Zum Inhalt springen
Umwelttechnik, Abwasser, Trinkwasser, Wasserkraft

Ladesysteme für Elektrofahrzeuge

In Bezug auf Ladesysteme für Elektroautos ist es unerlässlich, insbesondere die allgemeinen Systemspezifikationen der Technik unter die Lupe zu nehmen. Dazu gehört zum Beispiel die Kommunikation. Denn zwischen Ladestation und Fahrzeug wird eine Kommunikation benötigt. Außerdem besteht wegen der aktuellen Normen eine Notwendigkeit, dass im Steck-System zusätzliche Kontakte bestehen, wobei in Bezug auf aktuelle Entwicklungen mittlerweile die Kommunikation eher über Powerline Berücksichtigung findet.

Bei der Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug erfolgt beispielsweise eine Erkennung des Kfz, indem das Fahrzeug zu einem Energiekonto des Fahrzeuginhabers beim Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) zugeordnet werden kann. Außerdem wird während der Kommunikation das Ladesystem des Kfz erkannt und die Frage beantwortet, welche Art der Aufladung möglich ist.

Hinzu kommt die Identifizierung einer fehlerfreien Verbindung zwischen Fahrzeug und Energieversorgung, anschließend wird die Schutzleiterüberwachung durchgeführt. Es erfolgt die Freigabe sowie die Beendigung des Ladevorgangs und im Anschluss daran das Signal zur Ver- bzw. Entriegelung des Ladesystems, letzter Schritt ist in diesem Zusammenhang die Aktivierung der Wegfahrsperre.

 
Unvergleichlich – die neuen Ladesysteme

Bei der Kommunikation zwischen Ladestation und EVU kommt es erst zu einer Abrechnung der gelieferten Leistung. Anschließend wird die Bereitstellung der Leistung kontrolliert und unterschiedliche Tarife zur Verfügung gestellt. Gegebenenfalls kann in Zukunft auch die Fahrzeugbatterie als Energiepuffer kontrolliert verwendet werden.

Zu den allgemeinen Systemspezifikationen gehört aber auch die Verriegelung. Schließlich sind Ladesysteme für Elektroautos nicht mit dem Tankvorgang bei Kfz zu vergleichen, die über einen Verbrennungsmotor verfügen. Der Benutzer erfährt dahingehend ein markantes Signal, da der Vorgang der Lagesysteme deutlich mehr Zeit in Anspruch nimmt als das herkömmliche Tanken von Benzin. So kommt es anders als beim Tanken während des Ladevorgangs des Kfz mitunter dazu, dass sich der Fahrer von seinem Fahrzeug entfernt und anschließend ein unbeaufsichtigter Prozess ins Leben gerufen wird. Deshalb sind entsprechende Verriegelungsvorgänge vonnöten, damit der Fahrer gegen unerwünschte Unterbrechungen und Fehlbedienungen der Ladesysteme gewappnet ist.

Dazu zählt zum Beispiel die elektrische Verriegelung. Hier muss die Steckdose der Ladesysteme immer spannungsfrei sein, wenn kein ausreichender Kontakt zwischen Steckdose und Stecker vorhanden ist. Dies wird elektrische Verriegelung genannt, wobei ein Schütz, das von einem nachfolgenden Signalkontakt aktiviert wird, detektiert, ob ein ausreichender Kontakt zwischen Steckdose und Stecker in die Tat umgesetzt worden ist. Diese Funktion kann auf der einen Seite gewährleistet werden, da die Steckdosen der Ladesysteme nie die Gefahr eines Stromschlages in sich bergen. Außerdem wird so garantiert, dass die Steckverbindungen der Ladesysteme nie unter Last getrennt bzw. gesteckt werden.

An alles ist gedacht…

Eine weitere Verriegelungsmöglichkeit ist die elektromechanische Verriegelung. Diese wird angewendet, um eine unerwünschte Beendigung des Ladevorgangs zu vermeiden. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn jemand die Aufladung böswillig stoppen oder das Ladekabel entwenden möchte. Durch elektromechanische Verriegelung jedoch werden die Ladesysteme in der Ladestation als auch die Steckverbinder des Kabels im Fahrzeug mechanisch verriegelt. Ausgelöst wird solch eine elektromechanische Verriegelung durch ein elektrisches Signal. Sobald der Ladevorgang beginnt, wird dieses gesendet.

Dabei kann es während des Ladevorgangs entweder zu einem automatischen Start der Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug kommen, aber auch durch die Bedienung einer Eingabe-Einheit bzw. die Autorisierung mithilfe eines Scheckkartensystems. Dieses funktioniert analog zur Arbeitsweise eines Tankautomaten. Das Ladekabel steht also nicht unter Spannung, wenn der Ladevorgang unterbrochen wird. Auf diese Weise kann die elektromechanische Verriegelung entriegelt werden.

Erforderlich ist eine Notentriegelung, um Systemfehler zu beheben, die in eine unbeabsichtigt verriegelte Steckvorrichtung münden können. Solch eine Notentriegelung kann nur vom Inneren des Fahrzeugraums aus betätigt werden.

Gerade bei der Handhabung der Ladesysteme sind allgemeine Systemspezifikationen erforderlich. Schließlich muss man die Aufladung der Elektrofahrzeuge mittels der Ladesysteme ohne Probleme durchführen können, und dies von jedermann. Deshalb müssen Ladesysteme handlich und selbsterklärend daherkommen. Das sich im Fahrzeug ein Ladekabel befindet, davon muss man bei der Standardaufladung ausgehen. Deshalb ist es unabdingbar, dass der Nutzer des Systems nicht nur im Fahrzeug eine Steckverbindung bedient, sondern auch an der Station der Ladesysteme. So muss dieser Vorgang komfortabel und einfach in die Tat umgesetzt werden können.

Ergonomische Formen sind klar im Vorteil

Dabei gibt es für die Handhabung der Ladesysteme verschiedene Merkmale. So müssen die Gehäuse der Steckvorrichtungen beispielsweise ergonomisch geformt sein, sie sollten also handlich, ohne scharfe Kanten und griffig sein. Vonnöten ist zudem auch eine ganz klare Orientierung von Steckdose zu Stecker.

In den Ladestationen und im Fahrzeug müssen die Steckdosen exponiert platziert sein, damit bei der Handhabung eine optimale Krafteinleitung erzielt werden kann. Deckel und Schutzkappen müssen so betätigt werden können, dass sie auch von kleineren Händen, die gegebenenfalls über lange Fingernägel verfügen, auch gut zu bedienen sind. Unter Umständen kann man auf Deckel auch ganz verzichten.

Auch nicht im gebrauchten Zustand überschritten werden darf eine definierte Kraft von der Zieh- und Steckenergie der Steckvorrichtungen. Automatisch erfolgen müssen die nötigen Abdichtungs- und Verriegelungsvorgänge, hier dürfen keine zusätzlichen Handhabungen erforderlich sein.

Auch das Starten des Ladevorgangs gehört zu den allgemeinen Systemspezifikationen der Ladesysteme. Die Kommunikation startet, wenn die Steckverbindung in der Energieversorgung und im Fahrzeug eingesteckt ist. Der Ladevorgang wird automatisch gestartet, nachdem die Schutzleiterfunktion geprüft und die Ladeleistung definiert worden ist.

In Bezug auf das Ende des Ladevorgangs ist zu sagen, dass dieses entweder durch ein externes Signal erfolgt oder dann, wenn die Akkumulatoren komplett geladen worden sind. Zur vollständigen Beendigung des Ladevorgangs kommt es allerdings erst dann, wenn die Stecker aus der Ladestation und im Fahrzeug entfernt werden können, nachdem die Verriegelung der Steckverbinder aufgehoben worden ist.

Ein Höchstmaß an Flexibilität ist (fast) alles

Zwangsläufig muss der Ladevorgang und somit die Steckvorrichtungsverriegelung durch ein externes Signal zu Ende geführt werden. Es gibt zwei Lösungen um sich gegen die willkürliche Beendigung des Ladevorgangs durch nicht autorisierte Personen zu wappnen. So befindet sich ein Taster in unmittelbarer Nähe der Ladesteckdose, wobei dessen Funktion über die Zentralverriegelung des Fahrzeugs aktiviert werden kann. Außerdem kann durch einen solchen Taster auch im Innenraum des Fahrzeugs angeordnet werden, womit er also auch nur vom Fahrzeugführer erreichbar ist.
 

Kabel der Ladesysteme

Auch hinsichtlich der Kabel der Ladesysteme gibt es unterschiedliche Spezifikationen. So zum Beispiel wenn es um den Aufbau geht. Herkömmlicherweise besitzen Kabel wie beispielsweise Verlängerungskabel an der einen Seite eine Kupplung und auf der anderen Seite einen Stecker. Bei den Stecksystemen, die IEC genormt sind, werden lediglich jene Kupplungen als Bauteile angesehen, die auch spannungsführend sind. Deshalb werden auch nur die Kupplungskontakte berührungssicher isoliert.

Wenn man also unterstellt, dass zukünftig auch aus Fahrzeugbatterien eine Energieentnahme für externe Verbraucher oder ins Netz erfolgen soll, so machen diese Steckerkontakte, die nicht berührungssicher sind, ein Sicherheitsrisiko aus. Schließlich wären die Steckerstifte stromführend, da von der Kupplung zum Stecker ein Stromfluss stattfindet. So sind die herkömmlichen Systeme, die in den IEC Normen definiert sind, nicht geeignet. So sind Stecksysteme vonnöten, bei denen die Kontakte in der Kupplung sowie im Stecker berührungssicher isoliert sind, sobald aus den Fahrzeugbatterien eine Energieentnahme erfolgen soll. Das Ladekabel kann an beiden Enden mit einem Stecker ausgestattet werden, wenn man voraussetzt, dass der Stecker ebenfalls über eine berührungssichere Isolation verfügt. So benötigt man die Kupplung nicht mehr. In der Ladestation und im Fahrzeug können dann nahezu gleiche Steckdosen eingesetzt werden.

Eine eindeutige und einfache Handhabung ist möglich, wenn beide Enden des Ladekabels identisch sind. Ist am Ladekabel kein Klappdeckel vorhanden, steht dies für eine einfache Handhabung, zudem für robuste Ladesysteme. Diese Ladesysteme werden vereinfacht, wenn sowohl in der Ladestation als auch im Fahrzeug fast identische Steckdosen verwendet werden und somit kein Gerätestecker mehr notwendig ist.

Auf die Technik kommt es an

Bei den Ladekabeln der Ladesysteme findet eine Codierung statt. Bei der Leistungscodierung ist die Lade-Steckvorrichtung in der Regel für 63 A ausgelegt. Erforderlich ist die Verwendung von Ladeleitungen, die über verschiedene Kabelquerschnitte verfügen, damit die Schwierigkeit der großen Kabelquerschnitte bezüglich der Handhabbarkeit gelöst werden kann.

Dass mitgeführte Ladekabel für 32 A über 4-6 mm² Leitungen verfügen, ist deshalb angebracht. Ebenso wie bei Schnellladestationen, die mit fixierten Leitungen für 63 A (16 mm²) ausgestattet sind. Um dies in die Tat umzusetzen, ist eine Ladeleistungscodierung des Kabels vonnöten. Erfolgen kann die Codierung durch eine Widerstandsbrücke zwischen PE und dem Plug-present-Kontakt.

Zwei Signalkontakte werden benötigt, damit die Kommunikationsanforderungen erfüllt werden können. Einer wird zur Aktivierung der Wegfahrsperre verwendet, der andere um die Steckerendlage zu identifizieren (nacheilender Kontakt). Dieser nacheilende Kontakt wird zur Kommunikation verwendet, wenn keine Powerline Kommunikation benutzt wird. Hier braucht man eine zusätzliche Signalleitung im Ladekabel (1 x 0,5 mm²).

Ein Signalkontakt ist unter Umständen nicht erforderlich, wenn PLC Charging Systeme verwendet werden. Zur Sicherheit werden die Ladekabel der Ladesysteme mit Steckvorrichtungen ausgestattet, die nicht wiederanschließbar sind. So soll das Manipulieren und Öffnen des Ladekabels verhindert werden.

Eine weitere Spezifikation der Ladesysteme ist die Fahrzeugschnittstelle. Hinsichtlich der Definition des Ladekabels wird eine Steckdose in das Fahrzeug verbaut. Abhängig sind die Bedingungen des Einbaus vom jeweiligen Kfz-Typen. Offeriert wird als Standard hier zunächst eine Flanschvariante. Vonnöten sind zwei Signal-Kontakte, damit man den Kommunikationsanforderungen gerecht werden kann. Dafür, dass die Steckerendlage identifiziert werden kann, ist ein nacheilender Kontakt verantwortlich, während zur Aktivierung der Wegfahrsperre ein weiterer Signalkontakt verwendet wird. Ein Koppler muss dann in die Ladeelektronik integriert werden, wenn eine Powerline Kommunikation erfolgen soll. Der nacheilende Kontakt wird für die Kommunikation verwendet, wenn keine Powerline Kommunikation besteht.

Laut Isolierschutzklasse 2 sollten im Fahrzeug alle Niederspannungseinrichtungen entsprechend ausgeführt werden, damit Gefährdungen ausgeschlossen werden können (doppelte Isolierung). Wenn kein ausreichender Kontakt zwischen Steckdose und Stecker besteht, muss die Fahrzeugsteckdose immer spannungsfrei sein. Damit das Einschalten des Schützes freigegeben werden kann, fragt der nacheilende Signalkontakt in der Steckdose die Steckerendlage ab.

Spezifikationen bei den Ladestationen

Selbst bei der Ladestation der Ladesysteme gibt es eine entsprechende Spezifikation. So werden laut der Ladekabeldefinition in der Ladestation der Ladesysteme eine bzw. mehrere Steckdosen integriert. Es existieren unterschiedliche Einsatzgebiete, wobei auch verschiedene Anforderungen auf die Ladestationen zukommen. Die verschiedenen Anforderungen hängen hauptsächlich von entsprechenden Konditionen ab. So muss die Frage beantwortet werden, ob die Ladestation außen oder innen zum Einsatz kommen soll. Außerdem, ob sie im öffentlichen oder im privaten Bereich ihren Einsatzort findet.

Auch die Frage, ob sie zur Schnellladung oder Standardladung benötigt wird, ist zu beantworten. Der Aufbau hängt auch davon ab, ob die Ladestation zur Energiebereitstellung und Leistungsabrechnung benötigt wird oder lediglich für die reine Bereitstellung der Energie. Ein weiterer Aspekt sind die verschiedenen Autorisierungsoptionen (mittels RFID, über Fahrzeugerkennung, andere Autorisierungsarten, ganz ohne Autorisierung).

Der Schutzkontakt-Steckdose im Wohnhaus ist die simpelste Art einer Ladestation. Damit das Kfz auch ständig aufgeladen werden kann, muss diese Art der Fahrzeugaufladung immer gegeben sein. Ermöglicht wird diese Aufladung mittels eines Adapterstückes zwischen Fahrzeugladestecker und Schutzkontaktstecker inklusive integriertem FI-Schutzschalter. Für Ladevorgänge bis 16 A ist nämlich laut IEC 61851-1:2001 keine Kommunikation mit dem Fahrzeug vonnöten.

Damit jedoch auch daheim die Ladedauer auf eine angemessene Zeit minimiert werden kann, macht es Sinn, dass man für den Wohnbereich 32 A Ladestationen offeriert.

Bei dieser Art der Ladung muss auf jeden Fall eine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation erfolgen. Hier kann eine so genannte Wall Box die simpelste Form der Kommunikation wahrnehmen, da diese Wall Box mit dem Fahrzeug via unterschiedlich codierter Rechtecksignale kommuniziert. Dadurch werden die technischen Rahmenbedingungen abgefragt, die für den Ladevorgang unabdingbar sind. So wird die Ladetechnik dann entsprechend dieser Voraussetzungen eingestellt.

Industriecomputer für Abrechnungsvorgänge

Die Wall Box reicht allerdings nicht aus, wenn die Kommunikation nicht nur zur Einstellung der Ladetechnik verwendet werden soll, sondern beispielsweise auch dann, wenn Abrechnungsvorgänge durchgeführt werden sollen. Für solche Fälle ist es empfehlenswert, einen Prozessor einzusetzen, beispielsweise einen Industriecomputer. Mittels zusätzlicher Signalkontakte im Steck-System bzw. über Powerline kann, wie oben bereits erläutert, die Kommunikation an sich durchgeführt werden.

Hierzu muss man in der Ladeelektronik und in der Ladestation entsprechende Koppler vorsehen, wenn ein Powerline System verwendet werden soll. Auch das eigens entwickelte PLC Ladesystem kann wie gesagt eine weitere Kommunikationslösung ausmachen. Im Rahmen der Standardisierung muss dann entschieden werden, welche Datenprotokolle und welche Technik benutzt werden sollen.

Bei der Standardladung in Bezug auf den öffentlichen Bereich gelten alle Bedingungen wie für eine 32 A Ladestation im privaten Bereich. Außerdem muss man hier noch in Augenschein nehmen, dass die Leistungsabrechnung auf jeden Fall erforderlich ist, hinzu kommt die Identifikation des Fahrzeugs bzw. eine andere Art der Autorisierung. Außerdem müssen die Ladestationen robust sein, alle Steckdosen dieser Ladesysteme müssen die Anforderungen an Steckdosen für jene Regelungen erfüllen, die bereits oben in Bezug auf die allgemeinen Spezifikationen erwähnt worden sind.