(Bild: ASAP)
Für das Jahr 2030 wird ein Anteil an BEV-Fahrzeugen auf dem weltweiten Pkw-Markt von einem Viertel prognostiziert. Für den flächendeckenden Erfolg der Elektromobilität sind insbesondere schnelle Fortschritte hinsichtlich der Reichweite von E-Fahrzeugen sowie eines komfortablen Ladeprozesses essentiell. Letzterer zeichnet sich neben dem Laden mit maximal möglicher Leistung sowie der Zuverlässigkeit des Ladevorgangs auch durch die Nachvollziehbarkeit der Anzeigen für den Fahrer im und am Fahrzeug sowie ein komfortables Handling während des Vorgangs aus. Mit der Konzeption und Umsetzung weltweit angelegter Interoperabilitäts-Erprobungen wird für die Absicherung dieser Faktoren gesorgt.
Unzählige Parameter-Kombinationen bei der Validierung
Eine der im Zuge der Interoperabilitäts-Erprobungen angesteuerten 150 Ladesäulen. ASAP
Plug and Charge – was dem Fahrer einen einfachen Ladevorgang für sein E-Fahrzeug verspricht, macht in der Entwicklung ein tiefgreifendes Absicherungskonzept erforderlich: große Varianzen je nach Land und Ladesäulen-Anbieter gestalten den Ladeprozess durch eine Vielzahl an Parameter-Kombinationen komplex. So gilt es zunächst zu beachten, dass das Laden an sämtlichen Ladesäulentypen jederzeit reibungslos funktionieren muss. Darüber hinaus muss das E-Fahrzeug auch mit der Vielfalt bei der Stecker-Infrastruktur und den Ladestandards kompatibel sein. Grundsätzlich wird hierbei zwischen AC- und DC-Ladevorgang unterschieden. Bezüglich der DC-Ladestandards gilt: während in Europa die Richtlinie CCS2 (Combined Charging System) gültig ist, greifen beispielsweise in Japan die Chademo- und in China die GBT-Norm. Das hat zur Folge, dass das Ladesystem die Spannung in der Ladesäule beim Ladevorgang entsprechend der jeweiligen Anforderungen gleichrichten muss. Die Kommunikation vom E-Fahrzeug zur Ladesäule über die Schnittstelle muss hierfür einwandfrei funktionieren und darf für den Fahrer gleichzeitig keinen Mehraufwand bedeuten. Dies muss für die unterschiedlichen Ländervarianten und damit variierenden Ladestandards und -protokolle sichergestellt werden.
Eine weitere Herausforderung für die Absicherung stellt die große Anzahl verschiedener Ladesäulen-Hersteller mit verschiedenen Hardware- und Software-Stände dar. Bei der Absicherung der Kommunikation zwischen E-Fahrzeug und Ladesäulen müssen zudem die je nach Land stark variierenden Bezahlsysteme oder auch Ladeverbünde berücksichtigt werden – für den Fahrer darf sich hierdurch im Ladeprozess kein Mehraufwand in der Abwicklung ergeben. Weitere Einflussfaktoren sind die Abhängigkeit des Ladevorgangs vom Fahrzeughersteller und -typ sowie die variierende Aktualität des Ladeverbunds des jeweiligen Fahrzeugs.
7 Länder – 10.000 Kilometer – 150 Ladesäulen
In einem aktuellen Projekt hat ASAP die Interoperabilitätserprobung der Ladesysteme für ein E-Fahrzeug in Nordamerika und Europa übernommen und die Schnittstelle des Fahrzeugs zu den dort gängigsten Ladesäulen-Typen hinsichtlich verschiedenster Kunden-Use-Cases validiert. Für eine möglichst effiziente und umfassende Absicherung hat das Team hierfür zunächst eine Marktanalyse zur Ladeinfrastruktur in den Einsatzmärkten inklusive Identifikation aller Ladesäulen-Anbieter und -Typen durchgeführt und auf Basis dessen schließlich das Erprobungskonzept zur Absicherung der Kundenfunktionen erarbeitet. Anschließend erstellten die Beteiligten Routenpläne für beide Regionen, bei denen die Testfahrzeuge jeden wichtigen Ladesäulen-Typ mindestens fünfmal an unterschiedlichen Standorten ansteuern sollen. Ziel war es, dass zwei Testfahrzeuge parallel auf ihren Routen möglichst viele Länder, Bezahlsysteme sowie weitere Parameter abdecken. Gleichzeitig bedachte das Team bei der Routenplanung länderspezifische Bestimmungen für Testfahrzeuge sowie das Vorhandensein abgesicherter Tiefgaragen bei allen Aufenthalten zum Prototypenschutz. Das Ergebnis der Planung: Entwickler waren mit zwei Testfahrzeugen fünf Monate lang in sieben Ländern unterwegs und haben auf ihrer Fahrt zu über 150 Ladesäulen etwa 10.000 Kilometer zurückgelegt.
Test-Case-Matrix für Interoperabilitäts-Erprobungen
Für die Durchführung der Kundenfunktionstests an den Ladesäulen wurde im Vorfeld der Erprobungsfahrten eine umfangreiche Test-Case-Matrix erstellt. Diese schließt für jede der angesteuerten Ladesäulen rund 100 Testfälle zur Absicherung unzähliger Parameter-Kombinationen ein. Im Falle eines Testfalls hielten die Entwickler in der Test-Case-Matrix die folgenden Bedingungen fest: Anschließen des Ladesteckers am Fahrzeug, Authentifizierung an der Ladesäule, aktives Laden des Fahrzeugs sowie Erreichen von 80 Prozent als State-of-Charge-Zielwert (SOC). Die Aktion für diesen Testfall besteht dann darin – sobald der SOC-Zielwert erreicht ist – am Fahrzeug-HMI einen neuen Zielwert größer des IST-Wertes einzustellen. Die Erwartungswerte für diesen Testfall sind zunächst das Entriegeln des Steckers nach beendetem Ladevorgang sowie – nach Einstellung des neuen SOC-Zielwertes – die Wiederverriegelung des Steckers und das Fortsetzen des Ladevorgangs bis zum Erreichen des neuen Zielwerts. Nach diesem Prinzip führen die Entwickler an jeder Ladesäule rund 100 verschiedene Testfälle zur Interoperabilitäts-Erprobung durch. Bereits während der Erprobung analysieren sie konkrete Fehlerfälle, um eine zeitnahe Abstellmaßnahme herbeiführen zu können. Dazu werten sie Kommunikation zur Ladesäule sowie die fahrzeuginterne Kommunikation aus. Die Ergebnisse der durchgeführten Tests werden lückenlos dokumentiert, um später die häufigsten Fehlerursachen und -arten identifizieren zu können. Die häufigste Fehlerquelle im E-Fahrzeug stellt Auswertungen zufolge beispielsweise erwartungsgemäß der On-Board Charger (OBC) dar. Er sorgt für die Authentifizierung des E-Fahrzeugs an der Ladesäule, tauscht Ladeparameter mit der Ladesäule aus, fordert Strom an und übermittelt Informationen zur Zahlungsmodalität. Besonders häufig auftretende Fehlerarten lassen sich nach Abschluss der Interoperabilitäts-Erprobung ebenfalls benennen.
Grafische Darstellung eines Labor-Prüfplatzes zur Lade-Absicherung von E-Fahrzeugen. ASAP
Simulierte Ladesäule am Labor-Prüfstand
Die Erprobungsdaten dienen nicht nur der Absicherung des untersuchten E-Fahrzeugs. Sie sorgen gleichzeitig dafür, dass Interoperabilitäts-Erprobungen von E-Fahrzeugen sich im Allgemeinen künftig kosten- und zeitsparender umsetzen lassen. ASAP hat hierfür einen neuen Ansatz zur Lade-Absicherung erarbeitet, der das manuelle Testen mit Prototypen an Ladesäulen in Zukunft ergänzt. Es ist absehbar, dass die Anzahl an Ladesäulen sowie Ladesäulenherstellern und -typen kontinuierlich steigen werden, was diesen Ansatz noch wertvoller macht.
Bisherige Interoperabilitäts-Erprobungen haben ergeben, dass Fehler oft nur einmalig an einer bestimmten Ladesäule auftreten. Diese sind daher aktuell noch nicht reproduzierbar und deshalb oftmals schwer zu analysieren. Das neue Absicherungskonzept schafft hierfür eine Lösung: Zunächst erfolgen zwei reale Ladevorgänge, die aufgezeichnet und in einer Datenbank dokumentiert werden. Anhand dieser Daten lassen sich dann die aufgetretenen Fehlerquellen und -arten identifizieren und diese dann simulativ nachbilden. An einem Labor-Prüfplatz mit simulierter Ladesäule können Entwickler den Lade-Prozess eines E-Fahrzeugs damit nachstellen. Dabei programmiert er die Simulation so, dass die eingangs genannten Parameter auf die ausgewählten häufigsten Fehlerquellen hin untersucht werden. Neue Fehlerfälle fließen kontinuierlich ein, wodurch sie reproduzierbar und analysierbar werden.
Zudem besitzt der Prüfstand auch eine Schnittstelle zum E-Fahrzeug. Dadurch lassen sich Fahrzeugfunktionen wie etwa Zündung schalten oder Ladetaster drücken automatisiert durchführen und Zustände automatisiert auswerten. Durch den Einsatz einer Testautomatisierung laufen die Testfälle inklusive Dokumentation der Ergebnisse automatisch ab. Nicht nur ermöglicht die Absicherung am Labor-Prüfplatz demnach die Integration von Funktionen und Systemen im Fahrzeug, sie reduziert auch den Bedarf an Testfahrten und -szenarien mit kostspieligen Prototypen. Durch den Einsatz einer Testautomatisierung ist die Absicherung bei diesem Ansatz zudem nicht auf manuelle Eingaben angewiesen und ist folglich rund um die Uhr einsetzbar. Der Labor-Prüfstand ermöglicht somit eine umfassende Lade-Absicherung von E-Fahrzeugen mit gesteigerter Prüftiefe über eine Vielzahl von Parameterräumen und sorgt gleichzeitig für eine Zeit- und Kostenoptimierung der Validierung. Darüber hinaus gewährleisten die Laborbedingungen die gezielte Reproduktion von Fehlern und ermöglichen detaillierte Fehleranalysen.
Nächster Halt: Intelligente Lade-Infrastruktur
ASAP setzt Interoperabilitäts-Erprobungen weltweit um. ASAP
Für ein ganzheitliches Lade-Absicherungskonzept arbeitet ASAP zudem am Aufbau einer Datenbank. Darin lassen sich die bei den Ladeversuchen im Feld gesammelten Daten aufzeichnen und sichern. Dies umfasst auch sämtliche physikalischen und Kommunikationsparameter. Künftig sollen sich dadurch per Knopfdruck Testfälle aus der Datenbank ableiten lassen, die Entwickler dann wiederum in den Lade-Prüfstand einspeisenn können, was die Lade-Absicherung von E-Fahrzeugen künftig weiter beschleunigt. Das Ziel einer intelligenten Lade-Infrastruktur rückt so ebenfalls näher. Insbesondere das bedarfsgerechte Laden der E-Fahrzeuge spielt dabei eine wichtige Rolle: Die Vision ist ein Wandel von der Ladesäule als einfache Tankstelle hin zur einer intelligenten Netzintegration der E-Fahrzeuge. Das bedeutet etwa, dass die Ladesäule künftig den Zeitraum zwischen Anschließen des E-Fahrzeugs an der Ladesäule bis zur geplanten Weiterfahrt erkennt. Innerhalb eines großen Wohngebiets beispielsweise erreichen die Bewohner ihr Zuhause durchschnittlich nach 18 Uhr. Ohne die beschriebene Information würden die E-Fahrzeuge dann direkt nach Anschließen an der Lade-Säule laden und der Energiebedarf dementsprechend innerhalb eines kurzen Zeitraums sehr stark steigen. Bei Einbindung der E-Fahrzeuge in eine intelligente Lade-Infrastruktur können die Ladesysteme stattdessen künftig bedarfsgerecht laden, sodass sie morgens für die Fahrt zur Arbeit rechtzeitig einsatzbereit sind. Mit der Optimierung von Interoperabilitäts-Erprobungen durch den Einsatz von Lade-Prüfständen und den Aufbau einer Datenbank gestaltet sich demnach nicht nur die Lade-Absicherung kostengünstiger und zeitsparender. Das neue Absicherungskonzept leistet auch einen Beitrag zur Realisierung neuer Mobilitäts- und Infrastrukturkonzepte, bei denen E-Fahrzeuge eine elementare Rolle spielen.
Wolfgang Hensel
(prm)
