Im privaten oder Firmen-Bereich erfolgt das Laden von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in aller Regel an einer Kompakt-Ladestation, die an das Wechselstromnetz (AC) angeschlossen wird. Eine derartige Kompakt-Ladestation benötigt lediglich ein Gehäuse, einige Komponenten sowie einen geeigneten Anschluss. Dadurch ergibt sich für Anbieter – etwa aus dem Schaltschrankbau oder der Gebäude-Automatisierung – die Chance, in den Markt der Elektro-Mobilität einzusteigen.
Anforderungen an die Ladestation
Die Kompakt-Ladestationen für den Heim- und Firmenbereich, die es in zahlreichen Ausführungen gibt, sind im Gegensatz zu den öffentlichen Stromtankstellen recht einfach konstruiert. In der Norm IEC 61851-1 wird zwischen einer Ladestation mit fest angeschlossenem Kabel (Case C) oder mit einer Infrastruktur-Ladedose (Case B) unterschieden. Die kleinste Wandladestation wird netzseitig einphasig an 230V/16A angeschlossen. Bei dreiphasigem Anschluss wird eine Ladeleistung von maximal 11 kW und eine Ladezeit von ungefähr sechs bis acht Stunden ermöglicht. Größere Wandladestationen liegen dreiphasig an einem 400V/32A-Drehstrom mit einer Ladeleistung von 22 kW – damit sind Ladezeiten von einer bis zwei Stunden möglich. Die Ladeleistung sollte zu Beginn der Auslegung feststehen, da die einzubauenden Komponenten darauf ausgerichtet sein müssen. Sobald diese Anforderungen an die Ladestation fest stehen, werden neben dem Gehäuse nur noch wenige Komponenten zum Aufbau benötigt.
Das Herzstück einer jeden Ladestation ist die Ladesteuerung, die die Kommunikation über das angeschlossene Kabel mit dem Elektrofahrzeug nach IEC 61851-1 ermöglicht. Hierzu stehen zwei Kommunikationskontakte zur Verfügung: Proximity Pilot (PP) und Control Pilot (CP). Der PP-Kontakt übermittelt mit Hilfe einer Widerstandskodierung im Ladestecker die Stromtragfähigkeit des Ladekabels an die Ladestation. Dadurch kann die Ladestation zu schwach dimensionierte Kabel abweisen. Über den CP-Kontakt findet die eigentliche Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation statt. Es wird ein PWM-Signal (Pulse-width modulation) generiert, das über die Pulshöhe den Ladestatus und über die Pulsweite den Ladestrom übermittelt.
Einfacher Aufbau einer Ladestation
Die Ladesteuerung EVCC Basic von Phoenix Contact – EVCC steht dabei für Electric Vehicle Charge Control – ermöglicht diese Kommunikation. Die Steuerung integriert alle Funktionen, die ein einfacher Ladepunkt im Heimbereich benötigt: interne Stromversorgung, Ansteuerung der LEDs und der Verriegelungseinheit im Ladestecker, Freigabesignale, RS485-Schnittstelle zur Fernsteuerung sowie ein Notentriegelungsmodul, das bei einer Stromunterbrechung – etwa bei einem Stromausfall – den Stecker in der Infrastruktur-Ladedose wieder entriegeln kann. Außerdem benötigt die Steuerung noch ein Schütz für das Schalten des Ladestroms und - je nach Ausführung - eine Infrastruktur-Ladedose oder ein festangeschlossenes Kabel mit einem Infrastruktur-Ladestecker.
Die Ausgänge können kundenspezifisch konfiguriert werden. So lassen sich LEDs anschließen, die den Ladestatus Fehler, Verbunden und Laden anzeigen. Über digitale Eingänge kann ein Schlüsselschalter, ein RFID-Lesegerät oder ein Taster für die Ladefreigabe und Ladeendung angebracht werden. All diese Komponenten werden auf eine Hutschiene gesetzt, miteinander verbunden und in einem kleinen Schaltschrank verbaut. Auf diese Weise entsteht eine Kompakt-Ladestation, die alle wesentlichen Funktionen zum Laden eines Elektrofahrzeugs für die Anbringung in der Garage oder im Carport erfüllt.
Normative Fehlerschutzanforderung
Laut IEC 61851-1 soll jeder Ladepunkt mit einem FI (Fehlerschutzschalter) Typ A für die Detektion eines Fehlerstroms von 30 mAAC gesichert sein. Außerdem wird normativ gefordert, dass auch ein Fehlerstrom von 6 mADC erkannt wird. Hierzu bietet sich das Differenz-Fehlerstrommodul EV RCM von Phoenix Contact an, das den bereits in der Verteilung vorhandenen FI Typ A ergänzen kann.
Durch das Zusammenspiel mit der Ladesteuerung EVCC Basic kann ein automatisierter Ablauf bei einer Fehlerdetektion erfolgen. Wird ein Fehlerstrom von 6 mADC erkannt, den zum Beispiel ein Isolationsfehler im Fahrzeug verursacht, wird die Ladung unterbrochen und die Ladesteuerung geht in den Fehlermodus. Wenn die Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation nicht mehr besteht, wird die Ladesteuerung zurückgesetzt und ein automatischer Selbsttest des Moduls EV RCM erfolgt. Die Ladestation ist dann für ein neues Fahrzeug wieder ladebereit.
