Wechselstrom und Gleichstrom zum Greifen nah

Da es sowohl im privaten als auch im öffentlichen Bereich möglich ist, das Wechselstromnetz einfach anzuzapfen, sind Elektrofahrzeuge immer mit einem Wechselstrom-Ladeanschluss ausgestattet, und zwar aus gutem Grund. Fahrzeugbatterien benötigen jedoch Gleichstrom (DC), der auf ihren spezifischen Ladezustand abgestimmt ist, weshalb ein Wechselrichter erforderlich ist. Um sicherzustellen, dass der Wechselrichter optimal auf die Fahrzeugbatterie ausgelegt ist, wird er direkt in das Fahrzeug eingebaut. Daher kommt auch der Name Onboard-Ladegerät (OBC). In Deutschland sind Haushaltssteckdosen in der Regel mit einer 16-Ampere-Sicherung ausgestattet. Zusammen mit der Versorgungsspannung von 230 V ergibt sich daraus eine maximale Ausgangsleistung von weniger als 4 kW. In einigen Häusern gibt es Drehstromsteckdosen, die jedoch in der Regel ebenfalls über eine 16-Ampere-Sicherung verfügen. In diesem Fall beträgt die Ausgangsleistung 11 kW. Die meisten OBCs sind heute auf diesen Wert begrenzt, da größere OBCs zu viel Bauraum beanspruchen, mehr Abwärme erzeugen und das Gewicht des Fahrzeugs unnötig erhöhen würden. Die meisten Home-Wallboxen sind genau für 11 kW ausgelegt. Spezielle Ladestationen, wie sie in Autobahnladestationen zu finden sind, arbeiten direkt mit Gleichstrom. Da der Wechselstrom in diesem Fall außerhalb des Fahrzeugs in Gleichstrom umgewandelt wird, können sie deutlich höhere Ladeleistungen von bis zu 350 kW liefern.

Die Spannung steigt

Aus der Physik wissen wir, dass die elektrische Leistung das Produkt aus Spannung und Stromstärke ist (P = V * I). Derzeit liegen die Spannungsniveaus für die meisten Elektrofahrzeuge bei etwa 400 V. Der klassische Combined-Charging-System (CCS)-Stecker ist für eine maximale Stromstärke von 200 A ausgelegt, d. h., er kann eine Leistung von bis zu 80 kW liefern. Die Kabel und Steckverbinder müssen bei einer Leistung von 150 kW wassergekühlt sein, da sie sonst aufgrund der hohen Ströme überhitzen würden. Würde man die Spannung auf 800 V verdoppeln, so wäre die hohe Leistung auch mit Standardsteckern und -kabeln verfügbar. Um mit den Lademengen der fossilen Brennstoffe gleichzuziehen, ist es notwendig, in den Megawattbereich vorzustoßen. Geeignete Stecksysteme werden bereits getestet. Dieser Leistungsbereich wird wahrscheinlich zuerst im Verkehrssektor verfügbar sein.

Gewährleistung der Sicherheit durch Kommunikation

An den Ladestationen kommen die Hochleistungskomponenten des Fahrzeugs mit der Ladeinfrastruktur in Kontakt. Es ist wichtig, dass dies unter optimalen Bedingungen geschieht, um eine sichere Ladung zu gewährleisten. Aufgrund der unterschiedlichen internationalen Standards und anbieterspezifischen Systeme müssen die Fahrzeuge und Ladestationen die optimalen Bedingungen selbst aushandeln und überwachen. Dies erfordert eine bidirektionale Kommunikation über spezielle Drähte und Steckverbindungen im Ladestecker. Dies ist für das Gleichstromladen obligatorisch und wird für das Wechselstromladen immer wichtiger. Für das AC-Laden gilt dies vor allem bei der Anbindung an Smart-Home-Systeme und bei der Versorgung potenzieller Verbraucher innerhalb eines Haushalts. Darüber hinaus wird es mit steigendem Anteil von Elektrofahrzeugen notwendig sein, sich mit dem Netzbetreiber abzustimmen, um die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten.

Kommunikationsmethoden

In Asien setzen sie auf ein bekanntes und in der Automobilbranche erprobtes Medium: CAN-Kommunikation. Der CAN-Bus ist seit Jahrzehnten eine etablierte Fahrzeugkomponente. In China wird das bekannte Protokoll SAE J1939 auch im Nutzfahrzeugbereich verwendet, so dass auch große Datenpakete über CAN übertragen werden können. Die USA und Europa treiben das Combined Charging System (CCS) voran und haben sich für eine zweistufige Kommunikationsarchitektur entschieden:

• Basiskommunikation mittels Pulsweitenmodulation (PWM) auf Basis des Tastverhältnisses und der Spannungshöhe mit einer Frequenz von 1 kHz
• High-Level-Kommunikation in Form von auf das PWM-Signal modulierter Powerline-Kommunikation (PLC) auf Basis der Spezifikation HomePlug Green Physical Layer (PHY), die im Rahmen einer Allianz zwischen der Zulieferindustrie und den Automobilherstellern entwickelt wurde. Eine Datenverbindung ermöglicht die TCP/IP-Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation.

Herausforderungen der CCS-Ladung

Da die Kommunikationsleitungen im gleichen Kabel wie die Stromversorgung untergebracht sind und der Gleichstrom nicht immer völlig gleichmäßig ist, muss die Kommunikation unbedingt störungsfrei sein. Deshalb gibt es so hohe Anforderungen an die Signalqualität der PLC. Genau diese PLC stellt sowohl die Fahrzeughersteller als auch die Entwickler von Ladestationen vor neue Herausforderungen in Bezug auf Hardware und Software. Natürlich gibt es auch Normen, die ganz klar vorschreiben, welche Parameter eingehalten werden müssen – leider ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die Umsetzung zwischen Fahrzeug und Ladestation nicht kompatibel ist. Solche Fehler können in elektrische Fehler und Protokollfehler unterteilt werden, die sich auf die folgenden Aspekte beziehen:

• Elektrisch: Spannungspegel, Frequenzen, Anstiegsgeschwindigkeiten, Dämpfungen, Abschlusswiderstände und elektromagnetische Verträglichkeit
• Protokoll: Reaktionszeit auf Meldungen, Kodierung von Daten im Meldungstelegramm, Parametrierung, Verwendung optionaler Parameter, Protokollversionen usw.

Das Angebot an intelligenten Ladelösungen von dSPACE

Zulieferer und Automobilhersteller auf der ganzen Welt nutzen bereits dSPACE Systeme für die Entwicklung und den Test ihrer Regelungsanwendungen. Diese Systeme dienen oft als Grundlage für die Entwicklung und den Test im Bereich der Elektromobilität. Mit dem Add-on Smart Charging Solution lassen sich die wichtigsten Aspekte des Ladevorgangs vollständig abbilden. Die Lösung bietet folgende Leistungsmerkmale:

• Einfache Integration in bestehende Testumgebungen
• Umfassende Testmöglichkeiten für alle relevanten Standards auf Kommunikations- und Leistungsebene
• Einfaches Automatisieren und Parametrieren des Systems
• Hohe Transparenz für Prozesse und Testbibliotheksoptionen (White-Box-Tests)

Anwendungsbereiche der Smart Charging Solution

Dank ihrer großen Flexibilität kann die Smart Charging Solution in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich der Simulation von Ladestationen und der Simulation, dem Test und der Entwicklung von Onboard-Ladegeräten. Auf diese Weise unterstützt die Solution sowohl Elektrofahrzeugen als Hersteller von Ladestationen bei der Entwicklung und dem Test intelligenter Ladetechnologien. Sie ermöglicht die vollständige Konfiguration aller Timing-Elemente, Nachrichteninhalte und Dämpfungseigenschaften für die Übertragung. Wenn die Kommunikationstests unter Spannung stehen, wird die Manipulation von Spannung und Strom in die Gleichung aufgenommen.

Smart Charging Station Emulator

Als besondere Konfiguration verfügt die Solution über ein System, das das elektrische und kommunikative Verhalten einer Ladestation emuliert. Damit ist es möglich, eine frei konfigurierbare Ladestation im Labor zu simulieren. Er erfüllt alle internationalen Standards und ist flexibel für Spannungen bis zu 1.000 V ausgelegt. Darüber hinaus kann der Smart Charging Station Emulator je nach Bedarf mit mehreren DC-Stromversorgungen ausgestattet werden, so dass sowohl auf 400-V- als auch auf 800-V-Ebene eine Ladeleistung von 85 kW möglich ist. In Kundenprojekten kann die Konfiguration erweitert werden, um mehr Stromversorgungen einzubeziehen und höhere Leistungsstufen zu erreichen. Für den Test des AC-Ladevorgangs bietet das dSPACE Echtzeitsystem diverse Schnittstellen zur Steuerung eines Netzemulators, mit dem sich beispielsweise die verschiedenen Netztypen in den Zielmärkten oder Phasenverschiebungen simulieren lassen.

Standardisierte Testbibliotheken

Die Normungsgremien haben sich Gedanken gemacht, wie die Interoperabilität zwischen Ladestation und Fahrzeug gewährleistet werden kann. Zu diesem Zweck wurden Testbibliotheken mit Hunderten von Tests erstellt. Sie bieten eine gute Grundlage, reichen aber nicht aus, um alle Eventualitäten zu beurteilen. Hier heben sich die dSPACE Lösungen durch ihre Fähigkeit, in jeden Test integriert zu werden, vom Rest des Marktes ab. Alle Tests sind als transparente Testskripte implementiert, um eine tiefer gehende Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen. Die erste Konformitätstest sind für Sommer 2021 geplant. Die Testbibliotheken werden von dem Ingenieurdienstleister KPIT implementiert. Die Kunden können auch von der umfangreichen Erfahrung von KPIT bei der Durchführung von Tests profitieren.

Automatische Zahlungen

Mit den automatischen Zahlungen wird ein neues Kapitel im Bereich des elektrischen Ladens aufgeschlagen. Ähnlich wie beim Bezahlen mit einer Kreditkarte werden Verschlüsselungen und Zertifikate verwendet, deren korrekter Austausch überprüft werden muss. dSPACE arbeitet hier mit einem Back-end-Anbieter zusammen, um eine lückenlose Validierungskette zu gewährleisten und Lösungen schnell auf den Markt zu bringen. Ziel ist es, sowohl Komponenten- und Integrationstests als auch Fahrzeugzulassungen zu unterstützen.

Vorverlagern durch Software-Simulation

Natürlich kann auch die Ladetechnologie von einer frühzeitigen Validierung durch Software-in-the-Loop (SIL)-Tests profitieren. dSPACE Werkzeuge werden seit Jahren für den Test virtueller Steuergeräte eingesetzt, die oft nach dem AUTOSAR-Standard entwickelt werden. Diese Testmöglichkeit wird derzeit auch für Smart Charging erprobt, um die Kommunikation und Interaktion mit anderen Software-Komponenten bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses zu validieren. Dadurch ist es möglich, Interoperabilitätstests auch ohne die Hardware des Kommunikationssteuergeräts für Elektrofahrzeuge (EVCC) durchzuführen. Dies ist besonders vorteilhaft, denn je früher ein Fehler erkannt wird, desto einfacher ist es, ihn zu beheben.

dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT MAI 2021