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34 Elektronik automotive Sonderausgabe Elektromobilität 2014 Smart Charging – ein Schlüssel zur erfolgreichen Elektromobilität Das Laden von Elektrofahrzeugen mit Wechselstrom regelt weltweit die seit Frühjahr 2014 vollständig verabschiedete ISO/IEC-Norm 15118. Für das Gleichstrom-Laden hat sich die Branche auf ein entsprechen- des Subset geeinigt, das in der Vornorm DIN SPEC 70121 beschrieben ist. Dieser Beitrag beleuchtet einige Details beider Normen und zeigt Wege auf, wie Hersteller von Elektrofahrzeugen und Ladestationen zü- gig zur neuen Norm konforme Produkte entwickeln und diese effizient testen können. Von Dirk Großmann und Heiner Hild W ährend das Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungs- motor wenig spektakulär und nach wenigen Minuten abgeschlossen ist, verläuft dieser Vorgang bei Elektro- fahrzeugen deutlich anders: das Orga- nisieren und Optimieren des Ladevor- gangs der Batterie gehört zu den ele- mentaren Aufgaben der Fahrzeug- und Ladesäulenhersteller. Im Kontext der Energiewende und zukünftiger intelli- genter Stromnetze (Smart Grid) ist der Ladevorgang wesentlich vielschichtiger, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Es gilt nicht nur, elementare Infor- mationen wie die verfügbare Leistung der Ladesäule, den Batteriezustand und den Ladebedarf zu berücksichtigen. Auch komplexere Informationen, zum Beispiel die zum Ladezeitpunkt verfüg- baren Energieressourcen, sind zu be- achten. Daneben sind Aspekte der Kostenoptimierung, der Bezahl-/Abrech- nungsmodalitäten und Sicherheit sowie weitere Fragen von Bedeutung: Wie authentifiziert sich der Benutzer? Benö- tigt das Fahrzeug in kurzer Zeit mög- lichst viel elektrische Energie oder darf sich der Ladevorgang über etliche Stunden erstrecken, bis nach Dienst- schluss oder zum Ende einer ausge- dehnten Einkaufstour? Das intelligente Laden gemäß ISO/ IEC 15118 bietet die Chance, diese Pro- blemstellungen im Sinne der Fahrzeug- halter, Energieversorger, Ladesäulen- hersteller und nicht zuletzt der Umwelt bestmöglich zu lösen. Die Zeiten unge- regelter Ladeprozesse, bei denen der Nutzer sein Fahrzeug einfach mit dem vorhandenen Stromnetz koppelt, um es sofort mit maximal möglicher Leis- tung aufzuladen, neigen sich dem Ende zu beziehungsweise werden entspre- chend teurer zu bezahlen sein. Weil LADEKOMMUNIKATION (Bild: Vector Informatik)

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34 Elektronik automotive Sonderausgabe Elektromobilität 2014

Smart Charging – ein Schlüssel zur erfolgreichen

ElektromobilitätDas Laden von Elektrofahrzeugen mit Wechselstrom regelt weltweit

die seit Frühjahr 2014 vollständig verabschiedete ISO/IEC-Norm 15118. Für das Gleichstrom-Laden hat sich die Branche auf ein entsprechen-

des Subset geeinigt, das in der Vornorm DIN SPEC 70121 beschrieben ist. Dieser Beitrag beleuchtet einige Details beider Normen und zeigt

Wege auf, wie Hersteller von Elektrofahrzeugen und Ladestationen zü-gig zur neuen Norm konforme Produkte entwickeln und diese effizient

testen können.

Von Dirk Großmann und Heiner Hild

Während das Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungs-motor wenig spektakulär und

nach wenigen Minuten abgeschlossen ist, verläuft dieser Vorgang bei Elektro-fahrzeugen deutlich anders: das Orga-nisieren und Optimieren des Ladevor-gangs der Batterie gehört zu den ele-mentaren Aufgaben der Fahrzeug- und Ladesäulenhersteller. Im Kontext der

Energiewende und zukünftiger intelli-genter Stromnetze (Smart Grid) ist der Ladevorgang wesentlich vielschichtiger, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Es gilt nicht nur, elementare Infor-mationen wie die verfügbare Leistung der Ladesäule, den Batteriezustand und den Ladebedarf zu berücksichtigen. Auch komplexere Informationen, zum Beispiel die zum Ladezeitpunkt verfüg-

baren Energieressourcen, sind zu be-achten. Daneben sind Aspekte der Kostenoptimierung, der Bezahl-/Abrech-nungsmodalitäten und Sicherheit sowie weitere Fragen von Bedeutung: Wie authentifiziert sich der Benutzer? Benö-tigt das Fahrzeug in kurzer Zeit mög-lichst viel elektrische Energie oder darf sich der Ladevorgang über etliche Stunden erstrecken, bis nach Dienst-schluss oder zum Ende einer ausge-dehnten Einkaufstour?

Das intelligente Laden gemäß ISO/IEC 15118 bietet die Chance, diese Pro-blemstellungen im Sinne der Fahrzeug-halter, Energieversorger, Ladesäulen-hersteller und nicht zuletzt der Umwelt bestmöglich zu lösen. Die Zeiten unge-regelter Ladeprozesse, bei denen der Nutzer sein Fahrzeug einfach mit dem vorhandenen Stromnetz koppelt, um es sofort mit maximal möglicher Leis-tung aufzuladen, neigen sich dem Ende zu beziehungsweise werden entspre-chend teurer zu bezahlen sein. Weil

LADEKOMMUNIKATION

(Bild

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LADEKOMMUNIKATION

beim Laden von Elektrofahrzeugen vergleichsweise große Leistungen nötig sind, kann das bei einem hohen Gleich-zeitigkeitsfaktor, zum Beispiel in einem Parkhaus, zu erheblichem Leistungsbe-darf führen. Intelligente Ladeprozesse berücksichtigen das und gewähren den Stromlieferanten und dem intelligenten Stromnetz die benötigte Zeit, um sich auf die wechselnden Belastungssituati-onen einzustellen. Netzzusammenbrü-che in Spitzenlastzeiten lassen sich so sicher ausschließen.

Gemeinsame Leitung für Energie und Daten

Eine der Grundvoraussetzungen für intelligentes Laden ist ein zuverlässiger Informationsaustausch zwischen Fahr-zeug und Ladestation. ISO/IEC 15118 sieht hierfür HomePlug Green PHY als Physical Layer vor. Das ist ein von Home-Plug AV abgeleitetes Powerline-Com-munication-Verfahren (PLC). Letztge-nanntes ist im Heimbereich weit ver-breitet und dient zum Vernetzen von Computern und Audio-Video-Kompo-nenten (AV) über das Stromnetz. Darauf aufbauend kommen die aus der IT-Welt bekannten Internet-Protokolle wie TCP, UDP, IPv6, DNS, DHCP, TLS zur Anwen-dung. Nachfolgend wird genauer auf den initialen Verbindungsaufbau der PLC-Kommunikation eingegangen.

SLAC sorgt für sicheren Verbindungsaufbau

Im Rahmen der ISO/IEC-15118-High-Level-Kommunikation ist der initiale Verbindungsaufbau zwischen Fahrzeug und Ladesäule ein essenzielles Ereignis. Sobald ein Fahrer sein Fahrzeug mit einer Ladesäule verbindet, besteht das Ziel zunächst darin, einem gesicherten AV Logical Network (AVLN) beizutreten. Jedes AVLN wird durch eine Network ID (NID) repräsentiert. Des Weiteren benö-tigt jeder Teilnehmer eines AVLN zur verschlüsselten Kommunikation einen

zur NID passenden Network Member-ship Key.

Zu Beginn des Kommunikationsauf-baus sendet das Fahrzeug eine Ether-net-Broadcast-Botschaft an alle mögli-chen Netzteilnehmer. Alle Ladesäulen, die dieses Signal empfangen, reagieren darauf mit einer Ethernet-Unicast-Be-stätigung. Weil an einer physikalischen Versorgungsleitung mehrere Ladesäu-len angeschlossen sein können, ist das Protokoll dafür zuständig, die betreffen-de Ladesäule zu identifizieren, mit der das Fahrzeug verbunden ist. Aufgrund unerwünschter Einkopplungen können auch weitere Ladesäulen, die nicht physikalisch mit dem Fahrzeug verbun-den sind, angesprochen werden. Für einen korrekten und sicheren Ablauf des Verbindungsaufbaus sorgt daher bei HomePlug Green PHY der soge-nannte Signal-Level-Attenuation-Cha-racterization-Mechanismus (SLAC). SLAC

[email protected] www.elektroautomatik.de

_0CJQM_EA_SHEK_09.pdf;S: 1;Format:(185.00 x 90.00 mm);13. May 2014 13:12:17

Funktionen des Hardware-Moduls VT7870

➜ Simulation von Ladesäule oder Fahrzeug ➜ PWM Control Pilot (CP) Communi-cation ➜ High-Level Powerline Communica-tion (PLC) ➜ Fehlersimulation auf Control Pilot ➜ Simulation von Bauteiltoleranzen ➜ Anschluss und Messung des Proxi-mity Contact

Elektronik automotive Sonderausgabe Elektromobilität 2014 35

LADEKOMMUNIKATION

36 Elektronik automotive Sonderausgabe Elektromobilität 2014

On-Board Charger ECURuntime Environment

EXI

XML Security

Ethernet-Schnittstelle

Ethernet-Treiber

Ethernet-Transceiver-Treiber

Charge Spot

Eth SM TCP/IPv6

JSON/EXI

DNS

TLS

Smart ChargeCommunication

Customerfunctions

HTTPV2GTP

PowerlineCommunication

Legend:

MICROSAR V2Gmodules for SCC

DNS: Domain Name SystemEth SM: Ethernet State ManagerEXI: E�cient XML InterchangeJSON: Java Script Object NotationSCC: Smart Charge CommunicationTLS: Transport Layer SecurityV2GTP: Vehicle to Grid Transport Protocol

arbeitet nach der Request-Response-Methode, wobei die Anfrage stets vom Elektrofahrzeug ausgeht. Gleichzeitig einigen sich das Fahrzeug und die La-destation auf eine RunID, ein eindeuti-ges Identifikationsmerkmal, das alle nachfolgenden Botschaften derselben SLAC-Session enthalten müssen.

Der Verbindungsaufbau via SLAC durchläuft nacheinander verschiedene Stufen wie „Sounding Phase“, „Attenu-ation Characterization Phase“, „Valida-tion Phase“, „Matching Phase“ sowie die „Amplitude Map Exchange Phase“. Anhand verschieden starker Signal-dämpfungen ist das Fahrzeug mit Hilfe des SLAC-Mechanismus somit in der Lage, aus der Vielzahl antwortender Ladesäulen diejenige zu identifizieren, mit der das Fahrzeug physikalisch verbunden ist. Am Ende dieses Prozes-ses bilden Elektrofahrzeug und Lade-säule ein gemeinsames AVLN, über das die höheren Protokollschichten ihre Informationen verschlüsselt austau-schen.

Embedded-Systeme für die Ladesteuerung

Für die Automobilindustrie auf der ei-nen und die Hersteller der Ladeinfra-struktur auf der anderen Seite besteht eine wesentliche Herausforderung da-

Bild 2. VT7870 ist das Smart-Charge-Communication-Modul für ISO/IEC-15118-konforme Tests der Ladekommunikation. (Quelle: Vector Informatik)

rin, ihre Produkte konform zur ISO/IEC 15118 zu gestalten. Am schnellsten kommen Automo-bilhersteller bei der Entwick-lung des Ladesteuergeräts zu funktionstüchtigen Ergebnis-sen, wenn sie auf fertige und erprobte Embedded-Lösun-gen, wie Microsar V2G (Vehic-le-to-Grid) von Vector Infor-matik, zurückgreifen. Microsar V2G (Bild 1) ist ein Cluster von Basis-Software-Modulen und Teil einer AUTOSAR-kompatib-len Produktreihe, die es er-laubt, ein exakt auf seine An-forderungen zugeschnittenes Steuergeräte-Software-Paket zusammenzustellen. Microsar V2G deckt dabei alle Techno-logien sowie Protokolle auf den verschiedenen ISO-OSI-Schichten ab, die für das Laden mit Wechsel- und Gleichstrom gemäß ISO/IEC 15118 und DIN 70121 erforderlich sind. Dazu gehören passende Hardware-

Unterstützung für HomePlug Green PHY ebenso wie die Implementierung eines zukunftsfähigen TCP/IP Dual Stack für IPv6 und IPv4. Das ent-sprechende Pendant zur Smart-Charge Commu-nication für Hersteller von Ladesäulen heißt vEVSE und enthält auf Basis von Embedded Li-nux sämtliche ISO/IEC-15118/DIN-70121-rele-vanten Komponenten (SLAC, EXI und Bot-schaftsablauf).

Besondere Aufmerk-samkeit erfordert das Testen der Smart- Charge-Entwicklungen. Ein Lade-steuergerät nach ISO/IEC 15118 und DIN 70121 muss sich nicht nur feh-lerlos in die eigene Fahr-zeugelektronik integrie-ren, sondern ist nach außen hin quasi offen, wo es mit einer wechselnden Ladeinfrastruktur ver-schiedener Stromanbieter und Hersteller konfrontiert wird. Patt-Situationen an Ladesäulen aufgrund nicht vollständig kompatibler Systeme wären in hohem Maße kontraproduktiv und würden zu herben Rückschlagen für die Akzeptanz

der Elektromobilität führen. Um alle denkbaren Fehler und Inkompatibilitäten aufzuspüren, ist eine hohe Testabde-ckung und hohe Testtiefe erforderlich. Das lässt sich nur über systematische und automatisierte Testläufe erreichen, bei-spielsweise mit leistungsfähigen Hard-ware-in-the-Loop-Systemen (HiL).

Neue Testanforderungen meistern

Allerdings sind beim Smart Charging einige neue Technologien im Einsatz, die das Testsystem zu beherrschen hat. Es muss sämtliche in der Norm ISO/IEC 15118 verwendeten Verfahren hinsicht-lich Hard- und Software unterstützen und die in diesem Kontext notwendigen Testfälle abdecken. Das erstreckt sich über alle ISO-OSI-Schichten von der physikalischen Ebene des bei Powerline und HomePlug Green PHY aufmodu-lierten PWM-Signals (Control Pilot) über Mechanismen wie SLAC bis zu Internet- und Ethernet-Techniken. Ein leistungs-fähiges HiL-System ist in der Lage, für das zu prüfende System (SUT) die Um-gebung vollständig und realitätsnah zu simulieren. Neben den PLC- und SCC- (Smart Charging Communication) Ver-

fahren sind digitale und analoge Größen von Sensoren und Aktoren nachzubil-den, damit die Ladesäulen- oder Fahr-zeugseite spezifikationsgemäß betrie-ben werden kann. Eine leistungsfähige Restbussimulation generiert zudem das

Bild 1. Microsar V2G enthält die Software-Module für die Vehicle-to-Grid-Kommunikation. (Quelle: Vector Informatik)

LADEKOMMUNIKATION

Dirk Großmannist Gruppenleiter im Bereich Embedded Software bei Vector Informatik. Dort ist er unter anderem verantwortlich für die Entwicklung von MICRO-SAR V2G und vEVSE. Nach dem Studium der Elektrotechnik an

der Universität Stuttgart sowie sechs Jahren Automotive-Entwicklung im Bereich Steuergeräte-Software kam er 2003 zur Vector Informatik GmbH.

Dr. Heiner Hild ist Gruppenleiter und Produkt-manager im Bereich VT System bei Vector Informatik. Dort ist er zuständig für die Entwick-lung des VT System und weite-rer I/O-Test-Hardware sowie

deren Anbindung an CANoe. Nach dem Studium der Physik an der Universität Stuttgart und einer Promotion im Bereich Bildverarbeitung und Geoinformatik sowie über zehn Jah-ren Automotive-Entwicklung im Bereich Fahrerassistenz-systeme kam er 2014 zur Vector Informatik GmbH.

_0CHO4_SongChuan_EKAUTO_SH02.pdf;S: 1;Format:(210.00 x 99.00 mm);29. Apr 2014 13:41:04

Geschehen auf Fahrzeugbussen wie CAN, samt der dahinterstehenden Steu-ergerätelogik.

Zum Testen von ISO/IEC-15118- und DIN-70121-Entwicklungen stellt Vector für seinen HiL-Tester VT System eine

spezielle SCC-Einschubkarte zur Verfü-gung. Das VT7870 Board (Bild 2) bietet zwei Betriebsmodi und eignet sich sowohl zum Testen von Elektrofahrzeu-gen als auch zum Testen von Ladesäu-len. Beim Test von Fahrzeugen simuliert das HiL-System damit die Ladesäule und beim Test von Ladesäulen die Fahrzeugelektronik. Auf dem Board befindet sich ein Devolo-dLAN-Green-PHY-Modul mit QCA7000-Chipsatz, mit dem sich das auf den Control Pilot aufmodulierte Signal der Powerline Communication nicht nur empfangen, sondern auch erzeugen lässt (Bild  2,

Test-Design und Authoringmit vTESTstudio

SUTOn-Board Charger

PLC aufCP-Signal

Lade-leistung

VT System CANoe.Ethernet

Simulation der LadesäuleTestautomatisierung

SCC overEthernetSteuerung

Optional:Bereitstellung realer Leistung mittels steuerbarerLeistungsversorgung

On-Board Charger

Bild 3. Exemplarischer automatisierter Testaufbau für Onboard-Charger-Steuergeräte mit simulierter Lade-säule. (Quelle: Vector Informatik)

Textkasten 1). Das VT System ist modu-lar aufgebaut, flexibel skalierbar und kann Fehlersituationen, Leitungsbrü-che und Kurzschlüsse simulieren. Für Ladetests mit realen Stromstärken und Spannungen sind auch steuerbare

Stromversorgungen und elek tronische Las-ten anschließbar. Zur Konfiguration von Test-skripten, zur Testab-laufsteuerung, Repor-terstellung und Ergebnis analyse dient ein PC mit der Software CANoe.Ethernet und dem SCC-Add-on-Pa-ket. Falls erforderlich, übernimmt CANoe auch die Restbussimu-lation. Die automatisch ablaufenden Testfälle lassen sich mit vTEST-

studio definieren, einem mächtigen Test-Design- und Autoren-Werkzeug (Bild 3).

Der erwartete Anstieg sowohl an Elektrofahrzeugen als auch an Ladesäu-lensystemen bei gleichzeitig wachsen-der Durchdringungsrate der High-Level-Kommunikation führt zu einer stark anwachsenden kombinatorischen Kom-plexität. Daraus ergeben sich Heraus-forderungen an die Interoperabilität von Ladesäulen und Fahrzeugen sowie an die Konformität zu den geltenden Normen. Um diese sicher zu beherr-schen, ist eine zuverlässige und ausge-

reifte Produkt- und Teststrategie sowie aufeinander abgestimmte und erprob-te Komponenten und Werkzeuge not-wendig. Das vorgestellte Portfolio der Vector Informatik GmbH stellt einen durchgängigen Ansatz dar, um die er-folgreiche Verbreitung der Elektromo-bilität zu gewährleisten. eck