Schwerpunkte

Interoperabilität von Ladesystemen

Nächster Halt: Intelligente Ladeinfrastruktur

20. Oktober 2020, 11:27 Uhr   |  Wolfgang Hensel

Nächster Halt: Intelligente Ladeinfrastruktur
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Ladesäule ist nicht gleich Ladesäule. Unterschiede bezüglich länderspezifischer Netz- und Steckerinfrastruktur, Ladestandards und Bezahlsystemen gibt es viele. Für die E-Fahrzeugentwicklung ist das eine Herausforderung. Die ASAP-Gruppe setzt darum weltweit Erprobungen der Interoperabilität um.

Prognosen schätzen den Anteil von BEV-Fahrzeugen auf dem weltweiten Pkw-Markt für das Jahr 2030 auf ein Viertel [1]. Für den flächendeckenden Erfolg der Elektromobilität sind insbesondere schnelle Fortschritte hinsichtlich der Reichweite von E-Fahrzeugen sowie hinsichtlich eines komfortablen Ladeprozesses entscheidend.

Ein komfortabler Ladeprozess zeichnet sich neben dem Laden mit maximal möglicher Leistung sowie der Zuverlässigkeit des Ladevorgangs auch durch die Nachvollziehbarkeit der Anzeigen für den Fahrer im und am Fahrzeug sowie ein müheloses Handling während des Vorgangs aus. Mit der Konzeption und Umsetzung weltweit angelegter Erprobungen zur Interoperabilität wird für die Absicherung dieser Faktoren gesorgt.

Unzählige Parameter-Kombinationen bei der Validierung

Plug and Charge – was dem Fahrer einen einfachen Ladevorgang für sein E-Fahrzeug verspricht, macht in der Entwicklung ein tiefgreifendes Absicherungskonzept erforderlich: Große Varianzen je nach Land und Ladesäulenanbieter gestalten den Ladeprozess durch eine Vielzahl an Parameterkombinationen komplex.

So gilt es zunächst zu beachten, dass das Laden an sämtlichen Ladesäulentypen jederzeit reibungslos funktionieren muss. Darüber hinaus muss das E-Fahrzeug auch auf die Vielfalt hinsichtlich Stecker-Infrastruktur und Ladestandards vorbereitet werden. Grundsätzlich wird hierbei zwischen AC- und DC-Ladevorgang unterschieden. Bezüglich der DC-Ladestandards gilt: Während in Europa die Richtlinie CCS2 gültig ist, greift beispielsweise in Japan die CHAdeMO- und in China die GBT-Norm.

Das hat zur Folge, dass beim Ladevorgang die Spannung in der Ladesäule entsprechend der jeweiligen Anforderungen gleichgerichtet werden muss. Die Kommunikation vom E-Fahrzeug zur Ladesäule über die Schnittstelle muss einwandfrei funktionieren und darf für den Fahrer keinen Mehraufwand bedeuten. Dies muss für die unterschiedlichen Ländervarianten und die damit variierenden Ladestandards und -protokolle sichergestellt werden.

Eine weitere Herausforderung für die Absicherung stellen die große Anzahl verschiedener Ladesäulenhersteller und damit verbunden auch wechselnde Hardware- und Software-Stände der jeweiligen Ladesäulentypen im Feld dar. Allein in Europa und Nordamerika bieten aktuell etwa 40 Hersteller jeweils rund vier Ladesäulentypen an, Tendenz steigend. Der Ladeprozess eines E-Fahrzeugs muss demnach allein in diesen beiden Regionen für über 160 unterschiedliche Ladesäulentypen abgesichert werden.

Bei der Absicherung der Kommunikation zwischen E-Fahrzeug und Ladesäulen müssen zudem die je nach Land stark unterschiedlichen Bezahlsysteme oder auch Ladeverbünde berücksichtigt werden – für den Fahrer darf sich hierdurch im Ladeprozess kein Mehraufwand in der Abwicklung ergeben. Weitere Einflussfaktoren sind die Abhängigkeit des Ladevorgangs vom Fahrzeughersteller und -typ sowie die variierende Aktualität des Ladeverbunds des jeweiligen Fahrzeugs.

7 Länder – 10.000 Kilometer – 150 Ladesäulen

In einem Projekt hat ASAP die Interoperabilitätserprobung der Ladesysteme für ein E-Fahrzeug in Nordamerika und Europa übernommen und die Schnittstelle des Fahrzeugs zu den dort gängigsten Ladesäulentypen hinsichtlich verschiedenster Kunden-Use-Cases validiert. Für eine möglichst effiziente und umfassende Absicherung hat das Team zunächst eine Marktanalyse zur Ladeinfrastruktur in den Einsatzmärkten inklusive Identifikation aller Ladesäulenanbieter und -Typen durchgeführt und auf Basis dessen schließlich das Erprobungskonzept zur Absicherung der Kundenfunktionen erarbeitet. Anschließend wurden Routenpläne für beide Regionen erstellt – jeder wichtige Ladesäulentyp sollte mindestens fünfmal an unterschiedlichen Standorten angesteuert werden.

Das Ziel: Zwei Testfahrzeuge sollten pa­rallel auf ihren Routen möglichst viele Länder, Bezahlsysteme sowie weitere der eingangs beschriebenen Parameter abdecken. Gleichzeitig wurden bei der Routenplanung länderspezifische Bestimmungen für Testfahrzeuge sowie das Vorhandensein abgesicherter Tiefgaragen bei allen Aufenthalten zum Prototypenschutz bedacht. Mit zwei Testfahrzeugen waren Entwickler fünf Monate lang in sieben Ländern unterwegs und haben auf ihrer Fahrt zu über 150 Ladesäulen etwa 10.000 Kilometer zurückgelegt (Bild 1).

Ein Beispiel für die im Zuge der Interoperabilitätserprobungen angesteuerten 150 Ladesäulen.
© ASAP

Ein Beispiel für die im Zuge der Interoperabilitätserprobungen angesteuerten 150 Ladesäulen.

Test-Case-Matrix zum Check der Interoperabilität

Für die Durchführung der Kundenfunktionstests an den Ladesäulen wurde im Vorfeld der Erprobungsfahrten eine umfangreiche Test-Case-Matrix erstellt. Diese schließt für jede der angesteuerten Ladesäulen rund 100 Testfälle zur Absicherung unzähliger Parameterkombinationen ein. Beispielhaft sei nachfolgend ein solcher Testfall in Kürze beschrieben. Für diesen Beispieltestfall wurden in der Test-Case-Matrix die folgenden Bedingungen festgehalten: Anschließen des Ladesteckers am Fahrzeug, Authentifizierung an der Ladesäule, aktives Laden des Fahrzeugs sowie Erreichen von 80 Prozent als State-of-Charge- (SOC-)Zielwert.

Die Aktion für diesen Testfall besteht dann darin – sobald der SOC-Zielwert erreicht ist – am Fahrzeug-HMI einen neuen Zielwert größer des IST-Wertes einzustellen. Die Erwartungswerte für den Testfall sind zunächst das Entriegeln des Steckers nach beendetem Ladevorgang sowie – nach Einstellung des neuen SOC-Zielwertes – die Wiederverriegelung des Steckers und das Fortsetzen des Ladevorgangs bis zum Erreichen des neuen Zielwerts. Nach diesem Prinzip – Überprüfung der Testfallbedingungen, Durchführung der festgelegten Aktionen sowie Kontrolle und Dokumentation der Erwartungswerte – führen die Entwickler an jeder Ladesäule rund 100 verschiedene Testfälle zur Erprobung der Interoperabilität durch.

Bereits während der Erprobung werden konkrete Fehlerfälle analysiert, um eine zeitnahe Abstellmaßnahme herbeiführen zu können. Dazu werden die Kommunikation zur Ladesäule sowie die fahrzeuginterne Kommunikation ausgewertet. Die Ergebnisse der durchgeführten Tests werden lückenlos dokumentiert, um später die häufigsten Fehlerursachen und -arten identifizieren zu können.

Die häufigste Fehlerquelle im E-Fahrzeug stellt Auswertungen zufolge beispielsweise erwartungsgemäß der On-Board Charger (OBC) dar: Das mit standardisierten Protokollen für die Kommunikation mit Ladesäulen ausgestattete Steuergerät ist für die Steuerung des Ladeprozesses zuständig. Es sorgt für die Authentifizierung des E-Fahrzeugs an der Ladesäule, tauscht Ladeparameter mit der Ladesäule aus, fordert Strom an und übermittelt Informationen zur Zahlungsmodalität. Besonders häufig auftretende Fehlerarten, beispielsweise ein falsches Anzeigeverhalten der Lade-LED oder der Restladezeit, können nach Abschluss der Interoperabilitätserprobung ebenfalls benannt werden. Auch Fehler seitens der Ladesäule werden im Zuge der Interoperabilitätserprobung ermittelt und an die jeweiligen Ladesäulenhersteller übermittelt.

Simulierte Ladesäule am Laborprüfstand

Grafische Darstellung eines Laborprüfplatzes zur Ladeabsicherung von E-Fahrzeugen.
© ASAP

Grafische Darstellung eines Laborprüfplatzes zur Ladeabsicherung von E-Fahrzeugen.

Die Erprobungsdaten dienen nicht nur der Absicherung des untersuchten E-Fahrzeugs. Sie sorgen gleichzeitig dafür, dass Interoperabilitätserprobungen von E-Fahrzeugen im Allgemeinen künftig kosten- und zeitsparender umgesetzt werden können. ASAP hat hierfür einen neuen Ansatz zur umfassenden Ladeabsicherung erarbeitet, der das manuelle Testen mit Prototypen an Ladesäulen in Zukunft ergänzt. Grund für die Entwicklung des neuen Ansatzes: Es ist absehbar, dass die Anzahl an Ladesäulen sowie Ladesäulenherstellern und -typen – und damit auch der Erprobungsaufwand – kontinuierlich steigen werden.

Bisherige Interoperabilitätserprobungen haben ergeben, dass Fehler oft nur einmalig an einer bestimmten Ladesäule auftreten. Diese sind daher aktuell noch nicht reproduzierbar und oftmals schwierig zu analysieren. Das neue Absicherungskonzept schafft hierfür eine Lösung. Zunächst werden reale Ladevorgänge durchgeführt, aufgezeichnet und in einer Datenbank dokumentiert. Aus diesen Daten werden die aufgetretenen Fehlerquellen und -arten identifiziert und diese dann simulativ nachgebildet. An einem Laborprüfplatz mit simulierter Ladesäule kann der Ladeprozess eines E-Fahrzeugs damit schließlich nachgestellt werden (Bild 2).

Dabei wird die Simulation so programmiert, dass die eingangs genannten Parameter auf die ausgewählten häufigsten Fehlerquellen hin untersucht werden. Neue Fehlerfälle fließen kontinuierlich ein und können so reproduzierbar und analysierbar gemacht werden. Zudem besitzt der Prüfstand auch eine Schnittstelle zum E-Fahrzeug, wodurch einfache Fahrzeugfunktionen, wie etwa Zündung schalten oder Ladetaster drücken, automatisiert durchgeführt sowie Zustände, wie beispielsweise der LED-Status, automatisiert ausgewertet werden können. Somit lassen sich auch die Bedienhandlungen der Tester nachbilden.

Durch den Einsatz einer Testautomatisierung laufen die Testfälle inklusive Dokumentation der Ergebnisse automatisch ab. Nicht nur ermöglicht die Absicherung am Laborprüfplatz demnach die Integration von Funktionen und Systemen im Fahrzeug, die von vornherein besser abgesichert sind, es wird auf diese Weise auch der Bedarf an Testfahrten und -szenarien mit kostspieligen Prototypen erheblich reduziert. Durch den Einsatz einer Testautomatisierung ist die Absicherung bei diesem Ansatz zudem nicht auf manuelle Eingaben angewiesen und kann folglich rund um die Uhr kostengünstig eingesetzt werden.

Der Laborprüfstand ermöglicht damit eine umfassende Ladeabsicherung von E-Fahrzeugen mit deutlich gesteigerter Prüftiefe über eine Vielzahl von Parameterräumen und sorgt gleichzeitig für eine Zeit- und Kostenoptimierung der Validierung. Darüber hinaus gewährleisten die Laborbedingungen die gezielte Reproduktion von Fehlern und erlauben detaillierte Fehleranalysen.

Mit Datenbank zur Intelligenten Ladeinfrastruktur

Für ein ganzheitliches Ladeabsicherungskonzept arbeitet ASAP zudem am Aufbau einer Datenbank. Darin werden die bei den Ladeversuchen im Feld gesammelten Daten aufgezeichnet und gesichert. Dies umfasst auch sämtliche physikalischen und Kommunikationsparameter. Künftig werden sich dadurch per Knopfdruck Testfälle aus der Datenbank ableiten lassen, die dann wiederum in den Ladeprüfstand eingespeist werden können. Damit wird die Ladeabsicherung von E-Fahrzeugen künftig weiter beschleunigt – und das Ziel einer intelligenten Ladeinfrastruktur rückt ebenfalls näher.

Insbesondere das bedarfsgerechte Laden der E-Fahrzeuge spielt dabei eine wichtige Rolle: Die Vision ist ein Wandel von der Ladesäule als einfacher »Tankstelle« hin zur einer intelligenten Netzintegration der E-Fahrzeuge [2].

Das bedeutet etwa, dass die Ladesäule künftig den Zeitraum zwischen Anschließen des E-Fahrzeugs an der Ladesäule bis zur geplanten Weiterfahrt erkennt. Der Nutzen dieser Information sei anhand des folgenden Szenarios kurz erläutert: Innerhalb eines großen Wohngebiets erreichen dessen Bewohner ihr Zuhause nach Feierabend durchschnittlich gegen 18:00 Uhr. Ohne die beschriebene Information würden die E-Fahrzeuge dann direkt nach Anschließen an der Ladesäule laden und der Energiebedarf dementsprechend innerhalb eines kurzen Zeitraums sehr stark steigen.

Bei Einbindung der E-Fahrzeuge in eine intelligente Ladeinfrastruktur können sie stattdessen künftig bedarfsgerecht – also in diesem Szenario beispielsweise nachts, wenn der Energiebedarf im Wohngebiet geringer ist – geladen werden, sodass sie morgens für die Fahrt zur Arbeit rechtzeitig einsatzbereit sind. Einer Netzüberlastung lässt sich auf diese Weise vorbeugen. Mit der Optimierung von Interoperabilitätserprobungen durch den Einsatz von Ladeprüfständen und den Aufbau einer Datenbank gestaltet sich demnach nicht nur die Ladeabsicherung kostengünstiger und zeitsparender. Das neue Absicherungskonzept leistet auch seinen Beitrag zur Realisierung neuer Mobilitäts- und Infrastrukturkonzepte, bei denen E-Fahrzeuge eine elementare Rolle spielen.

Literatur
[1] Oliver Wyman und VDA: Studie Future Automotive Industry Structure – FAST 2030. Unter: https://www.oliverwyman.de/content/dam/oliver-wyman/v2-de/media/2018/Pressemitteilungen/PM_Oliver_Wyman_VDA_FAST2030.pdf (25.03.2020)


[2] Fraunhofer ISE: INTELLAN – Intelligente Ladeinfrastruktur mit Netzintegration. Unter: https://www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/intellan.html (25.03.2020)

Wolfgang Hensel, ASAP
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Wolfgang Hensel, ASAP

Der Autor:

Wolfgang Hensel
hat Elektro- und Informationstechnik an der Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule in Nürnberg studiert. Anschließend war er 2,5 Jahre als Entwicklungsingenieur für einen Automobildienstleister in den Bereichen Absicherung Infotainment und Reliability tätig. Seit 2011 arbeitet er bei ASAP im Bereich Gesamtfahrzeugabsicherung / Referenzfahrzeuganalyse und ist heute Senior Expert Elektronikentwicklung.

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