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Stromnetze & Smart Grids

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Controller für alle Ladeszenarien

Text: Andreas Senger, Phoenix Contact Electronics Fotos: Phoenix Contact
Mit Wall-Boxen, Satellitensystemen und im öffentlichen Bereich installierten Einzelsystemen gibt es viele unterschiedliche Anwendungsszenarien für Ladestationen. Hier bietet sich ein Lade-Con­troller an, der sich flexibel an die jeweilige Applikation anpassen lässt. So können Engineering- und Lagerkosten gesenkt werden.

Die optimistischen Erwartungen an die Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge werden derzeit noch nicht erfüllt. Dies liegt sicher auch an der fehlenden Verfügbarkeit von bezahlbaren Elektromobilen für den breiten Markt. Preiswerte Batterie-Technologien werden hier zukünftig einen Beitrag leisten, um die Anschaffungskosten für entsprechende Pkw deutlich zu reduzieren. So lange die Elektrofahrzeuge jedoch noch keine umfassende Akzeptanz gefunden haben, bleibt ihr Einsatz auf bestimmte Modellregionen beschränkt. Die notwendige Ladeinfrastruktur wird also nur in begrenztem Umfang genutzt. Dabei stellt das Laden mit Wechselstrom die aktuell gängige Praxis dar. Wie die Ladeinfrastruktur aufgebaut und verwendet wird, hängt im Wesentlichen vom jeweiligen Ansatz ab. Weil in Zukunft nicht eine einzige Standardlösung zu erwarten ist, erweist sich ein flexibles Konzept zum Überwachen der Stationen als sinnvoll.

Laden an der hauseigenen Ladestation

Den privaten Nutzer interessiert in erster Linie das Laden seines Elektrofahrzeugs an der hauseigenen Ladestation. Normalerweise wird das Elektromobil lediglich am Tag bewegt und kann somit in der Nacht bequem über einen längeren Zeitraum geladen werden. Dazu muss folglich auch kein hoher Strom zur Verfügung stehen, zumal die elektrische Infrastruktur in Eigenheimen selten einen dreiphasigen Wechselstrom-anschluss von mehr als 32 A zulässt.

Die technischen Anforderungen an eine hauseigene Ladestation sind in der Regel nicht hoch. Ihre Abrechnung mit dem Energieversorgungsunternehmen (EVU) erfolgt über den vorhandenen Energiezähler am Hausanschluss. Der private Nutzer möchte den Ladevorgang gern kontrolliert über eine manuelle Vorgabe starten sowie gegen unerwünschte Zugriffe und Vandalismus schützen, sofern seine Ladestation nicht in einer abschließbaren Garage untergebracht ist. Das Laden des Elektrofahrzeugs muss zudem den Rahmenbedingungen entsprechen, die in der Norm IEC 61851-1 Mode 3 aufgelistet sind. Die dazu erforderlichen Einstellungen sollten so einfach wie möglich ausgeführt werden können.

Laden am Arbeitsplatz

Muss zum Arbeitsplatz ein weiterer Weg zurückgelegt werden und bietet der Arbeitgeber die Möglichkeit zum Laden von Elektrofahrzeugen an, zeigt sich die Situation vom Ladevorgang her ähnlich wie bei der hauseigenen Ladestation. Ein normaler Arbeitstag beläuft sich auf sieben bis acht Stunden, sodass genügend Zeit zum Laden des Fahrzeugs bleibt. Wenn auf dem Gelände des Arbeitgebers jedoch mehrere Ladesäulen installiert sind, ergeben sich andere Anforderungen an die Lade- und Versorgungsinfrastruktur. So muss je nach Anzahl der Ladesäulen eine ausreichende elektrische Leistung für alle Ladevorgänge sichergestellt werden. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die mit dem EVU vereinbarten Lastgrenzen nicht überschritten und Lastspitzen vermieden werden. Das erfordert eine zentrale Kontrolle und Koordination der Ladevorgänge. In den sogenannten Satellitensystemen muss ebenfalls dafür Sorge getragen werden, dass der Ladevorgang an jeder einzelnen Ladesäule entsprechend der Norm durchgeführt wird.

Zu diesem Zweck müssen die einzelnen Ladekontrollgeräte in den Ladesäulen mit einem übergeordneten Steuerungs-system kommunizieren können, welches die Freigabe zum Start des jeweiligen Ladevorgangs steuert. Die Daten werden in der Regel seriell übertragen. Eine ähnliche Struktur ist in weiteren Geschäftsmodellen zu finden: Fast-Food-Ketten oder große Supermärkte können das Laden der Elektrofahrzeuge als kostenlosen Service anbieten und über die Parkgebühren abrechnen.

Öffentlich zugängliche Ladesäulen nutzen

Wenn die Ladesäulen im öffentlichen Bereich verbaut und somit für jede Person frei zugänglich sind, müssen zusätzliche Anforderungen erfüllt werden. Hier spielt der Schutz vor Vandalismus eine große Rolle, weshalb in den seltensten Fällen fest angeschlagene Ladekabel eingesetzt werden. Das mobile Ladekabel des jeweiligen Nutzers ist allerdings vor dem Ladevorgang auf die maximale Stromtragfähigkeit zu prüfen. Eine besondere Verriegelung des Ladesteckers an der Ladesäule verhindert das unbeabsichtigte Ziehen. Je nachdem wie die Freigabe und Verrechnung des Ladevorgangs gesteuert wird, beispielsweise lokal über einen internen Rechner, löst ein digitaler Ausgang des Rechners oder eine serielle Schnittstelle die Freigabe aus.

Sämtlichen beschriebenen Verwendungsszenarien ist gemein, dass sie den Anforderungen an eine normgerechte Überwachung und Steuerung des Ladevorgangs gemäß IEC 61851-1 Mode 3 entsprechen müssen. Aufgrund der einerseits vielseitigen Anwendung sowie der andererseits noch relativ kleinen Anzahl an zu installierenden Ladesäulen sollte der Ladevorgang daher durch einen möglichst flexibel nutzbaren Lade-Controller überwacht werden. Das Gerät zeichnet sich neben der einfachen Konfigurationsmöglichkeit durch eine serielle Kommunikationsschnittstelle aus, die es erlaubt, den Controller auch in komplexeren Systemen zu verwenden. Auf diese Weise können die Ladesäulenhersteller auf eine standardisierte Technik zurückgreifen, die verschiedene Applikationsszenarien einfach realisiert.

Überwachungsgerät macht Steuerung überflüssig

Phoenix Contact hat einen Lade-Controller entwickelt, der den Ladevorgang gemäß IEC 61851-1 Mode 3 kontrolliert. Das Überwachungsgerät umfasst einen Control-Pilot, einen Proximity-Plug und erweiterte Funktionen wie die Verriegelung des Steckers in der Ladestation bei nicht fest montierten mobilen Ladekabeln. Da alle benötigten Steuerungsfunktionen in einem Gehäuse vereint sind, muss in die Ladestation für die grundsätzliche Funktion keine zusätzliche Steuerung integriert werden. Der Anwender konfiguriert den Lade-Controller einfach über die Dip-Schalter-Einstellung auf der Frontseite des Geräts. Insgesamt zehn Dip-Schalter setzen die verschiedenen Anwendungsfälle um - von der in der Garage verbauten Wall-Box bis hin 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. Weitere digitale Eingänge ermöglichen den Einsatz in unterschiedlichen Applikationen.

Fernabfrage des Systemstatus

Bei mobilen Ladekabeln, wie dies zum Laden an öffentlichen Ladesäulen der Fall ist, sollten die Kabel beim Ladevorgang nicht überlastet werden. Außerdem kommt der Verriegelung des Steckers in der Ladestation eine große Bedeutung zu. Deshalb werden in der Regel zwei verschiedene Verriegelungs-Aktoren verwendet, die unterschiedlich anzusteuern sind. Beim Hubmagneten ist das Ansteuersignal dauerhaft zur Verfügung zu stellen, während bei Gleichstrom-Antrieben ein Impuls ausreicht. Der Lade-Controller unterstützt beide Konzepte, ohne dass ein zusätzliches Wendelast-Relais notwendig ist.

Über den in den Lade-Controller eingebauten Webserver kann der Betreiber der Ladestation 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 eingestellte niedrigere Wert kann aber nicht überschritten werden. Wird in der Ladestation selbst oder bei Satelliten-Systemen eine zentrale Steuerung eingesetzt, lassen sich bei Nutzung des Lade-Controllers über die Modbus-TCP-Schnittstelle Konfigurationen durchführen. Die vorhandenen digitalen Ein- und Ausgänge erlauben der Steuerung, den Ladevorgang entsprechend dem Programm freizugeben und zu überwachen.

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