Seminar über E-Mobility-Ladetechnik

Grundlagen der E-Mobility-Ladetechnik Basiswissen rund ums Laden von Elektrofahrzeugen

Die Mobilität der Zukunft folgt unterschiedlichen länderspezifischen Rahmenbedingungen. Wir vermitteln Ihnen das Grundlagenwissen dazu – anschaulich und verständlich:

  • Ladestandards, Ladestecker und Lademodi auf einen Blick
  • Videos zeigen, wie eine Ladestation funktioniert
  • Glossar mit einfach erklärten Fachbegriffen

Welche Ladestandards und Steckertypen gibt es? Die gängigen Standards und ihre Steckgesichter im Überblick

International haben sich – ausgehend von Nordamerika, Europa und China – drei Ladestandards mit ihren spezifischen Geometrien für Ladestecker und Ladesteckdose etabliert. Zudem ist der Stecker für das AC-Laden (Modus 3, Fälle B und C) anders aufgebaut als der für das DC-Laden (Modus 4). Mit unserem breiten CHARX-Portfolio decken wir alle Anwendungsfälle ab:

Gängige Ladestandards und ihre Steckgesichter

Der Typ-1-Standard für Nordamerika sieht keinen infrastrukturseitigen Ladestecker vor. In Europa wird in diesem Fall ein Adapterkabel eingesetzt, das fahrzeugseitig aus einem Typ-1-Ladestecker und infrastrukturseitig aus einem Typ-2-Ladestecker besteht.

Wo gilt welcher Ladestandard? Die derzeitige Verbreitung auf der Weltkarte

Interaktive Image Map: Verbreitung der Ladestandards Typ 1 (blau), Typ 2 (grün) und GB/T (dunkelgrau) auf der Weltkarte
Typ 1
Eingeführt in den USA, hat sich der Typ-1-Standard in den blau eingefärbten Ländern etabliert. Er basiert auf den Normen SAE J1772 und IEC 62196. Das AC- und DC-Laden erfolgt über nur eine CCS-Typ-1-Ladedose im Fahrzeug.
Typ 1
Typ 2
Ausgehend von Europa hat sich der Typ-2-Standard in den grün eingefärbten Ländern verbreitet. Er basiert auf der Norm IEC 62196. Das AC- und DC-Laden erfolgt über nur eine CCS-Typ-2-Ladedose im Fahrzeug.
Typ 2
GB/T
Der GB/T-Ladestandard gilt ausschließlich für China und basiert auf der Norm GB/T 20234. Ein CCS-Standard für den chinesischen Markt hat sich bisher nicht durchgesetzt. Für das AC- und DC-Laden sind daher separate Fahrzeug-Ladedosen erforderlich.
GB/T
Undefiniert
In den hellgrau eingefärbten Ländern wurde bisher kein Ladestandard zum offiziellen Standard erklärt – oder uns liegen hier keine Angaben vor.
Undefiniert
Typ 1 und Typ 2
In den blau-grün-schraffierten Ländern kommen zurzeit Typ 1 und Typ 2 parallel zum Einsatz. Vermutlich wird sich hier künftig einer der beiden Standards durchsetzen.
Typ 1 und Typ 2

AC- und DC-Laden: Was ist der Unterschied? Und was wird in welcher Situation empfohlen?

AC-Laden
Der Wechselstrom (AC, Alternating Current) aus dem Versorgungsnetz fließt zunächst über Ladestation und Ladekabel ins Fahrzeug – kontrolliert, aber ohne Wandlung. Erst ein im Fahrzeug verbauter AC/DC-Wandler, der sogenannte Onboard-Charger, wandelt ihn um in Gleichstrom (DC, Direct Current), womit die Batterie geladen werden kann. Da AC-Ladestationen somit keine Wandlungselektronik benötigen, sind sie im Vergleich zu DC-Ladesäulen meist günstiger und für private Anwendungen attraktiver. Abhängig von Ladestation, Ladekabel und Onboard-Charger können Ladeleistungen von bis zu 22 kW erreicht werden. Aufgrund dieser vergleichsweise niedrigen Leistungen ist das AC-Laden schonender für den Akku und immer dann empfehlenswert, wenn das Fahrzeug länger als 30 Minuten geparkt wird, z. B. über Nacht im Carport, in der Garage oder am Hotel sowie tagsüber an Restaurants und Supermärkten.

DC-Laden
Hier sind die Leistungskontakte und Leitungsquerschnitte des Ladesteckers größer dimensioniert als beim AC-Laden. Es können deutlich höhere Ladeleistungen von bis zu 500 kW (High Power Charging, HPC) übertragen werden, was die Ladezeit erheblich verkürzt. Daher spricht man auch von Schnellladen oder Ultraschnellladen. Im Gegensatz zum AC-Laden findet die AC/DC-Wandlung bereits in der Ladestation statt, wo eine entsprechende Leistungselektronik verbaut ist. Das DC-Laden ist u. a. deshalb komplexer und kostenintensiver und wird überwiegend kommerziell genutzt. Es wird bei langen Fahrstrecken mit kurzen Pausen empfohlen, um Reichweite in wenigen Minuten wieder aufzuladen, z. B. an Autobahn-Raststätten.

Welche Lademodi gibt es zum AC- und DC-Laden? Der Ladevorgang kann auf unterschiedliche Arten erfolgen

Lademodus 1
Lademodus 2
 Lademodus 3, Fall A
Lademodus 3, Fall B
 Lademodus 3, Fall C
Lademodus 4
Lademodus 1

Das Fahrzeug wird an einer Haushaltssteckdose mit Wechselstrom geladen. Beim einphasigen Netz dürfen Spannungen bis 250 V, beim dreiphasigen Netz bis 480 V anliegen. Der maximale Ladestrom beträgt 16 A. Es findet keine Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt statt. Zwingende Voraussetzung ist eine Absicherung über einen Fehlerstrom-Schutzschalter (FI). Da dies bei älteren Installationen nicht immer gewährleistet ist, rät Phoenix Contact von diesem Lademodus ab.

Lademodus 2

Wie Modus 1, jedoch beträgt der maximale Ladestrom hier 32 A und die Ladeleitung ist mit einem sogenannten In-Cable-Control-and-Protection-Device (IC-CPD) ausgestattet. Dieses Gerät beinhaltet eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (FI), kommuniziert mit dem Fahrzeug und steuert so den Ladevorgang.

 Lademodus 3, Fall A

Im Modus 3 wird das Fahrzeug an einer Ladestation oder Wallbox mit Wechselstrom geladen, in der der notwendige Fehlerstrom-Schutzschalter (FI) bereits integriert ist. Die Ladestation übernimmt die Kommunikation mit dem Fahrzeug. Das Fahrzeug kann einphasig mit bis zu 250 V oder dreiphasig mit bis zu 480 V und einem maximalen Ladestrom von bis zu 63 A geladen werden. Modus 3 wird unterteilt in drei Fälle:

In Fall A kommt ein fest am Fahrzeug angeschlossenes Ladekabel zum Einsatz. Es besitzt somit nur an einem Ende eine Steckvorrichtung: Den Infrastruktur-Ladestecker, der in die Ladesteckdose der Ladestation gesteckt wird. Fall A ist zwar normativ beschrieben, kommt in der heutigen Praxis jedoch kaum vor.

Lademodus 3, Fall B

In Fall B wird ein sogenanntes mobiles AC-Ladekabel benötigt, welches z. B. im Kofferraum mitgeführt wird. Es besitzt an beiden Enden eine Steckvorrichtung: Das eine Ende, der Fahrzeug-Ladestecker, wird in die Fahrzeug-Ladedose eingeführt. Das andere Ende, der Infrastruktur-Ladestecker, wird in die Ladesteckdose der Ladestation gesteckt. Fall B kommt hauptsächlich an öffentlichen Ladestationen zum Einsatz.

 Lademodus 3, Fall C

Fall C verhält sich umgekehrt zu Fall A, denn das Ladekabel ist hier fest an der Ladesäule angeschlossen. Am anderen Ende besitzt es eine Steckvorrichtung: Den Fahrzeug-Ladestecker, der in die Fahrzeug-Ladedose gesteckt wird. Fall C kommt sehr häufig im privaten Bereich zum Einsatz.

Lademodus 4

Dieser Modus beschreibt als einziger das DC-Laden an Schnellladestationen. Aufgrund der hohen Ladeströme von bis zu 500 A gelten erhöhte Sicherheitsanforderungen. Daher wird hier das Ladekabel immer fest an der Ladesäule angeschlossen. Eine steckbare Verbindung ist nur fahrzeugseitig vorgesehen – in Form des Fahrzeug-Ladesteckers, der in die Fahrzeug-Ladedose eingeführt wird. Eine Unterteilung des Modus 4 in drei Fälle (wie bei Modus 3) findet somit nicht statt. Erforderlich sind zudem eine Temperaturüberwachung der Leistungskontakte im Ladestecker sowie zusätzliche Schutzfunktionen in der Ladestation, wie z. B. eine Isolationsüberwachung.

Was ist das Combined Charging System, kurz CCS? Eine universelle Ladeschnittstelle zum AC- und DC-Laden

Gemeinsam mit führenden Automobilherstellern haben wir das Combined Charging System (CCS) entwickelt. Das Besondere ist die CCS-Ladedose im Fahrzeug, in die sowohl AC- als auch DC-Ladestecker passen. Das Elektrofahrzeug benötigt somit nur eine Ladeschnittstelle zum AC- und DC-Laden.

Die Ladestandards Typ 1 und Typ 2 folgen im Aufbau ihrer Steckgesichter dem CCS-Prinzip. Bereits 2013 wurde CCS Typ 2 durch die Europäische Kommission zum offiziellen Ladestandard für ganz Europa erklärt. Inzwischen hat sich unser Ziel, CCS als globalen Schnellladestandard zu etablieren, in weiten Teilen der Welt verwirklicht. Und es werden immer mehr Länder, in denen sich CCS durchsetzt.

Funktionsweise des Combined Charging System (CCS)

Welche Vorteile hat CCS in der Praxis?

  • Flexibles AC- und DC-Laden über nur eine Fahrzeug-Ladedose
  • Fahrzeughersteller sparen Bauteile, Platz und Kosten
  • Höchste Sicherheit dank Aktuatorverriegelung und Temperaturüberwachung
  • Hohe Akzeptanz und Verbreitung in weiten Teilen der Welt
Aktuatorverriegelung in der CCS-Ladedose

Verriegelung des Ladesteckers Für höchste Sicherheit beim Ladevorgang

Alle CCS-Ladedosen sind normativ mit einem elektromagnetischen Verriegelungsaktuator ausgestattet. Er verriegelt den Ladestecker während des Ladeprozesses seitlich bzw. direkt am Rasthaken im Steckgesicht.

Der Aktuatorbolzen ist darauf ausgelegt, hohen Auszugskräften standzuhalten. Ein Ziehen des Ladesteckers während des Ladevorgangs wird damit sicher verhindert.

PT1000-Temperatursensoren an den Leistungskontakten

Präzise Temperaturüberwachung Sicherer Schutz vor Überhitzungen

Zu einem sicheren Ladevorgang gehört auch die Überwachung der Temperatur im CCS-Ladesystem. Nach IEC 62196 darf die Erwärmung 105 °C nicht übersteigen. Temperaturabhängige Widerstandssensoren, z. B. Pt 1000, sorgen daher für eine schnelle und präzise Temperaturmessung an den DC-Leistungskontakten.

Die Temperaturwerte werden der Ladesteuerung über entsprechende Signalausgänge mitgeteilt. Kommt es zu einer Überhitzung, z. B. durch zu hohe Außentemperaturen oder Überlastung, kann die Ladesteuerung den Ladevorgang abbrechen bzw. die Ladeleistung herunterstufen.

Wie funktioniert eine Ladestation? Wie läuft der Ladevorgang ab? Auf was ist beim Engineering zu achten?

Heutige Ladestationen und Wallboxen müssen teils hohe Anforderungen an Verfügbarkeit, Sicherheit und Komfort erfüllen. Ein komplexer Aufbau aus zahlreichen Komponenten ist keine Seltenheit. Unsere Videos erklären anschaulich den Aufbau und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten und zeigen, wie man sämtliche Anforderungen an eine moderne und vernetzte Ladeinfrastruktur erfüllt.

Wie gelangt der Ladestrom ins Elektrofahrzeug?
Wie gelangt der Ladestrom ins Elektrofahrzeug? MovingImage

Wie kommt der Ladestrom ins E-Auto? Die Funktionseinheit Laden

  • Leistungselektronik
  • Leistungsschütz
  • Sicherung
  • Kühleinheit
  • Ladekabel
  • Infrastruktur-Ladesteckdose
  • Fahrzeug-Ladedose
Wie wird der Ladevorgang gesteuert und überwacht?
Wie wird der Ladevorgang gesteuert und überwacht? MovingImage

Wie wird der Ladevorgang gesteuert? Die Funktionseinheit Steuern und Überwachen

  • Ladesteuerung
  • Energiemessung
  • Fehlerstrommessung
  • Isolationsüberwachung
  • Temperaturmessung
Wie kommunizieren Ladestationen mit Nutzern usw.?
Wie kommunizieren Ladestationen mit Nutzern usw.? MovingImage

Wie kommunizieren Ladestationen? Die Funktionseinheit Vernetzen und Kommunizieren

  • Nutzerautorisierung über RFID
  • LED-Statusanzeige
  • Touch-Bedienung
  • Drahtlose Anbindung über Mobilfunk
  • Verdrahtete Anbindung über Ethernet
  • Ethernet-Überspannungsschutz
Wie werden teure Ausfälle bei Ladestationen vermieden?
Wie werden teure Ausfälle bei Ladestationen vermieden? MovingImage

Wie werden teure Ausfälle vermieden? Die Funktionseinheit Versorgen und Schützen

  • Stromversorgung
  • Überspannungsschutz
  • Geräteschutz
  • Lastenmessung
  • Energieüberwachung
Wie werden Ladestationen verdrahtet und installiert?
Wie werden Ladestationen verdrahtet und installiert? MovingImage

Wie erfolgen Verdrahtung und Installation? Die Funktionseinheit Verbinden

  • Kabeleinführung
  • Leistungsanschluss zur Einspeisung
  • Rangieren und Potenzialverteilung
  • Datenanbindung
  • Steckdose und USB-Anschluss zur Wartung

Glossar Fachbegriffe und Abkürzungen einfach erklärt

Jeder Geschäftsbereich entwickelt eine eigene Sprache und Terminologie, schon allein um neu entstandenen Technologien einen Namen zu geben. Hier finden Sie Erklärungen zu häufig verwendeten Begriffen und Abkürzungen im Bereich der Elektromobilität:

Fahrzeuge

  • EV: Electric Vehicle: Sammelbegriff für alle komplett oder teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeuge.
  • BEV: Battery Electric Vehicle: Rein elektrisch betriebenes Fahrzeug, dessen Antriebsenergie in chemischer Form in Batterien gespeichert wird.
  • HEV: Hybrid Electric Vehicle: Fahrzeug, das sowohl über einen Verbrennungsmotor als auch über einen batterieelektrischen Antrieb verfügt.
  • PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle: Wie HEV, jedoch kann die Batterie zusätzlich extern über einen Ladestecker geladen werden (Plug-in).

Ladestecker und -dosen

  • Inlet: Ladesteckdose im Elektrofahrzeug, in die der Fahrzeug-Ladestecker gesteckt wird. Auch Fahrzeug-Ladedose genannt.
  • Connector: Ladestecker, der in die Ladesteckdose des Elektrofahrzeugs gesteckt wird. Auch Fahrzeug-Ladestecker genannt.
  • Plug: Ladestecker, der in die Ladesteckdose der Ladestation gesteckt wird. Auch Infrastruktur-Ladestecker genannt.
  • Socket Outlet: Ladesteckdose in der Ladestation, an die ein Fahrzeug über ein mobiles AC-Ladekabel angeschlossen und nach Lademodus 3, Fall B, geladen wird. Auch Infrastruktur-Ladesteckdose genannt.

Ladearten und -standards

  • AC-Laden: Laden mit ein- oder dreiphasigem Wechselstrom (Lademodus 1, 2 oder 3).
  • DC-Laden: Laden mit Gleichstrom (Lademodus 4).
  • CCS: Combined Charging System: Ladestecksystem für Typ 1 und Typ 2, bei dem sowohl AC-Laden als auch DC-Laden mit nur einer Fahrzeug-Ladedose möglich ist.
  • Combo: Veraltete Bezeichnung für CCS.
  • Typ 1: Ladestecker-Geometrie für Nordamerika und weitere Regionen, beschrieben in den Normen SAE J1772 und IEC 62196-3.
  • Typ 2: Ladestecker-Geometrie für Europa und weitere Regionen, beschrieben in der Norm IEC 62196-3.
  • GB/T: Nationale chinesische Normen. Die Norm GB/T 20234 beschreibt die Ladestecker-Geometrie für China.
  • HPC: High Power Charging, auch Ultraschnellladen: DC-Laden mit Leistungen ab 150 kW. Aktuell sind flüssigkeitsgekühlt mit CCS Typ 1 und CCS Typ 2 bis zu 500 kW möglich.
  • MCS: Megawatt Charging System: In Entwicklung befindlicher Ladestandard zum DC-Laden von Nutzfahrzeugen mit Leistungen von 1 bis 4,5 MW.
  • V2G: Vehicle-to-Grid, Form des bidirektionalen Ladens: Das Fahrzeug kann nicht nur aus dem Versorgungsnetz geladen werden, sondern bei Bedarf auch Energie zurück ins Netz speisen.
  • V2H: Vehicle-to-Home: Wie V2G, jedoch dient das Fahrzeug als Hausbatterie. Seine abgegebene Energie fließt nicht zurück in Netz, sondern dient dazu, die Autarkie (Selbstversorgung) des Eigenheims zu maximieren.

Ladeinfrastruktur

  • Ladepunkt: Möglichkeit zum Anschluss und Laden eines Fahrzeugs. Eine Ladestation besitzt einen oder mehrere Ladepunkte.
  • Ladesystem: Zusammenspiel aller technischen Komponenten innerhalb einer Ladestation (Elektromechanik, Elektronik, Software), die zum Laden eines Fahrzeugs benötigt werden.
  • Wallbox: Ladesystem zur Wandmontage im herstellerspezifischen Design und Gehäuse. Auch Wandladestation genannt. Meist zum privaten AC-Laden im Heimbereich mit bis zu 11 oder 22 kW, zum Beispiel in der Garage oder im Carport. Zunehmend auch zum privaten DC-Laden im Zusammenspiel mit einer Photovoltaikanlage.
  • Ladestation/Ladesäule: Einzeln stehendes Ladesystem im herstellerspezifischen Design und Gehäuse. Meist zum öffentlichen oder halböffentlichen AC- und/oder DC-Laden inkl. Abrechnungssystem, zum Beispiel in Parkhäusern, an Hotels oder Supermärkten.
  • EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment: Siehe Wallbox und Ladestation.
  • Ladepark: Verbund mehrerer öffentlicher oder halböffentlicher Ladestationen, zum Beispiel an Autobahn-Raststätten, auf Parkplätzen oder in Parkhäusern.
  • CPO: Charging Point Operator: Das Unternehmen bzw. die juristische Person, die einzelne Ladepunkte oder Ladeparks betreibt und die geladene Energie den Fahrzeugnutzern in Rechnung stellt.

Kommunikation und Steuerung

  • CP: Control Pilot: Signalkontakt bzw. Signalleitung im Typ-1-, Typ-2- und GB/T-Ladekabel. Dient zur Übertragung von Steuerungsinformationen zwischen Ladestation und Fahrzeug.
  • PP: Proximity Pilot: Signalkontakt bzw. Signalleitung im Typ-2-Ladekabel. Liefert an das Fahrzeug die Information, dass eine Ladung mit einem bestimmten Ladestrom stattfindet, sodass die Wegfahrsperre aktiviert wird.
  • CC: Connection Confirmation: Signalkontakt bzw. Signalleitung im GB/T-Ladekabel. Liefert an das Fahrzeug die Information, dass eine Ladung mit einem bestimmten Ladestrom stattfindet, sodass die Wegfahrsperre aktiviert wird.
  • CS: Connection Switch: Signalkontakt bzw. Signalleitung im Typ-1-Ladekabel. Meldet der Ladestation, wenn der Verriegelungshebel am Ladestecker betätigt wurde, sodass diese den Ladestrom unterbricht.
  • IC-CPD: In-Cable-Control-and-Protection-Device: Eine in das Ladekabel integrierte Steuer- und Schutzeinrichtung. Ermöglicht das einphasige AC-Laden nach Lademodus 2 an Haushaltssteckdosen mit Leistungen von bis zu 3,6 kW.
  • Backend: Ermöglicht dem CPO softwareseitig den Betrieb seiner Ladepunkte. Es umfasst die Nutzerverwaltung, die Zahlungsabwicklung (meist über einen dritten Dienstleister oder Roaming-Anbieter) sowie ein technisches Monitoring der Ladepunkte über eine Cloud.
  • OCPP: Open Charge Point Protocol: Dient der Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Backend.