Phoenix Contact Deutschland GmbH

Bild: Phoenix Contact

Promotion Schnell laden mit CCS

15.10.2015

Kurz von der Autobahn runter, eine Tasse Kaffee oder ein kleiner Snack - und wieder ein paar hundert Kilometer fahren. Vorher gleich noch tanken! Was bei PKWs mit Verbrennungsmotoren schon lange selbstverständlich ist, kann schon bald auch mit Elektrofahrzeugen Realität werden. Möglich wird das mit dem Combined Charging System – dem CCS.

Beim Schnellladen handelt es sich in der Regel um DC-Laden – Laden mit Gleichstrom. Zu diesem Zweck wurde das Combined Charging System (CCS) von der deutschen und amerikanischen Automobilindustrie in Kooperation mit Phoenix Contact entwickelt. Ziel war die Standardisierung der Ladeschnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladestation – sowohl gängiges AC-Laden als auch ein viel schnelleres DC-Laden sollte möglich sein. Ergebnis war das inzwischen gängige „Typ-2 Combined Interface“ mit nur einem Steckkontakt am E-Mobil, über den sowohl an AC- als auch an DC-Stationen geladen wird. Mit dem CCS Typ 2-Stecker (Connector) von Phoenix Contact sind Ladeströme von 200 A und Spannungen bis 800 V möglich, so dass batterie-elektrische Fahrzeuge in weniger als einer halben Stunde aufgeladen werden. An höheren Ladeleistungen und somit noch einmal kürzeren Ladezeiten wird zurzeit gearbeitet.

Im Oktober 2014 hat die Europäische Union die Richtlinie 2014/94/EU für den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe veröffentlicht – darunter fallen auch Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Diese Richtlinie wird nun in den Mitgliedstaaten jeweils in nationales Recht umgesetzt. Für Europa wurde das Combined Charging System – für AC- und DC-Laden über den jeweiligen Typ-2-Ladestecker – verbindlich festgelegt. Damit haben alle Marktteilnehmer die erforderliche Investitionssicherheit in Bezug auf die einzusetzende Technologie erhalten.

Vehicle-to-Grid-Kommunikation

Das CCS ist mehr als nur ein Ladestecker – auch die Kommunikation zwischen Ladestation und Elektrofahrzeug wurde neu entwickelt. Für die DC-Ladung ist es erforderlich, die jeweiligen Ladeparameter – wie gewünschter Ladestrom und maximale Batteriespannung – zwischen beiden Seiten auszutauschen. Zu diesem Zweck wurde im Kommunikationsprotokoll zwischen Fahrzeug und Ladestation – siehe ISO/IEC 15118/Vehicle to Grid Communication – der Use-Case „DC-Laden“ integriert und mit entsprechenden Meldungen definiert. Physikalisch erfolgt die Kommunikation über Powerline nach dem Standard HomePlug GreenPhy.

Um auch künftige Anforderungen wie automatisierte Identifikations- und Abrechnungsprozesse zu ermöglichen, wurde ein TCP/IP-basiertes Kommunikationsprotokoll implementiert, das die Ladeparameter sicher übermittelt und zudem Aspekte der Datensicherheit und –integrität berücksichtigt. Vor der Veröffentlichung der ISO/IEC 15118 wurde bereits eine Vorab-Version als DIN SPEC 70121 mit den für das DC-Laden relevanten Inhalten veröffentlicht. Damit hatten Fahrzeughersteller und Systemlieferanten eine gemeinsame Basis für ihre Entwicklungen.

Dabei werden die Ladeparameter nicht nur zu Beginn des Ladevorgangs ausgetauscht, sie können auch während des Ladens korrigiert werden – etwa wenn die Versorgung aus dem Netz eine Leistungsreduzierung erfordert oder wenn die Fahrzeugbatterie einen geringeren Ladestrom anfordert. Langfristig soll die Norm ISO/IEC 15118 auch eine durchgängige Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Energienetz etablieren und das Fahrzeug als aktiven Teilnehmer im Energiesystem integrieren. Ebenfalls berücksichtigt werden sollen dabei Mobilitätsanforderungen und Energieverfügbarkeit sowie die Rückspeisung von Energie ins Netz.

Herausforderungen beim DC-Laden

Auch wenn das CCS als europäische Lösung für das Schnellladen ausgewählt wurde, ist die Anzahl der Hersteller, die entsprechende Systeme am Markt anbieten, noch überschaubar. Grund hierfür sind die hohen funktionalen und sicherheitsrelevanten Anforderungen sowie die hohe Komplexität der Kommunikationsprotokolle. Beim DC-Laden ist die Leistungselektronik der Ladestation direkt mit der Hochvoltbatterie des Fahrzeugs verbunden – und wirkt somit auch direkt auf die wichtigste Komponente des Elektrofahrzeugs ein. Die Leistungselektronik der Ladestation muss die mit dem Fahrzeug ausgehandelten Ladeparameter also exakt einstellen. Damit das DC-Laden trotz seiner spezifischen Bedingungen genauso sicher und gefahrlos erfolgt wie das AC-Laden, wurden bei der Entwicklung des CCS umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen implementiert. Hierzu zählen die vorgeschriebene Isolationsüberwachung, die Temperaturüberwachung des Ladesteckers sowie die Fehler-Detektion.

Der Systemintegrator steht somit vor einer Herausforderung: er muss die funktionalen und sicherheitsrelevanten Anforderungen normkonform zusammenführen. Außerdem muss er flexibel auf Kundenanforderungen reagieren können. Mit der „EV Charge Control Professional“ – kurz EVCC Professional – bietet Phoenix Contact eine frei programmierbare Steuerung, die speziell für die Anforderungen an die Elektromobilität und an das CCS entwickelt wurde.

Dazu wurde der Kern der Steuerung Axiocontrol um Schnittstellen und Funktionen für den Ladevorgang erweitert. Dabei geht es um die Kommunikation der Steuerung mit dem Fahrzeug und dem übergeordneten Leit- und Abrechnungssystemen sowie um die Integration der Ladestations-internen Komponenten. Die Programmierung der Anwender-Software erfolgt bequem in der gewohnten Programmier-Umgebung PC-Worx. Innerhalb der Ladestation stehen dem Systementwickler serielle Schnittstellen – wie RS232, RS485 und CAN – sowie Ethernet und digitale EAs zur Verfügung. Darüber werden die Komponenten angebunden: Leistungselektronik, Energiezähler, Isolationswächter und Bedien-Interface. Der Temperaturerfassung der Ladestecker dienen PT1000-Eingänge.

Erweitert wird die Ladestation um eine konventionelle Schnittstelle für das AC-Laden mit vollständig integrierter Ansteuerung der AC-Ladesteckdose. So deckt die EVCC Professional die gesamte Bandbreite der Ladearten in der Elektromobilität mit nur einer Steuerung ab. Die Kommunikation zum Anlagenbetreiber oder zum Abrechnungssystem erfolgt über Ethernet, kabelgebunden oder über UMTS. Auch die gängigen Protokolle für die Backend-Kommunikation – wie etwa OCPP 1.5 – können auf der Steuerung implementiert werden.

Die Kommunikation mit dem Fahrzeug erfolgt gemäß dem aktuellen Standard DIN SPEC 70121 sowie künftig nach ISO/IEC 15118. Hier stellt PC-Worx vordefinierte Funktionsbausteine bereit, die der Software-Entwickler in sein Applikationsprogramm integriert. Die Funktionsbausteine liefern und senden dem Anwender die Daten vom und zum Fahrzeug, die dieser dann einfach weiterverarbeiten kann. Die Funktionsbausteine liefern und lesen die Daten im Format „Efficient XML Interchange“ (EXI) aus. Mit den Details der Kommunikation auf den unteren Layern des Protokolls muss der Applikationsentwickler sich erst gar nicht auseinandersetzen.

Fazit

Mit der EVCC Professional erhält der Anwender eine leistungsfähige Steuerung, mit der er bequem und flexibel anspruchsvolle DC-Schnellladestationen in allen Leistungsklassen errichten kann. Durch den modularen Ansatz und durch die applikationsspezifischen Funktionsbausteine wird die Komplexität des Systemaufbaus erheblich reduziert – einer Fokussierung auf die Umsetzung der Kundenbedürfnisse steht somit nichts mehr im Wege.

Bildergalerie

  • Das Combined Charging System ermöglicht AC- und DC-Laden über eine Fahrzeugschnittstelle.

    Bild: Phoenix Contact

  • Mit der Ladesteuerung EVCC
    Professional werden die Funktionen der Ladestation automatisiert.

    Bild: Phoenix Contact

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