Elektromobilität Verbindungstechnik bringt Ausbau von AC-Ladepunkten voran

Die Elektromobilität hat eine Schlüsselrolle in der All Electric Society und ist Wegbereiter für eine nachhaltige Zukunft. Die Akzeptanz der Elektromobilität steht und fällt jedoch mit einer hohen Verfügbarkeit der Ladepunkte, geringen Wartungsaufwänden und kurzen Ladezeiten. Bei der Verbesserung dieser Faktoren spielt die elektrische Anschlusstechnik eine entscheidende Rolle.

Die Anzahl der weltweit benötigten Ladepunkte steigt kontinuierlich. Dabei spielen sowohl das Wechselstrom- (AC) als auch das Gelichstromladen (DC) eine zentrale Rolle. AC-Laden erfolgt typischerweise über Wallboxen zu Hause oder an öffentlichen AC-Ladesäulen. Es eignet sich besonders für das Laden über Nacht oder an Orten, an denen das Fahrzeug längere Zeit geparkt ist. Im Vergleich dazu ermöglicht das DC-Laden eine deutlich schnellere Aufladung der Fahrzeugbatterie, was besonders auf Langstreckenfahrten erforderlich ist. (Bild 1)

Je nach Region liegt die Aufteilung zwischen AC- und DC-Ladepunkten bei ca. 10:1. Bis 2030 werden allein in Europa über 30.000.000 neuer AC-Ladepunkte benötigt (Source European EV Charging Infrastructure Masterplan). Für eine wirtschaftliche Umsetzung und einen zuverlässigen Betrieb dieser AC-Ladegeräte spielt die Anschlusstechnik eine entscheidende Rolle.

Wirtschaftliche und zuverlässige AC-Ladepunkte

Sind Ladestationen modular aufgebaut, werden beispielsweise Stromversorgung, AC-Ladesteuerung, Netzschütze, Stromzähler, Kommunikationsmodul und die Differenzstromüberwachung häufig auf Tragschienen montiert und manuell verdrahtet. Die manuelle Montage und Verdrahtung der einzelnen Baugruppen ist zeitaufwendig und verursacht entsprechende Kosten. Zudem ist eine manuelle Verdrahtung fehleranfällig. (Bild 2) Es bietet daher Vorteile, möglichst viele Funktionen direkt auf die Leiterplatte bringen. Das reduziert zum einen die manuelle Verdrahtung und die Fehlerquote. Zum anderen werden die Wallboxen kompakter. Die erforderlichen Bauteile für die Leiterplattenbestückung sind verfügbar und in Summe preiswerter als einzelne separate Baugruppen.

Sichere und schnelle Installation vor Ort

Die Investition für einen 11-kW-Ladepunkt beläuft sich in Europa im Mittel auf 125 Euro/kW Ladeleistung (Source: European EV Charging Infrastructure Masterplan). Das heißt, ein 11-kW-Ladepunkt liegt bei etwa 1.375 Euro. Hierbei liegen die Installationskosten bei 375 Euro, also fast bei 30 Prozent.

Bei der Installation eines Ladepunkts vor Ort steht die Fachkraft oft unter Zeitdruck. Etwaige Anleitungen können, wenn überhaupt, nur kurz gesichtet werden. Jetzt bietet eine intuitive, sichere Schnellanschlusstechnik Vorteile. Bei der Installation einer Wallbox erfolgt der Netzanschluss ein-, zwei- oder dreiphasig. Aufgrund der höheren Leistung und der angestrebten symmetrischen Belastung aller Phasen bietet der dreiphasige Anschluss Vorteile. Für den Anschluss von Leitern bis 6 mm², manchmal auch bis 16 mm², sind Leiterplattenklemmen mit Hebelanschluss optimal. Der Leiteranschluss ist durch den orangenen Hebel selbsterklärend, werkzeuglos und schnell erledigt. Die Hebelstellung gibt dabei die optische Rückmeldung, dass alle Leiter ordnungsgemäß angeschlossen sind (Bild 3). Eine zusätzliche Kontrolle der Anschlüsse entfällt. Zudem sorgt die hohe Federkraft für eine dauerhaft sichere Kontaktierung. Phoenix Contact bietet mit der LPT-Serie ein komplettes Portfolio für Leiterquerschnitte von 2,5 bis 25 mm². Horizontale und schräge Leitereinführungen ermöglichen für jedes Gerät die optimale Lösung.

Ist die Installation mehrerer Ladepunkte geplant, muss die Netzeinspeisung von Ladepunkt zu Ladepunkt durchgeschliffen werden. Hier bietet sich der Einsatz vorkonfektionierter Leitungen mit Steckverbindern der Serie QPD und PRC an. Die Kodierung der Steckverbinder schließt Fehler aus.

Platzsparende Anschlusstechnik

Die interne Verdrahtung eines Ladegeräts erfolgt unter kontrollierten Bedingungen beim Hersteller. Die Anschlusstechnik sollte möglichst platzsparend sein und eine schnelle Verdrahtung ermöglichen. Push-in-Leiterplattenklemmen und -Steckverbinder sind hier die erste Wahl. Phoenix Contact bietet ein umfassendes Produktprogramm von Steckverbindern und Leiterplattenklemmen für Signale und Leistung. Vertikale, horizontale und schräge Anschlussrichtungen ermöglichen immer eine optimale Lösung.

Die Kommunikation zwischen Elektroauto und dem AC-Ladepunkt erfolgt per Signalleitung im Ladekabel über das PWM-Signal (Pulse Width Modulation). Der Ladepunkt sendet Informationen über die maximale Ladeleistung. Während der Ladung erfolgt eine Kommunikation über diese CP-Leitung (Control Pilot). Dadurch wird dem Fahrzeug ermöglicht, den Ladevorgang zu starten, zu überwachen und zu beenden. Der Proximity-Pilot-Kontakt (PP-Kontakt) im Ladestecker hat die Aufgabe, die Stromtragfähigkeit des Ladekabels zu erkennen und sicherzustellen, dass eine sichere Ladung erfolgt. Am PP- und CP-Kontakt liegt die maximale Spannung bei 12 Volt und der Strom liegt im mA-Bereich. Zum Anschluss dieser Signalleitungen am Ladegerät sind platzsparende Steckverbinder mit Push-X optimal. Die Push-X-Technik ermöglicht den direkten Anschluss flexibler Leitungen durch einfaches Einstecken der Leiter. Zudem erhält der Anwender eine akustische Rückmeldung.

Robuste Steckverbinder für eine zuverlässige Kommunikation

Bei einem AC-Ladepunkt kann die drahtlose Kommunikation über verschiedene Technologien wie LTE, WLAN und Bluetooth erfolgen, um folgende Funktionen zu unterstützen:

LTE (Mobilfunk)

• Fernüberwachung und -steuerung: Ladepunkte werden über LTE mit Backend-Systemen verbunden, um den Status zu überwachen, Fehler zu melden und Updates zu erhalten.

• Abrechnung: Daten zu den Ladevorgängen werden in Echtzeit an Abrechnungssysteme gesendet.

WLAN

• Lokale Steuerung und Konfiguration: Über WLAN konfigurieren und steuern Nutzer die Ladepunkte lokal, zum Beispiel über eine Smartphone-App.

• Integration in Smart Home Systeme: WLAN ermöglicht die Einbindung des Ladepunkts in ein Heimnetzwerk, um z. B. die Ladezeiten basierend auf dem Energieverbrauch im Haushalt zu optimieren.

Bluetooth

• Einfache Authentifizierung: Bluetooth kann für die Authentifizierung des Nutzers verwendet werden, indem das Smartphone als Schlüssel dient.

• Kurzstreckenkommunikation: Für die initiale Einrichtung und Diagnose wird Bluetooth genutzt, um eine schnelle und einfache Verbindung herzustellen.

Die aufgeführten Funktionen sind häufig auf einer Kommunikationsleiterplatte zusammengefasst. Diese Leiterplatte wird je nach Ausbaustufe des Ladegeräts einfach eingesteckt. Zur Kontaktierung kommen hochpolige Finepitch-Board-to-Board- oder Board-to-Wire-Steckverbinder beispielsweise im Raster 0,635 mm, 0,8 mm oder 1,27 mm zum Einsatz. Besonders robuste, zuverlässige Steckverbinder sind dabei erforderlich, denn die meisten Ladegeräte werden im Außenbereich unterschiedlicher Klimazonen betrieben. Extreme Wetterbedingungen wie starke Hitze oder Kälte können die Elektronik der Ladesäule beschädigen oder die Funktion beeinträchtigen.

Nach IEC 61851-1 müssen AC-Ladepunkte typischerweise für einen Temperaturbereich von –25 bis 55 °C ausgelegt sein. Thermische Effekte können dabei Relativbewegungen in der Steckverbindung verursachen. Für diese extremen Anforderungen sind Board-to-Board-Steckverbinder der Serie FS geeignet. Das Floating-System bietet eine Toleranzkompensation bis 0,7 mm in x- und y- sowie 0,6 mm in z-Richtung.

Je nach Ladegerät sind auch kabelgebundene Schnittstellen vorhanden. USB-A- und USB-C-Anschlüsse ermöglichen Firmware-Updates und den Anschluss von Diagnosegeräten. RJ45-Anschlüsse erlauben die Verbindung mit einem lokalen Netzwerk (LAN) und die Verbindung mit einem zentralen Managementsystem. Hierzu bietet Phoenix Contact ein Portfolio an feldkonfektionierbaren RJ45-Steckverbindern und Patch-Kabeln mit diversen Leitungstypen. Weiterhin bietet Phoenix Contact USB-Leiterplatten-Steckverbinder und -Patch-Kabel an.

Schlussfolgerungen

Funktionsstörungen durch unsachgemäße oder lose Verbindungen bei der Inbetriebnahme werden durch die richtige Anschlusstechnik vermieden. Qualitativ hochwertige, langzeitstabile Kontaktpunkte ermöglichen auch unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit von Ladesäulen und Wallboxen.  (se)

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* Georg Grunenberg ist Application Expert EV Charging Infrastructure Business Area Device Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

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