Zusätzliche Dienste beim Laden

23.11.2022 – Sogenannte Embedded Systeme sollen die Entwicklung von Ladestationen vereinfachen und hilfreiche Zusatzfunktionen sowohl für Betreiber:innen als auch Nutzer:innen bereitstellen. Der Elektronikanbieter TQ-Systems bietet dafür modulare Lösungsbausteine an.

Ein dichtes Netz aus Ladestationen ist für die Zukunft der Elektromobilität unerlässlich. Allerdings gibt es recht unterschiedliche Einsatzanforderungen an die Geräte und damit auch an die eingesetzte Elektronik. So lädt eine Wall-Box für die heimische Garage meist per Wechselstrom, der Schnelllader im öffentlichen Bereich hingegen mittels Gleichstrom. Zusätzlich sucht man nach neuen Bauformen und Konzepten, um das öffentliche Netz dichter zu knüpfen – so sollen in dicht bebauten Gegenden beispielsweise Straßenlaternen zu Ladestationen aufgerüstet werden. Zudem könnten E-Mobilisten Zusatzdienstleistungen an Ladesäulen im öffentlichen Bereich angeboten und beteiligte Unternehmen ihren Umsatz erhöhen. Darüber hinaus greifen zahlreiche Verordnungen wie Eichgesetz und Sicherheitsvorschriften zusätzlich regulatorisch in den Markt für Ladestationen ein.

E-Auto charging
Foto: ALDECA studio / shutterstock.com

Zentraler Baustein vereint Funktionsblöcke

Was damit auf den ersten Blick sehr heterogen erscheint und die Entwicklung entsprechender Lösungen erschweren könnte, löst sich bei genauer Betrachtung in einzelne Bausteine auf, die der Markt oftmals schon mit vorzertifizierten Komponenten bedienen kann, erklärt Konrad Zöpf, Deputy Director von TQ-Embedded, eine Geschäftseinheit des Elektronikanbieters TQ-Systems. „Zu den wichtigsten Bausteinen zählen Energiemessung, Wandler/Leistungselektronik, Ladeelektronik und Ablaufsteuerung. Die Entwicklung verlagert sich also in Richtung Systemintegration, Software sowie Cloud-Services. Damit gewinnt das zentrale Steuerungselement der Ladestation an Bedeutung, auch weil hier die meisten Fortschritte bzw. neue Funktionen implementiert werden.“

Als integrierende Baugruppe muss der Zentralrechner daher über diverse Kommunikationsfähigkeiten verfügen, unter anderem um die einzelnen Bausteine miteinander zu verbinden. Diese verlangen laut Konrad Zöpf dabei nach recht unterschiedlichen Schnittstellen-Standards und -Technologien – von UART über I2C hin zu CAN reicht das Spektrum. „Für den Einsatz in der Ladetechnik bieten sich die Baugruppen rund um die Crossover-MCU i.MX RT1170 von NXP an. Dieser Baustein kombiniert eine sparsame Leistungsaufnahme mit verschiedenen Schnittstellen und leistungsfähigen Beschleunigereinheiten und erfüllt so die elektrischen Funktionen und übergeordneten Anforderungen an einen Zentralrechner für eine Ladestation.“

Kommunikationsfähigkeiten müssen auch im Nahbereich außerhalb der Ladesäule geboten werden. So gehört die Benutzer-Authentifizierung bzw. das Bezahlen mittels NFC-Karte zum Standard – der nächste Schritt ist per Smartphone oder Smartwatch. „Und natürlich muss eine Ladestation auch ein eigenes Display ansteuern können, da kaum ein Nutzer sich mit LEDs zufrieden geben würde, gleichzeitig aber viele Anwender:innen sich nicht zur Bedienung per Smartphone zwingen lassen wollen. Wer dies aber will, braucht WLAN oder Bluetooth als Kommunikationskanal“, ergänzt Konrad Zöpf.

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TQ-Systems entwickelt modulare Lösungsbausteine für Ladeelektronik. Fotos: TQ-Systems GmbH

Kooperieren über die Cloud

Für Ladestationen im öffentlichen Bereich unabdingbar sei der Zugang zur Cloud, da vor Ort unterschiedliche Unternehmen zusammenarbeiten müssen: Stromversorger, Ladestationsbetreiber, Zahlungsdienstleister, Wartungsdienst sowie Drittanbieter von Dienstleistungen.

Regional ändert sich die Zusammensetzung der beteiligten Firmen immer wieder, und bei einem klassischen IT-Ansatz müsste Konrad Zöpf zufolge der Geräteanbieter – oder ein anderes beteiligtes Unternehmen – die Aufgabe eines Rechenzentrumsbetreibers übernehmen, damit die Zusammenarbeit gesichert ist. „Durch den Cloud-Ansatz entfällt dieser Ressourcen bindende Aufwand“, erklärt Zöpf. Für Privatanwender kann die Cloud-Anbindung auch relevant sein, abhängig vom jeweiligen Ladetarif und den dazugehörigen Geschäftsbedingungen. Erlauben Anwender:innen und Fahrzeug die Einspeisung von Energie aus dem Fahrzeug in das öffentliche Stromnetz (Vehicle-to-Grid) ist die Nutzung einer Cloud und damit der kontrollierte Zugang eindeutig notwendig.

Ladestationen: Sicherheit von Anfang an

Was ist ein Embedded-Modul?
Alle notwendigen Komponenten eines Computers, wie Prozessor, Chipsatz und Speicher sind auf einem kompakten Modul vereint. Über definierte Schnittstellen lässt sich dieser Rechner in die Applikationselektronik integrieren, entweder mittels Steckverbindern oder per Lötung. Die gesamte Computertechnik kann damit als ein einzelnes Bauelement innerhalb des Produkts betrachtet werden. Dies soll die Komplexität senken.

Das Thema Sicherheit spielt bei Ladestationen gleich mehrfach eine Rolle, sei es wegen der hohen Ströme, der Standorte im öffentlichen Raum oder wegen der Cloud-Anbindung, wie Konrad Zöpf ausführt. „Speziell wenn es um das Geld geht, ist eine lückenlose Sicherheit gefordert – und das von zwei Seiten: Die Energieversorger wollen nicht, dass Strom gestohlen wird, und die Kunden wollen einen sicheren Bezahlvorgang ohne Daten- oder Identitätsdiebstahl. Ebenso ist keine Seite an einer komplizierten Bedienung des Zahlungssystems interessiert. Deshalb muss der Zentralrechner der Ladestation die entsprechenden Security-Funktionen konsequent bieten, am besten schon in der Hardware integriert.“

Verglichen mit den Energiemengen, die in das Fahrzeug geladen werden, erscheint der Stromverbrauch der Elektronik unerheblich zu sein. Über die schiere Anzahl der Ladestationen summiere sich allerdings ein durchaus beachtlicher Wert. Zudem sei die Abfuhr der anfallenden Abwärme ein nicht zu unterschätzender Kostenpunkt bei jeder einzelnen Ladestation.

Robust und kompakt

Besonders die im Außenbereich betriebenen Ladestationen müssen für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt sein, um bei Kälte ebenso wie bei Hitze zuverlässig ihren Dienst verrichten zu können. Die eingesetzte Elektronik sollte diese Herausforderung von Haus aus meistern können, um eine aufwändige und teure Klimatisierung zu ersparen. Auch bei den Abmessungen muss die zentrale Steuerelektronik genügsam sein, wenn sie als Nachrüstlösung in bestehende Objekte, beispielsweise Straßenlaternen, eingebaut wird.

Ein nicht zu unterschätzender Aspekt bei öffentlichen Infrastrukturprojekten ist laut Konrad Zöpf die langfristige Verfügbarkeit der eingesetzten Komponenten. Die Umsetzung zieht sich in einigen Fällen über mehrere Jahre hinweg, da ist es „nicht hilfreich, wenn mittendrin die Elektronik nicht mehr herstellbar ist.“

Der TQ-Fachmann merkt an, dass Installationsphasen auch bewusst in die Länge gezogen werden können, um gezielt Erfahrungen für entsprechende Optimierungen des laufenden Projekts zu sammeln. Dann sei es hilfreich, wenn sich der Einsatz der Elektronik skalieren lässt – sowohl nach unten, zu einfacheren Lösungen, also auch nach oben, für zusätzliche Funktionen, die sich als Anforderung im Feldeinsatz ergeben haben. Ein Beispiel dafür ist die Detektion von Verbrenner-Fahrzeugen, die als Falschparker einen Ladeplatz blockieren.

Aufgrund der wachsenden Konkurrenzsituation um Platz auf Gehwegen – unter anderem beanspruchen Ladesäulen, Parkscheinautomaten, Freischankflächen oder E-Roller Stellflächen – sei die Konsolidierung der festinstallierten Geräte im Sinn vieler Fußgänger:innen und Stadtverwaltungen. „Auch hier ist eine über weite Leistungsbereiche skalierbare Elektronik wünschenswert“, berichtet Konrad Zöpf.

Neue Funktionen und Geschäftsmodelle

Funktionserweiterungen jenseits der Ladeaufgabe bieten sich auch für Schnellladestationen auf Rastplätzen entlang der Schnellstraßen an. Bis ein Elektroauto ausreichend geladen ist, müssen die Kund:innen meist zwischen 30 und 45 Minuten warten. Damit eröffnen sich neue Geschäftsmöglichkeiten, wie Zöpf ausführt: „Beispielsweise können Pizzalieferdienste eine willkommene Stärkung bringen. Damit steigen allerdings auch die Anforderungen an die Hardware, besonders bei den Displays sind höhere Auflösungen gefordert. Skalierbare Plattformen erleichtern auch hier den Ausbau der Produkt- und Angebotspalette.“ (ds)

www.tq-group.com/de/

 

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