Elektromobilität Interoperabilität hat enormen Einfluss auf Elektrofahrzeugmarkt

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Herstellern von Ladesystemen für Elektrofahrzeuge liegen zwei Dinge am Herzen – erstens wollen sie Ladesysteme entwickeln, die auf Jahre hinaus verlässlich ihren Dienst tun. Zweitens möchten sie dem Endverbraucher eine reibungslose und positive Nutzererfahrung bieten.

Organisationen wie die Charging Interface Initiative (CharIN), ein Industrieverband mit über 330 Mitgliedsunternehmen, forcieren Interoperabilitäts-Standards auf dem Gebiet der Ladesysteme, und zwar für jegliche Art von Elektrofahrzeugen und in vielen verschiedenen Ländern. Abgesehen von der Entwicklung des Combined Charging System (CCS), auf das inzwischen Hersteller von EV-Ladesystemen in zahlreichen Ländern setzen, arbeitet CharIN fortlaufend an Möglichkeiten zur Standardisierung des North American Charging Standard (NACS), den Tesla für seine Schnellladestationen in den USA verwendet.

An einem Strang ziehen

Bedeutet das nun CCS versus NCAS? Erika Myers, Executive Director von CharIN North America, äußerte sich zu dem Trend, dass viele Automobilhersteller auf den NACS-Zug aufspringen, folgendermaßen: „CharIN geht davon aus, dass es CCS und NACS/SAE J3400 für einige Zeit als zwei parallele Optionen für EV-Ladestationen geben wird. Nach unserer Auffassung haben beide Standards das Potenzial für die reibungslose Nutzererfahrung, die notwendig ist, um die Wünsche der Konsumenten nach zuverlässigem Laden zu erfüllen. Um im Lade-Ökosystem eine beständige Interoperabilität zu erreichen, muss die Industrie an einem Strang ziehen, sodass eine einwandfreie Nutzererfahrung gewährleistet ist. Gleichzeitig gilt es, die Komplexität des Markts zu verringern, die Unklarheiten bei den Konsumenten auszuräumen und die Verbreitung der Elektroautos zu steigern.”

Als CharIN-Mitglied arbeitet TI gemeinsam mit seinen Kunden daran, die Konnektivität beim Laden von Elektrofahrzeugen zu vereinfachen und die Interoperabilitäts-Anforderungen zu erfüllen, wenn sich die Standards weiterentwickeln. Tatsache ist jedoch, dass man vielen Standards gerecht werden muss, sodass sich der Aufbau des kompletten Systems sogar für die fähigsten Entwicklungsteams als eine kaum bewältigbare Aufgabe darstellen kann. Nachfolgend sollen deshalb einige der Faktoren beleuchtet werden, die Einfluss auf die Entscheidungen beim Design von EV-Ladesystemen haben können.

Steckverbinder-Typen

Der Albtraum vieler Menschen ist es, mit ihrem Stromer eine Langstrecke zu absolvieren, aber das Fahrzeug nur an bestimmten Ladestationen anschließen zu können. Wenn nun die Ladung in der Batterie zur Neige geht und eine kompatible Ladestation gefunden werden muss, bevor die Fahrt ungewollt am Straßenrand endet, kann das schnell zu einer stressigen und frustrierenden Erfahrung werden. Schließlich kann es passieren, dass die nächstgelegene DC-Ladestation nicht kompatibel zum Fahrzeug ist oder dass die nächste Station mit passendem Ladestecker gerade von einem anderen Auto belegt ist.

Als eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems wird der NACS-Steckverbinder gefördert, der für das AC- und das DC-Laden denselben Steckertyp vorsieht und zudem kleiner ist als andere standardisierte Steckverbinder. Dazu erklärt Janek Metzner von Pionix: „Die Nutzung des NACS-Steckverbinders würde schneller als erwartet zu einem Dominoeffekt führen, denn würde dieser Steckverbinder von der SAE offiziell standardisiert, wäre eine noch schnellere Akzeptanzsteigerung die Folge.“ Die EVerest-Plattform von Pionix, ein auf Linux basierender quelloffener Software-Stack, der kompatibel zum AM625-Prozessor von TI ist, ermöglicht die Kommunikation zwischen dem „Electric Vehicle Supply Equipment“ (EVSE) und dem Fahrzeug.

Auf den ersten Blick mögen sich die Meinungen von Meyers und Metzner widersprechen, aber tatsächlich sind sich beide sogar einig. Sowohl CharIN als auch Pionix gründen nämlich auf dem Konzept, die Interoperabilität im Zuge der weltweiten Umstellung auf Elektrofahrzeuge zu verbessern. TI konzentriert sich vor allem auf die Realisierung der Embedded-Prozessoren und analogen Produkte zur Entwicklung von Anwendungen, die den Weg beispielsweise zum effizienten Laden von Elektrofahrzeugen ebnen. Der Steckverbindertyp ist dabei weitgehend ohne Belang, solange beide Seiten – also die Ladestation und das Fahrzeug – physisch kompatibel sind und auf die gleiche Weise kommunizieren. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die unterschiedlichen Steckertypen und Definitionen.

Analoges Handshaking

In der Elektronik versteht man unter dem Handshaking eine Art Einigung zwischen zwei integrierten Schaltungen, die in einem System zusammenarbeiten müssen. Dieser Handshake kann zwischen zwei ICs auf einer Leiterplatte erfolgen, aber die Bedeutung lässt sich leichter verstehen, wenn es um eine Kabelverbindung zwischen zwei Systemen geht. Der Anschluss eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation erfolgt über ein langes Kabel, sodass man sich hier leicht vorstellen kann, wie das Handshaking der beiden Systeme abläuft, sobald das Kabel eingesteckt und eine elektrische Verbindung hergestellt wird.

Die entscheidenden Konzepte bei jenem Handshaking, das beim Laden eines Elektroautos stattfindet, sind das Erzeugen einer Spannung auf der einen Seite und das Terminieren dieser Spannung mit einem Widerstand auf der anderen Seite, um diese Spannung auf ein bestimmtes Maß zu reduzieren. Weil überall die gleiche Spannung und der gleiche vorgegebene Widerstandswert benutzt wird, liefert der Handshake-Prozess stets die gleichen Ergebnisse, sofern keine Störung vorliegt. Anschließend kann entschieden werden, ob das grundlegende „Basic Charging“ fortgesetzt oder ob eine weitergehende Aushandlung für das „High-Level Charging“ begonnen werden soll.

Was die Kommunikation betrifft, ist das Basic Charging eine einfache Sache. Die Schaltungen aber, die zum Öffnen oder Schließen von Relais oder zum Detektieren von Störungen erforderlich sind, können recht komplex sein. Das hier beschriebene Referenzdesign für eine AC-Ladeplattform gemäß Level 2 eignet sich zur Implementierung vieler Funktionsabschnitte eines typischen EVSE-Systems. Für viele Basic-Charging-Ladestationen kann ein Mikrocontroller wie der MSPM0G3507 ausreichen. Wenn aber die Ladestation und das Elektrofahrzeug das High-Level-Laden unterstützen, können sie sich auf das Umschalten auf digitale Kommunikation einigen, wofür meist ein unter Linux laufender Arm-basierter Prozessor notwendig wird. In Tabelle 2 sind die verschiedenen analogen Handshake-Optionen in einem Ladesystem zusammengefasst.

Digitale Kommunikation: Sprachen und Dialekte

Auch wenn zwei Menschen dieselbe Sprache sprechen, bedeutet das nicht, dass sie auch den jeweiligen Regionaldialekt, Akzent oder Jargon verstehen. Ähnlich ist es bei Elektrofahrzeugen und Ladestationen. Für sie stellt die Norm ISO 15118 eine gemeinsame Sprache dar, aber die einzelnen Marken nutzen meist einen bestimmten Jargon, der leicht missverstanden werden kann, wenn eine Ladestation nicht auf die jeweilige Fahrzeugmarke abgestimmt ist.

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen hängt in hohem Maße von der Nutzererfahrung ab. Eine Sprache für die digitale Kommunikation, die in der gesamten EV-Ladeinfrastruktur verstanden wird, ist deshalb von entscheidender Bedeutung. Abgesehen von CharIN arbeitet TI auch mit Pionix zusammen, um dem Unternehmen die quelloffenen Software-Stacks für das Laden von EVs zur Verfügung zu stellen. Damit soll die komplexeste Herausforderung bewältigt werden, der sich die EV-Ladebranche heute gegenübersieht. Gemeint ist eine vollständig geprüfte, normkonforme digitale Kommunikation, die zu fast allen Stromern auf dem Markt kompatibel ist. Tabelle 3 listet die verschiedenen digitalen Kommunikationsoptionen für Ladesysteme auf.

Die auf dem AM625 basierende EVSE-Entwicklungsplattform wurde geschaffen, um die gesamte normgemäße digitale Kommunikation zu demonstrieren und zu unterstützen und die Skalierbarkeit der Prozessorfamilie AM625 für beliebige EV-Ladeanwendungen zu verdeutlichen.

Problemloses Laden

Obwohl ein einheitlicher Stecker das Laden von Elektrofahrzeugen natürlich vereinfachen würde, lässt sich das Problem der mechanischen Kompatibilität der Steckverbinder mit Adaptern ebenso lösen wie mit Stationen, an denen unterschiedliche Steckertypen verfügbar sind. Der analoge Handshake ist von grundlegender Bedeutung. Um aber eine standardisierte, einfach anwendbare Ladeinfrastruktur zu realisieren, müssen sämtliche Ladestationen die Sprachen und Dialekte aller EVs verstehen können. Die Zielsetzung eines Halbleiterherstellers deckt sich mit der eines Ladesystemanbieters: Technik entwickeln, mit der sich Interoperabilitätsprobleme lösen lassen.  (se)

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* Brian Berner ist Platform Marketing Manager für den Geschäftsbereich Prozessoren bei Texas Instruments.

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