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Die spezifischen Anforderungen von E-Fahrzeug-Ladestationen

| Autor / Redakteur: Matt Pate, Maria Ho / Benjamin Kirchbeck

Die mit E-Fahrzeugen verbundenen Einschränkungen und das Fehlen einer vollwertigen Infrastruktur haben etliche potenzielle Nutzer bisher abgeschreckt.
Die mit E-Fahrzeugen verbundenen Einschränkungen und das Fehlen einer vollwertigen Infrastruktur haben etliche potenzielle Nutzer bisher abgeschreckt. (Bild: Texas Instruments)

Worauf kommt es bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge an? Welche Bauarten gibt es, welche ist die effizienteste Umwandlungs-Topologie und worauf ist bei der Benutzeroberfläche zu achten?

Auch wenn sich Verbreitung von Versorgungsanlagen für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Supply Equipment – EVSE) von Region zu Region unterschiedlich ist, wird für die weltweite Zahl der Ladestationen ein Wachstum von einer Million Stationen im Jahr 2014 auf über 12,1 Millionen im Jahr 2020 erwartet (IHS Market Research). Dank staatlich finanzierter Deployment-Strategien haben Asien und Europa hier eine Vorreiterrolle übernommen. Zum Beispiel hat sich China zur Implementierung eines Netzes mit mehr als 4 Millionen Ladestationen bis 2020 verpflichtet, und seitens der deutschen Regierung wurde die Vorgabe gemacht, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bis 2023 durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen.

Eine solche Zielsetzung verlangt natürlich nach einer umfangreichen Infrastruktur, die offen, bequem und einfach anzuwenden ist und eine optimale Nutzererfahrung bietet. Die USA, in denen mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind als irgendwo sonst, verfolgen gegenwärtig ein Konzept, das sich auf lokale Gemeinwesen und Elektrofahrzeug-Hersteller sowie Privatunternehmen stützt. Ein Wachstum dieser Größenordnung liefert zweifellos Anreize für Innovationen beim Design von Ladestationen und bei der Schaffung einer umfassenden Infrastruktur für Elektrofahrzeuge.

Die verschiedenen Bauarten von Elektrofahrzeug-Ladestationen

Man findet Ladestationen in verschiedenen Umfeldern vor: in Garagen an privaten Wohnhäusern, auf öffentlichen Parkplätzen neben Restaurants oder beispielsweise an Supermärkten. Die Society of Automotive Engineers (SAE) unterscheidet derzeit zwischen drei Arten von EVSE:

  • EVSE des Levels 1 nutzt herkömmliche Netzsteckdosen (in den USA einphasig mit 120 V und 12 A bis 16 A). Die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom erfolgt dabei im Fahrzeug. Diese relativ kostengünstigen Ladestationen können eine komplett entladene Elektrofahrzeug-Batterie mit einer Kapazität von 24 kWh in etwa 17 Stunden aufladen.
  • Stationen des Levels 2 basieren auf ähnlicher Technik wie Level 1, kommen aber mit einer leistungsstärkeren, mehrphasigen Eingangsspannung von 208 V bis 240 V und 15 A bis 80 A zurecht. Die Ladezeit für einen vollständig entladenen Akku verkürzt sich dadurch auf acht Stunden.
  • Level 3 unterscheidet sich von Level 1 und 2 dadurch, dass die Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom in der Ladestation erfolgt. Demzufolge kann die Batterie mit einer hohen Gleichspannung versorgt werden, um die Ladezeit zu verkürzen. Eine Station des Levels 3, die 300 V bis 600 V bei maximal 400 A zur Verfügung stellen kann, kostet deshalb deutlich mehr. Die ungefähre Ladezeit beträgt 30 Minuten. Im Unterschied zu den Levels 1 und 2, die eher für das Laden über Nacht an Wohnhäusern vorgesehen sind, findet man die teuren Schnellladestationen des Levels 3 vorwiegend an öffentlichen Orten, wo sie von mehreren Fahrzeugeignern genutzt werden können.

Angesichts der Einschränkungen und niedrigeren Kosten der Stationen gemäß Level 1 und 2 haben bestimmte Regionen neuartige Konzepte für das EVSE-Deployment erarbeitet. Ein asiatisches Land, in dem Elektroroller recht populär sind, rief beispielsweise ein Austauschprogramm für Roller-Batterien ins Leben. Anstatt auf das Laden der Batterie zu warten, können die Benutzer ihre entladene Batterie im örtlichen Einzelhandel gegen eine voll geladene Batterie eintauschen. Eine Smartphone-App informiert die Fahrer, wo und wann geladene Batterien verfügbar sind.

Woraus besteht eine Ladestation?

Mit Ausnahme der in Gleichstrom-Schnellladestationen implementierten Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom enthalten die meisten Elektrofahrzeug-Ladestationen identische oder zumindest ähnliche Subsysteme.

Abgesehen vom Leistungsteil besteht die Architektur in der Regel aus einer Art CPU (Central Processing Unit) wie etwa einem Mikrocontroller (MCU) oder einem Mikroprozessor, Kommunikations-Subsystemen für den internen Datenaustausch und die Kommunikation nach außen sowie einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface – HMI). Bei einigen CPUs von ausgefeilteren Ladestationen handelt es sich um Multicore-Bausteine, die möglicherweise auch einen DSP-Core (Digitaler Signalprozessor) enthalten.

Kurzfristig mag für die Benutzeroberfläche einer häuslichen Ladestation eine eher einfache Lösung hinnehmbar sein. Allerdings können die Erwartungen der Konsumenten steigen, wenn sie mehr Daten oder Rückmeldungen über ihr Auto, ihre Batterie oder den Ladevorgang wünschen. Bei hochkarätigen Ladestationen in öffentlichen oder kommerziellen Bereichen ist eine grafische HMI zwingend erforderlich, um Informationen effektiv zu kommunizieren, Bezahlvorgänge sicher abzuwickeln und ein höheres Maß an betrieblicher Interaktion mit dem Endanwender zu erreichen.

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