Aufbau von Ladestationen

Der Begriff „Ladestation für Elektrofahrzeuge“ ist laut der Definition in IEC 61851-1 der stationäre Teil der Ladestation für Elektrofahrzeuge, der an das Versorgungsnetz angeschlossen ist. Möglich sind Wand- oder Bodenmontage, Wechselstrom oder Gleichstrom. Es handelt sich dabei um eine spezielle Anlage für das Laden von Elektrofahrzeugen im Lademodus 3 (Wechselstrom) und 4 (Gleichstrom).

In den folgenden Abschnitten finden sich detaillierte Angaben zu Aufbau und Leistungsmerkmalen von Ladestationen für Elektrofahrzeuge im Lademodus 3 und 4.

Aufbau von Ladestationen – IEC-Normen

Ladestationen mit Lademodus 3 und 4 müssen den Anforderungen der Norm IEC 61851 entsprechen.

Diese Norm legt die Anforderungen an Mechanik, Elektrik, Kommunikation, EMV und Leistung von Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge im Mode 3 und Mode 4 fest.

Teil 1 dieser Norm legt allgemeine Anforderungen fest und bildet die Grundlage für alle weiteren Normen dieser Reihe. Dieser Teil umfasst die Anforderungen an Wechselstromladestationen. Die dritte Ausgabe dieser Norm wird in der europäischen Union bis Februar 2022 verpflichtend.

Teil 21-2 legt die EMV-Anforderungen an externe Ladesysteme für Elektrofahrzeuge fest und definiert, ob es sich um Ladestationen der Klasse A oder Klasse B handelt.

Externe Ladesysteme für Elektrofahrzeuge der Klasse A sind Einrichtungen, die sich für die Verwendung an allen Standorten mit Ausnahme von Wohnbereichen sowie für solche, die direkt an ein Niederspannungsversorgungsnetz angeschlossen sind, das Gebäude für Wohnzwecke versorgt, eignen.

Externe Ladesysteme für Elektrofahrzeuge der Klasse B sind Einrichtungen, die sich für die Verwendung in Wohngebäuden sowie für Einrichtungen, die direkt an ein Niederspannungsversorgungsnetz angeschlossen sind, das Gebäude für Wohnzwecke versorgt, eignen.

Teil 23 legt die Anforderungen für Gleichstromladestationen fest, die sowohl mit einem festen Kabel als auch einem Stecker verbunden sind.

Teil 24 legt die Anforderungen an die digitale Kommunikation zwischen einer Gleichstromladestation und einem Elektrofahrzeug zur Steuerung des Gleichstromladevorgangs fest.

Im Allgemeinen hängen die Hauptleistungsmerkmale der Ladestation von der Verwendung und dem Ort ab, an dem sie aufgestellt ist.

Aufbau von Ladestationen – Gemeinsame Leistungsmerkmale von Lademodus 3 und 4

Umgebungsbezogene Kenndaten

Ladestationen können in Innen- oder Außenbereichen aufgestellt werden.

In der Regel sollte die IP-Schutzart bei Verwendung im Außenbereich mindestens einen Schutzgrad von IP 54 haben, auch wenn nach IEC 61851-1 als mindest Schutzgrad nur IP 44 gefordert wird. Der Schutz gegen mechanische Einwirkung (IK-Code) liegt im Allgemeinen bei IK 10. Um IEC 61851-1 zu entsprechen, müssen die Ladestationen nach IEC 61439-7 geprüft und hergestellt werden. Daher muss die Ladestation bis zu einer Aufstellhöhe von 2000 Metern, in Außenbereichen für eine durchschnittliche Umgebungstemperatur von -25 °C bis +35 °C und in Innenbereichen von -5 °C bis 35 °C betriebsfähig sein.

In der Praxis sind Ladestationen normalerweise in einem Bereich von –30 °C bis +50 °C und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit im Bereich von 5 % bis 95 % betriebsfähig.

Ladestationsausgang

Der Ausgang einer Ladestation ohne fest angeschlossenes Kabel heißt Steckdose, mit fest angeschlossenem Kabel Stecker.

Eine Ladestation kann einen Ladepunkt oder mehrere Ladepunkte aufweisen. Wechselstromladestationen mit einem Ladepunkt werden normalerweise für Einfamilienhäuser verwendet. Wechselstromladestationen mit mehreren Ladepunkten finden üblicherweise bei Ladestationen in öffentlichen Parkplätzen oder Parkhäusern Verwendung. Ausgänge können vom gleichen Typ sein oder sich im Typ unterscheiden.

Ladestationen mit mehreren Ladepunkten haben den Vorteil, dass Nutzer potenziell mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig aufladen können. In diesem Fall kann entweder die Gesamtleistung der Ladestation auf die Ausgänge verteilt werden, oder die volle Leistung kann jedem Ausgang unabhängig von den anderen Ausgängen fest zugeordnet sein. Allerdings ist es möglich, dass eine Ladestation mit mehreren Ladepunkten nicht in der Lage ist, mehrere Ladevorgänge gleichzeitig zu bewältigen.

Darüber hinaus kann eine Ladestation eine Kombination aus Gleichstrom- und Wechselstromausgängen umfassen.

Authentifizierung

Abb. EV19 – Beispiel einer Ladestation mit Authentifizierungsvorrichtung

Befindet sich die Ladestation an einem öffentlichen Platz, kann sie eine Authentifizierungsvorrichtung umfassen, z. B. ein RFID-Lesegerät. Hierüber kann der Nutzer der Ladestation identifiziert werden. So wird ermittelt, ob der Nutzer für die Verwendung der Ladestation autorisiert ist und ob er für die Verwendung zahlungspflichtig ist.

Nutzern können auch unterschiedliche Sonderrechte zugeordnet werden, z. B. Vorrechte für VIP-Nutzer, so dass diese ihr Elektrofahrzeug aufladen können, wenn die Ladestation über mehrere Ausgänge verfügt.

Die Authentifizierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, z. B. lokal oder über ein Backend per Fernzugriff. Bei Verbindung zum Backend sollte die Ladestation in der Lage sein, im (eingeschränkten) Offline-Modus zu arbeiten, falls die Kommunikation zum Backend unterbrochen wird. Im Offline-Modus könnte der Ladevorgang zum Beispiel für alle Karten, keine Karten, oder auch für die Karten die in der Ladestation hinterlegt sind zugelassen sein.

Bei einer Ladestation, die zu Hause installiert ist, ist normalerweise keine Authentifizierungsvorrichtung notwendig.

Verbindung der Ladestation

Ladestationen können unabhängig ohne externe Verbindung arbeiten, sie können aber auch über mehrere Verbindungsarten, wie z. B. Ethernet, Wi-Fi, 3G/4G, Bluetooth, NFC, und sogar über einen potenzialfreien Kontakt verfügen.

Die externe Verbindung lässt verschiedene Möglichkeiten zu:

• Konfiguration der Ladestation (z. B. Anlagen mit RFID-Karten zur Autentifizerung, Parameter usw.)
• Wartung (zur Diagnose bei auftretenden Problemen)
• Fernladeberechtigung (bei Berechtigungen für die Ladestation über ein externes Backend-System)
• Empfang von Befehlen zur Leistungsreduzierung (z. B. Empfang eines Signals für die Spitzen-/Nebenzeiten vom elektronischen Zähler oder von einem Lastmanagementsystem)
• …

Aufbau von Ladestationen – Mode 3

Wechselstromladestation – Leistungs- und Stromabgabe

Die von Wechselstromladestationen abgegebene Leistung liegt bei 3,7 kW, 7,4 kW, 11 kW oder 22 kW. Die standardmäßig abgegebene maximale Stromstärke beträgt 32 A.

Wechselstromladestation – Installationstyp

Abb. EV20 – Beispiele für Ladestationen

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  Wandmontage

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  Bodenmontage

Wechselstromladestationen können auf zweierlei Weise installiert werden: Wandmontage oder Bodenmontage.

Die Wandmontage ist z. B. für die Installation in Garagen oder Carports geeignet.

Die Bodenmontage erfolgt auf einem Sockel, der eine oder mehrere Ladestationen trägt. Außerdem können Ladestationen in einen Sockel eingebettet werden. Diese Lösung eignet sich z. B. für Ladepunkte auf Parkplätzen am Arbeitsplatz oder an öffentlich zugängigen Ladepunkten.

Wechselstromladestation – mit oder ohne fest angeschlossenes Kabel

Wechselstromladestationen können entweder über ein fest angeschlossenes Kabel verfügen oder ein separates Kabel benötigen. In einigen Fällen hängt die Anwendung einer bestimmten Lösung von den lokalen Vorschriften ab. So ist zum Beispiel in Singapur ein fest angeschlossenes Kabel vorgeschrieben.

Wechselstromladestationen mit fest angeschlossenem Kabel sind für Fälle bestimmt, in denen immer die gleiche Verbindungsart verwendet wird, beispielsweise an einer Stelle, an der die Ladestation immer für das gleiche Fahrzeug/ Fahrzeugtyp verwendet wird.

Wechselstromladestationen ohne fest angeschlossenes Kabel sind flexibler, da sie für jedes beliebige Fahrzeug geeignet sind. Diese Ladestationen umfassen Steckdosen vom Typ 1, Typ 2 oder Typ 2-S usw. und sogar Haushaltssteckdosen. Fahrer von Elektrofahrzeugen nutzen ihr eigenes Kabel, um die Verbindung zwischen der Ladestation und ihrem Fahrzeug herzustellen. In diesem Fall kann nach lokalen Vorschriften ein spezieller Steckdosentyp erforderlich sein, wie z. B. in Frankreich, wo Stecker vom Typ 2 für Ladestationen verboten sind. Stattdessen ist ein Stecker vom Typ 2-S vorgeschrieben.

Diese Art Ladestation (ohne fest angeschlossenes Kabel) findet besonders in gewerblichen Gebäuden Verwendung, wo viele unterschiedliche Fahrzeugtypen zu jedem beliebigen Zeitpunkt aufgeladen werden.

Aufbau von Schnellladestationen – Mode 4

Schnellladestation – Leistungsabgabe

Der Leistungsbereich einer Gleichstromladestation reicht bei einem Combo-CCS-Stecker von 24 kW bis zu über 900 kW, bei einem CHAdeMO-Stecker bis 400 kW.

Schnellladestation – Installationstyp

Der Leistungsbereich einer Gleichstrom-Schnellladestation kann von 24 kW bis zu über 900 kW reichen. Daher können sich Ladestationen in ihrem mechanischen Aufbau erheblich unterscheiden.

Im Allgemeinen können sie jedoch in drei Hauptkategorien unterteilt werden.

Die erste Kategorie ist die Wandmontage, die eine gute Option für Ladestationen um 24 kW darstellt. Für höhere Leistungswerte steigt das Gewicht der Ladestation, so dass sie auf dem Boden installiert werden muss.

Die zweite Kategorie umfasst zentrale Einzelladestationen, die auf dem Boden montiert sind.

Die dritte Kategorie umfasst einen Ladeschrank und eine bis mehrere Satelliten-Ladesäulen. Der Ladeschrank ist innen mit Leistungsmodulen ausgestattet. Auf diese Weise kann die Ladeleistung dynamisch auf jede Satelliten-Ladesäule verteilt werden. Diese Lösung kommt im Allgemeinen in Gleichstrom-Ladestationen zur Anwendung, die eine Leistung von über 500 kW liefern.

Schnellladestation – mit fest angeschlossenem Kabel

Für eine Gleichstrom-Schnellladestation sind fest angeschlossene Kabel erforderlich.