Warum ist die Interoperabilitäts-Erprobung von Ladesystemen für E-Fahrzeuge so wichtig, und welche Rolle spielt dabei der Komfort beziehungsweise Plug-and-Charge? Für das Jahr 2030 erwarten Experten einen Anteil an BEVs auf dem weltweiten Pkw-Markt von rund einem Viertel. 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 will die ASAP-Gruppe für die Absicherung dieser Faktoren sorgen.

Komplexe Validierung bei Plug-and-Charge

Ein Ladevorgang mit Plug and Charge macht in der Entwicklung ein tiefgreifendes Absicherungskonzept erforderlich.

Bild 1: Ein Ladevorgang mit Plug-and-Charge macht in der Entwicklung ein tiefgreifendes Absicherungskonzept erforderlich. 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 auf die Vielfalt hinsichtlich Stecker-Infrastruktur und Ladestandards vorbereitet sein. Grundsätzlich ist hierbei zwischen einem AC- und DC-Ladevorgang zu unterscheiden.

Internationale Ladestandards, AC- und DC-Laden

Bezüglich der DC-Ladestandards gilt: während in Europa die Richtlinie CCS2 gültig ist, greifen beispielsweise in Japan die CHAdeMO– und in China die GBT-Norm. Das hat zur Folge, dass beim Ladevorgang die Spannung in der Ladesäule entsprechend der jeweiligen Anforderungen gleichzurichten ist. 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 sein.

Eckdaten

Die ASAP-Gruppe hat weltweit Interoperabilitäts-Tests durchgeführt, um E-Fahrzeuge beim Aufladen an verschiedenen Ladesäule-Typen abzusichern. Die Testfahrer mussten hierbei in sieben Ländern mehrere Ladesäulen-Typen entsprechend einer festgelegten Route nutzen. Mit den gesammelten und gespeicherten Daten sollen Fehler behoben und der gesamte Ladevorgang verbessert werden. Das manuelle Testen lässt sich darüber hinaus noch mittels simulierter Ladesäulen ergänzen. Ziel ist der Aufbau einer smarten Ladeinfrastruktur.

Eine weitere Herausforderung für die Absicherung stellen die große Anzahl verschiedener Ladesäulen-Hersteller und damit verbunden auch wechselnde Hardware- und Software-Stände der jeweiligen Ladesäulen-Typen im Feld dar. Nur in Europa und Nordamerika bieten aktuell etwa 40 Hersteller jeweils rund vier Ladesäule-Typen an, Tendenz steigend. Der Ladeprozess eines E-Fahrzeugs ist demnach alleine in diesen beiden Regionen für über 160 unterschiedliche Ladesäule-Typen abzusichern. Bei der Absicherung der Kommunikation zwischen E-Fahrzeug und Ladesäulen müssen zudem die je nach Land stark variierenden Bezahlsysteme oder auch Ladeverbünde Beachtung finden – für den Fahrer darf sich hierdurch im Ladeprozess kein Mehraufwand in der Abwicklung ergeben. Weitere Einflussfaktoren: die Abhängigkeit des Ladevorgangs vom Fahrzeughersteller und -typ sowie die variierende Aktualität des Ladeverbunds des jeweiligen Fahrzeugs.

7 Länder – 10.000 Kilometer – 150 Ladesäulen

Bei der Routenplanung für den Test war es wichtig, dass die Fahrer in möglichst vielen Ländern viele verschiedene Ladesäule-Typen nutzen.

Bild 2: Bei der Routenplanung für den Test war es wichtig, dass die Fahrer in möglichst vielen Ländern viele verschiedene Ladesäule-Typen nutzen. ASAP

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 Anwender-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 beziehungsweise -Typen durchgeführt und auf Basis dessen schließlich das Erprobungskonzept zur Absicherung der Anwenderfunktionen erarbeitet.

Die anschließend erstellten Routenpläne für beide Regionen hatten die Vorgabe, dass die Fahrer jeden wichtigen Ladesäulen-Typ mindestens fünfmal an unterschiedlichen Standorten ansteuern müssen. Das Ziel: zwei Testfahrzeuge sollten parallel auf ihren Routen möglichst viele Länder, Bezahlsysteme sowie weitere der eingangs beschriebenen Parameter abdecken. Gleichzeitig haben die Verantwortlichen bei der Routenplanung länderspezifische Bestimmungen für Testfahrzeuge sowie das Vorhandensein abgesicherter Tiefgaragen bei allen Aufenthalten zum Prototypenschutz bedacht. Das Ergebnis der Planung: mit zwei Testfahrzeugen waren Entwickler 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 die Durchführung der Anwenderfunktionstests an den Ladesäulen haben die Planer im Vorfeld der Erprobungsfahrten eine umfangreiche Test-Case-Matrix erstellt. Diese schließt für jede der angesteuerten Ladesäulen rund 100 Testfälle zur Absicherung zahlreicher Parameter-Kombinationen ein. Beispielhaft sei nachfolgend ein solcher Testfall in Kürze beschrieben. Für diesen Beispiel-Testfall haben die Verantwortlichen in der Test-Case-Matrix die folgenden Bedingungen festgehalten: Anschließen des Ladesteckers am Fahrzeug, Authentifizierung an der Ladesäule, aktives Laden des Fahrzeugs sowie Erreichen von 80 Prozent als SOC-Zielwert. Die Aktion für diesen Testfall besteht dann darin – sobald der SOC-Zielwert erreicht ist – am Fahrzeug-HMI einen neuen Zielwert größer als der Ist-Wert 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 – Überprüfung der Testfall-Bedingungen, Durchführung der festgelegten Aktionen sowie Kontrolle und Dokumentation der Erwartungswerte – führen die Entwickler an jeder Ladesäule rund 100 verschiedene Testfälle zur Interoperabilitäts-Erprobung durch.

On-Board Charger

Bereits während der Erprobung erfolgt die Analyse konkreter Fehlerfälle, um eine zeitnahe Abstellmaßnahme herbeiführen zu können. Dazu gilt es, die Kommunikation zur Ladesäule sowie die fahrzeuginterne Kommunikation auszuwerten sowie die Ergebnisse der durchgeführten Tests lückenlos zu dokumentieren, 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; das mit standardisierten Protokollen für die Kommunikation mit Ladesäulen ausgestattete Steuergerät ist für die Steuerung des Ladeprozesses zuständig. Es 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 – beispielsweise ein falsches Anzeigeverhalten der Lade-LED oder der Restladezeit – lassen sich nach Abschluss der Interoperabilitäts-Erprobung ebenfalls benennen. Auch Fehler seitens der Ladesäule lassen sich im Zuge der Interoperabilitäts-Erprobung ermitteln und an die jeweiligen Ladesäulenhersteller übermitteln.

Simulierte Ladesäule am Labor-Prüfstand

Fehler treten oft nur einmalig an einer bestimmten Ladesäule auf und sind daher aktuell noch nicht reproduzierbar.

Bild 3: Fehler treten oft nur einmalig an einer bestimmten Ladesäule auf und sind daher aktuell noch nicht reproduzierbar. ASAP

Die Erprobungsdaten dienen nicht nur der Absicherung des untersuchten E-Fahrzeugs, sondern sie sorgen gleichzeitig dafür, dass sich Interoperabilitäts-Erprobungen von E-Fahrzeugen im Allgemeinen künftig kosten- und zeitsparender umsetzen lassen. ASAP hat hierfür einen neuen Ansatz zur umfassenden Lade-Absicherung erarbeitet, der das manuelle Testen mit Prototypen an Ladesäulen in Zukunft ergänzt. Grund für die Entwicklung des neuen Ansatzes: es ist absehbar, dass die Anzahl an Ladesäulen sowie Ladesäulenherstellern und -typen – und damit auch der Erprobungsaufwand – in Zukunft kontinuierlich steigt. 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. Dabei werden zunächst reale Ladevorgänge durchgeführt, aufgezeichnet und in einer Datenbank dokumentiert. Aus diesen Daten werden die aufgetretenen Fehlerquellen und -arten identifiziert und diese dann simulativ nachgebildet. An einem Labor-Prüfplatz mit simulierter Ladesäule kann der Lade-Prozess eines E-Fahrzeugs damit schließlich nachgestellt werden. Dabei programmieren die Prüfer die Simulation so, dass die eingangs genannten Parameter auf die ausgewählten häufigsten Fehlerquellen hin untersucht werden. Neue Fehlerfälle fließen kontinuierlich ein und lassen sich so reproduzierbar und analysierbar machen.

Zudem besitzt der Prüfstand auch eine Schnittstelle zum E-Fahrzeug, wodurch sich einfache Fahrzeugfunktionen, wie etwa Zündung schalten oder Ladetaster drücken, automatisiert durchführen sowie Zustände, wie beispielsweise der LED-Status, auswerten lassen. Somit besteht auch die Möglichkeit, Bedienhandlungen der Tester nachzubilden. 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, die von vornherein besser abgesichert sind – gleichzeitig reduziert sich so der 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 kostengünstig einsetzbar. Der Labor-Prüfstand ermöglicht somit eine umfassende Lade-Absicherung von E-Fahrzeugen mit deutlich 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.

Datenbank und intelligente Lade-Infrastruktur

Für ein ganzheitliches Lade-Absicherungskonzept arbeitet ASAP zudem am Aufbau einer Datenbank. Diese soll die bei den Ladeversuchen im Feld gesammelten Daten aufzeichnen und sichern. Das umfasst auch sämtliche physikalischen und Kommunikationsparameter. Künftig sollen sich dadurch per Knopfdruck Testfälle aus der Datenbank ableiten lassen, die sich dann wiederum in den Lade-Prüfstand einspeisen lassen. So lässt sich die Lade-Absicherung von E-Fahrzeugen künftig weiter beschleunigen – und das Ziel einer intelligenten Lade-Infrastruktur rückt 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.

Netzüberlastung vorbeugen

Intelligente Ladesteuerung stabilisiert das Versorgungsnetz; Aufmacher

Bild 4: Intelligente Ladesteuerung stabilisiert das Versorgungsnetz und kann so eine Netzüberlastung vermeiden. shutterstock_1335909596.jpg

Das folgende Szenario erläutert den Nutzen dieser Information: Innerhalb eines großen Wohngebiets erreichen dessen Bewohner ihr Zuhause durchschnittlich nach Feierabend etwa gegen 18:00 Uhr. Ohne die beschriebene Information würden die E-Fahrzeuge dann direkt nach Anschließen an der Ladesäule laden und der Energiebedarf dementsprechend innerhalb eines kurzen Zeitraums sehr stark steigen. Bei Einbindung der E-Fahrzeuge in eine intelligente Lade-Infrastruktur können sie stattdessen künftig bedarfsgerecht – also in diesem Szenario beispielsweise auch nachts, wenn der Energiebedarf im Wohngebiet geringer ist – geladen werden, sodass sie morgens für die Fahrt zur Arbeit rechtzeitig einsatzbereit sind. Einer Netzüberlastung lässt sich auf diese Weise vorbeugen. 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 seinen Beitrag zur Realisierung neuer Mobilitäts- und Infrastrukturkonzepte, bei denen E-Fahrzeuge eine elementare Rolle spielen.