Testcenter für Ladeinfrastruktur Elektrofahrzeuge laden: Sicherheit und Konformität sicherstellen

Autor / Redakteur: Matthias Hübner und Giacomo Pregadio* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Elektromobilität wird nur dann vom Endkunden akzeptiert, wenn die Ladeinfrastruktur flächendeckend vorhanden ist. Doch dahinter steckt komplexe Technik. Sie muss auf ihre Sicherheit und Konformität mit internationalen Normen hin geprüft werden.

Firmen zum Thema

Testcenter in Neu-Isenburg: Hier prüfen Experten Ladegeräte für die Elektromobilität.
Testcenter in Neu-Isenburg: Hier prüfen Experten Ladegeräte für die Elektromobilität.
(Bild: UL)

In den letzten zehn Jahren wuchs die Elektromobilität auf globaler Ebene stark. Regierungen auf der ganzen Welt setzen Richtlinien um, um in naher Zukunft mehr Elektrofahrzeuge (EV) auf die Straße zu bringen, und so steigen sowohl die öffentliche Akzeptanz als auch die Nutzung von EVs an. Laut einer Statista-Studie vom März 2021 betrug die Zahl der Neuzulassungen von Elektroautos im Jahr 2020 3.183.010 [1]. Viele Studien von einflussreichen internationalen Gremien, wie der „Global EV Outlook 2020“ der Internationalen Energieagentur, kommen zu diesem Ergebnis.

Damit E-Fahrzeuge in der Öffentlichkeit akzeptiert werden, ist ein flächendeckendes und leistungsfähiges Netz einer Ladeinfrastruktur notwendig. Die Analysten der Electric Vehicle Charging Association gehen davon aus, dass die weltweite Ladeinfrastrukturbranche von 2017 bis 2025 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 46,8 Prozent wachsen und bis 2025 einen Umsatz von 45,59 Mrd. US-Dollar erzielen wird [2].

Testeinrichtung bedient verschiedene Ladesysteme

Das UL-Prüflabor adressiert unter anderem die wachsende Nachfrage nach DC-Schnelllade-Elektrofahrzeugen. Das Test Center bietet den Herstellern von EV-Ladegeräten, Ladeinfrastruktur und Fahrzeugherstellern aktuelle Techniken, verschiedene Services, einschließlich der Zertifizierung für den globalen Marktzugang. Dazu gehören Testeinrichtungen, die auf die verschiedenen Arten des Ladens weltweit ausgerichtet sind.

EV-Ladeinfrastrukturen werden in zwei Typen unterteilt: Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC). Die in Städten und Wohngebieten installierten Ladegeräte für private Anwender liefern Wechselstrom. Eine Wechselstrom-Ladeinfrastruktur ist am besten geeignet für Wohnviertel oder Gewerbegebiete mit Bürostandorten. Diese Orte werden von Personen mit individuellen E-Fahrzeugen auf kurzen Strecken frequentiert.

AC-Ladestationen benötigen mehrere Stunden, um eine Autobatterie aufzuladen. Das ist dann sinnvoll, wenn der Fahrer beabsichtigt, für einige Stunden anzuhalten. Also jemand zu Hause oder bei der Arbeit ist. Fahren die Menschen über längere Strecken und ohne Zwischenstopps, ist das AC-Laden unpraktisch.

Ladezeit: High-Power-Charging mit Gleichstrom

Für Freizeitreisende oder Fahrer von Transportfahrzeugen gibt es High-Power-Charging-Stationen (HPC) entlang von Autobahnen und anderen Hauptverkehrswegen. Diese Ladestationen versorgen das Fahrzeug mit Gleichstrom (DC) und können eine Batterie in deutlich kürzerer Zeit aufladen als eine AC-Ladestation. Hier kommt es auf die Ladezeit an, da die genutzten Elektrofahrzeuge in der Regel nicht lange anhalten.

Die Nachfrage nach Gleichstrom-Schnellladegeräten stieg in den letzten Jahren rapide an. Eine Folge sind die rasanten Fortschritte bei der Batterietechnik. Damit sank die Sorge der geringen Reichweite eines Elektrofahrzeugs und es stieg gleichzeitig die Akzeptanz der E-Fahrzeuge. Halten die Batterien mit einer Ladung wesentlich länger durch bei einem gleichzeitig größeren und zuverlässigeren Netz von Gleichstrom-Schnellladeinfrastrukturen, lassen sich die Elektroautos für Langstreckenfahrten nutzen.

Gleichzeitig steigt mit der Reichweite von E-Autos auch die auch die Anzahl von Ladestationen. Eine Testmöglichkeit für diese Hochleistungs-Ladegeräte bis zu einer Leistung von 350 kW bietet UL.

Neben den Gleichstrom-Ladestationen (HPC), gewinnt ein Thema immer mehr an Bedeutung: Kleinere DC-Ladestationen für den privaten Gebrauch mit einer bidirektionalen Energieübertragung. Sie werden in Zukunft eine Schlüsselrolle bei Vehicle-to-Grid- (V2G-)Anwendungen spielen, da sie sich sehr effektiv in das Energiemanagement von Städten und Wohngebieten integrieren lassen.

Der komplexe Vorgang des Ladens

Das Laden von Elektrofahrzeugen ist ein komplexer Prozess, bei dem mehrere Systeme und Protokolle zusammenkommen. Kommunikationsprotokolle, Steuerungen für Ladevorgänge, Batteriemanagement und Schutzsysteme erfordern, dass diese Art von Ausrüstung viel anspruchsvoller ist als ein herkömmliches Batterieladegerät. Außerdem sind nicht alle konduktiven Ladesysteme gleich: Unterschiedliche physikalische Ausgangskonfigurationen am Fahrzeugstecker und am Eingang führen zu entsprechenden Kommunikations- und Ladeprotokollen.

Durch den technischen Fortschritt wird es komplexer. Das V2G-Laden erweitert die Einsatzmöglichkeiten von E-Fahrzeugen: Mit ihnen lässt sich Energie speichern und sie werden zu einer dezentralen Energieressource. E-Fahrzeuge lassen sich in das Stromnetz integrieren und dienen als Netzersatz für Haushalte, Gebäude und andere Anwendungen.

Hierzu bietet UL eine spezielle Testmöglichkeit für das V2G-Laden bis zu 250 kW sowie für andere Funktionalitäten, die immer mehr zu einem integralen Bestandteil der Ladeinfrastruktur werden, wie Personenschutzsysteme und Bezahlmöglichkeiten.

Gründliche Tests nur mit internationalen Standards

Dabei wichtig ist, dass internationale Standards eingehalten werden. Denn nur eine nahtlose Interoperabilität zwischen einem Fahrzeug und der Ladeinfrastruktur hilft, die Akzeptanz von Elektroautos in der Öffentlichkeit zu erhöhen. Nur so lassen sich internationalen Klimaziele erreichen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.

Somit kommt den Testlabors eine wichtige Rolle zu. Um OEMs und Infrastrukturanbieter zu unterstützen, die Sicherheit ihrer Produkte zu gewährleisten und die internationalen Standards einzuhalten, sind gründliche Tests erforderlich.

Der Umfang der zu prüfenden Produkte umfasst alle Arten von Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge (EVSE), einschließlich private Ladelösungen für Anwender wie Wallboxen und tragbare Ladegeräte sowie industrielle Lademöglichkeiten für E-Busse und E-Trucks und EV-Ladekomponenten wie Vorrichtungen zur Ladestromkreisunterbrechung, Fehlerstromerkennungsgeräte, EV-Steckverbinder und -Stecker. Wichtig ist außerdem, die Schnellladegeräten, Vehicle-to-Grid- und induktiven Ladesystemen zu prüfen.

Komplexer Test: Protokolle und Sicherheitsanforderungen

Das Testen selbst ist ebenfalls sehr komplex, da es einer Vielzahl von verschiedenen Funktionalitäten gemäß den zugehörigen Protokollen umfasst. So gibt es beispielsweise Kommunikationsprotokolle wie CHAdeMO, ISO 15118, DIN SPEC 70121 oder das Open Charge Point Protocol (OCCP). Sie garantieren die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladegerät.

Ebenso werden die Produkte auf eine Reihe von funktionalen und elektrischen Sicherheitsanforderungen, Leistungstests, drahtlose Tests (Wi-Fi, 3G/4G/5G) sowie Entwicklungs-, Validierungs- und Umwelttests geprüft. Nimmt man noch Tests für marktspezifische Anforderungen wie SAE J1772, UL 2202, den Standard für Elektrofahrzeug-Ladesysteme oder UL 2594, den Standard für Elektrofahrzeug-Versorgungsgeräte hinzu, wird deutlich, dass die Tests ein anstrengendes, aber notwendiges Unterfangen sind.

Elektrische Brände und Kurzschlüsse ausschließen

Ebenso sind strenge Sicherheitsprüfungen notwendig. Sie stellen sicher, dass die Produkte sicher installiert und in die Systeme integriert sind. Damit sollen Gefahren wie elektrische Brände, Kurzschlüsse und Überspannungen vermieden werden. Nur gründliche Tests stellen sicher, dass die Ladeinfrastruktur kompatibel zur lokalen Stromversorgung in den verschiedenen Zielmärkten ist.

Damit können OEMs ihre Entwicklungszyklen verkürzen und ihre Produkte schneller auf den Markt bringen. Das ist ein Grund, warum sie ein Prüflabor engagieren sollten, welches die Aufgaben für sie als unabhängige Experte für EV-Batterie- und Ladestandards übernehmen und ihnen so helfen, neue Märkte zu erschließen.

Die Anforderungen der E-Mobilität nehmen weiter zu. Vor allem getrieben durch die Endkunden. OEMs und Anbieter von Infrastruktur müssen diesen Anforderungen bedienen. Gefragt sind schnellere und sicherere Ladestationen. Diese müssen allerdings ausgiebig getestet werden. Hier unterstützt die Testeinrichtung von UL am Standort in Frankfurt. Die Experten analysieren Sicherheits- und Leistungsrisiken während des gesamten Produktionslebenszyklus und halten diese klein.

Referenzen

[1] Quelle ZSW (Eigene Berechnung auf Grundlage diverser Quellen), März 2021 (abgerufen am 4.8.2021)

[2] The State of the Charge: 2017 Report of California's Electric Vehicle Charging Industry, Electric Vehicle Charging Association. (abgerufen am 4.8.2021)

* Matthias Hübner und Giacomo Pregadio arbeiten als Project Engineers EV Charging Infrastructure bei UL in Neu-Isenburg.

(ID:47557992)