Ladekommunikation auf Chinesisch GB/T-27930-konforme E-Fahrzeuge und Ladesäulen testen

Eine flächendeckende Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge und Ladesäulen die miteinander kommunizieren sind Standards wie GB/T 27930 notwendig.
Eine flächendeckende Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge und Ladesäulen die miteinander kommunizieren sind Standards wie GB/T 27930 notwendig.

Elektromobilität spielt insbesondere in China eine wichtige Rolle, immer mehr Fahrzeuge sind dort elektrisch auf den Straßen unterwegs. Dazu bedarf es einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur. Damit E-Fahrzeug und Ladesäule sicher miteinander kommunizieren, sind Standards wie GB/T 27930 notwendig.

Wie überall ist auch in China der Erfolg der Elektromobilität eng mit der Verfügbarkeit zahlreicher Ladesäulen und größtmöglicher Kompatibilität zwischen Fahrzeug und Ladeinfrastruktur verknüpft. Zur Kommunikation zwischen Ladesäulen und Onboard-Batteriemanagementsystemen ist in der Volksrepublik der chinesische Standard GB/T 27930 vorgesehen. Europäische, amerikanische und grundsätzlich alle Hersteller weltweit, die in China Elektroautos verkaufen wollen, müssen sich daher mit dieser Norm beschäftigen. Signifikant beschleunigen lassen sich Entwicklungen für Fernost mithilfe entsprechender Test- und Simulationswerkzeuge für die Ladekommunikation nach GB/T 27930 sowie einsatzfertigen Embedded-Lösungen.

Wie kaum eine andere Nation treibt China die Elektromobilität mit großer Anstrengung voran. Die Zahlen sind beeindruckend, allein im Jahr 2018 haben die Chinesen mehr als eine Million Elektrofahrzeuge gekauft. Setzt sich dieser Trend fort, werden bis 2020 mehr als fünf Millionen E-Autos auf Chinas Straßen unterwegs sein. Diese Vielzahl an Elektrofahrzeugen muss auch adäquat mit Energie versorgt werden. So liegt die Anzahl der installierten Ladestationen derzeit bei circa 200.000 – Tendenz schnell steigend. Die Zuwachsrate ist in diesem Bereich nochmals spürbar höher als bei den E-Fahrzeugen. Damit Ladevorgänge überall reibungslos funktionieren, ist eine genormte Kommunikation zwischen E-Autos und Ladesäulen unverzichtbar. Diese ist im chinesischen GB/T-Standard für Ladesysteme beschrieben und trägt die Bezeichnung GB/T 27930. Er definiert die Kommunikation zwischen Ladesäule (Charger) und dem Batteriemanagementsystem (BMS) im E-Auto bei klassischen leitungsgebunden Ladeprozessen.

Weitergehende Smart-Charging-Funktionen, wie sie etwa ISO 15118 beschreibt, unterstützt der chinesische Kommunikationsstandard nicht. Über den Gültigkeitsbereich von GB/T 27930 findet man im entsprechenden Dokument keine Aussagen. Lediglich im übergeordneten Dokument GB/T 18487.1-2015 gibt es den Hinweis, dass Busse, Bahnen, Nutzfahrzeuge und Offroad-Maschinen nicht unterstützt seien. Laut Informationen aus China scheint es jedoch gängige Praxis zu sein, alle Elektrofahrzeuge an denselben Ladesäulen aufzuladen, egal, ob es sich um Pkws, Lkws oder Busse handelt. Gesicherte Informationen zu beschaffen ist in diesem Zusammenhang teilweise schwierig, zumal im Internet kaum Informationen über GB/T 27930 frei verfügbar sind.

GB/T 27930: Anlehnung an J1939

Die aktuelle Version des Standards liegt als GB/T 27930-2015 aus dem Jahr 2015 vor und hat die Fassung GB/T 27930-2011 abgelöst. GB/T 27930 lehnt sich an SAE J1939 an und nutzt dementsprechend einen CAN-Bus. Bei letzterem handelt es sich allerdings um eine reine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Charger und BMS. Direkte Verbindungen zu anderen CAN-Systemen im Fahrzeug, wie zum Powertrain-CAN, bestehen nicht. Standardmäßig kommt eine Übertragungsrate von 250 kbit/s zum Einsatz. Bei schlechter Leitungsqualität oder unter dem Einfluss externer Störfelder ist eine Absenkung auf bis zu 50 kbit/s erlaubt. Die CAN-Identifier sind nach den Regeln von J1939 zu interpretieren. GB/T 27930 unterstützt das Transportprotokoll für gerichtete Datenübertragung aus SAE J1939-21 (RTS/CTS oder CMDT). Des Weiteren sind Diagnosemöglichkeiten vorgesehen, für die der Standard sechs Diagnosebotschaften mit den Bezeichnungen DM1 bis DM6 definiert.

Unterschiede zwischen GB/T 27930 und SAE J1939

Dennoch sind einige wesentliche Unterschiede zu beachten. So gibt es bei GB/T 27930 keine Adressarbitrierung nach SAE J1939-81. Parametergruppen für Address Claiming, Commanded Address und Name Management sind folglich nicht bestimmt. Dies ist logisch und folgerichtig, denn bei der Ladekommunikation sind als Teilnehmer stets nur die Ladesäule und das Fahrzeug im Spiel. Die Spezifikation legt deren Adressen eindeutig fest: 86 (56h) für den Charger und 244 (F4h) für das BMS. Und weil der Request-Mechanismus aus SAE J1939-21 ausschließlich für die Diagnose zum Einsatz kommt, gibt es weder die Parametergruppe ACKN (PGN E800h) noch Request2 (PGN C900h) oder Transfer (PGN CA00h).

Vorsicht ist bei den Diagnosebotschaften geboten: GB/T 27930 verwendet zwar die Bezeichnungen DM1 bis DM6 und verpackt die Informationen über auftretende Probleme in DTC-Blöcke (Diagnostic Trouble Code), so wie es die SAE J1939-73 beschreibt, aber damit hören die Gemeinsamkeiten schon auf. Anders als die Namen sind die Parametergruppennummern (PGNs) abweichend von J1939 definiert und die DTCs starten nicht mit Byte 3, sondern mit Byte 1. Abweichend von den Empfehlungen der SAE J1939 nutzt GB/T 27930 auch Botschaften mit Botschaftslängen (DLCs) kleiner 8.

Kommunikationsphasen

Bei der Ladekommunikation geht es in erster Linie darum, dass sich das Batteriemanagementsystem und die Ladesäule über den Energiebedarf des Fahrzeugs sowie die beim Laden verwendeten Stromstärken und Spannungen einigen. Nach einem erfolgreichen Verbindungsaufbau teilt die Fahrzeugelektronik der Ladesäule mit, welcher Ladestrom und welche Spannung gewünscht sind (Request). Kann die Ladesäule die gewünschte Energie liefern, startet der Ladevorgang mit den gewünschten Parametern. Wenn im Stromnetz insgesamt nicht genügend Leistung zur Verfügung steht, zum Beispiel, wenn zu viele Fahrzeuge gleichzeitig laden wollen, reduziert die Ladesäule den Strom und kommuniziert dies an das BMS. Je nach Randbedingungen stellt sich die Ladeelektronik so auf unterschiedliche Ladeströme ein.
Jeder Ladevorgang lässt sich prinzipiell in die folgenden sechs Phasen unterteilen:

  • 1. Handshake Initiation
  • 2. Handshake Recognition
  • 3. Parameter Configuration
  • 4. Charging
  • 5. Suspension of Charging
  • 6. End of Charging

Die Phasen 1, 2, 3, 5 und 6 arbeiten nach dem gleichen Prinzip: Teilnehmer 1 beginnt mit dem Senden eines Datensatzes, zum Beispiel CHM (Charger Handshake Message). Daraufhin empfängt Teilnehmer 2 die CHM und führt die dementsprechende Aktion aus, etwa indem er die Verbindung prüft.

 

Um zu signalisieren, dass er die Aktion erfolgreich ausgeführt hat, beginnt Teilnehmer 2 mit dem Senden von BHM (BMS Handshake Message) an Teilnehmer 1. Sobald Teilnehmer 1 die BHM empfangen hat, startet er seinerseits die damit korrespondierende Aktion und prüft zum Beispiel die Kompatibilität. Ist die Aufgabe erledigt, beginnt er eine weitere Botschaft zu senden. Die Vorgehensweise gleicht einem Fußball-Match, bei dem zwei Spieler das gegnerische Tor beziehungsweise Ziel erreichen, indem sie sich den Ball fortwährend gegenseitig zupassen (Bild 1).

Botschaften während der Energieübertragung

Bei Phase 4, dem eigentlichen Ladevorgang, verläuft die Kommunikation deutlich übersichtlicher, weil keine Zustandsübergänge mehr stattfinden. BMS und Charger senden sich ihre Botschaften zyklisch und unabhängig voneinander zu: Das Fahrzeug leitet den Ladeprozess ein, über die Botschaft BCL (Battery Charging Demand) sendet es die Anforderungen an die Ladesäule und informiert diese mit Hilfe der Botschaften BCS (Overall Battery Charging Status), BSM (Power Storage Battery Status Information) und weiteren über den eigenen Zustand. Die Ladesäule wiederum versendet die Botschaft CCS (Charger‘s Charging Status) und informiert das Fahrzeug über seinen Zustand, den bereitgestellten Strom sowie die maximal generierbare Spannung.

Außerdem gibt es während der Ladens noch die drei optionalen Botschaften Single Power Storage Battery Voltage (BMV), Temperature of Power Storage Battery (BMT) sowie Reserved Message of Power Storage Battery (BSP), mit denen das Fahrzeug zusätzliche Informationen über seinen internen Zustand an die Energiequelle liefern kann. Der Ladevorgang dauert so lange, bis entweder das Batteriemanagement oder die Ladesäule das Ende einleitet. Das passiert, wenn entweder der Akku vollständig geladen, die vorgegebene Ladedauer erreicht ist oder wenn die Passagiere die Reise auch ohne vollgeladenen Akku fortsetzen wollen (Bild 2).