Smart Charging Der Schlüssel zur erfolgreichen Elektromobilität

Smart Charging – Zügige Wege der Hersteller zur neuen Norm konformer Produkte.
Gemeinsame Leitung für Energie und Daten.

Das Laden von Elektrofahrzeugen mit Wechselstrom regelt weltweit die seit Frühjahr 2014 vollständig verabschiedete ISO/IEC-Norm 15118.So können Hersteller von Elektrofahrzeugen und Ladestationen zügig zur neuen Norm konforme Produkte entwickeln und diese effizient testen.

Während das Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor wenig spektakulär und nach wenigen Minuten abgeschlossen ist, verläuft dieser Vorgang bei Elektrofahrzeugen deutlich anders: das Organisieren und Optimieren des Ladevorgangs der Batterie gehört zu den elementaren Aufgaben der Fahrzeug- und Ladesäulenhersteller. Im Kontext der Energiewende und zukünftiger intelligenter Stromnetze (Smart Grid) ist der Ladevorgang wesentlich vielschichtiger, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Es gilt nicht nur, elementare Informationen wie die verfügbare Leistung der Ladesäule, den Batteriezustand und den Ladebedarf zu berücksichtigen. Auch komplexere Informationen, zum Beispiel die zum Ladezeitpunkt verfügbaren Energieressourcen, sind zu beachten. Daneben sind Aspekte der Kostenoptimierung, der Bezahl-/Abrechnungsmodalitäten und Sicherheit sowie weitere Fragen von Bedeutung: Wie authentifiziert sich der Benutzer? Benötigt das Fahrzeug in kurzer Zeit möglichst viel elektrische Energie oder darf sich der Ladevorgang über etliche Stunden erstrecken, bis nach Dienstschluss oder zum Ende einer ausgedehnten Einkaufstour?

Das intelligente Laden gemäß ISO/IEC 15118 bietet die Chance, diese Problemstellungen im Sinne der Fahrzeughalter, Energieversorger, Ladesäulenhersteller und nicht zuletzt der Umwelt bestmöglich zu lösen. Die Zeiten ungeregelter Ladeprozesse, bei denen der Nutzer sein Fahrzeug einfach mit dem vorhandenen Stromnetz koppelt, um es sofort mit maximal möglicher Leistung aufzuladen, neigen sich dem Ende zu beziehungsweise werden entsprechend teurer zu bezahlen sein. Weil beim Laden von Elektrofahrzeugen vergleichsweise große Leistungen nötig sind, kann das bei einem hohen Gleichzeitigkeitsfaktor, zum Beispiel in einem Parkhaus, zu erheblichem Leistungsbedarf führen. Intelligente Ladeprozesse berücksichtigen das und gewähren den Stromlieferanten und dem intelligenten Stromnetz die benötigte Zeit, um sich auf die wechselnden Belastungssituationen einzustellen. Netzzusammenbrüche in Spitzenlastzeiten lassen sich so sicher ausschließen.

Gemeinsame Leitung für Energie und Daten

Eine der Grundvoraussetzungen für intelligentes Laden ist ein zuverlässiger Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und Ladestation. ISO/IEC 15118 sieht hierfür HomePlug Green PHY als Physical Layer vor. Das ist ein von HomePlug AV abgeleitetes Powerline-Communication-Verfahren (PLC). Letztgenanntes ist im Heimbereich weit verbreitet und dient zum Vernetzen von Computern und Audio-Video-Komponenten (AV) über das Stromnetz. Darauf aufbauend kommen die aus der IT-Welt bekannten Internet-Protokolle wie TCP, UDP, IPv6, DNS, DHCP, TLS zur Anwendung. Nachfolgend wird genauer auf den initialen Verbindungsaufbau der PLC-Kommunikation eingegangen.

SLAC sorgt für sicheren Verbindungsaufbau

Im Rahmen der ISO/IEC-15118-High-Level-Kommunikation ist der initiale Verbindungsaufbau zwischen Fahrzeug und Ladesäule ein essenzielles Ereignis. Sobald ein Fahrer sein Fahrzeug mit einer Ladesäule verbindet, besteht das Ziel zunächst darin, einem gesicherten AV Logical Network (AVLN) beizutreten. Jedes AVLN wird durch eine Network ID (NID) repräsentiert. Des Weiteren benötigt jeder Teilnehmer eines AVLN zur verschlüsselten Kommunikation einen zur NID passenden Network Membership Key.

Zu Beginn des Kommunikationsaufbaus sendet das Fahrzeug eine Ethernet-Broadcast-Botschaft an alle möglichen Netzteilnehmer. Alle Ladesäulen, die dieses Signal empfangen, reagieren darauf mit einer Ethernet-Unicast-Bestätigung. Weil an einer physikalischen Versorgungsleitung mehrere Ladesäulen angeschlossen sein können, ist das Protokoll dafür zuständig, die betreffende Ladesäule zu identifizieren, mit der das Fahrzeug verbunden ist. Aufgrund unerwünschter Einkopplungen können auch weitere Ladesäulen, die nicht physikalisch mit dem Fahrzeug verbunden sind, angesprochen werden. Für einen korrekten und sicheren Ablauf des Verbindungsaufbaus sorgt daher bei HomePlug Green PHY der sogenannte Signal-Level-Attenuation-Characterization-Mechanismus (SLAC). SLAC arbeitet nach der Request-Response-Methode, wobei die Anfrage stets vom Elektrofahrzeug ausgeht. Gleichzeitig einigen sich das Fahrzeug und die Ladestation auf eine RunID, ein eindeutiges Identifikationsmerkmal, das alle nachfolgenden Botschaften derselben SLAC-Session enthalten müssen.

Der Verbindungsaufbau via SLAC durchläuft nacheinander verschiedene Stufen wie „Sounding Phase“, „Attenuation Characterization Phase“, „Validation Phase“, „Matching Phase“ sowie die „Amplitude Map Exchange Phase“. Anhand verschieden starker Signaldämpfungen ist das Fahrzeug mit Hilfe des SLAC-Mechanismus somit in der Lage, aus der Vielzahl antwortender Ladesäulen diejenige zu identifizieren, mit der das Fahrzeug physikalisch verbunden ist. Am Ende dieses Prozesses bilden Elektrofahrzeug und Ladesäule ein gemeinsames AVLN, über das die höheren Protokollschichten ihre Informationen verschlüsselt austauschen.