Smart Charging wird konkret: Mit der Veröffentlichung des Teildokuments ISO 15118-20 ziehen nun viele standardisierte Erweiterungen in die Ladeinfrastruktur ein.

Smart Charging wird konkret: Mit der Veröffentlichung des Teildokuments ISO 15118-20 ziehen nun viele standardisierte Erweiterungen in die Ladeinfrastruktur ein. (Bild: Vector)

Die Elektromobilit√§t ist auf den ersten Blick ein gro√üer Stromverbraucher, der eine zus√§tzliche Belastung f√ľr das Stromnetz darstellt. Gleichzeitig liefert sie in Verbindung mit Smart Charging einen Mehrwert f√ľr das k√ľnftige intelligente Stromnetz (Smart Grid). Zu den neuen Eigenschaften von ISO 15118‚ÄĎ20 z√§hlt unter anderem Bidirectional-Power-Transfer (BPT), also die M√∂glichkeit von Elektrofahrzeugen, nicht nur Energie aus dem Netz zu entnehmen, sondern im Bedarfsfall auch Energie dorthin zur√ľckzuspeisen. 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 naturgem√§√ü gr√∂√üeren 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, k√∂nnen dazu beitragen dies zu verhindern. Zusammen bilden sie einen dezentralen Energiespeicher, der in der Lage ist, den Ladebetrieb zu stoppen und sogar auf R√ľckspeisebetrieb 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 f√ľr die Prim√§rregelung zu √ľberbr√ľcken. Voraussetzung daf√ľr ist Smart Charging mit einer Ladekommunikation nach ISO 15118‚ÄĎ20 zwischen Fahrzeug und Lades√§ule.

Neue Funktionen in ISO 15118-20

Die ISO-Norm 15118 definiert die Grundlagen der Ladekommunikation f√ľr 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 unterst√ľtzen idealerweise ISO 15118-2 in der sogenannten ersten Generation, welche f√ľnf Teildokumente umfasst.

Das im April 2022 ver√∂ffentlichte Teildokument ISO 15118-20, "Network Protocol and Application Protocol Requirements", geh√∂rt zur zweiten Generation und stand daher im Mittelpunkt des diesj√§hrigen 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) zus√§tzlich Wireless-Power-Transfer (WPT) sowie Automatic-Connecting-Device-Pantograph (ACD-P) hinzu. Als Physical-Layer f√ľr die drahtlose Kommunikation dient WLAN gem√§√ü IEEE 802.11n. Zus√§tzlich ist in ISO 15118-20 eine TLS-Verschl√ľsselung mit beidseitiger Authentifizierung nach TLS 1.3 f√ľr die Ladekommunikation immer vorgeschrieben, unabh√§ngig davon ob Plug and Charge (PnC) genutzt wird oder nicht.

Bild 1: Das Vector E-Mobility Symposium fand 2022 wieder als Präsenzveranstaltung statt. Einer der Schwerpunkte war auch die ISO 15118-20.
Bild 1: Das Vector E-Mobility Symposium fand 2022 wieder als Präsenzveranstaltung statt. Einer der Schwerpunkte war auch die ISO 15118-20. (Bild: Vector)

Beim Thema BPT ist hinzuzuf√ľgen, dass k√ľnftige Elektrofahrzeuge auch Haushalte notversorgen beziehungsweise umgekehrt als Energiespeicher f√ľr die von Solarzellen selbst erzeugte Energie fungieren k√∂nnen. Eine wichtige Voraussetzung f√ľr BPT ist der Dynamic Mode, bei dem das Fahrzeug die Ladesteuerung an die Infrastrukturseite abgibt. Vom Smart Grid k√∂nnen Fahrzeuge so den Befehl erhalten, den Ladevorgang zu drosseln, zu pausieren oder sogar Energie zur√ľckzuspeisen. Beim Scheduled Mode liegt wie bisher die Entscheidung beim Fahrzeug. Gier kann das Smart Grid lediglich Anreize √ľber 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 Energie√ľbertragung 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, f√ľr das Pairing und zum Pr√ľfen der Ausrichtung des Fahrzeugs √ľber der Bodenplatte. Aktuell steht ausschlie√ülich statisches Laden im Fokus. K√ľnftig ist WPT auch semi-dynamisch denkbar, beispielsweise an Taxi-St√§nden oder vor Ampeln.

ACD-P, Automatic-Connection-Device-Pantograph, erm√∂glicht zum Beispiel Elektrobussen im Depot ein automatisches konduktives Laden via Pantographen. Leistungen von mehr als 350 kW sind so realisierbar. F√ľr die n√§chste Revision sind weitere ACD-Verfahren geplant, wie automatisierte Koppelvorg√§nge entweder per CCS-Steckverbindung (ACD-S) oder mittels eines Arms, der ein Ladesystem am Boden mit dem Unterboden des Fahrzeugs verbindet (ACD-U).

E-Mobility: Laden

ae_emobility_laden_940x250.jpg

Wo und wie lässt sich ein E-Auto aufladen? Welche Leistungselektronik steck in einer Ladesäule? Wie wird die Ladesäule intelligent? Halbleiter, Hochvolt-Komponenten, Stecker, Kabel, Wallboxen, Kommunikation, Infrastruktur, Standards, Services und mehr. Die Technologien dahinter finden Sie hier.

Zahlreiche Detailverbesserungen in der Ladekommunikation

Bei ISO 15118-20 sind gegenseitige Authentifizierungen von Fahrzeug und Infrastruktur erforderlich. W√§hrend bei ISO 15118-2 Ladestationen nicht erkennen k√∂nnen, ob es sich bei der Gegenstelle tats√§chlich um ein Fahrzeug handelt, ist dies bei ISO 15118-20 nun standardm√§√üig m√∂glich. Dazu sind Zertifikate erforderlich, sodass die volle Funktionalit√§t der Ladestation nur Fahrzeugen zur Verf√ľgung steht.

Die neue Generation bietet eine verbesserte Handhabung von mehreren Vertragszertifikaten. W√§hrend ISO 15118-2 lediglich die Installation eines Vertragszertifikats pro Sitzung erm√∂glicht, lassen sich mit ISO 15118-20 beliebig viele nacheinander installieren. Zudem erlaubt ISO 15118 20 das Anbieten eines anderen Vertragszertifikates oder gar den R√ľckfall auf die externe Identifikation (EIM) an der Lades√§ule, wenn die Lades√§ule das angebotene Vertragszertifikat nicht erkennt beziehungsweise ablehnt.

Gem√§√ü neuem Standard muss zun√§chst der Nutzer entweder an der Lades√§ule oder mittels PnC autorisiert werden, bevor die Lades√§ule ihre verf√ľgbaren Dienste anbietet. Die Infrastrukturseite k√∂nnte dadurch etwa zwischen eigenen Kunden, Roaming-Kunden oder G√§sten unterscheiden oder spezielle Tarif-Optionen ber√ľcksichtigen. Damit l√§sst 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 m√∂glich sind.

Höhere Flexibilität in der Preisgestaltung

Betr√§chtliche Fortschritte bietet die ISO-Norm 15118-20 bei den M√∂glichkeiten 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 zuverl√§ssig in Erfahrung bringen kann. Die zugrundeliegenden Kriterien f√ľr den Preis k√∂nnen im neuen System vielf√§ltig sein. Der Preis l√§sst 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 Geb√ľhren, der Nutzer zahlt zum Beispiel mindestens f√ľnf Euro, aber h√∂chstens 30 Euro als Obergrenze. Auch eine kombinierte Verrechnung in Abh√§ngigkeit von Parkdauer und Ladeleistung oder bezogener Energie ist m√∂glich. Abbildbar sind damit Gesch√§ftsmodelle, die es erlauben jene Nutzer kostenlos parken zu lassen, die mit hoher Leistung laden, w√§hrend bei niedriger Ladeleistung eine Park- und Ladegeb√ľhr anf√§llt. Blockiert ein Fahrzeug die Lades√§ule √ľber den Ladevorgang hinaus (Overstay), besteht nun die M√∂glichkeit verschiedene Preismodelle abzubilden. Infrastrukturanbieter k√∂nnen Anwender, die das vereinbarte Zeitlimit √ľberschritten haben oder mit zu niedriger Leistung laden, mit einem h√∂heren Preis abstrafen.

In ISO 15118-2 bestimmt die Ladeelektronik im Fahrzeug die maximale Ladeleistung gem√§√ü dem verwendeten Ladeprofil. Wenn das Fahrzeug dabei mehr Ladeleistung reserviert als es tats√§chlich nutzt, kann die Infrastrukturseite ihre Maximalleistung nicht aussch√∂pfen und damit anderen Fahrzeugen nicht zur Verf√ľgung stellen. Dieses Problem ist in ISO 15118-20 gel√∂st. Die Ladestation kann ein Toleranzband um das vom Fahrzeug gew√§hlte Ladeprofil legen (Bild 2). √úber- oder unterschreitet die Ladeleistung des Fahrzeugs die Toleranzgrenze, ist die Lades√§ule 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 l√∂st zudem weitere M√§ngel der Vorg√§ngerversion, etwa durch die Multiplexed Communication, die eine parallele Neuverhandlung w√§hrend des aktiven Ladevorgangs erm√∂glicht, oder das Aufrechterhalten der Fahrzeugkommunikation f√ľr Mehrwertdienste (Value-Added-Services), w√§hrend sich der eigentliche Ladevorgang im Standby-Modus befindet.

Bild 2: Das vom Elektrofahrzeug einzuhaltende Toleranzband sorgt daf√ľr, dass die Ladestation die gesamte ihr zur Verf√ľgung stehenden Leistung nutzen kann.
Bild 2: Das vom Elektrofahrzeug einzuhaltende Toleranzband sorgt daf√ľr, dass die Ladestation die gesamte ihr zur Verf√ľgung stehenden Leistung nutzen kann. (Bild: Vector)

E-Mobilität und intelligente Energieverteilung

Ein weiterer Schwerpunkt des Vector-E-Mobility-Symposiums hat sich mit dem intelligenten Verteilen von Energie besch√§ftigt ‚Äď eine unabdingbare Voraussetzung f√ľr die k√ľnftige Elektromobilit√§t. Die f√ľr Fahrzeuge zur Verf√ľgung stehende Energiemenge ist nicht nur begrenzt, sondern auch zeitlichen Schwankungen unterworfen. Je mehr Elektrofahrzeuge auf die Stra√üe kommen, umso gr√∂√üere Bedeutung kommt intelligenter Ladekommunikation, leistungsf√§higen Charging-Station-Management-Systemen (CSMS) sowie einer Infrastruktur zu, die auf modularer Leistungselektronik basiert.

Beim bisherigen AC-Laden an Wallboxen oder √∂ffentlichen Ladepunkten bezieht das Fahrzeug die Energie in der Regel mit der maximal m√∂glichen Leistung, selbst wenn das gar nicht notwendig w√§re. Neuere Systeme und Wallboxen verteilen die Energie intelligenter oder erlauben dem Netzbetreiber auch die Einflussnahme auf die Ladeprozesse. Diese k√∂nnen Leistungen drosseln, eine Zeit lang ganz anhalten oder erlauben sogar das R√ľckspeisen, wie bereits beschrieben. W√§hrend 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 bew√§ltigen. F√ľr Betreiber von Ladeparks, Elektro-Flotten, Firmenparkpl√§tze und so weiter ist von Vector das CSMS vCharM erh√§ltlich, das in Bild 3 zu sehen ist. Das CSMS vCharM bietet die Konfiguration, Wartung und √úberwachung der Ladepunkte, sowie die Fahrzeug-Vorkonditionierung, Nutzerautorisierung und Abwicklung von Bezahl- und Abrechnungsvorg√§ngen. Sicherheitszertifikate k√∂nnen ebenso verwaltet und Berichte zu abgeschlossenen Ladevorg√§ngen erstellt werden. Es erm√∂glicht verschiedene Ladestrategien wie Ad-hoc-Planning und Ahead-Planning. Vorhandene Flotten- und Depot-Management-Systeme k√∂nnen problemlos eingebunden werden.

Bild 3: Das browserbasierte Frontend von vCharM bietet einfachen Zugriff auf alle Informationen und Bedienelemente, die f√ľr den Betrieb von Ladestationen erforderlich sind.
Bild 3: Das browserbasierte Frontend von vCharM bietet einfachen Zugriff auf alle Informationen und Bedienelemente, die f√ľr den Betrieb von Ladestationen erforderlich sind. (Bild: Vector)

In K√ľrze: 5 h√§ufig gestellte Fragen und Antworten zur ISO 15118-20 und Smart Charging

Frage 1: Was ist ISO 15118-20 und welche Bedeutung hat es f√ľr Smart Charging?

Antwort 1: ISO 15118-20 ist ein Teildokument der ISO-Norm 15118, das die Grundlagen f√ľr die Ladekommunikation von Elektrofahrzeugen definiert. Es erm√∂glicht unter anderem Bidirectional-Power-Transfer (BPT), was bedeutet, dass Elektrofahrzeuge nicht nur Energie aus dem Netz beziehen, sondern sie bei Bedarf auch zur√ľck ins Netz einspeisen k√∂nnen. Dies ist entscheidend, um das Stromnetz zu stabilisieren und auf den steigenden Anteil erneuerbarer Energiequellen vorbereitet zu sein.

Frage 2: Welche Rolle spielt ISO 15118-20 in Bezug auf Energiemanagement und Smart Grids?

Antwort 2: ISO 15118-20 erm√∂glicht es Elektrofahrzeugen, in das Energiemanagement des Smart Grids einzugreifen. Dies bedeutet, dass Fahrzeuge den Ladebetrieb stoppen und sogar Energie zur√ľck ins Netz speisen k√∂nnen, um das Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Energie aufrechtzuerhalten. Dies ist besonders wichtig angesichts der Schwankungen bei erneuerbaren Energiequellen.

Frage 3: Welche neuen Funktionen bietet ISO 15118-20 im Vergleich zur vorherigen Version ISO 15118-2?

Antwort 3: ISO 15118-20 f√ľhrt neue Energy-Transfer-Modi wie Bidirectional-Power-Transfer (BPT) und Wireless-Power-Transfer (WPT) ein. Es erweitert auch die M√∂glichkeiten f√ľr die Preisgestaltung und Authentifizierung. Dar√ľber hinaus bietet es verbesserte Handhabung von Vertragszertifikaten und Toleranzb√§ndern f√ľr die Ladeleistung.

Frage 4: Wie können Elektrofahrzeuge mit ISO 15118-20 zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen?

Antwort 4: Elektrofahrzeuge, die mit ISO 15118-20 kompatibel sind, k√∂nnen als dezentrale Energiespeicher fungieren. Sie k√∂nnen den Ladebetrieb stoppen und Energie zur√ľck ins Netz speisen, um das Netz zu stabilisieren. Dies ist besonders n√ľtzlich, um die Anlaufzeit von Kraftwerken f√ľr die Prim√§rregelung zu √ľberbr√ľcken.

Frage 5: Welche Rolle spielt ISO 15118-20 in der drahtlosen Kommunikation und im Energiemanagement von Elektrofahrzeugen?

Antwort 5: ISO 15118-20 erm√∂glicht Wireless-Power-Transfer (WPT) und Automatic-Connection-Device-Pantograph (ACD-P), was drahtlose Kommunikation und automatisches Laden unterst√ľtzt. Dies ist entscheidend f√ľr die Zukunft der Elektromobilit√§t und das intelligente Energiemanagement, insbesondere bei Elektrobussen und schnellem Gleichstromladen.

Jetzt ist die Industrie gefragt

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.

Dirk Großmann, Vector
(Bild: Vector)

Dirk Großmann

Senior Manager Entwicklung E-Mobility-Lösungen bei Vector

Fabian Eisele, Vector
(Bild: Vector)

Fabian Eisele

Produktmanager Microsar.Charge bei Vector

Sie möchten gerne weiterlesen?

Unternehmen

Vector Informatik GmbH

Ingersheimer Str. 24
70499 Stuttgart
Germany