Phoenix Contact Deutschland GmbH

Strom fürs Elektromobil: Schematischer Aufbau einer Ladestation für den öffentlichen Bereich

Bild: Phoenix Contact

Smart Traffic & Mobility Den Ladevorgang kennen

17.08.2015

Elektrofahrzeuge brauchen eine Ladeinfrastruktur. In aller Regel sind das Ladestationen im öffentlichen oder halböffentlichen Bereich, die elektrische Energie und ihre Abrechnung bereitstellen. Ein zentrales System erhöht dabei die Transparenz für Nutzer und Betreiber.

Die Informations- und Kommunikationstechnik spielt auch in der Elektromobilität eine wichtige Rolle. Für den End­anwender soll der Ladevorgang so einfach wie möglich sein. Eine aufwendige oder umständliche Benutzerführung gilt es zu vermeiden. Daher gibt es auch hier die Tendenz, Smart­phones in den Prozess zu integrieren. Mit ihnen kann der Nutzer ­einfach über einen QR-Code (Quick Response) an der ­Ladesäule den Standort bestimmen und sich mittels NFC-Technik (Near Field Communication) authentifizieren – falls erforderlich. Eine Chip-Karte wird zum Laden dann nicht mehr benötigt.

Ob der Ladevorgang über eine RFID- (Radio Frequency Identification) oder Kredit-Karte gestartet wird, ist sekundär. Entscheidend ist, dass der Nutzer stets verlässlich über den aktuellen Status des Ladevorgangs informiert ist. Dabei können die Statusnachrichten über unterschiedliche Kanäle zum Nutzer gelangen: als SMS, als E-Mail oder auch als Info innerhalb einer App. Gespeichert werden die Informationen aber immer auch in einem zentralen Abrechnungs- oder Managementsystem. Auf diese Weise kann sich der Anwender, der ja in der Regel nicht neben der Ladesäule verweilt, auch in einiger Entfernung vom Fahrzeug über den Ladezustand informieren.

Auch wenn die Notwendigkeit eines zentralen Systems grundsätzlich in Frage gestellt werden kann: Für einen Verbund aus mehreren halböffentlichen oder öffentlichen Ladestationen ist ein solches System unverzichtbar. Denn es bietet beiden Transparenz – Benutzern ebenso wie Betreibern von Ladestationen. Außerdem kann der Betreiber dem Benutzer dann eine Abrechnung zukommen lassen. Auf eine aufwendige Technik in der Ladestation kann mit einem zentralen System auch verzichtet werden. Damit verringern sich Bauform und Komplexität und folglich auch die Kosten der Ladestation.

Fahrzeug und Zentrale kommunizieren

Eine abgestimmte Kommunikation zwischen Fahrzeug und Zentralsystem während des Ladevorgangs wird über die Ladestation abgewickelt. Dabei wird zwischen den Ladearten AC- und DC-Laden (Wechsel- und Gleichstrom) unterschieden. Beim heute noch gebräuchlicheren AC-Laden stehen die folgenden elementaren Diagnose-Informationen stets zur Verfügung:

  • A Ladestation ist betriebsbereit

  • B1 Verbindung zum Fahrzeug besteht

  • B2 Freigabe seitens der Ladestation liegt vor

  • C1 Fahrzeug ist ladebereit, aber die Ladefreigabe der ­Ladestation liegt nicht vor

  • C2 Fahrzeug wird geladen

  • D1 Fahrzeug ist ladebereit, aber Ladefreigabe der ­Ladestation und Belüftung liegen nicht vor

  • D2 Fahrzeug wird mit zusätzlicher Belüftung geladen

  • E Fehler im Fahrzeug liegt vor

  • F Fehler in der Ladestation

Definiert sind diese Ladezustände in der IEC 61851. Darin ist auch die Steuerung der Ladeleistung mittels Stromsteuerung über das PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) definiert. Ein in der Ladestation installiertes Energie-Messgerät mit MID-Konformität (MID = Measuring Instruments Directive, europäische Messgeräterichtlinie) liefert die Summe der bisher übertragenen Energie aller bereits erfolgten Ladevorgänge sowie des aktuellen Ladevorgangs.

Aber auch für das schnellere Gleichstromladen bildet die IEC 61851 die Grundlage der Kommunikation. Die für die Übertragung relevanten Parameter sind in dem Kommunikationsstandard ISO 15118 – V2G-Kommunikation (Vehicle to Grid) definiert.

Als besonders hilfreich für den Anwender erweist sich der Parameter SOC (State Of Charge), der Informationen zum Kapazitätsstatus der Batterie im Fahrzeug liefert. Über seine App ist der Nutzer dann während des Ladevorgangs jederzeit über den Status der Batterie informiert, kann bei Bedarf den aktuellen Ladevorgang beenden, seine Fahrt fortsetzen und an einer anderen Säule weiter laden.

Alle Werte dieses und weiterer Parameter können auf der Basis des Open Charge Point Protocol (OCPP) von den Ladestationen im öffentlichen Bereich in das Zentralsystem übertragen werden – entsprechende Nachrichten werden dazu in der Ladestation mit den relevanten Werten generiert.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Die aktuellen Energieverbrauchswerte sowie die zu Beginn und Ende des Ladevorganges aktuellen Werte werden mit dem Parameter „MeterValueRequest“ von der Ladestation an das Zentralsystem gesendet. Ob ein Ladepunkt frei oder belegt ist, wird über den Parameter „StatusNotificationRequest“ kommuniziert. Die zuvor beschriebenen Zustände nach IEC 61851 sind Inhalt des Parameters „GetDiagnosticRequest“. Über OCPP können sogar Ladepunkte reserviert werden. All diese technischen Mechanismen sieht der Anwender nicht – für ihn werden diese Informationen aber grafisch im Zentralsystem aufbereitet und zum Beispiel auf seiner App oder am Bedien-Panel zur Verfügung gestellt.

Ladezeiten planen

Auf diese Weise könnte eine längere Reise geplant werden – die Ladepunkte entlang der Route reserviert sich der Nutzer über seine App im Zentralsystem. Sollten an einer anzufahrenden Ladestation technische Probleme auftreten, wird dies ebenfalls darüber kommuniziert. Der Fahrer hat so die Chance, auf eine alternative Route auszuweichen.

Zusätzliche Erleichterung für längere Fahrten bringt das „Roaming“. Ermöglicht wird das, weil Betreiber zentraler Abrechnungssysteme in einem Konsortium zusammenarbeiten wie etwa Hubject oder der Stadtwerkeverbund Ladenetz.de. Auf dieser Basis kann man bereits heute Deutschland von Norden nach Süden mit dem Elektrofahrzeug durchqueren, ohne an Abrechnungsmodalitäten zu scheitern und ohne einen Stapel an Chip-Karten in der Brieftasche mitzuführen. Möglich ist dies, weil alle Beteiligten auf einen einheitlichen Kommunikations-Mechanismus zurückgreifen.

Alternativ können alle relevanten Informationen auch über andere Wege, etwa SQL (Structured Query Language), übertragen und verarbeitet werden. Wird zusätzlich eine intelligente Steuerung in der Ladestation eingesetzt, stößt deren Hersteller kaum an Grenzen. Je nach Anforderung kann für die Integration der Daten auch ein anderes Protokoll oder eine andere Programmiersprache genutzt werden. Dabei ändert sich die eigentliche Grundfunktionalität der Ladestation nicht – lediglich der Kommunikations-Mechanismus ändert sich.

Energie-Management

Zentrale Systeme dieser Art kommen nicht nur im öffentlichen sondern auch im halböffentlichen Bereich zur Anwendung – etwa auf den Parkplätzen von Unternehmen, Behörden oder Kaufhäusern. Während der Arbeitszeit oder während des Einkaufs wird das Fahrzeug dort geladen. Bei Kaufhaus-Kunden kann der Ladevorgang auch mit den Parkgebühren verrechnet und bei Arbeitnehmern kann er über den Mitarbeiter-Ausweis zugeordnet und abgerechnet werden.

Eins sollte der Nutzer jedoch wissen: Eine spezifische Funktion von Ladesystemen im halböffentlichen Bereich ist das Energie-Management. Da hier oftmals die Ladeinfrastruktur nachträglich installiert wurde, ist die Anschlussleistung begrenzt. Grundsätzlich können Fahrzeuge auch abhängig von der verfügbaren Leistung geladen werden. Im Zentralsystem stehen die Gesamtleistung und die Leistung jeder einzelner Ladestation zum Berechnen der Ladeleistung zur Verfügung. In Abhängigkeit davon lässt sich für jeden Ladepunkt der Strom anpassen, oder die Ladepunkte können entsprechend der zur Verfügung stehenden Leistung freigegeben werden.

Entspannt mit dem Elektromobil unterwegs

Auf Basis der beschriebenen Kommunikations-Mechanismen können bei einer Routenplanung Ladepunkte reserviert werden. Eine zusätzliche Variante der Ladesteuerung im öffentlichen Bereich ist das Laden von Elektrofahrzeugen nach bestimmten Vorgaben: Entsprechend der vorliegenden Reservierungen kann die Ladeleistung in Bezug auf die geplante Weiterfahrt und auf die verfügbare Leistung in Form einer Tabelle an die öffentliche Ladestation gesendet werden.

Weitere Anwendungen in der öffentlichen beziehungsweise halböffentlichen Ladeinfrastruktur sind aufgrund der Anforderungen in Bezug auf den Ladevorgang jedoch noch begrenzt. Hier ist große Flexibilität der Softwareentwicklung gefordert, damit der Elektromobilist wirklich nur genau die Auswahl an Informationen bekommt, die er braucht, um sein Elektrofahrzeug stets mit der erforderlichen elektrischen Energie zu laden.

Bildergalerie

  • Neue Medien nutzen: Das Smartphone kann auch beim Laden des E-Mobils unterstützen.

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  • Schneller Überblick: Informationen über das Laden erhält der Benutzer auch über das Bedien-Panel der Ladesäule.

    Bild: Phoenix Contact

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