EV, statt es notdürftig mit Starterkabeln aufzuladen, durch eine Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Übertragung (V2V) aufladen, sodass EV sich im Notfall gegenseitig aufladen können.

Neben den offensichtlichen bidirektionalen Ladeanwendungen für Privathaushalte und Verbraucher gibt es aber auch zahlreiche Anwendungsfälle in einer Vielzahl von Branchen und Umgebungen, wie beispielsweise Firmenflotten, Bauwesen und Landwirtschaft. Ein EV kann nicht nur ein anderes Auto aufladen, sondern auch andere Fahrzeuge wie E-Bikes und Firmenflotten.

Bidirektionale Lademöglichkeiten würden es einem Speditions- und Logistikunternehmen mit einer Lkw-Flotte ermöglichen, seine EVs zur Deckung des eigenen Energiebedarfs zu nutzen, indem es ein autarkes Energiesystem schafft. Durch den Aufbau eines eigenen Microgrid- oder Nanogrid-Systems könnte ein solches Unternehmen energieunabhängiger werden. In Kombination mit erneuerbaren Energiesystemen, wie z. B. Solarzellen, könnte ein Unternehmen unabhängiger vom öffentlichen Stromnetz werden und seine Gebäude autark machen.

Ähnlich wie bei V2G-Anwendungen, bei denen EVs im Falle eines Stromausfalls Energie ins Netz zurückspeisen, könnten Unternehmen ihre Fahrzeuge als USV zur Aufrechterhaltung ihrer Abläufe nutzen. Sie könnten außerdem ihren eigenen Strombedarf effizienter ausgleichen und so Energiekosten sparen. Die Fahrzeuge können außerhalb der Spitzenlastzeiten aufgeladen werden und dann während der Spitzenlastzeiten wieder Strom ins Netz rückspeisen.

Ein großes Auslieferungslager hat vielleicht an die hundert Fahrzeuge, die jeden Tag um 10.00 Uhr das Lager verlassen. Wenn sie jedoch in der Garage geparkt sind, speichern sie potenziell mehrere Megawattstunden Energie, die genutzt werden könnte, anstatt für teuren Strom aus dem Netz zu Spitzenzeiten zu bezahlen. Dies bietet die Möglichkeit, den Einkauf vom Stromversorger auf günstigere Tageszeiten zu verlagern.

Bidirektionales Laden im ländlichen Raum

Nicht alle V2G- oder V2V-Szenarien müssen sich in städtischen Gebieten abspielen. Auch ländliche Gemeinden mit landwirtschaftlichen Betrieben können vom bidirektionalen Laden profitieren. Vollelektrische Traktoren sind bereits seit einigen Jahren auf dem Markt, und seit kurzem gibt es auch V2V-Ladefahrzeuge. Anstatt den Traktor an einer fest installierten Ladestation aufzuladen, können Traktoren und andere landwirtschaftliche Fahrzeuge auf dem Feld aufgeladen werden, ähnlich wie ein Tankwagen, der dorthin gefahren wird, wo er gebraucht wird, anstatt den Traktor zu einer Tankstelle zurückzufahren.

Auch bei Geräten im Außeneinsatz kann das bidirektionale Laden Vorteile bringen. Man denke beispielsweise an eine Baustelle mit einer Vielzahl von Werkzeugen, Spezialfahrzeugen und Geräten. Lange, quer über die Baustelle verlaufende Kabel stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Akkubetriebene Werkzeuge, die je nach Bedarf von einem mittelgroßen bis großen EV aufgeladen werden können – das elektrische Äquivalent eines benzinbetriebenen Generators –, wären hier effizienter. Derselbe Lkw könnte auch andere kleinere Fahrzeuge auf der Baustelle aufladen, z. B. Bagger, Bulldozer und Kräne.

An abgelegenen Arbeitsplätzen oder in landwirtschaftlichen Gebieten könnten auch Windkraft und Solarzellen genutzt werden, die mit der Ladeinfrastruktur für EVs zusammenarbeiten.

Da Nutzfahrzeuge in Lieferflotten und schwere Baufahrzeuge große Akkus haben, vor allem im Vergleich zu typischen E-Autos für Verbraucher, stehen Hunderte von Kilowattstunden gespeicherter Energie zur Verfügung, die für gewerbliche und großindustrielle Zwecke umverteilt werden könnten.

Bidirektionale Energielösungen

Angesichts all dieser Vorteile und Anwendungsfälle besteht eindeutig ein Bedarf an bidirektionalen Stromübertragungsmöglichkeiten bei EVs und ihren Ladeanlagen. Dafür hat Bel eine breite Palette an EV-Versorgungslösungen entwickelt, die einen bidirektionalen Stromfluss ermöglichen, darunter Wechselrichter, Ladestationen und bidirektionale Kombigeräte. Diese innovativen Produkte eignen sich für eine Reihe von Fahrzeugen, von mittelschweren bis schweren Anwendungen, sowohl auf als auch abseits der Straße, und können dazu beitragen, den Nutzen des Akkus zu maximieren.

Die bidirektionalen Ladegeräte von Bel wurden für die zahlreichen neuen Anwendungsfälle entwickelt, in denen es Sinn macht, Energie von einem Fahrzeug abzuzweigen, um sie wieder in das Stromnetz, in andere Fahrzeuge oder in Geräte vor Ort rückzuspeisen. Auch kundenspezifische Lösungen sind möglich. (neu)