Laden von Elektrofahrzeugen - Elektrische Architekturen

Einbau einer Ladestation in eine bestehende Anlage

Für den Einbau einer Versorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge muss ein Abgang mit einer hohen Auslastung integriert werden und eine Anpassung an die bestehende elektrische Infrastruktur erfolgen.

Dieser Abschnitt stellt die grundlegenden Prinzipien für die Auslegung der Ladeinfrastruktur und ihre Integration in die bestehende elektrische Anlage vor.

Ladeleistungsbedarf liegt unter installiertem Leistungsbedarf

Sind die Anzahl und die Kapazität der Ladepunkte erheblich niedriger als die installierte Leistung, könnte eine zu untersuchende Möglichkeit die Integration der Ladestationen in die bestehende elektrische Anlage sein.

Abb. EV35 – EV-Lasten, in die bestehende elektrische Infrastruktur integriert

Um die Kapazität der bestehenden Anlage zur Aufnahme des Leistungsbedarfs der neuen Lasten beurteilen zu können, muss eine vorläufige Prüfung durchgeführt werden. Es sollte geprüft werden, dass:

• das Versorgungsunternehmen den neuen Leistungsbedarf bereitstellen kann,
• die vorhandene Sammelschiene für die Aufnahme des neuen Leistungsbedarfs ausreichend dimensioniert ist,
• die vorhandene NS-Schaltanlage für die Aufnahme des neuen Leistungsbedarfs und die Integration der zusätzlichen Schutzausrüstung für die EV-Stromkreise ausreichend dimensioniert ist,
• die Selektivität des Überstromschutzes zwischen dem Einspeiseleistungsschalter und den Abgangsleistungsschaltern der EV-Stromkreise erreicht werden kann,
• die Selektivität des Fehlerstromschutzes zwischen der Hauptdifferenzstromschutzeinrichtung (RCD) und den RCDs der EV-Stromkreise erreicht werden kann,
• die RCDs der bestehenden Anlage bei Auftreten von DC-Ableitströmen, die durch die Ladestation induziert werden, arbeiten können,
• der Überspannungsschutz einschließlich der neuen Ladestationen erreicht wird, falls erforderlich mit zusätzlichen SPDs (Risikobewertung).

Die Integration von Ladestationen für Elektrofahrzeuge in die bestehende elektrische Infrastruktur ist eine interessante Möglichkeit, falls dafür keine erheblichen Änderungen oder der Austausch der Ausrüstung erforderlich sind.

In dieser Phase ist es wichtig, eine Prüfung durchzuführen, um die Leistungslast zu ermitteln, die ohne Änderung der bestehenden elektrischen Infrastruktur hinzugefügt werden kann. Eine Möglichkeit wäre es, Maßnahmen zur Energieeffizienz vorzuschlagen, damit der bestehende Verbrauch reduziert und somit der Leistungsbedarf, der hinzugefügt werden kann, erhöht werden können. Es könnten lokale Spannungsversorgungen und ein Speichersystem vorgeschlagen werden, um die Auswirkung der Integration der Anlage zum Laden der Elektrofahrzeuge auszugleichen.

Falls die bestehende NS-Schaltanlage die zusätzliche Leistung nicht aufnehmen kann und/oder Vorrichtungen erforderlich sind, wird die im nächsten Abschnitt beschriebene Möglichkeit empfohlen.

Ladeleistungsbedarf entspricht dem bestehenden Leistungsbedarf oder liegt darüber

Falls der Leistungsbedarf der neuen EV-Lasten dem der bestehenden elektrischen Anlage entspricht oder über diesem liegt, könnte vorzugsweise eine neue NS-Hauptschaltanlage installiert werden, um alle EV-Lasten zu integrieren.

Die bestehende elektrische Infrastruktur wird dann an diese neue NS-Hauptschaltanlage angeschlossen. Zwischen dem Abgang der bestehenden Anlage und der neuen Haupteinspeisung muss eine Selektivität des Überstrom- und Fehlerstromschutzes erreicht werden.

Befinden sich mehrere Ladestationen im gleichen Bereich, könnten in der Nähe des EV-Ladebereichs sekundäre NS-Schaltanlagen installiert werden, um die Kabellänge zu optimieren.

Die Errichtung einer neuen NS-Hauptverteilung hat den Vorteil, dass die Änderungen an der bestehenden elektrischen Anlage minimiert werden können. Darüber hinaus bietet dies die Möglichkeit, die Schutzeinrichtungen zu koordinieren und somit die Leistungsverfügbarkeit zu optimieren.

Abb. EV36 – EV-Lasten, in eine neue Niederspannungs-Hauptverteilung integriert

Nutzen lokaler Energieversorgungen zum Ausgleichen des Leistungsbedarfs für das Laden von Elektrofahrzeugen

Die Integration von EV-Lasten erhöht den Leistungsbedarf der elektrischen Anlage erheblich.

Oft ist die Erweiterung der lokalen Energieinfrastruktur erforderlich. In bestimmten Fällen kann ein Wechsel von einem NS-Netzanschluss zu einem MS-Netzanschluss erforderlich sein.

Neben der elektrischen Infrastruktur muss der Stromliefervertrag mit dem Energieversorger überprüft werden.

Um diese Arten von erheblichen Änderungen an der bestehenden lokalen Anlage zu begrenzen oder zu vermeiden, können lokale Energieversorgungseinrichtungen hinzugefügt werden, wie zum Beispiel:

• Photovoltaikanlage: für die lokale Energieerzeugung und die Verpflichtung zu Nachhaltigkeit
• Energiespeichersystem: zur Vermeidung von Leistungsbedarfsspitzen und zur Optimierung der Verwendung von Solarenergie
• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK): kombinierte Wärme- und Energiegewinnung, falls relevant

Lokale Leistungsversorgungen können an die neue NS-Hauptverteilung angeschlossen werden. Für die Integration in eine bestehende elektrische Infrastruktur muss eine vorausgehende Prüfung durchgeführt werden.

Abb. EV37 – EV-Lasten und lokale Spannungsversorgungen, in eine neue Niederspannungs-Hauptverteilung integriert

Laden von Elektrofahrzeugen – Beispiele für Anlagen

Die unten folgenden Beispiele sollen die Umsetzungen der Ausführungsregelungen veranschaulichen, die unter „Aufbau der elektrischen Anlage“ (Leistungsbedarf und Gleichzeitigkeitsfaktor, Schutz gegen Stromschläge usw.) beschrieben sind. Sie zeigen auch, dass die Anforderungen an das Laden von Elektrofahrzeugen je nach Anwendung erheblich variieren können: Leistung und Anzahl von Ladestationen, die den Ladezeiten und -geschwindigkeiten für jeden geplanten Endnutzer entsprechen usw.

Beispiel für die Architektur von Ladestationen mit Mode 3 entsprechend unterschiedlicher Lastmanagementstrategien

Mehrere Länder haben sich bereits einige regulatorische Ziele für Geschäftsgebäude gesetzt, für die ein Mindestprozentsatz von Parkplätzen mit Ladestationen auszustatten ist.

Hierbei handelt es sich nur um eine minimale Anforderung. Da die Geschwindigkeit, mit der Elektrofahrzeuge eingeführt werden, nicht eindeutig bekannt ist und da diese Regelungen in naher Zukunft wahrscheinlich strenger werden, ist es ratsam, die elektrische Anlage für zukünftige Nachrüstungen vorzubereiten. Insbesondere Schienenverteilersysteme können diese zukünftige Entwicklung ermöglichen. Die Lastmanagementstrategie wird sich auch auf die Dimensionierung der Anlage auswirken.

Bei diesem Beispiel betrachten wir ein Geschäftsgebäude mit 30 Parkplätzen. Es sollen 10 % der Parkplätze mit Ladestationen ausgestattet werden, d.h. 3 Parkplätze sind mit einer Versorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE) auszustatten, mit möglicher Erweiterung auf 7 Parkplätze, z. B. 7 Ladepunkte. Ausgewählt ist nur Lademodus 3.

Lösung 1: ohne Lastmanagementsystem

[a] Für die Selektivität mit dem NSX250 ist der ComPacT NSX630 für 400 A ausgewählt

Abb. EV38 – Lösung 1: ohne Lastmanagementsystem. Der Vertrag mit dem Versorgungsunternehmen gilt für die Gesamtleistung. Der Schienenverteiler ist ebenfalls für die volle Leistung der EVSE ausgelegt.

Bei dieser Lösung ist die elektrische Anlage für die Gesamtleistung ausgelegt, einschließlich einer zukünftigen Erweiterung auf 7 EVSE. Da kein Lastmanagementsystem vorhanden ist, können alle Ladepunkte gleichzeitig genutzt werden. Daher liegt der Gleichzeitigkeitsfaktor bei 1 (IEC 60364-7-722).

Der Schienenverteiler ist für 7 x 22 kW = 154 kW ausgelegt, z. B. ~225 A.

Alle 7 Ladestationen können bei voller Ladeleistung für die Versorgung von 7 Elektrofahrzeugen gleichzeitig verwendet werden.

Lösung 2: mit statischem Lastmanagementsystem

Abb. EV39 – Lösung 2: mit statischem Lastmanagementsystem. Damit kann die allgemeine Dimensionierung des Schienenverteilers reduziert werden. Der Vorteil der gesamten verfügbaren Leistung der Anlage geht jedoch verloren.

Die elektrische Anlage ist für die Gesamtleistung ausgelegt, einschließlich einer zukünftigen Erweiterung, jedoch mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,4, weshalb eine Leistungseinschränkung der Ladestationen unter 100 A bleiben muss. Ein Lastmanagementsystem mit einem statischen Sollwert von 100 A ist eingerichtet. Es steht in Verbindung mit der EVSE, um sicherzustellen, dass die gesamte von den Ladestationen verbrauchte Leistung unter 100 A bleibt. Es wird auf keinen Fall mehr als 100 A für das Laden von Elektrofahrzeugen nutzen, selbst wenn die verfügbare Leistung aus der elektrischen Anlage mitunter höher ist.

Der Schienenverteiler ist daher für 100 A ausgelegt.

Alle 7 Ladestationen können gleichzeitig verwendet werden, allerdings nicht mit voller Ladeleistung, sondern bis zu maximal insgesamt 100 A. Beispielsweise können nur 3 Elektrofahrzeuge gleichzeitig mit der vollen Leistung eines Ladepunkts gleichzeitig versorgt werden.

Lösung 3: mit dynamischem Lastmanagementsystem

Abb. EV40 – Lösung 3: mit dynamischem Lastmanagementsystem, bei dem die gesamte verfügbare Leistung der elektrischen Anlage dynamisch für das Laden von Elektrofahrzeugen genutzt werden kann

Die elektrische Anlage ist für die Gesamtleistung ausgelegt, einschließlich einer zukünftigen Erweiterung, jedoch mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 0,7, z. B. bis 160 A für das Laden von Elektrofahrzeugen. Ein dynamisches Lastmanagementsystem wird 100 % der verfügbaren Leistung der elektrischen Anlage dynamisch zuordnen, weshalb die Anzahl der gleichzeitig geladenen Fahrzeuge erhöht werden kann, wenn die anderen Lasten des Standorts nicht genutzt werden.

Der Schienenverteiler ist für 160 A ausgelegt.

Alle 7 Ladestationen können gleichzeitig verwendet werden, allerdings nicht mit voller Ladeleistung, sondern bis zu maximal insgesamt 160 A. Bei dieser Lösung können 3 bis 5 Fahrzeuge gleichzeitig und mit voller Leistung versorgt werden, je nach Verbrauch der anderen Lasten des Standorts.

Diese Lösung eignet sich für Anlagen, bei denen die Spitzenlast des Gebäudes nicht mit dem Ladebedarf der Fahrzeuge zusammenhängt, zum Beispiel ein Hotel bei Nacht.

Übersicht

Abb. EV41 – Übersicht über die Leistung bei voller Ausstattung mit 7 Ladestationen

Lösung	Gleichzeitigkeitsfaktor	Schienenverteilerauslegung	Festgelegte Spannungsversorgung des Versorgungsunternehmens	Anzahl der gleichzeitig ladenden Fahrzeuge	LMS-Typ
Lösung 1	1	250 A	250 kVA	7	Kein LMS
Lösung 2	0.4	100 A	170 kVA	3	Statisch
Lösung 3	0.7	160 A	170 kVA	3-5	Dynamisch

Abb. EV42 – Beispiel für die Kapazität von Schienenverteilern von Schneider Electric ohne und mit intelligenter Ladestation

Typ Schienenverteiler	Nennstrom Schienenverteiler	EVlink Wallbox - Wallbox plus				EVlink Smart Wallbox
		Einphasig		Dreiphasig		Einphasig	Dreiphasig
		3.7kW / 16A	7.4kW / 32A	11kW / 16A	22kW / 32A	7.4kW / 32A (8A)	22kW / 32A (8A)
KNA63	63 A	9	3	3	1	3 (21)	1 (7)
KNA100	100 A	18	9	6	3	9 (36)	3 (12)
KNA160	160 A	27	12	10	5	12 (60)	5 (20)
KSA250	250 A	45	21	15	7	21 (93)	7 (31)

• Die Werte geben die Anzahl der EVlink-Wallboxen an, die unter folgenden Voraussetzungen an dem Schienenverteiler installiert werden können:
  - Netz mit 230/400 V,
  - Einphasige EVSE, gleichmäßig an den 3 Phasen verteilt
  - Gleichzeitigkeitsfaktor auf 1 festgelegt (kein Lastmanagementsystem, z. B. Ladestationen immer bei voller Ladeleistung, und gleichzeitige Nutzung aller Ladestationen)
• Die zusätzlichen in Klammern angegebenen Zahlen gelten für die gleichen Voraussetzungen, aber für einen auf 8 A beschränkten maximalen Ladestrom.

Für alle 3 Lösungen: Die in den Einpoligen-Netzschemata gezeigten RCDs mit 1 A und 300 mA sind vom Typ A (und nicht vom Typ B). Dies ist nur möglich, weil diese Typ-A-RCDs von Schneider Electric bei Auftreten des DC-Ableitstroms, der von den sieben nachgeschalteten durch RCDs des Typs B geschützten Ladestationen erzeugt wird, ordnungsgemäß funktionieren. Siehe Kapitel F – Auswahl der RCDs bei Auftreten von DC-Erdschlussströmen und Teil 4 dieses Kapitels für weitere Angaben.

Architektur mit verschiedenen Ladezeitanforderungen: Beispiel eines Autohauses

Ladebereiche und Ladekapazität

Autohändler sehen sich mit folgenden grundlegenden Entwicklungstrends konfrontiert:

• Neue Modelle und größeres Angebotsportfolio
• Zu erwartende Steigerung der Anzahl von Elektrofahrzeugen (sowohl BEV als auch PHEV)
• Sich über die kommenden Jahre erheblich vergrößernde Kapazitäten der Batterien von Elektrofahrzeugen

Infolgedessen benötigen Autohäuser eine entsprechende Ladeinfrastruktur für das Laden der Elektrofahrzeuge.

Diese Ladeinfrastruktur wird unter Berücksichtigung der angenommenen Bedürfnisse der verschiedenen Bereiche und Aktivitäten in Autohäusern eingerichtet, in denen Elektrofahrzeuge geladen werden sollen.

Abb. EV43 – Beispiel für die Anforderungen an das Laden von Elektrofahrzeugen pro Zone/ Nutzung für ein Autohaus

Zone	Anforderungen an das Laden von Elektrofahrzeugen
Vorführwagen und Firmenwagen	Die Ladeempfehlung für Vorführwagen und Firmenwagen hängt von ihrer Nutzung ab. Für diese Anwendung kann relativ schnelles Laden (22 kW AC oder mehr) am Tag erforderlich sein.
Lieferbereich für Neuwagen	Neuwagen sind normalerweise teilgeladen, bevor sie an die Einzelhändler ausgeliefert werden. Vor Auslieferung an den Kunden sollten sie vollständig geladen sein (zu 100 %). Dieser Ladevorgang kann nachts im Leistungsbereich von 7,4 kW durchgeführt werden.
Probefahrten	Für Probefahrten sollten Elektrofahrzeuge schnell geladen werden, um ihre Verfügbarkeit zu maximieren. Diese Hauptladung kann nachts erfolgen. Tagsüber ist möglicherweise eine Nachladung erforderlich. In einem solchen Fall sollte das Laden relativ schnell erfolgen, z. B. mit 22 kW AC.
Ersatzwagen	Sowohl BEV- als auch PHEV-Ersatzwagen sollten vor Auslieferung vollständig geladen werden. Der Ladevorgang kann nachts bei 7,4 kW oder 22 kW erfolgen.
Gewartetes und repariertes Kundenfahrzeug	Im Fall eines Premium-Kundenservices sollten gewartete und reparierte Kundenfahrzeuge nach der Wartung vollständig geladen werden. Idealerweise sollte der Ladevorgang innerhalb weniger Stunden, normalerweise tagsüber, mit Ladestationen bei 22 kW durchgeführt werden. Möglicherweise kann eine zusätzliche DC-Versorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge erforderlich sein, um Tests mit Gleichstromladung (z. B. 50 kW DC) durchzuführen.
Kundenparkplätze (Teil des Retail-Standards von BMW)	Kunden von Autohäusern müssen möglicherweise ihr Elektrofahrzeug während ihres Besuchs aufladen. Solche Ladevorgänge werden tagsüber durchgeführt. Für den Premium-Kundenservice wird eine 22-kW-Ladestation empfohlen.
Mitarbeiterparkplätze	Mitarbeiter von Autohäusern sollten die Möglichkeit haben, ihre Elektrofahrzeuge am Arbeitsplatz aufzuladen. Da die Fahrzeuge von Mitarbeitern mehrere Stunden auf dem Parkplatz verbleiben, könnte der Leistungsbereich der Ladestationen bei 7,4 k W liegen. Der Ladevorgang wird tagsüber durchgeführt.

Laden von Elektrofahrzeugen – Beispiele für den Aufbau der Ladeinfrastruktur

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen, die den beschriebenen Voraussetzungen entspricht.

Alle EV-Lasten sind an eine neue Niederspannungshauptverteilung (NSHV) angeschlossen.

• Jeder EV-Stromkreis ist durch einen Leitungsschutzschalter und eine Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) Typ B 30 mA, wie nach IEC 60364-7-722 erforderlich, geschützt (es muss geprüft werden, ob in der Ladestation bereits eine RCD integriert ist).
• Die EVSE sollte gegen transiente Überspannungen aufgrund von Blitzschlägen geschützt werden. Abhängig von der Blitzschutzanlage des Gebäudes, dem Standort der EVSE (Innen- oder Außenbereich) und dem Abstand zwischen der EVSE und dem SPD an der NS-Schaltanlage können für die EVSE Blitzschutzeinrichtungen erforderlich sein.
• Die EVSE sollte über Mittel zur automatischen Trennung verfügen.
• Fehlerstrom- und Überstromschutzeinrichtungen können in einer Vorrichtung (wie beim 150-kW-Stromkreis der EVSE) kombiniert werden. Es sollte geprüft werden, ob die EVSE über eine galvanische Trennung zwischen der Wechselstrom- und der Gleichstromseite verfügt. Die Schutzeinrichtungen sollten entsprechend ausgewählt werden.
• Da mehrere einphasige 7,4-kW-EVSE (Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge) vorhanden sind, wird empfohlen, diese gleichmäßig auf die 3 Phasen zu verteilen, um ungleichmäßige Belastung zu verhindern.
• Da sich mehrere EVSE im gleichen Bereich (Kundenparkplatz) befinden, könnte es sich lohnen, für diese EV-Lasten einen Niederspannungsunterverteiler in der Nähe zu installieren, um die Menge und die Länge von Kabeln zu optimieren.
• Da sich mehrere EVSE im gleichen Bereich (Mitarbeiterparkplätze) befinden, kann ein Schienenverteilersystem für eine flexible, kostengünstige und zukunftssichere Lösung zum Einsatz kommen.

Da die bestehende Händleranlage an die neue NS-Hauptverteilung angeschlossen ist, muss die Selektivität des Überstrom- und Fehlerstromschutzes berücksichtigt werden.

Die neuen EV-Lasten erhöhen den Leistungsbedarf erheblich. Eine zusätzliche Photovoltaikanlage mit Speichersystem kann dazu beitragen, den erhöhten Leistungsbedarf zum Teil auszugleichen.

Abb. EV44 – Beispiel für die Ladeinfrastruktur bei Elektrofahrzeugen für ein Autohaus unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ladebedürfnisse pro Zone/Nutzung