Ladetechnik

Dass der Typ-2-Stecker nicht viel mehr als ein groß dimensionierter 380V Stecker mit zwei Steuerleitungen ist, finden Sie sehr schnell heraus. Aber was macht die Wallbox eigentlich so teuer. Also habe ich etwas gestöbert und bin auf ein sehr einfaches Protokoll gestoßen, was die Entwickler vor nicht allzu langer Zeit definiert haben. Es bleibt nach meiner Ansicht hinter den Möglichkeiten zurück und steuert im wesentlichen nur die Stromstärken. Alle Dinge um z.B. Abrechnungsinformationen oder eine Identifizierung vorzunehmen, sind nicht enthalten. Es ist natürlich denkbar, auf die Steuerleitungen auch noch Daten zu modulieren. Aber lesen sie selbst.

Im Jahr 2021 gibt es das recht interessante KWF 440 Förderprogramm. Siehe auch 900€ Wallbox

Type 2 Laden und Handshake

Für meinen BMW 225xe macht ein 11kW oder 22kW Anschluss wenig Sinn, da er ehr nur einphasig mit maximal 16A ( 3,7 kWh) geladen werden kann. Aber es gibt ja auch andere Fahrzeuge und andere Anschlüsse. Daher musste ein Protokoll her, um eine Kommunikation zwischen Ladestation und Auto zu ermöglichen. Erwarten Sie nicht zu viel, denn zuerst gab es nur folgende Aufgaben.

  • Ich bin ein Auto
    Damit nicht jemand einfach mit einem Drahtbügel etwas signalisiert, muss das Auto der Wallbox bescheid geben, das es ein Auto ist.
  • Maximale Liefermenge
    Die Wallbox muss dem Auto sagen, wie viel Energie es beziehen darf ohne das die Ladestruktur oder Sicherung überlastet wird. Nicht jede Wallbox kann 22kW liefern und letztlich bestimmte das Auto, wie viel Strom es abnimmt. Wenn es sich nicht an die Obergrenzen der Wallbox halten würde, dann fliegt eben die Sicherung raus. Das Auto ist also schon selbst daran interessiert, sich an Regeln zu halten und den Ladepunkt nicht zu überfordern.
    Die Wallbox nutzt eine 12V Wechselspannung mit Puslweitenmodulation, um dem Auto die maximale Ladeleistung kontinuierlich zu melden
  • Steuerung und Verteilung
    Über die "Obergrenze" kann eine Wallbox ein Auto auch anweisen, weniger zu laden. Dies ermöglicht dann einfache Lastverteilungen, wenn mehrere Wallboxen nebeneinander mehrere Autos laden oder sie eine Kopplung mit Nachtstrom oder Solarzelle planen.
  • Kabelmanagement/Schutz
    Wenn eine Wallbox 22kWH (3x32A) liefern kann und das Auto auch 3x32A abnimmt, dann heißt das aber nimmer noch nicht, dass das vom Besitzer mitgebrachte Verbindungskabel auch 3x32A übertragen kann. Über einfache ohmsche Widerstände meldet das Fahrzeug seinen Status an die Wallbox zurück

Das war es aber und wer also gedacht hat, das zwischen Auto und Wallbox nun ein höherwertiges Protokoll (ModBus, Ethernet, I2C o.a.) zum Einsatz kommt, hat sich getäuscht. Erst mit Gleichstromladung ist eine leistungsfähigere Kommunikation vorgesehen. Ein Auto als "Energiespeicher im Grid" wird über Type2-Anschlüsse nicht funktionieren.

Auf Wikipedia ist gut die Funktion der Ladeeinheit beschrieben. Das Fahrzeug ist maßgeblich für die Ladesteuerung und die Versorgungseinheit muss nur das Auto erkennen und ihm den maximal lieferbaren Strom mitteilen und einzuschalten.

Wallbox

Zwischen Pilotkontakt CP und dem Schutzleiter PE legt die Ladestation über einen 1-kΩ-Widerstand eine 1-kHz-Rechteckspannung an (Signalbereich ±12 V ±0,4 V). Per PWM des Rechtecksignals gibt die Wallbox die Maximalleistung vor:

PWM Maximalstrom Maximale Ladeleistung 1-phasig Maximale Ladeleistung 3-phasig

16%

Max 10A pro Phase

2kW/h

6 kW/h

25%

Max 15A pro Phase

3,7kW/h

11 kW/h

50%

Max 30A pro Phase

7,4kW/h

22 kW/h

Es gibt noch weitere Abstufungen. Siehe dazu https://de.wikipedia.org/wiki/IEC_62196_Typ_2

Auto

Der Stromkreis zwischen CP und PE wird durch einen Widerstand, der mit einer Diode in Serie geschaltet ist, geschlossen. Die Diode schließt eine Halbwele kurz woran die Wallbox das Auto erkennt. Über den Widerstand signalisiert das Auto seinen Status:

Widerstand Bedeutung

2700 Ohm

Mode-3-kompatibles Fahrzeug gemeldet („vehicle detected“), das aber noch keine Ladung abfordert. Die Ladeleitungen sind hier noch Spannungsfrei. Der Schütz ist nicht angezogen

880 Ohm

Fahrzeug ist bereit für einen Ladestrom („ready“). Die Ladestation soll den Schütz anziehen, damit geladen werden kann.

240 Ohm

Das Fahrzeug fordert eine Lüftung an („with ventilation“). Das ist in Innenräumen wichtig, wenn die Batterien warm werden und das Fahrzeug einen Lüfter einschaltet. Würde dann die warme Luft nicht aus dem Raum weg befördert, könnte es zu einer Überhitzung kommen. Im Außenbereich macht das kaum einen Unterschied und das Auto bricht bei Überhitzung eh ab. Im Innenbereich ohne Lüftung kann die Ladestation dann aber die Energiezufuhr abbrechen. Wen eine Lüftung vorhanden ist, kann die Ladestation diese dann aktivieren.

Kabelschutz

Über einen Widerstand zwischen PE und PP-Anschluss wird dem Auto mitgeteilt, welchen Querschnitt die Verbindungsleitung zwischen Wallbox und Auto hat.

Widerstand Max Stromstärke min Kabelquerschnitt

1500

13

1,5mm²

680

20

2,5mm²

220

32

6mm²

So soll eine Überlastung der Leitung verhindert werden, denn die Wallbox mit einer Buchse kann diese Information nicht an das Auto liefern. Der Querschnitt ist nur das letzte Stück (freies Anschlusskabel) zum Auto aber die Zuleitungen sollten dicker sein. (Abwärme/Leitungsverluste). Kabel "verlängern" ist nicht erlaubt, da dann immer nur das letzte Kabel entscheiden.

Nun wissen Sie natürlich auch, wie einfach Sie mit einem passenden Stecker und einem 880Ohm-Widerstand die Ladefunktion einschalten könnten und Strom beziehen könnten. Ein Typ2-Stecker/Kupplung mit einer 1N4007 Diode und ein 880Ohm Widerstand zwischen PE und CP melden ein Auto und eine CEE16-Kupplung könnte dann 3x16A bereitstellen.

Wallbox im Eigenbau?

In der Anfangszeit der Elektromobilität waren Wallboxen noch sündhaft teuer und so war schon die Überlegung, ob die Signalisierung nicht im Eigenbau möglich ist.

Bitte verstehen Sie diese Informationen nicht als Anleitung zum Eigenbau. Mittlerweile kosten professionelle Ladeboxen mit Gehäuse, Stecker, Kabel und Fehlerstromschutzschaltungen unter 500€ und rechtfertigen keine Basteleien.

Im Prinzip könnte das PWM-codierte Rechtecksignal schon ein billiger NE555 oder Mikroprozessor (Arduino Plattform, ESP8266) liefern, der mit einem MAX232 daraus +/-12Volt macht. Über den Analogeingang des Mikroprozessors misst man per Spannungsteiler den Schleifenstrom um bei einem erkannten Fahrzeug die Ladefunktion über einen Schütz durchzuschalten. Dann fehlt nur noch ein Gehäuse, in dem noch der Schütz, Sicherungen und ein FI unterkommen sollten. Dran angeschlossen wird dann natürlich noch eine Type2-Buchse oder gleich ein flexibles Kabel mit passendem Stecker. Wobei der Stecker je nach Quelle schon 50-140€ kostet, obwohl es nicht viel mehr als ein erweiterter CE32A-Steker ist, den es im Baumarkt für unter 10€ gibt. Für etwaige Fernsteuerungen wäre dann noch WLAN oder Bluetooth denkbar. Es gibt sogar schon Bausätze verschiedener Anbieter.

Wer immer noch selbst bauen will, kann natürlich hier anfangen

Kabelquerschnitte

Die Ladebox muss natürlich eine Zuleitung haben. Hier zeigt sich bei mir wieder, dass ich mein Haus wenige Jahre zu früh gebaut habe. Natürlich habe ich dem Elektriker gesagt, er möge bitte in die Garage und den Carport eigene Leitungen für eventuelle E-Fahrzeuge legen. Heraus gekommen ist dann 5x2,5qm statt 5x 1,5qm. Da kann man ja eine 32A Kraft-Steckdose anschließen und das wird ja wohl reichen. Ich hatte mich zu dem Zeitpunkt auch noch nicht schlau gemacht und darauf vertraut. Heute bin ich schlauer, denn die Elektrik ist nun mal Physik und Kupferleiter haben einen geringen Wiederstand aber der bei hohen Stromstärken immer mehr Gewicht bekommt.

Elektro-Autos, die schon über den Type 2 Stecker bis zu 22kW beziehen können, sind durchaus eine Belastung für das Stromnetz. Das betrifft sowohl das Neubaugebiet, in dem viele Autos abends dann angeschlossen werden aber auch die Tiefgarage und Parkplätze mit vielen Ladestationen. Um Überlastungen zu verhindern, muss die Ladeleistung begrenzt werden können. Selbst im Eigenheim gibt es da Dinge zu beachten, z.B.

Laut VDE darf der Spannungsabfall innerhalb der Hausinstallation nicht mehr als 3% betragen

Die Verluste sind durchaus nennenswert. auf http://www.egonraich.it/Rechnen/Rechner.aspx habe ich einen Rechner gefunden. Wenn ich 380V mit 32A und 15m Zuleitung ansetze, dann wird ein Querschnitt von "nur" 1mm² pro Leiter angesetzt.

Das ist aber deutlich zu wenig, denn bei den maximal erlaubten 3% "Verlust" fallen 3% von 22KW oder 660W "Verlust" an, den die Leitung als Abwärme ins Erdreich abgibt. Dickere Leitungen sind hier durchaus interessant. 1% Verlust sind immer noch 220W aber erfordern schon 3mm² Querschnitt. Der Unterschied besteht in der Dauerlast. Die meisten 380V-Verbraucher im Heimbereich sind nur kurzzeitig aktiv und nutzen selten die volle Leistung. Beim Elektro-Auto sind das aber aber schon Kosten. Wenn Sie nämlich 220W Verlust auf 15 Meter zulassen, dann sind das 14W pro Meter. Wissen Sie in Zeiten von LED-Leuchten noch, wie warm eine 14-Watt-Glühbirne geworden ist? Dann müssen Sie noch beachten, ob das Kabel "frei", im Rohr oder direkt im Erdreich/Beton liegt oder noch andere Kabel "daneben" liefen. Wenn das noch nicht als Argumentation reicht, dann schauen Sie sich mal die Kostenrechnung an, denn Abwärme kosten natürlich auch Geld.

Mein BMW-Hybrid braucht ca. 16kW/100km. Nehmen wir mal an, dass ihr E-Auto 20 kWh/100km braucht und 100km pro Tag fährt. Dann wird er in ca. 1h mit 22kW laden. Mit einer 3mm²-Leitung gehen 220Wh pro Tag verloren, was sich bei 25ct/kWh auf 4ct/Tag oder 14€/Jahr addiert. Mit einer 1mm² Leitung wären es schon 42€/Jahr für "Kabelabwärme". Da rechnet sich schnell kann man schon mal ein etwas dickeres Kabel legen.

Zu geringe Querschnitte kosten aber nicht nur Geld, sondern sorgen auch für "warme Kabel". Ein Kabelbrand wollen Sie sicher nicht riskieren. Wenn sie dann noch dran denken, dass ein um die Ecke verlegtes Kabel gedehnt und damit der Querschnitt reduziert wurde und die Klemmstellen natürlich auch einen Übergangswiderstand haben, dann gibt es hier schon jede Menge Fallstricke, die nach dem Elektriker mit Abschluss rufen.

Denken Sie dabei aber auch an entsprechende Absicherungen mit einem Fehlerstromschutzschalter als auch einem Leitungsschutzschalte (landläuft als "Sicherung" bezeichnet). Letztere soll nicht nur verhindern, dass bei einem Kurzschluss oder Überlastung das Endgerät Schaden nimmt sondern primär die Zuleitung schützen. der Der "FI" hingegen erkennt Ströme, die nicht den geplanten Weg laufen.

„Zum vorbeugenden Brandschutz müssen selektive Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) mit einem Bemessungsdifferenzstrom nicht größer als 300 mA am Anfang des zu schützenden Stromkreises errichtet werden. Verfügt eine Wallbox bereits über integrierte Schutzorgane, muss der Brandschutz je nach Wallboxtyp durch einen selektiven Fehlerstromschutzschalter vom Typ A oder Typ B realisiert werden.“
Quelle: VDE 0100-722 DIN VDE 0100-722: Normenkonforme Installation von EV-Ladestationen https://www.voltimum.de/artikel/din-vde-0100-722-normenkonforme 

Anders sieht die Rechnung bei einem kleinen Hybrid-Fahrzeug aus, welches einphasig mit 2kW 2-3h geladen wird.

Die notwendige Ladeleistung ist natürlich immer abhängig von der Batteriegröße und der verfügbaren Zeit. Ein E-Auto, welches 15-25kWh/100km braucht, kann mit einem 22kW Anschluss auch in 2h schon wieder 200km nachladen. Das reicht natürlich nicht für den schnellen Tankstopp an der Autobahnraststätte. Wenn Sie da 500km Stecker erreichen will, und 15Min für einen Kaffee und etwas Bewegung akzeptieren, dann sind das selbst bei sparsamen 20kWh/100km immer noch 100kW, die in 15Min reinlaufen müssen. Da sieht man aber auch die Grenzen des E-Autos und der Akkus. Hier würden dann Wechselakkus oder alternative Antriebe sinnvoller sein. Oder das ist die Zeit für kombinierte Mobilitätslösungen, d.h. Flugzeug und Bahn fahren und vor Ort Taxi oder Mietwagen. Da reichen dann auch wieder E-Autos.

Diese grundlegenden Themen gelten natürlich für jede Art von Energieübertragung auf Leitungen, die nicht nur kurzfristig anstehen. Je mehr und länger Energie bertragen werden soll, desto genauer ist der Leitungsverlust in die Berechnung mit aufzunehmen.

Ladesteuerung und Energiemanagement

Die Leitungsverluste gelten aber nicht nur in den eigenen vier Wänden. Auch die Energieversorger müssen diesbezüglich mithalten und ihre Querschnitte müssen die zunehmende Zahl der E-Autos unterstützen. Die meisten Eigenheime haben meist 63A Hauptsicherungen, so ein 22kW-Lader mit 3x32A schon 50% auslastet. Kein Energieversorger wird in der Vergangenheit ein Baugebiet auf 50% Dauerlast pro Haus ausgelegt habe, wenn abends alle Autos geladen werden wollen.

Bei Wärmepumpen fördern Energieversorger den Einbau von Zweitarif-Zählern. Ich hätte kein Problem damit, mein Auto über "Nachtstrom" günstiger zu laden. Auf der anderen Seite gibt es viele Solarzellen und Windräder, die tagsüber viel Energie einspeisen können. Gerade im Eigenheit könnte es interessat sein, den selbst produzierten Solarstrom ins Auto zu schicken, Zumindest wenn das Auto Tagsüber auch da ist.

Aber auch hier frage ich mich, ob die Politik das nicht verstehen will oder kann. Das Stromnetz ist eine riesige Cloud in der permanent Energie durch Kraftwerke aber auch Windrädern und Solaranlagen eingespeist wird und Abnehmer für die die Energie bezahlen. Natürlich gibt es ein Ungleichgewicht, dass Windparks an der Nordsee mehr Strom liefern als vor Ort gebraucht wird und daher eine Umverteilung nach Süden erfolgen muss. Vielleicht brauchen wir zukünftig noch eine Umverteilung aus den sonnenreichen Ländern nach Norden. Aber die meiste Energie wird doch noch vor Ort verbraucht. Ich kann mir nicht vorstellen, dass die eingespeiste Energie der Solaranlage über den Baugebietstransformator hinaus kommt.

Dennoch gibt es immer mehr Angebote für ein "internes Energiemanagement". Es ist ein hohe Ziel diesen Lokalverbrauch zu fördern. Aber muss jedes Eigenheim mit einem komplexen System aus vier Komponenten aufgebaut werden?

  • Solarzellen zur eigenen Stromerzeugung
    Die erzeugen leider nur tagsüber Energie und dann auch nur bedingt vorhersehbar. Aber sie ist gut abzuregeln, wenn es keinen Verbraucher gäbe. Was dann aber eine Verschwendung von "Eh da" Energie wäre.
  • Auto als steuerbarer Energieabnehmer
    Das Auto könnte tagsüber überschüssige Energie aufnehmen, bis der Akku voll ist und z.B. Nachts zumindest zum Teil abgeben. Auch tagsüber könnte die Fahrzeugbatterie die Verbrauchsspitzen abfedern, die über der momentanen Solarleistung liegt.
  • Wärmepumpe/Heizung
    Dieses System kann ebenfalls überflüssige Energiemengen z.B. dazu nutzen, Warmwasser aufzuheizen und damit die Einspeisung zugunsten dem Eigenverbrauch zu reduzieren.
  • Batteriespeicher
    Versprochen wird, dass durch die Speicherung von übermengen am Tag der Eigenverbrauch durch die Abgabe in der Nacht erhöht wird. Ich bin aber skeptisch, ob sich das wirklich rechnet.

Das System funktioniert aber nur so gut, wie die Komponenten miteinander sprechen. Die Solaranlage darf nur liefern, wenn es auch einen Abnehmer gibt und die Abnehmer dürfen nicht mehr "saugen", als die Erzeugung hergibt. Die Pufferung in Akkus ist neben den Anschaffungskosten und dem Ressourcenverbrauch auch immer mit einem Verlust behaftet. Der Ansatz ist lobenswert aber noch lange nicht ausgereift.

Für den Anfang würde es ja schon mal reichen, wenn das Auto tagsüber nicht mehr Strom zum Laden bezieht, als durch die Einspeisung des Wechselrichters übrig bleibt. Dazu braucht es aber eine Wallbox, die den Ladestrom vorgeben kann.

Strom speichern oder Strom-Cloud

Es gibt aber schon Angebote von Firmen, die eine "Energie-Cloud" versprechen, in die ich meinen nicht selbst verbrauchten Strom "speichern" könnte um ihn später wieder zurückzuladen. Quasi ein "Hosted Speicher". Wir wissen natürlich alle, dass da kein Speicher in der Cloud dahinter steht, sondern meine eingespeiste Energiemenge direkt verbraucht wird und der später wieder entnommene Strom von anderen Quellen stammt. Heute speise ich für 12ct ein und kaufe für 25ct zurück Mit so eine Cloud soll ich pro Monat 30-40€ "Grundgebühr" bezahlen, damit ich meinen Strom neutral einspeise und beziehe. Rechnen wir mal nach:

Ich speise pro Jahr ca. 3MWh für 12ct ein, was mit ca. 360€ einbringt. Bekomme ich die 3MWh nun für 12Ct statt 25ct auch wieder zurück, dann spare ich 13ct oder 390€ ein. "Leider" kostet die Grundgebühr auch wieder genau diesen Betrag pro Jahr kann. Natürlich erwartet der "Cloud Speicher Anbieter", dass ich meine drüber hinaus bezogene Energie auch bei ihm einkaufe. Die Preise sind oft höher.

Inwieweit das Finanzamt hier noch mitspielt, kann ich nicht sagen. Schließlich muss ich die 12ct Einspeisevergütung mit Mehrwertsteuer versehen und abführen, während ich beim Zurückholen sicher keine Vorsteuer abziehen darf. Vielleiht wird der Strom aus steuerlicher Sicht auch gar nicht verkauft.

Lokale Batterien können also dabei helfen, den Eigenverbrauch zu erhöhen aber ein E-Auto als "Grid-Speicher" sehe ich noch in weiter Zukunft. Dazu müsste das Auto ja über die Ladebuchse auch Energie abgeben können und die Wallbox das erlauben. Wenn ich sehen was bei Typ-2 als "Signalprotokoll definiert wurde, wird das so schnell auch nichts mehr werden."

Weitere Links

ZDF Doku - Stromnetz am Limit durch Elektroautos?
https://www.youtube.com/watch?v=585lI7yp1_U
Verschiedene Aspekte beim Laden. Interessant ist E-Mobilität aus meiner Sicht aber für die Kurzstrecke. Und da muss man keine 50+kWh laden. Siehe auch BMW 225xe Erfahrungsbericht. Wenn ich den Strom aus meinen eigenen Solarzellen für 12ct statt der 25ct an mich selbst verkaufen könnte, dann würde sich auch das Risiko eines Batteriespeicher reduzieren und das Stromnetz entlasten. Die Randbedingungen gibt hier aber die Politik vor.

ZDF HD planet e Der wahre Preis der Elektroautos
https://www.youtube.com/watch?v=b0kN81HW8t8
Zeigt die "Gewinnung" von Lithium/Kobalt und deren negative Auswirkungen auf die Umwelt.