Wireless protocols for vehicle to grid charging management

Abstract

Mit der steigenden Anzahl von elektrisch betriebenen Fahrzeugen (EF) kommt auch die Herausforderung sie alle mit elektrischer Energie zu versorgen. Nachdem das derzeitige Verteilungsnetzt nicht darauf ausgerichtet ist solche großen Mengen an elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, wird es in Zukunft schwieriger sein, den wachsenden Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Zusätzlich kann, wenn nicht richtig koordiniert, das gleichzeitige Aufladen der Fahrzeuge zu noch größeren Netzbelastungen führen, was möglicherweise eine Überlastung zur Folge haben könnte. Deswegen wird ein Verwaltungssystem benötigt, welches die Aufladeprozesse von EFs koordiniert, damit die Leistungsfähigkeit an das momentane Verteilungsnetz angepasst werden kann. Um den Aufladeprozess von EFs effizient leiten und koordinieren zu können, muss eine Form der höheren Kommunikation zwischen den EFs und den Aufladestationen möglich sein um mehr, für den Aufladeprozess relevante, Informationen austauschen zu können. Mit diesen Informationen, können Auflademanagementsysteme informierte Entscheidungen bezüglich des Starts des Aufladeprozesses treffen, was die Aufteilung der einzelnen Aufladeprozesse ermöglichen würde. Das Resultat wäre eine geringere Belastung des Verteilungsnetzes. Mit der gesammelten Information wäre es zusätzlich möglich, Energie in das Verteilungsnetz zu entladen um das Netzwerk somit zu stabilisieren. In dieser Diplomarbeit werden die Fähigkeiten von den neu entstehenden Vehicle to Grid Communication Interface Standard IEC 15118 analysiert, um die Kommunikation auf höheren Ebenen zu gewährleisten. Diese Arbeit zeigt die Vorteile des IEC 15118 Protokolls im Gegensatz zu seinen Vorläufern und präsentiert einige Use Cases für seine Anwendung. Des Weiteren können Veränderungen an den Physischen und Data Link Schichten des Protokolls vorgenommen werden, um zu testen ob dessen kabellose Variante ebenfalls möglich und effektiver wäre. IEEE 802.11p wurde für die kabellose Variante gewählt und wurde mit anderen kabellosen Standards verglichen. Schlussendlich war es möglich zu zeigen, dass IEC 15118 sowohl eine bedeutende Menge an EF spezifischer Information einzelner Aufladeprozesse, als auch nutzerspezifische Informationen, welche für koordiniertes Aufladen nötig sind, zur Verfügung stellt. Diese Informationen inkludieren unter anderen Rechnungbezogene Information, nutzerspezifische Anforderungen, Fahrzeugstatistiken und Klimaeinstellungen der Fahrerkabinen. Nach einer detaillierten Erklärung welche Informationen übertragen werden, beschreibt die Diplomarbeit die individuellen Schichten des OSI/ISO Modells, sowie welche Protokolle auf welcher dieser Schichten implementiert werden sollen, womit ein Überblick über das ganze Protokoll gegeben wird.

With the increasing number of electric powered vehicles (EV) comes the challenge of supplying them all with enough energy. Not originally conceived to handle such an increased load, distribution grids will struggle to meet the increased energy demands caused by the growing number of EVs. Also, if not properly coordinated, the simultaneous charging could lead to even greater strains on the distribution grids possibly causing it to be overloaded. This is why a form of charging management is required to coordinate the charging process to fit the capabilities of the current distribution grids. To efficiently manage and coordinate the charging process of EVs a form of higher-level communication must be possible between the EV and the charging station in order to exchange more charging relevant information. With this information, charging management systems can make informed decisions on when to start charging processes allowing for the distribution of charging, which would result in less strain on the distribution grid. With the gathered information it could also become possible to support feeding energy back to the grid allowing for a form of grid stability to be achieved as well. In this thesis the capabilities of the emerging Vehicle to Grid Communication Interface (V2G CI) standard IEC 15118 are analyzed for the purpose of higher-level communication. This work shows the advantages of the IEC 15118 protocol apposed to its predecessors and presents several use cases for its application. In addition, alterations to the protocols- physical and data link layers are made in order to test if wireless variations of the protocol are also feasible and more effective. IEEE 802.11p was chosen for the wireless variation and was compared against other wireless standards. With the completion of this thesis it was possible to show that not only does IEC 15118 provide an abundant amount of EV specific information to the smart grid for charging purposes but also user specific information for advanced charging management purposes as well. Such information includes, but is not limited to: billing information, user specific requirements, vehicular statistics and cabin conditioning. After a detailed explanation of what information is transferred, this thesis goes on to describe the individual layers of the OSI/ISO (Open System Interconnection/International Organization for Standards) model and what protocols should be implemented at each layer, giving a full overview of the IEC 15118 protocol construction.