Bidirektionales V2V-Laden: Das Konzept des Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Ladens

Eine der größten Sorgen vieler Fahrer von E-Autos ist es, mit leerer Batterie liegen zu bleiben. Besonders auf langen Strecken oder in unbekannten Regionen kann eine nahezu entladene Batterie ohne erreichbare Ladestation problematisch werden.

Künftig könnte das Laden von Fahrzeug-zu-Fahrzeug (Vehicle-to-Vehicle, Abk. V2V) solche Situationen entschärfen. Dabei überträgt ein E-Auto elektrische Energie direkt auf ein anderes. Im Folgenden wird erläutert, wie dieses Verfahren funktioniert und ab wann mit einer breiteren Nutzung zu rechnen ist.

• Die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Funktion ermöglicht es, dass ein E-Auto ein anderes E-Auto direkt lädt

• Die Funktion wird bislang von den meisten E-Auto-Herstellern nicht unterstützt

• V2V wird nicht priorisiert, da E-Autos nur selten vollständig entladen sind

V2V ist eine Funktion, die es einem E-Auto ermöglicht, ein anderes E-Auto direkt mit Energie aus der eigenen Hochvoltbatterie zu laden. Anders ausgedrückt fließt die Energie dabei von Batterie zu Batterie. V2V gehört zur übergeordneten Gruppe bidirektionaler Ladefunktionen, die unter dem Begriff V2X zusammengefasst werden.

• V2L – Vehicle-to-Load (deutsch: Fahrzeug-zu-Ladung): Versorgung externer Geräte und Verbraucher mit Strom
  Status: Bereits verfügbar und heute mit zahlreichen unterstützten Fahrzeugen praktisch im Einsatz.

• V2H – Vehicle-to-Home (deutsch: Fahrzeug-zu-Haus): Stromversorgung des eigenen Hauses
  Status: Technisch nahe an der Marktreife. Die Hardware ist für AC- und DC-Anwendungen weitgehend vorbereitet, eine flächendeckende Einführung hängt jedoch von der Standardisierung nach ISO 15118, kompatiblen Fahrzeugen sowie klaren nationalen Regelungen ab. DC-basiertes V2H ist bereits weiter entwickelt, während AC-basiertes V2H bislang kaum verbreitet ist, da hierfür ein bidirektionales Onboard-Ladegerät im Fahrzeug erforderlich ist.

• V2B – Vehicle-to-Building (deutsch: Fahrzeug-zu-Gebäude): ähnlich wie V2H, jedoch zur Versorgung größerer Gebäude wie Büros oder Lagerhallen
  Status: Steht vor ähnlichen Herausforderungen wie V2H.

• V2G – Vehicle-to-Grid (deutsch: Fahrzeug-zu-Netz): Rückspeisung von Energie ins Stromnetz
  Status: In Pilotprojekten und ersten kommerziellen Anwendungen in ausgewählten Ländern. DC-basiertes V2G ist weiter fortgeschritten und weitgehend standardisiert, während AC-basiertes V2G sich noch in der Entwicklungsphase befindet. Eine breite Einführung wird derzeit vor allem durch regulatorische Rahmenbedingungen und Anforderungen an die Netzintegration gebremst.

Aus Sicht der Normung wird V2V häufig als ein kleiner Teilbereich von V2L betrachtet, da das zugrunde liegende Prinzip ähnlich ist: Das E-Auto gibt Energie nach außen ab. In frühen Roadmaps wird V2V daher als Szenario zur Notfallunterstützung eingeordnet.

V2V-Laden kann entweder über AC- oder DC-Energieübertragung umgesetzt werden, je nachdem, wie die Energie zwischen den Fahrzeugen geleitet wird.

• Beim AC-V2V wandelt das abgebende E-Auto den Gleichstrom aus der Batterie mithilfe seines Onboard-Inverters in Wechselstrom um. Das empfangende E-Auto wandelt diesen anschließend über sein Onboard-Ladegerät wieder in Gleichstrom zurück. Dieser Ansatz ist mit bestehenden Ladeanschlüssen und der vorhandenen Hardware weitgehend kompatibel. Er ist jedoch weniger effizient und in der Regel auf geringere Ladeleistungen begrenzt.

• Beim DC-V2V wird die Energie direkt als Gleichstrom zwischen den Hochvoltsystemen der Fahrzeuge übertragen, ohne den Umweg über Wechselstrom. Dadurch ergeben sich eine höhere Effizienz und potenziell höhere Ladeleistungen. Gleichzeitig erfordert dieser Ansatz spezielle Hardware sowie Steuerungs- und Sicherheitsmechanismen, die bislang noch nicht breit standardisiert sind. Diese Form des Ladens nutzt einen DC-DC-Wandler, der Energie zwischen unterschiedlichen Gleichspannungsniveaus überträgt und den Strom exakt regelt. Ohne ihn wären die Batterien der beiden E-Autos direkt verbunden, zum Beispiel mit 410 V auf der einen und 340 V auf der anderen Seite.

Es ist wichtig, zwei sehr unterschiedliche Konzepte nicht zu verwechseln, die dieselbe Abkürzung verwenden:

• Bidirektionales V2V-Laden: Ein E-Auto lädt ein anderes E-Auto

• V2V-Kommunikation: Fahrzeuge tauschen Daten für Sicherheit und Automatisierung aus

Diese beiden Konzepte haben nichts miteinander zu tun und sollten nicht vermischt werden. Wenn im Zusammenhang mit dem Laden von V2V die Rede ist, geht es ausschließlich um den direkten Energieaustausch zwischen Fahrzeugen.

Im Gegensatz zu bidirektionalen Ladevorgängen mit Netzanbindung hat V2V keine Auswirkungen auf elektrische Systeme außerhalb der beiden direkt beteiligten Fahrzeuge. Dadurch bleibt der Prozess vergleichsweise einfach: Es sind keine regulatorischen Vorgaben zu erfüllen, keine intelligenten Stromzähler erforderlich, keine Genehmigungen durch Netzbetreiber notwendig und es besteht kein Risiko einer Doppelbesteuerung.

Im Unterschied zu V2G und V2H weist V2V folgende Eigenschaften auf:

• Die Energie fließt ausschließlich zwischen Fahrzeugen, nicht in Gebäude oder ins Stromnetz

• Es sind weder Infrastruktur noch regulatorische Vorgaben oder eine Marktintegration erforderlich

• V2V ist auf eine kurzfristige Unterstützung von Fahrzeug zu Fahrzeug ausgelegt und nicht auf eine leistungsstarke Energieabgabe

Da V2V in den meisten Fällen auf eine AC-Ausgabe mit geringer Leistung setzt, reicht die bereitgestellte Energie in der Regel nur aus, um den nächsten Ladepunkt zu erreichen. V2H und V2G hingegen ermöglichen höhere Leistungen und können Gebäude oder das Stromnetz mit relevanten Energiemengen versorgen.

Beim bidirektionalen V2V-Laden fungiert ein E-Auto als Energiequelle und stellt elektrische Energie bereit, während das andere E-Auto diese Energie aufnimmt und damit seine Batterie lädt. Anhand aktueller Beispiele reicht die Ladeleistung dabei von 1,4 kW bis zu 60 kW.

Die Energie wird über ein Kabel direkt von einem Fahrzeug zum anderen übertragen. Dafür ist in der Regel ein spezielles V2V-Ladekabel erforderlich. In den meisten Fällen wird weder eine externe Ladestation noch eine Wallbox benötigt, da die Leistungselektronik im Fahrzeug den Energiefluss steuert. Einige Lösungen erfordern lediglich einen kleinen Adapter, jedoch keine große externe Einheit.

Um V2V-Laden zu ermöglichen, benötigen Fahrzeuge:

• Kompatible Bordhardware, etwa bidirektionale Leistungselektronik

• Unterstützende Software, die Kommunikation, Sicherheit und Energiefluss steuert

Eine große Batterie allein reicht nicht aus, damit ein Fahrzeug als Energiequelle dienen kann. Das Fahrzeug muss in der Lage sein, seine Batterie gezielt und sicher über den Ladeanschluss zu entladen. Dazu sind klar definierte Kommunikationsprotokolle erforderlich, die Strom, Spannung und Sicherheitsfunktionen regeln.

In Europa ist der regulatorische Status von V2V bislang nicht eindeutig definiert. Der VDE FNN, zuständig für die technischen Regeln der Stromnetze in Deutschland, ordnet V2V als Sonderfall von V2L ein. Laut Agora Verkehrswende ist V2V weder wirtschaftlich noch regulatorisch relevant. Entsprechend wird es derzeit weder politisch noch durch Marktmechanismen aktiv unterstützt.

Unterstützt ein E-Auto V2L, etwa der Hyundai IONIQ 6, Kia EV6, Fahrzeuge von BYD, der MG4 oder der BMW iX, kann es über einen V2L-Adapter oder eine integrierte Steckdose 230 V Wechselstrom bereitstellen. Wird daran ein tragbares Notladegerät angeschlossen, kann dieses Wechselstrom an ein anderes E-Auto liefern, das technisch gesehen damit geladen werden kann.

Es gibt in der EU keine Vorschrift, die das Laden eines E-Autos mit Wechselstrom aus einem anderen E-Auto grundsätzlich verbietet. Im Handbuch des Hyundai IONIQ 5 findet sich jedoch folgender Hinweis zur Nutzung des V2L-Adapters: „Verwenden Sie ausschließlich Haushaltsgeräte mit einer Stromaufnahme von unter 16 Ampere.“

Selbstverständlich lässt sich die Ladeleistung des E-Autos, das Energie benötigt, so reduzieren, dass sie innerhalb der V2L-Grenzen bleibt. Technisch funktioniert dieser Vorgang. Da V2L jedoch für den Betrieb von elektrischen Verbrauchern und nicht zum Laden eines anderen Fahrzeugs vorgesehen ist, kann der Hersteller im Schadensfall eine Garantie- oder Gewährleistungsübernahme ablehnen.

Um die praktische Verfügbarkeit von V2V besser einzuordnen, haben wir Lucid kontaktiert, einen Hersteller, dessen E-Autos über diese Funktion verfügen. Die Antwort lautete wie folgt:

Nur wenige Hersteller von E-Autos bieten derzeit Modelle mit einer V2V-Funktion an. Dazu zählen unter anderem Lucid, Geely und Ford. Während entsprechende Lösungen in den USA bereits im Einsatz sind, sind sie in Europa bislang nicht verfügbar, vor allem aufgrund regulatorischer Vorgaben und erforderlicher Genehmigungsverfahren.

In den USA hebt sich der Lucid Air derzeit mit seiner vollständig integrierten V2V-Funktion namens RangeXchange hervor. Die Technologie ermöglicht es, die in der Batterie gespeicherte Energie mit einem anderen E-Auto zu teilen, auch wenn dieses selbst keine V2V-Funktion besitzt. Mit einer Ausgangsleistung von bis zu 9,6 kW kann RangeXchange dem empfangenden Fahrzeug pro Stunde rund 40 Meilen, also etwa 64 km, Reichweite bereitstellen. Das entspricht nahezu einer normalen AC-Ladung und reicht problemlos aus, um ein liegen gebliebenes E-Auto wieder fahrbereit zu machen und zur nächsten Ladestation zu bringen.

Obwohl die Funktion primär für den Einsatz zwischen Lucid-Fahrzeugen konzipiert ist, geht das Unternehmen noch einen Schritt weiter. RangeXchange kann nahezu jedes E-Auto laden, das über einen NACS- oder J1772-Ladeanschluss verfügt, die in den USA Standard sind. In Europa ist der Lucid Air bereits für V2V und bidirektionales Laden ausgelegt, die Funktion ist jedoch noch nicht aktiviert. Lucid plant, sie künftig freizuschalten, sobald die erforderliche Software sowie die regulatorischen Genehmigungen vorliegen. In Europa soll dabei über Typ-2-Ladekabel geladen werden.

Der chinesische E-Auto-Hersteller Geely tritt schrittweise in den europäischen Markt ein. Seine Fahrzeuge sind bereits in mehreren europäischen Ländern erhältlich, darunter Slowenien, Italien und Polen. Die technischen Daten des Modells EX5 weisen darauf hin, dass es V2V-Funktionen unterstützt. Auffällig ist, dass diese Funktion gemeinsam mit V2L aufgeführt wird, das in Europa bereits weit verbreitet ist. Dadurch entsteht der Eindruck, dass sich V2V beim EX5 auf einem ähnlichen Reifegrad befindet.

Zeekr, die Premium-E-Auto-Marke der Geely Group, hat seine aktuelle Limousine mit bidirektionalen Ladefunktionen ausgestattet. Alle Modelle des Zeekr 007 verfügen serienmäßig über eine externe DC-Stromversorgung. Das Fahrzeug kann Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Laden mit einer maximalen Ausgangsleistung von bis zu 60 kW durchführen.

Der F-150 Lightning kann andere Ford-Fahrzeuge sowie E-Autos anderer Hersteller laden. Dabei handelt es sich jedoch nicht um echtes V2V-Laden über einen Ladeanschluss. Stattdessen wird der Pickup als mobile Stromquelle genutzt. Dafür werden folgende Komponenten benötigt:

• Pro Power Onboard: Fords integriertes Stromversorgungssystem, das Wechselstrom aus der Fahrzeugbatterie bereitstellt

• Ford Mobile Power Cord (30 A): separat erhältlich, dient zum Anschluss des empfangenden E-Autos an die Steckdose des F-150 Lightning

In der Praxis stellt der F-150 Lightning Wechselstrom zur Verfügung, und das andere E-Auto lädt so, als wäre es an eine normale Steckdose oder Wallbox angeschlossen. Die Funktion ist für E-Auto-Fahrer in den USA verfügbar, in Europa jedoch nicht.

Alle F-150-Lightning-Modelle können über ihre integrierten 120-V-Steckdosen ein Level-1-Laden eines anderen E-Autos ermöglichen. Fahrzeuge mit 9,6 kW Pro Power Onboard unterstützen zusätzlich Level-2-Laden. Dafür wird ein Adapter von NEMA L14-30P auf 14-50R benötigt, da die meisten tragbaren E-Auto-Ladegeräte in Nordamerika über einen solchen Anschluss verfügen.

V2V findet bislang nur geringe Nachfrage, da E-Autos nur selten vollständig entladen sind und Lademöglichkeiten weit verbreitet verfügbar sind. Zudem erfordert die Technologie zusätzliche bidirektionale Hardware und Software, erhöht die Fahrzeugkosten, stößt auf regulatorische und haftungsrechtliche Hürden, ist durch die Batteriegröße begrenzt und bringt eine erhebliche zusätzliche Komplexität in Bezug auf Sicherheitsanforderungen mit sich.

E-Autos bleiben nur selten vollständig ohne Energie, da:

• moderne Systeme den Fahrer frühzeitig warnen, bevor die Batterie vollständig entladen ist

• der Energieverbrauch durch langsameres Fahren, das Abschalten von Klimaanlage oder Heizung, das Trennen angeschlossener Geräte und weitere Stromsparmaßnahmen reduziert werden kann

• Lademöglichkeiten weit verbreitet sind und die Ladeinfrastruktur schnell wächst

• im Notfall sogar das Laden an einer normalen 230-V-Steckdose möglich ist

• Wallboxen für zu Hause, wie etwa der go-e Charger, es ermöglichen, sowohl in der Stadt als auch im ländlichen Raum mit voller Batterie zu starten

Um V2V zu ermöglichen, müssen Hersteller spezielle Softwarefunktionen implementieren. So sollte es beispielsweise möglich sein, festzulegen, wie viel Energie nach der Unterstützung eines anderen Fahrzeugs im eigenen E-Auto verbleiben soll. Die entsprechenden Einstellungen sind zwar nicht besonders komplex, aber entscheidend. Schließlich möchte man einem Freund helfen, ohne anschließend festzustellen, dass das eigene Fahrzeug nun selbst Hilfe benötigt.

Neben der Software erfordert V2V auch spezielle bidirektionale Hardware, die in den meisten E-Autos derzeit nicht verbaut ist. Herkömmliche Bordladegeräte sind ausschließlich dafür ausgelegt, Energie aufzunehmen, nicht abzugeben. Für V2V werden daher bidirektionale Inverter benötigt.

Bidirektionale Inverter sind teurer als herkömmliche, unidirektionale Bordladegeräte. Hinzu kommen zusätzliche Leistungselektronik, Schütze, Sensoren und Schutzschaltungen. Berücksichtigt man außerdem den Aufwand für Softwareentwicklung, Tests und Zertifizierung, stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist, E-Autos allein für diese Funktion spürbar teurer zu machen.

Sobald Energie aus einem Fahrzeug nach außen abgegeben wird, entstehen regulatorische Anforderungen. In einigen Regionen gilt ein Fahrzeug in diesem Fall als Energieerzeuger oder Energieversorger. Zudem ist bislang nicht eindeutig geregelt, wer im Schadensfall haftet, etwa bei Schäden am Fahrzeug, am Kabel oder an der Batterie. Das ist einer der Gründe, warum V2V in Europa bislang nicht zugelassen ist.

V2V wird voraussichtlich vor allem in Fahrzeugen mit großen Batteriekapazitäten zum Einsatz kommen. Kleinere Batterien bieten nur begrenzte Energiemengen für Fahrt und Energieabgabe. Wer beispielsweise einen Fiat 500e mit einer 42-kWh-Batterie fährt, wird kaum genügend Energie haben, um zu einem liegen gebliebenen Freund zu gelangen, eine relevante Energiemenge zu übertragen und anschließend selbst noch die nächste Ladestation zu erreichen – selbst bei einem Start mit 100 % Ladestand.

Das System muss sicherstellen, dass das unterstützende E-Auto nicht vollständig entladen wird und weder Überhitzung noch eine falsche Kabelverwendung auftreten. Darüber hinaus sind eine korrekte Erdung, elektrische Isolation sowie der Schutz vor unbefugtem Zugriff erforderlich. Diese Anforderungen machen V2V deutlich komplexer als einseitiges Laden.

Hersteller bringen bereits bidirektional ausgelegte Inverter auf den Markt, um V2H- und V2G-Anwendungen zu unterstützen. Sobald der Markt ein ausreichendes Interesse zeigt, könnte V2V auf dieser technischen Basis ein nächster nächster Schritt werden.

Automobilclubs und Pannenhilfsdienste könnten eine Schlüsselrolle dabei spielen, V2V im Alltag zu etablieren. Auch wenn es äußerst selten vorkommt, dass ein E-Auto tatsächlich vollständig entladen liegen bleibt, kann die Möglichkeit einer schnellen Energieversorgung am Straßenrand das Vertrauen der Fahrer erhöhen.

Damit sich V2V in Europa durchsetzen kann, sind vor allem zwei Punkte entscheidend:

• eine klare rechtliche Definition, die V2V ausdrücklich von komplexen, netzgekoppelten Technologien wie V2G abgrenzt

• gemeinsame Kommunikationsprotokolle, die einen sicheren Austausch von Gleichstrom zwischen Fahrzeugen ermöglichen

Langfristig könnte sich V2V sogar zu einem Differenzierungsmerkmal für bestimmte Marken entwickeln.