Forschungsobjekt Ladesäule

Per Automatisierung zur intelligenten E-Tankstelle

Bevor Elektrofahrzeuge flächendeckend und in großer Anzahl auf unseren Straßen unterwegs sein können, gilt es eine entsprechende Ladeinfrastruktur aufzubauen. Wie eine intelligente „E-Tankstelle“ aussehen kann, untersucht derzeit das Forschungsinstitut für Kraftfahrtwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart auf einem speziell für diese Zwecke konzipierten Prüfstand.

Elektroautos sind keine neue Erfindung. Eines der ersten elektrisch betriebenen Gefährte wurde bereits 1881 von Gustave Trouvé auf der Elektrizitätsmesse in Paris vorgestellt. 1900 präsentierte Ferdinand Porsche dann auf der Weltausstellung in der französischen Hauptstadt ein im Auftrag des Wiener Kutschenfabrikanten Ludwig Lohner entworfenes Elektroauto mit zwei Radnaben-Motoren. Das Problem der geringen Reichweite löste Porsche, indem er den Elektro- mit einem Verbrennungsmotor zu einem Hybridantrieb kombinierte. Zur Marktreife – geschweige denn zur Serienproduktion – reichte es bei diesen Konzepten zur damaligen Zeit allerdings nicht.

Mit zunehmender Verknappung der fossilen Brennstoffe sowie mit dem Ziel einer spürbaren Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes kommt das Thema Elektroauto über 100 Jahre später wieder auf die Tagesordnung – jetzt aber mit weit mehr Nachdruck und getragen von der kompletten Automobilindustrie. Ein weiterer Unterschied zu damals: Der hierfür erforderliche Strom wird idealerweise regenerativ erzeugt! Doch nicht nur woher der Strom kommt, ist für den Erfolg der Elektromobilität maßgeblich, sondern auch die Fragestellung, wie er am effizientesten in das Fahrzeug respektive die dort verbaute Batterie gelangt.

Phoenix Contact 

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Übersichtsdarstellung des kompletten Forschungsumfelds des FKFS: Im Mittelpunkt die E-Tankstelle, darum herum die künftig entstehende Infrastruktur.

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Phoenix Contact

Übersichtsdarstellung des kompletten Forschungsumfelds des FKFS: Im Mittelpunkt die E-Tankstelle, darum herum die künftig entstehende Infrastruktur.

Das Forschungsinstitut für Kraftfahrtwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) hat vor diesem Hintergrund eine Elektrotankstelle aufgebaut, die der Erforschung des Ladevorgangs elektrisch betriebener Fahrzeugsysteme dienen soll. Diese erlaubt die Untersuchung und Optimierung der einzelnen Aufgabenstellungen aus dem ELITE-Projekt (Energie­effiziente Leistungsoptimierte und Intelligente Tankstelle für Elektrofahrzeuge), welches vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden Württemberg gefördert wird und im Juli 2011 von der zuständigen Ministerin Theresa Bauer sowie  von Daimler-Vorstand Prof. Thomas Weber eingeweiht wurde.

Neben der reinen Ladesäule spielen in diesem Zusammenhang die für die verschiedenen Ladekonzepte erforderliche Leistungselektronik, Kabelführungen, Datenverarbeitungs-Einheiten und die Benutzerschnittstellen eine Rolle. Die Programmierung und Inbetriebnahme der Anlage inklusive eines umfassenden After-Sales-Service runden das Projekt ab. Darüber hinaus wird bei diesem hochmodernen Prüfstand ein regeneratives Konzept zur Einspeisung der benötigten Energie zum Einsatz kommen.

Das ELITE-Forschungsprojekt umfasst grundsätzlich folgende Schwerpunktthemen:

■ Identifikation des jeweiligen Fahrzeugs,
■ Abrechnung der getankten Energiemenge,
■ Betriebsstrategie und Verbesserung des Wirkungsgrads der Ladesäule,
■ Entwicklung eines Standards zur Energie-Übertragung,
■ Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Infrastruktur (C2I – car to infrastructure),
■ Funktion der Ladesäule als Bestandteil eines intelligenten Stromnetzes (Smart Grid),
■ komfortable Nutzung durch die Anwender sowie
■ energieeffizienter Betrieb der Ladesäule.

Heldele 

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Georg Thomas, Leiter des Kompetenz-Center Technology bei Heldele: „Unsere Forschungsanlage bedingt einen hohen Sicherheitsaufwand, um das gleichzeitige Schalten von Leistung zu verhindern. Die DC-Stromkreise sind deshalb mit einer Isolationsüberwachung ausgestattet. Außerdem haben wir eine Sicherheitsabschaltung implementiert, die permanent kontrolliert, ob sich ein Fahrzeug an der Ladesäule befindet.

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Heldele

Georg Thomas, Leiter des Kompetenz-Center Technology bei Heldele: „Unsere Forschungsanlage bedingt einen hohen Sicherheitsaufwand, um das gleichzeitige Schalten von Leistung zu verhindern. Die DC-Stromkreise sind deshalb mit einer Isolationsüberwachung ausgestattet. Außerdem haben wir eine Sicherheitsabschaltung implementiert, die permanent kontrolliert, ob sich ein Fahrzeug an der Ladesäule befindet.

Die in Salach im Landkreis Göppingen ansässige Firma Heldele erhielt im Rahmen einer Ausschreibung den Zuschlag für die Lieferung und Montage der Schaltanlagen. Da die Elektrotankstelle jederzeit erweiterbar sein soll, haben sich das FKFS und Heldele für eine offene Plattform auf Basis des Automationssystems von Phoenix Contact entschieden. In der Ausschreibung wurden drei Parkplätze festgelegt. Auf Parkplatz 1 (Ladepunkt 1 und 2) kommt ausschließlich die AC-Ladetechnologie zum Einsatz. An den beiden weiteren Plätzen mit Ladepunkt 3 und 4 ist sowohl AC- als auch DC-Ladung realisiert. Eine Besonderheit ist am Ladepunkt 5 installiert – hier soll die Induktionsladung in der Praxis getestet werden.

Zentrale Komponente in den Ladesäulen ist eine Modularsteuerung vom Typ ILC. Sie identifiziert Fahrer oder Fahrzeug und steuert den „Handshake“ zwischen Fahrzeug und Lade-Infrastruktur. Des Weiteren schaltet der Controller den Ladevorgang frei, überwacht und beendet ihn definiert. Außerdem übermittelt die Steuerung eventuelle Alarm- und Störmeldungen. Dazu wird sie modular erweitert, etwa um

■ analoge und digitale Eingabe- und Ausgabeklemmen für Status- und Fehlersignale wie Temperaturüberwachung, Interlocks und Zählerimpulse,
■ serielle Kommunikationsschnittstellen zur Einbindung von Peripherie-Geräten wie RFID-Lesegerät oder Energiezähler und
■ eine SQL-Datenkommunikation.

Zu den zentralen Komponenten der komplexen Forschungsanlage zählen die beiden Ladesäulen mit AC- und DC-Ladetechnologie sowie Hochfrequenztechnik, die als Front-End fungieren.

Ladesäule 1 hat ein klassisches Tanksäulen-Outfit; in ihr ist ein Teil der Steuerungstechnik und das Bedienterminal für alle Ladepunkte installiert. Die Lade-säule 2 enthält die komplette HF-Technik für die Induktionsladung und die Anschlusstechnik für AC- und DC-Ladung. Aufgrund der eingesetzten HF-Technik wurde aus Ladesäule 2 ein Outdoor-Schaltschrank mit entsprechender Kühlung für den Ganzjahresbetrieb. Für die Anwendung der Induktionsladung ist ein weiteres Forschungsprojekt beim FKFS in Arbeit.

Die Elektroautos werden unter anderem aus dem lokalen Netz der Energieversorgungs-Unternehmen betankt. Die Erkenntnisse, die sich aus dem Ladevorgang ergeben, sollen sofort in einer SQL-Datenbank gespeichert und verarbeitet werden. Geplant ist ferner, die Netzeinspeisung über Photovoltaik-Anlagen sowie das Einspeisen einer stationären Batterie und Pufferung der Energie. Auch dies ist ein bidirektionaler Vorgang, aus dem sich Optimierungspotenziale ableiten lassen. Denn obwohl das Motto „Strom kommt aus der Steckdose“ nach wie vor einen hohen Stellenwert bei der Energieversorgung hat, gewinnen Einspeisequellen aus regenerativen Energien immer mehr an Bedeutung. Ob sich das Elektroauto als Energiespeicher in intelligenten Netzen (Smart Grids) eignet, ist demzufolge eines der Schwerpunkt-Themen des ELITE-Projekts.

1. Teil: Per Automatisierung zur intelligenten E-Tankstelle
2. Teil: Verschiedene Identifikationsverfahren
3. Teil: 41 Betriebsarten – eine Herausforderung!