Stabilität und Sicherheit mit Elektrofahrzeugen im Smart Grid

Die gesunden Märkte für aufladbare Hybrid- und Akku-Elektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEVs; Battery Electric Vehicles, BEVs) könnten die Umweltbelastung durch Auspuffemissionen signifikant reduzieren, ohne dass die mit dem Individualverkehr verbundenen Freiheiten geopfert werden müssten. Die Gesetzgeber der EU gehören zu den enthusiastischsten Verfechtern eines Wechsels zu saubereren Fahrzeugen, und einige europäische Länder haben bereits die Absicht signalisiert, den Verkauf von neuen Pkw und Transportern mit konventionellen Verbrennungsmotoren ab 2040 zu verbieten.

Die Fahrzeughersteller können die Marktakzeptanz stimulieren, indem sie PHEVs und BEVs so benutzerfreundlich wie möglich machen. Dazu gehört, das Laden so einfach und sicher wie das Laden eines Mobiltelefons zu gestalten. Die Standardisierung der physischen Ladeverbindung kann dabei hilfreich sein, obwohl derzeit drei Typen im internationalen Standard IEC 62196-2 spezifiziert sind. Dazu gehört der SAE J1772-Stecker (US Society of Automotive Engineers), der in den USA weit verbreitet ist und in IEC 62196-2 als Typ-1-Stecker definiert ist. Viele europäische Länder bevorzugen den IEC-Typ-2-Stecker (mit oder ohne einen von manchen Ländern geforderten Eindringschutz), der beim Laden eine Leistung von bis zu 43,5 kW unterstützt und mit den europäischen Dreiphasen-Wechselstromanschlüssen für Schnellladestationen sowie mit normalen Einphasen-Ladestationen kompatibel ist.

Beide Schnittstellentypen verfügen über Sicherheitsmerkmale, die dafür sorgen, dass nur dann Energie fließt, wenn der Stecker fest eingesteckt ist, um den Anwender vor einem Stromschlag zu schützen, wenn der Stecker vor dem Ende des Ladezyklus getrennt werden sollte.

Schritt 1: Einfaches und sicheres Laden

Die Spezifikation J1772 und der globale Standard IEC 61851-1 für elektrische Schnittstellen für das Laden von Elektrofahrzeugen legen grundlegende elektrische Signale über eine Pilotverbindung zwischen dem Ladepunkt – auch als EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) bezeichnet – und der Elektronik des On-Board-Ladegeräts (On-Bard Charger, OBC) des Fahrzeugs fest. Diese Interaktionen bestätigen die Verbindung und handeln die Energieübertragung nach Kriterien wie verfügbarer Belüftung zum Schutz vor möglichen Gefahren, z. B. Überhitzung, aus.

Die Kommunikation basiert auf einem pulsweitenmodulierten (PWM) 1-kHz-/±12-V-Pilotsignal. Das EVSE generiert das 12-V-Signal. Wenn der Ladestecker ordnungsgemäß sitzt, generiert das Elektrofahrzeug einen Lastwiderstand, der die Spannung auf 9 V herunterzieht. Das EVSE legt dann PWM an und justiert das Tastverhältnis, um seine Ausgangsstromstärke anzuzeigen. Dabei handelt es sich um den maximalen Ladestrom, den das Fahrzeug beziehen darf. Gleichzeitig schließt das EVSE seine Ausgangsrelais, damit das Laden beginnen kann. In diesem Moment generiert das Fahrzeug einen niedrigeren Widerstand auf der Pilotsignalleitung, reduziert damit die Spannung auf 6 V und teilt hierdurch mit, dass der Ladevorgang läuft. Abbildung 1 zeigt die Signalspannungen für die verschiedenen Ladezustände des Fahrzeugs. Zustand D – wenn die Spannung auf 3 V sinkt – gibt an, dass eine ausreichende Belüftung für eine Schnellladung mit der maximal möglichen Leistung verfügbar ist.

Abbildung 1: Das zu ladende Elektrofahrzeug zeigt seinen Status an, indem es mehrere Lastwiderstände auf der Pilotsignalleitung generiert.

Da die Schnittstelle J1772 nicht erkennt, wenn das Fahrzeug vollständig aufgeladen ist, wird der Ladevorgang beendet, wenn das Kabel abgezogen wird. Sobald dies geschieht, kehrt die Spannung des Pilotsignals auf 12 V zurück, und das EVSE schaltet den Ausgang ab, um den Stromfluss zu unterbrechen.

Referenzdesign für die J1772-Schnittstelle

Texas Instruments hat ein Referenzdesign für eine J1772-konforme EVSE entwickelt, das Merkmale des Mikrocontrollers MSP430F6736 zur Erleichterung der Steuerung und Überwachung der Pilotsignalleitung einsetzt. Dazu gehört ein hochgenaues Timer-Modul, das das PWM-Signal für das erforderliche Tastverhältnis generiert, sowie ein ADW (Analog/Digital-Wandler) mit SAR (Successive Approximation Register) zum Auslesen der Antwort des Fahrzeugs auf der Pilotleitung. Da die Nennstromstärke des EVSE im Wesentlichen durch die Nennwerte der Komponenten bestimmt wird – z. B. des Ausgangsrelais, der Kabel und der Steckverbinder –, kann der Wert normalerweise in der Firmware festgelegt werden, um den Timer-Schaltkreis zu steuern.

Zur Übertragung des Pilotsignals über mehrere Meter Kabel und über den vom Fahrzeug nach einer Verbindung generierten Lastwiderstand wird im Referenzdesign der Operationsverstärker OPA171 mit seinem breiten Eingangsspannungsbereich von ±18 V, seinem Rail-to-Rail-Ausgang und seiner Nennstromstärke von 475 mA eingesetzt. Der Mikrocontroller MSP430 überwacht den Ausgang des OPA171 über einen Spannungsteiler, um den vom Fahrzeug generierten Lastwiderstand zu erkennen.

Wie die Abbildung 2 zeigt, sind im Referenzdesign alle elektrischen Funktionen der J1772-Ladeschnittstelle implementiert. Dazu gehören ein Energiemanagement zur Generierung von ±12 V_DC und der Logikversorgung von 3,3 V von der Wechselstromhauptleitung und ein Low-Side-Treiber TPL7407L, der ein zweistufiges Ausgangsrelais steuert. Im Design wird auch das Interrupt-fähige GPIO-Pin (General Purpose Input/Output) des MSP430F6736 eingesetzt, das zum Schutz vor gefährlichen Masse-Fehlströmen über einen Verstärker LM7321 mit einem Stromwandler verbunden ist. Dank dieses Interrupt-fähigen Pins ist das System in der Lage, schneller zu reagieren, als es mit einer Überwachung des Stromwandlerausgangs mit einem ADW möglich wäre.

Darüber hinaus werden die Delta-Sigma-(ΔΣ)-ADW des Mikrocontrollers zur Integration der Leistungsmessung verwendet, für die ein vorhandenes und bewährtes Referenzdesign eines Einphasen-Haushaltsstromzählers verwendet wird.

Abbildung 2: Im Referenzdesign von TI sind alle für ein J1772-konformes Ladegerät für Elektrofahrzeuge benötigten Funktionen implementiert.

Schritt 2: Anschließen von Elektrofahrzeugen an das Smart Grid

Die Standardisierung der Ladeschnittstelle entsprechend Spezifikationen wie J1772 und IEC 61851-1, um das Laden einfach und sicher zu machen, kann viel zu einer zunehmenden Nutzung von Elektrofahrzeugen beitragen. Je größer die Anzahl der täglich genutzten derartigen jedoch Fahrzeuge wird, desto höher wird auch die Belastung des Stromnetzes, wenn diese Fahrzeuge an die Ladesteckdose gehen. Wenn das Laden intelligent verwaltet wird, könnten PHEVs/ und BEVs auf der anderen Seite Programme unterstützen, die auf die Nachfrage aktiv reagieren, um übermäßige Spitzenlasten zu vermeiden, und sogar als Speicher für überschüssige erneuerbare Energie eingesetzt werden. In Abbildung 3 werden die Verhandlungen veranschaulicht, die zwischen dem Fahrzeug und dem Ladepunkt stattfinden könnten, um eine Kommunikation mit Netzverwaltungssystemen zu führen, über die die Kapazitäten und Tarife bestimmt werden.

Abbildung 3: Die ausgeklügelte Kommunikation zwischen dem Fahrzeug, dem intelligenten Ladegerät und dem Netz kann dafür sorgen, dass das Laden rechtzeitig beendet und die Stabilität des Netzes erhalten wird. Präsentation von Christoph Saalfeld, Daimler AG, Vector Congress 2010.

Darüber hinaus ermöglicht eine intelligente Verwaltung des Ladevorgangs zusätzliche Mehrwertdienste, z. B. den Einsatz von Cloud-basierten Algorithmen für maschinelles Lernen zur Berechnung der effizientesten Route für die nächste Fahrt oder die Voraussage des Verbrauchs. Diese Fähigkeiten bieten einen Mehrwert für die Besitzer von Fahrzeugen und ermöglichen den Versorgungsunternehmen, die Stabilität und die Verfügbarkeit des Netzes zu verbessern. Weitere Dienste, die angeboten werden können, sind z. B. eine dynamische Abrechnung, sodass die Besitzer von Elektrofahrzeugen Abrechnungen zu jedem Zeitpunkt erhalten können, an dem sie ihr Fahrzeug zu Hause oder an öffentlichen Ladestationen, am Arbeitsplatz oder auf dem Grundstück eines Freundes oder Familienmitglieds laden.

Um diese Art von Funktionen und Diensten zu ermöglichen, ist eine komplexere Kommunikation zwischen Fahrzeug und EVSE erforderlich. Die Arbeitsgruppe ISO/IEC 15118 hat Spezifikationen für die Kommunikation vom Fahrzeug zum Netz (Vehicle-to-Grid, V2G) unter Verwendung von Power-Line-Kommunikationsstandards (PLC) während des Ladens über ein Kabel entwickelt. Insbesondere wurde die Breitband-PLC-Spezifikation IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP) als das beste Protokoll für eine robuste Kommunikation bei hohem Datendurchsatz ausgewählt. Durch die Nutzung von Frequenzen zwischen 2 MHz und 30 MHz ermöglicht HPGP dem System die Unterscheidung zwischen gültigen Daten einer angeschlossenen Pilotleitung und Rauschen aus anderen in der Nähe befindlichen Quellen.

Nach Beginn des Ladevorgangs wird eine Kommunikation hergestellt, über die das Fahrzeug und der Ladepunkt Informationen wie Steuer- und Konfigurationsdaten, Zugangsberechtigungen, Zeitstempel, Tarifinformationen, Kunden-IDs und -Standorte sowie Zählerablesungen austauschen können.

End-to-End-V2G-Kommunikation

Verschiedene Studien haben zu geeigneten Standards für die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und Netzverwaltungssystemen geforscht. Das Projekt PowerUp der EU hat die Anwendungsmöglichkeiten für IEC 62056 DLMS/COSEM untersucht, speziell unter Nutzung von Aspekten des Protokolls wie etwa dem Grundbefehl PUSH zum Weiterleiten von Informationen zu Smart-Grid-Verwaltungssystemen wie einem Lastausgleich-Controller. Mit dem Zusatz der für Elektrofahrzeuge spezifischen Erweiterung wurde DLMS/COSEM als ein für die End-to-End-V2G-Kommunikation geeignetes Protokoll befunden.

Ein anderer Ansatz ist die Verwendung des Protokolls IEC 61850, das zur Unterstützung der Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen von Trafostationen für Zwecke wie Verwaltung des Energieflusses zwischen erneuerbaren Energieressourcen und Verbrauchern dient. Eine für Elektrofahrzeuge spezifische Erweiterung wurde vorgeschlagen, um die Interaktion mit ISO/IEC-15118-V2G-Schnittstellen zu ermöglichen, und das Fraunhofer Institut für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik (Fraunhofer ESK) hat ein Referenzsystem auf Grundlage der Normen ISO/IEC 15118 und IEC 61850 – auch mit HPGP und IPv6 – für die V2G-Kommunikation über eine intelligente Ladestation entwickelt, über die auch Mehrwertdienste angeboten werden können. Abbildung 4 zeigt, wie dieses Referenzdesign eine Kombination der Protokolle ISO/IEC 15811 und IEC 61850 zur Implementierung einer End-to-End-V2G-Kommunikation vorschlägt.

Abbildung 4: Von einer intelligenten Fahrzeugladestation verwaltete End-to-End-V2G-Kommunikation.

Die HomePlug-PLC-Protokolle einschließlich HomePlug-AV, von dem HomePlug Green PHY abgeleitet wurde, sollen die Chiphersteller in die Lage versetzen, ICs herzustellen, die die Standards unterstützen und in verschiedenen Smart-Home-Produkten eingesetzt werden können.

Das ST2100 STeamPlug von STMicroelectronics ist ein System-on-Chip mit integrierter konfigurierbarer Hardware-Engine, das mehrere HomePlug AV- oder HPGP-Anschlüsse unterstützen kann. Die Komponente ist als Einzelchiplösung für verschiedene Einsatzzwecke für intelligente Systeme konzipiert, z. B. für Heimautomatisierung, Sicherheit und das Aufladen von Elektrofahrzeugen. Die integrierte ARM®9-CPU liefert genug Rechenpower für das intelligente Ladeanwendungen und Protokoll-Stacks wie IEC 61850 und DLMS/COSEM, die für die Kommunikation mit Verwaltungssystemen für das Smart Grid vorgesehen sind. Da die Lösung von vornherein als hochintegrierter Chip für intelligente vernetzte Anwendungen konzipiert wurde, umfasst sie darüber hinaus einen kryptografischen Hardware-Coprozessor, der Algorithmen wie AES, DES/3DES und IPSec unterstützt. Mit einem integrierten Ethernet-Anschluss und einem Farb-LCD-Controller kann das System einen großen Teil der Funktionen für das intelligente Laden von Elektrofahrzeugen ohne externe Bausteine bewältigen.

Zum Glück ist als Teil des unterstützenden SDK eine große Softwareauswahl verfügbar, darunter ein Schnittstellen-Layer mit Core Scheduler, Systemsoftware und Linux-Kernel. Das Schnittstellen-Layer mit Core Scheduler ermöglicht APIs die Unterstützung der Systemsoftware, die den HPGP MAC und andere Module implementiert. Der Linux-Kernel umfasst Linux-Gerätetreiber zur Steuerung der ST2100-Schnittstellen und der Hardwareplattform als Ganzes.

Abbildung 5: Softwarearchitektur des ST2100.

Abbildung 5 veranschaulicht die Softwarearchitektur des ST2100. Die Linux-Technologie mit offenem Kernel unterstützt die Virtualisierung, die die Entwicklung von Anwendungen vereinfacht, indem sie die gleichzeitige Ausführung von mehreren Anwendungen oder Betriebssystemen auf demselben Prozessor ermöglicht. Für latenzempfindliche Funktionen könnte ein Echtzeit-Betriebssystem verwendet werden, und es könnte auch von Ressourcen der Open-Source-Community profitiert werden, um die Anwendungsentwicklung unter Linux zu erleichtern.

Fazit

Umweltfragen und Regierungsverordnungen gegen Emissionen gehören zu den Triebkräften, die eine signifikante Verlagerung in Richtung aufladbares Elektrofahrzeug anregen und die Abhängigkeit vom Verbrennungsmotor reduzieren könnten. Vom Standpunkt des Anwenders kann das Laden dank standardisierter Schnittstellen wie SAE J1772 oder IEC 61851-1 sehr einfach sein.

Der nächste Schritt besteht darin, den Ladevorgang intelligent zu machen, um die Herausforderung zu bewältigen, die eine weitverbreitete Nutzung von aufladbaren Elektrofahrzeugen für die Stabilität des Stromnetzes darstellt,. Geeignete Kommunikationsprotokolle wie ISO/IEC 15118, HPGP und IEC 61850 sind bereits verfügbar. Sie unterstützen die End-to-End-V2G-Kommunikation, die den Bedarf regeln und den Energiefluss ausbalancieren kann und gleichzeitig Vorteile für den Fahrzeugnutzer durch die Bereitstellung von Mehrwertdiensten bieten kann.