Strom tanken leicht gemacht Der Ladestecker hat viele Gesichter

Strom tanken leicht gemacht

Der Ladestecker hat viele Gesichter

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Die Elektromobilität bringt Schwung in die Fahrzeug-, Elektro- und Energie-Industrie. Normen, etwa für die Schnittstelle zwischen E-Mobil und Stromtankstelle, müssen definiert werden. Phoenix Contact arbeitet an Ladesteckern für den weltweiten Einsatz.

Für die E-Mobilität sprechen viele Gründe. Auch ins Smart Grid passt das E-Mobil – hier kann es dazu beitragen, erneuerbare Energie besser zu nutzen und das Netz stabiler zu machen. In einigen Ländern hat die Politik bereits Zielvorgaben definiert. So liegt das von der Bundesregierung angestrebte Fahrzeugvolumen bei 1 Million Elektroautos im Jahr 2020. Die Automobilindustrie muss sich mit dem Wechsel zum BEV (Battery Electric Vehicle) neu orientieren: vom „großen Motor mit kleinem Tank“ zum „kleinen Motor mit großem Speicher“. Die in der 125-jährigen Geschichte der Verbrennungsmaschine erarbeiteten Kompetenzen werden teilweise über Bord geworfen. Die Ingenieure arbeiten an neuen Antriebskonzepten, die das Automobil stark verändern. Auch bei Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugen (PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicle) werden die Modifikationen nicht weniger drastisch ausfallen. Neben drehmomentstarken Elektromotoren finden Leistungselektronik-Komponenten – wie Wechselrichter, intelligente Batterie-Management-Systeme und Motorsteuerungen – ihren Weg ins Automobil.

Auch das Bordnetz verändert sich. Wo zuvor mit Spannungen im Bereich von 12 bis 24 V gearbeitet wurde, sind heute Primär-Ladespannungen von 850 V in der Diskussion. Bei Ladeströmen von bis zu 250 A müssen auch die Leiterquerschnitte in den Fahrzeugen neu dimensioniert werden. Für die Steckverbindungen im Fahrzeug hat dies weitreichende Konsequenzen. Wo zuvor hauptsächlich Daten und Signale über kleinere Standardstecker durch das Bordnetz geschickt wurden, werden jetzt Hochleistungs-Steckverbindungen sicher und langzeitstabil in das Fahrzeug implementiert.
Beim elektrischen Ladevorgang wird zwischen Wechselstrom- (AC) und Gleichstromladen (DC) unterschieden. Abhängig vom jeweiligen Standard oder Normstecker werden beim AC-Laden Maximalströme von 63 A erreicht. Dies gilt für den Typ 2 nach IEC 62196. Die Maximalspannung dieses Systems liegt bei 480 V. Je nach übertragbarer elektrischer Leistung dauert eine vollständige AC-Batterieladung zirka acht Stunden. AC-Laden eignet sich damit hauptsächlich für den „Hausgebrauch“ – etwa über Nacht in der Garage.
Aufgrund der wesentlich höheren Leistungsdaten sind die Ladezeiten beim DC-Laden erheblich kürzer. In den unterschiedlichen Normkonzepten sind Maximalwerte von 250 A (DC GB Standard Part 3, China) und 850 V (Combo 2 nach IEC 62196–3) ausgewiesen. Gleichstrom erlaubt somit eine Schnellladung in etwa zehn Minuten. Allerdings muss dabei genau auf die Schnellladefähigkeit der Batterie-Pakete geachtet werden. Bei schlechtem Lade-Management und Überhitzung kann der Energiespeicher zerstört werden.Um bei den Ladestecker-Varianten und Lademodi den Überblick zu behalten, hat sich folgende Begriffsdefinition etabliert:
Plug Ladestecker, der in die Ladesäule gesteckt wird Socket Ladebuchse in der Ladesäule Connector Ladestecker, der in das Fahrzeug gesteckt wird Inlet Ladebuchse im Fahrzeug
Primär für das japanische und amerikanische Stromnetz (single-phase) wurde der Typ 1-Ladestecker nach SAE J1772 konzipiert. Der Typ 2-Ladestecker nach IEC 62196 ist für das dreiphasige Netz in Europa ausgelegt. China hat im GB-Standard eine eigene Version des AC-Ladesteckers definiert, die dem europäischen Typ 2 stark ähnelt. Phoenix Contact hat frühzeitig bei der Auslegung dieser GB-Norm mitgewirkt und ist heute bereits mit über 5000 Sockets in Ladesäulen des chinesischen Herstellers Nari (Nanjing Automation Research Institute – einer Tochter des Netzbetreibers China State Grid) vertreten. Ein Sonderfall des AC-Ladens ist der Typ 3 mit integriertem Shutter. Diese Kombination aus Plug und Socket ist derzeit in Frankreich und Italien ausschließlich auf der Infrastrukturseite vorgesehen. Neben dem chinesischen DC-Ladestecker nach GB-Standard und dem japanischen Chademo-Connector dürfen laut neuestem Normentwurf auch AC Typ 1- und AC Typ 2-Ladestecker zum DC-Laden verwendet werden.
Gemeinsam mit der internationalen Automobilindustrie hat Phoenix Contact die Entwicklung des sogenannten Combo-Ladesystems nach IEC 62196–3 vorangetrieben. Der Vorteil dieses Systems liegt in der besonderen Geometrie und Auslegung des fahrzeugseitigen Inlets. In der Ladebuchse integriert ist sowohl ein Anschluss für den AC-Connector als auch für den DC-Schnellladestecker. Analog zum einfachen AC-Laden ist der Combo 1 für den amerikanischen Markt vorgesehen und der Combo 2 für Europa. Hauptzielsetzung bei der Entwicklung und Auslegung der Ladestecker von Phoenix Contact ist die Sicherheit und Ergonomie. Aufgrund der aktuellen Normenlage ist wohl nicht davon auszugehen, dass sich international einheitliche Ladestecker durchsetzen. Einerseits sind die technischen Rahmenbedingungen regional zu unterschiedlich – einphasiges Stromnetz in den USA, dreiphasiges Stromnetz in Europa. Andererseits resultieren aus den Basisnormen der jeweiligen Länder unterschiedliche Anforderungen. Darüber hinaus spielen auch wirtschaftliche Interessen eine Rolle – und verhindern teilweise die optimale Lösung.
Ralf Bungenstock, Phoenix Contact, Blomberg

Elektromobilität – Motor für die Automation

Elektromobilität ist ein zentrales Thema für eine neue „smarte“ Energiezukunft. Die Elektroindustrie ist dabei die einzige Industrie, die die gesamte Kette von der Energieerzeugung bis zum Antrieb des Elektrofahrzeuges beherrscht. Die Vermeidung von CO² bei der Mobilität ist dabei nur ein Aspekt. Intelligente Energienetze setzen eine hohe informationstechnische Verknüpfung dezentraler Erzeuger und Verbraucher voraus. In diesem Szenario kann die Elektromobilität eine zentrale Rolle spielen. Fahrzeuge gerade im Individualverkehr sind oft Stehzeuge. Während dieser Zeiten können sie über Ladestationen mit dem Netz verbunden eine Energiequelle sein. Die Batterien werden zu einem Puffer für die fluktuierende Energieproduktion. Der Ladezeitpunkt von Elektrofahrzeugen lässt sich in smarten Energieverteilungsstrukturen steuern, so dass Elektrofahrzeuge wo immer möglich zu Schwachlastzeiten geladen werden und damit zur Stabilisierung der Netze beitragen. In Hochlastzeiten oder Zeiten geringer Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen können die Batterien Energie ins Netz zurückspeisen. Ein weiterer Vorteil: Diese Pufferung erfolgt sehr dezentral und schon im Niederspannungsnetz. Hochrechnungen zeigen, dass bereits die Pufferkapazität von 500 000 Elektrofahrzeugen mit einer durchschnittlichen Anschlusszeit an Ladestationen ausreichen würde, den heute in Deutschland bestehenden Anteil an regenerativen Energien entsprechend zu puffern. Sechs Millionen Fahrzeuge, die perspektivisch 2030 verfügbar sind, hätten eine Pufferkapazität von 15 GW/h und stellen eine am Netz verfügbare steuerbare Last von 9 GW dar. Diese „Reservelast“ entspricht rund 6 % der heutigen installierten Kraftwerksleistung in Deutschland.
Was hat dies nun alles mit der Automation zu tun? Dezentrale, regenerative Kraftwerke – seien es Windkraftanlagen, Solaranlagen oder Kraftwärmekopplungen – haben einen enormen Bedarf an automatisierungstechnischen Komponenten in Bezug auf Steuerungstechnik, Regelungstechnik und Kommunikationstechnik. Die Vernetzung vieler dezentraler Erzeuger bedarf neuer leittechnischer Integration, Planung und Steuerung. Die Verknüpfung mit der Verbraucherseite führt zukünftig zu intelligenten Netzstrukturen, den so genannten SmartGrids, die wiederum einen enormen, erhöhten Automatisierungsbedarf mit sich bringen. Die Elektromobilität an sich führt zu einem Paradigmenwechsel im Fahrzeugbau. Produkte und Kompetenzen, die bisher in den Bereichen der Fabrikautomation eine wichtige Rolle spielen, werden zunehmend auch im Automobil benötigt. Die elektrischen Netze im Elektrofahrzeug basieren nicht mehr auf 12 V Kleinspannung, sondern sind Niederspannungsnetze bis zu 600 und 800 V. Das Elektrofahrzeug kann, salopp gesagt, betrachtet werden wie eine rollende Werkzeugmaschine, mit allen einhergehenden Anforderungen an Regelungstechnik, Leistungselektronik, Antriebstechnik, Verkabelungs- und Steckersystemen sowie Sicherheitstechnik. Einhergehend mit diesem technologischen Wechsel, bieten sich so neue Chancen für Hersteller der Automatisierungstechnik, auch Produkte in das Elektrofahrzeug zu liefern. Ein noch wesentlich größeres, neues Marktfeld findet sich in der Infrastruktur für Elektromobilität. Ladestationen für Elektrofahrzeuge sind kleine Niederspannungsschaltanlagen mit all den Komponenten und Steuerungskonzepten aus diesem Bereich. Sie müssen auch informationstechnisch in die intelligenten Netzstrukturen integriert werden und stellen neue Anforderungen an IKT-Strukturen, etwa im Bereich der Abrechnungssysteme. Auch hier wird Know-how aus der Industrieautomation benötigt. wm
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