EV charging stations

Lademöglichkeiten für E-Autos – Optimales Aufladen als Schlüssel zum positiven Nutzererlebnis

Viele Menschen empfinden das Fahrerlebnis mit einem E-Auto als angenehm: Spontane Kraftentfaltung, geringe Fahrgeräusche und wenig Antriebsvibration – sowie obendrein das gute Gewissen, mit einem emissionsfreien Fahrzeug der Umwelt zu dienen. Allerdings wird das Nachladen der Fahrzeuge oft als leidig und zeitintensiv empfunden: Der Endkunde sieht sich noch immer mit schwer auffindbaren Ladestationen konfrontiert, deren Ladesäulen gelegentlich auch an der falschen Stelle stehen. Die dazugehörigen Autorisierungs- und Bezahlmöglichkeiten sind nicht einmal in einzelnen Ländern der Europäischen Union einheitlich – international erst recht nicht. Das Freischalten des Ladepunktes kann zudem zeitraubend und umständlich sein. Ein benutzerfreundliches, auf die Markt- und Kundenbedürfnisse zugeschnittenes Ladesystem ist daher entscheidend, um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Endkunden zu steigern. Eine optimale Ladestrategie gewährleistet aber nicht nur einen schnellen, problemlosen und komfortablen Ladevorgang für Endkunden, sondern trägt auch entscheidend zu einer ganzheitlich optimalen Betriebsstrategie bei. Mit entsprechender Ausstattung könnten E-Autos in Zukunft sogar einen Beitrag zur Stabilisierung der öffentlichen Energieversorgung leisten.

Das automatisch selbstladende E-Auto bleibt jedoch vorerst eine Vision. Es gibt zwar seit Jahren unterschiedlichste Zukunftskonzepte für das Laden von E-Autos, angefangen von induktiven, in die Fahrbahn eingelassenen Ladeschleifen bis hin zu solar selbstladenden Fahrzeugen. In naher Zukunft bleibt aber das konduktive Laden, also das Anstecken des Ladekabels am abgestellten Fahrzeug, alternativlos.

Checklist from Magna regarding Alternative Propulsion Systems for Car Manufacturers

 


KONDUKTIVES LADEN - AUF ABSEHBARE ZEIT DIE METHODE DER WAHL

In den letzten Jahren wurde vermehrt darauf fokussiert, die Reichweite von E-Autos mit einer Batterieladung zu erhöhen. Dies wurde hauptsächlich durch den Einbau immer größerer Energiespeicher erreicht, wo aber mit der aktuellen Technologie die physikalischen Grenzen zunehmend ausgeschöpft sind. Zwar ermöglicht die stetige Fortentwicklung der Speichertechnologien immer höhere Energiedichten, allerdings wirken sich große und damit schwere Batterien negativ auf den Gesamtenergiebedarf der Fahrzeuge aus. Um auch batterieelektrische Fahrzeuge für Langstreckenfahrten so tauglich zu machen, wie es der Endkunde vom Verbrennerfahrzeug gewohnt ist, gewinnt der Ladeprozess an sich an Bedeutung. Insbesondere eine schnelle und bequeme Nachladung bei längeren Fahrten ist dabei wichtig, denn so ist es möglich auch kurze Fahrtunterbrechungen für das Auffüllen der Energievorräte zu nutzen.

Die Praxisrelevanz der Ladegeschwindigkeit wird dabei nicht nur durch die maximale erreichbare Ladeleistung bestimmt, sondern durch die wieder gewonnene Reichweite pro Zeiteinheit. Es geht also darum, wie viele zusätzliche Kilometer während einer Ladepause wieder „ins Auto“ geladen werden können. Dazu ist für den Endkunden der letztendliche „Brutto-Zeitaufwand“ für die Ladepause entscheidend: beginnend vom Heranfahren an den Ladepunkt bis zum Abstecken und Beginn der Weiterfahrt. Deshalb sind auch scheinbar marginale Aspekte wie die bestmögliche Positionierung und Erreichbarkeit des Ladeanschlusses am Auto von Bedeutung – und auch der Prozess der Authentifizierung und Bezahlung am Ladepunkt. Ziel hierfür ist die sogenannte Plug & Charge Funktion. Hier startet der Ladevorgang nach dem Anstecken des Ladekabels automatisch; das Erkennen des Benutzers einschließlich der Abrechnung läuft selbsttätig und ohne die Notwendigkeit weiterer Bedienschritte im Hintergrund ab.

 


AUTOMATISCHES LADEN - DAS AUTO BETANKT SICH SELBST

Um das maximal komfortable Ladeerlebnis zu erreichen, ist das automatisierte Laden die Lösung. Als Erweiterung zum Plug & Charge mit automatischer Legitimation verbindet sich hier das Fahrzeug selbständig mit der Ladeeinrichtung. Stationäre Laderoboter kommen dabei nicht nur für öffentliche Ladestationen in Frage, sondern vor allem für das Laden an immer der gleichen Stelle – etwa in der eigenen Garage. Das Ladekabel wird dabei automatisch an den Ladeanschluss des Fahrzeugs herangeführt und mit diesem verbunden. Die technisch beste Lösung ist es, den dafür vorgesehenen Ladepunkt an der Fahrzeug-Unterseite anzubringen, sodass das Ladekabel von unten an das Fahrzeug herangeführt werden kann. Für das automatisierte Laden in Parkgaragen sind auch Konzepte mit beweglichen Laderobotern denkbar, die autonom an die Fahrzeuge heranfahren. Das Nachladen des Fahrzeugs ist dabei aber durch die Kapazität des im mobilen Laderoboter eingebauten Speichers begrenzt. Für eine Voll-Ladung bedarf es daher mehrerer Ladedurchgänge.

Die derzeitige Herausforderung beim automatisierten konduktiven Laden des E-Autos stellt die Vielfalt der vorhandenen Ladeanschlüsse und Konzepte dar. Sowohl für die Positionierung des fahrzeugseitigen Ladesteckers als auch für dessen Typ gibt es derzeit keinen einheitlichen Standard. Fahrzeughersteller müssen daher ihren Ladeanschluss an die jeweiligen regionalen Gegebenheiten anpassen. Gerade bei einem Fahrzeug, das für den weltweiten Markt entwickelt wird, ist dies eine Herausforderung. Obwohl hier bereits erste Ansätze zur Vereinheitlichung der Standards erkennbar sind, hängt die Umsetzung immer noch von der gängigen Praxis in den jeweiligen Märkten sowie der Anordnung und Ausführung der Ladesäulen ab. 

 


TREND IN RICHTUNG DRIVE-BY-LADESÄULE

Der allgemeine Trend beim Aufbau der Ladeinfrastruktur für E-Autos ändert sich vermehrt von den derzeit üblichen vorwärts anfahrbaren Ladepunkten in Richtung der Drive-By-Ladesäulen. Bei diesen Ladesäulen wird seitlich herangefahren, wie man es von üblichen Tankstellen kennt. Dementsprechend müssen zukünftig die Ladeanschlüsse an der Seite des Fahrzeugs anstatt an der Vorderseite positioniert werden. Dieser scheinbare triviale Gesichtspunkt muss aber schon bei der Grundarchitektur in der Entwicklung des Fahrzeugs berücksichtigt werden.

Um diese Anforderungen einzubeziehen, muss der Entwickler des Ladesystems über lokale Marktkenntnisse verfügen, da die Anordnung der Ladesäulen weltweit stark variiert. Ein E-Auto mit dem Ladeanschluss an einer ungünstig erreichbaren Stelle wird nur geringe Akzeptanz im jeweiligen Markt finden. Als Lösung wäre es zum Beispiel auch denkbar, zwei Ladeanschlüsse anzubringen, beispielsweise auf einer Fahrzeugseite den AC- und auf der anderen Seite den DC-Ladeanschluss. Je nach Marktpriorisierung und Kostenvorgaben muss dies zusammen mit dem OEM festgelegt werden.

 


STECKER UND KOMMUNIKATION - VIELFALT DER SYSTEME

Die Vielfalt der unterschiedlichen Steckersysteme ist fast ebenso groß wie bei der Anordnung des Ladesteckers. Immerhin sind die vier bzw. fünf üblichen Typen regional recht einfach zuzuordnen. In Europa und den USA sind zwei Varianten des Combined Charging Systems CCS gebräuchlich – CCS1 und CCS2. Hier werden die beiden Ladevarianten AC-Wechselstrom und DC-Gleichstrom in einem einzigen fahrzeugseitigen Ladeanschluss zusammengefasst. Der in den USA verwendete Typ-1-Stecker ist allerdings nur für einphasiges Wechselstromladen geeignet, während der europäische Typ-2-Stecker auch für dreiphasiges AC-Laden geeignet ist. Dies erfordert fahrzeugseitig ebenfalls unterschiedliche Verkabelung.

Für das Gleichstrom-Schnellladen werden die beiden AC-Steckertypen um zwei zusätzliche Pins erweitert und werden so zum Combo-1 bzw. Combo-2-Stecker. Die Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug erfolgt bei beiden CCS-Varianten immer per Powerline-System und nach dem gleichen Kommunikationsprotokoll. Eine Zusammenfassung und Vereinheitlichung der beiden CCS-Systeme mit einheitlichen Steckern ist derzeit nicht in Sicht. Durch die unterschiedliche AC-Ladefähigkeit von Typ-1- und Typ-2-Steckern ist auch eine Adaptierung kaum möglich.

 

 

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MAGNA VERFÜGT WELTWEIT ÜBER LOKALE MARKTEINSICHT UND IST MIT ALLEN ANFORDERUNGEN VERTRAUT 

Im asiatischen Raum wird für das Laden von E-Autos der japanische CHADEMO-Standard und der chinesische GB/T-Standard verwendet. Beide Standards nutzen einen grundsätzlich gleichen CAN-Bus-basierten Datenaustausch zwischen Ladestation und Fahrzeug. Unterschiede gibt es jedoch bei den verwendeten Ladesteckern. Derzeit wird an einer Zusammenfassung von Chademo- und GB/T-Standard zum ChaoJi-Standard unter Verwendung des gleichen Steckers und Kommunikationsprotokolls gearbeitet.

Zu erwähnen ist auch, dass Hersteller teilweise auch eigene Insellösungen verfolgten, die nur für ihre eigenen Autos und die eigenen Ladestationen geeignet sind. Aber auch hier werden mittlerweile die herstellereigenen Ladeparks auch für andere Fahrzeuge zugänglich gemacht.

Weitere Vereinheitlichungen über Kontinent-Grenzen hinweg sind aber nicht abzusehen. Daher müssen OEMs je nach Markt immer unterschiedliche Lademöglichkeiten anbieten können. Hier hat Magna als Entwicklungspartner den Vorteil, weltweit über lokale Markteinsicht zu verfügen. Zusätzlich gibt es aber auch innerhalb desselben Ladesystems von Ladesäule zu Ladesäule Abweichungen, da die Standardisierung und deren Umsetzung einen gewissen Spielraum lässt. Dies erfordert einen hohen Validierungsaufwand für die unterschiedlichen Märkte. Magna ist sowohl Mitglied im CCS- als auch im Chademo-Konsortium, hat Entwicklungsstandorte in allen relevanten Regionen und ist daher mit den jeweiligen Anforderungen bestens vertraut, um die zuverlässige Funktion an jeder Ladeinfrastruktur sicherzustellen.

 


BIDIREKTIONALER POWERTRANSFER - DAS FAHRZEUG ALS MOBILER SPEICHER 

Das gegenwärtige Unsicherheitsgefühl im Bereich der Energieversorgung lenkt die Aufmerksamkeit verstärkt auf die Möglichkeit, das Autos als „fahrbaren Energiespeicher“ zu nutzen. Hierbei kann das Fahrzeug einerseits als persönlicher Backup-Energiespeicher dienen, wenn es zu einem vorübergehenden Ausfall der externen Stromversorgung kommen sollte; es kann aber auch für den Energieversorger als Pufferspeicher zur Netzstabilisierung dienen. Der sogenannte bidirektionale Powertransfer gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Hierfür muss allerdings das interaktive Zusammenspiel zwischen Fahrzeug und Infrastruktur funktionieren. Eine entsprechende Befähigung ist sowohl für das Fahrzeug selbst als auch für die netzseitige Wallbox notwendig.

Die Möglichkeit, nicht nur Energie ins E-Auto zu laden, sondern auch wieder von dort entnehmen, eröffnet vier unterschiedliche Nutzungsszenarien. So kann das Fahrzeug zur Off-Grid-Versorgung von elektrischen Geräten verwendet werden, beispielsweise im Freizeit- und Campingbereich, wo auch höhere Leistungsaufnahmen notwendig sein können. Private Elektronikgeräte können so zum Beispiel mit dem Energievorrat der Fahrzeugbatterie aufgeladen, Kühl- und Heizgeräte betrieben und E-Bikes nachgeladen werden. Dies ist ein angenehmer und gut vermittelbarer Zusatznutzen des Fahrzeugs. Ebenfalls vermittelbar ist die V2V- und V2H-Funtion einer bidirektionalen Ladeschnittstelle. Die Vehicle-To-Vehicle-Verbindung ermöglicht zum Beispiel das Notladen des liegen gebliebenen Elektrofahrzeugs; die Vehicle-To-House-Integration ermöglicht die Nutzung der Speicherkapazität des Fahrzeugs zur Versorgung eines energieautark konzipierten Eigenheims für den Fall, dass die eigene Solar- oder Windkraftanlage weniger Leistung liefert, als aktuell benötigt wird.

Vehicle-To-Grid-Funktion im Interesse der öffentlichen Energieversorger

Besonders für öffentliche Energieversorger ist die Vehicle-To-Grid-Funktion V2G von großem Interesse. Dabei kann das Fahrzeug Energie zurück ins öffentliche Netz speisen und so dessen Stabilität erhöhen. Die Energieversorgungsunternehmen (EVU) können dadurch einen Teil ihres Lastmanagements auslagern. Dies erfordert allerdings eine vollständige externe Steuerung des Lade- und Entladevorganges der Fahrzeugbatterie, was für den Endnutzer problematisch sein kann. Zum einen kann die Verfügbarkeit des Fahrzeugs eingeschränkt sein, wenn gerade zur Netzstabilisierung viel Energie aus der Fahrbatterie entnommen wurde. Zum anderen kann die Fahrzeugbatterie durch die häufige und extern gesteuerte Entnahme in einem ungünstigen Zustand geladen oder entladen werden. Ein häufiges Verlassen des optimalen Betriebsbereiches der Batterie kann die Lebensdauer des Energiespeichers negativ beeinflussen. Es müssen hier also Modelle gefunden werden, die sowohl für den Endkunden als auch für den Energieversorger attraktiv oder zumindest akzeptabel sind.


INTEGRATION IN DIE BORDSYSTEME - DAS AUO BESTIMMT DIE FAHRROUTE

Eine optimale Gesamt-Betriebsstrategie von batterieelektrischen Fahrzeugen erfordert eine sorgfältig durchdachte Ladestrategie. Dabei ist es wichtig, nicht nur die optimale Batteriekonditionierung zu berücksichtigen, sondern auch den richtigen Zeitpunkt für das Laden zu wählen. So kann beispielsweise die Effizienz gesteigert werden, indem das Fahrzeug bei kühlen Umgebungstemperaturen direkt nach Beendigung der Fahrt aufgeladen wird. In diesem Fall hat die Batterie noch ihre optimale Betriebstemperatur und muss nicht erst wieder energieaufwändig vorgewärmt werden. Umgekehrt kann es bei hohen Außentemperaturen zweckmäßig sein, erst bei abgekühltem Akku zu laden. Eine intelligente Vernetzung der Ladeanlage mit dem Infotainment-Bordsystem des Autos kann dem Benutzer dabei helfen, den optimalen Ladezeitpunkt zu wählen. Das System kann beispielsweise Vorschläge unterbreiten, den Ladevorgang sofort zu starten oder aber zu einem späteren Zeitpunkt durchzuführen.

Eine solche ins Fahrzeuggesamtsystem integrierte Ladestrategie bietet nicht nur Vorteile bei der Routenplanung auf längeren Fahrten, sondern kann auch die effektive Ladegeschwindigkeit verbessern. Dabei berücksichtigt das System nicht nur die verkehrsgünstigste Route, sondern auch die optimale Verteilung von Ladepausen in Abhängigkeit von der Fahrweise und dem daraus resultierenden Energieverbrauch. Ziel ist es, den Fahrer nicht nur zu der für ihn geeignetsten freien Ladesäule zu führen, sondern ihm dort auch schon vorab einen freien Ladepunkt zu reservieren. So können Fahrtpausen auf längeren Strecken bestmöglich zum Nachladen genutzt werden.

Um bei diesen Fahrtpausen auch noch die effektive Ladegeschwindigkeit zu maximieren, ist es wichtig, die Batterie im optimalen Ladezustandsfenster zu betreiben. Denn in diesem Fenster lassen sich die meisten Reichweiten-Kilometer pro Zeiteinheit ins Fahrzeug laden. Abhängig von der aktuellen Situation kann es zum Beispiel auf einer bestimmten Strecke zeiteffizienter sein, zwei kürzere statt einer längeren Ladepause zu machen. Ein intelligentes Lademanagement, das mit dem Bordsystemen verknüpft ist, berücksichtigt all diese Faktoren und unterstützt so den Fahrer, sein E-Auto optimal zu nutzen. Der Entwicklungsdienstleister fungiert hierbei als Schnittstelle zwischen Autohersteller und den Anbietern von Subsystemen wie Ladenetzbetreibern oder Navigationskartenherstellern. Die Zusammenarbeit mit Onlinediensten wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen.

 


INDUKTIV UND SOLAR - VISIONEN FÜR DIE ZUKUNFT DES LADENS 

Neben dem kabelgebundenen Laden sind auch andere Technologien in der Entwicklung und Erprobung. Die Idee eines schnellen Batterietauschs an speziellen Wechselstationen galt zeitweise als erfolgversprechend, verliert jedoch umso mehr an Bedeutung, je schneller das konventionelle kabelgebundene Laden funktioniert. Der Zeitgewinn des Batterietauschs gegenüber dem Laden des fest eingebauten und damit optimal konditionierbaren Speichers rechtfertigt nicht den hohen Aufwand, der allein für die Errichtung eines Tauschstationen-Netzes erforderlich wäre. Es ist unwahrscheinlich, dass Battery-Swapping-Konzepte wesentliche Bedeutung gewinnen.

Für Spezial-Anwendungsfälle sind allerdings Konzepte für das kabellose Laden in der Entwicklung und auch teilweise bereits in Pilotanlagen in der Erprobung. Ein erfolgversprechender Ansatz ist dabei das induktive Laden, wie es bereits für das Laden von Mobiltelefonen oder anderen Geräten genutzt wird. Bisher sind hierfür jedoch nur Single-Point-Lösungen möglich, bei denen Fahrzeug und Infrastruktur 1:1 kompatibel sein müssen. Attraktiv erscheint dieses Konzept daher vorerst für Sonderfälle wie etwa Linienbusse und Taxis sowie zukünftig auch für autonome Nahverkehrs- oder Commutingsysteme. Im Versuchsbetrieb befinden sich auch bereits automatisierte Ladesysteme mit Oberleitungsstrecken, mit denen sich elektrische Omnibusse verbinden können.

 


ENTWICKLUNG DES LADESYSTEMS MUSS FRÜH IN GESAMTFAHRZEUGENTWICKLUNG EINGEBUNDEN WERDEN

Eine weitere innovative Idee ist, das Elektrofahrzeug mit Onboard-Solaranlagen auszurüsten und dabei Photovoltaik-Zellen in Teile der Karosserieaußenseite zu integrieren. Während des Parkens des Fahrzeuges im Freien und bei Sonnenlicht kann so Energie erzeugt werden und damit zumindest ein gewisser Teil der täglich notwendigen Reichweite abgedeckt werden. Allerdings wird dies nur in Ausnahmefällen ausreichen, um den gesamten Energiebedarf des Fahrzeuges zu decken. Trotzdem sollten solche visionären Ideen bei der Entwicklung künftiger Elektrofahrzeuge berücksichtigt werden.

Es ist in jedem Fall sinnvoll, die Entwicklung des Ladesystems so früh wie möglich in die Gesamtfahrzeugentwicklung einzubinden. Dabei ist insbesondere das angestrebte Ladezeit-Ziel von entscheidender Bedeutung, weil es sowohl von der Dimensionierung der Komponenten als auch von deren Zusammenspiel mit dem Thermomanagement von Akku und Ladeanlage beeinflusst wird. Ein erfahrener Entwicklungspartner wie MAGNA kann durch seine Flexibilität dem OEM helfen, ein stimmiges Gesamtfahrzeug auf die Räder zu stellen – unabhängig davon, ob es sich um einen Neueinstieg in die E-Mobilität handelt oder bereits vorhandene Elemente und Baugruppen in ein neues Fahrzeug integriert werden sollen. Dabei ist es von Vorteil, dass MAGNA Kompetenz in allen Bereichen und Stufen der Entwicklung hat – nicht nur im Bereich der alternativen Antriebe

 

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Michael Martin, Magna Steyr

Michael Martin

Michael Martin is currently working as a Group Leader for Energy Management & Operating Strategy at Magna Steyr.He has experience as a Senior Engineer specializing in driving performance, energy efficiency, and driveability. He started his career at Magna as a Simulation Engineer in the field of energy management in 2011. He holds a doctoral degree in mechanical engineering from the Technical University of Graz, with a focus on automotive engineering. 

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