Kombinierte Ladestandards

Titelgeschichte

125 Jahre Automobiltradition auf der Basis von fossilen Kraftstoffen sollen Geschichte werden. Die Zukunft gehört dem Elektrofahrzeug. Doch für breite Akzeptanz wird auch ein einheitliches und innovatives Ladesystem benötigt. Kombiniertes AC-/DC-Laden bietet wichtige Impulse für die Standardisierung und letztendlich für die Verbreitung der E-Mobilität.

01. Oktober 2012

> Schnellladen Geht es nach der Bundesregierung, sollen bis 2020 etwa 1Mio. Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen fahren. Doch die wenigen Modelle, die es schon zu kaufen gibt, haben Nachteile im Wettbewerb mit der bestehenden Technologie: Teuer, geringe Reichweite, lange Ladevorgänge. Zudem muss erst eine flächendeckende Ladeinfrastruktur entstehen.

Bei den Infrastruktur-Komponenten haben alle Beteiligten – voran Automobilindustrie und Energieversorger – oft unterschiedliche Interessen. So ist die Form des Steckgesichts beim Ladesteck-System bisher nicht eindeutig definiert. Setzt jedoch jeder Fahrzeughersteller oder Energieversorger auf eigene Stecker für eigene Ladesäulen, wären Fahrten über weite Strecken oder in ein anderes Land kaum möglich. Wie man zu gemeinsamen Standards kommen kann, haben die Hersteller von Mobiltelefonen 2011 bewiesen. Seither sind Ladeschnittstelle und Kabel vereinheitlicht.

Optimales Laden gibt es nicht

Gemeinsam mit den führenden deutschen Automobilherstellern treibt Phoenix Contact derzeit die Standardisierung der Ladeschnittstelle voran. Sie besteht auf der Fahrzeugseite aus Ladebuchse (Inlet) und Ladestecker (Connector). Auch auf der Seite der Ladesäule gibt es für das Laden mit Wechselstrom eine Ladebuchse (Socket) und einen Stecker (Plug).

Bei der von der Automobilindustrie angestrebten Ladezeit von circa 15 Minuten treten mit Gleichstrom (DC-Laden) Ströme bis 200A auf. Diese Lademethode eignet sich für längere Fahrten – mit Ladepausen etwa an Raststätten. Durch die hohe Leistung wird die Batterie stärker beansprucht. Künftige Batteriegenerationen werden damit ohne Reduzierung der Lebensdauer umgehen können. Der Vorteil von Wechselstrom (AC-Laden) liegt in der einfachen Ladeinfrastruktur. Bei dieser Methode kann auf das Niederspannungsnetz mit 230V zurückgegriffen werden. Nachteile sind hier zum einen die lange Ladedauer von bis zu acht Stunden sowie das ladeleistungsabhängige Gewicht des Gleichrichters im Fahrzeug.

Unterschiedliche Lademodi

Teil 1 der Norm IEC 61851 beschreibt die generellen Anforderungen an das Fahrzeug und an die Ladevorrichtung beim konduktiven Laden von Elektrofahrzeugen. Vier Lademodi benennen Leistungen und dazugehörige Schutzmaßnahmen für Fahrzeug und Ladeinfrastruktur:

Im Modus 1 wird das Fahrzeug am Hausnetz ohne weitere Schutzmaßnahmen geladen. Im einphasigen Netz dürfen Spannungen bis 250V, im dreiphasigen Netz bis 480V anliegen. Der Strom ist auf 16A begrenzt.

Auch im Modus 2 wird am Hausnetz geladen. Vorgeschriebene FI-Schutzschalter erlauben Ströme bis 32A. Zusätzlich findet eine einfache Kommunikation durch eine In-Cable-Box statt, die den Ladestrom steuert und den Fehlerstrom überwacht.

Modus 3 regelt das Schnellladen mit Wechselstrom und Drehstrom. Durch die hohe Leistung bis 45kW muss über eine Ladesäule oder Wall-Box geladen werden. Während des Ladevorgangs findet eine Kommunikation über die beiden Steuerkontakte CP und PP zwischen Ladeinfrastruktur und Fahrzeug statt.

Im Modus 4 ist das Laden mit Gleichstrom definiert: Ströme bis 400A sind erlaubt. Auch hier ist eine Ladesäule oder Wallbox erforderlich. Während des Ladevorgangs erfolgt eine komplexe Kommunikation über die Steuerkontakte. Ebenso sind Schutzmaßnahmen gegen das vorzeitige Herausziehen unter Last der sogenannte ›Hot-Disconnect‹ Voraussetzung.

Bislang haben sich drei unterschiedliche Steckgesichter herausgebildet – jeweils für das AC- sowie für das DC-Laden: Typ 1 für die USA, Typ 2 für Europa sowie der GB-Standard für China.

Regionale Unterschiede

Die europäischen Hersteller haben sich bereits auf den Typ 2 als Inlet am Fahrzeug verständigt. Er ermöglicht ein- und dreiphasiges Laden mit Wechselstrom von 50 – 60Hz bis zu 63A. Er unterstützt sowohl das langsamere Laden bei längeren Stillstandszeiten mit bis zu 4kW als auch das schnellere Laden an leistungsfähigen Ladepunkten mit bis zu 43kW. Zusätzlich kommen neben den Leistungskontakten auch die Steuerkontakte CP und PP zum Einsatz. Eine große Herausforderung ist zurzeit noch die Inkompatibilität der Stecker und Buchsen untereinander. Fahrzeuge sind nur in der für sie vorgesehenen Region ladefähig. Außerdem benötigt bei den gängigen Ansätzen jedes Fahrzeug zwei Inlets eine für das Laden mit Wechselstrom sowie eine zweite für das Laden mit Gleichstrom. Das Fahrzeug hätte also in der Praxis ein Inlet links für das langsame AC-Laden und ein zweites rechts für das schnelle DC-Laden.

Laden mit nur einem Steckgesicht

Eine Lösung bietet eine Stecker- und Inlet-Variante, die beide Ladeverfahren unterstützt. Daran arbeitet Phoenix Contact mit den größten fünf deutschen Automobil-Herstellern. Das ›Combined Charging System‹ erlaubt das Laden mit Wechsel- und Gleichstrom bei nur einer Buchse. Dabei sind die Kontakte im fahrzeugseitigen Inlet so angeordnet, dass sowohl der Typ-2-Stecker für das AC- wie auch der Stecker für das DC-Laden passt.

Neben Kompatibilität und Platzersparnis bietet das Kombi-System weitere Vorteile: Eine Verriegelung verhindert das gewaltsame Herausziehen des Steckverbinders. Damit wird eine gefährliche Situation für den Anwender vermieden: Beim DC-Laden kann durch Trennung während des Ladevorgangs ein gefährlicher Lichtbogen entstehen.

Die im Vergleich zu AC großzügiger dimensionierten DC-Kontakte ermöglichen schnelles Laden mit bis zu 200A und sorgen so für kurze Ladezeiten etwa an Raststätten. Zur Steuerung des Ladeablaufes beim DC-Laden werden die Signalkontakte CP und PP des AC-Teils für die Kommunikation und Ladungsregelung genutzt. Griff-Design und geringe Steck- und Ziehkräfte des Steckverbinders sorgen für die einfache, komfortable und sichere Handhabung.

Vorteile für Fahrer und Hersteller

Ein kombiniertes Ladestecksystem bietet Vorteile für alle Beteiligten: Die Automobilhersteller benötigen für ihre Fahrzeuge nur noch ein Inlet, um das AC- und DC-Laden abzudecken. Anbieter von Lösungen für die Ladeinfrastruktur können einen stark expandierenden Markt mit einem einheitlichen System beliefern. Und die Fahrzeugführer schließlich profitieren von einem einfachen, bequemen und ergonomischen Ladevorgang. Das kombinierte AC-/DC-Ladesystem senkt somit Kosten für alle Beteiligten – bei voller Funktionalität.

Stefan Grimm

Roland Bent leitet bei Phoenix Contact Marketing und Entwicklung und ist stellvertretender Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Standardisierung in der Nationalen Plattform Elektromobilität.

Sie engagieren sich sehr stark im Bereich der Elektromobilität. Seit wann ist das für Sie Schwerpunktthema – und konkret mit welchen Produkten?

Die Elektromobilität ist schon seit einigen Jahren ein strategischer Schwerpunkt in unserer Forschung und Entwicklung. Derzeit bieten wir neben Ladesteckern sowie Inlets für das Automobil auch Elektronik für die Lade-Infrastruktur an.

Ein wichtiger Teil des Engagements ist Gremienarbeit. Welche Bedeutung hat das für Sie?

Wir sind überzeugt, dass wir die Potenziale des Zukunftsmarkts E-Mobilität besonders erfolgreich durch Kooperationen erschließen können. Dazu gehört die Zusammenarbeit mit Marktbegleitern, Kunden und Gremien sowie Verbänden. Sie eröffnet Synergien und Wissenstransfer. Die Mitgliedschaft im Bundesverband eMobilität bietet uns eine wertvolle Chance, mit anderen ins Gespräch zu kommen, Erfahrungen und Wissen zu teilen und in der Vernetzung Kräfte zu bündeln.

Wie ist der aktuelle Stand in der Normungs- und Standardisierungsdiskussion beim Combined Charging System?

Die Europäische Vereinigung der Automobilhersteller ACEA hat die Harmonisierung der Technologie zum Schnellladen für alle Fahrzeugtypen festgeschrieben. Beim Elektrofahrzeug-Symposium EVS 26, das im Mai 2012 in Los Angeles, USA, stattfand, definierte auch die SAE – die Society of Automotive Engineers – das Combined Charging System nach IEC 61851-23 als einheitlichen Standard zum DC-Schnellladen von Elektrofahrzeugen.

Heute gelten bezüglich des AC-Buchsenteils die Standards der IEC 62196-3 in zwei unterschiedlichen Varianten. In Europa setzt man die Norm mit dem Steckertyp 2 um. In Nordamerika ist die IEC62196-3 mit der SAE J 1772 verknüpft und für die Steckverbindungen gilt das Steckgesicht von Typ 1. Ist hier auf absehbare Zeit mit endgültiger physikalischer Vereinheitlichung zu rechnen?

Das ist aufgrund der unterschiedlichen AC-Netze beider Regionen nicht wahrscheinlich. Unabhängig davon sind aber alle anderen Schnittstellen und Parameter gleich, sodass wir mit dem Combined Charging System einen gemeinsamen Ladestandard haben. Die Automobilhersteller Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, General Motors, Porsche und Volkswagen haben vereinbart, das Konzept des einheitlichen Schnellladens mit Gleichstrom in Europa und den USA umzusetzen. Der Standard soll noch in 2012 offiziell vorgestellt werden. Und die Gremienarbeit bei Normen und Standards geht weiter.

Und in Europa gibt es auch keine nationalen Sonderwege mehr?

Nicht in Bezug auf das Combined Charging System. Es wurde von der ACEA ab 2017 als die einheitliche AC-/DC-Ladeschnittstelle für alle Neufahrzeugtypen in Europa ausgewählt. Die entsprechenden Ladestationen stehen aller Voraussicht nach ab Ende 2012 zur Verfügung. Erste Fahrzeuge mit der neuen Ladetechnik werden 2013 auf den Markt kommen.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012