Phoenix Contact Deutschland GmbH

International etablierte Lade-Standards: Übersicht der Steckgesichter für AC- und DC-Laden

Bild: Phoenix Contact

Smart Traffic & Mobility Combined Charging bringt Komfort

07.04.2014

Heute kann jeder sein Elektrofahrzeug bequem zu Hause über Nacht laden. Aber was ist bei einer mehrstündigen Fahrt auf der Autobahn? In diesem Fall sollte das Laden nur wenige Minuten dauern. Mit dem Combined Charging System (CCS) ist das kein Problem.

Stadtfahrten sowie ein- bis zweistündige Landfahrten sind schon heute mit reinen Elektrofahrzeugen kein Problem. Die Reichweite der Elektrofahrzeuge variiert je nach Batterie zwischen 80 bis 450 km. Zahlreiche Ziele können daher ohne Zwischenladung erreicht werden. Ist die Batterie des Elektrofahrzeuges trotzdem leer, kann mit der bereits installierten AC-Ladeinfrastruktur am Niederspannungsnetz in vielen Städten und Gemeinden geladen werden. Der Fahrzeughalter muss dann jedoch bis zu mehreren Stunden warten, bis die AC-Ladung abgeschlossen ist.

Konventionelles Wechselstromladen dauert

Mit dem Thema Elektrofahrzeuge steht die Automobilindustrie vor einer Reihe technologischer Herausforderungen. Im Wesentlichen dreht es sich um die Kapazität der motorantreibenden Batterie, die daraus resultierende Reichweite des Fahrzeuges und die Wiederaufladung der Batterie. Neue Normen wurden ins Leben gerufen, um den Ladeanschluss zu vereinheitlichen. Weltweit haben sich drei Lade-Standards etabliert, die unter anderem von der Europäischen Kommission unterstützt werden:

  • Typ 1 SAE J1772 (USA, Japan, partiell Europa)

  • Typ 2 IEC 62196 (Europa)

  • GB/T (China)

Die ersten Ladestecksysteme am Markt basieren auf dem Laden mit Wechselstrom (AC), der dem Niederspannungsnetz – etwa im Privathaushalt – entnommen wird. Der Ladestecker wird in das sogenannte Inlet des Fahrzeugs gesteckt. Der Ladestrom wird von dort in einen AC/DC-Wandler geführt, um ihn in Gleichstrom für die Batterie umzuwandeln. Je nachdem wie Ladekabel, Ladeinfrastruktur und Batteriekapazität ausgelegt sind, kann die Ladedauer variieren. Der Aufbau des Ladekabels ergibt sich aus Lademodus und Lade-Standard.

Mit dem Typ-2-Standard beispielsweise ergeben sich drei verschiedene Lademöglichkeiten. Beim einfachen und gleichzeitig langsamen Laden – im Lademodus 2 bis 3 kW – wird der Strom direkt über die übliche Schuko-Haussteckdose bezogen. Das Ladekabel besteht aus einem Schuko-Stecker, einem Typ-2-Ladestecker und einem IC-CPD (In-Cable Control and Protection Device). Das IC-CPD dient der Steuerung und Sicherung des Ladeprozesses. Diese langsame Lademöglichkeit kann je nach Batteriekapazität bis zu 11 Stunden dauern – etwa über Nacht in der eigenen Garage.

Das ein- oder dreiphasige Laden mit einer Wallbox – im Lade­modus 3 bis 22 kW – beschränkt sich hingegen auf zirka vier bis sieben Stunden. Die Wallbox wird meist in privaten Garagen oder Parkhäusern installiert.

An öffentlichen und halböffentlichen Parkflächen wie beispielsweise vor Supermärkten sind Ladestationen mit mehreren Ladepunkten sinnvoll. Sie sind häufig mit Abrechnungssystemen ausgestattet und in ein Lastmanagement-System integriert. Die Ladeleistung liegt meist im Bereich einer Wallbox. Theoretisch können AC-Ladestationen bis 43,5 kW liefern. Die Installation bedarf einer Genehmigung des Energieversorgungsunternehmens. Außerdem müssen Zuleitungen für eine zusätzliche Energieversorgung gelegt werden. An einer solchen Ladestation können allerdings nur Fahrzeuge laden, die tatsächlich für eine solch hohe Ladeleistung ausgelegt sind. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Schutzeinrichtungen bei einem Überstrom zu spät auslösen. Da zurzeit nur wenige Fahrzeuge ein solches Inlet aufweisen, ist der Nutzen, eine solche Ladestation zu errichten, im Vergleich zum Aufwand noch gering.

Für hohe Ladeleistungen geraten Technologien wie das Laden mit Gleichstrom in den Fokus. Damit sind noch höhere Ladeleistungen möglich, aber auch weitere Sicherheits-Maßnahmen erforderlich – etwa beim Lademodus 4 bis zu 200 kW.

Ansätze für schnelles Gleichstromladen

Die AC-Ladeinfrastruktur bis 22 kW ist schon heute verbreitet. Das zeigen Internet-Portale und mobile Apps, die einen Überblick über Standorte von Ladestationen für Elektrofahrzeuge geben – wie etwa www.lemnet.org. Der E-Mobilist muss sich daher auch bei längeren Fahrten keine Sorgen machen, dass er keine Ladestation in der Nähe findet, wenn die Batterie sich leert. Nachteilig ist hier allerdings, dass er für seine Fahrt stundenlange Wartepausen für den Ladevorgang einplanen muss – zumindest wenn sein Elektrofahrzeug nur für das AC-Laden ausgelegt ist.

Für alle drei Lade-Standards – Typ 1, Typ 2 und GB/T – wurden daher Ladestecksysteme konzipiert, die auch ein Laden mit Gleichstrom (DC) möglich machen (siehe Abbildung S. 93). Der Gleichstrom kann der Batterie im Fahrzeug direkt zugeführt werden, da die AC/DC-Umwandlung schon vorher in der Ladestation stattfindet. Das vergrößerte Steckgesicht erlaubt größere Kontakte und Leitungsquerschnitte. Demzufolge ist je nach Standard eine Ladeleistung bis 200 kW möglich. Mit der DC-Ladetechnik werden daher im Vergleich zur AC-Ladetechnik kürzere Ladezeiten erreicht. Bei einer 200-kW-Ladung ist das Elektrofahrzeug beispielsweise innerhalb von 5 bis 10 Minuten geladen (siehe auch Tabelle auf S. 93).

Aufgrund der hohen Leistungsübertragung sind beim DC-Laden strengere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Mittels Temperatur-Sensorik wird ein Temperatur-Anstieg während des Ladevorgangs erfasst, damit die Ladestation den Ladeprozess bei Überhitzung früh genug abbricht. Das Herausziehen des Ladesteckers während des Ladevorgangs ist dank Verriegelungssystemen nicht möglich.

Inlet für AC und DC

Kann also ein E-Mobilist sowohl auf AC- als auch DC-Laden zurückgreifen, ist er für jede Alltagssituation gewappnet. Damit beide Optionen gegeben sind, muss das Fahrzeug mit einem sogenannten CCS-Inlet ausgestattet sein. Das Steckgesicht dieses Inlets ist so konzipiert, dass sowohl ein AC-Ladestecker als auch ein DC-Ladestecker in das Inlet passt. Es kann damit also an der Schuko-Steckdose zu Hause über Nacht, an Wallboxen sowie an AC- und DC-Ladestationen geladen werden. Das CCS-Inlet bietet somit eine ideale Ladeschnittstelle in jeder Alltagssituation (siehe Abbildung oben).

Die Kontakte des CCS-Inlets werden in den beiden verschiedenen Lademodi auch unterschiedlich verwendet. Beim AC-Laden wird nur der obere Teil des CCS-Inlets genutzt. Die Leistungskontakte L1, L2, L3 und N dienen der Stromübertragung, die Kommunikationskontakte CP und PP steuern den Ladestrom. Wird das Fahrzeug mit Gleichstrom geladen, kommt der untere Teil des CCS-Inlets zum Einsatz. Die beiden Kontakte DC+ und DC- übertragen den Strom. Die Kommunikationskontakte CP und PP sowie PE werden wie auch beim AC-Laden zur Steuerung und Erdung genutzt.

Das Combined Charging System (CCS) wurde als integriertes Gesamtsystem von Phoenix Contact gemeinsam mit führenden Automobilherstellern wie Volkswagen, Audi, Daimler, BMW und Porsche für Typ 1 und Typ 2 entwickelt. Die wesentlichen technischen Details sind in der Norm IEC 62196-3 festgehalten. Seit November 2013 sind die ersten rein elektrisch betriebenen Großserien-Fahrzeuge mit dem CCS-Inlet für Typ 2 ausgestattet: der VW e-Up und der BMW i3.

Gewohnter Komfort

Elektromobilität wird erst dann eine breite Akzeptanz finden, wenn der Fahrer nicht auf den gewohnten Komfort verzichten muss. Er muss überall laden können und sollte unterwegs möglichst nicht länger warten müssen als bei der Betankung eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Das Combined Charging System, das konventionelles AC-Laden und schnelles DC-Laden in einem Ladestecksystem vereint, kommt diesem Ideal sehr nahe, was besonders auf längeren Strecken von Vorteil ist.

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