Bild 1: Am Beginn eines neuen mobilen Zeitalters; der Ladesteckverbinder dient als Schnittstelle zwischen E-Mobil und Ladesäule.Phoenix Contact
Das absehbare Ende der Ölförderung sowie steigende Umweltprobleme durch Luftverschmut-zung und Klimawandel beflügeln die Suche nach alternativen Antrieben für das Automobil. Zurzeit steht dabei der Elektromotor besonders im Fokus. Zum Aufladen der E-Mobile werden Hightech-Steckverbinder benötigt, wie Phoenix Contact sie bereits produziert.
Das Konzept der E-Mobilität sieht vor, dass die Traktion mit Hilfe von Elektromotoren erfolgt. Die erforderliche Energie stammt aus wieder-aufladbaren Batterien; zumeist handelt es sich dabei um Li-Ionen-Akkus. Anders als die Bordelektrik unserer konventionellen Automobile benötigt der Elektroantrieb eine wesentlich höhere Spannung von mehreren 100 V – und zwar in einem von der sonstigen Bord-Elektrik vollkommen getrennten Stromkreis.
DC-Laden oder AC-Laden
Zum Wiederaufladen der Batterien wird elektrische Energie von außen zugeführt. Hierfür gibt es zwei grundsätzliche Konzepte. Beim DC-Laden wird von außen eine Gleichspannung an die in Reihe geschalteten Batterien angelegt (Bild 2).
Bild 2: Ladekonfiguration zum DC-Laden; von außen wird eine Gleich- spannung an die Batterien angelegt.Phoenix Contact
Damit Strom fließt, muss die angelegte Spannung so geregelt werden, dass sie immer etwas höher als die aktuelle Zellenspannung der in Reihe geschalteten Batterien ist. Dazu ist eine komplexe Laderegelung erforderlich, denn es können Ströme von mehreren 100 A auftreten. Damit wird die Batterie in etwa 15 Minuten wieder aufgeladen. Dieses Konzept eignet sich gut für die Wiederaufladung während einer Fahrtunterbrechung, etwa an der Autobahn-Raststätte.
Bild 3: Ladekonfiguration zum AC-Laden; eine Ladeelektronik innerhalb des Fahrzeugs wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um.Phoenix Contact
Beim zweiten Konzept steht dem Fahrzeug eine AC-Spannung zur Verfügung (Bild 3). Dazu wird eine Ladeelektronik innerhalb des Fahrzeugs benötigt. Die Ladeelektronik wandelt die angebotene Wechselspannung in eine Gleichspannung und regelt deren Höhe so, dass die Reihenschaltung der Zellspannungen leicht überschritten wird. Die hier beschriebenen Ausführungen reichen von 230 V/16 A bis zu Drehstrom mit 400 V. Das AC-Laden hat den Vorteil, dass die dazu erforderliche Ladeinfrastruktur relativ einfach gehalten werden kann, da auf die übliche Niederspannung zurückgegriffen wird. Das Fahrzeug muss jedoch eine Ladeelektronik bereit-halten, deren Gewicht und Volumen in etwa proportional zur maximal möglichen Ladeleistung ist.
Der Lademodus
Über den Lademodus, der ebenfalls normiert ist, wird festgestellt, mit welcher Leistung das Laden erfolgen kann und welche Schutzmaßnahmen seitens der Ladeinfrastruktur oder des Fahrzeugs vorhanden sein müssen. So ist ein Laden an der Haushaltssteckdose mit geringer Leistung nach Modus 1 ohne weitere Schutzmaß-nahmen möglich. Im Modus 2 erfolgt der Anschluss ebenfalls an eine übliche Steckdose, er verlangt aber einen FI-Schutzschalter und eine Sicherheits-Kommunikation, wozu eine In-Cable-Control-Box zwischen Fahrzeug und Netzanschluss geschaltet wird. Die gleichen Maßnahmen sind auch im Modus 3 notwendig, wobei aber wegen der höheren Ladeleistung eine Ladesäule notwendig ist. Das DC-Laden erfolgt immer im Modus 4 mit Ladesäule und mit höheren Kommunikationsaufwendungen als bei Modus 2 und 3.
Darüber hinaus werden noch Varianten in punkto Ladeleistung und Schutzmaßnahmen (siehe Kasten) sowie hinsichtlich der Gestaltung der Ladeleitung (siehe Bild 4) unterschieden.
Bild 4: Normativ vorgesehene Konfigurationen - sowohl an der Ladesäule wie auch am E-Mobil kann der Strom per Steckverbinder oder direkt übertragen werden.Phoenix Contact
Welches dieser Konzepte oder welche Kombination am Ende die Praxis der Elektrofahrzeuge prägen wird, ist heute noch offen. Technischer Fortschritt, Nutzer-Präferenzen sowie praktische Handhabung werden die weitere Entwicklung prägen.
Anforderungen an den Ladestecker
Eine Hauptrolle bei der Ladung von Elektro-fahrzeugen spielt der Ladesteckverbinder – kurz auch Ladestecker genannt. Er definiert die Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladestation und dient als Symbol für die Elektromobilität schlechthin. Denn der Ladestecker ist das Bauteil, mit dem der E-Fahrzeugführer am häufigsten in Kontakt tritt, so wie er es von der Zapfpistole an der Tankstelle her kennt.
Ein Ladesteckverbinder muss viele Anforderungen erfüllen. Neben elektro-technischen Aspekten, wie hohen Spannungen und Strömen, gehören dazu auch die Vorstellungen der Automobil-Industrie hinsichtlich Umwelt-bedingungen und Einbauraum. Auf der Seite der Anwender muss immer von elektrotechnischen Laien ausgegangen werden. Daher stehen einfache Bedienung sowie erhöhte Sicherheits-anforderungen im Fokus.
Automobil-Hersteller und -Zulieferer sowie Forschungsinstitute und Verbände in den führenden Automobilbau-Nationen (Europa, USA, Japan, China) beschäftigen sich zurzeit intensiv mit dem Thema Elektromobilität. In diesen Regionen sind in den letzten zwei Jahren Konzepte für Ladesteckverbinder und auch schon entsprechende Produkte entstanden, die den jeweiligen regionalen Gegebenheiten der Fahrzeugindustrie, der Verkehrs-Infrastruktur sowie der elektrotechnischen Infrastruktur entsprechen.
Weitere Steuerkontakte für mehr Sicherheit
Unter dem Dach der IEC befinden sich diese Lösungen zurzeit im Normierungsprozess. Beispielhaft wird hier das Konzept des für den europäischen Markt wichtigen Ladesteckverbinders Typ 2 erläutert. Er ist so konzipiert, dass er das AC-Laden unterstützt, das dann ein- oder dreiphasig erfolgt. Neben den hierfür notwendigen Leistungs-kontakten L1, L2, L3, N und PE verfügt das Steckgesicht noch über zwei weitere Steuerkontakte – CP und PP. Sie ermöglichen die sichere Ausführung des Ladevorganges. So wird beispielsweise erkannt, ob der Steckverbinder richtig im Gegenstück verankert ist, und wie hoch die Stromtrag-fähigkeit der angeschlossenen Ladeleitung ist.
Verriegelt wird der Steckverbinder über eine elektrische Bolzenverriegelung, welche die Ladesteuerung so betätigt, dass der Steckverbinder während des Ladevorganges aus Sicherheitsgründen sowie vor Abschluss aller notwendigen Transaktionen – etwa dem Bezahlen – nicht entnommen werden kann. Auf diese Weise wird eine hohe Funktionssicherheit erzielt, von der Anwender, Fahrzeughersteller und Ladestrom-Anbieter profitieren. Während des Ladevorganges aktiviert das System auch die Wegfahrsperre des Fahrzeugs, so dass niemand unbeabsichtigt die Ladeleitung und den Steckverbinder herausreißen kann und kein elektrisch unsicherer Zustand eintritt.Um das System so bedienerfreundlich und sicher wie möglich zu gestalten, sind mechanische und elektrische Funktionen implementiert, die weit über den sonst üblichen elektrischen Schutz mit Basisschutz und Fehlerschutz hinausgehen. Die Ladesteuerung verhindert, dass spannungs-führende Kontakte frei zugänglich sind. Zudem ist das Ladesystem mit einem FI-Schutzschalter abgesichert, der zusätzlich zum Überstrom-Schutzorgan wirkt. Dadurch führt das Berühren eines spannungsführenden Teils selbst im Fehlerfall nicht zu gefährlichen Körperströmen. Auch die Rückspeisung ist in dem Konzept berücksichtigt; selbst die Stiftkontakte sind berührgeschützt ausgeführt. Bei diesem System müssten schon mehrere Fehler gleichzeitig auftreten, um eine elektrisch gefährliche Situation hervorzurufen.
Dichte Ladeinfrastruktur für China
Die Stift- und Buchsenorientierung an der Fahrzeugseite wurde gegenüber der Seite der Ladestation vertauscht. Auf diese Weise ergibt sich mittels zweier Varianten eine mechanische Kodierung, die ein Laden nach Modus 1 ausschließen kann. Der Fahrzeughersteller kann je nach Gestaltung seines elektrischen Systems im Fahrzeug Einfluss auf die Ladeinfra-struktur nehmen. Außerdem verhindert diese Konstruktion, dass unzulässige Verlängerungsleitungen zusammengesteckt werden.
Auch in China hat das Thema Elektromobilität – vor dem Hintergrund des wachsenden motori-sierten Individualverkehrs sowie der Klimaziele – oberste Priorität. Hier wird bereits am Aufbau einer dichten Ladeinfrastruktur gearbeitet, eine Voraussetzung für die Akzep-tanz von Elektrofahrzeugen. Dazu installiert das staatliche chinesische Energie-versorgungs-Unternehmen State Grid zurzeit landesweit Ladesäulen für das AC-Laden. Phoenix Contact rüstet diese Ladesäulen mit Ladesteckverbindern aus, die auf dem oben vorgestellten Design beruhen. Das ergonomische und handliche Design, die zusätzliche mechanische Verriegelung sowie die robuste Ausführung dieses Ladesteck-verbinders waren wichtige Argumente für den Auftraggeber. Denn mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich der industriellen Steckverbinder verfügt Phoenix Contact über das notwendige Know-how, um sichere, robuste und zuverlässige Ladesteckverbinder für die Elektromobilität zu produzieren. Mit Produkten, die genau auf die jeweilige Welt-region zugeschnitten sind, lässt sich das breite Spektrum der Lösungsmöglichkeiten abdecken.
Bernd Horrmeyer
(Alfred Vollmer)
