Die vier Lademodi für Elektrofahrzeuge im IEC 61851 Standard

In diesem Artikel betrachten wir verschiedene Lademodi für Elektrofahrzeuge, die von der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegt wurden.

Internationale Standards werden entwickelt, um die Anforderungen des EV-Marktes zu erfüllen. Die weltweite Verbreitung von Elektrofahrzeugen hängt von etablierten internationalen Standards ab, die die Sicherheits-, Zuverlässigkeits- und Interoperabilitätsprobleme des Elektrofahrzeugmarktes ansprechen können.

In diesem Artikel betrachten wir verschiedene Lademodi für Elektrofahrzeuge, die von der International Electrotechnical Commission (IEC) festgelegt wurden. Diese Modi sind in der Norm IEC 61851 spezifiziert, die sich mit konduktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge befasst. Der Standard beschreibt vier verschiedene Lademodi, die als Modus 1, 2, 3 und 4 bezeichnet werden.

Die IEC hat andere Standards entwickelt, die sich mit anderen Aspekten der Ladetechnologien für Elektrofahrzeuge befassen. Beispielsweise behandelt die IEC 62196 Stecker, Steckdosen, Fahrzeugsteckverbinder und Fahrzeugeingänge, während die IEC 61980 sich mit drahtlosen Stromübertragungssystemen (WPT) von Elektrofahrzeugen befasst.

Verschiedene Arten von Kabelverbindungen

Die IEC 61851-1 beschreibt drei verschiedene Arten von Verbindungen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die drei Haupttypen von Ladekabeln für Elektrofahrzeuge. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Zagreb

Bei Fall A ist das Kabel fest mit dem Elektrofahrzeug verbunden, aber an der Ladestation (auch EVSE – Elektrofahrzeugversorgungsausrüstung genannt) EVSE-Seite abnehmbar. Fall B spezifiziert ein Kabel, das an beiden Enden abnehmbar ist und Fall C ist ein Kabel, das dauerhaft mit der EVSE verbunden ist.

EV-Lademodus 1

Bei diesem Modus wird das Elektrofahrzeug direkt an eine Haushaltssteckdose angeschlossen. Der maximale Strom in diesem Modus beträgt 16 A und seine Spannung sollte 250 V bei einem einphasigen System und 480 V bei einem dreiphasigen Netz nicht überschreiten.

Die Grundstruktur eines Elektrofahrzeugs, das an eine Haushaltssteckdose angeschlossen wird. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Zagreb

Modus 1 ist der einfachste Lademodus und unterstützt keine Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladestation. Dieser Lademodus ist in vielen Ländern verboten oder eingeschränkt.

EV-Lademodus 2

Haushaltssteckdosen liefern nicht immer Strom nach den aktuellen Standards. Außerdem können Steckdosen und Stecker, die für Haushaltsanwendungen entwickelt wurden, möglicherweise nicht in der Lage sein, eine kontinuierliche Stromaufnahme beim maximalen Nennwert zu tolerieren.

Aus diesem Grund kann das Anschließen eines Elektrofahrzeugs an die Steckdose für längere Zeit ohne Kontroll- und Sicherheitsfunktionen das Risiko eines Stromschlags erhöhen. Um dieses Problem zu lösen, haben Spezialisten den Lademodus 2 entwickelt, der ein spezielles Ladekabel verwendet, das mit einem im Kabel integrierten Kontroll- und Schutzgerät (IC-CPD) ausgestattet ist.

Das IC-CPD übernimmt die erforderlichen Kontroll- und Sicherheitsfunktionen. Der maximale Strom in diesem Modus beträgt 32 A und die maximale Spannung sollte 250 V einphasig oder 480 V dreiphasig nicht überschreiten. Mode 2 kann sowohl mit Haushalts- als auch mit Industriesteckdosen verwendet werden.

Die Sicherheitsfunktionen dieses Modus können den Schutzleiteranschluss erkennen und überwachen. Überstrom- und Übertemperaturschutz sind zwei weitere Sicherheitsfunktionen, die Modus 2 unterstützt. Darüber hinaus kann das EVSE eine Funktionsumschaltung durchführen, wenn es eine Verbindung zum EV erkennt und seinen Ladestrombedarf analysiert.

Lademodus 2 und das dazugehörige Kabel sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Lademodus 2 und zugehöriges Kabel. Bild (modifiziert) mit freundlicher Genehmigung der Universität Zagreb und Ali Bahrami

Während Mode 2 zum privaten Laden genutzt werden kann, unterliegt die öffentliche Nutzung in vielen Ländern Einschränkungen.

EV-Lademodus 3

In diesem Modus wird ein dediziertes EVSE zusammen mit dem EV-On-Board-Ladegerät verwendet. Der Wechselstrom aus der Ladestation wird an die Bordelektronik angelegt, um die Batterie aufzuladen. Zur Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit werden mehrere Kontroll- und Schutzfunktionen eingesetzt. Dazu gehört die Überprüfung des Schutzleiteranschlusses und der Verbindung zwischen EVSE und EV.

Außerdem kann dieser Modus den Ladestrom an die maximale Strombelastbarkeit des Kabelsatzes anpassen. Der maximale Strom dieses Lademodus beträgt 250 A mit einem 250 V 1-Phasen- oder 480 V 3-Phasen-Netz. Es unterstützt auch einen mit Modus 2 kompatiblen Betriebsmodus, bei dem der maximale Strom sowohl für 1-phasige als auch für 3-phasige Fälle auf weniger als 32 A begrenzt ist.

In diesem Modus kann jede der drei möglichen Verbindungen (Fall A, Fall B und Fall C) verwendet werden. Fall B und Fall C werden unten gezeigt.

Fall B und Fall C im Lademodus 3. Bild mit freundlicher Genehmigung der Universität Zagreb

Sehen wir uns an, wie dieser Modus die Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Elektrofahrzeug definiert. Die Steuerpilotschaltung von Modus 3 ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Steuern Sie die Pilotschaltung von Modus 3. Bild (modifiziert) verwendet mit freundlicher Genehmigung von Energies.

Je nach Zustand der Schalter S1, S2 und S3 erscheinen am „Pilotkontakt“ unterschiedliche Spannungspegel. Dies kann als Darstellung verschiedener Ladestufen verwendet werden. Das Elektrofahrzeug kann einen Ladezyklus wie folgt beginnen:

Vor dem Einstecken des Ladekabels sind die Schalter S2 und S3 aus und S1 ist mit der 12 V DC-Versorgung verbunden. In diesem Fall beträgt die Spannung, die das EVSE am Pilotkontakt misst, 12 V DC (das EVSE erkennt, dass das EV noch nicht angeschlossen ist).

Nachdem das Ladekabel sowohl an das EV als auch an das EVSE angeschlossen ist, kann der Controller auf der EV-Seite S3 einschalten, um die Spannung des Pilotkontakts auf etwa 9 V zu reduzieren. Dadurch wird das EVSE informiert, dass das Kabel sowohl an das EV angeschlossen ist und die EVSE. Darüber hinaus signalisiert das 9-V-DC-Signal am Pilotkontakt dem EV, dass das EVSE noch nicht bereit ist.

Wenn das EVSE bereit ist, das EV aufzuladen, verbindet es S1 mit dem Oszillator. Das PWM-Signal am Pilotkontakt teilt dem EV mit, dass das EVSE bereit ist.

Dann schaltet das EV S2 ein, um eine Spannung von etwa 6 V am Pilotkontakt zu erzeugen, um anzuzeigen, dass es ebenfalls bereit ist. Die in dieser Phase erzeugte Spannung hängt vom Wert des R3-Widerstands ab. Der Wert dieses Widerstands gibt an, ob in diesem Ladebereich eine Belüftung erforderlich ist oder nicht. Bei R3=1,3 kΩ beträgt die Pilotkontaktspannung ca. 6 V. Dies entspricht Ladebereichen, in denen keine Belüftung erforderlich ist. Für Bereiche, die eine Belüftung benötigen, wird R3=270 Ω verwendet, was eine Pilotkontaktspannung von etwa 3 V ergibt.

Wenn das Fahrzeug geladen wird oder den Ladezyklus aus irgendeinem Grund abbrechen möchte, kann es S2 ausschalten. Dies ändert den positiven Spannungspegel des PWM auf 9 V und informiert das EVSE darüber, dass das EV nicht mehr zum Laden bereit ist.

EV-Lademodus 4

Dies ist der einzige Lademodus, der ein externes Ladegerät mit DC-Ausgang enthält. Der Gleichstrom wird direkt an die Batterie abgegeben und das On-Board-Ladegerät umgangen. Dieser Modus kann 600 V DC mit einem maximalen Strom von 400 A bereitstellen. Der hohe Leistungspegel in diesem Modus erfordert ein höheres Kommunikationsniveau und strengere Sicherheitsfunktionen.

Modus 4 lässt nur eine Verbindung von Fall C zu, bei der das Ladekabel fest mit der Ladestation verbunden ist.

Modus vier in einer Klasse-C-Verbindung. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ali Bahrami

Schlussfolgerung

Die Norm IEC 61851 befasst sich mit konduktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge. Der Standard beschreibt vier verschiedene Lademodi – Modi 1–4.

Die ersten drei Modi liefern Wechselstrom an das EV-Bordladegerät; Modus 4 liefert jedoch Gleichstrom direkt an die Batterie und umgeht das On-Board-Ladegerät. Modus 3 verwendet mehrere Kontroll- und Schutzfunktionen mit dem Ziel der öffentlichen Sicherheit. Wir haben die Steuerpilotschaltung dieses Modus in diesem Artikel genauer untersucht.