E-Mobility Normen für die Elektromobilität beschreiben die Topologie des Ladens

Autor / Redakteur: Thorsten Temme / Reinhard Kluger

Der Ladestecker für das Elektroauto ist genormt, zumindest in Europa. Normen für die Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug sind in Arbeit. Für die Ladestationen, sind sie doch kleine Niederspannungs-Schaltanlagen, gelten die Normen der IEC 61439. Ergänzt werden sie um Vorschriften für den öffentlichen Raum.

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Für eine nachhaltige Elektro-Mobilität müssen alle Komponenten nahtlos ineinander greifen – Normen und Standards sorgen dafür. <em id="ForP_B43832F4-B1EB-AAD0-DB602D30B5CF28CD">Bilder: Phoenix Contact</em>
Für eine nachhaltige Elektro-Mobilität müssen alle Komponenten nahtlos ineinander greifen – Normen und Standards sorgen dafür. <em id="ForP_B43832F4-B1EB-AAD0-DB602D30B5CF28CD">Bilder: Phoenix Contact</em>
( Archiv: Vogel Business Media )

Einstecken und Aufladen − so einfach sollte der Ladevorgang für Elektrofahrzeuge sein. Was einfach klingt, hat es in sich, denn Elektro-Mobilität ist mehr als die Elektrifizierung des Antriebs. Damit unterschiedliche E-Mobile immer und überall sicher zapfen, sind Normen und Standards erforderlich. Dabei geht es um folgendes: Das E-Mobil muss sicher, zuverlässig und benutzerfreundlich aufgeladen werden, jedes Fahrzeug soll − zumindest in Europa − mit jeder Ladesäule interoperabel sein, volatile erneuerbare Energien sollen optimal eingesetzt werden und: Es muss eine Basis geben, auf der sich neue Geschäftsmodelle rund um die Mobilität der Zukunft entwickeln können.

Elektro-Mobilität ist ein System, in dem Automobilindustrie, Elektrotechnik, Informationstechnik und Energiewirtschaft zusammenwirken. Wenn das E-Mobil Teil eines integrierten Energiesystems werden soll, bedarf es gemeinsamer Standards.

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Ein einheitlicher Ladestecker möglichst für ganz Europa

Deutlichstes Erkennungsmerkmal des E-Mobils ist der Ladestecker − die Anforderungen beschreibt die Norm IEC 62196. Im Teil 2 der Norm geht es um Ladestecker für den Anschluss des Fahrzeugs an das Wechselstromnetz. Während sich Europa für die Fahrzeugseite bereits auf den Typ 2-Stecker verständigt hat, werden für die Ladestation länderabhängig derzeit Typ 2- oder Typ 3-Stecker favorisiert. Phoenix Contact unterstützt den Ladestecker vom Typ 2, der ein- und dreiphasiges Laden ermöglicht. Bei einer maximal zulässigen Stromstärke von 63 A wird die ganze Bandbreite unterstützt: von der langsamen Ladung daheim mit 3 bis 4 kW bis zum schnellen Laden an leistungsfähigen Ladepunkten mit bis zu 43 kW. Neben den Leistungskontakten L1-L3, N und PE hat das Steckgesicht zwei weitere Steuerkontakte − CP und PP. Sie sind Teil des Sicherheitskonzepts des Gesamtsystems und bilden auch Steuerungsfunktionen ab. Im Vergleich zu konkurrierenden Lösungen der Normenreihe ist dieser Stecker auch unter widrigen Bedingungen zuverlässig einsetzbar.

Zusätzliche Kontakte

Für das schnellere Laden mit Gleichstrom wurden die Geometrien der Ladestecker um zusätzliche DC-Kontakte erweitert. Damit sind am Fahrzeug beide Ladearten möglich. Für das DC-Laden werden die Steuerungsfunktionen des AC-Steckers über die CP- und PP-Kontakte übernommen. Die Leistungskontakte kommen mit Strömen bis zu 200 A und Ladeleistungen bis zu 150 kW zurecht. Diese Lösung könnte schon heute die Ladeleistungen künftiger Batterie-Generationen übertragen.

Die grundsätzlichen Anforderungen an das Ladesystem beschreibt die Normenreihe IEC 61851: Sicherheitsanforderungen und Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Fahrzeugen und Ladestationen. Die Grundanforderungen werden in Teil 1 beschrieben, Anforderungen an Fahrzeug und Ladestation finden sich in den Teilen 21 bis 24. Dem CP(Control Pilot)-Kontakt des Ladesteckers kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Zum einen überwacht er die Verbindung der Schutzerde zwischen Fahrzeug und Ladestation − als Maßnahme zum Personenschutz.

Genormte Wertebereiche

Mit Hilfe einer einfachen Schaltung im Fahrzeug wird der Spannungspegel des CP-Signals von der Ladestation auf genormte Wertebereiche abgesenkt. So erfährt die Ladestation, ob das Fahrzeug angeschlossen und ladebereit ist. Die Ladestation kann dem E-Mobil auch vorgeben, welchen Ladestrom das Fahrzeug zur Aufladung aus dem Netz ziehen kann. Hierzu wird auf dem CP-Kontakt ein PWM (pulsweitenmoduliertes)-Rechtecksignal eingeprägt, dessen Tastverhältnis proportional zum vorgegebenen Stromwert ist. Das PWM-Signal kann beim Laden in bestimmten Wertebereichen variiert werden. So werden die E-Mobile in das Last-Management eines Verteil- oder Firmennetzes integriert, und die Ladeleistungen werden an die aktuelle Netzauslastung angepasst.

Neue Standards für die Kommunikation

Für die Kommunikation des Fahrzeugs mit der Ladestation ist die Normenreihe ISO/-IEC 15118 in Arbeit. Sie beschreibt auch so genannte „Use-Cases“ zur Identifikation und Autorisierung. Damit werden Prozesse implementiert, die dem Roaming aus der Telekommunikation ähneln. Die Identifikationsdaten gehen dann zur Auswertung an Flottenbetreiber oder Energielieferanten oder auch an eine Abrechnungsstelle. Bei einem erweiterten Energie-Management können auch Informationen zur nächsten geplanten Fahrt, zur gewünschten Energiemenge oder zur Restladung der Batterie ausgewertet werden. Bezieht man die erwartete Netzauslastung und den aktuellen Strompreis ein, kann mit jedem Fahrzeug ein individuelles Ladeszenario ausgehandelt werden. Außerdem können die Fahrzeuge zukünftig das Netz stabilisieren, wenn z.B. beim Laden Blindleistung vom Fahrzeug in das Netz eingespeist wird oder die Energie vom Fahrzeug ins Netz zurückfließt.

Zur Kommunikation favorisiert die deutsche Automobilindustrie nach dem OSI-Referenzmodell für die Schichten 1 (Physical Layer) und 2 (Data Link Layer) die Powerline-Kommunikation (PLC) nach IEEE 1901 Profil Green PHY. Damit Fahrzeug und Ladestation eindeutig zugeordnet werden, wird derzeit die Kommunikation über den Control Pilot detailierter betrachtet. Die Daten werden dabei im XML- oder EXI-Format übertragen – mit Protokollen wie V2GTP, TLS, TCP oder IPv6.

Integration ins Netz zum Glätten der Lastkurve

Wenn jedes zweite der angestrebten 1 Million Fahrzeuge am Netz angeschlossen ist und der Ladebedarf 20 Prozent der Batteriekapazität beträgt, dann bedeuten eine Million Fahrzeuge eine steuerbare Last von 1,5 GW und eine Pufferkapazität von etwa 4 GWh. Diese Fahrzeuge bieten ein hohes Potenzial zur Glättung der Lastkurven in den Energienetzen. Um die Energiebedarfe im Ortsnetz besser zu regeln und dezentrale Erzeuger und Verbraucher lokal besser zu koppeln, soll die IEC 61850-7-420 um die Themen Elektro-Mobilität und Energiespeicher erweitert werden.

Integration der E-Mobilität ins Smart Grid

Die optimale Integration der E-Mobilität in das Smart Grid sollte dann auf der Basis bereits existierender Datenmodelle und Kommunikationsprotokolle erfolgen. Die Ladestation wird dabei zum Gateway zwischen Stromnetz und Fahrzeug.

Auch in Unternehmensnetzen gewinnt die Elektro-Mobilität künftig an Bedeutung, etwa bei der Integration von Elektro-Mobilen in der Fahrzeugflotte.

Lösungen für die Ladeinfrastruktur

Ungesteuertes Laden kann Lastspitzen anheben und damit die Leistungspreise erhöhen. Hier sollen die Ladevorgänge in ein Energie-Management-System integriert werden. Ein sinnvolles Automatisierungskonzept verzichtet auf proprietäre System-Schnittstellen, die Integration der Ladeinfrastruktur geschieht mittels Protokollen und Standards aus der Automations- und Informationstechnik. Die Kompaktsteuerungen in den Ladesäulen kommunizieren dann mit einem Datenbank-Management-System (DBMS) wie MS-SQL-Server. In einem weiteren Schritt sind auch Web-basierte Portal-Lösungen möglich, etwa zur weltweiten Nutzerverwaltung und Auswertung (Charting).

Ladestationen sind kleine Niederspannungs-Schaltanlagen – und unterliegen damit den Normen der IEC 61439. Diese werden zur Zeit auf Schaltanlagen an öffentlichen Plätzen ausgedehnt, auch Ladestationen für E-Mobile fallen darunter. Die elektrische Sicherheit regelt die IEC 60364-7-722. Als Lösungsanbieter für Elektro-Mobilität mit weltweiter Präsenz bietet Phoenix Contact neben den verschiedenen Ladesteckern und Ladebuchsen weitere Komponenten für die Infrastruktur hinter den E-Mobilen – darunter Steuerungen, Stromversorgungen, Überspannungsschutz-Geräte sowie elektrische Verbindungstechnik.

Dipl.-Ing. Thorsten Temme, Technology Management, Corporate Technology, Phoenix Contact, Blomberg

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