Die Herausforderungen der Elektromobilität meistern

Überall setzt sich inzwischen die Erkenntnis durch, dass künftig kein Weg an der Elektromobilität vorbeiführt. Allerdings sind dafür noch einige Herausforderungen zu meistern. Dazu gehören beispielsweise Fortschritte beim flächendeckenden Ausbau der Infrastruktur, bei Smart Charging, Plug&Charge sowie der Integration in ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) und einhergehend bei der Standardisierung.

 

Zu den zentralen Herausforderungen beim Rollout der Elektromobilität gehören die Interoperabilität zwischen Elektrofahrzeugen und Ladeinfrastruktur, der Ausbau des Schnellladenetzes sowie das Bereitstellen der elektrischen Energie mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen. Das war nach der Erfindung des Verbrennungsmotors und Automobils ähnlich. Man musste hochwertige Kraftstoffe entwickeln, sich auf eine einheitliche Zusammensetzung und Qualität einigen, die Reichweite der Fahrzeuge erhöhen, Tankstellennetze aufbauen und stets die Kosten im Blick behalten.

 

Beschränkungen des Wechselstrom-Ladens

Die einfachste standardisierte Ladetechnik für Elektrofahrzeuge weltweit ist das Wechselstromladen (AC-Laden). In Europa dient dazu die Typ-2-Kupplung am Fahrzeug bzw. in den USA die auf einphasigen Strom beschränkte Typ-1-Kupplung. Das AC-Laden ist jedoch nicht nur auf vergleichsweise geringe Ladeleistungen beschränkt, sondern in seiner derzeitigen Ausprägung gleichzeitig mit dem Makel behaftet, ein wenig intelligentes System zu sein. In der Regel wird mit der höchstmöglichen Leistung geladen, selbst wenn vom Nutzungsprofil her keine Notwendigkeit dafür besteht. Der klassische Beispielfall ist das alltägliche Szenario, in welchem man abends zuhause ankommt und das Fahrzeug erst am nächsten Tag wieder nutzen möchte. Es könnte dann über Nacht mit deutlich geringerer Leistung geladen werden als es derzeit geschieht. Vergleichbare Situationen gibt es am Arbeitsplatz, wo das Fahrzeug ebenfalls viele Stunden auf dem Parkplatz steht und nicht innerhalb der ersten Stunde vollgeladen sein muss. Die Ladekommunikation beschränkt sich beim AC-Laden auf das notwendige Minimum (Basic Signaling) zum Austauschen der Ladeparameter über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal).

Problematisch wird das AC-Laden, wenn die Zahl der Elektrofahrzeuge steigt und immer mehr Anwender das Stromnetz unkoordiniert belasten. Die Zukunft gehört deshalb dem intelligenten Laden (Smart Charging), das nicht nur Lastmanagement beherrscht, sondern auch zahlreiche weitergehende (Komfort)Funktionen bereithält, zum Beispiel Plug&Charge mit automatischem Abrechnen und Bezahlen. Eine essentielle Rolle dabei spielt eine standardisierte High-Level-Ladekommunikation wie sie die ISO 15118 bereitstellt.

 

Schnellladestationen für Fernreisen

AC-Laden ist aufgrund seiner geringen Ladeleistung nicht geeignet, um Elektrofahrzeuge bei längeren Reisen an Raststätten innerhalb einer überschaubaren Zeit aufzuladen. Diese Situation lässt sich nur mit Schnellladestationen (High Power Charging – HPC) meistern, so dass beim Ausbau eines standardisierten länderübergreifenden Schnellladenetzes hohe Dringlichkeit vorherrscht. Privatanwender möchten mit ihrem Elektrofahrzeug auch in den Urlaub fahren können und nicht nur zum Einkaufen. Bei HPC kommt die Technik des Gleichstromladens (DC-Laden) zur Anwendung. Die Elektronik zum Gleichrichten und Laden ist groß und kostspielig und befindet sich daher stets in der Ladestation.

Für das Schnellladen existieren weltweit mehrere Systeme. Während im chinesischen Markt der GB/T-Standard dominiert, hat das aus Japan stammende CHAdeMO auch in anderen Teilen der Welt Bedeutung erlangt. Die USA und die Europäische Gemeinschaft haben sich als Standard auf das Combined Charging System (CCS) geeinigt, dessen Stecker in IEC 62196 (DIN EN 62196) genormt ist. CCS erlaubt mit demselben Steckersystem (Combo2 in Europa) sowohl das AC-Laden als auch das DC-Laden, im Gegensatz zu anderen Systemen, die dafür mit zwei unterschiedlichen Systemen ausgestattet sein müssen. CCS nutzt für alle Aufgaben ein einziges Kommunikationsprotokoll. Demnach benötigen Fahrzeuge und Infrastruktur nur jeweils einen Controller sowohl für AC- als auch DC-Laden. Das System unterstützt in der Version CCS 2.0 Ladespannungen bis 1000 V und Ströme bis 500 A, in der Praxis peilt man Ladeleistungen bis 450 kW an.

 

Bild: E-Mobility Experten diskutieren die neuesten Entwicklungen beim 6. Vector E-Mobility Engineering Day

 

CharIN unterstützt CCS weltweit

Um CCS zu unterstützen, zu verbreiten und weiterzuentwickeln wurde die Charging Interface Initiative e.V. (CharIN e.V.) ins Leben gerufen. Die Arbeit ist in Fokusgruppen aufgeteilt, aktuell für die Bereiche Charging Connection, Charging Communication, Charging Infrastructure, Conformance Test/Interoperability sowie Grid Integration. Der Verein hat aktuell über 160 Mitglieder, darunter 16 der Top 20 weltweiten Marken der Automobilbranche. CharIN unterhält Büros und Niederlassungen rund um die Welt und bietet über die CharIN Academy Schulungen für Mitglieder und Interessierte an.

 

Elektrische Energie intelligent verteilen

Von Kritikern waren schon dahingehende Äußerungen zu hören, es gäbe ohnehin nicht genügend elektrische Energie zum Betreiben von vielen Millionen Elektrofahrzeugen. Die tatsächlichen Zahlen sprechen eine andere Sprache: Deutschland hat im Jahr 2017 so viel elektrische Energie exportiert, dass man damit 19 Millionen Elektrofahrzeuge betreiben könnte. Nicht die Energiemenge ist das Problem, sondern die Verteilung in Spitzenlastzeiten. Da unsere Autos im Schnitt 23 Stunden am Tag stehen und Distanzen von lediglich 40 km zurücklegen, ist diese Herausforderung künftig mit Smart Charging gut lösbar.

Dass sich das Laden von Elektrofahrzeugen auch mit dem einfachen AC-Laden über die CCS-Typ-2-Fahrzeugkupplung clever organisieren lässt, zeigt ein Beispiel vom Stuttgarter Flughafen. Dort wird – zunächst für rund 100 Fahrzeuge – ein Ladesystem installiert, das die zur Verfügung stehende Energie intelligent verteilt und regelt. Die dafür notwendige Intelligenz befindet sich in einem zentralen Schaltschrank, von dem aus sternförmig Leitungen zu den einzelnen Ladepunkten mit Typ-2-Anschluss führen. Das System benötigt in der Regel keinen neuen Transformator zum Mittel- oder Hochspannungsnetz, ist im Vergleich zu anderen Lösungen deutlich kostengünstiger und nutzt die E-Autos quasi als regelbare Last. Sobald im öffentlichen oder betriebsinternen Stromnetz weniger Energie wegen anderer (großer) Verbraucher zur Verfügung steht, drosselt das intelligente System die Ladeleistung der Elektrofahrzeuge. Dieses Lösungsmodell für großflächige Ladeinfrastrukturen bietet sich überall dort an, wo viele Fahrzeuge viele Stunden parken, wie beispielsweise an Arbeitsstätten, an Flughäfen und Messen oder in öffentlichen Parkhäusern.

Mit Energiewende und Mobilitätswende konfrontiert, müssen auch Energieversorger ihre Rolle überdenken und neu ausrichten. Die Entwicklung führt weg von der reinen Energieerzeugung, hin zu einer Diversifizierung als Lösungs- und Serviceanbieter mit neuen Geschäftsfeldern. Möglichkeiten dazu finden sich unter anderem im Aufbau und Betrieb von Ladeinfrastruktur, der Vermarktung von Lade- und Energiespeicherprodukten für Privatanwender oder im Anbieten von Value-Added-Services rund um das Laden.

 

High Level Kommunikation gemäß ISO 15118

All die genannten Herausforderungen lassen sich nur durch eine leistungsfähige High-Level-Ladekommunikation bewältigen. Mit der ISO 15118 steht ein umfassender Standard zur Verfügung, der nahezu alle relevanten Aspekte abdeckt, vom AC- und DC-Laden über Identifikation, Smart Charging und TLS-Verschlüsselung bis zu Mehrwertdiensten. Die fertige ISO 15118 GEN1 (früher: ED1) ist in den Dokumenten ISO 15118-1...-5 beschrieben.

Die gerade entstehende ISO 15118 GEN2 erweitert die Ladekommunikation um innovative Funktionen. Dazu gehört das Rückspeisen von Energie (Bidirectional Power Transfer – BPT), das Induktive Laden (Wireless Power Transfer – WPT) sowie die automatische Kopplung von Pantografen bei Bussen und LKWs an Stromschienen (Automatic Connecting Device – ACD). GEN2 unterstützt die zwei Control Modes „Scheduled Mode“ und „Dynamic Mode“. TLS-Verschlüsselung ist nun verpflichtend und keine Option mehr. Außerdem unterstützt das System jetzt die parallele Kommunikation beim (Neu)Aushandeln der Parameter (Re-Negotiation) und beim Laden.

 

  ISO 15518-2 (GEN1) ISO 15118-20 (GEN2)
Energieübertragung
AC (einphasig, dreiphasig)
DC (extended, core)
Zusätzlich:
Bidirectional Power Transfer (BPT)
Wireless Power Transfer (WPT)
Automatic Connecting Device (ACD)
Identifikation Externe Identifikation
Plug&Charge
Externe Identifikation
Plug&Charge
Security (TLS) Zwingend erforderlich für Plug&Charge Immer zwingend erforderlich
Physikalische Schicht HomePlug GreenPHY Zusätzlich: IEEE 802.11n (n-WLAN)
Steuerung - Scheduled Mode
Dynamic Mode

Tabelle: Vergleich zwischen ISO 15118-2 (GEN1) und ISO 15118-20 (GEN2).

 

GEN2 bringt interessante neue Funktionen

Das Rückspeisen von Energie (BPT) dient zur Stabilisierung des Stromnetzes und zur Notversorgung von Häusern. Elektrofahrzeuge werden sich künftig vollständig in intelligente Home-Energy-Management-Systeme integrieren lassen. Um das Lastmanagement zu realisieren ist es protokollseitig notwendig, während des Ladens in regelmäßigen Abständen die Parameter neu auszuhandeln.

Das Induktive Laden (WPT) verleiht der Elektromobilität einen spürbaren Komfortgewinn, da man kein Kabel mehr anschließen muss. Neben dem Einsatz in der eigenen Garage ermöglicht es unterwegs ein spontanes Nachladen von Energie vor roten Ampeln, an Taxiständen oder Parkplätzen. Als Physical Layer für die Kommunikation beim Induktiven Laden ist WLAN nach IEEE 802.11n vorgesehen. Wichtig für den Wirkungsgrad ist die Feinpositionierung über dem Groundpad – eine Echtzeitkommunikationsaufgabe.

Für die neuen Technologien ist in GEN2 als neuer Dokumentteil ISO 15118-20 angelegt. Das vermeidet bei Korrekturen und Ergänzungen die Gefahr von Verwechslungen mit dem bisherigen -2-Dokument. Physical Layer und Data Link Layer für Wireless Communication sind seit Anfang 2018 in Teil-8 spezifiziert. Für die Definition der zugehörigen Conformance Tests (Teil-9) wird an einem ersten Dokument gearbeitet.

 

OCPP: Standardisierte Backend-Kommunikation

Bedeutung hat neben der ISO 15118 noch das Open Charge Point Protocol (OCPP), welches die standardisierte herstellerunabhängige Kommunikation zwischen Ladestation und dahinterliegender Infrastruktur abdeckt (Backend Communication). Dazu zählt der Datenaustausch mit Managementsystemen für Abrechnung/Bezahlung, die Kommunikation mit dem Energielieferanten, mit Serviceanbietern von Mehrwertdiensten usw. Als wichtige Neuerungen der aktuellen OCPP Version 2.0 führt das System unter anderem eine verschlüsselte Datenübertragung via TLS (Transport Layer Security) ein, ermöglicht sichere Authentifikation und Loggingfunktionen und unterstützt das ISO15118-Zertifikat-Management.

 

Fazit

Zwischen der heutigen Erlebniswelt und den aktuellen Spezifikationen liegen noch Welten. Viele der beschriebenen Technologien (ISO 15118 GEN1) stellen ihre Funktionalität gerade im Praxiseinsatz unter Beweis. Dabei offenbaren sich Inkonsistenzen und unklare Definitionen, so dass die gewonnenen Erkenntnisse als Korrekturen zurück in die Spezifikation fließen. In diesem Sinne gibt es noch viel zu tun und so sind alle Beteiligten eingeladen, aktiv zum Erfolg der Elektromobilität beizutragen.

 

 

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