Mit Sicherheit und Leichtigkeit mit Strom versorgen: Die Kunst des Designs für EV-Ladegeräte

Mit dem Streben nach nachhaltigeren Transportformen werden die Vorteile von Elektrofahrzeugen immer deutlicher.

Der Erfolg von Elektrofahrzeugen hängt in hohem Maße von der Gewährleistung ab, dass EV-Fahrer ihre Fahrzeuge bequem aufladen können, entweder durch Aufladungen zu Hause oder an Ladestationen in Städten und an Tankstellen. Das Design des EV-Ladegeräts erfordert daher die Berücksichtigung des Standorts, der Verwendung, der Ladezeiten und -spannungen, der Benutzerfreundlichkeit, der Sicherheit und der Kommunikation.

Wo werden Elektrofahrzeuge geladen?

Elektrofahrzeuge werden an zwei Arten von Standorten aufgeladen. Der erste ist ein Ziel-Ladegerät, das sich in der Regel an Standorten wie einem Parkplatz, einem Einkaufszentrum oder einem anderen Ort im Stadtzentrum oder zu Hause befindet. Dabei werden langsame AC-Ladegeräte verwendet.

Der andere ist ein Ladegerät unterwegs, das sich oft an Tankstellen entlang der Autobahn befindet. Dabei werden leistungsstarke, schnelle DC-Ladegeräte verwendet, die schnellere Ladezeiten bieten können.

Ladestandards und -geschwindigkeiten

Es gibt drei Haupttypen von Ladegeräten:

• Schnellladegeräte
• Rapid Charger
• Ladestation zu Hause

Schnellladegeräte

Die meisten öffentlichen Ladegeräte, die installiert werden, sind „Schnellladegeräte“, im Wesentlichen eine Wandsteckdose oder eine Säule mit einem Paar Steckdosen. Das Aufladen kann mit „Schnellladegeräten“ mehrere Stunden dauern, aber viele EV-Fahrer benötigen häufig einfach eine „Nachfüllung“ und schließen das Fahrzeug für eine Stunde oder so an. Aus diesem Grund ist die Belegung dieser Ladegeräte unvorhersehbar lang, was eine gewisse Nutzungsflexibilität erfordert.

Rapid Charger

Da Rapid Charger die Ladung mit einem höheren Strom liefern, laden sie ein Fahrzeug daher schneller als „Schnellladegeräte“ und liefern etwa 80 % der Ladung, die das Auto benötigen wird, in den ersten 30 bis 40 Minuten. Aufgrund der Batteriechemie können sie ein Auto jedoch nicht mit dieser hohen Rate vollständig aufladen – obwohl das Auto mit einem „Rapid Charger“ in über einer Stunde vollständig aufgeladen werden kann. Dies ist daher ein ineffizienter Einsatz eines „Rapid Chargers“ und sollte daher vermieden werden. Diese Lösungen sind auch teurer und erfordern eine leistungsfähigere elektrische Verbindung. Mit einem im Ladegerät integrierten Kabel ähneln sie im Aussehen herkömmlichen Zapfsäulen.

Aufladen zu Hause

Ladegeräte für den Heimgebrauch werden in der Regel abseits der Straße auf Einfahrten und in Hausgaragen verwendet. Das Laden erfolgt in der Regel über Nacht mit Nachtstrom. Einige verwenden unverlierbare Kabel, während andere im Wesentlichen das tragbare Kabel des Fahrzeugs verwenden. Das Laden am Arbeitsplatz kann auf verschiedene Weise erfolgen, obwohl viele Unternehmen Heim- oder Schnellladegeräte installieren.

Steckverbindertypen

Kfz-Ladekabel haben in der Regel zwei Steckverbinder, von denen einer in die Fahrzeugsteckdose und der andere in die Ladestation selbst eingesteckt wird. Elektrofahrzeuge verfügen entweder über eine Steckdose vom Typ 1 oder Typ 2 für langsames/schnelles Aufladen oder über eine CHAdeMO oder CCS für die DC-Rapid-Aufladung.

Die meisten langsamen/schnellen Ladestellen haben eine Typ 2-Steckdose, während alle DC-Rapid-Charger-Stationen ein Kabel haben, das meist mit einem CHAdeMO- und einem CCS-Steckverbinder verbunden ist. Die meisten EV-Fahrer kaufen ein tragbares Ladekabel, das zur Steckdose vom Typ 1 oder Typ 2 ihres Fahrzeugs passt, damit sie bei öffentlichen Netzwerken aufladen können.

Derzeit werden acht verschiedene Steckverbinderstandards für AC und DC verwendet, welche von Marke zu Marke und von Region zu Region unterschiedlich sind.

Bauelemente der EV-Ladestation

Abbildung 1: Bauelemente eines typischen EV-Ladegeräts – Quelle: TTI

Eine EV-Ladestation umfasst in der Regel ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge, ein Stromnetz, einen Anlagenzähler, eine Energiesteuerung, eine Softwareplattform, das Netzbetriebszentrum, einen Stromspeicher und mehrere andere relevante Bauelemente. Diese bestehen aus Benutzerschnittstellen, Netzwerkkonnektivität und Bauelementen für das Lademanagement und die Abrechnung.

Energiespeicher für das Aufladen von Elektrofahrzeugen

Das Energiespeichersystem an einer EV-Ladestation besteht aus drei wesentlichen Teilen: Batterie, Leistungsumwandlungssystem und Software.

Bei den Batterien handelt es sich hauptsächlich um Lithium-Ionen-Batterien, die aus Zellen und einem Batteriemanagementsystem (BMS) bestehen, um das Laden und Entladen zu steuern, während das Leistungsumwandlungssystem aus einem Wechselrichter und einem Gehäuse besteht, sowie einem HLK-System, um die Batterie auf einer bestimmten Temperatur zu halten.

Die Ladesoftware für Elektrofahrzeuge hilft unter anderem bei der Verbindung und Überwachung des Ladegeräts, unterstützt die automatische Fehlererkennung, bietet eine Anzeige der Messungen in Echtzeit, wickelt die Abrechnung und Zahlungen ab, verfolgt die Kosten und verwaltet die Nutzer.

Sicherheitsbauelemente

Die Sicherheit ist von größter Bedeutung für die Benutzer von EV-Ladegeräten, zumal viele keine Erfahrung mit solchen hohen Spannungen haben werden. Die typischen EV-Ladegeräte von heute liefern einen DC-Strom von 400 V bis 1.000 V und stellen potenziell Sicherheitsbedrohungen durch Stromschlag (normalerweise als Folge eines Erdungsfehlers) und Überstrom dar.

Ein Erdschlussschutzgerät verwendet einen Stromwandler an den Phasenleitern. Dadurch wird sichergestellt, dass der gesamte von der Quelle kommende Strom auf den gleichen Leitern zurückkehrt. Ein Erdschluss im System führt zu einem Rückstrom, der durch diesen Pfad fließt. Ein Erdschlussschutz ist auch auf der Ausgangsseite erforderlich, um zu vermeiden, dass Fahrer ein potenziell spannungsführendes Endstück angreifen. Dies wird mit einem DC-Erdschlusswächter erreicht, um einen Erdschluss zu erkennen und die Stromversorgung sofort abzuschalten.

EV-Ladestationen benötigen hohe Spannungen, um den aktuellen Anforderungen und der Anzahl der Fahrzeuge gerecht zu werden, die sie verwenden, aber wenn diese Leistung über das normale Niveau hinausgeht, kann dies viele unerwünschte Folgen haben – Überhitzung von Systemen, beschädigte Isolierung und sogar Verletzungen oder Tod der Benutzer.

Die Lösung besteht darin, Sicherungen auf der Grundlage ihres Abschaltvermögens, ihrer Bemessungsdaten basierend auf dem normalen Betriebsstrom und ihrer Zeit-Strom-Kurve auszuwählen. Derartige Strombegrenzungssicherungen sorgen bei einem hohen Überstrom für ein schnelles Eingreifen.

Der Überstromschutz ist besonders wichtig bei Halbleitern, die empfindlich auf elektrische Bedrohungen reagieren. Diese Halbleiter basieren in der Regel auf Silizium und Siliziumkarbid. Obwohl herkömmliche Sicherungen ausreichen, um die meisten von ihnen zu schützen, sind spezielle High-Speed-DC-Sicherungen erforderlich, um Leistungshalbleiterbausteine wie MOSFETS und IGBTs, die in Leistungswandlern verwendet werden, zu schützen.

Leistungsumwandlung

Die Leistungsumwandlung ist ein entscheidendes Element in DC-Schnellladesystemen. Die Minimierung von Verlusten bei der Leistungsumwandlung stellt sicher, dass die maximal mögliche Menge an Leistung den Batterien des Fahrzeugs zugeführt wird – dies trägt auch dazu bei, eine Wärmeentwicklung in den Systemen zu reduzieren.

Leistungshalbleiterbausteine wandeln AC-Strom in DC-Strom um, der von den Batterien des Fahrzeugs benötigt wird. Die Halbleiterbausteine steuern die Aufladung durch Schalten, was zwangsläufig zu Leistungsverlusten in Form von Wärme führt.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, basieren fortschrittliche Leistungswandler zunehmend auf der Siliziumkarbid- (SiC) und Galliumnitrid-Technologie (GaN). Die beiden wichtigsten Technologien in diesem Bereich sind SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid).

SiC ist ein Verbindungshalbleiter aus Silizium und Karbid. SiC-Leistungshalbleiter können für viel höhere Spannungen als herkömmliches Silizium von 600 V bis zu Tausenden von Volt verwendet werden. Die Technologie wird in der Regel in Hochleistungsanwendungen eingesetzt und sorgt für niedrigere Schaltverluste und geringeren Kosten.

Galliumnitrid (GaN) ist ein sehr harter und mechanisch stabiler Halbleiter. Ein GaNFET bietet eine viel höhere Durchschlagfestigkeit, eine höhere Schaltfrequenz, eine bessere Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigeren Widerstand als siliziumbasierte Alternativen.

Neben deutlich höheren Spannungen als Silizium eignen sie sich aufgrund ihrer äußerst hohen Schaltfrequenz auch besonders für das Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen.

Ergonomische Aspekte

Einer der Hauptaspekte des Ladedesigns von Elektrofahrzeugen ist ihre Benutzerfreundlichkeit. Zur Sicherstellung, dass Elektrofahrzeuge die Anzahl der Verkäufe erzielen, um einen tragfähigen Markt aufrechtzuerhalten, müssen die Nutzer darauf vertrauen können, dass Ladegeräte benutzerfreundlich sind und dass ihre Daten sicher sind.

Dies umfasst verschiedene Aspekte. Eine der wichtigsten Überlegungen sind Kabel und Steckdosen. Diese müssen einen ergonomisch geformten Steckergriff haben, mit minimalem Widerstand, wenn ein Benutzer das Kabel verlängern und bewegen muss. Kabel sollten auch eine geeignete Länge haben, um bis zu den Steckdosen an verschiedenen Fahrzeugmodellen zu reichen.

Weitere Überlegungen sind die Höhe und der Ort der Ladestelle sowie der Kabel, um einen sicheren Betrieb für alle Benutzer zu gewährleisten, eine ausreichende Beleuchtung, um eine Nutzung in der Nacht zu ermöglichen, Zahlungsoptionen, die für den gewählten Markt geeignet sind, einfache Preisstrukturen und ein offener Zugang, ohne dass dafür ein Abonnement oder ein Registrierungsprozess erforderlich ist.

Kommunikation und Konnektivität

Eine einfache, zuverlässige und sichere Kommunikation mit der Ladestelle ist sowohl für das Lademanagement als auch für die genaue Abrechnung von entscheidender Bedeutung.

Ladestellen erzeugen viele Daten, darunter die Ladestellen-ID, die Uhrzeit und das Datum des Einsteckens, die Uhrzeit und das Datum des Aussteckens sowie den Gesamtenergieverbrauch in Kilowattstunden.

Fahrerdetails wie Zahlungsart, Kontonummer und Betrag, der für die Aufladung ausgegeben wurde, werden ebenfalls aufgezeichnet. Daten können auch erforderlich sein, um das „intelligente Laden“ zu ermöglichen, bei dem das Ladegerät mit dem Fahrzeug, der Ladeeinrichtung und dem Stromversorger kommuniziert, um das Laden zu optimieren und die Notwendigkeit kostspieliger Upgrades der Versorgung zu vermeiden.

Für den Datenaustausch werden verschiedene Protokolle verwendet. Das grundlegendste Kommunikationsprotokoll, das bei AC-Ladesystemen des Typs 1 und 2 zwischen dem Ladegerät und dem Fahrzeug verwendet wird, ist IEC 61851, das Informationen austauscht, z. B. wann das Laden beginnt, stoppt und welchen Strom das Fahrzeug aufnimmt.

OCPP ist ein globaler Standard für die Kommunikation von Ladegeräten mit einem Backoffice. Die von der Open Charge Alliance (OCA) erstellte Spezifikation verfügt sowohl über erforderliche als auch über optionale Funktionen, die von der grundlegenden Ladesteuerung bis hin zu hochgradiger Sicherheit und Reservierungen reichen.

Aufgrund dieser Datenmasse ist eine exzellente, zuverlässige Konnektivität – zwischen den EV-Ladestellen, mit dem Benutzer und mit dem Internet – ein Muss.

Hier gibt es drei Hauptoptionen – festverdrahtet, WLAN oder Mobilfunk.

Festverdrahtete Methoden verfügen über die Geschwindigkeit, Kapazität und Zuverlässigkeit, um den erforderlichen Datenaustausch abzuwickeln, aber die Menge an erforderlichen Kabeln, um potenziell weit auseinanderliegende Ladegeräte zu verbinden, könnte die Methode unpraktisch machen.

WLAN ist eine weitere Option. Obwohl lange Kabel vermieden wird, weist WLAN Schwachstellen auf, die zu Stromausfällen, Funkstörungen und böswilligen Angriffen führen können.

Mobilfunk ermöglicht jeder Ladestelle den Zugriff auf Mobilfunknetze. Mit umfassender Abdeckung, hoher Zuverlässigkeit und robuster Sicherheit ist der Mobilfunk eine ideale Lösung für die Verbindung von Ladestellen.

Fazit

Die Anzahl von EV-Ladegeräten wird voraussichtlich deutlich zunehmen, aber sie müssen bestimmte Kriterien erfüllen, wenn sie sich das Vertrauen sowohl der Betreiber von Ladestellen als auch deren Nutzer sichern sollen. Durch die Berücksichtigung der Notwendigkeit von Sicherheit, Effizienz, Benutzerfreundlichkeit und Konnektivität sowie einer genauen Abrechnung können die Entwickler von EV-Ladegeräten den Erfolg ihrer Produkte sicherstellen und zum Wachstum des gesamten Elektrofahrzeugmarktes beitragen.