Prüfung und Inbetriebnahme von Ladeeinrichtungen für die Elektromobilität

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Seit mehreren Jahren beschäftig das Thema Elektromobilität neben Politik und die Autoindustrie auch das Elektrohandwerk und letztlich den Endverbraucher. Neben einem Überblick zum technischen Stand der Elektromobilität befasst sich dieser Beitrag mit Prüfung und Inbetriebnahme von Ladestationen.

Das von der Politik vorgegebene Ziel der Reduzierung des CO2-Ausstoßes trieb die Elektromobilität voran und führte zu einer rasanten Zunahme an elektrischen Fahrzeugen. Für das Elektrohandwerk ergaben sich in diesem Zuge neue Aufgabenfelder, die nun bedient werden müssen.

Beim Aufbau von Ladepunkten für die E-Mobilität geht es nicht nur um einen zusätzlichen Anschlusspunkt, vielmehr geht es um Konzepte, die sicherstellen, dass Strom regenerativ, wirtschaftlich und hoch verfügbar bereitzustellen ist. Neben den PKWs mit einem Elektromotor oder auch Plugin-Hybrid-System gibt es auch andere Fahrzeuge – z. B. Busse, LKWs, Fahrräder oder E-Scooter –, die allesamt elektrisch geladen werden müssen.

 

Planung einer Ladeinfrastruktur

Für die Art und den Ort der elektrischen »Betankung« elektrischer Fahrzeuge gibt es verschiedenartige Möglichkeiten – abhängig von der Ausstattung des Fahrzeugs und der Ladeeinrichtung. Viele Fahrzeuge sind mit sogenannten ein-, zwei- oder dreiphasigen OnBoard-Ladern AC ausgestattet. Die Ausstattung von Ladeeinrichtungen stellt neben der zur Verfügung gestellten Ladeleistung ein wichtiges Kriterium dar.

Zur Nutzung der entsprechenden Lade­infrastruktur benötigt man entsprechende Zugangsberechtigungen, z. B. für folgende Abrechnungsmodelle des Stromverbrauchs:

  • Ohne Autorisierung: Jeder Ladepunkt kann uneingeschränkt genutzt werden. Der Strom wird oftmals verschenkt, z. B. in Einkaufszentren.
  • Mit Schlüsselschalter: Freigabe des Ladevorganges über einen Schlüsselschalter, z. B. auf Firmengeländen (gilt als veraltet).
  • Mit RFID-Karte: Die Nutzer werden entweder in einer lokalen Liste gespeichert oder über ein Roaming-Portal (Backend) freigeschaltet.
  • Mit Smartphone: Mit Hilfe eines QR-Codes, SMS oder NFC-Freischaltung wird der Ladevorgang gestartet.
  • Plug & Charge: Dieses Model ist für die Zukunft ausgerichtet. Das Ladekabel wird in die Ladeeinrichtung eingesteckt und das Fahrzeug identifiziert sich selbst. Die Abrechnung erfolgt dabei automatisch.

Geeignete Ladesysteme

Die in Deutschland am häufigsten verwendeten Ladesysteme (Bild 1) sind sogenannten konduktive (kabelgebundene) Ladesysteme für AC- oder DC-Ladung. Für den europäischen Standard bevorzugt man dabei die AC-Ladung Typ 2 oder DC-Ladung Combo Typ 2. Die zuletzt genannte Möglichkeit findet man häufig auf Raststätten, weil hierbei die Ladezeit relativ gering ist. Theoretisch gäbe es noch z. B. Möglichkeiten mittels kompletten Batteriewechsels am Fahrzeug oder sogenannter Redox-Flow-Technologie. Bei Letzterer findet ein Elektrolytwechsel in der Batterie statt.

Bild 1: Heute und künftig zu erwartende Systemansätze für das Laden batterieelektrischer Fahrzeuge

Zunehmend gewinnt das induktive Laden an Bedeutung. Dieses kann stationär oder dynamisch durchgeführt werden, wobei Ladeschleifen im Asphalt eingearbeitet sind. Sobald ein E-Fahrzeug direkt darüberfährt und stehen bleibt, beginnt der Ladeprozess. Diese Art der Ladung wird häufig im öffentlichen Busverkehrsnetz eingesetzt. In die Fahrbahn von Haltestellen integrierte Ladeschleifen ermöglichen den Ladevorgang, sobald der Bus an der Haltestelle zum Stehen kommt (Ergänzung der Energiezufuhr zur Reichweitenverlängerung).

Tabelle 1: Überblick Ladebetriebsarten

Genormte Ladebetriebsarten

Die Ladung von Elektrofahrzeugen wird in vier Lademodi unterschieden, die mit Mode 1 bis Mode 4 betitelt sind (Tabelle 1). Für jeden Modus werden dabei die folgenden Eigenschaften betrachtet:

  • Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation
  • Verriegelungsmöglichkeiten während der Ladung
  • einphasiges oder dreiphasiges Laden.
Bild 2: Vom Autohersteller mitgelieferter Stecker für das einphasige Laden an einer Schutzkontaktsteckdose

Unter dem Punkt Verriegelung ist zu definieren, ob der Ladestecker während der Ladung aus dem Ladepunkt herausgezogen werden kann. Je größer hierbei die Leistung, desto gefährlicher kann ein solches ungewolltes Herausziehen werden. Bei höheren Leistungen ist das Entfernen des Steckers unter Last in der Regel nicht möglich (Tabelle 1). Am Fahrzeug bleibt dabei immer eine Verriegelung bestehen.

In der Ladebetriebsart Mode 1 ist das Elektrofahrzeug für den Ladevorgang direkt mit einer 230-V-Standardsteckdose verbunden. Vorzugsweise findet die Ladung hier­über nur für Kleinfahrzeuge, E-Bikes oder bei E-Scootern statt. 230-V-Standardsteckdosen sind in der Regel nicht für die Dauerlast des Ladevorgangs eines Elektroautos geeignet.

Die Ladebetriebsart Mode 2 unterscheidet sich zu Mode 1 mit der integrierten Kommunikations- und Sicherheitsbaugruppe im Ladekabel. Hierzu zählen die »in cable control box« (ICCB-ladeleitungsintegrierte Funktionsbox) und »in cable control and protection device« (IC-CPD-ladeleitungsintegrierte Steuerungs- und Schutzeinrichtung). Auch diese Ladebetriebsart ist nicht gefahrenfrei. Die Ladung geschieht ebenfalls in der Regel über die 230-V-Standardsteckdose, die nicht für die Dauerbelastung ausgelegt ist. Oftmals wird die Ladeleitung seitens der Autohersteller dem Fahrzeug beigefügt. Nicht selten treten bei längeren Ladevorgängen Probleme auf. In den Bildern 2 und 3 wurde solch eine Ladeleitung an die Elektroinstallation in einem Wohnhaus angeschlossen. Die Steckdose ist zerstört und weist Brandspuren auf.

Bild 3: Das einphasige Laden kann verheerende Folgen an der Schutzkontaktsteckdose auslösen und ist daher nicht zu empfehlen

Die Ladebetriebsart Mode 3 zählt zu den sichersten Ladebetriebsarten. Im Privatbereich findet man häufig dabei die fest installierte Wallbox. Das Fahrzeug ist mit einer entsprechend dimensionierten Anschlussleitung mit dem Anschlusspunkt verbunden. Da nach den anerkannten Regeln der Technik, der DIN VDE 0100-722, jeder Anschlusspunkt über eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) und eine entsprechende Überstromschutzeinrichtung zu schützen ist, besteht hier nicht die Gefahr einer Überlastung. Außerdem sind Wallboxen generell für Dauerstrombelastung ausgelegt.

Zwischen dem Fahrzeug und dem Anschlusspunkt erfolgt eine Kommunikation über die »Proximity Pilot«-Kontakte des Steckers und des Anschlusspunktes. Ein in der Anschlussleitung integrierter Widerstand definiert bzw. codiert hierfür die Stromtragfähigkeit der Ladeleitung (Tabelle 2).

Die höchste Ladeleistung erreicht man mit der DC-Ladebetriebsart Mode 4. Für diese Ladebetriebsart wird eine Gleichspannung benötigt. Aufgrund des großen Platzbedarfs für die Leistungselektronik und der restlichen Komponenten zur Umsetzung der großen Ladeleistung ist die gesamte Technik in der Ladestation integriert. In Deutschland und in vielen weiteren Ländern ist das Ladekabel ebenfalls an der Ladestation fest angeschlossen. Dadurch erhöht man die Funktionssicherheit, weil zusätzliche Übergangswiderstände an den Kontakten nicht auftreten. Solche Einrichtungen findet man häufig im öffentlichen Bereich, beispielsweise an Autobahnraststätten.

Tabelle 2: Widerstand zur Codierung der Ladeleitungsstromtragfähigkeit

Funktionsweise der Ladestation

Die grundsätzliche Funktionsweise einer Ladestation lässt sich relativ einfach beschreiben. Eine Steuerungselektronik der Ladeeinrichtung überprüft folgende Situationen:

  • Ist ein Fahrzeug angeschlossen?
  • Soll dieses geladen werden?
  • Erfolgte die Verriegelung des Ladekabels?
  • Werden alle sicherheitsrelevanten Aspekte eingehalten?

Durch die Steuerungselektronik wird dem Fahrzeugladeregler der maximal »lieferbare« Stromwert vorgegeben. Erst dann wird das Lastschütz der Ladeeinrichtung angesteuert und der Ladevorgang beginnt. Ist der Akku im Fahrzeug vollständig geladen, schaltet die Elektronik das Lastschütz ab und die Ladung des Fahrzeugs endet. Die Verriegelung des Ladekabels bleibt aber noch bestehen. Das vollständige Ende des kompletten Ladevorganges endet mit der Entriegelung der Ladeleitung durch den Fahrer des Fahrzeugs.

Notwendigkeit der Erst- und Wiederholungsprüfung

Nach dem Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) ergibt sich aus dem § 49 die Pflicht, elektrische Anlagen so zu errichten und zu betreiben, dass die technische Sicherheit gewährleistet ist. Das bedeutet, eine elektrische Anlage ist nach der Errichtung und in entsprechenden Zeitabständen während des Betriebs regelmäßig zu prüfen. Dies geschieht, wie in der DIN VDE 0100-600 beschrieben, durch das Besichtigen, Messen, Erproben der elektrischen Anlagen und mit der Dokumentation der Ergebnisse.

Die Prüfung ortsfester Installationen ist nach den Anforderungen der DIN VDE 0100-600:2017-07 »Anforderungen an die Erstprüfung elektrischer Anlagen« durchzuführen. Die hier formulierten Erläuterungen beschreiben die Inhalte der Prüfungen. Es werden Informationen im Allgemeinen zu den Erstprüfungen erklärt. Der Ablauf der Prüfung ist in den Abschnitten Besichtigen, Erproben und Messen beigefügt. Die Prüfung darf nur durch eine Elektrofachkraft ausgeübt werden. Eine Besichtigung der Anlage ist dabei vor dem Erproben und Messen ein Muss. Das Erproben und Messen umfasst dabei folgende Checklistenpunkte:

  • Durchgängigkeit der Leiter (Niederohmmessung)
  • Isolationswiderstand der elektrischen Anlage
  • Schutz durch SELV, PELV oder durch Schutztrennung
  • Isolationswiderstand
  • Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung (Impedanz der Schleife)
  • Zusätzlicher Schutz (Auslösezeit, Auslösestrom und Berührungsspannung)
  • Prüfung der Spannungspolarität
  • Prüfung der Phasenfolge
  • Funktionsprüfung
  • Prüfung des Spannungsfalls
  • Erdungswiderstand.

Die Anforderungen der Wiederholungsprüfungen behandelt DIN VDE 0105-100/A1. Diese Norm ist ausgegliedert aus der DIN VDE 0105-100:2015-10 »Anforderungen für sicheres Bedienen von und Arbeiten an, mit oder in der Nähe von elektrischen Anlagen«. Beschrieben ist der sichere Betrieb der Anlage sowie Anforderungen an das Personal und die Organisation. Der Prüfablauf erfolgt nach DIN VDE 0100-600:2017-07.

Die üblichen Prüffristen der DGUV Vorschrift 3 sind einzuhalten. Grundsätzlich ist eine Gefährdungsbeurteilung die Basis für die Ermittlung der Prüffristen. Prüfintervalle können an das Alter und Zustand der Anlage angepasst werden, wobei die Zeitabstände der DGUV V3 nicht überschritten werden sollen. Entscheidend ist, dass eine »befähigte Person« diese Prüfungen durchführt.

Tabelle 3: Prüffristen ortsveränderlicherelektrischer Betriebsmittel DGUV V 3 – zu diesen gehören auch die Mode-2- und Mode-3-Ladekabel

Ladeleitungen zählen zu den ortsveränderlichen Betriebsmitteln. Auch hier sind nach den Vorschriften der DGUV V3 entsprechende Prüfintervalle festzulegen (Tabelle 3). Bei ortsveränderlichen Betriebsmitteln trägt der Umgang einen wesentlichen Einfluss auf den Zustand bei. Deshalb sind engmaschige Prüfungen sinnvoll. Ladekabel und Leitungen sollen, neben ihren eigentlichen Zweck, sicherstellen, dass die elektrische Sicherheit gewahrt bleibt. Auch hier zählt der Grundsatz einer Gefährdungsbeurteilung als Basis für die Ermittlung der Prüffristen. Die Prüffristen nach DGUV V3 sollten aber nicht überschritten werden. Prüffristen können an das Alter und Zustand der Anlage angepasst werden.

Funktion und Funktionstest

Bild 4: Verschiedene Spannungswerte des PWM-Signals kennzeichnen die einzelnen Betriebszustände des Fahrzeugs

Wie im obigen Abschnitt »Funktionsweise der Ladestation« schon beschrieben wurde, sind einige Parameter während des Ladevorgangs abzufragen. Dies geschieht über das sogenannte PWM-Signal in der Ladestation. Die Ladestation erzeugt das Signal mit Hilfe eines steuerbaren Signalgenerators und sendet es an das Fahrzeug über das Ladekabel.

Im Fahrzeug wird das PWM-Signal ausgewertet und durch unterschiedliche Belastungen des Betriebszustands des Fahrzeugs abgebildet. Hierzu wird in fünf Fahrzeugzustände unterschieden (Tabelle 4). Die einzelnen Zustände werden durch verschiedene Spannungswerte des PWM-Signals abgebildet (Bild 4). Die einzelnen Fahrzeugzustände werden während der Prüfung mit einem Simulator im Funktionstest überprüft.

Beim Ablauf einer Ladung unterscheidet man zwischen der Ladung mit oder ohne Autorisierung. Das Unterschiedsmerkmal zwischen diesen beiden Vorgängen stellt die Autorisierung mit einem RFID, NFC oder SMS dar. Die Freischaltung der Ladesäule zum Start des Ladevorgangs basiert auf diesen Erkennungseinrichtungen – z. B. für die Abrechnung der Stromkosten bei der Ladung im öffentlichen Bereich. Ansonsten läuft die Prozedur in folgender Weise ab:

 

  • Autorisierung mit RFID, NFC, SMS, …
  • Ladekabel wird eingesteckt
  • Ladekabel wird auf Fahrzeug- und Ladeinfrastrukturseite verriegelt
  • Ladestation erkennt die Stromtragfähigkeit und ob das Fahrzeug tatsächlich laden möchte (Betriebszustand C)
  • AC-Ladestation schaltet die Spannung ein (Betriebszustand C)
  • Wenn der Akkumulator vollständig aufgeladen ist, wechselt das Fahrzeug in Betriebszustand B
  • AC-Ladestation schaltet die Spannung aus (Betriebszustand B), Ladekabel bleibt weiterhin verriegelt
  • Ladekabel werden entriegelt, wenn der Fahrer das Laden komplett beendet
  • Ladekabel ausstecken und wegfahren.
Tabelle 4: PWM-Signal als Code

Nach der Installation der Ladeeinrichtung empfiehlt es sich, den Ladepunkt mit Hilfe eines Fahrzeugsimulators zu testen, bevor ein Fahrzeug angeschlossen wird. Dieser Funktionstest ersetzt dabei aber nicht die Prüfungen nach DIN VDE 0100-600. Der Fahrzeugsimulator ist notwendig für den Test, um die um die aus der Tabelle 4 angesprochenen Fahrzeugzustände darstellen zu können.

Für die Installation von Ladeeinrichtungen sind die anerkannten Regeln der Technik einzuhalten. Darüber hinaus sind privatrechtliche Vereinbarungen aus Versicherungsverträgen, Betriebsmittelnormen der Hersteller, Vorgaben der Netzbetreiber und regionale Auflagen zu berücksichtigen. Letztlich spielt das fachliche Ermessen des Errichters, der die lokalen Bedingungen kennt, die entscheidende Rolle bei der Frage nach Ausführungsdetails.

Am Schluss soll hier auch noch einmal auf das GEIG (Gebäude-Elektromobilitätsinfrastruktur-Gesetz) hingewiesen werden. Das Gesetz beschreibt die Vorgaben aus der EU-Gebäuderichtlinie zum Aufbau einer Lade- und Leitungsinfrastruktur für die Elektromobilität in Gebäuden. Ziel dieses Gesetzes ist es den Ausbau der Leitungs- und Ladeinfrastruktur zu beschleunigen und dabei die Kosten (Stichwort: Baukosten) für die Errichtung im Rahmen zu halten.

Das Gesetz ist am 11.2.2021 im deutschen Bundestag verabschiedet worden und ist damit aktuell gültig. Wer dieses Gesetz nicht einhält oder dagegen verstößt, muss mit einem Bußgeld rechnen.

Fazit

Die technische Sicherheit muss auf Grund der möglichen Gefährdungen von Personen und Sachwerten immer gewährleistet werden können. Deshalb dürfen elektrische Anlagen nur von Elektrofachkräften geplant, errichtet, geprüft, in Betrieb genommen und gewartet werden. Die in diesem Beitrag beschriebenen Prüfungen und Funktionstests sind nach der Installation und für die Inbetriebnahme eines Ladepunktes unbedingt durchzuführen.

Autor

Dirk Maske, Autor der Rubrik Praxisprobleme, BFE Oldenburg

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

 

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