Damit Elektrofahrzeug und Ladestation in Zukunft sicher miteinander kommunizieren können, wollen die auf das Fachgebiet Elektromagnetische Verträglichkeit spezialisierten Forscher der Westsächsischen Hochschule Zwickau im Auftrag der deutschen Autohersteller ein Standardsystem für die Kommunikation entwickeln.

Ein regelmäßig genannter Kritikpunkt an der Praxistauglichkeit von Elektrofahrzeugen ist neben der Reichweite die vergleichsweise lange Ladezeit der eingebauten Batterien. Um diesem Nachteil zu begegnen, entstehen aktuell immer mehr öffentliche Ladestationen mit hoher Leistung. Die Auslegung der Ladetechnik und die damit verbundene maximale Ladeleistung von derzeit verfügbaren Serienfahrzeugen sind sehr vielfältig.

Prinzipiell kann zwischen AC- (Wechselstrom) und DC-Laden (Gleichstrom) unterschieden werden.

Beim AC-Laden wird das Elektrofahrzeug direkt mit dem bestehenden Stromnetz verbunden. Die erforderliche Wandlung der elektrischen Energie zum Laden der Batterie geschieht dabei im Fahrzeug. Bei dieser Technik ist aktuell eine Ladeleistung von maximal 22 kW möglich, wobei von der Mehrzahl der am Markt befindlichen Fahrzeuge nur eine geringere Ladeleistung unterstützt wird. Die Ladezeit variiert damit zwischen zehn und zwei Stunden. Für Leistungen über 11 kW ist eine spezielle Ladeeinrichtung für Elektrofahrzeuge, im Englischen als Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) bezeichnet, erforderlich. Diese Ladeeinrichtung ist mit dem Stromnetz verbunden und kann als Ladesäule oder an der Wand montiert als Wallbox ausgeführt sein.

Beim DC-Laden ist eine externe Wandlung der elektrischen Energie erforderlich, welche durch die Ladeeinrichtung realisiert wird. Dabei wird der Wechselstrom in Gleichstrom gewandelt und die Ladespannung an die Batteriespannung des Fahrzeugs angepasst. Die aktuell vorzufindenden DC-Ladestationen verfügen meist über eine Ladeleistung von 50 kW. Vereinzelt wurden auch schon Stationen mit 150 kW installiert. Noch leistungsfähigere Ladestationen mit 350 kW sind in der Planung. Diese Schnellladestationen reduzieren die Ladezeit je nach Leistung auf 30 Minuten bis hin zum einstelligen Minutenbereich. Serienfahrzeuge mit einer Ladeleistung über 50 kW sind dabei aktuell noch eine Seltenheit. Dennoch sind von verschiedenen Herstellern Fahrzeuge mit hoher DC-Ladeleistung angekündigt, welche sich aktuell noch in der Entwicklung befinden.

Kommunikationsschnittstelle für DC Laden

Für das DC-Laden ist eine Kommunikation zwischen dem Ladeequipment und dem Elektrofahrzeug zwingend erforderlich. Im ersten Schritt dient diese zum Austausch der erforderlichen Ladeparameter wie Strom und Ladespannung. Die Kommunikation ist sicherheitsrelevant und muss während des gesamten Ladevorganges aufrechterhalten bleiben. Ein Abbruch der Kommunikation führt zum Beenden des Ladevorganges.

Im zweiten Schritt sind auch der Informationsaustausch für die Abwicklung von Bezahlvorgängen bis hin zu Mehrwertdiensten wie Videostreaming oder Softwareupdates angedacht. Der Kommunikationskanal ist durch Power Line Communication (PLC) realisiert, welche auf eine bestehende Kontrollleitung der Ladeschnittstelle moduliert wird. Diese Kontrollleitung ist durch einen Kontakt im Ladestecker verbunden und verläuft im gleichen Kabel wie die stromführenden Ladeleitungen. Aufgrund der örtlichen Nähe zu den stromführenden Leitungen ist die Kontrollleitung besonders anfällig für Störungen, welche durch die hohen Ladeströme hervorgerufen werden. Die Parameter des Kommunikationskanals und die der ihn beeinflussenden elektronischen Systeme sind aktuell Gegenstand der Untersuchungen und noch nicht vollumfänglich standardisiert.

Entwicklung eines Referenzsystems

An der Realisierung einer sicheren Datenübertragung aus Sicht der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) forscht das EMV-Team des Forschungs- und Transferzentrums an der WHZ im Auftrag der deutschen Automobilhersteller.

Dazu wurden am Markt verfügbare DC- und AC-Ladekabel unter anderem bezüglich ihrer Koppeleigenschaften zwischen den stromführenden Adern und der Kontrollleitung untersucht, welche maßgeblich Einfluss auf die Störfestigkeit der Kommunikation haben.

Von der Forschungsgruppe wurde hierfür ein Referenzsystem entwickelt, das die EMV-Untersuchung der Power Line Communication auf der Kontrollleitung ermöglicht. Dieses System ist bezüglich der Schnittstelleneigenschaften maximal flexibel. Per Software können sämtliche Parameter variiert werden, wodurch auch automatisierte Testabläufe möglich sind. Darüber hinaus kann das Referenzsystem auch eine Ladestation oder das Elektrofahrzeug bezüglich der Kommunikation nachbilden. Aufgrund der optimierten EMV-Eigenschaften wird das System inzwischen ebenfalls bei EMV-Qualifizierungsmessungen von Autoherstellern und Herstellern von Ladeequipment eingesetzt. Auch für Entwickler der Vehicle-to- Grid (V2G) Kommunikation ist das Referenzsystem wegen der variablen Schnittstelleneigenschaften von Interesse. So können Interoperabilitätstest mit verschiedenen Herstellern auch weit über die genormten Funktionsbereiche hinaus durchgeführt werden.