Studenten entwickeln und bauen Triple Charger für E-Autos in 12 Wochen

Die Erfahrung, eine Schnellladesäule zu entwickeln und aufzubauen machten sechs dual Studierende innerhalb einer Projektarbeit im ersten Ausbildungsjahr. Die Studierenden Moritz Beuser, Niklas Göhring, Jule Gössling, Benjamin Janzen, Luca Peitzmeier und Jenny Weichel arbeiten bei Phoenix Contact E-Mobility, einem Kompetenzzentrum für Ladetechnik im Bereich der Elektromobilität.

Ziel der Projektarbeit: in 12 Wochen zur Ladestation

Ziel war die Entwicklung und der Aufbau eines voll funktionsfähigen Triple Chargers – einer Ladestation, die das Laden mit AC und DC ermöglicht. Zum AC-Laden ist ein Socket-Outlet vorgesehen – als Infrastruktur-Ladedose zum Anschluss des E-Autos über ein mobiles Ladekabel. Für das DC-Laden müssen zwei Ladeleitungen fest installiert werden: eine CCS-Typ2-Ladeleitung (Combined Charging System) nach europäischem sowie ein Chademo-Ladekabel nach japanischem Standard.

Zunächst ist es wichtig, sich mit dem Ablauf eines Ladezyklus vertraut zu machen, der immer nach dem gleichen Schema abläuft. Die Reihenfolge der Abläufe ist ebenso wie die Grundlagen und Schnittstellen zum Laden in den Normen beschrieben – etwa in der IEC 61851. Mit den Know-how des Unternehmens bezüglich Entwicklung, Programmierung und Produktion der Endprodukte nach vorgegebenen Normen und Standards im Rücken, war der Aufbau des Triple Chargers auch ohne tiefe Vorkenntnisse der Normenlage möglich.

Schaltplan, Komponenten, Stückliste: Was es für einen Triple Charger braucht

Der nächste Schritt im Projekt war die Festlegung eines Fahrplans für den weiteren Verlauf. Dazu gehört die Anfertigung des Schaltplans, die Auswahl der Komponenten und die Erstellung einer Stückliste. Für die Studierenden galt es zunächst zu lernen, wie ein Schaltplan in der vorhandenen Software überhaupt erstellt wird. Parallel wurden aber schon Aufbau und Verschaltung der Komponenten skizziert. Ziel war es, die Anordnung in eine funktionale und räumliche Struktur zu bringen – und die sollte auch visuell ansprechend sein.

Das Gehäuse und die Montageplatte für die Ladesäule kamen erst später hinzu. Vorher wurden alle zu Beginn benötigten Komponenten wie elektronische Bauteile, Leitungen, Tragschienen und Kabelkanäle erarbeitet und bestellt.

Zum Mode-4-Schnellladen nach IEC 61851-23 fiel die Wahl auf den frei programmierbaren DC-Ladecontroller Charx Control Professional. Die Steuerung kommuniziert als zentrales Element mit dem Fahrzeug, überwacht den Ladevorgang, regelt Parameter wie den Ladestrom und übernimmt optional weitere Aufgaben – etwa die Visualisierung auf dem Bedien-Panel. Neben dem DC-Laden unterstützt der Controller auch einen AC-Ladepunkt.

Einen Großteil der benötigten Komponenten hatte Phoenix Contact im eigenen Haus: Stromversorgung, Steuerung, Sicherheitsmodul, Energiezähler, Leistungselektronik, Cloud-Koppler und Kabel. Trotz schneller Bereitstellung war oft Improvisation gefragt. Eine der größten Schwierigkeiten war, dass für den Aufbau der Ladesäule noch kein Gehäuse vorhanden war. Um sich einen räumlichen Überblick über die Komponenten und deren Anordnung sowie über die anschließende Verdrahtung zu verschaffen, nutze das Team zunächst eine Plexiglasscheibe. Alle praktischen Arbeiten an der Ladesäule erfolgen dann im unternehmenseigenen „Smart Charging Lab“ in Schieder-Schwalenberg.

Das Labor hat vier vollständige Arbeitsplätze und ermöglicht Tests an zwei Fahrzeugen gleichzeitig. Schaltschränke für das AC- und DC-Laden sind im Hinblick auf Modifikationen und Erweiterungen modular aufgebaut. So lässt sich zum Beispiel eine Steuerung problemlos tauschen oder die Leistungselektronik für höhere Spannungen und Ströme ersetzen. Auf diese Weise kann auch das unterschiedliche Verhalten verschiedener Fahrzeugtypen besser analysiert und in der Software berücksichtig werden. Das Labor bietet zudem die Möglichkeit, gezielt Anfragen und Probleme von Anwendern nachzustellen und zu analysieren.

Im weiteren Projektverlauf fanden alle Komponenten den Weg von der Plexiglasscheibe in den mittlerweile angelieferten Schaltschrank. Dort wurden sie im nächsten Schritt verdrahtet. Dabei war es wichtig, die richtigen Leiterquerschnitte, aber auch Schutzmaßnahmen wie Überspannungsschutz und Personenschutz zu verwenden. So wurde etwa ein PSR-Sicherheitsmodul eingebunden, das Schutzeinrichtungen wie Not-Aus-Taster auswertet. Überspannungsschutz und PSR-Modul kommen von Phoenix Contact.

Neben dem Einbau und der Verdrahtung der Komponenten musste die Ladesäule programmiert werden. Eine Visualisierung für die Bedien-Oberfläche auf dem Monitor des Tripple Chargers war umzusetzen und abschließend musste die AC-DC-Ladesäule noch Tests durchlaufen. Aufgrund des Zeitdrucks innerhalb des Projektes wurden für die anstehenden Arbeiten nun zwei Teams gebildet.

Bei der Programmierung kamen vorhandene Bibliotheken zum Einsatz. Die Bibliotheken beinhalten auch eine CCS-Implementierung, die Phoenix Contact kostenfrei bereitstellt. Eine Besonderheit des Triple Chargers ist die Anbindung an die Proficloud. Die Daten der Ladevorgänge, also Strom, Spannung, Energiewerte, Auslastung des Ladepunktes sowie Predictive Maintenance werden in die Cloud übertragen und sind damit online weltweit verfügbar. Neben den vorgefertigten Lösungen für die Ladestandards enthielten die Bibliotheken auch fertige Funktionsbausteine für die Anbindung der Leistungselektronik aus der Produktreihe Charx von Phoenix Contact.

Fazit

Die Fertigstellung der Ladesäule war damit in der vorgegebenen Zeit von zwölf Wochen tatsächlich möglich. Der Ladevorgang lässt sich über einen RFID-Kartenleser oder über das integrierte Touch Panel mit intuitiver Benutzerführung starten und wieder stoppen. Die abschließenden Funktionstests erfolgen mit Hilfe eines Elektroauto-Simulators.