Die Ladesäule soll intelligent und komfortabel zu bedienen sein. Fahrzeugseitig sind diese Technologien aber erst mit der nächsten Generation zu erwarten. Ein Weg dahin geht über Plug & Charge. (Bild: In-Tech Smart Charging)

Die Ladesäule soll intelligent und komfortabel zu bedienen sein. Fahrzeugseitig sind diese Technologien aber erst mit der nächsten Generation zu erwarten. Ein Weg dahin geht über Plug & Charge. (Bild: In-Tech Smart Charging)

Der „Masterplan Ladeinfrastruktur“ der Bundesregierung hat das Ziel von einer Million öffentlich zugänglicher Ladepunkte bis 2030. Bedarf liegt zwischen 440.000 und mehr als 840.000 öffentlichen Ladepunkten. Aktuell stehen etwa 22.000 zur Verfügung. Time-to-Market ist daher für die Entwicklung bei Ladesäulen ein entscheidender Faktor.

Wie Plug & Charge Strom Tanken vereinfachen soll

Zugleich unterliegt die Technik der Lade-Infrastruktur einer stürmischen Entwicklung. Gesetzliche Anforderungen – wie die Eichrechtskonformität –, Weiterentwicklung der relevanten Normen und Standards, und der Anspruch der Anwender nach mehr Komfort zwingen zu ständigen Aktualisierungen.

Insbesondere ein Thema bewegt Fahrer und Hersteller von Elektrofahrzeugen: Noch ist das Tanken von Strom nicht so einfach wie das Tanken von Benzin und Diesel. Unter dem Schlagwort Plug & Charge hat eine Entwicklung eingesetzt, die Anmeldung und Bezahlvorgang automatisieren soll. Erste Modelle aus dem VW-Konzern sind bereits dafür vorbereitet, andere Marken wollen folgen. Voraussichtlich 2025 dürfte die Funktion Standard in vielen elektrischen Neufahrzeugen sein.

Beim Plug & Charge hinterlegt der Fahrer die Daten zur Abrechnung einmalig im Fahrzeug. Wird das Auto an der Ladesäule angesteckt, dienen diese Daten der Identifikation, ohne dass der Fahrer manuelle Eingaben machen muss. Nach dem Ende des Ladevorgangs wird der angefallene Betrag automatisch von Konto oder Kreditkarte abgebucht oder anderweitig verrechnet, beispielsweise über den heimischen Stromanbieter.

Darum sind Ladensäulen mehr als eine große Steckdose

Beim elektrischen Laden müssen sowohl Energie als auch Daten fließen. Dies funktioniert nur über eine komplexe Kommunikation, die weit über die Verbindung von Auto und Ladesäule hinausgeht.

Schon beim Anstecken beginnt der Datenaustausch, bei dem etwa die Stromstärke festgelegt wird. Um die funktionale Sicherheit zu gewährleisten wird die Steckerverriegelung aktiviert und Spannung, Stromstärke sowie die Temperatur am Ladestecker kontinuierlich überwacht, um bei Problemen den Stromfluss unterbrechen zu können. Die Zahlungsdaten müssen sicher übertragen und deren Gültigkeit überprüft werden.

Daten über den Stromverbrauch und zur Abrechnung gelangen an den Energieversorger und den Zahlungsdienstleister. Zustandsinformationen wie „Säule belegt“ oder „Säule defekt“ fließen an Plattformbetreiber, die beispielsweise Suchportale betreiben und eine Vorab-Reservierung ermöglichen. An Ladepunkten in Unternehmen und bei privaten Stellplätzen können zudem Grid-Funktionen relevant sein, etwa eine Beschränkung des Ladevorgangs auf Zeiten, in denen ein Überschuss aus der PV-Anlage zur Verfügung steht, oder eine Rückspeisung ins Netz, wenn dort erhöhter Bedarf besteht.

Zustandsdaten des Fahrzeugs und der Ladesäule, Prozessdaten, Zahlungsdaten – jeder Datentyp hat einen anderen Empfänger aus unterschiedlichen Wirtschaftssektoren. Fahrzeughersteller, Energieversorger und Zahlungsdienstleister unterliegen jeweils eigenen Normen und Standards, denen die zugehörigen Daten entsprechen müssen. Demzufolge muss eine Ladesäule dafür sorgen, dass Datenformate eingehalten und gegebenenfalls zwischen den Sektoren übersetzt werden. Angesichts dieser zunehmenden Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben zeigt sich, dass die Ladesäule mehr ist als nur eine große Steckdose.

Die Ladestation ist mehr als eine große Steckdose. Es müssen sowohl Energie als auch Daten über Stromverbrauch und mehr fließen. (Bild: In-Tech Smart Charging)
Die Ladestation ist mehr als eine große Steckdose. Es müssen sowohl Energie als auch Daten über Stromverbrauch und mehr fließen. (Bild: In-Tech Smart Charging)

Wie ISO 15118, OCPP 2.0.1 und IEC 63110 die Ladesystem zukunftssicher machen sollen

Um diese komplexe Kommunikation zu bewältigen, hat sich die Branche auf Standards geeinigt, die sowohl den Anforderungen der Betreiber der Ladeinfrastruktur als auch deren Partnern der unterschiedlichen Sektoren gerecht wird, indem sogar ein Mapping der Daten in die unterschiedlichen Formate geregelt wird. Insbesondere zwei Standards stehen im Fokus der aktuellen Entwicklung, die eine neue, intelligente Funktionen erst möglich machen.

Die Norm ISO 15118 ist Teil des kombinierten Ladesystems (Combined Charging System, CCS). Sie hat sich als dominierender EV-Standard für alle Arten von Elektrofahrzeugen etabliert, von Motorrädern und Autos über LKW und Busse bis hin zu Schiffen und Flugzeugen. ISO 15118 bietet unter anderem die Grundlage für Funktionen wie Plug & Charge, inklusive einer hohen Sicherheit, sowohl auf der Transportschicht mit TLS 1.2 (und höher) als auch auf der Anwendungsschicht mit digitalen XML-basierten Signaturen und X.509-Zertifikaten. Ebenso ermöglicht sie intelligentes Laden und bald auch Vehicle-to-Grid (V2G), also bidirektionales Laden und die automatische Steuerung des Ladevorgangs entsprechend der Anforderungen von Seiten der Energieversorgung.

Eng damit verknüpft ist das Open Charge Point Protocol in der Version OCPP 2.0.1. Diese bietet erstmals eine native Unterstützung für ISO 15118-2, einschließlich Smart Charging und Plug & Charge, sowie für V2G-Funktionen wie bidirektionalem Laden gemäß ISO 15118-20.

In erster Linie dient OCPP 2.0.1. jedoch dem einfacheren Einrichten und Managen der Ladesäule. So lässt das neue Gerätemodell die Plug-and-Play-Installation einer Ladestation zu, da es die Funktionen des Cloud-basierten Ladestationsmanagementsystems (CSMS) automatisch vollständig beschreiben kann und diesem das Auslesen und Steuern aller Komponenten aus der Ferne ermöglicht. Weitere Funktionen können hinzugefügt werden, um neue Services zu implementieren, und auch das Monitoring des Ladegeräts inklusive einer Alarmierung beim Überschreiten von definierten Schwellwerten wird von OCPP unterstützt.

Nach der vollständigen Umsetzung von ISO 15118 steht die Umstellung von OOCP auf IEC 63110 an. Dieser Standard befindet sich noch in der Entwicklung, er soll voraussichtlich Anfang 2023 verabschiedet werden. Mit dieser Normenreihe soll eine internationale Gesamtlösung entstehen, die neben dem Backend-Protokoll auch die Schnittstelle der Ladesäule in Richtung Backend standardisiert.

Warum Kompatibilität und Interoperabilität bei Ladesäulen wichtig ist

Eine besondere Herausforderung für die Hersteller von Ladesäulen ist die Frage, ob wirklich jeder Fahrzeugtyp sicher erkannt und geladen werden kann. Es darf keinen Unterschied machen, ob ein VW, ein Renault oder ein Kia Strom zapfen will – die Verbindung muss zuverlässig zustande kommen und alle angebotenen Funktionen unterstützen.

Die erste Voraussetzung ist, das Fahrzeug und Ladesäule kompatibel sind, also die gleiche Sprache sprechen. Diese grundlegende Voraussetzung soll mit der Einigung auf Standards erfüllt werden. In großen Teilen der Welt hat sich die Power Line Communication (PLC) als Basis für die Datenübertragung zwischen Ladesäule und Fahrzeug durchgesetzt. Legt man das OSI-Schichtenmodell zugrunde, sind damit die Schichten 1 (PHY) und 2 (DLL und MAC) abgedeckt, also die reine Übertragung von Bits und Bytes.

Struktur und Bedeutung der zu übertragenden Daten wird dagegen in OSI-Schicht 7 – der Applikationsebene – festgelegt. Hier ist neben anderen ISO 15118 relevant. Darüber hinaus ist auch die Kommunikation mit den zahlreichen verschiedenen Backend-Systemen zu gewährleisten, derzeit mittels OCPP 2.0.1, künftig mit der umfassenderen IEC 63110. Doch auch wenn auf beiden Seiten die genannten Standards unterstützt werden, ist das problemlose Zusammenspiel – die Interoperabilität – nicht automatisch garantiert. In der Praxis gibt es immer wieder Probleme, weil die Implementierung des Standards Lücken aufweist oder Interpretationen zulässt. Um diese zu vermeiden bedarf es umfangreicher Tests und gegebenenfalls Anpassungen von Kommunikationsprotokollen und -schnittstellen – ein zeitaufwendiges Verfahren, das die Entwicklungszeit um Wochen und Monate verlängern kann.

Was externe Entwicklungen bei Ladesäulen leisten können

Tatsächlich entwickeln manche Ladensäulenhersteller die gesamte Kommunikations- und Steuerungszentrale selbst, auf Basis der am Markt verfügbaren Chipsätze. Andere setzen auf externe Lösungen unterschiedlicher Entwicklungstiefe, bis hin zu fertigen Lösungen, die sogar die Interoperabilitätstests bereits erfolgreich absolviert haben.

Ein Anbieter solcher Lösungen ist In-Tech Smart Charging, Entwickler von Powerline Communication, der sich unter dem Dach der Muttergesellschaft In-Tech auch der Ladeinfrastruktur zugewandt hat. Das Unternehmen bietet Lösungen vom reinen PLC-Modul über Kommunikations- und Controller-Module bis hin zur Komplettlösung inklusive Software und Zubehör. Der Fokus liegt dabei auf einem offenen System, mit dem Anwender an APIs, Stack oder Software selbst vornehmen. So können Ladesäulenhersteller Entwicklungszeit sparen, indem sie auf eine fertige Plattform aufsetzen, und sich dennoch mit eigenen Funktionen und Services einen USP gegenüber den Wettbewerbern verschaffen. Auf der anderen Seite bringen die Lösungen bereits zahlreiche Funktionen mit, die für eine zukunftssichere Entwicklung unabdingbar sind.

Autor

Harry Jacob ist freier Journalist.

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