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Schnell- oder Normalladen, Gleichstrom oder Wechselstrom? So funktioniert das Stromtanken

30.08.2018

Immer mehr Elektroautos fahren auf Deutschlands Straßen. Diese müssen regelmäßig geladen werden. Die Ladetechnik der verschiedenen Automarken variiert. Was technisch hinter den Ladesystemen steckt, erfahren Sie hier.

Die Betankung eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor ist sehr einfach. Man hofft, dass das Stromladen eines Elektroautos bald genauso einfach ist, wie das Tanken an einer herkömmlichen Tankstelle. Durch die verschiedenen Steckertypen zum Aufladen ist es zurzeit allerdings noch recht kompliziert, eine ausgewogene Ladeinfrastruktur aufzubauen.

Weltweit wurden vier verschiedene Steckertypen entwickelt, die sich unterschiedlich stark durchgesetzt haben. Außerdem existieren ebenfalls vier Lademodi. Für beides gibt es Normen, etwa die IEC 62196: eine internationale Norm für Steckertypen und Lademodi für Elektrofahrzeuge. Sie ist wiederum in zwei Typen unterteilt: Typ 1 ist die internationale und Typ 2 die europäische Norm. Gepflegt wird sie von der International Electrotechnical Commission (IEC). Die vier Lademodi sind:

Modus 1 - Langsames Laden mit Wechselstrom aus einer Haushalts- oder Industriesteckdose (ein- oder dreiphasig): Dieser Modus wird nur von wenigen Herstellern unterstützt, da für diese Ladetechnik eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung zwingend erforderlich ist.

Modus 2 - Langsames Laden aus einer normalen Steckdose mit Wechselstrom, jedoch mit einer EV-spezifischen Schutz-
einrichtung. Diese Einrichtung schützt vor einem elektrischem Schlag bei einem Isolationsfehler. Zu diesem kann es zum Beispiel kommen, falls der Fahrer sein Auto an eine Steckdose anschließt, die bei der Errichtung nicht für das Laden von Elek-
trofahrzeugen vorgesehen war.

Modus 3 - Langsames oder schnelles Laden mit Wechselstrom über eine spezielle EV-Mehrpolbuchse mit Steuer- und Schutzfunktionen: Die Sicherheitsfunktionalität inklusive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist in der Gesamtinstallation integriert, so dass nur eine Ladeleitung mit zweckgebundenem Stecker auf der Infrastrukturseite notwendig ist.

Modus 4 - Schnelles Laden durch spezielle Ladegerätetechnologie mit Gleichstrom: Im Gegensatz zu den anderen Lademodi ist bei dieser das Ladegerät in der Station integriert, welche auch die Sicherheitsfunktionalitäten umfasst. Die Kommunikation zwischen Station und EV erfolgt über die Leitung. Auch der Steckverbinder wird verriegelt.

Bei den vier verschiedenen Typen an Steckverbindern handelt es sich um folgende:

  • Typ 1 - einphasiger Stecker, entsprechend den Spezifikationen des Standards SAE J1772/2009 für Fahrzeugstecker

  • Typ 2 - ein- und dreiphasiger Stecker, entsprechend den VDE-AR-E 2623-2-2 Steckerspezifikationen

  • Typ 3 - ein- und dreiphasiger Stecker mit
    Sicherheitsklappen

  • Typ 4 - Schnellladestecker, für spezielle Systeme wie CHAdeMO und CCS

Ein Standard für einheitliches Laden

Der SAE-J1772-Standard sieht die Möglichkeit vor, mit 240 VoltAC (bekannt als Level 2-Ladung) und 500 VDC (bekannt als DC-Schnellladung) zu laden. Fahrzeughalter können zu Hause eine Ladestation der Stufe 2 installieren, Unternehmen und Kommunen öffentliche Ladestationen der Stufe 2 und DC-Fast-Charge-Stationen. Das Combined Charging System (CCS) ist ein universelles Schnellladeverfahren, das Hochspannungsgleichstrom über einen speziellen elektrischen Stecker liefert, der vom SAE-J1772- (IEC Typ 1) oder IEC-Typ-2-Stecker abgeleitet ist, also auf dieser Ladetechnik aufbaut. Es ist eine Kombination aus einem AC-Stecker und einer DC-Option. Zu den Automobilherstellern, die CCS unterstützen, gehören Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA, Tesla und Hyundai. Das CharIN-Konsortium, das den CCS-Standard steuert, arbeitet seit 2017 an einer Ladeleistung von 350 kW. CCS soll ein flächendeckender Standard werden. Nahezu jeder US-amerikanische und deutsche Automobilhersteller hat sich für die Verwendung von CCS entschieden.

Bisher unterstützen allerdings nur wenige Fahrzeuge CCS. Die einzigen für CCS ausgestatteten Fahrzeuge, die bisher in Nordamerika auf den Markt kamen, sind der BMW i3, der Chevrolet Spark EV und der Volkswagen e-Golf. Zu den konkurrierenden Standards gehören das japanische Pendant CHAdeMO und der Tesla Supercharger. Tesla Motors hat einen eigenen Schnelllade-Standard, der nicht universell ist. Besitzer können aber einen Adapter kaufen, mit dem ihre Autos an CHAdeMO-Stationen ebenfalls schnell geladen werden können. Der in Japan entwickelte CHAdeMO-Standard wurde zunächst von Nissan, Mitsubishi und Toyota favorisiert, während der SAE-J1772-Combo-Standard von FCA, GM, Ford, Volkswagen und BMW unterstützt wurde. CHAdeMO ist inzwischen ein IEC-Standard.

Technischen Mindestanforderungen

Egal ob CCS oder CHAdeMO, wer in Deutschland neue Ladesäulen aufbauen will, muss sich an die technischen Mindestanforderungen, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) vorgegeben werden, halten. Die Ladesäulenverordnung (LSV) ist eine vom BMWi erlassene Verordnung, mit deren Vorgaben der Ausbau von Stromtankstellen in Deutschland beschleunigt und Rechtssicherheit geschaffen werden soll. Sie trat am 17. März 2016 in Kraft. Ihre wichtigsten Vorgaben sind:

  • Jeder Normalladepunkt, an dem mit Wechselstrom geladen wird, muss mindestens eine Typ-2-Steckdose anbieten.

  • Jeder Schnellladepunkt, an dem mit Wechselstrom geladen wird, muss mindestens ein Kabel vom Typ 2 anbieten.

  • Jeder Normalladepunkt und Schnellladepunkt, an dem mit Gleichstrom geladen wird, muss mindestens ein Kabel vom Typ Combo 2 (CCS) anbieten.

  • Die allgemeinen technischen Anforderungen an Energieanlagen gelten auch für Ladeeinrichtungen. Dabei sind die allgemein anerkannten Regeln der Technik umzusetzen
    (§ 49 Energiewirtschaftsgesetz).

Es reicht allerdings nicht nur die technischen Anforderungen zu erfüllen, auch Sicherheit beim Bezahlen soll gewährleistet sein. Experten sehen bei der IT-Security von Ladestationen große Defiziten. Diese Lücken müssen nun geschlossen werden.

Wie sicher ist das E-Tanken?

Derzeit ist das Bezahlen über eine sogenannte Ladekarte, die etwa so funktioniert wie früher die Karten für Telefonzellen, noch sehr unsicher. Mathias Dalheimer, Wirtschaftsingenieur vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM), konnte sich in einem Sicherheitstest, den er Ende 2017 durchführte, an Ladesäulen Zugriff auf die Kartennummern der Nutzer verschaffen. Das ist problematisch, denn die Kartennummer ist die einzige Identifikation an einer Ladestation, sodass ein Hacker im Besitz dieser Nummer auf fremde Kosten Stromtanken kann. Ladesäulenbetreiber sagten der Süddeutschen Zeitung gegenüber, es seien bisher keine Fälle bekannt, in denen auf Fremdkosten Strom getankt worden sei. Die Betreiber arbeiten außerdem zusammen mit wissenschaftlichen Instituten wie der Fraunhofer-Gesellschaft und auch dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) an weiteren Sicherheitsmaßnahmen, wie einer doppelten Identifikation, beispielsweise eine Zertifikatsübermittlung vom Auto selbst.

Wie auch Zapfsäulen an Tankstellen werden die Ladesäulen für Elektrofahrzeuge geeicht. Damit sollen die Ladestationen ebenfalls vor Manipulation gesichert sein und vor Hackern und Diebstählen geschützt werden. Die Eichbehörden überwachen jeden einzelnen Ladepunkt der Ladesäulen, um Verstöße festzustellen. Da die bestehenden Stationen erst geprüft werden, liegen aktuell noch keine Kenntnisse über manipulierte Stromtankstellen vor. „Ob die Ladesäulen durch Hacker angegriffen werden können und wurden, wird sich im Ergebnis zukünftiger Überwachungsmaßnahmen zeigen,“ erklärt der Eichdirektor vom Landesamt für Mess- und Eichwesen Berlin-Brandenburg Uwe Paulin.

Bildergalerie

  • Jeder Tesla Model S- oder Model X-Besitzer erhält jährlich eine Supercharger-Gutschrift von 400 kWh. Das reicht ungefähr für 1.600 km.

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  • An Ladesäulen zahlen die Besitzer von E-Autos häufig mit einer Ladekarte. Diese enthält auf einem Chip die Daten des Kunden. 2017 konnte sich ein Forscher des Fraunhofer Instituts (ITWM) in einem Test Zugriff auf Ladesäulen verschaffen und dadurch diese Kundendaten auslesen.

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