Offensichtlich ist die batterieelektrische Mobilität (BEV) der Trend in der Automobilindustrie. Da die Batterieprobleme nicht kurzfristig gelöst werden können, werden Ladeeinrichtungen flächendeckend ausgebaut, um die Ladeprobleme der Autobesitzer zu lösen. Die Ladestecker, als wesentliche Komponente von Ladestationen, variieren von Land zu Land und stehen bereits vor Konflikten. In diesem Artikel möchten wir die weltweiten Standards für Ladestecker erläutern.
Combo
Die Combo-Steckdose ermöglicht sowohl langsames als auch schnelles Laden und ist die am weitesten verbreitete Steckdose in Europa. Fahrzeuge wie Audi, BMW, Chrysler, Daimler, Ford, GM, Porsche und Volkswagen sind mit der SAE-Ladeschnittstelle (Society of Automotive Engineers) ausgestattet.
Am 2.ndIm Oktober 2012 wurde die von den zuständigen Mitgliedern des SAE-Komitees verabschiedete SAE J1772-Norm zum weltweit einzigen offiziellen Standard für Gleichstromladung. Basierend auf der überarbeiteten Fassung von J1772 ist der Combo-Stecker der Kernstandard für Gleichstrom-Schnellladung.
Die vorherige Version (aus dem Jahr 2010) dieses Standards legte die Spezifikation des J1772-Steckers für Wechselstromladung fest. Dieser Stecker war weit verbreitet und kompatibel mit Fahrzeugen wie dem Nissan Leaf, dem Chevrolet Volt und dem Mitsubishi i-MiEV. Die neue Version bietet neben allen bisherigen Funktionen zwei zusätzliche Pins speziell für Gleichstrom-Schnellladung und ist daher nicht mit älteren, aktuell produzierten Elektrofahrzeugen kompatibel.
Vorteil: Der größte Vorteil des Kombisteckers besteht darin, dass der Automobilhersteller nur eine einzige Steckdose anpassen muss, die sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom geeignet ist und das Laden mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten ermöglicht.
Nachteil: Für den Schnelllademodus ist eine Ladestation erforderlich, die bis zu 500 V und 200 A liefert.
Tesla
Tesla verwendet einen eigenen Ladestandard, der es ermöglichen soll, in 30 Minuten mehr als 300 km Reichweite zu laden. Daher kann die maximale Kapazität der Ladebuchse bis zu 120 kW und der maximale Strom 80 A erreichen.
Tesla betreibt derzeit 908 Supercharger-Stationen in den USA. Für den Markteintritt in China hat das Unternehmen sieben Supercharger-Stationen in Shanghai (3), Peking (2), Hangzhou (1) und Shenzhen (1) errichtet. Um sich besser in die regionalen Gegebenheiten zu integrieren, plant Tesla, die Kontrolle über seine Ladestandards abzugeben und lokale Standards zu übernehmen, wie es bereits in China praktiziert wird.
Vorteil: Fortschrittliche Technologie mit hoher Ladeeffizienz.
Nachteil: Entgegen den jeweiligen nationalen Standards ist es schwierig, den Absatz ohne Kompromisse zu steigern; Kompromisse würden die Ladeeffizienz verringern. Sie befinden sich in einem Dilemma.
CCS (Kombiniertes Ladesystem)
Ford, General Motors, Chrysler, Audi, BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen und Porsche führten 2012 das „Combined Charging System“ (CCS) ein, um die uneinheitlichen Standards für Ladeanschlüsse zu vereinfachen.
CCS vereint alle gängigen Ladeschnittstellen und ermöglicht so das Laden von einphasigem Wechselstrom, schnelles dreiphasiges Wechselstromladen, Gleichstromladen für den Hausgebrauch und superschnelles Gleichstromladen mit nur einer Schnittstelle.
Neben SAE hat auch der europäische Automobilherstellerverband ACEA (Accelerated European Automobile Manufacturers Association) CCS als DC/AC-Ladeschnittstelle eingeführt. Seit 2017 wird es in Europa für alle Elektrofahrzeuge verwendet. Nachdem Deutschland und China ihre Standards für Elektrofahrzeuge vereinheitlicht haben, ist auch China diesem System beigetreten, was beispiellose Möglichkeiten für chinesische Elektrofahrzeuge eröffnet hat. ZINORO 1E, Audi A3 e-tron, BAIC E150EV, BMW i3, DENZA, Volkswagen E-UP, Changan EADO und SMART entsprechen alle dem CCS-Standard.
Vorteil: Drei deutsche Automobilhersteller – BMW, Daimler und Volkswagen – werden ihre Investitionen in chinesische Elektrofahrzeuge erhöhen; die CCS-Standards könnten für China von größerem Vorteil sein.
Nachteil: Der Absatz von Elektrofahrzeugen, die den CCS-Standard unterstützen, ist gering oder sie kommen gerade erst auf den Markt.
CHAdeMO
CHAdeMO ist die Abkürzung für CHARge de Move und bezeichnet die von Nissan und Mitsubishi unterstützte Ladebuchse. Aus dem Japanischen übersetzt bedeutet CHAdeMO so viel wie „Ladezeit so kurz wie eine Teepause“. Diese Gleichstrom-Schnellladebuchse bietet eine maximale Ladeleistung von 50 kW.
Elektrofahrzeuge, die diesen Ladestandard unterstützen, sind unter anderem: Nissan Leaf, Mitsubishi Outlander PEV, Citroën C-ZERO, Peugeot Ion, Citroën Berlingo, Peugeot Partner, Mitsubishi i-MiEV, Mitsubishi MINICAB-MiEV, Mitsubishi MINICAB-MiEV Truck, Honda Fit EV, Mazda DemioEV, Subaru Stella PEV, Nissan EEV200 usw. Der Nissan Leaf und der Mitsubishi i-MiEV verfügen über zwei verschiedene Ladebuchsen: eine J1772-Buchse (Kombistecker) und eine CHAdeMO-Buchse.
Das CHAdeMO-Ladeverfahren ist im folgenden Bild dargestellt; der Ladestrom wird über ein CAN-Bus-Signal gesteuert. Das heißt, während der Batteriestatus überwacht wird, wird der benötigte Ladestrom in Echtzeit berechnet und über CAN an das Ladegerät gesendet. Das Ladegerät empfängt den Ladestrombefehl vom Fahrzeug umgehend und liefert den entsprechenden Ladestrom.
Durch das Batteriemanagementsystem wird der Batteriezustand überwacht und der Ladestrom in Echtzeit geregelt. Dies gewährleistet schnelles und sicheres Laden und stellt sicher, dass die Ladeleistung nicht durch die Batteriekapazität eingeschränkt wird. In Japan sind 1154 Ladestationen nach dem CHAdeMO-Standard in Betrieb. Auch in den USA sind CHAdeMO-Ladestationen weit verbreitet; laut aktuellen Daten des US-Energieministeriums gibt es dort 1344 AC-Schnellladestationen.
Vorteil: CHAdeMO nutzt – abgesehen von den Datensteuerleitungen – den CAN-Bus als Kommunikationsschnittstelle. Dank seiner überlegenen Störfestigkeit und hohen Fehlererkennungsfähigkeit gewährleistet er eine stabile und zuverlässige Kommunikation. Seine hohe Ladesicherheit ist branchenweit anerkannt.
Nachteil: Die ursprünglich für eine Ausgangsleistung ausgelegte Leistung beträgt 100 kW, der Ladestecker ist sehr schwer, die Leistung im Fahrzeug beträgt nur 50 kW.
GB/T20234
China veröffentlichte 2006 die Norm GB/T20234-2006 für Stecker, Steckdosen, Fahrzeugkupplungen und Fahrzeugeinlässe zum leitungsgebundenen Laden von Elektrofahrzeugen – Allgemeine Anforderungen. Diese Norm legt die Anschlussarten für 16 A, 32 A und 250 A Wechselstrom-Ladeströme sowie 400 A Gleichstrom-Ladeströme fest. Sie basiert im Wesentlichen auf der Norm der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) von 2003. Allerdings definiert diese Norm weder die Anzahl der Anschlussstifte noch die physische Größe oder die Schnittstelle des Ladeanschlusses.
Im Jahr 2011 veröffentlichte China den empfohlenen Standard GB/T20234-2011, der einige Inhalte des Standards GB/T20234-2006 ersetzte. Darin ist festgelegt, dass die Nennspannung bei Wechselstrom 690 V, die Frequenz 50 Hz und der Nennstrom 250 A nicht überschreiten darf; die Nennspannung bei Gleichstrom darf 1000 V und der Nennstrom 400 A nicht überschreiten.
Vorteil: Im Vergleich zur Version GB/T aus dem Jahr 2006 wurden die Parameter der Ladeschnittstelle detaillierter kalibriert.
Nachteil: Der Standard ist noch nicht umfassend. Es handelt sich um einen empfohlenen, nicht um einen verbindlichen Standard.
Neues „Chaoji“-Ladesystem der nächsten Generation
Im Jahr 2020 starteten der China Electric Power Council und das CHAdeMO-Abkommen gemeinsam die Forschung zur Industrialisierung des „Chaoji“-Projekts und veröffentlichten jeweils das Weißbuch zur „Chaoji“-Leitungsladetechnologie für Elektrofahrzeuge und den CHAdeMO 3.0-Standard.
Das „Chaoji“-Ladesystem ist sowohl mit älteren als auch mit neu entwickelten Elektrofahrzeugen kompatibel. Es wurde ein neues Steuerungs- und Regelungsschema entwickelt und ein Hard-Node-Signal hinzugefügt. Im Fehlerfall kann das Signal per Semaphore die Gegenseite schnell informieren, um eine zeitnahe Reaktion und somit die Ladesicherheit zu gewährleisten. Für das Gesamtsystem wurde ein Sicherheitsmodell erstellt, die Isolationsüberwachung optimiert und verschiedene Sicherheitsaspekte wie I²T, Y-Kapazität, PE-Leiterwahl, maximale Kurzschlussfestigkeit und PE-Leiterbruch definiert. Gleichzeitig wurde das Wärmemanagementsystem neu bewertet und überarbeitet sowie ein Testverfahren für den Ladeanschluss entwickelt.
Die „Chaoji“-Ladeschnittstelle verfügt über einen 7-poligen Stecker mit einer Spannung von bis zu 1000 (1500) V und einem maximalen Strom von 600 A. Sie wurde entwickelt, um die Gesamtgröße zu reduzieren, die Passgenauigkeit zu optimieren und die Größe der Stromanschlüsse zu verringern, damit die Schutzart IPXXB erfüllt wird. Gleichzeitig sorgt die ergonomisch gestaltete Einsteckführung für eine tiefere Einstecktiefe des Steckers.
Das „Chaoji“-Ladesystem ist nicht nur eine Hochleistungsladeschnittstelle, sondern ein systematisches System von Gleichstromladelösungen für Elektrofahrzeuge, einschließlich Steuerungs- und Leitschaltung, Kommunikationsprotokoll, Design und Kompatibilität der Anschlussgeräte, Sicherheit des Ladesystems, Wärmemanagement unter Hochleistungsbedingungen usw. Das „Chaoji“-Ladesystem ist ein weltweit einheitliches Projekt, sodass dasselbe Elektrofahrzeug in verschiedenen Ländern an das jeweilige Ladesystem angeschlossen werden kann.
Abschluss
Aufgrund der Unterschiede zwischen den verschiedenen Elektrofahrzeugmarken variieren heutzutage die Standards für die Ladeausrüstung, sodass ein einziger Ladestecker nicht für alle Modelle geeignet ist. Zudem befindet sich die Technologie der Elektrofahrzeuge noch in der Entwicklung. Die Ladestationen und Ladesysteme vieler Automobilhersteller weisen in der Praxis weiterhin Probleme wie instabiles Produktdesign, Sicherheitsrisiken, fehlerhaftes Laden, Inkompatibilität zwischen Fahrzeug und Station, fehlende Prüfstandards usw. sowie Alterungserscheinungen auf.
Heutzutage haben Automobilhersteller weltweit zunehmend erkannt, dass „Standardisierung“ der Schlüsselfaktor für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist. In den letzten Jahren hat sich der globale Ladestandard von „Diversifizierung“ hin zu „Zentralisierung“ verlagert. Um jedoch wirklich einheitliche Ladestandards zu erreichen, sind neben Schnittstellenstandards auch Kommunikationsstandards erforderlich. Erstere betreffen die Passgenauigkeit der Verbindungen, während letztere die Stromversorgung des Steckers beim Einstecken beeinflussen. Bis zur vollständigen Standardisierung der Ladestandards für Elektrofahrzeuge ist es noch ein weiter Weg, und Automobilhersteller und Regierungen müssen sich stärker engagieren, um die Langlebigkeit von Elektrofahrzeugen zu fördern. Es wird erwartet, dass China als Vorreiter bei der Förderung des leitungsgebundenen Ladetechnologiestandards „Chaoji“ für Elektrofahrzeuge künftig eine wichtigere Rolle spielen wird.
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