Der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) in Europa hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und entsprechend ist der Bedarf an Ladestationen gestiegen.Die Nachfrage nach der Infrastruktur ist vor allem auf die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zurückzuführen. Zudem konzentrieren immer mehr Autohersteller Ihre Kräfte auf Elektrofahrzeuge, um die Anforderungen der EU zu erfüllen. Es ist auch klar, dass mit dem Anstieg der Verkäufe von Elektroautos ein weiterer Ausbau der Infrastruktur erforderlich ist, einschließlich neuer zugänglicher Ladepunkte und der Erweiterung bestehender Ladepunkte.
Relevanter Teil der Infrastruktur für das Laden von E-Fahrzeugen ist die Art der Ladestationen. Der Bedarf an Schnellladestationen an strategischen Standorten ist für jede Reise unerlässlich; wie wir wissen, benötigt jede Art von wiederaufladbaren Batterien eine Aufladung über einen langen Zeitraum, EV’s sind da nicht anders. Die kleinsten EV-Batterien haben eine Leistung von etwa 20-30 kW, die größten bieten bis zu 100 kW. Bei einer Batteriekapazität von etwa 100 kW würde eine normale 240-V-Haushaltssteckdose die Batterie in etwa 24 Stunden mit 2,3 kW aufladen. Eine spezialisierte Wallbox-Ladestation würde die Batterie in etwa 7,5 Stunden bei 7,4 kW aufladen, und ein Schnellladegerät kann eine Batterie in weniger als 1 Stunde aufladen bei einer Leistung von 50 kW. Die Verfügbarkeit von Schnellladegeräten ist für die meisten Fahrer, die lange Strecken zurücklegen, unerlässlich. Ansonten würde die gesamte Infrastruktur als unpraktisch angesehen.
In der Realität werden die meisten E-Fahrzeug-Besitzer ein spezielles Ladegerät zu Hause haben, das an die hausinterne Stromversorgung angeschlossen ist und das Fahrzeug über Nacht auflädt, wenn der Strompreis niedriger ist und es weniger Nachfrage gibt. Diese Heimladegeräte sind entweder eine Standard 230V 10A Steckdose oder die Energieversorger installieren für diesen Zweck eine Wandeinheit mit 7,4kW/32A.
EV-Ladepyramide
Das Wachstum des EV-Marktes hat zu einer Vielzahl von proprietären Ladegeräten und Anschlusstypen geführt, wobei jeder Automobilhersteller sein eigenes einzigartiges Design anbietet. Allein dieses Thema ist eine große Herausforderung innerhalb der gesamten Design-Infrastruktur des EV-Ladens. Ein Lösungsansatz für dieses Problem sind die Ladestrategien.
Am unteren Ende der Skala stehen die Langsamlader, die typischerweise zwischen 2-3kW liegen und in fast jedem Haus eingesetzt werden können. Darüber hinaus gibt es auch eine Reihe von Wandladegeräten, die außerhalb des Hauses oder in der Garage angebracht werden können. Diese Wandladegeräte haben eine Leistung von 7,4 kW und werden direkt an das Ringnetz angeschlossen.
Schnellladegeräte sind an den meisten öffentlichen Plätzen zu finden, wie z.B. in Parkhäusern, Einkaufszentren und in einigen Fällen auch auf öffentlichen Straßenparkplätzen. Diese Ladegeräte laden Ihr E-Fahrzeug mit einer bestimmten Rate, die vom Ladenetz vorgegeben ist. Schnellladegeräte haben eine Leistung von 7 bis 22 kW und können Ihr Fahrzeug in etwa 3 bis 6 Stunden von Null auf volle Kapazität aufladen, abhängig von der Batteriekapazität Ihres Fahrzeugs.
Schnellladegeräte sind noch schneller und am häufigsten in Parkhäusern zu finden, wo E-Fahrzeuge für einige Stunden abgestellt werden. Es gibt zwei Arten von Schnellladegeräten: AC-Ladegeräte mit einer Leistung von 43 kW und DC-Ladegeräte mit 50 kW. Die DC-Ladegeräte versorgen das Auto direkt mit Strom, ohne dass eine AC/DC-Stromumwandlung und damit ein Leistungsverlust entsteht. Mit diesen beiden Lademethoden würde ein EV seine Batterie in etwa 1 Stunde aufladen.
An der Spitze der EV-Ladeskala stehen die Supercharger, die zwischen 120 kW und 300 kW laden. Tesla war eines der ersten EV-Autounternehmen, das einen Supercharger mit 120 kW über einen eigenen Anschluss entwickelt hat, und vor kurzem wurde ein neuer Supercharger mit 250 kW angekündigt. Tesla behauptet, dass es seine Batterien in 15-30 Minuten über sein Netzwerk von über 20.000 Superchargern in Europa vollständig aufladen kann. Diese Art von Ladegeräten sind ideal für Tankstellen und Raststätten, da sie sich normalerweise an idealen Standorten für lange Fahrten befinden und leicht zugänglich sind.
Es gibt einige wenige EV-Ladeunternehmen, die die bei den meisten Superchargern üblichen 150 kW überschritten haben. Eines dieser Unternehmen ist ABB aus der Schweiz. ABB hat sein Terra-Hochleistungs-Gleichstrom-Schnellladegerät auf den Markt gebracht, das eine Leistung von bis zu 350 kW erbringen kann, was fast dreimal so viel ist wie die Supercharger von Tesla. Leider gibt es auf dem Markt nichts, was diese Art von Ladeleistung bewältigen kann, aber die Technologie ist vorhanden und bereit für die Implementierung, wenn die EV’s für diese ausgelegt sind.
Konnektivitätsoptionen
Es gibt nicht nur eine Reihe von Ladeoptionen innerhalb der EV-Infrastruktur, sondern auch eine Vielzahl von Ladesteckern. Jeder Stecker und jedes Ladesystem ist mit dem anderen nicht kompatibel, was eine Herausforderung innerhalb der EV-Industrie verhindert. Hier ist eine Liste der gängigsten Typen von EV-Steckern:
Typ-1-Stecker – Der Typ-1-Stecker ist ein einphasiger Stecker, der Ladeleistungen bis zu 7,4 kW (230 V, 32 A) ermöglicht. Der Standard wird hauptsächlich in Automodellen aus dem asiatischen Raum verwendet und ist in Europa selten, weshalb es nur wenige öffentliche Typ-1-Ladestationen gibt.
Typ 2-Stecker – Der dreiphasige Stecker hat sein Hauptverbreitungsgebiet in Europa und gilt als Standardmodell. Im privaten Bereich sind Ladeleistungen von bis zu 22 kW üblich, während an öffentlichen Ladestationen Ladeleistungen von bis zu 43 kW (400 V, 63 A, AC) genutzt werden können. Die meisten öffentlichen Ladestationen sind mit einer Typ-2-Steckdose ausgestattet. An dieser können alle Mode-3-Ladekabel verwendet werden. Elektroautos können sowohl mit Typ-1- als auch mit Typ-2-Steckern geladen werden. Auf der Seite der Ladestationen habe alle Modus-3-Kabel Mennekes-Stecker (Typ 2).
Kombistecker (Combined Charging System, kurz CCS) – Der CCS-Stecker ist eine Weiterentwicklung des Typ-2-Steckers mit zwei zusätzlichen Leistungskontakten zum Zwecke des Schnellladens. Er unterstützt AC- und DC-Ladeleistungen (Wechsel- und Gleichstrom-Ladeleistungen) von bis zu 170 kW. In der Praxis liegt der Wert meist bei 50 kW.
CHAdeMO-Stecker – Dieses Schnellladesystem wurde in Japan entwickelt und ermöglicht an entsprechenden öffentlichen Ladestationen Ladeleistungen bis zu 50 kW. Die folgenden Hersteller bieten Elektroautos an, die mit dem CHAdeMO-Stecker kompatibel sind: BD Otomotive, Citroën, Honda, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Subaru, Tesla (mit Adapter) und Toyota.
Tesla Supercharger – Für seinen Supercharger verwendet Tesla eine modifizierte Version des Typ 2 Mennekes-Steckers. Damit kann das Model S innerhalb von 30 Minuten zu 80 % aufgeladen werden. Tesla bietet seinen Kunden kostenloses Laden an. Bisher ist es nicht möglich, dass andere Automarken mit Tesla-Superchargern geladen werden können.
Home Charging Haushaltssteckdose – Ladeleistungen von bis zu 3,7 kW (230 V, 16 A) können mit einer Haushaltssteckdose mit entsprechender Absicherung erreicht werden. Ihr Elektroauto wird über ein Mode-2-Ladekabel geladen. Wir würden auf jeden Fall eine maximale Ladeleistung von 2,3 kW (230 V, 10 A) empfehlen, wenn die Steckdose nicht vorher geprüft wurde. An öffentlichen Ladestationen sind manchmal auch Haushaltssteckdosen zu finden. Diese Lademethode ist für alle Elektroautos verfügbar.
Netzinfrastruktur
Die Anzahl der in Europa verfügbaren Ladestationen für Elektroautos nimmt jedes Jahr zu, da die Akzeptanz von Elektroautos wächst. Dies geschieht in einigen Regionen viel schneller als in anderen. Im Jahr 2019 gab es ca. 15k hochleistungsfähige (22kW+) Ladepunkte und im Jahr 2020 hat sich diese Zahl laut den Daten des European Alternative Fuels Observatory auf 25k fast verdoppelt. Dies liegt nicht nur an den Fortschritten beim Laden von E-Fahrzeugen, sondern auch an den National Policy Frameworks (NPF), die gemäß Artikel 3 der Richtlinie 2014/94/EU eingeführt wurden.
Eines der führenden Länder bei E-Fahrzeugen ist Norwegen, wo über 300.000 E-Fahrzeuge registriert sind, was mehr als 15 % des gesamten Automarktes im Jahr 2020 ausmacht. Der Marktanteil von Plug-in-Autos ist seit mehreren Jahren der weltweit höchste. Norwegen war das erste Land, in dem der Verkauf von EV’s den von Autos mit Verbrennungsmotoren übertraf. Derzeit gibt es in Norwegen etwa 500.000 EVs, einschließlich Hybriden und Plug-in-Hybriden, bei einer Bevölkerung von etwa 5,2 Millionen.
Die Bewältigung dieser unglaubliche Verbreitung von E-Fahrzeugen macht eine entsprechende Infrastruktur des Ladenetzes erforderlich. Derzeit gibt es in Norwegen rund 9000 Ladepunkte, die sich laut electromaps auf 2500 Stationen verteilen. Nicht nur das, es ist auch das sauberste Netz der Welt: 98% des Stroms, der zum Laden von E-Fahrzeugen verwendet wird, stammt aus einer erneuerbaren Energiequelle.
In ganz Europa gibt es viele Energieunternehmen, die in die EV-Ladeindustrie einsteigen, da sie für diese Art von Markt am besten geeignet sind, vor allem, wenn sie die Stromversorgung über eine erneuerbare Energiequelle wie Wind-, Solar- und Wasserkraft anbieten können. Mit seinen kürzlich vorgestellten unabhängigen Ladestationen, die von Solarzellen betrieben werden, ist das niederländische Unternehmen Fastned ist ein führender Spezialist für das Aufladen von Elektrofahrzeugen. Diese Lösung ist eine kosteneffiziente Möglichkeit, EVs aufzuladen, da bisherige Lösungen Strom von einem lokalen Kraftwerk benötigen. Neue Ladestationen für Elektroautos müssten daher aus bereits bestehende Stromnetz gespeist werden, was zu einer weiteren Belastung des öffentlichen Energienetzes führen könnte.
Einige Unternehmen setzen auf E-Fahrzeuge, um die Art und Weise, wie sie ihre Geschäfte betreiben, zu verändern und um eine sich ständig verändernde Zielgruppe zu erreichen. Ölkonzerne wie BP und Shell haben in fast allen ihren Tankstellen in ganz Europa E-Ladestationen installiert, um mit den Trends Schritt zu halten und ihren Kundenstamm zu erweitern. Darüber hinaus sind die meisten Tankstellen strategisch so platziert, dass sie für die meisten Autofahrer leicht zu erreichen sind, was ein großer Vorteil für die gesamte EV-Infrastruktur ist.
EV-Laden Sicherheit
Beim Laden eines EV gibt es zwei Aspekte, das Ladegerät selbst und das Ladekabel mit dem entsprechenden Stecker. Die EV-Ladesäulen fallen unter die IEC 61851 der EU-Richtlinie, die sich derzeit weiterentwickelt und stetig ergänzt wird. Das Ladekabel und der Ladestecker fallen unter die EU-Richtlinie IEC 62196 für Stecker, Steckdosen, Fahrzeugstecker und Fahrzeugeingänge. Diese EU-Normen dienen sowohl der Sicherheit der Geräte als auch der des Endverbrauchers. So wird z. B. das Fahrzeug nur dann mit Strom versorgt, wenn ein kompatibles Fahrzeug angeschlossen ist. Gleichzeitig wird das Fahrzeug stillgelegt, während das Kabel angeschlossen ist.
Unter der Richtlinie IEC 62196 gibt es auch Unterrichtlinien (IEC 62196-1 und IEC 62196-2), die das Design jedes Steckertyps und seine Spezifikationen im Detail erklären. Sie wurde eingeführt, um die Kompatibilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller zu ermöglichen.
Konfigurationen:
Typ 1 – Weit verbreitet in den USA und Japan, wurde ursprünglich vom Hersteller Yazaki entworfen und in den USA unter dem Standard SAE J1772 veröffentlicht. Der Stecker selbst hat ein rundes Gehäuse mit einer Einkerbung am Fahrzeugeingang, um seine Ausrichtung im Gebrauch zu bestimmen. Er erlaubt einen Betriebsstrom von 32A und einen maximalen Strom von 80A, allerdings nur in den USA.
Typ 2 – Auch bekannt als Mennekes-Stecker, hat er ein rundes Gehäuse mit einer abgeflachten Seite, um die korrekte Ausrichtung bei der Verwendung zu ermöglichen. Er verfügt außerdem über mehrere Stift- und Hülsenkontakte für bis zu vier AC-Leiter, eine Schutzinduktivität und auch zwei Signalstifte zur Steuerung seiner Funktionalität. Steckverbinder des Typs 2 verfügen über eine zusätzliche Funktion, bei der die Kontakte nicht mit einem normalen Finger berührt werden können, um einen Stromschlag zu verhindern. In der neueren Version dieses Steckverbinders wurde dies durch die Einbeziehung von Shuttern weiter verbessert. Der Steckverbinder kann mit bis zu 63 A betrieben werden, wobei für einphasige Anwendungen ein Maximalstrom von 70 A zur Verfügung steht. Innerhalb der EU ist es vorgeschrieben, dass alle öffentlichen AC-Ladegeräte mit einem Stecker und einer Buchse vom Typ 2 ausgestattet sein müssen.
Typ 3 – Diese Konfiguration besteht im Gegensatz zu den anderen beiden nicht nur aus einem Stecker und einer Buchse, sondern auch aus der Fahrzeugkupplung. Dieser spezielle Stecker verfügt über ein ovales Gehäuse mit einer abgeflachten Seite zur korrekten Orientierung bei der Benutzung. Es gibt auch einen Berührungsschutz in Form von Blenden über den Stiften, um jeglichen menschlichen Kontakt zu verhindern, außerdem gibt es einen Verriegelungsmechanismus nach dem Einstecken. Dieser Steckverbinder ermöglicht eine einphasige Ladung bis zu 16A ohne Steuerkontakt, 32A mit und eine dreiphasige Ladung bis zu 63A.
Wie wir bereits wissen, ist die Nachfrage nach EV-Ladestationen in ganz Europa sehr hoch, und es ist auch von entscheidender Bedeutung sicherzustellen, dass jeder Ladepunkt betriebsbereit ist; andernfalls könnte dies zu einer weiteren Belastung der Infrastruktur führen. Es können mehrere Probleme auftreten, die zu einem fehlerhaften Ladepunkt führen können, wie z. B. Überlastung der Stromversorgung, Geräte- und Systemausfälle sowie Überhitzung. Viele Länder in Europa haben bereits damit begonnen, dieses Problem anzugehen, indem sie sicherstellen, dass jede öffentliche Ladestation den relevanten europäischen Sicherheitsstandards für elektrische Systeme entspricht. Die Vorschrift, die für jede Station gelten muss, beinhaltet Folgendes:
Gemäß HD 60364 sind alle Elektrofachkräfte verpflichtet, nach der Installation Prüfungen an einer Niederspannungsanlage durchzuführen. Die Prüfungen umfassen das Messen, Prüfen und Testen verschiedener Betriebsarten der betreffenden Ladestation. Die durchgeführten Prüfungen würden aus der Messung der Durchgängigkeit der Schutzleiter und der Funktionalität des eingebauten RCD sowie des Isolations- und Erdungswiderstandes bestehen.
Test adaptors for EV charge stations
Suitable for vehicle charging stations with charging mode 3
Fluke T6-1000 PRO Electrical Tester
The T6-1000 PRO Electrical Tester measures voltage up to 1000 VAC and current up to 200 AAC, all through the open fork and without test lead contact to live voltage.
Die Sicherheit bezieht sich nicht nur auf die Ladegeräte selbst, sondern auf jeden Aspekt der Ladeausrüstung, einschließlich der Konstruktion der Ladekabel, die der HD 60364-5-52 entsprechen müssen. Dazu gehört auch die Prüfung der Temperatur während einer Stunde Dauerbetrieb. Die Ergebnisse würden letztlich das Risiko einer Überhitzung sowohl des Ladegeräts als auch des Ladekabels testen. Eine maximale Temperaturerhöhung von 45 Kelvin ist tolerierbar. Diese Risiken können mithilfe von Wärmebildkameras leicht identifiziert werden.
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Ein Teil der Prüfverfahren für EV-Ladestationen liegt nicht bei der Erstinstallation, sondern es ist auch zwingend erforderlich, dass während der gesamten Lebensdauer eine regelmäßige Prüfung durchgeführt wird. Abschnitt 6.5 der HD 60364-6 muss befolgt werden, um die elektrischen Sicherheits- und Betriebstests des Pilotsignals gemäß EN 61851-1 zu umfassen. Zur Durchführung dieser Prüfung des PWM-Signals muss ein Oszilloskop verwendet werden. Die zurückgegebenen grafischen Daten sollten es einem Techniker ermöglichen, jeden Fehler innerhalb des Ladesignals an jedem Punkt zwischen der Ladestation und dem betreffenden Fahrzeug zu beurteilen.
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Die Zukunft der EV-Infrastruktur
Da immer mehr Nutzer in Elektrofahrzeuge investieren, wird der Ruf nach mehr Ladepunkten an günstigen Standorten laut. Es gibt auch eine Reihe von staatlich geförderten Programmen, die helfen, den Druck durch die Installation von Ladestationen für Arbeitnehmer in Unternehmen wie auch zu Hause zu verringern.
Zudem gibt es eine globale Klimapolitik, die ebenfalls Teil der treibenden Kraft hinter dem “going electric” ist, und die Autohersteller stellen ihr Geschäft sukzessive von Verbrennungsmotoren auf vollelektrische Fahrzeuge um. Erst kürzlich kündigte Ford an, bis 2030 alle Modelle rein elektrisch zu fahren.
Es besteht kein Zweifel daran, dass die Ladeinfrastruktur über mehrere Jahre hinweg weiterentwickelt werden wird, aber das derzeitige System ist eine großartige Grundlage, auf der in Zukunft aufgebaut werden kann.”
