Normen weisen den Weg

Der Autor: Bernd Horrmeyer, Fachreferent für Standardisierung, Phoenix Contact, Blomberg

Ladeinfrastruktur für eine flächendeckende E-Mobilität

Das Speichern der elektrischen Energie im Fahrzeug kann grundsätzlich mittels des konduktiven – das heißt kabelgebundenen – oder auch des induktiven Ladens der fest im Fahrzeug montierten Batterie erfolgen. Beim konduktiven Wechselstromladen (AC) befindet sich die Ladeeinheit im Fahrzeug. Beim konduktiven Gleichstromladen (DC) befindet sie sich in der Ladestation, und das Fahrzeug wird direkt mit einem vom Fahrzeug angeforderten Gleichstrom versorgt. Beim induktiven Laden erfolgt die Energieübertragung kabellos durch ein elektromagnetisches Feld – ähnlich wie bei einem Induktionskochfeld. Beim „Battery Swapping“ schließlich wird das entladene Batteriesystem aus dem Fahrzeug entfernt und in wenigen Minuten durch ein geladenes Batteriesystem ersetzt.

Das AC-Laden wird in der Systemnorm IEC 61851-1, Edition 2 mit seinen Ladebetriebsarten beschrieben. Die spezifischen Aspekte einer AC-Ladestation wurden im Normentwurf IEC 61851-22 beschrieben, jedoch inzwischen in den Normentwurf für die dritte Edition der IEC 61851-1 überführt. Hiernach wird das ein- oder dreiphasige Laden an einer üblichen Steckdose als Mode 1 bezeichnet, wobei Kommunikation und Fehlerstromüberwachung nicht stattfinden. Die Gebäudeinstallation muss also mit einem RCD (Fehlerstrom-Schutzeinrichtung) sicherstellen, dass eine Fehlerstromüberwachung stattfindet, was dem Anwender oft nicht bekannt ist und bei älteren Installationen häufig nicht der Fall ist. Aus diesem Grund verbieten Fahrzeughersteller meist Mode 1 für ihre Fahrzeuge und stellen dies sicher, indem sie eine für Mode 1 ungeeignete Ladesteckdose im Fahrzeug einbauen.

Beim Mode 2 wird in der Ladeleitung oder in der Wallbox eine Schutzeinrichtung – auch IC-CPD genannt – integriert, die einen RCD enthält und die Funktion des Schutzleiters überwacht. An einer fest am Netz installierten Ladestation kann im Mode 3 geladen werden. Zu diesem Zweck steht eine spezielle Ladesteckdose zur Verfügung, die mit einem RCD gesichert ist und eine Steuerung und Überwachung des Ladevorganges mit dem Fahrzeug umfasst. Hierdurch ist ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit und Schutz der Installation vor Überlastung gegeben.

Zur Zeit gibt es beim AC-Laden Bedenken hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Haushaltssteckdosen. Diese sind zwar gemäß dem üblichen Leitungsschutz für 16 A ausgewiesen, erwärmen sich bei dauerhafter Belastung mit diesem Strom aber unter Umständen unzulässig. In der Praxis kam diese dauerhafte Belastung mit 16 A bislang nie vor, da selbst größere Verbraucher im Haushalt nur kurzzeitig diesen Strom aufgenommen haben oder der Dauerstrom deutlich geringer ist. Um diesem Umstand zu begegnen, wird im zuständigen Normungsgremium IEC SC23B überlegt, den zulässigen Dauerstrom für Haushaltssteckdosen zu begrenzen, wodurch die Ladeleistung beim Laden nach Mode 1 oder Mode 2 erheblich reduziert würde.

Im Fahrzeug sind oft Schaltungen zur Blindstromkompensation eingebaut, die einen DC-Anteil des Stroms verursachen. Durch diesen Gleichstrom wird die Funktion der üblichen RCDs vom Typ A beeinträchtigt, sodass diese gegebenenfalls im Fehlerfall nicht auslösen würden. Um dieses Problem zu vermeiden, wurde beschlossen, dass ab 2017 in den IC-CPDs und in den Ladestationen RCDs vom Typ B eingebaut werden. Denn diese sind resistent gegenüber Gleichstromanteilen. Alternativ kann weiterhin ein RCD vom Typ A verwendet werden, der jedoch mit einer Gleichstromüberwachungs-Einrichtung – auch RCM genannt – ergänzt werden muss. Beschrieben wird dieser Zusammenhang in der neuen Installationsnorm IEC 60364-7-722, Edition 1 sowie im Normentwurf IEC 61851-1, Edition 3.

Der Markt erwartet zunehmend höhere Ladeleistungen, um kürzere Ladezeiten oder das Laden größerer Batteriekapazitäten zu ermöglichen. Hier bietet sich nun das DC-Laden im Mode 4 an, wobei hier die Ladeleitung immer fest an der Ladestation montiert ist. Beschrieben ist diese Ladebetriebsart in der Norm IEC 61851-23 für die Ladestation und in der IEC 61851-24 für das Kommunikationsprotokoll. Für beide Normen gilt zur Zeit die Edition 1, die Edition 2 ist in Bearbeitung.

In der Norm IEC 62196-1 werden die grundlegenden Anforderungen an die Ladesteckverbinder und die zu bestehenden Tests definiert. In der Norm IEC 62196-2 werden marktgängige Ausführungen für Ladesteckverbinder beschrieben, die in einer AC-Ladeinfrastruktur benutzt werden. Zusätzlich werden in der Norm IEC 62196-3 marktgängige Ladesteckverbinder für die DC-Ladeinfrastruktur beschrieben, denen jeweils ein Ladesystem nach IEC 61851-23 zugeordnet ist.

In den verschiedenen Weltregionen haben sich jeweils spezielle Anpassungen der normativen Ladesysteme herausgebildet, die auf die jeweiligen Stromversorgungsnetze und Verkehrsräume Rücksicht nehmen. Das für den Anwender sichtbarste Element dieser regionalen Ausprägungen ist zweifelsfrei der Ladestecker. Während in anderen Regionen jeweils verschiedene Stecker für AC und DC verwendet werden, kommt in den USA und in Europa das Combined Charging System – kurz auch CCS genannt – zum Einsatz. Dies ermöglicht im Fahrzeug-Inlet (Ladebuchse) das Einstecken eines AC-Steckers vom Typ 2 in Europa sowie vom Typ 1 in den USA. Alternativ kann auch für das DC-Laden der Combined-Charging-Connector gesteckt werden. So wird im Fahrzeug nur einmal der Platz für das Ladestecker-Inlet benötigt – und der Anwender muss sich nicht um die Zuordnung des richtigen Steckers zum Inlet kümmern. Diese Lösung – mit dem Typ 2 für AC und dem Combined-Charging-Connector Typ 2 für DC, ist auch in der EU-Richtlinie 2014/94/EU festgeschrieben. Darauf baut auch die Ladesäulen-Verordnung des Bundeswirtschaftsministeriums bezüglich der Gestaltung öffentlich zugänglicher Ladepunkte für Elektromobile auf. Diese Verordnung, die sich im Entwurfsstatus befindet, beschreibt die gleichen Steckverbinder.

Beim induktiven Laden kann die Energieversorgung nahezu ohne Einwirkung des Nutzers automatisch erfolgen. Die beiden Teile des Ladesystems arbeiten physikalisch nur über das Magnetfeld zwischen den Spulen und kommunizieren beispielsweise über eine WLAN-Verbindung miteinander. Zur Zeit wird auf internationaler Ebene die IEC 61980 für das induktive Laden verabschiedet, während man sich in Deutschland bereits an der Richtlinie VDE-AR-E 2122-4-1:2011-03 orientieren kann

Insbesondere in Bussen des ÖPNV wird die Technik des Batteriewechsels – auch Battery Swapping genannt – eingesetzt. Das Fahrzeug hat eine Aufnahmebucht, in die das Batterie-Paket eingeführt und verriegelt wird. Sobald es gewechselt werden muss, fährt das Fahrzeug zu einer Wechselstation, in der das Batterie-Paket dem Fahrzeug entnommen und gegen ein voll aufgeladenes Batterie-Pack ausgetauscht wird. Vorteilhaft bei diesem Verfahren sind der schnelle Batterietausch sowie die planbare Belastung des Stromversorgungsnetzes für das Laden der Batterien. Beschrieben werden die Systemgestaltung sowie die Sicherheitsanforderungen an Batteriewechselsysteme in der Normenreihe IEC 62840. In Europa wird hingegen das konduktive Laden präferiert – dazu gibt es seitens der EU auch einen Auftrag zur Standardisierung dieser Anwendung an die Normungsgremien.

Auf dem Markt der Zweiräder finden sich viele proprietäre Ladesysteme, die dem Nutzer das Laden im öffentlichen Raum erschweren. Zur Zeit wird eine einheitliche Ladetechnik entwickelt und standardisiert, die Pedelecs und Motorräder umfassen soll. Mit einer Verabschiedung der Normenreihe IEC 61861-3 und IEC 62196-4 kann in circa zwei Jahren gerechnet werden.

Phoenix Contact E-Mobility GmbH, Schieder, www.phoenixcontact-emobility.com