in-tech Plug & Charge: Der schwierige Weg zum leichten Laden

Ladeinfrastruktur soll schnell wachsen, zugleich intelligenter und komfortabler werden – und bereits heute können, was Fahrzeuge erst in nächster Generation schaffen. Gefragt sind passende Lösungen, inklusive Plug & Charge. Ein Fachbeitrag über die hohe Komplexität des einfachen Ladens von Harry Jacob.

Leicht ist schwer: Der Weg zum für den Nutzer superbequemen Plug & Charge ist komplex und Interoperabilität erfordert mehr als eine große Steckdose. | Foto: in-tech
Leicht ist schwer: Der Weg zum für den Nutzer superbequemen Plug & Charge ist komplex und Interoperabilität erfordert mehr als eine große Steckdose. | Foto: in-tech
Redaktion (allg.)

Das lange von deutschen Verbrauchern geschmähte Elektroauto hat im vergangenen Jahr einen wahren Boom erlebt: Batterie-elektrische Fahrzeuge legten 2020 um 126 Prozent zu, Plug-in-Hybride um 174 Prozent. Demnach rollten zum Jahresbeginn 2021 knapp 590.000 PKW über Deutschlands Straßen, die per Stromkabel geladen werden müssen oder können. Im kommenden Jahr soll die Millionenmarke überschritten werden.

Und dieser Trend wird sich in den kommenden Jahren noch deutlich beschleunigen – spätestens ab 2025, wenn die wichtigsten Autohersteller, die bislang nur einige wenige Modelle anbieten, ein elektrisches „Vollsortiment“ erreicht haben. Deloitte prognostiziert in seiner Elektromobilitäts-Studie, dass bis 2030 die jährlichen Neuzulassungen von BEV und PHEV gemeinsam auf mehr als eine Million Fahrzeuge pro Jahr anwachsen. Dementsprechend hoch ist der Druck, die Ladesäuleninfrastruktur schnell zu erweitern.

Zwar hat sich der Ausbau von Ladesäulen ebenfalls beschleunigt, doch die aktuelle Entwicklung ist weit davon entfernt, dem Ziel von einer Million öffentlich zugänglicher Ladepunkte bis zum Jahr 2030 zu entsprechen, das von der Bundesregierung im „Masterplan Ladeinfrastruktur“ niedergelegt wurde. Selbst konservative Schätzungen gehen von einem Bedarf zwischen 440.000 und mehr als 840.000 öffentlichen Ladepunkten aus. Aktuell stehen nur rund 22.000 zur Verfügung. Time to Market ist daher für die Entwicklung bei Ladesäulen ein entscheidender Faktor.

Nutzung wird stark vereinfacht

Zugleich unterliegt die Technik der Lade-Infrastruktur einer stürmischen Entwicklung. Gesetzliche Anforderungen – wie die Eichrechtskonformität –, Weiterentwicklung der relevanten Normen und Standards, und der Anspruch der Anwender nach mehr Komfort zwingen zu ständigen Aktualisierungen.

Insbesondere ein Thema bewegt Fahrer und Hersteller von Elektrofahrzeugen: Noch ist das Tanken von Strom nicht so einfach wie das Tanken von Benzin und Diesel. Unter dem Schlagwort „Plug & Charge“ hat eine Entwicklung eingesetzt, die Anmeldung und Bezahlvorgang automatisieren soll. Erste Modelle aus dem VW-Konzern sind bereits dafür vorbereitet, andere Marken wollen folgen. Voraussichtlich 2025 dürfte die Funktion Standard in vielen elektrischen Neufahrzeugen sein.

Beim Plug & Charge hinterlegt der Fahrer die Daten zur Abrechnung einmalig im Fahrzeug. Wird das Auto an der Ladesäule angesteckt, dienen diese Daten der Identifikation, ohne dass der Fahrer manuelle Eingaben machen muss. Nach dem Ende des Ladevorgangs wird der angefallene Betrag automatisch von Konto oder Kreditkarte abgebucht oder anderweitig verrechnet, beispielsweise über den heimischen Stromanbieter.

Mehr als eine große Steckdose

Während an der herkömmlichen Zapfsäule einfach nur der Treibstoff durch den Tankschlauch rinnt, müssen beim elektrischen Laden sowohl Energie als auch Daten fließen. Das Beispiel Plug & Charge funktioniert nur über eine komplexe Kommunikation, die weit über die Verbindung von Auto und Ladesäule hinausgeht.

Schon beim Anstecken beginnt der Datenaustausch, bei dem etwa die Stromstärke festgelegt wird. Um die funktionale Sicherheit zu gewährleisten wird die Steckerverriegelung aktiviert und Spannung, Stromstärke sowie die Temperatur am Ladestecker kontinuierlich überwacht, um bei Problemen den Stromfluss unterbrechen zu können. Die Zahlungsdaten müssen sicher übertragen und deren Gültigkeit überprüft werden.

Zustandsinfos fließen an den Betreiber

Daten über den Stromverbrauch und zur Abrechnung werden an den Energieversorger und den Zahlungsdienstleister übertragen. Zustandsinformationen wie „Säule belegt“ oder „Säule defekt“ fließen an Plattformbetreiber, die beispielsweise Suchportale betreiben und eine Vorab-Reservierung ermöglichen. An Ladepunkten in Unternehmen und bei privaten Stellplätzen können zudem Grid-Funktionen relevant sein, etwa eine Beschränkung des Ladevorgangs auf Zeiten, in denen ein Überschuss aus der PV-Anlage zur Verfügung steht, oder eine Rückspeisung ins Netz, wenn dort erhöhter Bedarf besteht.

Zustandsdaten des Fahrzeugs und der Ladesäule, Prozessdaten, Zahlungsdaten – jeder Datentyp hat einen anderen Empfänger aus unterschiedlichen Wirtschaftssektoren. Fahrzeughersteller, Energieversorger und Zahlungsdienstleister unterliegen jeweils eigenen Normen und Standards, denen die zugehörigen Daten entsprechen müssen. Demzufolge muss eine Ladesäule dafür sorgen, dass Datenformate eingehalten und gegebenenfalls zwischen den Sektoren übersetzt werden. Angesichts dieser zunehmenden Steuerungs- und Kommunikationsaufgaben zeigt sich, dass die Ladesäule mehr ist als nur eine große Steckdose.

Zukunftssicher mit ISO 15118, OCPP 2.0.1 und IEC 63110

Um diese komplexe Kommunikation zu bewältigen, hat sich die Branche auf Standards geeinigt, die sowohl den Anforderungen der Betreiber der Ladeinfrastruktur als auch deren Partnern der unterschiedlichen Sektoren gerecht wird, indem sogar ein Mapping der Daten in die unterschiedlichen Formate geregelt wird. Insbesondere zwei Standards stehen im Fokus der aktuellen Entwicklung, mit denen neue, intelligente Funktionen erst möglich werden.

Die Norm ISO 15118 ist Teil des kombinierten Ladesystems (Combined Charging System, CCS). Sie hat sich als dominierender EV-Standard für alle Arten von Elektrofahrzeugen etabliert, von Motorrädern und Autos über LKW und Busse bis hin zu Schiffen und Flugzeugen. ISO 15118 bietet unter anderem die Grundlage für Funktionen wie Plug & Charge, inklusive einer hohen Sicherheit, sowohl auf der Transportschicht mit TLS 1.2 (und höher) als auch auf der Anwendungsschicht mit digitalen XML-basierten Signaturen und X.509-Zertifikaten.

Bidirektionales Laden im Blick

Ebenso ermöglicht sie intelligentes Laden und bald auch Vehicle-to-Grid (V2G), also bidirektionales Laden und die automatische Steuerung des Ladevorgangs entsprechend der Anforderungen von Seiten der Energieversorgung. Eng damit verknüpft ist das Open Charge Point Protocol in der Version OCPP 2.0.1. Diese bietet erstmals eine native Unterstützung für ISO 15118-2, einschließlich Smart Charging und Plug & Charge, sowie für V2G-Funktionen wie bidirektionalem Laden gemäß ISO 15118-20.

In erster Linie dient OCPP 2.0.1. jedoch dem einfacheren Einrichten und Managen der Ladesäule. So lässt das neue Gerätemodell die Plug-and-Play-Installation einer Ladestation zu, da es die Funktionen des Cloud-basierten Ladestationsmanagementsystems (CSMS) automatisch vollständig beschreiben kann und diesem das Auslesen und Steuern aller Komponenten aus der Ferne ermöglicht. Weitere Funktionen können hinzugefügt werden, um neue Services zu implementieren, und auch das Monitoring des Ladegeräts inklusive einer Alarmierung beim Überschreiten von definierten Schwellwerten wird von OCPP unterstützt.

Nach der vollständigen Umsetzung von ISO 15118 steht die Umstellung von OOCP auf IEC 63110 an. Dieser Standard befindet sich noch in der Entwicklung, er soll voraussichtlich Anfang 2023 verabschiedet werden. Mit dieser Normenreihe soll eine internationale Gesamtlösung definiert werden, die neben dem Backend-Protokoll auch die Schnittstelle der Ladesäule in Richtung Backend standardisiert.

Knackpunkt: Kompatibilität und Interoperabilität

Eine besondere Herausforderung für die Hersteller von Ladesäulen ist die Frage, ob wirklich jeder Fahrzeugtyp sicher erkannt und geladen werden kann. Es darf keinen Unterschied machen, ob ein VW, ein Renault oder ein Kia Strom zapfen will – die Verbindung muss zuverlässig zustande kommen und alle angebotenen Funktionen unterstützen.

Die erste Voraussetzung ist, das Fahrzeug und Ladesäule kompatibel sind, also die gleiche Sprache sprechen. Diese grundlegende Voraussetzung soll mit der Einigung auf Standards erfüllt werden. In großen Teilen der Welt hat sich die Power Line Communication (PLC) als Basis für die Datenübertragung zwischen Ladesäule und Fahrzeug durchgesetzt. Legt man das OSI-Schichtenmodell zugrunde, sind damit die Schichten 1 (PHY) und 2 (DLL und MAC) abgedeckt, also die reine Übertragung von Bits und Bytes.

Interoperabilität ist komplex

Struktur und Bedeutung der zu übertragenden Daten wird dagegen in OSI-Schicht 7 – der Applikationsebene – festgelegt. Hier ist neben anderen ISO 15118 relevant. Darüber hinaus ist auch die Kommunikation mit den zahlreichen verschiedenen Backend-Systemen zu gewährleisten, derzeit mittels OCPP 2.0.1, künftig mit der umfassenderen IEC 63110. Doch auch wenn auf beiden Seiten die genannten Standards unterstützt werden, ist das problemlose Zusammenspiel – die Interoperabilität – nicht automatisch garantiert. In der Praxis gibt es immer wieder Probleme, weil die Implementierung des Standards Lücken aufweist oder Interpretationen zulässt. Um diese zu vermeiden bedarf es umfangreicher Tests und gegebenenfalls Anpassungen von Kommunikationsprotokollen und -schnittstellen – ein zeitaufwendiges Verfahren, das die Entwicklungszeit um Wochen und Monate verlängern kann.

Externe Entwicklungen nutzen

Tatsächlich entwickeln manche Ladensäulenhersteller die gesamte Kommunikations- und Steuerungszentrale selbst, auf Basis der am Markt verfügbaren Chipsätze. Andere setzen auf externe Lösungen unterschiedlicher Entwicklungstiefe, bis hin zu fertigen Lösungen, die sogar die Interoperabilitätstest bereits erfolgreich absolviert haben.

Ein Anbieter solcher Lösungen ist in-tech smart charging, langjähriger Entwickler von Powerline Communication, der sich unter dem Dach der Muttergesellschaft in-tech, einem ausgewiesenen Spezialisten für Fahrzeug-Elektronik, auch der Ladeinfrastruktur zugewandt hat. Vom reinen PLC-Modul über Kommunikations- und Controller-Module bis hin zur Komplettlösung inklusive Software und Zubehör bietet das Unternehmen mit Hauptsitz in Leipzig.

Offenes System bei in-tech

Anders als viele Wettbewerber setzt das Unternehmen auf ein offenes System: Hier können Kunden bei Bedarf die Anpassungen an APIs, Stack oder Software selbst vornehmen und müssen nicht darauf warten, dass der Lieferant die Kundenwünsche umsetzt, wirbt man. So könnten Ladesäulenhersteller Entwicklungszeit sparen, indem sie auf eine fertige Plattform aufsetzen, und sich dennoch mit eigenen Funktionen und Services einen USP gegenüber den Wettbewerbern verschaffen, plädiert der Anbieter weiter

Auf der anderen Seite bringen die Lösungen bereits zahlreiche Funktionen mit, die für eine zukunftssicher Entwicklung unabdingbar sind. So sitzen Vertreter des Unternehmens in wichtigen Standardisierungsgremien und haben daher frühzeitigen Zugriff auf Informationen, die eine schnelle Umsetzung innovativer Funktionen ermöglichen – wie eben Plug & Charge auf Basis von ISO 15118.

Auf Ladesäulen-und Fahrzeugseite präsent

Der Hersteller bedient nicht nur den Markt für Ladesäulen, sondern adressiert auch den Kfz-Markt. Gerade auf dem wichtigen Feld der Interoperabilität ist dies von unschätzbarem Vorteil, da die Smart-Charging-Experten auf beiden Seiten der Kommunikation – der Fahrzeug-Elektronik wie der Ladesäulen-Controller – tätig sind.

Ein Beispiel ist der Ladecontroller Charge Control L, für Nutzfahrzeuge wie Busse, Trucks und andere Sonderfahrzeuge, die in der Regel mit Gleichstrom geladen werden. Über den CAN-Bus ins Fahrzeug integriert, übernimmt er die komplette Kommunikation mit der Ladesäule. Dabei unterstützt der Controller auch die Norm ISO 15118. Darüber hinaus integriert er vollständig die Funktionen zur Functional Safety. Zusätzlich kann das Steuergerät an einen Onboard-Charger angeschlossen werden, um Laden mit Wechselstrom zu ermöglichen. Auf diese Weise können auch ältere Architekturen mit ISO 15118 Funktionalitäten erweitert werden.

Fazit:

Stecker rein und laden – wenn es tatsächlich so einfach funktioniert, dann haben die Entwicklungsingenieure in Sachen Elektromobilität einen guten Job gemacht. Denn die Kommunikation im Hintergrund ist extrem komplex. Nicht nur zwischen Ladesäule und Fahrzeug fließen die Daten, sondern auch zum Backend, darunter dem Ladesäulen-Betreiber, dem Energieversorger, dem Abrechnungsdienstleister und womöglich noch weiteren Service-Anbietern, die auf den Daten aus der Ladensäule aufsetzen.

Diese Kommunikation sicher und zuverlässig zu gestalten, innovative Funktionen frühzeitig einzubinden und diese Entwicklung schnell zur Marktreife zu bringen, ist eine Herausforderung, die Ladesäulenhersteller nicht zwingend selbst bewältigen müssen. Bei der Wahl einer externen Lösung gilt es jedoch genau abzuwägen, ob sie den Anforderungen an Sicherheit und Zukunftsfähigkeit gerecht wird. Dazu gehören an vorderster Stelle die Implementierung aktueller Standards und gefragter Funktionen, aber eben auch Themen wie Interoperabilität oder die Frage nach der Erweiterungsfähigkeit der Software.

Ein Fachbeitrag von Harry Jacob, Freier Journalist, Augsburg

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