Serie om V2X – Batteridegradering, V2X med AC laddare och standards (3/3)

I serien om V2X har vi tagit upp möjliga applikationer (länk) och användarfrågor (länk). I dagens nyhetsbrev är ambitionen att sammanställa kunskapsläget för ett antal frågor som inte fick plats i de två första nyhetsbreven. Dessa är: batteridegradering på grund av V2X, V2X med DC-AC omvandling i fordonet och standard för V2X.

Det finns fortfarande mycket att lära om batteridegraderingen orsakat av V2X

En vanlig fråga om V2X är påverkan på batteridegraderingstakten. Frågan är viktig då kostnaden för batteridegradering kommer att behöva kvantifieras och inkluderas i lönsamhetskalkylen för V2X [1]. I en studie delvis baserad på expertintervjuer (arbetande med V2X inom industrin, akademin och konsultbolag) menar flera av experterna att eventuellt ökad batteridegradering till följd av V2X inte utgör ett tekniskt hinder. Utmaningen är främst den osäkerhet som finns hos möjliga användare [2].

Det är dock knepigt att ge ett entydigt svar på hur stor den faktiska batteripåverkan är från V2X. Det finns många influerande faktorer som måste beaktas, exempelvis: batterikemi, batteristorlek, temperaturer, användarbeteenden och inte minst olika V2X tjänster [2]. Vilket gör det problematiskt att genomföra konkluderande empiriska studier och modelleringar [1].

Detta illustreras väl av två uppmärksammade studier som genomfördes med liknande förutsättningar (batteristorlek och batterikemi) men som resulterade i två motsatta resultat – minskad och ökad batteridegradering jämfört med laddning endast för att täcka mobilitetsbehovet [1]. De kontrasterande resultaten i de två studierna fick författarna att skriva en gemensam artikel där resultaten förklaras mer i detalj [1]. Studien vars resultat pekade på minskad batteridegradering undersökte optimerad batterihälsa genom V2G. Det vill säga V2G används till fordonsbatteriets bästa, elnätets behov sekundärt. Den kontrasterande studien optimerade i stället för elnätet, där urladdningar maximerades beroende på elnätets efterfrågan. Av praktiska skäl accelererades dock experimentet, vilket ledde till att den del av batteridegradering som beror på kalendertid inte kunde representeras i resultaten. Experimentdesignen byggde också på ett homogent laddningsbeteende (daglig hemmaladdning) vilket inte representerar den stora variation som finns mellan olika användare [1].

Det pågår en del forskning kring hur olika typer av laddning kan optimera batterihälsan över tid. I en nyligen publicerad studie modellerades ett antal laddningsstrategiers inverkan på batteridegradering, där både tid- och cyklingspåverkan estimerades [3]. Resultaten efter ett års användning visade att V2G kan minska batteridegraderingen jämfört med icke-styrd laddning om fordonsanvändningen är hög (långa körsträckor). Dock presterade V2G sämre än tidsstyrd laddning (minskad stilleståndstid med hög SoC), smart laddning och en mix av smart och V2G [3]. V2G innebar dock en ökad batteridegraderingen i användarfall med låg fordonsanvändning (korta körsträckor) [3].

V2X fungerar med AC laddning men det finns utmaningar

En majoritet av de V2X demonstrationer som har genomförts baseras på laddutrustning för DC [2]. Det finns flera förklaringar till detta. En sannolikt viktig anledning är att den enda hittills färdigställda standarden för V2X är baserad på CHAdeMO protokollet för DC laddning. CHAdeMO utvecklades i Japan som var tidiga med V2X, delvis på grund av ökat behov av resiliens efter kärnkraftsolyckan i Fukushima [4]. Det finns dock ett antal fördelar med V2X baserat på AC laddare. En V2X förberedd laddare är billigare än motsvarande DC laddare [6], vilket främst beror på att kraftelektroniken placeras i bilen [7]. En vanlig missuppfattning är att V2X (med kraftelektroniken i bilen) funkar med vanliga AC laddare, så är ännu inte fallet, kostnadsdrivande anpassningar krävs [6]. Andra nackdelar inkluderar begränsat utrymme för kraftelektronik i bilen och eventuella störande ljud vid kylning av kraftelektroniken [6].

Flera demonstrationer pågår dock där V2X sker genom modifierade AC laddare. Den kanske mest uppmärksammade pågår i den nederländska staden Utrecht. I samarbete med Renault har ett antal Zoe anpassats för att möjliggöra V2X genom AC laddboxar [5]. Demonstrationen i Utrecht använder delar från en framväxande standard som är viktig för V2G – ISO 15118 [5].

ISO 15118 är viktig men inte den enda standard som behövs

I dagsläget är det endast CHAdeMO som stödjer V2X. CCS (DC) och Type 2 (AC) som blir allt vanligare bland globala fordonstillverkare stödjer ännu inte V2X funktionalitet.

ISO 15118 är en pågående standardprocess som definierar ett kommunikationsinterface mellan bil och laddare för CCS och Type 2. Den färdigställda standarden ska möjliggöra V2X men även betalning av laddning via Plug & Charge, där bilen automatisk hanterar identifiering och debitering via inkoppling till laddare [7]. Delen för Plug & Charge färdigställdes år 2019 men kräver implementering hos både laddoperatörer och fordonstillverkare för att fungera, vilket nu sakteligen börjar ske. T ex ska laddoperatören IONITY erbjuda Plug & Share på alla sina laddstationer och ett antal biltillverkare har lanserat modeller som stödjer standarden [8].

Delen av ISO 15118 som krävs för V2X beräknas vara helt färdigställd senast år 2025 [7]. ISO 15118 definierar kommunikation mellan fordon och laddare, vilket är en förutsättning för att V2G ska fungera i stor skala med CCS och Type 2. Det är dock inte den enda standard som är nödvändig. V2G berör ett antal certifieringar så som sammankoppling med elnätet, elsäkerhet och fordonsfunktionalitet [9]. Det finns idag inte en standard som omfattar alla dessa områden, dessutom kan det krävas olika standards beroende på om DC-AC omvandlingen sker i laddaren eller i bilen [9]. Certifieringsprocessen är dock betydligt mer mogen för omvandling i laddaren, en bidragande orsak är den närmast identiska sammankopplingen till elnätet som dagens växelriktare för lagring (t ex batterilager) [9].

Egen kommentar

Dagens nyhetsbrev var det sista i serien om V2X. V2X berör många aspekter och aktörer, vi har bara skrapat på ytan. Vi kommer säkerligen återvända till V2X i framtiden.

Batteridegradering till följd av V2X är ett område som troligen kommer att erhålla alltmer uppmärksamhet i takt med att V2X växer. Likt V2X generellt så berör batteridegradering flera aktörer med delvis motsatta intressen. Ett viktigt vägval är hur V2X algoritmer ska vikta laddning för mobilitet (transportbehov) och batterihälsa (kostnad för användaren) mot elnätets behov (intäkt för användaren). En problematik är att det idag saknas kunskap kring verklig batteripåverkan och därmed hur kostnaden ska kvantifieras. Det är emellertid tydligt att det skiljer sig i batteripåverkan mellan olika V2X applikationer, exempelvis verkar korta sessioner av frekvensreglering mindre skadligt än att timlagra energi från dag till natt.

Jag ser även fram emot att följa utvecklingen av laddare. Tekniken och standards är mer mogna för V2X DC laddare men de flesta laddare är fortfarande AC. Blir V2X ett tillräckligt stort försäljningsargument för att biltillverkarna ska integrerad kraftelektroniken i fordonet, med ökade kostnader som följd?

Referenser

[1] Uddin, Kotub, Matthieu Dubarry, and Mark B. Glick. ”The viability of vehicle-to-grid operations from a battery technology and policy perspective.” Energy Policy 113 (2018): 342-347. länk

[2] Gschwendtner, Christine, Simon R. Sinsel, and Annegret Stephan. ”Vehicle-to-X (V2X) implementation: An overview of predominate trial configurations and technical, social and regulatory challenges.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 145 (2021): 110977. länk

[3] Bui, Truong MN, et al. ”A Study of Reduced Battery Degradation Through State-of-Charge Pre-Conditioning for Vehicle-to-Grid Operations.” IEEE Access 9 (2021): 155871-155896. länk

[4] Power Technology. 2016. länk

[5] We Drive Solar. 2022. länk

[6] PR Electronics. 2022. länk

[7] Power Circle. 2022. länk

[8] InsideEVs. 2021. länk

[9] IREC. 2022. länk