Intelligentes Laden von E-Autos nach ISO-15118-20-Standard

Die Elektromobilität ist auf den ersten Blick ein großer Stromverbraucher, der eine zusätzliche Belastung für das Stromnetz darstellt. Gleichzeitig liefert sie in Verbindung mit Smart Charging einen Mehrwert für das künftige intelligente Stromnetz (Smart Grid). Zu den neuen Eigenschaften von ISO 15118‑20 zählt unter anderem Bidirectional-Power-Transfer (BPT), also die Möglichkeit von Elektrofahrzeugen, nicht nur Energie aus dem Netz zu entnehmen, sondern im Bedarfsfall auch Energie dorthin zurückzuspeisen. Die aktuelle Situation der drohenden Energieknappheit verleiht diesem Aspekt besondere Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund des steigenden Anteils regenerativer Energiequellen.

Die regenerativ erzeugte Energiemenge ist naturgemäß größeren Schwankungen unterworfen und im Detail nicht planbar. Kann das Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Energie nicht aufrechterhalten werden, droht ein Netzkollaps. Millionen von Elektrofahrzeugen, die in so einem Moment mit dem Netz verbunden sind, können dazu beitragen dies zu verhindern. Zusammen bilden sie einen dezentralen Energiespeicher, der in der Lage ist, den Ladebetrieb zu stoppen und sogar auf Rückspeisebetrieb umzuschalten, um das Netz zu stabilisieren. Dabei geht es keineswegs darum, das ganze Land durch Fahrzeuge mit Strom zu versorgen, sondern die Anlaufzeit der Kraftwerke für die Primärregelung zu überbrücken. Voraussetzung dafür ist Smart Charging mit einer Ladekommunikation nach ISO 15118‑20 zwischen Fahrzeug und Ladesäule.

Die ISO-Norm 15118 definiert die Grundlagen der Ladekommunikation für das in Europa und den USA vorherrschende Ladesystem CCS (Combined-Charging-System). CCS nutzt dieselbe Steckverbindung (CCS-Type-2) sowohl zum Laden mit Wechselstrom (AC-Laden) als auch zum Schnell-Laden mit Gleichstrom (DC-Laden). Aktuell produzierte und zugelassene Elektrofahrzeuge unterstützen idealerweise ISO 15118-2 in der sogenannten ersten Generation, welche fünf Teildokumente umfasst.

Das im April 2022 veröffentlichte Teildokument ISO 15118-20, "Network Protocol and Application Protocol Requirements", gehört zur zweiten Generation und stand daher im Mittelpunkt des diesjährigen Vector-E-Mobility-Symposiums in Stuttgart (Bild 1). Es ersetzt das Teildokument ISO 15118-2 und beschreibt die Anforderungen an das Netzwerkprotokoll sowie das Anwendungsprotokoll. Die Neuerungen finden sich in den Bereichen Energy-Transfer-Modes, Physical-Layer sowie Security. Als neue Energy-Transfer-Modes kommen neben dem bereits beschriebenen Bidirectional-Power-Transfer (BPT) zusätzlich Wireless-Power-Transfer (WPT) sowie Automatic-Connecting-Device-Pantograph (ACD-P) hinzu. Als Physical-Layer für die drahtlose Kommunikation dient WLAN gemäß IEEE 802.11n. Zusätzlich ist in ISO 15118-20 eine TLS-Verschlüsselung mit beidseitiger Authentifizierung nach TLS 1.3 für die Ladekommunikation immer vorgeschrieben, unabhängig davon ob Plug and Charge (PnC) genutzt wird oder nicht. Im April 2023 veröffentlichte die Internationale Organisation für Normung die gesamte ISO 15118-20.

Beim Thema BPT ist hinzuzufügen, dass künftige Elektrofahrzeuge auch Haushalte notversorgen beziehungsweise umgekehrt als Energiespeicher für die von Solarzellen selbst erzeugte Energie fungieren können. Eine wichtige Voraussetzung für BPT ist der Dynamic Mode, bei dem das Fahrzeug die Ladesteuerung an die Infrastrukturseite abgibt. Vom Smart Grid können Fahrzeuge so den Befehl erhalten, den Ladevorgang zu drosseln, zu pausieren oder sogar Energie zurückzuspeisen. Beim Scheduled Mode liegt wie bisher die Entscheidung beim Fahrzeug. Gier kann das Smart Grid lediglich Anreize über niedrige Preise geben, um den Ladevorgang des Fahrzeugs zu beeinflussen.

Automatisch und bequem: WPT und ACD

Wireless-Power-Transfer nutzt das physikalische Prinzip der induktiven Energieübertragung auf Basis von IEC 61980 und kann das Laden grundlegend vereinfachen, insbesondere in Verbindung mit PnC. Der Ladeprozess startet automatisch, ohne dass ein Ladekabel angeschlossen sein muss. Dazu definiert der Standard unter anderem Funktionen zur Feinpositionierung, für das Pairing und zum Prüfen der Ausrichtung des Fahrzeugs über der Bodenplatte. Aktuell steht ausschließlich statisches Laden im Fokus. Künftig ist WPT auch semi-dynamisch denkbar, beispielsweise an Taxi-Ständen oder vor Ampeln.

ACD-P, Automatic-Connection-Device-Pantograph, ermöglicht zum Beispiel Elektrobussen im Depot ein automatisches konduktives Laden via Pantographen. Leistungen von mehr als 350 kW sind so realisierbar. Für die nächste Revision sind weitere ACD-Verfahren geplant, wie automatisierte Koppelvorgänge entweder per CCS-Steckverbindung (ACD-S) oder mittels eines Arms, der ein Ladesystem am Boden mit dem Unterboden des Fahrzeugs verbindet (ACD-U).

Bei ISO 15118-20 sind gegenseitige Authentifizierungen von Fahrzeug und Infrastruktur erforderlich. Während bei ISO 15118-2 Ladestationen nicht erkennen können, ob es sich bei der Gegenstelle tatsächlich um ein Fahrzeug handelt, ist dies bei ISO 15118-20 nun standardmäßig möglich. Dazu sind Zertifikate erforderlich, sodass die volle Funktionalität der Ladestation nur Fahrzeugen zur Verfügung steht.

Die neue Generation bietet eine verbesserte Handhabung von mehreren Vertragszertifikaten. Während ISO 15118-2 lediglich die Installation eines Vertragszertifikats pro Sitzung ermöglicht, lassen sich mit ISO 15118-20 beliebig viele nacheinander installieren. Zudem erlaubt ISO 15118 20 das Anbieten eines anderen Vertragszertifikates oder gar den Rückfall auf die externe Identifikation (EIM) an der Ladesäule, wenn die Ladesäule das angebotene Vertragszertifikat nicht erkennt beziehungsweise ablehnt.

Gemäß neuem Standard muss zunächst der Nutzer entweder an der Ladesäule oder mittels PnC autorisiert werden, bevor die Ladesäule ihre verfügbaren Dienste anbietet. Die Infrastrukturseite könnte dadurch etwa zwischen eigenen Kunden, Roaming-Kunden oder Gästen unterscheiden oder spezielle Tarif-Optionen berücksichtigen. Damit lässt sich beispielsweise bidirektionales Laden nur einer definierten Nutzergruppe anbieten, die zuvor speziellen Bedingungen zugestimmt hat. Zum Vergleich: Im bisherigen ISO-15118-2-Dokument war die Reihenfolge von Autorisierung und Dienstleistungsangebot genau umgekehrt, sodass nutzergruppenspezifische Dienstleistungen nicht möglich sind.

Höhere Flexibilität in der Preisgestaltung

Beträchtliche Fortschritte bietet die ISO-Norm 15118-20 bei den Möglichkeiten der Preisgestaltung. Diese basiert nun auf absoluten Preisen statt auf dem relativen Preismodell, das sich an einem im Vertragszertifikat definierten 100-Prozent-Wert orientiert. Problematisch ist dabei, dass die Ladestation den 100-Prozent-Wert nicht immer zuverlässig in Erfahrung bringen kann. Die zugrundeliegenden Kriterien für den Preis können im neuen System vielfältig sein. Der Preis lässt sich auf unterschiedliche Weise spezifizieren, beispielsweise per Kilowattstunde oder pro Minute des Parkens und Ladens. Es sind zudem Flat-Tarife definierbar oder minimale und maximale Gebühren, der Nutzer zahlt zum Beispiel mindestens fünf Euro, aber höchstens 30 Euro als Obergrenze. Auch eine kombinierte Verrechnung in Abhängigkeit von Parkdauer und Ladeleistung oder bezogener Energie ist möglich. Abbildbar sind damit Geschäftsmodelle, die es erlauben jene Nutzer kostenlos parken zu lassen, die mit hoher Leistung laden, während bei niedriger Ladeleistung eine Park- und Ladegebühr anfällt. Blockiert ein Fahrzeug die Ladesäule über den Ladevorgang hinaus (Overstay), besteht nun die Möglichkeit verschiedene Preismodelle abzubilden. Infrastrukturanbieter können Anwender, die das vereinbarte Zeitlimit überschritten haben oder mit zu niedriger Leistung laden, mit einem höheren Preis abstrafen.

In ISO 15118-2 bestimmt die Ladeelektronik im Fahrzeug die maximale Ladeleistung gemäß dem verwendeten Ladeprofil. Wenn das Fahrzeug dabei mehr Ladeleistung reserviert als es tatsächlich nutzt, kann die Infrastrukturseite ihre Maximalleistung nicht ausschöpfen und damit anderen Fahrzeugen nicht zur Verfügung stellen. Dieses Problem ist in ISO 15118-20 gelöst. Die Ladestation kann ein Toleranzband um das vom Fahrzeug gewählte Ladeprofil legen (Bild 2). Über- oder unterschreitet die Ladeleistung des Fahrzeugs die Toleranzgrenze, ist die Ladesäule in der Lage darauf zu reagieren, beispielsweise durch eine Neuaushandlung, in der sie nur eine geringe Leistung anbietet, oder indem sie das Laden beendet. Insgesamt kann die Infrastruktur so ihre Leistung optimal verteilen. Der neue Standard löst zudem weitere Mängel der Vorgängerversion, etwa durch die Multiplexed Communication, die eine parallele Neuverhandlung während des aktiven Ladevorgangs ermöglicht, oder das Aufrechterhalten der Fahrzeugkommunikation für Mehrwertdienste (Value-Added-Services), während sich der eigentliche Ladevorgang im Standby-Modus befindet.

Ein weiterer Schwerpunkt des Vector-E-Mobility-Symposiums hat sich mit dem intelligenten Verteilen von Energie beschäftigt – eine unabdingbare Voraussetzung für die künftige Elektromobilität. Die für Fahrzeuge zur Verfügung stehende Energiemenge ist nicht nur begrenzt, sondern auch zeitlichen Schwankungen unterworfen. Je mehr Elektrofahrzeuge auf die Straße kommen, umso größere Bedeutung kommt intelligenter Ladekommunikation, leistungsfähigen Charging-Station-Management-Systemen (CSMS) sowie einer Infrastruktur zu, die auf modularer Leistungselektronik basiert.

Beim bisherigen AC-Laden an Wallboxen oder öffentlichen Ladepunkten bezieht das Fahrzeug die Energie in der Regel mit der maximal möglichen Leistung, selbst wenn das gar nicht notwendig wäre. Neuere Systeme und Wallboxen verteilen die Energie intelligenter oder erlauben dem Netzbetreiber auch die Einflussnahme auf die Ladeprozesse. Diese können Leistungen drosseln, eine Zeit lang ganz anhalten oder erlauben sogar das Rückspeisen, wie bereits beschrieben. Während die Ladeleistungen beim Laden mit Wechselstrom klein sind, ist beim Schnell-Laden mit Gleichstrom und hohen Ladeleistungen das Energiemanagement noch viel dringlicher.

Energiemanagement und Administration lassen sich in Verbindung mit der passenden Leistungselektronik und einem geeigneten CSMS-Backend bewältigen. Für Betreiber von Ladeparks, Elektro-Flotten, Firmenparkplätze und so weiter ist von Vector das CSMS vCharM erhältlich, das in Bild 3 zu sehen ist. Das CSMS vCharM bietet die Konfiguration, Wartung und Überwachung der Ladepunkte, sowie die Fahrzeug-Vorkonditionierung, Nutzerautorisierung und Abwicklung von Bezahl- und Abrechnungsvorgängen. Sicherheitszertifikate können ebenso verwaltet und Berichte zu abgeschlossenen Ladevorgängen erstellt werden. Es ermöglicht verschiedene Ladestrategien wie Ad-hoc-Planning und Ahead-Planning. Vorhandene Flotten- und Depot-Management-Systeme können problemlos eingebunden werden.

Die Standardisierung im Bereich der Elektromobilität ist weiter auf dem Vormarsch. Mit der Veröffentlichung der ISO-Norm 15118-20 ist ein bedeutender Schritt gelungen. Automobilhersteller, Zulieferer, Infrastruktur- und Stromnetzbetreiber stehen jetzt vor der Herausforderung, sowohl innovative Funktionen wie BPT, WPT und ACD-P als auch zahlreiche Detailverbesserungen umzusetzen und in ihre Produkte zu integrieren.