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Eine intelligente Ladeinfrastruktur, die an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann, lässt sich sowohl im gewerblichen als auch privaten Bereich nutzen. Bild: Phoenix Contact E-Mobility
Energiemanagement

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Ladeinfrastruktur für die Zukunft

Text: Dirk Vogel, Phoenix Contact E-Mobility
Um Elektrofahrzeuge effizient aufladen zu können, ist eine intelligente Ladeinfrastruktur in Form eines Management-Systems notwendig. In Abhängigkeit von der bereitgestellten Anschlussleistung, Preisen und Verfügbarkeit der Elektrofahrzeuge muss die Lösung unter anderem regenerativ erzeugte Energie integrieren und mit konventionell produziertem Strom kombinieren.

Auf dem Markt werden immer mehr Elektrofahrzeuge angeboten. Die zu ihrem Betrieb erforderliche Ladeinfrastruktur befindet sich noch im Aufbau. Dabei steht der „grüne Gedanke“ im Vordergrund. Will heißen: Um elektrisch fahren zu können, sollte die benötigte Energie möglichst nicht aus umweltschädlichen Rohstoffen gewonnen werden. Derzeit ist ein Ladevorgang mit zu 100 Prozent „grünem“ Strom allerdings unrealistisch, weil das Versorgungsnetz noch nicht auf ein solches Szenario ausgelegt ist. Deshalb setzt sich die Betankung der Elektrofahrzeuge aus verschiedenen Energiequellen zusammen, wobei der Vorgang von einem Management-System gesteuert werden muss.

Momentan werden Ladesäulen an das bestehende Stromnetz angeschlossen, damit Lademöglichkeiten zur Verfügung stehen. Einer ganzheitlichen Anwendung, in die regenerativ erzeugte Energie eingebunden ist, kommt angesichts fehlender Alternativen vorerst nur eine geringe Priorität zu. Im Ergebnis wird so ein abgekapselter Ladepunkt geschaffen, an dem die Halter ihre Elektrofahrzeuge zumindest heute noch kostenfrei betanken können. Dennoch verfolgen die Betreiber der Ladepunkte das Ziel, ihre lokalen Stationen später in ein Management-System zu integrieren.

Mit der Entwicklung Schritt halten

In diesem Kontext spielen die verbauten Komponenten und ihre variabel abbildbaren Funktionen eine wichtige Rolle. Die aktuell installierte Ladeinfrastruktur muss in der Lage sein, die Grundfunktionen für das Laden als Stand-Alone-Station bereitzustellen. Zudem sollte sie die Möglichkeit bieten zu wachsen und mit der technischen Entwicklung Schritt zu halten, so dass sie selbst in Zukunft den Ansprüchen an eine intelligente Ladeinfrastruktur genügt.

Als erster Schritt in diese Richtung werden ein oder zwei Ladepunkte inklusive der Freigabemechanismen autark betrieben. Sie lassen sich nur durch registrierte Anwender nutzen. Als Grundfunktion reicht dazu eine Ladesteuerung gemäß IEC 61851 Mode 3 mit der entsprechenden Peripherie wie Schützen und Sicherungen aus.

In der nächsten Ausbaustufe, die ein Energiemanagement einschließt, sind weitere Parameter erforderlich. Daher kommt eine Ladesteuerung mit erweitertem Funktionsumfang sowie Schnittstellen für die Kommunikation via Ethernet und seriellen Protokollen zum Einsatz. Bei dieser Variante lesen beispielsweise Register den Ladestrom zum Fahrzeug sowie zusätzlich anschließbare Energiemessgeräte die relevanten Energiewerte ein und modifizieren sie. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Hardware nicht nachträglich ausgetauscht werden muss und somit eine aufwändige Anpassung der Installation entfällt. Umfasst die eingebaute Hardware eine Ethernet-Schnittstelle, lässt sich die Ladestation auch später per Leitung oder Funk an das Netzwerk anbinden.

Vereinfachte Programmierung

An das Management-System der Ladeinfrastruktur werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Im einfachsten Fall muss die Lösung lediglich die Anschlussleistung überwachen und die Ladepunkte entsprechend freischalten. Möglich wäre ferner, dass die Elektrofahrzeuge nur geladen werden, sofern Energie aus Sonne und/oder Wind verfügbar ist. Diese und weitere Parameter müssen sich bei einer intelligenten Ladeinfrastruktur einstellen lassen. Letztendlich entscheidet der Betreiber, wo hier sein Schwerpunkt liegt.

Um die jeweiligen Funktionen abbilden zu können, bedarf es unter anderem einer Software, die vorzugsweise auf einer standardisierten Hardware-Plattform läuft. Die Algorithmen sind auf der Steuerung hinterlegt und müssen lediglich aktiviert werden. Ein solcher Ansatz in Form von Funktionsbausteinen bildet die Basis, verschiedene Anforderungen zu realisieren. Frei programmierbare Steuerungen erlauben, unterschiedliche Kommunikationsprotokolle zu verwenden sowie einzelne Funktionen der Elektromobilität umzusetzen. Der Hersteller der Ladestationen kann die Funktionen dann selbständig in das Anwenderprogramm integrieren. Dies hat den Vorteil, dass sich der Programmierer nicht mit dem jeweiligen Übertragungsstandard auskennen muss. Die Kommunikationsfunktion liegt vielmehr als Funktionsbaustein mit Ein- und Ausgabeparametern vor und kann einfach in das Anwenderprogramm eingebunden werden.

Sind dennoch Programmierarbeiten notwendig und ist das Know-how nicht im Unternehmen vorhanden, kann der Hersteller der Ladestationen die Dienstleistung auch einkaufen. Zu diesem Zweck definiert er seine Anforderungen und stimmt sie mit dem Dienstleister ab, der sie anschließend ausführt. In beiden Fällen – Funktionsbausteine und Dienstleistung – greift der Hersteller auf die Erfahrungen seiner ­Geschäftspartner in der Elektromobilität zurück.

Ladedaten vor Ort und im Büro visualisieren

Die gewünschte Funktion wird durch ein spezifisches Applikationsprogramm abgebildet, das auf einer Kleinsteuerung in Kombination mit einer Ladesteuerung als Standard-Hardware läuft. Nutzer und Betreiber der Ladestation können sich den Status des Ladevorgangs sowie der Ladestation sowohl vor Ort als auch im Büro anzeigen lassen. Dies geschieht entweder über einen lokalen Webserver, der in die Steuerung integriert ist, oder dezentral über eine Visualisierungslösung.

Die aktuellen Informationen der lokalen Anzeige an der Ladestation stellen ein wesentliches Kriterium für eine hohe Akzeptanz der Elektromobilität dar. Denn der Nutzer möchte und muss zu jeder Zeit über seinen Ladevorgang im Bild sein. Dies wird durch das Einbinden der Ladestationen in ein dezentrales Management-System erreicht. Neben dem Web-Portal können die Informationen über eine App auf dem Smartphone abgerufen werden. Der Nutzer weiß also stets, ob sich der Ladestrom und Ladezustand geändert haben oder der Ladevorgang abgebrochen worden ist und kann seine Aktivitäten entsprechend planen.

Darüber hinaus erweist es sich für ihn unter Umständen nicht nur als wichtig, das Elektrofahrzeug in Abhängigkeit der vorhandenen Energie zu laden. Zudem soll die Betankung möglichst kostengünstig erfolgen, und das Elektrofahrzeug muss zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sein. Diese Angaben werden dezentral ermittelt und an den jeweiligen ­Ladepunkt übertragen. Die Kleinsteuerung verarbeitet die Informationen und aktiviert den Ladevorgang gemäß den berechneten Daten der regenerativ erzeugten Energien, des Preises und der gewünschten Zeit.

In einem derart komplexen System kommt den Diagnosedaten eine besondere Bedeutung zu. So kann der Betreiber sehen, welche Ladestation aktiv ist, welche Auslastung sie verzeichnet sowie welcher Ladepunkt eine Störung aufweist. Der Service-Techniker lässt sich somit gezielt zur defekten Station schicken, so dass sie innerhalb kurzer Zeit wieder zur Verfügung steht. Durch die Ankopplung der Ladepunkte an das Management-System erkennt der Nutzer bei der Reservierung außerdem sofort, ob eine Station frei, belegt oder außer Funktion ist und kann entsprechend disponieren.

Zukunftsgerichtete Lösung

Aktuell können Betreiber eine Ladeinfrastruktur aufbauen, die sowohl ihren als auch den Ansprüchen der Nutzer gerecht wird und darüber hinaus die Option beinhaltet, sich an zukünftige Marktanforderungen anpassen zu lassen. Eine vorausschauende Planung und Auswahl der verbauten Komponenten bildet dabei die Basis für eine in die Zukunft gerichtete intelligente Lösung.

Das bedeutet, dass die Nutzer ihre Elektrofahrzeuge an den heutigen lokalen Ladepunkten auch in den nächsten Jahren einfach betanken und den Vorgang bezahlen können. Durch die Ausweitung des Ladepunktnetzes vergrößert sich die Reichweite, weshalb mit dem Elektrofahrzeug Strecken von mehr als 150 Kilometer überbrückt werden können. Dem Ausbau der Elektromobilität steht damit nichts mehr im Wege.

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