Hiilidioksidipäästöjen nollatavoitteen kannustamana maanteille tulee yhä enemmän EV-ajoneuvoja, joista jokaisessa on ladattava akku matkantekoa varten. Mutta sähköauto on muutakin kuin vain yksi hiilipäästöinen polttomoottori vähemmän liikenteessä. Se on myös potentiaalinen energialähde, mikäli akun latausjärjestelmää voidaan hyödyntää kaksisuuntaisesti.

Kun tehoa voidaan siirtää molempiin suuntiin, sähköautosta tulee enemmän kuin vain neljä pyörää, jotka kuljettavat ihmisiä ja tavaroita. Siitä muodostuu älykkään verkon energialähde, joka voi tasapainottaa verkon kuormitusta energian kysynnän vaihdellessa, antaa sähköä asuntoon sähkökatkon aikana tai toimia kaupallisena mobiililatausyksikkönä.

Kaksisuuntainen lataus on vielä lapsenkengissään, mutta teknologiaa on jo saatavissa sekä latausasemien että sähköautojen varustamiseksi tukemaan älykkäämpää sähkönjakelua kaupungeissa sekä mahdollistamaan erilaisia teollisia lataussovelluksia maataloudessa, rakentamisessa ja logistiikassa.

Lisää sähköautoja, lisää akkuja

Sähköajoneuvot muodostavat yhä suuremman osan kaikista ajoneuvoista teillä ja niiden ulkopuolella. Kansainvälisen energiajärjestön IEA:n selvityksen mukaan vuonna 2021 maailmanlaajuinen EV-myynti nousi jo 6,6 miljoonaan ajoneuvoon edellisen vuoden kolmesta miljoonasta yltäen näin 9% markkinaosuuteen. Vuonna 2022 sähköajoneuvojen osuus oli noin 4,5% linja-autojen maailmanlaajuisesta myynnistä ja 1,2% kuorma-autojen myynnistä. Kiina on hallinnut markkinoita useiden vuosien ajan, mutta myynti Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa on kovassa kasvussa kuten myös tarjolla olevien automallien määrä.

Kuva 1: Sähköautojen rekisteröintien määrä ja prosentuaalinen markkinaosuus.

Sähköautojen myynnin kasvu on mahdollistanut pikalatauspisteiden yleistymisen. IEA raportoi, että julkisesti saatavilla olevien EVSE-latauslaitteiden (Electric Vehicle Supply Equipment) kokonaismäärä lähestyi 1,8 miljoonaa latauspistettä jo vuonna 2021. Niistä kolmasosa oli pikalatausasemia. Asennukset lisääntyivät dramaattisesti vuonna 2021, kun latausasemiin lisättiin lähes puoli miljoonaa laturia, mikä on enemmän kuin vuonna 2017 saatavilla olleiden julkisten laturien kokonaismäärä. Vuonna 2021 julkisesti saatavilla olevien laturien määrä kasvoi 37 prosenttia.

Puhdasta tieliikennettä edistävän ICCT-neuvoston mukaan vuoteen 2030 mennessä keskiraskaiden ja raskaiden ajoneuvojen ennustetaan lisäävän energiankulutusta 140 000 megawattituntia päivässä. Suuri osa kysynnästä tulee Yhdysvaltojen NHFN-verkoston (National Highway Freight Network) pitkän matkan kuljetusliikenteestä sekä liikenteestä osavaltioissa, jotka ovat ottaneet käyttöön Kalifornian Advanced Clean Trucks -säännöstön. Kalifornian teillä liikkuu noin miljoona sähköautoa ja osavaltiossa tutkitaan, kuinka lainsäädännöllä voitaisiin nopeuttaa V2G-toimintaa (Vechile-to-Grid) sähköverkkoon kohdistuvan stressin lievittämiseksi.

Kaksisuuntainen siirtoväylä

Vaikka V2G-latauksen mahdollisuuksista on puhuttu paljon, nykyiset sähköautot ja latausjärjestelmät on yleensä suunniteltu vain yksisuuntaiseen lataustoimintaan: sähköverkosta tai muusta lähteestä ajoneuvoon. Tavanomaisessa akunlatauksessa AC-DC-muunnin hyödyntää tehokertoimen korjausta (PFC) ja muuntaa sähköverkon syöttämän vaihtojännitteen suureksi tasajännitteeksi, joka syötetään eristetyn DC-DC-muuntimen tuloon. DC-DC-muunnin tarjoaa galvaanisen erotuksen turvallisuuden varmistamiseksi ja muuntaa kiinteän DC-tulojännitteen vakiovirtaiseksi (CC) tai vakiojännitteiseksi (CV) lähdöksi, joka lataa akkua BMS-hallintajärjestelmän (Battery Management System) ohjaamana.

Kaksisuuntainen lataus toimii siis kaksisuuntaisena siirtoväylänä. Sen avulla sähköauto voi siirtää energiaa myös takaisin sähköverkkoon sen sijaan, että vain kuluttaisi sitä verkosta. Energian saamiseksi takaisin akusta vaihtovirtana on kaksi yleistä tapaa:

• Erillinen invertteri
• Kaksisuuntainen tehonmuunnos

Kuva 2. Ylhäällä kaksisuuntaisen laturin lohkokaavio, alhaalla erillinen invertteri + laturi lohkokaaviona.

Yksinkertaisin vaihtoehto on käyttää invertteriä rinnakkain laturin kanssa akkujen tasajännitteen muuntamiseksi verkon vaihtojännitteeksi, yleensä DC-DC-asteen avustuksella. Tämä menettely vaatii tilaa, lisää laitteiston painoa ja kasvattaa kustannuksia, mutta se on helposti suunniteltavissa ja hallittavissa.

Kasvavien kustannusten, lisätilan ja suuremman painon välttämiseksi todellinen kaksisuuntainen laturi hyödyntää aidosti kaksisuuntaisia kytkentätopologioita monimutkaisin digitaaliohjauksin, jotta tehonmuunnoksen jokainen aste kykenee siirtämään tehoa kumpaankin suuntaan.

AC-DC-muunnos ja PFC

Kaikki muunninrakenteet eivät kykene kaksisuuntaiseen tehonsiirtoon. Yksi ilmeinen syy on AC-DC-asteessa käytetty tasasuuntaussilta, joka kykenee johtamaan virtaa vain yhteen suuntaan. Niitä käytetään usein pienitehoisissa latureissa ja niiden perään on kytketty boost-tyyppinen PFC-muunnin edullisuuden ja yksinkertaisuuden vuoksi. Niiden hyötysuhde on kuitenkin huono eivätkä ne toimi hyvin rinnakkain, mikä tekee lämmönhallinnasta vaikeaa suurilla tehotasoilla.

Niin sanotut sillattomat topologiat poistavat tasasuuntaussillan tarpeen ja parantavat näin hyötysuhdetta. Nämä muuntimet ovat monimutkaisempia, koska yksinkertaiset diodit on korvattu aktiivisilla kytkimillä. Jotkut rakenteet kykenevät myös kaksisuuntaiseen tehonsiirtoon. Ehkä yksinkertaisin esimerkki on sillaton toteemi-PFC-topologia, joka periaatteessa korvaa tasasuuntaussillan diodit aktiivisilla kaksisuuntaisilla kytkimillä.

Kuva 3. Vasemmalla boost-tyyppinen PFC-muunnin, oikealla toteemirakenteinen PFC-muunnin.

AC-DC-suunnassa tämä rakenne muistuttaa boost-muunninta ja muuntaa AC-tulon DC-lähdöksi samalla, kun se muokkaa tulovirran muotoon, joka sopii PFC-muuntimelle. DC-AC-suunnassa tasajännitteen tasoa nostetaan hakkurimuuntimella ja suodatetaan vaihtojännitteeksi.

Muitakin kaksisuuntaisia rakenteita on saatavissa ja niistä voi valita sopivan topologian kustannusten, tehotiheyden, hyötysuhteen ja monimutkaisuuden perusteella. Hyötysuhde eli energiatehokkuus on tärkeä tekijä häviöiden minimoimiseksi sekä akun käytettävyyden ja eliniän maksimoimiseksi.

Kaksisuuntainen DC-DC-muunnos

DC-DC-aste on käsitteellisesti yksinkertaisempi, koska se suorittaa DC-DC-muunnoksen riippumatta siitä, mihin suuntaan tehoa siirretään. Aivan kuten AC-DC-muuntimessa, siinäkin tasasuunnin on korvattava aktiivisilla kytkimillä, jotta kaksisuuntainen tehonsiirto olisi mahdollista. Kytkimiä on myös kyettävä ohjaamaan aktiivisesti sekä tulo- että lähtöpuolella, ja tätä vielä monimutkaistaa muuntimelta vaadittu eristyskyky. Tällaisena muunninasteena usein käytetty rakenne on aktiivinen kaksoissilta eli DAB (Dual Active Bridge).

Muuntimessa on erotusesteen kummallakin puolella aktiivisesti toimiva täyssiltarakenne. Ratkaisussa hyödynnetään usein resonanssiin perustuvia rakenteita häviöiden ja fyysisen koon minimoimiseksi sekä energiatehokkuuden maksimoimiseksi. Tavanomaisesta yksisuuntaisesta LLC-muuntimesta (kela-kela-kondensaattori) saadaan näin CLLC-tyyppinen (kondensaattori-kela-kela-kondensaattori) DAB-muunnin kaksisuuntaisiin sovelluksiin.

Kuva 4. Kaksoisaktiivinen siltamuunnin (vasemmalla) ja kaksoisaktiivinen CLLC-siltamuunnin (oikealla).

V2X: Ajoneuvosta kaikkialle

Riippumatta siitä, onko laturissa kaksisuuntainen rakenne vai erillinen kookas invertteri, tehon siirtämisellä ulos sähköauton akusta on monia etuja. Edut kattavat useita sovelluksia, joista moni on nimetty muunnelmana V2X-käsitteestä. Näitä ovat:

• V2G – Ajoneuvosta verkkoon
• V2B – Ajoneuvosta rakennukseen
• V2H – Ajoneuvosta kotiin
• V2E – Ajoneuvosta laitteisiin
• V2V – Ajoneuvosta toiseen ajoneuvoon

Kaksisuuntaisen latauksen ilmeisin etu on, että sähköautoja voidaan käyttää V2G-muodossa syöttämään tehoa sähköverkkoon. Suunnitteluperiaatteidensa vuoksi useimmissa sähköverkoissa ei nimittäin ole merkittävästi sisäistä varastointimahdollisuutta sähköenergialle. Tuotettu sähkö on kulutettava välittömästi tai se menee hukkaan.

Tämä johtaa monimutkaisiin arviointeihin sähköenergian odotettavasta kysynnästä, jotta energiaa saataisiin aina riittävästi mutta ilman merkittävää hukkaa. Kun kysymys on uusiutuvan energian tuotannosta, kuten tuuli- tai aurinkoenergiasta, kysyntä voi ylittää tuotantokapasiteetin tiettyinä aikoina - esimerkkeinä aurinkoenergia yöaikaan ja tuulienergia tyynellä säällä.

Kuva 5. VX2-sovellusesimerkkejä.

Hyödyntämällä sähköautojen akkuja varastoina sähköverkot voivat maksimoida uusiutuvien energialähteiden tuottaman tehon varastoimalla ylimääräisen energian käytettäväksi silloin, kun tuotanto jää alle kysynnän. Koska akku on lähellä kuormaa, se voi auttaa tehon syöttämisessä kuormaan kysyntähuippujen aikana, mikä helpottaa verkon vakauden ylläpitoa. Akut voivat periaatteessa toimia kondensaattorien tapaan ja syöttää paikallisesti tehoa huippukysynnän aikana. Tämä vähentäisi jakelulinjojen ja -muuntajien rasitusta sekä vähentäisi jännitteen vaihteluja.

Hätätapaukset muodostavat sähköautoille toisen houkuttelevan tilanteen toimittaa sähköä takaisin verkkoon. Sähkökatkon sattuessa kaupunkien ajoneuvot voisivat pitää välttämättömät rakennukset (V2B) ja laitteet (V2E) toiminnassa. Korkea tornitalo esimerkiksi voisi hyödyntää oman parkkihallinsa latauspisteisiin kytkettyjä sähköautoja rakennuksen sähkönsyöttöön, eli periaatteessa vaihtoehtoisena UPS-järjestelmänä (Uninterruptible Power Supply). Jopa omakotitaloissa voitaisiin mahdollisesti tukeutua sähköautoon ja selvitä sähkökatkoksesta syöttämällä energiaa auton akusta kotikäyttöön (V2H).

Eräässä V2B-skenaariossa, jota on testattu Boulderin kaupungissa Coloradossa, on yhdistetty Nissan Leaf kaksisuuntaisen laturin kautta North Boulderin virkistyskeskukseen. Tavoitteena on säästää energiakustannuksia lataamalla auton akkua yöllä ja purkamalla sitä sitten kalliiden huippukysyntätuntien aikana. Tämä vähentää sähköverkkoon kohdistuvaa rasitusta ja alentaa kustannuksia.

Kaupunkikäyttö

Tehonsiirto sähköauton akusta takaisin verkkoon tai yhteen rakennukseen on vasta alkua. Kaksisuuntaisesta latauksesta on jo olemassa lukuisia houkuttelevia ja luovia käyttöesimerkkejä. Sähköautosta, joka kykenee siirtämään tehoa kaksisuuntaisesti, tulee periaatteessa mobiililatausyksikkö. Kun tien päällä on riittävästi sähköautoja, lataaminen voidaan latauspisteessä tapahtuvan tavanomaisen kaapelilatauksen sijasta suorittaa V2V-latauksena ajoneuvosta toiseen. Näin tien varteen hyytynyttä sähköautoa voidaan auttaa välittömästi jo tien päällä.

Kaksisuuntaisen latauksen ilmeisten asunto- ja kuluttajasovellusten lisäksi on monia käyttökohteita useilla eri aloilla ja erilaisissa ympäristöissä, mukaan lukien kaupalliset kuljetukset, rakentaminen ja maatalous. Sähköauto voi ladata toista autoa, mutta sitä voitaisiin käyttää myös muiden ajoneuvojen kuten sähköpyörien ja kaupallisen kuljetuskaluston lataamiseen.

Kaksisuuntaisen latauskyvyn ansiosta esimerkiksi kuljetus- ja logistiikka-alan yritys, jolla on useita kuorma-autoja, voisi käyttää sähköajoneuvojaan omiin energiatarpeisiinsa luomalla ekosysteemin, joka ylläpitää itseään. Perustamalla omia mikro- tai nanoverkkojärjestelmiä yritys voisi vähentää riippuvuuttaan ostetusta energiasta. Yhdessä uusiutuvien energialähteiden, esimerkiksi aurinkopaneelien kanssa, yritys voisi vähentää omaa riippuvuuttaan sähköverkosta ja tehdä omista rakennuksistaan omavaraisempia.

Kuva 6. Kotona voidaan käyttää sähköautoa ylimääräisen aurinkoenergian varastointiin.

Aivan kuten V2G-sovelluksissa, joissa sähköautot voivat siirtää tehoa takaisin verkkoon sähkökatkon sattuessa, yritykset voivat käyttää omia ajoneuvojaan UPS-laitteina toimintojensa ylläpitämiseksi. Firmat voisivat myös tasapainottaa omaa tehontarvettaan säästääkseen rahaa energialaskuissa. Ajoneuvot voidaan ladata edullisesti hiljaisen kysynnän aikana ja purkaa sitten takaisin sähköverkkoon kulutushuippujen aikana.

Suurella jakeluvarastolla saattaa olla käytössään jopa sata ajoneuvoa, jotka lähtevät liikkeelle päivittäin esimerkiksi kello 10 aamupäivällä. Autotalliin pysäköityinä niillä voi kuitenkin olla akuissaan useita megawattitunteja energiaa, joka voitaisiin mieluummin käyttää kattamaan kysynnän huipputuntien aikana sähköverkosta otetun energian kustannuksia. Tämä antaa mahdollisuuden siirtää omaa sähkönkäyttöä halvempiin vuorokauden aikoihin.

Käyttö maaseudulla

Kaikkien V2G- tai V2V-skenaarioiden ei tarvitse tapahtua kaupunkialueilla. Taajamien ulkopuolella maatilat ja tilallisten yhteisöt voivat niin ikään hyötyä energian kaksisuuntaisesta latauksesta. Täyssähköisiä traktoreita on ollut saatavilla jo vuosia ja viime aikoina tarjolla on ollut myös V2V-lataukseen kykeneviä kuorma-autoja. Sen sijaan, että traktoria ladattaisiin aina erillisellä laturilla kiinteässä pisteessä, kaikkia maatalousajoneuvoja voidaan ladata vaikka pellon reunalla. Eli voidaan toimia samaan tapaan kuin säiliöauto, joka ajetaan aina sinne, missä polttoainetta tarvitaan sen sijaan, että traktorit ajettaisiin aina takaisin polttoainepumpun viereen tankkausta varten.

Myös kenttäkäytössä olevat laitteet voisivat hyötyä kaksisuuntaisesta latauksesta. Ajatellaan vaikka rakennustyömaata, jossa on erilaisia työkaluja, erikoisajoneuvoja ja laitteita. Alueelle levitetyt pitkät johdot muodostavat turvallisuusriskin. Akkukäyttöiset työkalut, joita voidaan ladata tarvittaessa keskiraskaalla tai raskaalla sähköajoneuvolla – sähkön kannalta samaan tapaan kuin polttomoottorikäyttöisellä generaattorilla – voivat olla selvästi energiatehokkaampia. Sama kuorma-auto voisi ladata myös muita pienempiä ajoneuvoja paikan päällä: kaivureita, puskutraktoreita ja nostureita.

Kuva 7. Maatalouskoneet toimivat kaksisuuntaisella lataustekniikalla.

Tällaiset etäiset työmaat ja maatalousalueet voisivat hyödyntää myös tuulienergiaa ja aurinkopaneeleja yhteistoiminnassa sähköautojen tarjoaman latausjärjestelmän kanssa.

Koska jakelukäyttöön tarkoitetuissa hyötyajoneuvoissa ja raskaissa rakennusajoneuvoissa on hyvin suurikokoiset akut, etenkin verrattuna tavanomaiseen henkilöautoon, käytettävissä voi olla satoja kilowattitunteja varastoitua energiaa, joka voidaan jakaa edelleen kaupallisiin ja laaja-alaisiin tarkoituksiin.

Bel tarjoaa kaksisuuntaisia ratkaisuja

Kun otetaan huomioon kaikki mahdolliset edut ja erilaiset käyttökohteet, sähköajoneuvoissa ja niiden tehonsyöttölaitteissa tarvitaan selvästi kaksisuuntaisen tehonsiirron tarjoamia ominaisuuksia. Bel-yhtiö on kehittänyt laajan valikoiman EV-tehoratkaisuja, jotka mahdollistavat kaksisuuntaisen tehonsiirron. Näihin kuuluvat invertterit, laturit ja kaksisuuntaiset yhdistelmälaitteet. Nämä innovatiiviset tuotteet sopivat monenlaisiin ajoneuvoihin: aina keskiraskaista raskaisiin ja tien päällä sekä maastossa liikkuviin. Niiden avulla akun hyödyntäminen voidaan maksimoida.

Kuva 8. Valikoima Belin sähköautoratkaisuja.

Belin kaksisuuntaiset laturit on suunniteltu soveltuviksi lukuisiin nopeasti yleistyviin käyttökohteisiin, joissa on houkuttelevia syitä ottaa energiaa ajoneuvon akusta ja ohjata sitä takaisin verkkoon, muihin ajoneuvoihin tai kenttäkäytössä oleviin laitteisiin sekä tehdä näin yritysten toiminnasta entistä tehokkaampaa ja tuottavampaa. Belin tuote- ja suunnittelutiimi on käytettävissä myös räätälöityjen ratkaisujen luomiseksi erilaisiin tarpeisiin ja käyttökohteisiin. Kaikkien, jotka haluavat lisätietoja energian kaksisuuntaisen latauksen hyödyntämisestä, kannattaa ottaa yhteyttä Bel-yhtiön Power Solutions -ryhmään.