Smart Charging: Übersetzen und verständigen

13.12.2021 – Der Datenaustausch zwischen Ladesäule, Fahrzeug und den unterschiedlichen Service-Anbietern ist komplex. Aus diesem Grund haben sich Standards etabliert, um die Kommunikation sicher und zuverlässig zu gestalten sowie innovative Funktionen frühzeitig einbinden zu können.

Neben mehr Lademöglichkeiten wird der Komfort beim Stromtanken wesentlich für den Erfolg der Elektromobilität sein. Das Laden des E-Autos muss so schnell und intuitiv funktionieren wie das Tanken von Benzin und Diesel. Während an der herkömmlichen Zapfsäule nur der Treibstoff durch den Tankschlauch rinnt, müssen beim elektrischen Laden sowohl Energie als auch Daten fließen.

Die erste Voraussetzung ist, das Fahrzeug und Ladesäule die gleiche Sprache sprechen. In großen Teilen der Welt hat sich die Power Line Communication (PLC) als Basis für die Datenübertragung zwischen Ladesäule und Fahrzeug durchgesetzt. Gleichwohl findet im Hintergrund eine Kommunikation statt, die weit über die Verbindung von Auto und Ladesäule hinausgeht. Nicht nur zwischen Ladesäule und Fahrzeug fließen die Daten, sondern auch zum Backend des Ladesäulenbetreibers, zum Energieversorger, zum Abrechnungsdienstleister und womöglich noch weiteren Service-Anbietern, die auf den Daten aus der Ladesäule aufsetzen.

Elektroauto Ladesaeule Kommunikation in-tech
Stecker rein und laden – was vordergründig einfach aussieht, erfordert im Hintergrund eine komplexe Kommunikation. Foto: in-tech smart charging GmbH

Ständige Aktualisierung der Ladetechnik

Die ständige Weiterentwicklung der Ladetechnik wird von mehreren Seiten vorangetrieben: Gesetzliche Anforderungen wie die Eichrechtskonformität oder die im September 2021 beschlossene Ladesäulenverordnung, wonach es an Ladesäulen künftig auch möglich sein muss, mit Debit- und Kreditkarten zu bezahlen, Weiterentwicklung der relevanten Normen und Standards, und der Anspruch der Anwender nach mehr Komfort zwingen zu ständigen Aktualisierungen.

Plug&Charge

Damit das Tanken von Strom nutzerfreundlicher wird, hat unter dem Schlagwort „Plug&Charge“ eine Entwicklung eingesetzt, die Anmeldung und Bezahlvorgang automatisieren soll. Beim Plug&Charge hinterlegt der Fahrer die Daten zur Abrechnung einmalig im Fahrzeug. Wird das Auto an der Ladesäule angesteckt, wird der Nutzer automatisch identifiziert. Nach erfolgreicher Authentifizierung gibt das Backend die Ladesäule frei, übermittelt den Verbrauch und rechnet nach dem Ladevorgang automatisch ab. Der angefallene Betrag wird von Konto oder Kreditkarte abgebucht oder anderweitig verrechnet, beispielsweise über den Stromanbieter.

Komplexe Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladesäule

Plug&Charge läuft über eine komplexe Kommunikation ab, die über die Verbindung von Fahrzeug und Ladesäule hinausgeht. Bereits beim Anstecken an der Ladesäule beginnt der Datenaustausch, bei dem etwa die Stromstärke festgelegt wird. Eine mechanische Verriegelung in der Ladebuchse des Fahrzeugs sorgt für eine stabile Verbindung zwischen Stecker und Buchse. Spannung, Stromstärke sowie die Temperatur am Ladestecker werden kontinuierlich überwacht, um bei Problemen den Stromfluss unterbrechen zu können. Die Zahlungsdaten müssen sicher übertragen und deren Gültigkeit überprüft werden.

Daten über den Stromverbrauch und zur Abrechnung werden an den Energieversorger und den Zahlungsdienstleister übertragen. Zustandsinformationen wie „Säule belegt“ oder „Säule defekt“ fließen an Plattformbetreiber, die beispielsweise Suchportale betreiben und eine Vorab-Reservierung ermöglichen. An Ladepunkten in Unternehmen und bei privaten Stellplätzen können zudem netzdienliche Funktionen relevant sein, etwa eine Beschränkung oder die Verschiebung des Ladevorgangs auf Zeiten, in denen ein Überschuss aus der PV-Anlage zur Verfügung steht, oder eine Rückspeisung ins Netz, wenn dort erhöhter Bedarf besteht.

Ladecontroller in-tech

Die Ladecontroller übernehmen die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule (v.l.n.r.): Charge Control C, Charge Modul E, Charge Control M. Fotos: in-tech smart charging GmbH

Fahrzeughersteller, Energieversorger und Zahlungsdienstleister unterliegen jeweils eigenen Normen und Standards, denen die zugehörigen Daten entsprechen müssen. „Die Prozesse im Hintergrund müssen sicherstellen, dass Datenformate eingehalten und gegebenenfalls zwischen den Sektoren übersetzt werden“, erläutert Martin Kranzfelder, Produktmanager bei in-tech smart charging. Gegründet unter dem Namen I2SE, begann das Unternehmen in den 1990er Jahren mit der Entwicklung der ersten Produkte für die Powerline-Kommunikation. Im Jahr 2018 wurde I2SE vom Münchener Automotive-Dienstleister in-tech übernommen, dessen Schwerpunkt im Elektronik- und Software-Bereich angesiedelt ist. Unter dem Namen in-tech smart charging entwickeln und produzieren die Leipziger Hard- und Software für die Kommunikation zwischen Fahrzeug, Ladestation und Backend. Das Angebot von in-tech smart charging reicht vom reinen Powerline Communication-Modul über Kommunikations- und Controller-Module bis hin zur Komplettlösung inklusive Software und Zubehör für AC- und DC-Ladeinfrastruktur.

CCS als dominierender Standard

Um die skizzierte komplexe Kommunikation zu bewältigen, hat sich die Branche auf Standards geeinigt, die sowohl die Anforderungen der Ladeinfrastrukturbetreiber als auch deren Partnern erfüllen soll. Die Norm ISO 15118 ist Teil des kombinierten Ladesystems (Combined Charging System, CCS). Sie hat sich als dominierender Standard für alle Arten von Elektrofahrzeugen etabliert – von Autos und Motorrädern über Lkw und Busse bis hin zu Schiffen und Flugzeugen. „Hierzu hat sich ein Standardisierungsvorhaben gebildet, bei dem Anforderungen aus der ganzen Welt zusammengetragen wurden. Im Ergebnis stand dann diese Norm ISO 15118“, so Martin Kranzfelder. Es handelt sich bei dieser Norm dem Produktmanager zufolge um ein komplexes Protokoll mit vielen Besonderheiten. „Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht, ein vereinfachtes Interface dahinter zu setzen. Wir bieten Module an, die die Kommunikation auf Basis der Norm übernehmen, um eine Kompatibilität zu unterschiedlichsten Anforderungen sicherstellen zu können.“

Grundlage für smarte Funktionen

Die Norm 15118 ist auch das verbindende Element zwischen den Anwendungsbereichen intelligentes Laden, Plug&Charge sowie Vehicle-to-Grid (V2G). „Beim intelligenten Laden bzw. Smart Charging geht es darum, dass das Laden nicht eine Belastung für die lokalen Netze und die Energieversorger wird“, erklärt Martin Kranzfelder und führt aus: „Smart Charging meint die Kombination aus zahlreichen vorhanden Quellen und Services, die untereinander verbunden sind, um den Ladevorgang und zugleich etwa auch die Netzauslastung zu optimieren. Die Ladestation kann z.B. mit dem Energiemanagementsystem verbunden werden. Falls technisch möglich und vertraglich vereinbart, kann auch netzdienliches Laden über §14a EnWG umgesetzt werden.“

OCPP Lademanagemenrt Grafik in-tech
Das Open Charge Point Protocol in der Version OCPP 2.0.1 kann die Funktionen des Cloud-basierten Ladestationsmanagementsystems automatisch vollständig beschreiben. Grafik: in-tech smart charging GmbH

Bei Plug&Charge wird die Norm 15118 benötigt, um die Zertifikate zwischen Fahrzeug und Ladestation auszutauschen. Dies ist auch für Abrechnungsservices wichtig. Bei V2G ist ein Kanal ins Fahrzeug erforderlich, damit es den Strom an das Netz abgeben kann. „Weitere Einsatzmöglichkeiten mit einem Ladecontroller sind Vehicle-to-home (V2H) oder theoretisch auch Vehicle-to-vehicle, wenn sich die Fahrzeuge gegenseitig aufladen“, ergänzt Martin Kranzfelder. Diese Anwendungen setzen voraus, dass die Ladestation die Energie bidirektional steuern. Als Teil eines intelligenten Energiesystems würden V2G und V2H die Sektorenkopplung ermöglichen oder auch die Versorgung eines Hauses bei einem Stromausfall temporär sicherstellen können.

Weit verbreitetes OCPP

Der zweite Standard, mit dem intelligente Anwendungen erst möglich werden, ist das Open Charge Point Protocol (OCPP). Dabei wird der Ladepunkt über den Ladecontroller angebunden und kann aus der Ferne gesteuert werden. Somit wird beispielsweise der Ladebedarf ermittelt oder es findet eine Authentifizierung über eine RFID-Karte oder eine App statt.

Die Version OCPP 2.0.1 bietet erstmals eine native Unterstützung für ISO 15118-2, einschließlich Smart Charging und Plug&Charge. Martin Kranzfelder ordnet ein: „In erster Linie dient OCPP 2.0.1 dem einfacheren Einrichten und Managen der Ladesäule. Das Protokoll ist in der Lage, die Funktionen eines Cloud-basierten Ladestationsmanagementsystems automatisch vollständig zu beschreiben und diesem das Auslesen und Steuern aller Komponenten aus der Ferne zu ermöglichen. Das erlaubt die Plug-and-Play-Installation einer Ladestation.“

Nächster Schritt: Umstellung auf IEC 63110

Nach der vollständigen Umsetzung von ISO 15118 steht die Umstellung von OCCP auf IEC 63110 an. Dieser Standard befindet sich noch in der Entwicklung, er soll voraussichtlich Anfang 2023 verabschiedet werden. Mit dieser Normenreihe soll eine internationale Gesamtlösung definiert werden, die neben dem Backend-Protokoll auch die Schnittstelle der Ladesäule in Richtung Backend standardisiert.

Ladeinfrastruktur: Basisarbeit erledigen

Trotz der sinnvollen Konzepte für zukünftige Anwendungen beim intelligenten und netzdienlichen Laden konzentriert sich in-tech smart charging im Moment darauf, Ladestationen mit Ladecontrollern auszurüsten und Plug&Charge zu ermöglichen. Voraussichtlich 2025 dürfte die Plug&Charge-Funktion nach Ansicht von Branchenexperten Standard in elektrisch betriebenen Fahrzeugen sein. Und auch bis Vehicle-to-grid flächendeckend im Einsatz ist, werden noch einige Jahre vergehen. „Unsere Controller sind bereits jetzt für V2G-Anwendungen vorbereitet. Wenn die Fahrzeuge und die Netzbetreiber das Signal zum Ausrollen für V2G geben, können wir mit Software-Updates die Kompatibilität sicherstellen.“ Allerdings sei es zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich, ausreichend Erfahrungen im Feld zu sammeln.

Gleichwohl hat das Leipziger Unternehmen einige Pilotprojekte mit Fahrzeugherstellern gestartet, um die V2G-Funktionalität der Hardware umfassend erproben zu können. Ein beispielhaftes Projekt wird mit einem Hersteller von Schneemobilen umgesetzt. Da die Maschinen in den Sommermonaten nicht gebraucht werden, können sie als Energiespeicher fungieren. Solche Kooperationen mit kleineren Unternehmen und Start-ups bis hin zu größeren Automobilherstellern, die ebenfalls Erfahrungen in diesem Bereich sammeln möchten, will in-tech smart charging zukünftig intensivieren. Martin Kranzfelder zeigt sich optimistisch: „Wenn die Zeit für einen breiten Einsatz von Vehicle-to-grid gekommen ist, stehen wir in den Startlöchern.“ (ds)

in-tech smart charging GmbH
Martin Kranzfelder
martin.kranzfelder@in-tech.com
www.in-tech.com

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