Basiswissen – Ladetechnik für die Elektromobilität

Stefan Staiber, Systemberater E-Mobility
Basiswissen – Ladetechnik für die Elektromobilität
Die Elektromobilität wird massentauglich und die Verkaufszahlen der
E-Fahrzeuge steigen kontinuierlich an. Damit die Fahrzeuge optimal,
effizient und sicher geladen werden, benötigt es normgerechte Lade
infrastrukturen. DISTRELEC, Ihr kompetenter Partner für die Elektromobi
lität führt ein abgerundetes Sortiment an intelligenten und skalierbaren
Lösungen zum Aufbau von Ladeinfrastrukturen.
Die verschiedenen Ladestecker
In Europa hat sich der Ladestecker mit der Bezeichnung Typ 2 etabliert
und nach IEC 61851 standardisiert. In den USA und einigen skandinavi
schen Ländern kommt auch der Stecker Typ 1 zum Einsatz. Beide Stecker
gibt es als reine Wechselspannungsvariante (langsames laden) oder auch
mit der Ergänzung der massiven Steckkontakte (Stecker CCS Typ 2) für
das Laden mit Gleichspannung (schnelles laden). Die Schnellade-Stecker
sind kompatibel, so dass in jedem Fall auch mit reiner Wechselspannung,
also langsam, geladen werden kann. Zu Hause langsam – Unterwegs
schnell.
Typ 1 USA/Skandinavien
Typ 2 Europa
SAE J1772 / IEC 62196-2
IEC 62196-2
Wechselstrom
Lademodus 3
Beim Lademodus 3 wird ausschliesslich mit Wechselspannung gela
den, jedoch in wesentlich höheren Strömen (bis zu 63 Ampere). Sowohl
1-phasig wie auch 3-phasig. Bei diesem Modus gibt es zwei Varianten:
Lademodus 3, Fall B
Beim Fall B ist das Ladekabel beidseitig mit einem Fahrzeug-Ladestecker,
beziehungsweise einem Infrastruktur-Ladestecker versehen. Das Lade
kabel ist also nicht fix mit der Ladestation verbunden und kann somit
im Auto mitgeführt werden.
Lademodus 3, Fall C
Beim Fall C ist das Ladekabel an der Ladestation fix angeschlossen.
Lademodus 4
Der Lademodus 4 ergänzt den Lademodus 3 insofern, dass zusätzlich
auch mit Gleichspannung und sehr hohen Übertragungsströmen
(200 Ampere und mehr) geladen werden kann. Die Erzeugung dieser
Gleichspannung bedeutet eine komplexere Ladeinfrastruktur. Unter
Verwendung eines Gleichrichters wird Wechsel- in Gleichspannung um
gewandelt. Auch die Stromzuleitungen müssen entsprechend dimensioniert sein. Standard DC-Ladesäulen haben eine Leistung von ca. 50 kW.
Somit lassen sich Elektrofahrzeuge innerhalb von Minuten laden.
Konventionelles Laden
(AC)
Gleichstrom
CCS
CCS
Lademodus 2
Schnellladen
(DC)
AC
SAE J1772 / IEC 62196-3
IEC 62196-3
Lademodus 3 Fall B
Die unterschiedlichen Lademodi
Lademodus 2
Der Lademodus 2 ist die einfachste Art, ein Elektrofahrzeug zu laden.
In eine handelsübliche Haushaltsteckdose, in der Regel 13 Ampere,
1-phasige Wechselspannung, wird das Ladekabel eingesteckt.
Zwischen der Steckdose und dem Elektrofahrzeug regelt die Ladeelektronik, auch bekannt als «IC-CPD» (In Cable Control and Protection
Device) den Ladevorgang und überprüft den Stromfluss. Diese Lösung
kann eingesetzt werden sobald ein Fahrzeug über eine längere
Zeitspanne, zum Beispiel in der Nacht, geladen wird. Dieser Lademodus
kommt auch als «Notlösung» in Frage, da eine Haushaltsteckdose in
der Regel jederzeit verfügbar ist. Aufgrund des geringen Stromflusses
geht der Ladezyklus entsprechend länger.
AC
Lademodus 3 Fall C
AC
AC
Lademodus 4
DC
Typ 1 / USA/Skandinavien
Typ 2 / Europa
Ladesteuerungen
Ein Ladepunkt für ein Elektrofahrzeug benötigt in jedem Fall eine
Fehlerstromüberwachung. Diese kann normativ mit FI-Schalter (Fehlerstrom-Schutzschalter) oder entsprechender Sensorik realisiert werden.
Eine Ladesteuerung stellt sicher, dass der maximale Stromfluss zum Auto
dem Querschnitt des Ladekabels entspricht. Auch wird unter anderem
der Ladevorgang gestoppt, wenn die Batterie geladen ist. Je nach
Lademodus, wie oben beschrieben, kommen unterschiedliche Lade
steuerungen zum Einsatz. Weitere Bedürfnisse, wie zum Beispiel die
Integration einer Energiemessung helfen, die passende Ladesteuerung
auszuwählen.
Integration von Fehlerstrom-Schutzschalter FI, (Englisch RCD)
Elektroauto, Ladeinfrastruktur, respektive die Hausinstallation sind
getrennte Systeme. Dies gilt solange, bis das Auto elektrisch mit der
Ladeeinrichtung verbunden wird. Ab diesem Zeitpunkt können auf
tretende Gleichströme auf die Fehlerstromschutzorgane der Hausinstal
lation wirken. Hausinstallationen sind mit einer Schutzerdung verbunden.
Ein Wechselfehlerstrom wird klassischerweise durch einen FI, Typ A,
detektiert und der Stromfluss sofort unterbrochen. Ein Elektrofahrzeug
ist ein autarkes System. Wird dieses nun elektrisch mit der Ladestation
verbunden, liegt die Fahrzeugkarosserie – die Masse – auf dem
PE-Potenzial der Hausinstallation. Ein möglicher fahrzeuginterner
Gleichfehlerstrom kann somit ungehindert in die Hausinstallation
übertragen werden. Verschleppte Gleichfehlerströme sind für eine
Hausinstallation nur bedingt verträglich. Diese werden durch die
typisch verbauten Fehlerstromschutzschalter, Charakteristik Typ A,
nicht erkannt. Es drohen schwerwiegende Folgen, wie die Zerstörung
von Elektrogeräten, aber auch Lebensgefahr.
Abhilfe schafft der Einsatz von einem Fehlerstromschutzschalter mit
der Charakteristik Typ B. Diese Geräteklasse detektiert zuverlässig Wechsel- wie auch Gleichstromfehlerströme. Der grosse Nachteil dieser
Gerätefamilie ist, dass diese im technischen Aufbau viel komplexer
sind als die Variante Typ A. Somit ist ein FI mit der Charakteristik Typ B
ein grösserer Kostenfaktor pro Ladepunkt.
EV Charge Control Advanced
EV Charge Control Basic
Ladeinfrastruktur für mehrere Nutzer und Schnellladung
Nutzten mehrere Fahrzeuge gleichzeitig eine Ladeinfrastruktur,
ist die Installation komplexer.
- Wer gehört zum Nutzerkreis?
- Ist die Ladestation öffentlich?
- Dürfen nur Fahrzeuge geladen werden welche eine Freigabe,
zum Beispiel über einen PIN verfügen?
- Soll die Energie nach dem Verbraucher- oder nach einem
Guthabenprinzip weiter verrechnet resp. abgebucht werden?
- Soll dafür zum Beispiel die genormte Schnittstelle zu OCPP
(Open Charge Point Protocol) genutzt werden?
Entsprechende Ladesteuerungen mit allen nötigen Schnittstellen, auch
jene welche den AC/DC-Wandler dynamisch ansteuern, sind am Markt
erhältlich. Ein wesentlicher Punkt für die Bemessung der elektrischen
Zuleitung ist die Anzahl Fahrzeuge, welche gleichzeitig geladen werden.
Dabei spielen die unterschiedlichen Ladevarianten, ob konventionelles
Laden oder schnelles Laden mit Gleichspannung, sehr zentrale Rollen.
A1
A2
AL1 AL2 ON
EV RCMI
d
T/R
Err
13
14
Test GND
23
24
Unzulässige (links) und richtige (rechts) Anordnung eines RCD Typ B.
Ein Differenzstrom-Überwachungsmodul anstelle eines
FI Typ B ist kostengünstig, der Ladepunkt hat zudem eine höhere
Verfügbarkeit
Ein schon installierter, kostengünstiger Fehlerstromschutzschalter Typ
A bleibt bestehen oder kann einfach für jeden Ladepunkt installiert
werden. Über einen Messwandler wird ein möglicher Gleichfehlerstrom
zu jedem Ladepunkt anstelle von einem kostenintensiven FI, Typ B über
wacht. Fliesst ein Gleichfehlerstrom, wird dieser zuverlässig erkannt. Das
RCM-Überwachungsmodul unterbricht den Ladevorgang und versetzt
die Ladesteuerung in einen Fehlerstatus. Wenn kein Gleichfehlerstrom
mehr vorhanden ist, steht der Ladepunkt automatisch wieder zur Ver
fügung für das nächste Elektrofahrzeug.
Ein Fehlerstromschutzschalter Typ B hätte ebenfalls auf Gleichfehlerströmen reagiert und ausgelöst. Weitere Ladevorgänge, auch wenn
die Fehlerursache nicht mehr elektrisch mit der Ladesäule verbunden
ist, sind solange aber nicht möglich. Erst das Wiedereinschalten
des Fehlerschutzschalters durch eine autorisierte Person lässt weitere
Ladevorgänge zu.
verfügbar, während der fehlerhafte unterbrochen ist. Wird kein
Fehlstrom mehr detektiert, ist der Ladepunkt automatisch wieder
aktiviert und somit für den nächsten Ladevorgang verfügbar.
Ein FI Typ B würde typsicherweise ausgelöst bleiben. Ein manuelles
Betätigen ist nötig, damit ein weiterer Ladevorgang wieder möglich ist.
Die Verfügbarkeit der Ladestation ist damit eingeschränkt und es
können daher zusätzliche Kosten für Service und Wartung auftreten.
Lösungen müssen skalierbar sein
In wenigen Fällen werden die Gebäude von Beginn an mit einer
vollständigen Ladeinfrastruktur errichtet. Oft werden zuerst nur wenige
Ladepunkte installiert, um somit flexibel auf zukünftige Bedürfnisse
reagieren zu können. Die Verlegung von Leerrohren für Versorgungsund Datenleitungen ist in jedem Fall zu empfehlen.
Intelligente Ladesteuerungen kommunizieren mit dem Fahrzeug
um Kosten zu sparen
Ein typisch modernes Bürogebäude, z.B. eine Bank mit 220 Mitarbeitern,
verbraucht täglich durchschnittlich 180 kW Energie. Laden nur fünf
Prozent der Mitarbeiter ihre Elektrofahrzeuge am Arbeitsplatz, so
entspricht das bei einer 1-phasigen Ladung mit 13 Ampere, einer
zusätzlichen Last von fast 20 Prozent.
Laden jedoch 25 Prozent der Mitarbeiter mit einem Elektrofahrzeug
während der Arbeitszeit, verdoppelt sich der Leistungsbedarf
des Gebäudes. Ohne intelligente Kommunikation zwischen
den Fahrzeugen, den Ladeelektronikmodulen und dem Bürogebäude
kollabiert das System zwangsläufig.
Platzierung einer Sensorik zur Gleichfehlstromerkennung an einem Ladepunkt.
Zusammenfassung FI / Differenzstrom-Überwachung:
Die Integration eines Fehlerstromschutzschalters (mind. Typ A/30 mA)
ist immer zwingend vorgeschrieben.
In einem Störungsfall können vom Elektroauto über die Ladeleitung
Gleichfehlerströme in die Hausinstallation verschleppt werden.
Alternativ zum FI Typ B bietet sich der Einsatz eines Differenzstrom-
Überwachungsmodules RCM in Kombination mit einem FI Typ A an.
Bei der 2-kanaligen Versionen ist der eine Ladepunkt autark weiter
Die Ladenorm 3 nach IEC 61851-1 wirkt dem entgegen. Berücksichtigt
wird dabei der Leistungsbedarf des Gebäudes, die Anzahl der zu
ladenden Fahrzeuge und wann sie wieder genutzt werden. Auch die
aktuellen Ladeströme der einzelnen Fahrzeuge werden dynamisch
ausgewertet. Bei Lastspitzen oder Energieengpässen kann die
Priorisierung einzelner Fahrzeuge automatisch vollzogen werden.
Das Last-Management lässt sich auch mit der Erzeugung regenerativer
Energie koppeln. So wird die Ladeleistung flexibel an der aktuellen
Leistung der Photovoltaik-Anlage auf dem Dach des Gebäudes
angepasst.
Der vereinfachte Aufbau einer AC-Ladestation im gewerblichen Umfeld mit der EV CC Basic
und dem zweikanaligen Modul EV RCM Compact ermöglicht die separate Überwachung
von zwei Ladepunkten.
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