E-Mobilität: Ladeinfrastruktur – Vom Konzept bis zur Umsetzung

Anschlussstecker und Ladeverfahren

Beim Laden des im Fahrzeug befindlichen Batteriespeichers wird eine äußere Energiequelle benötigt. Eine Verbindung mit dieser Stromversorgungseinrichtung, egal in welcher Form, ist für den Ladevorgang zwingend erforderlich. Der Ladevorgang als solcher wird über das fahr-zeugeigene Batteriemanagementsystem überwacht und geregelt. Dabei sind Parameter wie z.B. der IST-Ladezustand, die maximal mögliche Ladeleistung und der Ladestrom relevant.

Bei der Ladung von Elektrofahrzeugen werden drei grundlegende Verfahren unterschieden:

Bei der Wechselstromladung (AC-Ladung) wird der vom Fahrzeug zur Ladung benötigte Gleichstrom im bordeigenen Ladegerät aus dem zugeführten Wechselstrom generiert. Das Fahrzeug regelt hier selbstständig über das bordeigene Batteriemanagementsystem die La-dung und überwacht Parameter wie die Batterietemperatur, den Ladestrom und den Ladezu-stand der Batterie.

Bei der Gleichstromladung (DC-Ladung) wird eine Umwandlung des dem Fahrzeug zugeführten Stroms nicht mehr benötigt, da die DC-Ladestation diese Umwandlung übernimmt. Das bordeigene Ladegerät des Fahrzeugs wird hierbei nicht benötigt und bei der Ladung umgangen. Auch hier regelt und überwacht das bordeigene Batteriemanagementsystem den Ladevorgang.

Bei der induktiven Ladung (AC-Ladung) wird über eine Induktionsschleife geladen. Hier wird die Energie kabellos als Wechselstrom auf das Fahrzeug übertragen – ähnlich dem induktiven Laden eines Smartphones. Zu diesem Zweck werden zur Ladung vier Hauptkomponenten benötigt: der Stromanschluss der Primärspule, die Primärspule selbst (meistens im Boden eingelassen oder als Überfahrvariante auf dem Boden liegend), die Sekundärspule (im Fahrzeug oder auf dessen Unterseite montiert bzw. verbaut) und der Gleichrichter, welcher sich im bordeigenen Ladegerät befindet. Da es sich bei dieser Ladevariante um eine Wechselstromladung handelt, wird der vom Fahrzeug zur Umwandlung des Wechselstroms in den zur Ladung benötigten Gleichstrom vom Gleichrichter zugeführt. Das bordeigene Batteriemanagement übernimmt auch hier dieselben Funktionen wie bei den beiden vorherigen Ladevarianten.

Es gibt verschiedene Stecker-/Kupplungssysteme, die sich auf dem Markt als sogenannte Standard-Stecker etabliert haben. Dazu zählen für die AC-Ladung der Typ-2-Mennekes-Stecker sowie der CCS Combo Typ 2, der gleichzeitig auch eine DC-Ladung bedienen kann. Außerdem sind hier noch der auslaufende CHAdeMO-Stecker (in Asien geläufig) sowie der SuperCharger von Tesla als typische DC-Variante zu nennen.

Die Ladeleistung der einzelnen Ladevarianten lässt sich grob wie folgt beschreiben: AC-Ladung bis 44 kW, DC-Ladung bis mehrere hundert kW und induktive Ladung aktuell bis 22 kW.

Leistungsbedarf und Gleichzeitigkeitsfaktor

Der Leistungsbedarf der Ladeinfrastruktur wird durch verschiedene Merkmale definiert wie zum Beispiel die Lade-/Standzeit der zu ladenden Fahrzeuge oder die Anzahl der Ladepunkte. Diese Merkmale werden benötigt, um die Ladeinfrastruktur planen zu können – ohne eine Überlastung der vorhandenen Elektroinstallation zu riskieren.

Bezüglich der Ladeleistung ist zu erwähnen, dass das schwächste Glied in der Kette, nämlich die Elektroinstallation bis zum Fahrzeug, die maximal mögliche Ladeleistung bestimmt.

Wie bei vielen anderen Planungen im Bereich der Elektrotechnik wird auch hier bei der Auslegung der Ladeinfrastruktur ein Gleichzeitigkeitsfaktor herangezogen, um eine Überlastung der Elektroinfrastruktur zu vermeiden oder unter Umständen frühzeitig zu erkennen, dass ein Lastmanagementsystem oder eine Erweiterung des Netzanschlusses nötig sind.

Ein gegebenenfalls aufgesetztes Lastmanagementsystem unterstützt hier bei Themen wie Limitierung des Gesamtladestroms oder Reduzierung von Ladespitzen. Außerdem ist eine effektivere Nutzung von z.B. zusätzlich vorhandenen regenerativen Energiequellen (Photovoltaik-Anlagen) möglich.

Die Betrachtung des Leistungsbedarfs sowie des angesetzten Gleichzeitigkeitsfaktors bestimmen die Leistungsreserve am Gebäudeanschluss. Daraus können Handlungsempfehlungen abgeleitet werden, um die geplante bzw. gewünschte Ladeinfrastruktur realisieren zu können.

Elektroinstallation

Bevor auf die Elektroinstallation der Ladeinfrastruktur eingegangen wird, soll hier erwähnt sein, dass seit März 2021 ein „Gesetz zur Beschleunigung des Ausbaus der Leitungs- & Ladeinfrastruktur für die Elektromobilität im Gebäudebereich“ existiert, das sowohl Wohngebäude als auch Nichtwohngebäude behandelt. Es geht um das sogenannte Gebäude-Elektromobilitätsinfrastruktur-Gesetz (kurz: GEIG).

Inhaltlich sieht das GEIG im Schritt 1 (bis 31.12.2024) das Vorhalten von Schutzrohren für Elektrokabel zur Versorgung der Ladeinfrastruktur vor und nur teilweise den direkten Aufbau der Ladeinfrastruktur:

• §6 Neubau von Wohngebäuden > 5 Stellplätze, Vorbereitung jedes Stellplatzes
• §7 Neubau von Nichtwohngebäuden > 6 Stellplätze, Vorbereitung jedes 3. Stellplatzes & min. 1x Ladepunkt
• §8 Renovierung von Wohngebäuden > 10 Stellplätze, Vorbereitung jedes Stellplatzes
• §9 Renovierung von Nichtwohngebäuden > 10 Stellplätze, Vorbereitung jedes 5. Stellplatzes & min. 1x Ladepunkt
  Ab dem 01.01.2025 tritt dann Schritt 2 zusätzlich wie folgt in Kraft:
• §10 Nichtwohngebäude > 20 Stellplätze, min. 1x Ladepunkt

Wichtig zu erwähnen ist noch, dass in §15 von Bußgeldern die Rede ist, die bei ordnungswidrigem Handeln bzgl. der Umsetzung des GEIG Geldstrafen von bis zu 10.000 € zur Folge haben.

Bei der Elektroinstallation für die Ladeinfrastruktur ist auf einige der folgenden Parameter besondere Aufmerksamkeit zu legen: die Dimensionierung der Ladesäulenzuleitung bezogen auf deren Länge und des Kabelquerschnitts, die richtige Auswahl des Leitungsschutzschalters und des Fehlerstromschutzschalters sowie Überspannungsschutz, Blitz- & Brandschutz.

Außerdem gilt es, errichtete Ladepunkte und somit die Bereiche vor diesen Ladepunkten während des Ladevorgangs als Parkfläche für Elektrofahrzeuge kenntlich zu machen und die Ladeeinrichtung vor Beschädigung durch z.B. Anfahren entsprechend zu schützen. Auch eine ausreichende Dimensionierung der zur Ladung von Elektrofahrzeugen vorgesehenen Parkflächen ist zu beachten – im Optimalfall ist hier eine Parkflächengröße pro Park-/Ladeplatz von 5,5 m x 3,5 m vorzusehen (min. 5 m x 3 m).

Anmeldepflicht und Netzbetreiber

Alle Ladeeinrichtungen sind vor der Inbetriebnahme gemäß der Niederspannungsanschlussverordnung beim zuständigen Energieversorgungsunternehmen zu melden. Hier ist immer die Gesamtleistung der aufgebauten/ergänzten Ladeinfrastruktur über alle Ladepunkte maßgeblich – sollten mehrere aufgebaut oder ergänzt worden sein.

Eine Genehmigung des Energieversorgungsunternehmens vor der Inbetriebnahme ist lediglich bei einer Gesamtleistungsabnahme größer als 12 kVA am Netzanschluss erforderlich. Somit unterliegt z.B. eine einzelne einfache 11-kW-Wallbox lediglich der Meldepflicht, jedoch nicht der Genehmigungspflicht durch den Energieversorger.

Manche Energieversorgungsunternehmen behalten sich vor, sogenannte Fernwirkanlagen zur Reduzierung von Leistungsspitzen zu fordern. Dies betrifft dann meist, angelehnt an die Einspeiseverordnung für Einspeiseanlagen (wie z.B. Photovoltaikanlagen), Ladeinfrastrukturen mit einer möglichen Abnahmeleistung über 100 kW. Hier geben die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorgungsunternehmen Aufschluss.

Sollte man sich im Rahmen des Aufbaus der Ladeinfrastruktur für eine Fernwirkanlage zur Reduzierung von Leistungsspitzen entscheiden, oder wird diese sogar zwingend vom Energieversorgungsunternehmen gefordert, ist im Rahmen dessen der Bezug des Stroms zur Ladung der Elektrofahrzeuge über einen sogenannten Ladestromtarif (auch: Wärmepumpentarif o.ä.) möglich. In diesem Fall behält sich der Energieversorger durch die Fernwirkanlage nämlich das Recht vor, bei Stromspitzen im Netz die Versorgung für einen begrenzten Zeitraum einzustellen – daraus resultiert der günstigere Tarif. Nähere Auskünfte geben hier die zuständigen Energieversorgungsunternehmen.

Zukunft – V2G?

Mit „Vehicle to Grid“ („vom Fahrzeug zum Netz“) versteht man ein Konzept, bei dem die Fahrzeuge (Elektro- und Hybridfahrzeug) mit ihren Antriebsakkumulatoren als ein Teil eines intelligenten Energiesystems in Zeiten erhöhter Netzlast die gespeicherte Leistung wieder zurück ins Netz oder in einen Einzelhaushalt (Vehicle to Home – V2H) einspeisen können.

Diese V2G-Technik könnte folgenden Zwecken dienen bzw. Lösungsansätze bieten:

• Stärkere Entfernung von Kohlenstoff und dessen Emissionen aus dem Verkehrssektor
• Wahrnehmung von Laststeuerungsaufgaben
• Bessere Integration von erneuerbaren Energien
• Zusätzliche Einnahmequelle für Energieversorger und Besitzer von Elektrofahrzeugen

Somit kann diese Technik ähnlich wie Batteriespeicherkraftwerke oder Solarbatterien bei Photovoltaikanlagen angesehen werden. Eine effiziente Anwendung und Nutzung ist jedoch lediglich mit einer ausreichend hohen Anzahl an bidirektional ladefähigen Fahrzeugen sowie entsprechenden V2G-Ladepunkten möglich. Einige Hersteller bieten bereits sowohl Fahrzeuge als auch entsprechende Ladesäulen an.

Warten wir ab, wo uns das Thema V2G in Zukunft hinführt…

Um Technologien wie beispielsweise V2G verwenden zu können, sind vernetzte Ladestationen notwendig, die eine Kommunikation mit dem Backend-System ermöglichen. Sie sind jedoch nicht nur für V2G-Anwendungen sinnvoll, sondern auch für die Implementierung eines dynamischen Lastmanagements oder die Abrechnung notwendig.

Vernetzte vs. nicht vernetzte Ladesäulen

Bei der Anschaffung von Ladesäulen muss zwischen vernetzten und nicht vernetzten Ladesäulen unterschieden werden. Nicht vernetzte Ladesäulen sind eigenständige Einheiten, die nicht Teil eines Netzwerkes sind und autark arbeiten, wohingegen vernetzte Ladesäulen an ein IT-Netzwerk angebunden sind. Beide Möglichkeiten haben sowohl Vor- als auch Nachteile und unterscheiden sich in den Anschaffungs-, Betriebs- und Wartungskosten.

In der Regel sind die Anschaffungskosten für nicht vernetzte Ladesäulen niedriger, da eine integrierte Technologie zur Anbindung an ein Netzwerk nicht vorhanden ist. Das gleiche gilt für die Installationskosten, weil hierbei keine zusätzlichen Anbindungsmöglichkeiten realisiert werden müssen. Allerdings können die Betriebs- und Wartungskosten über die Zeit schnell ansteigen, da aufgrund der fehlenden Netzwerkanbindung Fernwartung, Überwachung und Messung nicht möglich sind.

Im Vergleich dazu können vernetzte Ladesäulen an eine Kommunikationsinfrastruktur angebunden werden. Diese Kommunikationsinfrastruktur kann beispielsweise die IT-Infrastruktur eines Gebäudes sein. Über diese Infrastruktur kann wiederum die Anbindung an das Backend-System erfolgen. Über das Backend-System kann sowohl ein Lastmanagement implementiert als auch die Fernwartung und Überwachung durchgeführt werden. Die Anbindung einer Ladesäule an die IT-Infrastruktur verursacht jedoch zusätzliche Kosten. Diese Kosten kommen sowohl bei der Anschaffung als auch bei der Installation zum Tragen. Je nachdem, wie die Ladesäulen angebunden werden sollen, können sich die Kosten unterscheiden. Hierbei kommt es darauf an, ob die Ladesäule über LAN, WLAN oder Mobilfunk angebunden wird.

Anbindung über LAN

Soll die Ladesäule über LAN angebunden werden, müssen LAN-Kabel vom nahegelegenen IT-Verteiler bis zu der Ladesäule gezogen werden. Bei der Planung sind dann neben den Kabelwegen auch die Kabelstrecken sowie die Anzahl der verfügbaren Ports in dem jeweiligen IT-Verteiler zu berücksichtigen.

Anbindung über WLAN

Soll die Ladesäule über WLAN angebunden werden, muss sichergestellt sein, dass auch das WLAN am Ort der Ladesäule zur Verfügung steht. Hierfür bieten sich bei der Planung Simulationen und WLAN-Ausleuchtungen an, um Signalstärken zu erfassen und Störquellen ausfindig zu machen. Dadurch kann erkannt werden, wo Access Points platziert werden müssen.

Zudem muss bei der WLAN-Planung bedacht werden, ob sich die Ladesäulen im Freien oder innerhalb des Gebäudes befinden. Je nachdem, wo sich die Ladesäulen befinden, ergeben sich unterschiedliche Anforderungen. Beispielsweise müssen im Outdoor-Bereich die Access Points mit robusten Gehäusen ausgestattet und temperatur- sowie wetterbeständig sein.

Sicherheit bei der WLAN-Anbindung

Hinsichtlich der Sicherheit ist die WLAN-Anbindung im Vergleich zur LAN-Verkabelung im Nachteil. Um die Sicherheit dennoch zu gewährleisten, muss eine Authentifizierung und eine Verschlüsselung beispielsweise mit WPA2/3 gewährleistet sein.

Anbindung über Mobilfunk

Eine weitere Möglichkeit zur Anbindung der Ladesäule ist Mobilfunk. Ähnlich wie bei Smartphones werden die Ladesäulen mit einer SIM-Karte ausgestattet, die eine Mobilfunkanbindung ermöglicht. Doch auch hier ist schon frühzeitig eine gründliche Planung notwendig. Wie auch bei der WLAN-Anbindung ist es bei dieser Anbindungsvariante von Bedeutung, ob sich die Ladesäulen im Freien oder innerhalb eines Gebäudes befinden. Befinden sich die Ladesäulen innerhalb eines Gebäudes, beispielsweise in der Tiefgarage, muss eine Inhouse-Mobilfunkversorgung vorhanden sein. Bekannte Technologien sind in dem Fall Distributed Antenna System (DAS) und Indoor Small Cells.

Als SIM-Karten können sogenannte M2M- und IoT-SIM-Karten eingesetzt werden, die entweder ein gesteuertes oder ungesteuertes Roaming nutzen. Der Unterschied liegt darin, dass gesteuertes Roaming bestimmte Netzbetreiber priorisiert und bei ungesteuertem Roaming einzig und allein die Netzstärke für die Netzwahl ausschlaggebend ist.

Kommunikation zwischen Fahrzeug, Ladesäule und Backend-System

Nachdem nun gezeigt wurde, wie die Anbindung der Ladesäule erfolgen kann, stellt sich die Frage, wie sich die Kommunikation zwischen Fahrzeug, Ladesäule und dem Backend-System gestaltet und auf welchen Protokollen sowie Standards diese basiert. (siehe Abbildung 1)

Die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule basiert bei Fahrzeugen mit einem Typ-2-Stecker auf der Norm IEC 61851. Bei diesem Standard wird der Ladesäule und dem Fahrzeug die maximale Strombelastbarkeit des Kabels mitgeteilt. Zusätzlich informiert das Fahrzeug über die Ladebereitschaft und erhält von der Ladesäule die Nachricht, mit welcher Stromstärke geladen werden darf. Weitere Informationen, wie z. B. der tatsächlich benötigte Ladestrom oder die Ladedauer, werden bei diesem Standard nicht definiert. Auch Informationen in Bezug auf die Batteriekapazität werden nicht ausgetauscht.

ISO 15118

Um die beschriebenen Einschränkungen zu beheben und die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule für die Zukunft zu ermöglichen, wurde die ISO 15118 spezifiziert, die eine dynamische Kommunikation über eine Powerline erlaubt.

Auf Grundlage des Energiebedarfes und des Batteriezustandes sowie der Hinzunahme der Informationen über das Stromnetz wird ein passender Ladezeitplan zwischen Fahrzeug und Ladesäule ausgehandelt.

Die ISO 15118 definiert zusätzlich ebenso Anforderungen an die Identifikations-, Authentifizierungs- und Autorisierungsprozesse und enthält Funktionen wie z.B. Plug and Charge und V2G. Bei Plug and Charge handelt es sich um eine Funktion, bei der ein Ladevorgang sofort nach dem Verbinden des Steckers startet. Dabei ist seitens des Fahrers keinerlei Interaktion mit der Ladesäule erforderlich. Sobald das Fahrzeug authentifiziert wurde, gibt es ein Zertifikat an die Ladestation weiter. Dieses Zertifikat wird an das Backend-System weitergeleitet. Nachdem der Autorisierungsprozess abgeschlossen wurde, beginnt die Ladestation mit dem Ladevorgang. Die gesamte Identitätsüberprüfung aller beteiligten Akteure wird mittels Public Key Infrastructure ausgeführt. Jeder Akteur besitzt sein eigenes Zertifikat, das von einer vertraulichen Zertifizierungsstelle unterzeichnet worden ist. Die Zertifikate können mit einem zugehörigen privaten Schlüssel überprüft werden.

Abbildung 2 stellt die Struktur der PKI dar. Hierbei werden folgende vier Akteure definiert:

• Charge Point Operator (gelb umrandet): Der CPO ist das Backend-System, welches u. a. der Verwaltung der Ladesäule dient.
• Certificate Provisioning Service (rot umrandet): Der CPS ist ein Dienstleister, der dem Fahrzeug ein Zertifikat mit einer digitalen Signatur zur Verfügung stellt.
• Mobility Operator (grün umrandet): Der MO ist der Dienstleister, mit dem der Kunde einen Vertrag abschließt.
• OEM – Automobilhersteller (blau umrandet): Der Automobilhersteller erstellt ein einmaliges Zertifikat für das Fahrzeug, welches für die Installation eines Contract-Zertifikates für Plug and Charge notwendig ist [1].

OCPP

Neben dem Datenaustausch zwischen der Ladesäule und dem Fahrzeug bedarf es ebenso einer Kommunikationsstrecke zwischen der Ladesäule und dem Backend-System. Hier findet das Open Charge Point Protocol (OCPP) Verwendung.

Auch OCPP spezifiziert ähnlich wie ISO 15118 Identifikations-, Authentifizierungs- und Autorisierungsprozesse. Daneben enthält OCPP ebenfalls Funktionen zur Übermittlung von Ladeplänen an die Ladesäule sowie Funktionen zur Überwachung und Fernwartung der Ladesäule. Des Weiteren sind Funktionen für den Datenaustausch zur Übermittlung von Tarifinformationen definiert.

Um die Verfügbarkeit der Ladesäulen zu überprüfen, werden in bestimmten Zeitintervallen sogenannte Hearbeats ausgetauscht.

Die Kommunikationsabfolge bei OCPP besteht stets aus einer Anfrage und einer zugehörigen Bestätigung. Die Übertragung der Frames kann entweder als SOAP-1.2-Nachricht in XML-Format über HTTPS oder mithilfe eines RPC-Frameworks in Form von JSON-Daten erfolgen.

Aussicht

Eines lässt sich im Hinblick auf die Kommunikation zwischen Ladesäule und Backend-System mit Sicherheit sagen: Da es sich bei OCPP um keinen internationalen Standard handelt, wird es in naher Zukunft durch IEC 63110 ersetzt werden.

Dabei wird der Fokus stärker auf einer vollständigen Standardisierung sowie Interkompatibilität liegen, um den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Parteien mit Zugang zur Ladeinfrastruktur weiter zu vereinfachen und zuverlässiger zu gestalten. Hierdurch soll ebenso die Einführung von Ladesäulen vereinfacht und beschleunigt werden.