26 27Energie + Antriebe Induktives Laden Energie + Antriebe Induktives Ladenemobility tec 04/2015 emobility tec 04/2015

So wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor regelmäßig zur Tankstelle fahren, beziehen Elektroautos ihre Ener-

gie quasi aus der Steckdose. Sei es, dass man den Wagen über Nacht in der heimischen Garage an das Stromnetz anschließt oder die Batterie unterwegs an öffentlich zugänglichen Lade-säulen nachlädt. Bislang führt kein standardisierter Weg an einer leitungsgebundenen Energieübertragung vorbei, die stets verbunden ist mit manuellen Aktionen zum Koppeln von Ste-cker und Ladebuchse.

Trend -Technologie

Das wird sich ändern, denn die Elektromobilität bietet als Alter-native und Ergänzung zum leitungsgebundenen Laden die Mög-lichkeit des induktiven Ladens. Hierbei wird unterschieden zwi-schen stationärem und dynamischem Laden. Das heißt, neben dem üblichen Laden im Stillstand ist auch ein dynamisches Laden während der Fahrt auf speziell präparierten Fahrbahnen tech-nologisch realisierbar. Zahlreiche Unternehmen, Institutionen und Forschungsprojekte arbeiten bereits daran, die Technologie des induktiven Ladens zur Marktreife zu bringen und gleichzei-tig eine globale Standardisierung zu erreichen. Das Laden ohne

Kabelverbindung verleiht dem Alltag von Verkehrsteilnehmern mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einen spürbaren Kom-fortgewinn. Darüber hinaus bietet es etliche weitere Vorteile: Defekte an Steckverbindungen und Leitungen aufgrund von Alte-rung, Verschleiß, Korrosion oder Kabelbruch sind ausgeschlossen, was zu einem insgesamt geringeren Wartungsaufwand führt. Im öffentlichen Bereich sind mangels Angriffsflächen zudem deutlich weniger Schäden durch Vandalismus zu erwarten.

BenuTzerschniT TsTelle

In herkömmlichen Ladesäulen (Bild 1) ist neben der Ladetech-nik und dem Ladekabel in der Regel eine Benutzerschnittstel-le untergebracht, die beispielsweise aus einem Anzeigemodul, Bedienelementen für Benutzereingaben sowie einem Kredit-kartenlesegerät besteht. Beim induktiven Laden hingegen ent-fällt nicht nur das Ladekabel, sondern es ist auch die stationä-re Benutzerschnittstelle in dieser Form nicht mehr notwendig, da hier eine prinzipiell andere Bedienphilosophie vorherrschen wird. Der Fahrer entscheidet vom Fahrzeug aus, ob er unter-wegs Energie beziehen will und programmiert die fahrzeugsei-tige Elektronik entsprechend seiner Vorstellungen.

Der Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und induktiver Ladeinfrastruktur verläuft automatisiert. Bei der Fahrt in ein Parkhaus zum Beispiel führt ein Leitsystem zu einem freien Parkplatz mit stationärer Lademöglichkeit, während beim Fah-

ren das dynamische Laden automatisch startet, wenn man eine dafür vorgesehene Fahrbahn passiert.

PiloTProjek Te

Die Recherche im Internet zeigt, dass das induktive Laden kei-neswegs neu ist; vielmehr existieren seit Jahren Pilotprojekte sowie Einsatzbeispiele in einigen speziellen Anwendungsbe-reichen. Interessant sind fahrerlose Transportsysteme, die seit vielen Jahren das Bild in Fabrik- und Lagerhallen prägen sowie die öffentlichen Elektrobusse in Turin und Genua. In den beiden italienischen Städten verkehren schon seit dem Jahr 2002 rund 30 Elektrobusse, die in der Lage sind, bei Stopps an Haltestellen per Schnellladung Energie aus induktiven Ladevorrichtungen im Fahr-bahnboden zu „tanken“ (Bild 2).

Mit diesem Konzept bewältigen die Busse problemlos ihr Tagespensum, ohne zwischendurch explizit nachzuladen oder zu Batteriewechselstationen zu fahren. Da die Fahrzeuge nicht die Energie für den gesamten Tag mit sich führen, konnten die Entwickler die Batteriekapazität und damit deren Gewicht und Größe deutlich kleiner auslegen, was zu einer geringeren bewegten Masse führt und der Wirtschaftlichkeit zugutekommt. Vergleichbare Projekte mit induktiver Ladetechnik gibt es im öffentlichen Nahverkehr inzwischen weltweit in etlichen Städ-ten – in Deutschland beispielsweise in Augsburg, Braunschweig, Mannheim und ab Sommer 2015 auch in Berlin.

In Analogie zum Laden an Haltestellen wäre für private Elektro-fahrzeuge ein Nachladen beim Halten vor roten Ampeln denkbar, zumindest im städtischen Umfeld. Bevor ein solches Szenario mög-lich ist, sind sowohl in punkto Technologie als auch bei der Stan-dardisierung noch etliche Herausforderungen zu meistern.

Das induktive Laden basiert auf der Kopplung zweier Spulen, wie es vom klassischen Transformator her seit langem bekannt ist. Da ein hoher Wirkungsgrad zu den wesentlichen Erfolgsfak-toren zählt, kommt es bei der Umsetzung zum einen auf einen geringen Abstand von der Primärspule im Fahrbahnboden zur Sekundärspule im Fahrzeug an. Zum anderen ist für minimale Streuverluste eine exakte Positionierung des Fahrzeugs notwen-dig. Assistenzsysteme zur Feinpositionierung können hier künf-tig wertvolle Dienste leisten.

Technische herausforderungen

Weitere technische Fragen betreffen die Auswahl geeigneter Frequenzbereiche sowie die möglichen Ladestromstärken und Spulenspannungen. Über diese und etliche weitere Parameter definieren sich die maximalen Ladeleistungen, Wirkungsgra-de, zulässigen Erwärmungen und vieles mehr. Außerdem sind diverse physikalische Effekte, parasitäre Kapazitäten, Isolations-verluste und vieles mehr zu berücksichtigen. Trotz aller Heraus-forderungen erreichen die bekannten Projekte beim induktiven Laden Wirkungsgrade von rund 90 %. Während die 2002 ins-

Keywords

induktives laden / WPT / iso / iec-15118

Induktives Laden für e-Fahrzeuge Iso/IeC-15118-standardisierungdas induktive laden gewinnt in Diskussionen und Berichten rund um die Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Diese Technologie bietet – neben dem vordergründigen Komfortgewinn – eine Reihe wesentlicher Vorteile, die langfristig gar nicht hoch genug einzuschätzen sind. Insbesondere lassen sich durch induktives Laden die Reichweiten der Elektrofahrzeuge bequem erweitern und die teuren Batte­rien kleiner auslegen. Dieser Beitrag vermittelt einen Überblick über aktuelle Fragen zur Technik und Normung des induktiven Ladens, wie sie unter anderem auf dem Vector E­Mobility Engineering Day 2015 in Stuttgart von Automobilherstellern und Zulieferern erörtert worden sind. Autor: Dirk Großmann

Bild:

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26-27 16.10.2015 11:56:33

26 27Energie + Antriebe Induktives Laden Energie + Antriebe Induktives Ladenemobility tec 04/2015 emobility tec 04/2015

So wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor regelmäßig zur Tankstelle fahren, beziehen Elektroautos ihre Ener-

gie quasi aus der Steckdose. Sei es, dass man den Wagen über Nacht in der heimischen Garage an das Stromnetz anschließt oder die Batterie unterwegs an öffentlich zugänglichen Lade-säulen nachlädt. Bislang führt kein standardisierter Weg an einer leitungsgebundenen Energieübertragung vorbei, die stets verbunden ist mit manuellen Aktionen zum Koppeln von Ste-cker und Ladebuchse.

Trend -Technologie

Das wird sich ändern, denn die Elektromobilität bietet als Alter-native und Ergänzung zum leitungsgebundenen Laden die Mög-lichkeit des induktiven Ladens. Hierbei wird unterschieden zwi-schen stationärem und dynamischem Laden. Das heißt, neben dem üblichen Laden im Stillstand ist auch ein dynamisches Laden während der Fahrt auf speziell präparierten Fahrbahnen tech-nologisch realisierbar. Zahlreiche Unternehmen, Institutionen und Forschungsprojekte arbeiten bereits daran, die Technologie des induktiven Ladens zur Marktreife zu bringen und gleichzei-tig eine globale Standardisierung zu erreichen. Das Laden ohne

Kabelverbindung verleiht dem Alltag von Verkehrsteilnehmern mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen einen spürbaren Kom-fortgewinn. Darüber hinaus bietet es etliche weitere Vorteile: Defekte an Steckverbindungen und Leitungen aufgrund von Alte-rung, Verschleiß, Korrosion oder Kabelbruch sind ausgeschlossen, was zu einem insgesamt geringeren Wartungsaufwand führt. Im öffentlichen Bereich sind mangels Angriffsflächen zudem deutlich weniger Schäden durch Vandalismus zu erwarten.

BenuTzerschniT TsTelle

In herkömmlichen Ladesäulen (Bild 1) ist neben der Ladetech-nik und dem Ladekabel in der Regel eine Benutzerschnittstel-le untergebracht, die beispielsweise aus einem Anzeigemodul, Bedienelementen für Benutzereingaben sowie einem Kredit-kartenlesegerät besteht. Beim induktiven Laden hingegen ent-fällt nicht nur das Ladekabel, sondern es ist auch die stationä-re Benutzerschnittstelle in dieser Form nicht mehr notwendig, da hier eine prinzipiell andere Bedienphilosophie vorherrschen wird. Der Fahrer entscheidet vom Fahrzeug aus, ob er unter-wegs Energie beziehen will und programmiert die fahrzeugsei-tige Elektronik entsprechend seiner Vorstellungen.

Der Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und induktiver Ladeinfrastruktur verläuft automatisiert. Bei der Fahrt in ein Parkhaus zum Beispiel führt ein Leitsystem zu einem freien Parkplatz mit stationärer Lademöglichkeit, während beim Fah-

ren das dynamische Laden automatisch startet, wenn man eine dafür vorgesehene Fahrbahn passiert.

PiloTProjek Te

Die Recherche im Internet zeigt, dass das induktive Laden kei-neswegs neu ist; vielmehr existieren seit Jahren Pilotprojekte sowie Einsatzbeispiele in einigen speziellen Anwendungsbe-reichen. Interessant sind fahrerlose Transportsysteme, die seit vielen Jahren das Bild in Fabrik- und Lagerhallen prägen sowie die öffentlichen Elektrobusse in Turin und Genua. In den beiden italienischen Städten verkehren schon seit dem Jahr 2002 rund 30 Elektrobusse, die in der Lage sind, bei Stopps an Haltestellen per Schnellladung Energie aus induktiven Ladevorrichtungen im Fahr-bahnboden zu „tanken“ (Bild 2).

Mit diesem Konzept bewältigen die Busse problemlos ihr Tagespensum, ohne zwischendurch explizit nachzuladen oder zu Batteriewechselstationen zu fahren. Da die Fahrzeuge nicht die Energie für den gesamten Tag mit sich führen, konnten die Entwickler die Batteriekapazität und damit deren Gewicht und Größe deutlich kleiner auslegen, was zu einer geringeren bewegten Masse führt und der Wirtschaftlichkeit zugutekommt. Vergleichbare Projekte mit induktiver Ladetechnik gibt es im öffentlichen Nahverkehr inzwischen weltweit in etlichen Städ-ten – in Deutschland beispielsweise in Augsburg, Braunschweig, Mannheim und ab Sommer 2015 auch in Berlin.

In Analogie zum Laden an Haltestellen wäre für private Elektro-fahrzeuge ein Nachladen beim Halten vor roten Ampeln denkbar, zumindest im städtischen Umfeld. Bevor ein solches Szenario mög-lich ist, sind sowohl in punkto Technologie als auch bei der Stan-dardisierung noch etliche Herausforderungen zu meistern.

Das induktive Laden basiert auf der Kopplung zweier Spulen, wie es vom klassischen Transformator her seit langem bekannt ist. Da ein hoher Wirkungsgrad zu den wesentlichen Erfolgsfak-toren zählt, kommt es bei der Umsetzung zum einen auf einen geringen Abstand von der Primärspule im Fahrbahnboden zur Sekundärspule im Fahrzeug an. Zum anderen ist für minimale Streuverluste eine exakte Positionierung des Fahrzeugs notwen-dig. Assistenzsysteme zur Feinpositionierung können hier künf-tig wertvolle Dienste leisten.

Technische herausforderungen

Weitere technische Fragen betreffen die Auswahl geeigneter Frequenzbereiche sowie die möglichen Ladestromstärken und Spulenspannungen. Über diese und etliche weitere Parameter definieren sich die maximalen Ladeleistungen, Wirkungsgra-de, zulässigen Erwärmungen und vieles mehr. Außerdem sind diverse physikalische Effekte, parasitäre Kapazitäten, Isolations-verluste und vieles mehr zu berücksichtigen. Trotz aller Heraus-forderungen erreichen die bekannten Projekte beim induktiven Laden Wirkungsgrade von rund 90 %. Während die 2002 ins-

Keywords

induktives laden / WPT / iso / iec-15118

Induktives Laden für e-Fahrzeuge Iso/IeC-15118-standardisierungdas induktive laden gewinnt in Diskussionen und Berichten rund um die Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Diese Technologie bietet – neben dem vordergründigen Komfortgewinn – eine Reihe wesentlicher Vorteile, die langfristig gar nicht hoch genug einzuschätzen sind. Insbesondere lassen sich durch induktives Laden die Reichweiten der Elektrofahrzeuge bequem erweitern und die teuren Batte­rien kleiner auslegen. Dieser Beitrag vermittelt einen Überblick über aktuelle Fragen zur Technik und Normung des induktiven Ladens, wie sie unter anderem auf dem Vector E­Mobility Engineering Day 2015 in Stuttgart von Automobilherstellern und Zulieferern erörtert worden sind. Autor: Dirk Großmann

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28 29Energie + Antriebe Induktives Laden Energie + Antriebe Induktives Ladenemobility tec 04/2015 emobility tec 04/2015

tallierten italienischen Pilotprojekte mit einer Ladeleistung von 60 kW arbeiten, beziehen die 2014 in Betrieb genommenen Elek-trobusse in Braunschweig ihre Energie bereits mit einer Leistung von 200 kW; beide Systeme nutzen eine Frequenz von 20 kHz.

ladekommunik aTion via iso/iec 15118

Ohne sichere Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladein-frastruktur ist jede Form des (öffentlichen) induktiven Ladens undenkbar. Nur damit lassen sich die zentralen Fragen beant-worten, nämlich wer, wann und wo wieviel Energie zu welchen Konditionen bezogen hat. Auf dieser Basis entstehen dann auch die korrekten rechtsgültigen Abrechnungen. Auch Betrug und Missbrauch lässt sich damit ausschließen. Dasselbe trifft sinn-gemäß auch für das Laden über Kabel an Ladesäulen zu. Für das leitungsgebundene Laden (AC und DC) gibt es bereits die ISO/IEC-Norm 15118, die seit Frühjahr 2015 vollständig verabschiedet ist. Zusätzlich existiert für das Gleichstrom-Laden die DIN SPEC 70121:2014. Gemeinsam sind sie Bestandteil des Combined Char-ging Systems (CCS – Kombiniertes Ladesystem), das in Europa Standard für AC/DC-Ladesysteme ist.

Die ISO/IEC 15118 regelt alle Details der Ladekommunikation für das intelligente Laden oder auch Smart Charging. Dazu gehö-ren neben Verbindungsaufbau und Authentifikation, das Aushan-deln von Tarifen, das automatische Bezahlen, das Lade-Manage-ment oder auch das zukünftige Berücksichtigen von Smart-Grid-Anforderungen. Letzteres kann bei Energieknappheit bedeuten, dass das E-Fahrzeug auch temporär Energie zurück ins Netz speist. Als Physical Layer für die Datenkommunikation ist von der ISO/IEC 15118 „HomePlug Green PHY“ vorgesehen.

Beim induktiven Laden kann naturgemäß nicht auf eine lei-tungsbasierte Kommunikationstechnik zurückgegriffen werden, sodass ein anderer Physical Layer (ISO/OSI-Schicht 1) erforder-lich ist. Zusätzlich sind Anpassungen in der Anwendungsschicht (ISO/OSI-Schicht 7) notwendig. Diesen Aufgaben widmen sich

derzeit etliche Projektteams der ISO/IEC, die die Norm ISO/IEC 15118 für Wireless Power Transfer (WPT) weiterentwickeln.

Bei den Erweiterungen der ISO/IEC 15118 für WPT handelt es sich im Einzelnen um die Normteile ISO/IEC 15118-6, -7 und -8. Während der Entwurf für Teil 6 der Norm allgemeine Informa-tionen zum drahtlosen Kommunizieren bei WPT behandelt sowie Anwendungsfälle definiert, geht es in Teil 7 um Proto-kollanforderungen. Die ISO/IEC 15118-8 schließlich befasst sich mit dem Physical Layer sowie mit dem Data Link Layer.

Neben der ISO/IEC arbeiten auch andere Standardisierungsor-ganisationen, insbesondere die SAE, an Kommunikationslösun-gen für WPT, sodass zu jedem Teil der ISO/IEC 15118 ein ver-gleichbarer SAE-Normteil existiert. China wiederum hat bisher keinen nationalen GB-Standard (GB: Guobiao) zum Themenkreis WPT angekündigt. Um eine weltweite Kompatibilität der Lade-technik und Ladekommunikation zu schaffen, ist allerdings eine Harmonisierung aller nationalen und internationalen Standards notwendig. Mit SAE und ISO/IEC sind die für Nordamerika und Europa relevanten Organisationen dabei, einen gemeinsamen Standard für Wireless Power Transfer zu schaffen; zusätzlich gilt es, Asien und vor allem China mit ins Boot zu holen.

Für ISO/IEC 15118-6 liegt der Draft International Standard (DIS) seit Frühjahr 2015 vor; DIS Teil 7 und DIS Teil 8 sollen bis Ende 2015/Anfang 2016 folgen. Ein vollständiger Final Draft International Standard (FDIS) ist für Anfang 2017 vorgesehen.

lösungen und TesT Werk zeuge für iso/iec-15118

Bis dahin müssen Automobilhersteller, Zulieferer und Unterneh-men für die Ladeinfrastruktur jedoch nicht mit den Entwicklun-gen warten. Da das induktive Laden gemäß ISO/IEC 15118-6ff zu großen Teilen identisch ist zum leitungsgebundenen Laden, empfiehlt sich eine schrittweise Vorgehensweise. Von Vector Informatik etwa sind schon heute fertige und erprobte Embed-ded-Lösungen für ISO/IEC 15118 erhältlich, mit denen die Her-

steller Seriensteuergeräte zum intelligenten Laden über ein Ladekabel entwickeln können. Während das Produkt MICRO-SAR.V2G zum Entwickeln von Ladesteuergeräten im Fahrzeug dient, lässt sich mit dem Produkt vEVSE die entsprechend ISO/IEC-15118-konforme Kommunikation für Ladesäulen verwirkli-chen. Die Lösungen unterstützen sämtliche Software-Anforde-rungen der ISO/IEC 15118, inklusive der Hardware-Anbindung (Homeplug Green PHY) und SLAC-Ablauf (Signal Level Attenu-ation Characterization).

schriT T Weise umsTellen

Die Migration zum induktiven Laden geschieht in einem zweiten Schritt sobald der ISO-Standard alle notwendigen Spezifikati-onen für induktive Ladesysteme festgeschrieben hat. Da Vector in den ISO-Gremien vertreten ist und aktiv die Standardisie-rung begleitet, ist der Stuttgarter Spezialist in der Lage, zeitnahe Lösungen oder Erweiterungen für WPT anzubieten. Gleiches gilt für die Testwerkzeuge von Vector, mit denen sich Ladesyste-me testen lassen. So bietet das Unternehmen für den HiL-Tester VT System eine spezielle Einschubkarte VT7900 mit Adapter VT7870 (Bild 3) an, die alle für die Smart Charging Commu-nication (SCC) notwendigen Mechanismen unterstützt. Dazu zählen unter anderem die HomePlug GreenPhy-Kommunikati-on mit SLAC, PWM-Ansteuerung (IEC61851) und entsprechen-de Widerstände zur Simulation von Steckverbindungen. Das VT System kann sowohl zum Simulieren von Elektrofahrzeugen als auch zur Simulation von Ladesäulen dienen.

Für den Durchbruch der Elektromobilität und das Erschließen des Massenmarkts ist die globale Standardisierung überaus wichtig, was für konduktives und induktives Laden gleicherma-ßen zutrifft. Ein einheitlicher globaler Markt erlaubt der Auto-mobilindustrie und den Herstellern der Ladeinfrastruktur einen länderübergreifenden Vertrieb ihrer Produkte. Sie müssen nicht für jeden Teil der Welt kostentreibend Sonderlösungen imple-

mentieren. Gleichzeitig wächst die Bereitschaft für weitere Inves-titionen in die Elektromobilität und verleiht Sicherheit, dass sich die enormen Entwicklungskosten auszahlen. Lassen sich Elek-trofahrzeuge länderübergreifend einsetzen und steht auch für das drahtlose Laden eine flächendeckende genormte Ladeinfra-struktur zur Verfügung, wird sich das positiv auf die Akzeptanz der Nutzer auswirken.

Die leitungsgebundene und die induktive Ladetechnik werden sich vermutlich in der Praxis ergänzen. Wichtig ist zunächst eine nationale flächendeckende Grundversorgung für das leitungs-gebundene Laden. Das induktive Laden bietet hingegen viel Potenzial für die Zukunft, erfordert aber andererseits erhebliche bauliche Maßnahmen. Nach Abschluss der internationalen Har-monisierung wird sich zeigen, wie hoch die Bereitschaft für Investitionen in induktive Ladeinfrastrukturprojekte ist.

dynamisch laden

Mit Lösungen zum dynamischen Laden können Elektrofahr-zeuge während der Fahrt auf speziell dafür ausgelegten Stra-ßenabschnitten drahtlos Energie beziehen. Dies ist langfristig nicht hoch genug einzuschätzen. Schließlich lassen sich so die derzeit noch begrenzten Reichweiten von Elektroautos signifi-kant erweitern, wenn zum Beispiel auf Autobahnen oder Über-landstraßen in regelmäßigen Abständen Ladestrecken integriert sind. Schon heute finden sich in Deutschland an vielen Stellen nahe an Autobahnen Windkraftanlagen, die Straßenabschnitte mit induktiver Lademöglichkeit bei überschaubarem Kostenauf-wand speisen könnten. (av) ∕∕

Bild 1: Bislang übliches Laden via Ladesäule und Kabel.

Bild 2: Induktives Schnellladen eines Elektrobusses in Turin. Markierungen erleichtern die genaue Positionierung über der Ladevorrichtung im Fahr-bahnboden.

Bild 3: VT7870 ist das Smart-Charge-Communication-Modul von Vector für ISO/IEC-15118-konforme Tests der Ladekommunikation.

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Autordirk großmann Gruppenleiter im Bereich Embedded Software bei Vector Informatik.

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28 29Energie + Antriebe Induktives Laden Energie + Antriebe Induktives Ladenemobility tec 04/2015 emobility tec 04/2015

tallierten italienischen Pilotprojekte mit einer Ladeleistung von 60 kW arbeiten, beziehen die 2014 in Betrieb genommenen Elek-trobusse in Braunschweig ihre Energie bereits mit einer Leistung von 200 kW; beide Systeme nutzen eine Frequenz von 20 kHz.

ladekommunik aTion via iso/iec 15118

Ohne sichere Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladein-frastruktur ist jede Form des (öffentlichen) induktiven Ladens undenkbar. Nur damit lassen sich die zentralen Fragen beant-worten, nämlich wer, wann und wo wieviel Energie zu welchen Konditionen bezogen hat. Auf dieser Basis entstehen dann auch die korrekten rechtsgültigen Abrechnungen. Auch Betrug und Missbrauch lässt sich damit ausschließen. Dasselbe trifft sinn-gemäß auch für das Laden über Kabel an Ladesäulen zu. Für das leitungsgebundene Laden (AC und DC) gibt es bereits die ISO/IEC-Norm 15118, die seit Frühjahr 2015 vollständig verabschiedet ist. Zusätzlich existiert für das Gleichstrom-Laden die DIN SPEC 70121:2014. Gemeinsam sind sie Bestandteil des Combined Char-ging Systems (CCS – Kombiniertes Ladesystem), das in Europa Standard für AC/DC-Ladesysteme ist.

Die ISO/IEC 15118 regelt alle Details der Ladekommunikation für das intelligente Laden oder auch Smart Charging. Dazu gehö-ren neben Verbindungsaufbau und Authentifikation, das Aushan-deln von Tarifen, das automatische Bezahlen, das Lade-Manage-ment oder auch das zukünftige Berücksichtigen von Smart-Grid-Anforderungen. Letzteres kann bei Energieknappheit bedeuten, dass das E-Fahrzeug auch temporär Energie zurück ins Netz speist. Als Physical Layer für die Datenkommunikation ist von der ISO/IEC 15118 „HomePlug Green PHY“ vorgesehen.

Beim induktiven Laden kann naturgemäß nicht auf eine lei-tungsbasierte Kommunikationstechnik zurückgegriffen werden, sodass ein anderer Physical Layer (ISO/OSI-Schicht 1) erforder-lich ist. Zusätzlich sind Anpassungen in der Anwendungsschicht (ISO/OSI-Schicht 7) notwendig. Diesen Aufgaben widmen sich

derzeit etliche Projektteams der ISO/IEC, die die Norm ISO/IEC 15118 für Wireless Power Transfer (WPT) weiterentwickeln.

Bei den Erweiterungen der ISO/IEC 15118 für WPT handelt es sich im Einzelnen um die Normteile ISO/IEC 15118-6, -7 und -8. Während der Entwurf für Teil 6 der Norm allgemeine Informa-tionen zum drahtlosen Kommunizieren bei WPT behandelt sowie Anwendungsfälle definiert, geht es in Teil 7 um Proto-kollanforderungen. Die ISO/IEC 15118-8 schließlich befasst sich mit dem Physical Layer sowie mit dem Data Link Layer.

Neben der ISO/IEC arbeiten auch andere Standardisierungsor-ganisationen, insbesondere die SAE, an Kommunikationslösun-gen für WPT, sodass zu jedem Teil der ISO/IEC 15118 ein ver-gleichbarer SAE-Normteil existiert. China wiederum hat bisher keinen nationalen GB-Standard (GB: Guobiao) zum Themenkreis WPT angekündigt. Um eine weltweite Kompatibilität der Lade-technik und Ladekommunikation zu schaffen, ist allerdings eine Harmonisierung aller nationalen und internationalen Standards notwendig. Mit SAE und ISO/IEC sind die für Nordamerika und Europa relevanten Organisationen dabei, einen gemeinsamen Standard für Wireless Power Transfer zu schaffen; zusätzlich gilt es, Asien und vor allem China mit ins Boot zu holen.

Für ISO/IEC 15118-6 liegt der Draft International Standard (DIS) seit Frühjahr 2015 vor; DIS Teil 7 und DIS Teil 8 sollen bis Ende 2015/Anfang 2016 folgen. Ein vollständiger Final Draft International Standard (FDIS) ist für Anfang 2017 vorgesehen.

lösungen und TesT Werk zeuge für iso/iec-15118

Bis dahin müssen Automobilhersteller, Zulieferer und Unterneh-men für die Ladeinfrastruktur jedoch nicht mit den Entwicklun-gen warten. Da das induktive Laden gemäß ISO/IEC 15118-6ff zu großen Teilen identisch ist zum leitungsgebundenen Laden, empfiehlt sich eine schrittweise Vorgehensweise. Von Vector Informatik etwa sind schon heute fertige und erprobte Embed-ded-Lösungen für ISO/IEC 15118 erhältlich, mit denen die Her-

steller Seriensteuergeräte zum intelligenten Laden über ein Ladekabel entwickeln können. Während das Produkt MICRO-SAR.V2G zum Entwickeln von Ladesteuergeräten im Fahrzeug dient, lässt sich mit dem Produkt vEVSE die entsprechend ISO/IEC-15118-konforme Kommunikation für Ladesäulen verwirkli-chen. Die Lösungen unterstützen sämtliche Software-Anforde-rungen der ISO/IEC 15118, inklusive der Hardware-Anbindung (Homeplug Green PHY) und SLAC-Ablauf (Signal Level Attenu-ation Characterization).

schriT T Weise umsTellen

Die Migration zum induktiven Laden geschieht in einem zweiten Schritt sobald der ISO-Standard alle notwendigen Spezifikati-onen für induktive Ladesysteme festgeschrieben hat. Da Vector in den ISO-Gremien vertreten ist und aktiv die Standardisie-rung begleitet, ist der Stuttgarter Spezialist in der Lage, zeitnahe Lösungen oder Erweiterungen für WPT anzubieten. Gleiches gilt für die Testwerkzeuge von Vector, mit denen sich Ladesyste-me testen lassen. So bietet das Unternehmen für den HiL-Tester VT System eine spezielle Einschubkarte VT7900 mit Adapter VT7870 (Bild 3) an, die alle für die Smart Charging Commu-nication (SCC) notwendigen Mechanismen unterstützt. Dazu zählen unter anderem die HomePlug GreenPhy-Kommunikati-on mit SLAC, PWM-Ansteuerung (IEC61851) und entsprechen-de Widerstände zur Simulation von Steckverbindungen. Das VT System kann sowohl zum Simulieren von Elektrofahrzeugen als auch zur Simulation von Ladesäulen dienen.

Für den Durchbruch der Elektromobilität und das Erschließen des Massenmarkts ist die globale Standardisierung überaus wichtig, was für konduktives und induktives Laden gleicherma-ßen zutrifft. Ein einheitlicher globaler Markt erlaubt der Auto-mobilindustrie und den Herstellern der Ladeinfrastruktur einen länderübergreifenden Vertrieb ihrer Produkte. Sie müssen nicht für jeden Teil der Welt kostentreibend Sonderlösungen imple-

mentieren. Gleichzeitig wächst die Bereitschaft für weitere Inves-titionen in die Elektromobilität und verleiht Sicherheit, dass sich die enormen Entwicklungskosten auszahlen. Lassen sich Elek-trofahrzeuge länderübergreifend einsetzen und steht auch für das drahtlose Laden eine flächendeckende genormte Ladeinfra-struktur zur Verfügung, wird sich das positiv auf die Akzeptanz der Nutzer auswirken.

Die leitungsgebundene und die induktive Ladetechnik werden sich vermutlich in der Praxis ergänzen. Wichtig ist zunächst eine nationale flächendeckende Grundversorgung für das leitungs-gebundene Laden. Das induktive Laden bietet hingegen viel Potenzial für die Zukunft, erfordert aber andererseits erhebliche bauliche Maßnahmen. Nach Abschluss der internationalen Har-monisierung wird sich zeigen, wie hoch die Bereitschaft für Investitionen in induktive Ladeinfrastrukturprojekte ist.

dynamisch laden

Mit Lösungen zum dynamischen Laden können Elektrofahr-zeuge während der Fahrt auf speziell dafür ausgelegten Stra-ßenabschnitten drahtlos Energie beziehen. Dies ist langfristig nicht hoch genug einzuschätzen. Schließlich lassen sich so die derzeit noch begrenzten Reichweiten von Elektroautos signifi-kant erweitern, wenn zum Beispiel auf Autobahnen oder Über-landstraßen in regelmäßigen Abständen Ladestrecken integriert sind. Schon heute finden sich in Deutschland an vielen Stellen nahe an Autobahnen Windkraftanlagen, die Straßenabschnitte mit induktiver Lademöglichkeit bei überschaubarem Kostenauf-wand speisen könnten. (av) ∕∕

Bild 1: Bislang übliches Laden via Ladesäule und Kabel.

Bild 2: Induktives Schnellladen eines Elektrobusses in Turin. Markierungen erleichtern die genaue Positionierung über der Ladevorrichtung im Fahr-bahnboden.

Bild 3: VT7870 ist das Smart-Charge-Communication-Modul von Vector für ISO/IEC-15118-konforme Tests der Ladekommunikation.

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Autordirk großmann Gruppenleiter im Bereich Embedded Software bei Vector Informatik.

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