Elektromobilität So bauen Sie private E-Car-Ladepunkte mit wenigen Komponenten bequem auf

Autor / Redakteur: M. Sc. Linda Cam * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Schaltschrank- und Gehäusehersteller haben angesichts der steigenden Zahl an Elektrofahrzeugen die Chance, Ladepunkte für den Heimbereich anzubieten. Was ihnen fehlt ist eine Ladesteuerung.

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Bild 1: Für die Ladestation im Heimbereich konzipiert – die Ladesteuerung EVCC Basic von Phoenix Contact.
Bild 1: Für die Ladestation im Heimbereich konzipiert – die Ladesteuerung EVCC Basic von Phoenix Contact.
(Bild: Phoenix Contact)

Viele Schaltschrankbauer und Gehäusehersteller wittern bei der steigenden Nachfrage nach Ladepunkten im privaten Bereich eine Chance, in den Markt der Elektromobilität einzusteigen. Was ihnen fehlt ist eine Ladesteuerung, die die Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug regelt. Hier bietet Phoenix Contact eine Ladesteuerung an, mit der in wenigen Schritten eine kompakte Ladestation für individuelle Kundenwünsche aufgebaut wird (Bild 1).

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Um die Akzeptanz der Elektromobilität zu erhöhen, wird derzeit an einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur gearbeitet. Laut einer aktuellen Studie der Horváth & Partner GmbH – „Fakten-Check Mobilität 3.0“ – werden in Deutschland 820.000 Elektrofahrzeuge für 2020 prognostiziert. Damit würde das vielzitierte Millionenziel der Bundesregierung nur knapp verfehlt.

Nachfrage im Heimbereich wird steigen

Hybrid- und Elektrofahrzeuge müssen mit Strom versorgt werden. Das geschieht zu einem hohen Anteil im häuslichen Bereich. Bei vielen aktuellen Neubau-Projekten wird bereits der Anschluss einer Ladestation zum Laden von Elektrofahrzeugen eingeplant. Daher wird die Nachfrage nach Ladepunkten vor allem in diesem Bereich deutlich steigen.

Im privaten oder Heim-Bereich wird das Fahrzeug in aller Regel über ein Ladekabel an einer Kompakt-Ladestation geladen, die an das Wechselstromnetz (AC) angeschlossen wird. Aufstellungsorte dafür sind zum Beispiel Garagen oder Carports. Eine derartige Kompakt-Ladestation ist recht einfach ausgeführt; benötigt werden lediglich ein Gehäuse, einige Komponenten sowie ein geeigneter Anschluss. Dadurch ergibt sich für Anbieter oder Hersteller – etwa aus dem Schaltschrankbau, aus der Gebäude-Automatisierung oder der Bauwirtschaft – die Chance, in den Markt der Elektromobilität einzusteigen. Auch für das Elektrohandwerk ergeben sich hier ganz neue Chancen, etwa durch Einbinden der Ladestation in eine Photovoltaik-Anlage.

Anforderungen an die Heimladestation

Die Kompakt-Ladestationen für den Heimbereich, die es inzwischen 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 einem fest angeschlossenem Kabel (Case C) oder einer Ladestation mit einer Infrastruktur-Lade­dose (Case B) unterschieden. Die kleinste Wandladestation wird netzseitig einphasig an 230 V/16 A angeschlossen. Bei dreiphasigem Anschluss wird eine Ladeleistung von maximal 11 kW und eine Ladezeit von ungefähr sechs bis acht Stunden ermöglicht.

Größere Wandladestationen werden dreiphasig an 400 V/32 A-Drehstrom mit einer Ladeleistung von 22 kW angeschlossen. Damit ermöglichen sie Ladezeiten von einer bis zwei Stunden. In Abhängigkeit von der Ladeleistung und der Batteriekapazität des Fahrzeugs variiert die Ladezeit. Die Ladeleistung sollte zu Beginn der Auslegung feststehen, da die einzubauenden Komponenten darauf ausgerichtet sein müssen. Sobald diese Anforderungen an die Ladestation bekannt sind, werden neben dem Gehäuse nur noch wenige Komponenten zum Aufbau benötigt.

Das Herzstück einer jeden Ladestation ist die Ladesteuerung, welche 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(Pulse-width modulation)-Signal 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 (Bild 2) oder ein festangeschlossenes Kabel mit einem Infrastruktur-Ladestecker.

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Die Ausgänge lassen sich kundenspezifisch konfigurieren. So können etwa LEDs angeschlossen werden, 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. Dieser Fehlerstrom – 6 mADC – kann durch den Anschluss einer unbekannten Last beim Laden entstehen und den FI Typ A erblinden lassen. Die Ladestation muss in solch einem Fall die Ladung unmittelbar abbrechen. Dies bedeutet, dass die Ladestation entweder mit einem FI Typ B oder mit einer Kombination aus FI Typ A und einer entsprechenden Sensorik ausgestattet werden muss. Hierzu bietet sich das Differenz-Fehlerstrommodul EV RCM von Phoenix Contact an (Bild 3), 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, der zum Beispiel durch einen Isolationsfehler im Fahrzeug verursacht wurde, 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. Auf diese Weise werden die Aufwände für Service-Einsätze vermieden und die Anlagenverfügbarkeit wird deutlich erhöht.

Mehr Funktionen für den Heimbereich

Dank entsprechender Schnittstellen und Konfigurationsmöglichkeiten kann die Ladesteuerung EVCC Basic über das einfache Laden hinaus weitere Anforderungen im Heimbereich erfüllen. Zur Fernüberwachung und -Konfiguration steht die RS485-Schnittstelle zur Verfügung, die über eine Modbus-RTU-Kommunikation die Informationen über den Ladevorgang – Ladestatus, aktueller Ladestrom oder Verbindungszeit zwischen Ladestation und Fahrzeug – erfassen kann. Auch eine Anpassung des Ladestroms kann darüber vorgenommen werden.

Wenn sich die Lastspitzen mit den Lasten der Haushaltsgeräte – Waschmaschine, Trockner, Elektroherd – überlagern und es zu einer Überlastung kommen kann, ist Lastmanagement gefordert. Lastmanagement ist auf unterschiedliche Weise möglich: zum Beispiel über die indirekte Anbindung an ein Heimautomatisierungssystem oder den Anschluss eines Energiezählers. Unter Berücksichtigung der in Betrieb genommenen Haushaltsgeräte kann der Ladestrom auf 6 bis 63 A eingestellt werden, um mit den anderen Verbrauchern im Haushalt abgeglichen zu werden. Werden mehrere Haushaltsgeräte zeitgleich betrieben, so wird der Ladestrom auf 16 A eingestellt. Werden die Geräte nicht genutzt – etwa in der Nacht – kann der Strom zum Laden des Elektrofahrzeugs entsprechend erhöht werden.

Eine wichtige Anforderung ist auch die Anbindung der Ladestation an das Automatisierungssystem des Smart Home (Bild 4). Neben der Steuerung von Beleuchtung, Fensterrolladen, Fußbodenheizung, Temperaturregulierung und Garagentor tritt auch der Wunsch, den Ladevorgang des Elektrofahrzeugs zu überwachen, immer deutlicher zu tage. Durch die RS485-Schnittstelle wird die Integration in das Automatisierungssystem des Smart Home möglich. Außerdem lässt sich die Ladesteuerung über Schaltaktoren an ihren digitalen Eingängen von einem übergeordneten System aus ansteuern.

Alle Komponenten für die Ladeinfrastruktur

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Ladeinfrastruktur für die Akzeptanz der E-Mobilität maßgeblich im Heimbereich ausgebaut werden muss – dort wird die Nachfrage nach Ladestationen stärker wachsen als im öffentlichen Bereich. Für ein normenkonformes und sicheres Laden werden nur wenige Komponenten benötigt: Eine Ladesteuerung wie EVCC Basic, ein Installationsschütz, eine Infrastruktur-Ladedose oder ein Infrastruktur-Ladestecker. Optional kann das Differenz-Fehlerstrommodul EV RCM für die normative Schutzanforderung eingesetzt werden, falls ein FI Typ A in der Vorinstallation vorhanden ist. Mit der flexiblen und leicht konfigurierbaren EVCC Basic ist eine Ladesteuerung am Markt, mit der kundenspezifische Ladestationen auf einfache Weise umgesetzt werden.

Phoenix Contact bietet mit seinem breiten Produktspektrum nahezu alle Komponenten für die Ladeinfrastruktur an. Falls die Funktionalität der Ladesteuerung EVCC Basic für den Einsatz im öffentlichen Bereich nicht ausreicht, kann die erweiterte Ladesteuerung EVCC Advanced aus der Produktreihe EV Charge Control eingesetzt werden.

* M. Sc. Linda Cam ist Produktmarketing Control bei der Phoenix E-Mobility GmbH in Schieder-Schwalenberg.

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