Was Stromquellen und Lasten bei der Entwicklung von Ladekabeln leisten

Um ein Elektrofahrzeug aufzuladen, gibt es mehrere Möglichkeiten. In den meisten Fällen wird das Fahrzeug an das Kabel einer speziellen Ladestation angeschlossen. Diese Stationen haben meist einen eigenen Versorgungsanschluss, sind separat abgesichert und ermöglichen damit einen recht hohen Ladestrom. Bei der Batterieladung über eine Ladestation ist je nach Rahmenbedingungen die Gleichstrom-, Drehstrom- oder Einphasenladung möglich. Hier lässt sich mit Ladeströmen von 60 A bei Gleichstrom, 30 A bei Drehstrom und 10 bis 15 A beim einphasigen Laden arbeiten.

Gleichstromladung bietet den Vorteil, dass keine Wandlung des Stroms erfolgen muss und es daher möglich ist, mit höheren Strömen zu arbeiten. Damit lassen sich Ladezeiten bis herunter zu 20 Minuten realisieren, während eine normale Dreiphasenladung mindestens eine Stunde dauert und eine Einphasenladung per Wandbox je nach zulässigem Höchststrom in der Regel mindestens zwei Stunden in Anspruch nimmt.

Mehr als nur Leitungen

Beim Test der Schutzelektronik von Ladekabeln unter Laborbedingungen kommen speziell dafür ausgelegte Stromquellen und elektronische Lasten zum Einsatz. ET System electronic, TE Connectivity

Aber nicht überall sind Ladestationen verfügbar und daher liegt jedem Elektrofahrzeug ein Ladekabel bei, das oft auch als Notladekabel oder als Sicherheits-Ladekabel bezeichnet wird. Dieses Ladekabel wird in eine normale Steckdose eingesteckt, aber da es im gleichen Sicherungskreis oft noch andere Nebenlasten gibt und auch keine Kommunikation zwischen Hausnetz und Fahrzeug möglich ist, ist der Ladestrom in diesem Fall zu begrenzen. Der maximale Dauerstrom beträgt etwa 10 bis 12 A, was zu einer Ladezeit von bis zu sechs Stunden führt.

Ein solches Ladekabel zu entwickeln und zu produzieren ist aber keine triviale Angelegenheit, denn es soll in möglichst vielen verschiedenen Ländern Einsatz finden. Dieser Herausforderung widmet sich zum Beispiel das Unternehmen TE Connectivity, das unter anderem Steckersysteme und Sensoren für die Automobilbranche produziert.

Weltweit kommen eine große Zahl unterschiedlicher Steckersysteme zum Einsatz, die nicht kompatibel sind. Auch über die sehr unterschiedliche mechanische Auslegung hinaus gibt es erhebliche Unterschiede bei den Stromnetzen, nicht nur bei den Spannungssystemen und Netzfrequenzen, sondern auch beim Anschluss der elektrischen Masse, bei der Gestaltung der Rückleiter, bei den Phasenbeziehungen zwischen den Leitern sowie bei der Frage, ob eine oder zwei Phasen angeschlossen werden.

Die internationale Netzgestaltung ist also ein weites Feld und ein universell einsetzbares Kabel entwickeln zu wollen ist illusorisch. Um Ladekabel aber zumindest regional einsetzen zu können, entwickelt und produziert TE Connectivity unterschiedliche Kabel, die jeweils in Europa, Nordamerika und Asien einsetzbar sind und alle dort auftretenden Anforderungsvarianten abdecken.

Integrierte Überwachungselektronik

Um den Ladevorgang auch ohne dezidierte Ladestation überwachen zu können, haben die Ingenieure von TE Connectivity im Kabel eine Überwachungselektronik in einem eigenen Gehäuse integriert (in-cable current detection device).

Bei dieser Elektronik handelt es sich um eine elektronische Schutz- und Überwachungseinheit, die zwischen dem Fahrzeug und dem Netz eingeschaltet wird. Sie überwacht Strom, Spannung und Temperatur und verfügt beispielsweise auch über einen Thermosensor im netzseitigen Stecker, der die Temperatur in der Steckdose überwacht. Die Elektronik kontrolliert aber auch, ob die Fahrzeugkarosserie etwa infolge eines Kurzschlusses unter Spannung steht oder ob durch Anschlussfehler oder Isolationsdefekte Fehlerströme auftreten. Um im Ernstfall das Fahrzeug vom Netz trennen zu können, enthält die Überwachungseinheit Schütze, die den Strom zu- oder abschalten und damit für die Sicherheit von Mensch und Fahrzeug sorgen.

Die Quelle in der Testumgebung

Die Überwachungselektronik muss ihre Aufgaben bei Wind und Wetter zuverlässig erfüllen. Sie wird daher für eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen ausgelegt und muss unter diesen Rahmenbedingungen zunächst im Labor Tests durchlaufen, ehe Praxistests in den Fahrzeugen erfolgen können. Dazu haben die Prüfingenieure bei TE eine Testbench aufgebaut, auf der sich Ein- und Zweiphasensysteme mit der entsprechenden Phasenlage und den geforderten Spannungen simulieren lassen. Ein Klimaschrank eröffnet zudem die Möglichkeit, die Funktion der Überwachungselektronik auch unter den unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen zu simulieren – ob am Nordkap oder am Äquator.

Um die entsprechenden Ströme bereitzustellen und mit einer elektronischen Last auch die erforderlichen Belastungen zu simulieren, kommen programmierbare Spannungsquellen und -lasten zum Einsatz. Deren Regelung erfolgt über einen Steuerrechner, wodurch eine Simulation verschiedener Betriebs- und Fehlerbedingungen wie zum Beispiel Kurzschlüssen möglich wird.

Bei der Stromquelle und den Lasten setzt TE auf bewährte Technik von ET System electronic: Im Einsatz ist eine AC-Quelle des Typs EAC-S 4000/Mod. Diese AC-Quellen liefern je nach Ausführung ein- oder dreiphasige Sinus-, Rechteck- oder Dreieckspannungen. Der manuell einstellbare Frequenzbereich liegt zwischen 1 und 2000 Hz, zusätzlich lassen sich die häufig benötigten Frequenzen 50, 60 und 400 Hz per Tastendruck fest einstellen. In der Standardausführung bieten die Geräte einen Spannungsbereich von 0 bis 300 V bei einem Leistungsbereich von 250 VA bis 150 kVA. Die Ströme betragen bis 80 A pro Phase, eine spezielle Hochstromvariante stellt stromgeregelt sogar bis 2000 A zur Verfügung. Alternativ sind Spannungen bis 500 V_AC beziehungsweise bis 700 V_AC verfügbar, wobei die maximalen Ausgangsströme jeweils um 40  beziehungsweise 50 Prozent reduziert sind. Die gesamte Baureihe weist gute Regeldaten auf und bietet bei einer Regelgüte von 0,1 Prozent einen sehr kleinen Klirrfaktor von 0,1 Prozent  und eine Programmiergenauigkeit der Wechselspannung von 100 mV.

Bei dem von TE eingesetzten Gerät handelt es sich allerdings um eine modifizierte Variante, die ET System electronic an kundenspezifische Vorgaben angepasst hat. Das Gerät wird mit Drehstrom gespeist, liefert eine Ausgangsspannung von 300 V_AC und gibt dabei bis zur Maximalleistung von 4 kW Ströme von maximal 30 A ab. Im Gegensatz zu den Seriengeräten ist diese spezielle AC-Quelle aber in der Lage, für 200 s einen Spitzenstrom von 20 A bei einer Ausgangsspannung von 265 V_AC zu liefern und dabei eine Leistung von 5,3 kW zu erbringen – ideale Voraussetzungen also, um auch Überlasttests durchführen zu können.

Elektronische Last

Um die Belastung durch die Fahrzeugbatterie zu simulieren, kommt eine elektronische Last von ET zum Einsatz. Die Last aus der Baureihe ELP 32611 nimmt Leistungen bis 3600 VA bei einem Maximalstrom von 36 A und einer Eingangsspannung von maximal 300 V_AC auf. Die Geräte bieten bei einer Grundgenauigkeit von 0,5 Prozent in allen Betriebsarten, die in der Praxis täglich in Gebrauch sind, also neben einem Konstantstrom-Modus auch die Betriebsarten Konstantwiderstand, Konstantspannung und Konstantleistung.

(na)