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Und nach Feierabend wird es dunkel…

Die Folgen der E-Mobility: Warum intelligente Lastverteilungssysteme zur Pflicht werden müssen.

Die produzierte Strommenge zur Bedienung aller E-Fahrzeuge in Deutschland ist nicht das Problem. Das Lastmanagement ist es. In Zukunft werden Elektrofahrzeuge dezentral während Arbeit, Einkauf und nicht zuletzt an Wohngebäuden aufgeladen. Ohne automatische und intelligente Kommunikation von Fahrzeugen, Ladesäulen und Einspeisung geht es nicht.

Der Fortschritt in der E-Mobility ist bemerkenswert. Neben höheren Ladekapazitäten der Akkumulatoren werden Ladepunkte und Kommunikationsverhalten der Steuerungen zur bestmöglichen Ausnutzung der Standzeiten vorangetrieben. Und: Wer sich auf ein Elektrofahrzeug ein- oder umstellen will, lernt schnell, dass nicht die Fahrt zur Tankstelle über die Reichweite eines Fahrzeugs entscheidet. Im Gegenteil: Jeder Stillstand kann zum Laden genutzt werden.

„In Zukunft werden wir unsere E-Autos überall laden: Beim Einkaufen, Parken, während der Arbeitszeit sowieso und nicht zuletzt am Wohnort. Dezentrale und einfach zugängliche Ladepunkte stehen dann permanent zur ‚Kurzzeitbetankung‘ zur Verfügung“, erklärt Thomas Klug, Geschäftsführer der EAutoLader GmbH.

Das Argument mangelnder Energieproduktion zur Bedienung der Gesamtmenge aller Verbraucher lässt Klug nicht gelten. Nach seinen Berechnungen aus dem Jahr 2016 könnten allein aus der Nettostromüberproduktion von 124 Terrawattstunden ca. 45,1 Millionen Elektroautos betrieben werden. Vergleicht man diese erstaunliche Zahl mit allen zugelassenen PKW von immerhin 46,5 Millionen (Stand Januar 2018) wird klar, warum nicht die Energiebereitstellung, sondern deren Verteilung bzw. die richtige Organisation der Verbrauchsladungen die größte Herausforderung ist.

Wie wird die Last verteilt? Das Feierabend-Problem

Schema einfaches Lastmanagement mit EAutoLader

Neben den kurzen Intervallen der Stillstandsladungen im Tagesverlauf liegt die Hauptlast auf dem Ladeverhalten der Verbraucher nach Arbeitsschluss, in der Regel werktags zwischen 17 und 20 Uhr. In diesem Zeitraum kommt es vermehrt zu Lastspitzen in den Haushalten, die die verschiedensten Verbraucher an das Stromnetz anschließen und zeitgleich maximale Leistung beanspruchen. Jeder Wohnkomplex mit mehreren Parteien, die nach Arbeitsschluss nach Hause fahren und das E-Auto vollständig aufladen wollen, führt unweigerlich zu einer Netzüberlastung. Um also Dunkelheit in der Wohnung zu vermeiden, rät Klug zu einem einfachen Lastmanagement in der Wohnanlage.

Das Konzept basiert auf einer einfachen Steuereinheit, die herstellerunabhängig an verschiedene Ladesäulensysteme angeschlossen werden kann. Um zu vermeiden, dass der Hausanschluss überlastet wird, überwacht und administriert der EAutoLader Ladeanschlüsse und Hausstrom.

Die Verwaltungszentrale ist dabei gerade einmal 16x9x3 cm (BxHxT) groß und wird in die
Elektroverteilung mit Anschlüssen zur Energieeinspeisung und Steuerungskästen in den Gebäuden
installiert. Dabei können pro Grundgerät bis zu zehn Ladepunkte angesprochen werden. Über
Erweiterungsmodule (Slaves) ist eine Skalierung der Anlage auf bis zu 120 Ladepunkte pro
Einspeisung möglich. Jeder Elektriker kann einfach, leicht und schnell den Einbau vornehmen und
muss nicht erst komplizierte proprietäre Ladesysteme durch Spezialisten konfigurieren lassen.

Robustes Lastmanagement: EAutoLader

„Wir verwalten das Ladeverhalten denkbar einfach“, beschreibt Klug die Lastverteilung: „Wer zuerst kommt, lädt zuerst bis zu einer Kapazität von ca. 80%. Danach folgen alle anderen. Es geht hier nicht um ein Splitting des Ladestroms, sondern um die einfachste (und schnellste) Verteilung der Energie an einen Verbraucher durch Ein- oder Ausschalten. Die restlichen 20% werden nach diesem ersten Hauptladevorgang in derselben Reihenfolge vergeben. Wer allerdings immer als Erster dabei sein will und nicht Schlange stehen möchte, kann sich als VIP eine Prioritätsbehandlung einkaufen.“

Profi-Entwicklung so einfach und langlebig wie möglich

Entwicklung der Multilayerleiterplatte des EAutoLaders mittels CAD

„Wir setzen uns ganz bewusst von den Anbietern ab, die ihre Kunden mit Riesensystemen und anspruchsvollen Komplettgeräten an sich binden und für völlig überteuerte Lizenzmodelle jeden Monat viel Geld für Elektronikschnickschnack verlangen. Der EAutoLader ist wartungsfrei, braucht kein Internet und keine Updates. Er verwaltet das Laden von Fahrzeugen absolut sicher und einfach und kostet einmalig ab 980 Euro. Fertig.“, sagt Klug den kommerziellen Herstellern den Kampf an. Damit liegt der Schwerpunkt der Anwendung auf Mehrparteienwohnhäusern und allen Einrichtungen, die ein grundlegend simples Lastmanagement anbieten wollen und bei minimalem Invest eine herstellerunabhängige, wartungsfreie Lösung bevorzugen, vom Händler um die Ecke über Arztpraxen bis hin zu Arbeitgebern, die mit ihren Mitarbeitern E-Mobility Angebote machen wollen.

Entwicklungspartner

Verantwortlich für das Gesamtprojekt ist die Lacon Embedded, die Entwicklungsschmiede der
Lacon Gruppe aus Karlsfeld bei München.

  • Komponentenauswahl, Softwareprogrammierung, Qualitätssicherung und Gerätebau werden vor Ort realisiert.
  • Konzipierung und Aufbau der Leiterplatte orientieren sich an Robustheit und möglichst einfacher Umsetzung.
  • Die Wege sind kurz, denn alle Platinen werden direkt nebenan im Lacon Hauptwerk bestückt, getestet und zum Endprodukt verarbeitet.
  • Das Produkt wurde in einem akkreditierten Labor auf elektromagnetische Verträglichkeit geprüft und zertifiziert.

Projektentwickler Martin Räuschl erklärt, worauf es ankommt: „Einfache Parametrierung über ein lokales Laptop mit einem Browser und herstellerübergreifendes Design sind die Kernforderungen, da war unser Weg schon vorgegeben. Wir haben uns zunächst auf den richtigen Controller konzentriert, so dass nicht noch der ganze IP-Stack von Hand programmiert werden muss. Mit der DHCP-fähigen Ethernet Schnittstelle, M-Bus und Modbus decken wir alle Anschlussmöglichkeiten ab, die der Markt verlangt. Das Netzteil ist ausgelagert, so geht über die Platine auch keine Last und es entsteht keine Hitzeentwicklung im Gerät. Das Ganze wird natürlich sehr viel günstiger, wenn ich keinen Lüfter und keinen Transformator brauche. Sicherheitsprobleme gibt es nicht, weil wir uns nicht ins Internet einwählen. Wer den EAutoLader hacken will, muss ihn schon aus der Garage rausrupfen...“

Konfigurationsseite des eAutoladers per html

Das Gerät schließt die Marktlücke zwischen den teuren Proprietärmodellen, die nur für die
Grundeinheit schon mit Fixkosten von 1.200 Euro beginnen und teilweise monatliche
Lizenzgebühren verlangen und den Bastellösungen aus der Garage, die von Sicherheits- und
Qualitätsaspekten abgekoppelt sind. Der EAutoLader steht zu höchster Qualität bei wartungsfreiem
Betrieb .

„In Wahrheit ist die Testphase der entscheidende Entwicklungsschritt.“, fügt Räuschl trocken hinzu:
„Wir haben ein Testgerät entwickeln müssen, das sämtliche Ladepunkte mit den verschiedensten Anforderungen simulieren kann und den EAutoLader in größtmögliche Bedrängnis bringt.“ Die
vorgestellte Testumgebung simuliert den gleichzeitigen Betrieb von 10 Ladepunkten.

Erst nachdem die EAutoLader-Steuerung alle Belastungstests erfolgreich durchlaufen hat, kann es
im Feld eingesetzt werden.

Die Parametrierung auf der html-Oberfläche ist denkbar einfach gehalten. Hier werden die
Basisinformationen zu Bus- und Zählertypen, Adressierung und maximale Ladeleistung
eingetragen.

Warum tut es nicht die Steckdose in der Wand?

Dipl. Ing. Thomas Klug im Gespräch mit Projektentwickler Martin Räuschl, Lacon Embedded

Oft wird argumentiert, dass ein normaler Ladebetrieb über Nacht kein Lastmanagement braucht. Dabei wird vergessen, dass es heute bei allen E-Mobility Lösungen weniger um „den Strom“ geht, sondern um die Kommunikation zwischen den Geräten. Jedes Fahrzeug tauscht Daten mit der Ladeeinrichtung aus, ausgehend von Leistungsaufnahme, Ladespannung und Kapazität müssen Ladebereitschaft und -freigabe, evtl. Fehlermeldungen und weitere Parameter ausgetauscht werden. Klug schmunzelt: „Das Wichtigste dabei ist übrigens, das das Fahrzeug auch wirklich ein Fahrzeug ist, da sprechen die Steuerungen intensiv miteinander. Keine Frage: Sicherheitsaspekte müssen an erster Stelle stehen und schließen individuelle Bastellösungen aus.“

Hinzu kommt, dass ein Standardsteckdose nur eine Leistung von 2,7 KW bereitstellt. Um damit 100 km Kapazität zu laden dauert dies etwa 7 Stunden, eine Starkstromeinspeisung mit 16 A pro Phase bringen es bereits auf 11 KW, so dass ein Einkauf oder ein Arztbesuch von 30 min mit 30 km „belohnt“ werden.

Fazit

Der EAutoLader bietet ein robustes, einfaches Lastmanagement, das maximal sicher und langlebig ist, herstellerübergreifend mit fast allen gängigen Anschlüssen am Markt klarkommt. Das Gerät ist leicht einzubauen und von jedem zu konfigurieren, skalierbar und günstig. Es gibt keine versteckten Kosten oder Lizenzmodelle. Zielgruppe sind Mehrparteienwohnhäuser, Hausverwaltungen und Anbieter von Ladepunkten während Kunden einkaufen oder Sport- und Freizeitaktivitäten nachgehen. Angesprochen werden auch Unternehmen, die ihren Mitarbeitern das Laden ihrer Fahrzeuge während der Arbeitszeit anbieten wollen.