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Ladestecker und Lade-Infrastruktur – Das E-Mobil nimmt Fahrt auf

Bei der Elektromobilität gibt es neben dem zentralen Thema Batterie eine weitere Herausforderung: Standards für die Schnittstellen zum Fahrzeug sowie für die Integration der Lade-Infrastruktur in die dahinter liegenden Strom- und Datennetze. Technische Lösungen liegen bereits vor, mit der Unterstützung aus Politik und Wirtschaft kann das E-Mobil jetzt Fahrt aufnehmen.
Wer mit dem E-Mobil unterwegs ist, benötigt ein flächendeckendes Netz an Ladestationen. Zum Wiederaufladen der Batterien wird elektrische Energie von außen zugeführt – hier gibt es zwei grundsätzliche Konzepte. Der Standardfall wird das AC-Laden sein, bei dem das Fahrzeug direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen wird. Dazu wird ein Ladegerät innerhalb des Fahrzeugs benötigt. Das Gerät wandelt die angebotene Wechselspannung in eine Gleichspannung und regelt die Höhe so, dass die Reihenschaltung der Zellspannungen leicht überschritten wird. Die Lade-Infrastruktur kann relativ einfach gehalten werden, da eine AC-Spannung überall verfügbar ist. Zum Laden der Batterie am einphasigen Wechselstromnetz muss man sechs bis acht Stunden rechnen. Beim DC-Laden befindet sich das Ladegerät außerhalb des Fahrzeugs, dem eine Gleichspannung zugeführt wird. Damit Strom fließt, muss die angelegte Spannung etwas höher als die aktuelle Batteriespannung sein. Hierzu wird die Spannung in der Ladestation kontinuierlich angehoben, die Details werden vor dem Ladevorgang zwischen Ladestation und Fahrzeug über eine serielle Kommunikationsschnittstelle ‚ausgehandelt‘. So kann eine Batterie in etwa 15min wieder aufgeladen werden. Dieses Konzept eignet sich gut für die Wiederaufladung während einer Fahrtunterbrechung – etwa an der Autobahn-Raststätte. Für diese Schnellladung benötigt das Fahrzeug kein großes Ladegerät – was Kosten und Gewicht spart. Als Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladestation dient der Ladesteckverbinder. Er muss zahlreiche Anforderungen erfüllen – neben den elektrotechnischen Aspekten wie hohe Spannungen und Ströme gehören dazu auch die Vorstellungen der Automobil-Industrie hinsichtlich Umwelt-bedingungen und Einbauraum. Unter dem Dach der IEC befinden sich die interessantesten Lösungen aus den führenden Automobilbau-Nationen im Normierungsprozess. Der für den europäischen Markt wichtige Ladesteckverbinder vom Typ 2 unterstützt das ein- oder dreiphasige AC-Laden. Um das Gesamtsystem aus Fahrzeug, Stecker und Lade-Infrastruktur so bedienerfreundlich und sicher wie möglich zu gestalten, sind mechanische und elektrische Funktionen implementiert, die weit über den sonst üblichen elektrischen Schutz hinausgehen. Die Ladesteuerung verhindert, dass spannungsführende Kontakte frei zugänglich sind. Zudem ist das Ladesystem mit einem FI-Schutzschalter abgesichert, der zusätzlich zum Überstrom-Schutzorgan wirkt.

E-Mobil wird integraler Stromnetz-Bestandteil

Elektroautos beziehen ihre Energie nicht nur an der ‚Tankstelle‘. Immer, wenn das E-Mobil parkt in der heimischen Garage, vor dem Büro oder im City-Parkhaus – könnte es am Stromnetz hängen. Mit der zunehmenden Nutzung regenerativer Energien und den damit entstehenden dezentralen Energie-Einspeisern wandeln sich die Energienetze vom Verteilsystem zum integrierten Energiesystem. Dabei gilt es zu verhindern, dass Lastspitzen, wie sie etwa beim ungeregelten Aufladen einer E-Mobil-Flotte entstehen können, die Netzstabilität beeinträchtigen oder sich ungünstig auf die Energiebezugskosten auswirken. Schon aus betriebswirtschaftlichen Gründen gilt es dann, Lastspitzen und Ladevorgänge aufeinander abzustimmen und hohe Energieabnahmen in energiereiche Erzeugungszeiten zu legen. Vor diesem Hintergrund kann das E-Mobil mit seiner Batterie selbst zur Netzstabilität beitragen, indem es Speicherkapazitäten zur Verfügung stellt. Damit wird auch das E-Mobil zum integralen Bestandteil des Energienetzes. Elektrofahrzeuge sind im Energienetz der Zukunft steuerbare Verbraucher und dezentrale Erzeuger – also Konsument und Produzent zugleich. Die intensive Diskussion von Themen wie Smart Metering, Smart Grid und Smart Home kündigt diesen Paradigmenwechsel bereits an.

Lade-Infrastruktur und Energiemanagement

Wie eine Ladesäule in eine Lade-Infrastruktur eingebunden werden kann, zeigen anwenderspezifische Varianten in Pilotprojekten. Eine Komponenten-basierte Lösung kann flexibel auf jene Anforderungen ausgerichtet werden, die sich aus dem Geschäftsmodell des Betreibers ergeben. Eine Lösung mit einer Steckvorrichtung nach IEC62196-2, Typ 2, ermöglicht eine Aufladung im Lademodus 3 nach IEC61851. Zentrale Komponente in der Ladesäule ist dabei eine Kompaktsteuerung, die Fahrer oder Fahrzeug identifiziert und den Ladevorgang steuert. Mit dieser Komponenten-basierten Lösung kommt die kommunikative Vernetzung ins Spiel, die auf vorhandene Standards aus der Informationstechnik aufsetzt. Die Netzintegration erfolgt beispielsweise durch Anbindung an ein Energiemanagement-System über eine IT-Schnittstelle. Die Kompaktsteuerung der Ladestation greift über ein TCP/IP-Protokoll direkt auf eine SQL-Datenbank zu. Hat sich ein Nutzer identifiziert, werden seine Daten mit der Datenbank abgeglichen. Eine Steuerung überwacht die Ladeparameter vor Ort, und die Ladeparameter im Netz werden angepasst. Über die gleiche Schnittstelle kann der Betreiber Diagnosedaten erfassen, die Auslastung abfragen und eine Wartung veranlassen. Programm- oder Prozessparameter werden aus der Ferne gewartet und modifiziert. Die durchgängige Kommunikation in die Feldebene mit gängigen IT- und Automatisierungs-Standards ermöglicht dann eine umfassende Integration der Lade-Infrastruktur in die Leitebene.

Fazit

Bei den zentralen Fragen, die es hier zu lösen gilt, spielt die Elektroindustrie mit ihrer Komponenten- und Automatisierungs-Kompetenz eine Vorreiterrolle. Die Elektroindustrie hat das Know-how zur Vernetzung von Systemen und Geräten, zur Nutzung von elektrischer Energie für dynamische Bewegungen sowie zum Einsatz energieeffizienter Verfahren in der Automation von Maschinen und Anlagen. Die industrielle Automatisierung hat längst die erforderlichen Standards – sie können um spezifische Funktionen erweitert werden, etwa zur Abrechnung der Energieentnahme. Dabei handelt es sich um IT-Standards, wie sie dem von Phoenix Contact entwickelten Konzept der ‚IT-powered Automation‘ zugrunde liegen.

Kasten 1: Der Lademodus

Über den Lademodus, der ebenfalls normiert ist, wird festgestellt, mit welcher Leistung das Laden erfolgen kann und welche Schutzmaßnahmen seitens der Lade-Infrastruktur oder des Fahrzeugs vorhanden sein müssen. So ist ein Laden an der Haushaltssteckdose mit geringer Leistung nach Modus 1 ohne weitere Schutzmaßnahmen möglich. Auch im Modus 2 erfolgt der Anschluss an eine übliche Steckdose, er verlangt aber einen FI-Schutzschalter und eine Sicherheits-Kommunikation, wozu eine In-Cable-Control-Box zwischen Fahrzeug und Netzanschluss geschaltet wird. Die gleichen Maßnahmen sind auch im Modus 3 notwendig, wegen der höheren Ladeleistung ist hier allerdings eine Ladesäule notwendig. Das DC-Laden erfolgt immer im Modus 4 mit Ladesäule – und mit höheren Kommunikationsaufwendungen als bei Modus 2 und 3.

Kasten 2: Elektro-Smart ergänzt Fahrzeugflotte

Was Phoenix Contact bereits heute an Produkten und Lösungen für Elektromobilität am Markt anbietet, wird auch innerhalb des Unternehmens eingesetzt: Seit Mitte April 2011 stehen den Mitarbeitern von Phoenix Contact in Blomberg und Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont zwei Elektro-Smarts für Dienstfahrten zwischen beiden Städten zur Verfügung. Hierfür wurden Ladestationen an beiden Standorten installiert, an denen die E-Smarts mit Strom aufgetankt werden. Sowohl die elektro-technischen Komponenten in der Ladesäule als auch die genormten Ladestecker sind eigene Entwicklungen des Herstellers: In den Ladestationen sorgen Steuerungstechnik, Energiemanagement-System, Überspannungsschutz, Stromversorgungen und das Display für ein effizientes und sicheres Tanken. Über eine Verbindung zum Internet kann die geladene Energiemenge oder der aktuelle Ladestrom überwacht werden. Der Ladestecker für Wechselstromladung entspricht dem Typ 2 der IEC-Norm 62196-2, den auch die deutsche Automobilindustrie favorisiert

Kasten 3: 1Mio. E-Mobile bis 2020

E-Mobilität ist nicht neu: Straßenbahnen und Gabelstapler sind schon lange unterwegs, und neuerdings drängen Segways und E-Bikes auf den Markt. Bis zum serienreifen, alltagstauglichen und wirtschaftlichen Elektrofahrzeug ist der Weg noch weit. Die Bundesregierung will Deutschland innerhalb der nächsten zehn Jahre zum Leitmarkt für Elektro-Mobilität ausbauen – eine Million Elektroautos sollen Deutschlands Straßen bis 2020 befahren. Erreicht wird dieses Ziel nur, wenn das E-Mobil auch für Privatkäufer attraktiv ist. Daher wird jetzt über Kaufanreizprogramme und Steuererleichterungen diskutiert, die den Absatz fördern sollen. So plädiert etwa der Bundesverband eMobilität (BEM) für eine Förderung von je 10.000? für die ersten 250.000 verkauften Fahrzeuge.

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