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Ladestation und Auto vor Blitz und Überspannung schützen

25. Mai 2018, 14:45 Uhr   |  Von Holger Heckler und Dirk Vogel

Ladestation und Auto vor Blitz und Überspannung schützen
© Phoenix Contact

Zuverlässige E-Ladestationen sind für Installateure, Betreiber und ­Nutzer gleichermaßen von Bedeutung. Ladestationen enthalten eine Vielzahl von empfindlichen elektronischen Komponenten – für eine ­hohe Verfügbarkeit müssen sie gegen transiente Überspannungen und Blitzeinwirkungen geschützt werden.

Ladeparks und Ladestationen müssen hochverfügbar sein – zu jeder Tages- und Nachtzeit sowie bei Wind und Wetter. Im Freien aufgestellte Ladestationen müssen deshalb mindestens die Anforderungen der Schutzklasse IP 54 erfüllen, und sie müssen ausreichend gegen menschengemachte und natürlich auftretende Überspannungen geschützt werden. Das gilt ebenso für privat betriebene Ladestationen – die häufig als Wallbox bezeichnet werden. Auch sie müssen ausreichend gegen Umwelteinflüsse und Überspannungen geschützt werden.

Aufbau von Ladeeinrichtungen

Ladestation für AC-Laden
© Phoenix Contact

Bild 1. Ladestation für AC-Laden im öffentlichen Bereich: die sensiblen elektronischen Komponenten werden mit Überspannungsschutzgeräten unterschiedlichen Typs geschützt.

Die in Deutschland am häufigsten verbreitete Ladeart ist das Laden mit Wechselstrom (AC). Typische Ladeleistungen sind 3,7 kW, 4,6 kW, 11 kW oder 22 kW. Für einzelne Fahrzeugtypen ist auch AC-Laden mit bis zu 44 kW möglich. Höhere Ladeleistungen sind mit Gleichstrom (DC) möglich. Ein flächendeckendes Netz von DC-Ladesäulen befindet sich zurzeit im Aufbau.

Der Aufbau von Ladeeinrichtungen hängt stark von der jeweiligen Ladeart ab. Für alle Ladearten wird ein Batterieladegerät benötigt. Das Ladegerät be­findet sich beim AC-Laden im Fahrzeug und beim DC-Laden in der stationären Ladeeinrichtung. Alle Ladeeinrichtungen verfügen über eine Ladesteuerung sowie über Fehlerstromschutzschalter (Residual Current Device, RCD) zum Erkennen von Fehlerströmen. Lade­säulen im öffentlichen Raum verfügen im Regelfall zudem über Bedienterminals, Abrechnungssysteme und Kommunikationseinrichtungen. In Ladeparks sind zusätzliche Einrichtungen für die Lastverteilung oder für das Energiemanagement vorhanden. All diese Komponenten reagieren empfindlich gegenüber transienten Überspannungen und müssen davor geschützt werden (Bild 1).

Gefährdung durch Überspannungen und Blitzeinwirkungen

Die meisten Ladeeinrichtungen befinden sich außerhalb von Gebäuden – häufig an Orten, an denen mit direkten Blitzeinschlägen oder mit Blitzeinschlägen in der Nähe gerechnet werden muss. Eine umfassende Schutzwirkung gegen direkte Blitzeinschläge kann nur mit Hilfe eines äußeren Blitzschutzsystems erzielt werden – zusammen mit Überspannungsschutzgeräten (Surge Protective Device, SPD), einem engmaschigen Potenzialausgleichssystem sowie einem Blitzstrom-tragfähigen Erdungssystem. Bei den meisten Ladeparks sowie bei einzelnen Ladesäulen wird häufig auf die Errichtung eines äußeren Blitzschutzsystems verzichtet, und direkte Blitzeinschläge in Ladeeinrichtungen werden in Kauf genommen. Dennoch sollten Ladeeinrichtungen und Elektrofahrzeuge so geschützt werden, dass sie Blitzeinschläge in der Nähe schadlos überstehen. Schädigende Auswirkungen von direkten Blitzeinschlägen in Ladeeinrichtungen und Fahrzeugen sollten auf ein möglichst geringes Maß begrenzt werden.

Häufig sind die bei Überspannungsereignissen und Blitzeinschlägen auftretenden Spannungen höher als die Isolationsfestigkeit der in Ladeeinrichtungen eingesetzten Betriebsmittel. Außerdem sind blitzbedingte Überspannungen häufig höher als die Spannungsfestigkeit der angeschlossenen Elektrofahrzeuge. Manchmal übersteigen auch von Menschen gemachte Überspannungen wie etwa Schaltüberspannungen das Isolationsvermögen von Betriebsmitteln.

Beim Auftreten von entsprechend hohen Überspannungen können Ladeeinrichtungen und die dazugehörigen Hilfseinrichtungen, aber auch die Elektrofahrzeuge selbst beschädigt oder sogar zerstört werden. Als Folge von Überspannungen kann es zu Kurzschlüssen kommen. Die durch Kurzschlüsse in energietechnischen Stromkreisen entstehenden Schäden sind häufig schwerwiegender als Schäden, die durch das eigentliche Überspannungsereignis hervorgerufen werden.

Bei der Planung von Ladeeinrichtungen müssen nicht nur durch Blitzeinwirkungen hervorgerufene energiereiche Störungen berücksichtigt werden, sondern auch relativ energiearme Schaltüberspannungen. Schaltüberspannungen sind ein in Stromnetzen häufig auftretendes Phänomen – sie führen jedoch nicht zwangsläufig zu einer sofortigen Beschädigung von Betriebsmitteln. Treten Schaltüberspannungen jedoch häufiger auf, können elektrische und elektronische Betriebsmittel auch vorzeitig altern.

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2. Wirksamer Schutz durch Überspannungsschutzgeräte

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