Normgerecht und sicher Strom tanken

Flex­i­bel ein­set­zbare Ladekon­trolle für Elektrofahrzeuge
Das The­ma Elek­tro­mo­bil­ität wird derzeit in den meis­ten Indus­trien­atio­nen disku­tiert. Bat­terieleis­tung und erziel­bare Reich­weite ste­hen dabei im Vorder­grund. Um das ambi­tion­ierte Ziel der deutschen Poli­tik — eine Mil­lion elek­trisch betriebene Autos im Jahr 2020 — zu erre­ichen, kommt auch der Ver­füg­barkeit geeigneter Strom-Tankstellen mit entsprechen­den Ladesta­tio­nen eine große Bedeu­tung zu.
Ladesta­tio­nen für Elek­tro­fahrzeuge kön­nen in ver­schiede­nen Bere­ichen instal­liert wer­den. Im pri­vat­en Umfeld befind­en sie sich meist in einem ein­fachen Wand­schrank, der so genan­nten Wall-Box. Bieten Unternehmen den Mitar­beit­ern die Möglichkeit zum Laden ihrer Elek­tro­fahrzeuge, müssen sie ihre Park­plätze mit Ladesta­tio­nen ausstat­ten, wobei ein zen­trales Steuerungssys­tem die Überwachung der Infra­struk­tur übernehmen kann. Die als Satel­liten-Sys­tem beze­ich­nete Infra­struk­tur eignet sich auch für Park­plätze mit viel Pub­likumsverkehr. Ladesta­tio­nen soll­ten außer­dem im öffentlichen Bere­ich aufge­baut wer­den, wo sich pri­vate Elek­tro­fahrzeuge frei zugänglich über unter­schiedlich aus­geprägte Bezahlsys­teme betanken lassen.
IEC 61851–1 beschreibt Rahmenbedingungen
Jedes der beschriebe­nen Beispiele stellt andere Anforderun­gen an die Aus­führung der Lade­in­fra­struk­tur und Instal­la­tion sowie den Auf­bau der Ladesta­tion. Die Betankung der Elek­tro­fahrzeuge mit ein­er dreiphasi­gen Wech­selspan­nung erweist sich angesichts der seit­ens der Stromver­sorgungs-Unternehmen vorhan­de­nen Infra­struk­tur sowie der von den Nutzern geforderten kurzen Ladezeit als annehm­bar­er Kom­pro­miss. In der Norm IEC 61851–1 wer­den die grund­sät­zlichen Rah­menbe­din­gun­gen an die Ladung von Elek­tro­fahrzeu­gen definiert. Teil 22 geht darüber hin­aus auf die Anforderun­gen an Ladesta­tio­nen mit ein- oder dreiphasi­gen Wech­sel­strö­men ein. Lade­ströme dür­fen dabei bis zu 80 A betra­gen. Für Instal­la­tio­nen, die per­ma­nent mit dem Wech­sel­strom­netz ver­bun­den sind, legt die Norm fern­er die Betrieb­smo­di 1 bis 4 fest. Mode 3 fordert die feste Verbindung mit dem Wech­sel­strom­netz und eine in die Ladesta­tion inte­gri­erte Kon­troll­funk­tion durch den Con­trol-Pilot (CP). Zudem wird die Ver­wen­dung des Prox­im­i­ty-Plug (PP) detail­liert erläutert. Dazu sind im zuge­höri­gen Ladesteck­er zusät­zliche Kon­tak­te vorgesehen.
Auf­gabe des Prox­im­i­ty-Plugs ist es festzustellen, ob sich ein Steck­er in der Ladesta­tion befind­et. Über einen Wider­stand zwis­chen dem PP-Kon­takt und der Schutzerde wird darüber hin­aus die mögliche Strom­tragfähigkeit des Kabels ermit­telt. Diese Infor­ma­tion lässt sich von der Überwachung­sein­heit nutzen, um dem Fahrzeug mitzuteilen, welch­er Strom max­i­mal aus dem Netz ent­nom­men wer­den kann. Fern­er kön­nen so unter­di­men­sion­ierte Kabel abgewiesen und der Lade­vor­gang aus­ge­set­zt werden.
Der Con­trol-Pilot (CP) überwacht, ob die Schutzerde angeschlossen ist und bei einem Erd­schluss somit eine Strom führende Leitung für den sicheren Betrieb sorgt. Weit­ere Auf­gabe des Con­trol-Pilots ist die Kon­trolle des Lade­vor­gangs. Hier wird zwis­chen den Ladesta­ti A bis F unter­schieden. Eine von der Überwachung­sein­heit einge­speiste CP-Span­nung und ein beim Verbindungsauf­bau zwis­chen Fahrzeug und Ladesta­tion aufgeschal­tetes Rechtecksig­nal von 1 kHz mit ein­er Pul­sweit­en-Mod­u­la­tion dienen dem Infor­ma­tion­saus­tausch zwis­chen Fahrzeug und Ladestation.
Span­nung­shöhe gibt Auskun­ft über den Ladestatus
Eine Wider­stand­skom­bi­na­tion im Fahrzeug und der Überwachung­sein­heit führt zu ein­er bes­timmten Span­nung­shöhe, die Auskun­ft über den jew­eili­gen Sta­tus gibt. Im ersten Schritt wird über einen zugeschal­teten Wider­stand informiert, ob das Fahrzeug per Ladek­a­bel angekop­pelt wor­den ist. Die dabei in der Span­nungsmes­sung der Überwachung­sein­heit erfasste Gle­ichspan­nung in der Kom­mu­nika­tion sinkt von 12 V auf 9 V (Sta­tus B). Auf diese Weise erken­nt das Sys­tem, dass das Ladek­a­bel kor­rekt angeschlossen ist. Ste­ht diese Infor­ma­tion zur Ver­fü­gung, wird auf das pul­sweit­en­mod­ulierte Sig­nal (±12 V) umgeschal­tet. Die Impul­sweite (Puls/Pausenverhältnis) gibt an, mit welchem Lade­strom aus der Ladesta­tion getankt wer­den kann. Der Ladere­gler des ange­bun­de­nen Fahrzeugs inter­pretiert die Infor­ma­tio­nen und stellt sich entsprechend darauf ein.
Soll der Lade­vor­gang ges­tartet wer­den, wird im Ladere­gler des Fahrzeugs ein Schal­ter betätigt, der einen weit­eren Wider­stand par­al­lel zuschal­tet. Abhängig vom neuen Wider­standswert ändert sich die Span­nung im Sys­tem auf +3 V/-12 V beziehungsweise +6 V/-12 V — je nach­dem, ob für den Lade­vor­gang eine Ven­ti­la­tion des Lade­bere­ichs notwendig ist oder nicht. Mit dieser Infor­ma­tion wird das Schütz in der Ladesta­tion geschal­tet und der Lade­vor­gang eingeleitet.
Die IEC 61851–1 ver­langt für den Steck­er eines mobilen Ladek­a­bels eine Break­ing Capac­i­ty. Diese Anforderung lässt sich am ein­fach­sten durch die Ver­riegelung des Steck­ers in der Ladesta­tion erfüllen. So ist sichergestellt, dass das Kabel während des laufend­en Lade­vor­gangs nicht von der Ladesta­tion abge­zo­gen wer­den kann. Bei frei zugänglichen Ladesta­tio­nen im öffentlichen Bere­ich kann zudem eine Schutzk­lappe ver­schlossen wer­den, die vor möglich­er Ver­schmutzung oder Van­dal­is­mus schützt.
Überwachungs­gerät macht Steuerung überflüssig
Phoenix Con­tact ist bere­its seit einiger Zeit im Bere­ich Elek­tro­mo­bil­ität tätig. Beispiel­sweise wer­den Ladesteck­er ange­boten, die den unter­schiedlichen Nor­men entsprechen. In Kom­bi­na­tion mit anderen Kom­po­nen­ten find­en sich die Ladesteck­er auch in der Infra­struk­tur für die unternehmen­seige­nen Elek­tro­fahrzeuge. Neu im Pro­gramm ist der EV Charge Con­trol. Hier­bei han­delt es sich um ein Überwachungs­gerät, das den Lade­vor­gang gemäß IEC 61851–1 im Mode 3 kon­trol­liert. Der EV Charge Con­trol umfasst neben dem Con­trol-Pilot und Prox­im­i­ty-Plug erweit­erte Funk­tio­nen wie die Ver­riegelung des Steck­ers in der Ladesta­tion bei nicht fest mon­tierten mobilen Ladekabeln.
Da die benötigten Steuerungs­funk­tio­nen in einem Gerät vere­int sind, erfordert die Ladesta­tion keine weit­ere Steuerung. Die Kon­fig­u­ra­tion des EV Charge Con­trols wird über die DIP-Schal­ter-Ein­stel­lung auf der Front­seite des Gehäus­es vorgenom­men. Zehn ver­schiedene DIP-Schal­ter set­zen die unter­schiedlichen Anwen­dungs­fälle um — von der sim­plen Wall-Box bis zur kom­plex­en Instal­la­tion einzel­ner oder ver­net­zter Ladesta­tio­nen. Der max­i­mal zuläs­sige Strom lässt sich über einen Drehschal­ter in einem Bere­ich von 5 bis 80 A ein­stellen. Zusät­zliche dig­i­tale Eingänge ermöglichen den Ein­satz in ver­schiede­nen Applikationen.
Web­serv­er ermöglicht die Fern­abfrage des Systemstatus
Bei Nutzung von mobilen Ladek­a­beln ist es wichtig, dass sie beim Lade­vor­gang nicht über­lastet wer­den. Darüber hin­aus kommt der Ver­riegelung des Steck­ers in der Ladesta­tion eine große Bedeu­tung zu. Zu diesem Zweck wer­den in der Regel zwei ver­schiedene Ver­riegelungs-Aktoren ver­wen­det, die unter­schiedlich anzus­teuern sind. Beim Hub­mag­neten ist das Ans­teuersig­nal dauer­haft zur Ver­fü­gung zu stellen, wohinge­gen bei Gle­ich­stro­mantrieben ein Impuls aus­re­icht. Das ist ohne Ein­satz zusät­zlich­er Wen­de­last-Relais mit der EV Charge Con­trol möglich.
Über den in die EV Charge Con­trol inte­gri­erten Web­serv­er kann der Betreiber den aktuellen Sta­tus des Sys­tems abfra­gen. Bei sicher­heit­srel­e­van­ten Ein­stel­lun­gen hat die Hard­ware auf jeden Fall den Vor­rang. So lässt sich zwar die mögliche Stromhöhe über den Web­serv­er vorgeben, der durch die Wider­stands-Codierung des Steck­ers definierte und über den Drehschal­ter zusät­zlich eingestellte niedrigere Wert kann aber nicht über­schrit­ten wer­den. Wird in der Ladesta­tion selb­st oder bei Satel­liten-Sys­te­men eine zen­trale Steuerung genutzt, kön­nen bei Ver­wen­dung des EV Charge Con­trol über die Mod­bus-TCP-Schnittstelle Ein­stel­lun­gen durchge­führt wer­den. Die vorhan­de­nen dig­i­tal­en Ein- und Aus­gänge bieten der Steuerung die Möglichkeit, den Lade­vor­gang entsprechend dem Pro­gramm freizugeben und zu überwachen.
Faz­it
Auf­grund der vielfälti­gen Kon­fig­u­ra­tions- und Zugriff­s­möglichkeit­en lässt sich der EV Charge Con­trol in den unter­schiedlichen Lade-Szenar­ien für Elek­tro­fahrzeuge ein­set­zen. Das Überwachungs­gerät erweist sich somit als opti­maler Stan­dard­baustein für die flex­i­ble Nutzung in Ladestationen.
Dipl.-Ing. Andreas Sen­ger // Pro­duk­t­man­ag­er Monitoring
Phoenix Con­tact Elec­tron­ics GmbH
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