Wie funktioniert eine Ladestation für Elektrofahrzeuge? Funktionsprinzip (AC, DC, Sicherheit)

Wenn Sie ein Elektrofahrzeug ans Netz anschließen, beginnt tatsächlich ein komplexer, aber recht geordneter Ablauf: Fahrzeug und Station erkennen einander, es wird entschieden, wie viel Strom bezogen werden darf, es werden Sicherheitsprüfungen durchgeführt, und erst danach beginnt die Energie zu fließen. In diesem Beitrag erklären wir das Funktionsprinzip einer Ladestation für Elektrofahrzeuge von Anfang bis Ende, technisch, aber verständlich.

Kurze Antwort: Eine EV-Ladestation ist eine kontrollierte Schnittstelle, die den aus dem Netz kommenden Strom sicher an das Fahrzeug überträgt. Station und Fahrzeug kommunizieren fortlaufend; die Station lenkt die Energie, überwacht die Schutzschaltungen und verwaltet die Autorisierung. Die eigentliche 'intelligente' Arbeit verbirgt sich darin, wie die Energie umgewandelt und wie sie sicher gehalten wird.

Was ist die grundlegende Aufgabe einer Ladestation?

Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass die Ladestation die Batterie direkt 'auflädt'. Beim AC-Laden (Wechselstrom) ist die Station im Wesentlichen ein kontrollierter Schalter und eine Sicherheitseinheit: Sie leitet die Netzspannung an das Fahrzeug weiter, teilt mit, wie viel Strom bezogen werden darf, und trennt den Stromkreis im Störungsfall. Die eigentliche Umwandlung übernimmt die Einheit im Inneren des Fahrzeugs. Beim DC-Schnellladen (Gleichstrom) hingegen erfolgt der größte Teil der Umwandlung im Inneren der Station.

Eine EV-Ladestation hat somit drei grundlegende Aufgaben: (1) eine sichere Kommunikation mit dem Fahrzeug aufzubauen, (2) die richtige und sichere Menge Energie zu übertragen, (3) die Autorisierung und bei Bedarf die Fernverwaltung zu ermöglichen.

Wie kommunizieren Fahrzeug und Station? (Control Pilot / Pilotsignal)

Bevor der Ladevorgang beginnt, 'sprechen' Fahrzeug und Station miteinander. Bei den Type-2- und CCS2-Anschlüssen steht im Zentrum dieser Kommunikation der Control Pilot (CP), also das Pilotsignal. Über die Pilotleitung bestätigen Station und Fahrzeug, dass sie miteinander verbunden sind, und einigen sich darauf, wie viele Ampere Strom zulässig sind.

Der Ablauf ist kurz gesagt folgender: Die Station sendet ein Signal auf die Pilotleitung. Wird das Fahrzeug angeschlossen, verändert es dieses Signal und meldet damit Zustände wie 'verbunden' und 'ladebereit'. Die Station teilt dem Fahrzeug über die Form des Signals die maximale Stromgrenze mit; das Fahrzeug wiederum bezieht entsprechend seiner eigenen Onboard-Charger-Kapazität einen Wert unterhalb dieser Grenze. So wird von vornherein verhindert, dass mehr Strom bezogen wird, als Kabel oder Station tragen können.

Beim DC-Schnellladen kommt zusätzlich zu dieser grundlegenden Signalisierung eine fortgeschrittenere digitale Kommunikationsebene ins Spiel. Fahrzeug und Station teilen über Sekunden hinweg fortlaufend Informationen wie Batteriespannung, Temperatur, Zielladestand und momentanen Strombedarf. Die Station stellt Ausgangsspannung und -strom anhand dieser Daten momentan ein.

Proximity-Erkennung (Näherungserkennung) und Kabelerkennung

Neben dem Pilotsignal gibt es in den meisten Systemen auch ein Näherungssignal (Proximity). Über diese Leitung kann die Station erkennen, dass das Kabel tatsächlich eingesteckt ist und für welche Stromgrenze das verwendete Kabel geeignet ist. Beispielsweise wird ein 16A-Kabel anders erkannt als ein 32A-Kabel, und das System setzt die Grenze entsprechend.

Der AC-Weg: Die Umwandlung erfolgt im Fahrzeug (Onboard Charger)

Die meisten Wandladestationen (Wallbox) zu Hause und am Arbeitsplatz laden mit AC. Der aus dem Netz kommende Wechselstrom wird über das Kabel direkt an das Fahrzeug weitergeleitet. Die Fahrzeugbatterie wird jedoch mit Gleichstrom (DC) geladen. Genau hier kommt der 'Onboard Charger' (das fahrzeuginterne Ladegerät) im Fahrzeug ins Spiel: Er wandelt den ankommenden AC in DC um und speist die Batterie mit der passenden Spannung.

Deshalb bestimmt die Obergrenze der AC-Ladegeschwindigkeit meist nicht die Station, sondern die Kapazität des Onboard Chargers des Fahrzeugs. Selbst wenn die Station beispielsweise 22 kW liefern kann, lädt das Fahrzeug in der Praxis mit 11 kW, wenn sein Onboard Charger 11 kW hat. Beim AC-Laden kann je nach einphasiger (eine Phase) oder dreiphasiger (drei Phasen) Verbindung eine Leistung von 7,4 kW bis 22 kW anliegen.

Die AC-Wallbox-Modelle von Bemis E-V Charge (7,4–22 kW, Type 2) und die Type-2-Ladekabel arbeiten genau auf diesem AC-Weg: Die Station überträgt die AC-Energie sicher und kontrolliert, die Umwandlung übernimmt das Fahrzeug.

Der DC-Weg: Die Umwandlung erfolgt in der Station (Schnellladen)

Beim DC-Schnellladen kehrt sich die Logik um. Um nicht an die begrenzte Leistung des Onboard Chargers gebunden zu sein, wird die Umwandlung nach außen, in das Innere der Station, verlagert. In DC-Schnellladeeinheiten wie CCS2 wandeln die leistungsstarken Wandler (Gleichrichter/Leistungsmodule) im Inneren der Station den Netz-AC mit hoher Leistung in DC um und geben diesen Gleichstrom direkt an die Batterie.

Da der Onboard Charger außer Betrieb bleibt, können beim DC-Laden viel höhere Leistungen erreicht werden; deshalb werden DC-Stationen als 'Schnellladen' bezeichnet. Dabei sagt das Fahrzeug der Station fortlaufend 'ich möchte so viel Spannung und Strom'; die Station erfüllt diesen Bedarf mit ihren eigenen Leistungsmodulen und stellt den Ausgang je nach momentanem Zustand der Batterie ein.

• AC-Laden: Die Station überträgt AC, die Umwandlung übernimmt der Onboard Charger im Fahrzeug. Die Leistungsgrenze bestimmt in der Regel das Fahrzeug.
• DC-Laden: Die Wandler im Inneren der Station wandeln AC in DC um und geben ihn direkt an die Batterie. Es sind viel höhere Leistungen möglich.
• Type 2: Der Standardanschluss für das AC-Laden in der Türkei und Europa.
• CCS2: Der Standard für das DC-Schnellladen in der Türkei und Europa; er arbeitet mit zwei DC-Pins, die unter dem Type-2-Anschluss ergänzt werden.
• kW ist Leistung (Geschwindigkeit), kWh ist Energie (gespeicherte/übertragene Menge).

Beim AC-Laden übernimmt der Onboard Charger im Fahrzeug die Umwandlung; beim DC-Laden übernimmt sie die Station. Die eigentliche Aufgabe der Station ist in jedem Fall, die Energie sicher und kontrolliert zu übertragen.

Wie wird die Sicherheit gewährleistet? (Schutz, Erdung, Steckverriegelung)

Da beim Laden hohe Leistung im Spiel ist, ist die Sicherheit der kritischste Bestandteil einer EV-Ladestation. Im Funktionsprinzip ist ein mehrschichtiger Schutz enthalten.

Der Fehlerstromschutz trennt die Energie sofort, wenn im Stromkreis ein unerwünschter Fehlerstrom (zum Beispiel ein Isolationsfehler) erkannt wird, und verhindert so das Risiko eines Stromschlags. Die Erdung bietet dem Fehlerstrom im Störungsfall einen sicheren Weg und verhindert, dass Oberflächen wie das Gehäuse unter Spannung stehen. Die Station überwacht außerdem Zustände wie Überstrom und Übertemperatur; wird eine Anomalie festgestellt, stoppt sie den Ladevorgang.

Auch die Steckverriegelung ist Teil der Sicherheit: Während des Ladens wird der Stecker von der Station oder dem Fahrzeug verriegelt. So wird verhindert, dass das Kabel versehentlich abgezogen wird, während Energie fließt; die Verriegelung öffnet sich erst, wenn der Ladevorgang sicher beendet wurde. Auf der Seite der physischen Robustheit zeigt die Schutzklasse IP65–IP66, dass die Einheit für die Bedingungen im Außenbereich gegen Staub und Wasser geeignet ist; das CE-Zeichen wiederum bedeutet, dass das Produkt die einschlägigen europäischen Konformitätsanforderungen erfüllt.

Was überwacht die Station während des Ladens fortlaufend?

• Dass die Verbindung mit dem Fahrzeug über das Pilotsignal fortlaufend intakt ist
• Ob der bezogene Strom innerhalb der vereinbarten Grenze bleibt
• Ob ein Fehlerstrom, Kurzschluss oder Erdungsfehler vorliegt
• Die Temperaturwerte (Stecker, Kabel, Leistungsmodule)
• Dass die Steckverriegelung während des gesamten Ladevorgangs geschlossen bleibt

Autorisierung: Wer startet den Ladevorgang? (RFID / App / OCPP)

Zu Hause lässt sich die meiste Wallbox so nutzen, dass der Ladevorgang beginnt, sobald das Fahrzeug angeschlossen wird. In Gemeinschaftsbereichen, am Arbeitsplatz und an öffentlichen Stationen ist hingegen erwünscht, dass der Ladevorgang von berechtigten Personen gestartet wird. Die gängigsten Methoden dafür sind die RFID-Karte und die mobile App: Der Nutzer hält seine Karte vor oder startet die Sitzung über die App, die Station bestätigt die Autorisierung und gibt anschließend den Energiefluss frei.

Hier kommt OCPP ins Spiel. OCPP-fähige Modelle ermöglichen die Anbindung der Station an ein zentrales Managementsystem (CSMS). So lassen sich Funktionen wie Autorisierung, Fern-Start/-Stopp, Nutzungsverfolgung und Energiemessung zentral verwalten. Das ist besonders in Szenarien am Arbeitsplatz und in der Flotte wichtig, in denen mehrere Stationen betrieben werden.

Wenn Sie OCPP und die zugehörigen Konzepte ausführlicher betrachten möchten, haben wir auch einen eigenen Leitfaden, der erklärt, wofür das Protokoll dient.

Die Phasen einer Ladesitzung

Am besten fasst das Funktionsprinzip zusammen, wie eine einzelne Ladesitzung von Anfang bis Ende abläuft. Eine typische Sitzung durchläuft folgende Phasen:

• 1) Verbindung: Das Kabel wird an Fahrzeug und Station eingesteckt; über das Proximity-Signal wird die Verbindung erkannt.
• 2) Erkennung und Einigung: Über das Pilotsignal erkennen Fahrzeug und Station einander, die maximale Stromgrenze wird festgelegt.
• 3) Autorisierung: Falls nötig, wird die Sitzung mit RFID-Karte oder App autorisiert.
• 4) Verriegelung und Kontrolle: Der Stecker wird verriegelt, die Sicherheitsprüfungen (Fehlerstrom, Erdung, Temperatur) werden abgeschlossen.
• 5) Energieübertragung: Auf dem AC-Weg lädt das Fahrzeug die Batterie mit dem Onboard Charger, auf dem DC-Weg mit den Wandlern der Station.
• 6) Management: Die Station überwacht den Strom fortlaufend; mit zunehmender Batterieladung verringert sie die Leistung schrittweise.
• 7) Beendigung: Ist das Ziel erreicht oder stoppt der Nutzer, wird die Energie getrennt, die Verriegelung geöffnet und das Kabel sicher abgezogen.

Warum wird die Batterie nach 80 % langsamer? (Taper / schrittweise Verringerung)

Besonders beim DC-Schnellladen bemerken Sie, dass die Ladegeschwindigkeit deutlich abnimmt, nachdem die Batterie einen bestimmten Ladestand, häufig etwa 80 %, erreicht hat. Das nennt man 'Taper', also schrittweise Verlangsamung, und es ist kein Fehler, sondern ein bewusstes Schutzverhalten.

Sind Batterien voller, können sie hohen Strom nicht mehr sicher aufnehmen; um Überhitzung und eine Verkürzung der Zelllebensdauer zu vermeiden, fordert das Fahrzeug von der Station immer weniger Strom an. Auch die Station verringert entsprechend diesem Bedarf ihren Ausgang. Deshalb ist beim Schnellladen der effizienteste Bereich in der Regel der Abschnitt von niedrigem Ladestand bis 80 %; die letzten 20 % können hingegen unverhältnismäßig länger dauern. Beim AC-Laden ist diese Verlangsamung meist weniger deutlich, da die Leistungen ohnehin geringer sind.

Zusammenfassung: Was tut eine Ladestation eigentlich?

Eine EV-Ladestation ist ein kontrolliertes Gerät, das mit dem Fahrzeug kommuniziert, die Energie sicher lenkt und bei Bedarf autorisiert und aus der Ferne verwaltet werden kann. Bei AC-Modellen übernimmt das Fahrzeug die Umwandlung, bei DC-Modellen die Station; in jedem Fall aber sind Sicherheit (Fehlerstromschutz, Erdung, Steckverriegelung) und die richtige Kommunikation (Pilotsignal) das Herz des Funktionsprinzips.

Bemis E-V Charge ist eine in Bursa ansässige heimische Marke, die mit AC-Wallbox, tragbaren Ladegeräten, Type-2-Kabeln, V2L-/C2L-Adaptern und CCS2-DC-Schnellladeeinheiten alle Glieder dieses Funktionsprinzips fertigt. Mit CE- und IP65–IP66-konformen sowie OCPP-fähigen Modellen bietet sie Produkte sowohl für die private als auch für die gewerbliche Nutzung.