Wie funktioniert die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge (EVSE)?

Die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge umfasst alles von Heimladegeräten bis hin zu großen öffentlichen Ladestationen und Flottenladestationen. Schauen wir uns einige der wichtigsten Komponenten und Aspekte der Ladeinfrastruktur an.

Lademethoden

Es gibt zwei vorherrschende Arten von Ladeleistung:

• Wechselstrom (AC) : Das EVSE liefert Wechselstrom am Anschluss. Dieser wird dann im Fahrzeug in Gleichstrom umgewandelt, um die Batterien zu laden.
• Gleichstrom (DC): EVSE versorgt die Batterien eines Elektrofahrzeugs direkt mit Gleichstrom und umgeht dabei das bordeigene Ladegerät.

Ergänzend dazu ist die Beschaffenheit der für die Energieübertragung verwendeten Leitung zu berücksichtigen:

• Konduktives/kabelgebundenes Laden: Dies ist die gebräuchlichste Ladeoption, bei der ein Ladekabel die Ladestation mit dem Elektrofahrzeug verbindet.
• Induktives/drahtloses Laden: Anstelle eines Ladekabels wird induktive oder Resonanztechnologie verwendet, um die Energie elektromagnetisch an die Batterien abzugeben.
• Pantographenladung: Pantographen verbinden ein Fahrzeug mit einer Oberleitung. Sie wird für elektrische Nutzfahrzeuge im Fuhrpark und im städtischen Bereich eingesetzt, wo schnelles, automatisiertes Laden ohne manuelles Anschließen erwünscht ist.

Ladestandards

Die Ladestandards sind umfassende Rahmenwerke, die verschiedene Aspekte des Ladevorgangs zwischen einer Ladestation und einem Elektrofahrzeug abdecken. Es gibt keinen einzigen global anerkannten Standard. Stattdessen existiert eine Vielzahl globaler und regionaler Standards:

• Combined Charging System (CCS): Der CCS-Standard spezifiziert Aspekte wie die Aushandlung von Ladeparametern, Authentifizierung, Bezahlung und erweiterte Funktionen wie Plug & Charge (PnC). CCS-Anschlüsse unterstützen sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromladung. Der CCS-Typ-1-Anschluss ist in Nordamerika verbreitet, Typ 2 in Europa und dem Rest der Welt.
• Nordamerikanischer Ladestandard (NACS): Der NACS verwendet einen einzigen, kompakten Stecker sowohl für das Laden mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom.
• CHARge de MOve (CHAdeMO): Der CHAdeMO-Standard ist in Japan weit verbreitet und verwendet zwei separate Anschlüsse für das Laden mit Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC).
• Guobiao Tuijian (GB/T): Diese Standards sind in China weit verbreitet. Früher wurden separate Anschlüsse für Wechsel- und Gleichstrom verwendet; die neue ChaoJi-Version wird jedoch einen gemeinsamen Anschluss nutzen.
• Megawatt-Ladesystem (MCS): Der MCS-Standard ermöglicht das schnelle Laden von elektrischen Nutzfahrzeugen wie Lkw und Bussen mit Hochleistungs-Gleichstrom.

Diese Normen umfassen folgende Aspekte:

• Elektrische Parameter, einschließlich Ladezustände, unterstützte Spannungen, Ströme und Leistungsgrenzen für verschiedene Ladegeschwindigkeiten
• Steckverbinder, einschließlich Form, Pinbelegung und mechanischer Verriegelungsmechanismen der physikalischen Schnittstellen
• Kommunikationsprotokolle, einschließlich der Steuersignale zwischen Ladestationen und Elektrofahrzeugen sowie zwischen Ladestationen und Stromnetzen
• Sicherheitsmechanismen wie ordnungsgemäße Erdung und Isolierung

Ladezustände

Die Ladegeschwindigkeit wird durch den Ladezustand bestimmt, wie nachfolgend erläutert.

AC-Ladung

Die Wechselstrom-Ladepegel gemäß dem SAE-J1772-Standard (Society of Automotive Engineers) sind in CCS integriert:

• Laden der Stufe 1: Es nutzt eine herkömmliche 120-Volt-Wechselstromsteckdose und liefert eine Leistung von etwa 1–2 Kilowatt (kW) bei 10–16 Ampere (A). Es eignet sich für kleine Elektrofahrräder, nicht für Elektroautos.
• Laden mit Level 2: Die meisten Heimladegeräte und öffentlichen Ladestationen für Elektrofahrzeuge nutzen Level-2-Ladegeräte. Sie arbeiten mit 208–240 V Wechselstrom. Die Leistung liegt zwischen 7 und 19 kW und der Strom zwischen 32 und 80 A.

Gleichstromladung

CCS spezifiziert diese fünf Gleichstromklassen:

• Niedrigleistungsladung: Die Ladeleistung bleibt unter 8 kW.
• Gleichstromladung: Diese Ladestationen können über 8 kW bis zu 50 kW liefern.
• Schnellladung (FC): FC-Ladestationen können 50-100 kW für mindestens 30 Minuten liefern.
• Ultraschnelles Laden (UFC): Sie können 100-150 kW für mindestens 20 Minuten liefern.
• Hochleistungsladung (HPC): HPC-Ladestationen können mindestens 10 Minuten lang mehr als 150 kW liefern.

Diese Klassen und Leistungsstufen werden auch für das bidirektionale Laden verwendet.

Megawatt-Ladesystem (MCS)

Megawatt-Ladung ist für schwere Elektrobusse, Sattelzüge, Baumaschinen, Flugzeuge und sogar Schiffe vorgesehen. Sie arbeitet mit Gleichspannungen von über 1000 V und Strömen von mehreren Hundert bis zu 4000 A. Bestehende MCS-Systeme liefern 0,4–6 Megawatt (MW), zukünftige Systeme sind für 12–24 MW ausgelegt.

MCS spezifiziert derzeit fünf Leistungsstufen:

• MCS Level 1: Level 1 EVSE verwendet ungekühlte Ladekabel, um bis zu 350 A bei 1.250 V zu liefern.
• MCS Level 2: Sie können mit flüssigkeitsgekühlten Ladekabeln bis zu 1.500 A bei 1.250 V liefern.
• MCS Level 3: Level 3 EVSE nutzt Flüssigkeitskühlung sowohl für die Ladekabel als auch für die EV-Einlässe, um bis zu 3.000 A bei 1.250 V zu liefern.
• Robustes MCS (R-MCS): Das robuste MCS kann bis zu sechs MW mit Strömen von bis zu 4.000 A bei 1.500 V liefern. Es ist für raue Umgebungen wie Bergbau, Luftfahrt und Schifffahrt konzipiert.
• X-MCS: Dieser kommende Standard wird R-MCS erweitern, um 12-24 MW zu liefern.

Kommunikation zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug

Die Ladeinfrastruktur (EVSE) und das Elektrofahrzeug (EV) kommunizieren miteinander über Protokolle wie die Spezifikationen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) 15118, die Folgendes definieren:

• Verhandlung der Gebühren
• Steuerung der Ladesequenz einschließlich Handshake und Authentifizierung
• intelligentes Laden ermöglichen (wobei Ladezeiten und -raten auf der Echtzeit-Netzlast, den Energiepreisen und der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien basieren)
• PnC mit automatisierter Authentifizierung und Abrechnung implementieren
• Sicherheit durch Zustandsberichte und Fehlerbehandlung gewährleisten
• Sicher kommunizieren

Sicherheitsmechanismen

Ladenormen legen Sicherheitsmechanismen fest wie:

• Erdung und Isolierung zum Schutz vor Stromschlägen
• um sicherzustellen, dass Strom nur dann geliefert wird, wenn eine sichere Verbindung hergestellt ist.
• Mechanismen zur Erkennung von Überstrom, Überspannung, Kurzschlüssen, Erdschlüssen und anormalen Temperaturen sowie zur sicheren Abschaltung der Stromzufuhr
• Temperaturüberwachung, insbesondere für Hochleistungs-Gleichstromladung

Netzintegration

EVSEs werden zunehmend in intelligente Stromnetze integriert, um Folgendes zu realisieren:

• V2G (Fahrzeug-zu-Netz) für bidirektionalen Energiefluss
• Lastverteilung
• Laststeuerung
• Intelligentes Laden basierend auf Netzlast und Verfügbarkeit erneuerbarer Energien

Einige EVSEs können mit Solarenergie und anderen dezentralen Energiequellen betrieben werden.

Für ein sicheres und zuverlässiges Laden von Elektrofahrzeugen sind gründliche Tests der Ladeinfrastruktur unerlässlich. Die Tests der Ladeinfrastruktur müssen die folgenden Aspekte berücksichtigen:

• Interoperabilität: Um das Vertrauen der Verbraucher in die Elektromobilität zu erhalten, muss die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge (EVSE) in der Lage sein, jedes Elektrofahrzeug unabhängig von Hersteller und Modell erfolgreich aufzuladen.
• Protokollkonformität: Viele Funktionsstörungen resultieren aus Kommunikationsfehlern. Angesichts der zahlreichen EVSE-Standards und fortschrittlichen Funktionen ist eine gründliche Prüfung der Protokollkonformität unerlässlich, um die Interoperabilität zu gewährleisten.
• Sicherheit: Die Prüfung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EVSE) validiert sicherheitskritische Ereignisse wie Notabschaltungen und die Entladung interner Hochspannungsquellen. Auch die Isolationswiderstandsprüfung ist ein wichtiger Sicherheitsaspekt.
• Leistungsfähigkeit: Die EVSE-Tests müssen die Leistungsfähigkeit unter Fehlerbedingungen, extremen Temperaturen und dynamischen Netzereignissen nachweisen.
• Simulation: Realistische Simulationen verschiedener Elektrofahrzeuge, Batterien, positiver Szenarien und Fehlerzustände ermöglichen es, Systeme von Anfang an kostengünstig bis an ihre Grenzen zu bringen, ohne die Installationen von Ladestationen oder die Elektrofahrzeuge zu gefährden.
• Automatisierung: Die Testautomatisierung ermöglicht die wiederholbare Auswertung durch Hunderte von Tests und überprüft kontinuierlich Interoperabilität und Konformität.
• Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Emissionen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge können andere elektronische Geräte und drahtlose Kommunikationssysteme stören. EMV-Prüfungen gewährleisten, dass Ladestationen stets in ihrer vorgesehenen elektromagnetischen Umgebung funktionieren.
• Protokollsicherheit: Sichere Authentifizierung und sicherer Datenaustausch werden durch Tests der Transportschichtsicherheit, der Public-Key-Infrastruktur für PnC und der XML-Sicherheit für Anwendungsschichtintegrität und Nichtabstreitbarkeit verifiziert.
• Debugging: Zur Fehlersuche und Ursachenanalyse ermöglichen Protokoll-Trace-Viewer und Man-in-the-Middle-Analysatoren die Beobachtung, Erfassung und Dekodierung von Kommunikations- und Leistungssignalen zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Ladestation.

Interoperabilitätstests nutzen spezielle Testsysteme und -methoden, um eine reibungslose Kommunikation und Energieübertragung zwischen verschiedenen Stromnetzen, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Elektrofahrzeugen zu gewährleisten. Im Folgenden werden diese Techniken näher erläutert.

• Konformitätsprüfung: Strenge Protokollkonformitätsprüfungen anhand offizieller Testfallspezifikationen verschiedener Ladestandards gewährleisten die strikte Einhaltung der Regeln für Ladeverhandlungen. Die Prüfung des Verhandlungs- und Ausweichverhaltens sichert die Kompatibilität mit neuen und älteren Elektrofahrzeugmodellen. Ladestationen können so konzipiert werden, dass sie sich weiterentwickelnde Standards unterstützen.
• EVSE-Emulation: Das Testsystem emuliert eine konfigurierbare AC- oder DC-EVSE, um jedes Elektrofahrzeug zu testen.
• EV-Emulation: Das Testsystem fungiert als universell konfigurierbares Elektrofahrzeug und ermöglicht Funktions-, Sicherheits- und Leistungstests von Ladeinfrastruktur. Es nutzt eine elektronische Last und eine regenerative Stromversorgung, um das Verhalten eines Elektrofahrzeugs zu simulieren.
• Batterieemulation: Das Testsystem kann jede beliebige EV-Batteriekapazität, Technologie, jeden Ladezustand oder Innenwiderstand emulieren.
• Man-in-the-Middle-Test: Ein Testsystem wird zwischen einem realen Elektrofahrzeug und einer realen Ladestation platziert, um die Kommunikations- und Leistungssignale passiv zu überwachen, zu erfassen und zu dekodieren. Dies ermöglicht die Echtzeitanalyse von Fehlern und deren Ursachen während eines tatsächlichen Ladevorgangs.
• Automatisiertes Testen: Umfangreiche Bibliotheken automatisierter Testfälle, die auf Branchenspezifikationen basieren, können systematisch und kontinuierlich ausgeführt werden, um Verhaltensweisen zu validieren, geänderte Parameter einzufügen und Bedingungen für Bestehen/Nichtbestehen festzulegen.
• Komponententests: Der EV-Kommunikationscontroller (EVCC) im Fahrzeug und der Versorgungsgeräte-Kommunikationscontroller (SECC) im Ladegerät werden einzeln mit einem Kommunikationsschnittstellentester getestet, der den jeweiligen Gegenstück-Controller emuliert und vorprogrammierte Testfälle ausführt. 

Worin besteht der Unterschied zwischen EVSE-Konformitätsprüfung und Funktionsprüfung?

Die Konformitätsprüfung von Ladeinfrastruktur (EVSE) überprüft streng die Einhaltung offizieller Ladestandards und Kommunikationsprotokolle, einschließlich des Verhaltens unter normalen, extremen und Fehlerbedingungen. Sie ist Voraussetzung für die Typgenehmigung und Zertifizierung.

Funktionstests gehen über Konformitätstests hinaus und überprüfen, ob sich eine Ladestation für Elektrofahrzeuge wie von den Benutzern beabsichtigt und erwartet verhält und funktioniert.