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Emobility Ladesystem ermöglicht konventionelles und schnelles „Tanken“

Autor / Redakteur: Melanie Meis / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Elektromobilität findet erst dann eine breite Akzeptanz, wenn der Fahrer nicht auf den gewohnten Komfort verzichten muss. Er muss überall laden können und sollte unterwegs nicht länger warten müssen als bei einer Betankung eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Das Combined Charging System von Phoenix Contact (CCS) vereint das konventionelle AC-Laden und das schnelle DC-Laden in einem Ladestecksystem.

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(Bild: Phoenix Contact)

Mit dem Thema Elektrofahrzeuge steht die Automobilindustrie vor einer Reihe technologischer Herausforderungen. Im Wesentlichen dreht es sich um die Kapazität der motorantreibenden Batterie, die daraus resultierende Reichweite des Fahrzeuges und die Wiederaufladung der Batterie. Neue Normen wurden ins Leben gerufen, um den Ladeanschluss zu vereinheitlichen. Weltweit haben sich drei Lade-Standards etabliert, die unter anderem von der Europäischen Kommission unterstützt werden:

  • Typ 1 SAE J1772 (USA, Japan, partiell Europa)
  • Typ 2 IEC 62196 (Europa)
  • GB/T (China)

Die ersten Ladestecksysteme am Markt basieren auf dem Laden mit Wechselstrom (AC), der dem Niederspannungsnetz wie es im Privathaushalt zur Verfügung steht, entnommen wird. Der Ladestecker wird in das sogenannte Inlet des Fahrzeugs gesteckt. Der Ladestrom wird von dort in einen AC/DC-Wandler geführt, um ihn in Gleichstrom für die Batterie umzuwandeln. Je nachdem, wie das Ladekabel, die Ladeinfrastruktur und die Batteriekapazität ausgelegt sind, kann die Dauer des Ladeprozesses variieren. Der Aufbau des Ladekabels ergibt sich aus Lademodus und Lade-Standard.

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Verschiedene Lademöglichkeiten

Mit dem Typ-2-Standard beispielsweise ergeben sich drei verschiedene Lademöglichkeiten.

  • Beim einfachen und gleichzeitig langsamen Laden – im Lademodus 2 bis 3 kW – wird der Strom direkt über die übliche Schuko-Haussteckdose bezogen. Das Ladekabel besteht aus einem Schuko-Stecker, einem Typ 2-Ladestecker und einem IC-CPD (In-Cable Control and Protection Device), das den Ladeprozess steuert und sichert. Diese langsame Lademöglichkeit kann je nach Batteriekapazität bis zu 11 Stunden dauern – etwa über Nacht in der eigenen Garage.
  • Das ein- oder dreiphasige Laden mit einer Wallbox – im Lademodus 3 bis 22 kW – hingegen benötigt circa 4 bis 7 Stunden. Die Wallbox wird meist in privaten Garagen oder Parkhäusern installiert.
  • An öffentlichen und halböffentlichen Parkflächen wie beispielsweise vor Supermärkten sind Ladestationen mit mehreren Ladepunkten sinnvoll. Sie sind häufig mit Abrechnungssystemen ausgestattet und in ein Lastmanagement-System integriert. Die Ladeleistung liegt meistens im gleichen Bereich wie die einer Wallbox.

Theoretisch können AC-Ladestationen bis 43,5 kW liefern. Die Installation bedarf einer Genehmigung vom Energieversorgungsunternehmen. Außerdem müssen neue Zuleitungen für eine zusätzliche Energieversorgung gelegt werden. An einer solchen Ladestation können allerdings nur Fahrzeuge laden, die auch tatsächlich für eine solch hohe Ladeleistung ausgelegt sind. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Schutzeinrichtungen bei einem Überstrom zu spät auslösen. Da zurzeit nur wenige Fahrzeuge ein solches Inlet aufweisen, ist der Nutzen, eine solche Ladestation zu errichten, im Vergleich zum Aufwand noch gering. Für hohe Ladeleistungen geraten andere Technologien wie das Laden mit Gleichstrom in den Fokus. Damit sind noch höhere Ladeleistungen möglich, aber auch weitere Sicherheits-Maßnahmen erforderlich – etwa beim Lademodus 4 bis zu 200 kW.

Ansätze für schnelles Gleichstromladen

Die AC-Ladeinfrastruktur bis 22 kW ist schon heute verbreitet. Das zeigen Internet-Portale und mobile Apps, die einen Überblick über Standorte von Ladestationen für Elektrofahrzeuge geben – wie etwa www.lemnet.org. Der E-Mobilist muss sich daher auch bei längeren Fahrten keine Sorgen machen, dass er keine Ladestation in der Nähe findet, wenn die Batterie sich leert. Nachteilig ist hier allerdings, dass er für seine Fahrt stundenlange Wartepausen für den Ladevorgang einplanen muss – zumindest wenn sein Elektrofahrzeug nur für das AC-Laden ausgelegt ist.

DC-Laden: Höhere Leistung, weniger Zeitaufwand

Für alle drei Lade-Standards – Typ 1, Typ 2 und GB/T – wurden daher Ladestecksysteme konzipiert, die auch ein Laden mit Gleichstrom (DC) möglich machen. Der Gleichstrom kann der Batterie im Fahrzeug direkt zugeführt werden, da die AC/DC-Umwandlung schon vorher in der Ladestation stattfindet. Das vergrößerte Steckgesicht erlaubt größere Kontakte und Leitungsquerschnitte. Demzufolge ist je nach Standard eine Ladeleistung bis 200 kW möglich. Mit der DC-Ladetechnik werden daher im Vergleich zur AC-Ladetechnik kürzere Ladezeiten erreicht. Bei einer 200 kW-Ladung ist das Elektrofahrzeug beispielsweise innerhalb von 5 bis 10 Minuten geladen.

Erforderliche Sicherheitsmaßnahmen

Aufgrund der hohen Leistungsübertragung sind beim DC-Laden strengere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Mittels Temperatur-Sensorik wird ein Temperatur-Anstieg während des Ladevorgangs erfasst, damit die Ladestation den Ladeprozess bei Überhitzung früh genug abbricht. Ein Verriegelungssystem verhindert, dass der Ladestecker während des Ladevorgangs gezogen wird.

AC- und DC-Laden mit nur einem Fahrzeug-Inlet

Kann also ein E-Mobilist sowohl auf AC- als auch DC-Laden zurückgreifen, ist er für jede Alltagssituation gewappnet. Damit beide Optionen gegeben sind, muss das Fahrzeug mit einem sogenannten CCS-Inlet ausgestattet sein. Das Steckgesicht dieses Inlets ist so konzipiert, dass sowohl ein AC-Ladestecker als auch ein DC-Ladestecker in das Inlet passt. Es kann damit also an der Schuko-Steckdose zu Hause über Nacht, an Wallboxen sowie an AC- und DC-Ladestationen geladen werden. Das CCS-Inlet bietet somit eine ideale Ladeschnittstelle in jeder Alltagssituation.

Kontakte haben verschiedene Funktionen

Die Kontakte des CCS-Inlets werden bei den beiden verschiedenen Ladevorgängen auch unterschiedlich verwendet. Beim AC-Laden wird nur der obere Teil des CCS-Inlets genutzt. Die Leistungskontakte L1, L2, L3 und N dienen der Stromübertragung, die Kommunikationskontakte CP und PP steuern den Ladestrom. Wird das Fahrzeug mit Gleichstrom geladen, kommt der untere Teil des CCS-Inlets zum Einsatz. Die beiden Kontakte DC+ und DC- übertragen den Strom. Die Kommunikationskontakte CP und PP sowie PE werden wie auch beim AC-Laden zur Steuerung und Erdung genutzt.

Einsatz in Serienfahrzeugen

Das Combined Charging System wurde als integriertes Gesamtsystem von Phoenix Contact gemeinsam mit führenden Automobilherstellern wie Volkswagen, Audi, Daimler, BMW und Porsche für Typ 1 und Typ 2 entwickelt. Die wesentlichen technischen Details sind in der Norm IEC 62196-3 festgehalten. Seit November 2013 sind die ersten rein elektrisch betriebenen Großserien-Fahrzeuge mit dem CCS-Inlet für Typ 2 ausgestattet: der VW e-Up und der BMW i3.

Die Akzeptanz erhöhen

Heute kann jeder sein Elektrofahrzeug bequem zu Hause über Nacht laden – aber bei einer mehrstündigen Fahrt auf der Autobahn sollte das Laden nur wenige Minuten dauern. Mit dem Combined Charging System (CCS) ist das kein Problem. Die Reichweite der Elektrofahrzeuge variiert je nach Batterie zwischen 80 bis 450 km. Zahlreiche Ziele können daher ohne Zwischenladung erreicht werden. Ist die Batterie des Elektrofahrzeuges trotzdem leer, kann mit der bereits installierten AC-Ladeinfrastruktur am Niederspannungsnetz in vielen Städten und Gemeinden geladen werden. Diese unterschiedlichen Lademöglichkeiten sind eine wichtige Voraussetzung für die breite Akzeptanz der Elektromobilität. (mz)

* Dipl.-Ing. Melanie Meis, Produktmarketing Connectivity, Phoenix Contact E-Mobility GmbH, Schieder-Schwalenberg

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