Diagnose der Ladeinfrastruktur und Durchführen der vorgeschriebenen Messungen und Funktionsprüfungen

Schnellladung für Elektrofahrzeuge

Elektrisch fahren ohne Einschränkungen, dass ist das Ziel beim Kauf eines E-Fahrzeuges. Garantierte Mobilität und Flexibilität durch DC-Schnellladung und deren ungewollte Abhängigkeit von Ladesystem und Ladesäulenausstattung.

Doch was bedeutet Schnellladung und wie sicher ist diese für den Anwender?

Das Laden mit Gleichstrom (DC) benötigt immer eine Verbindung zwischen EV und Ladepunkt über ein fest angeschlossenes Ladekabel. Das kabelgebundene Laden von Elektrofahrzeugen (EV), auch als konduktives Laden bezeichnet, kann in unterschiedlichen Ladebetriebsarten erfolgen, welche in der Systemnorm DIN EN 61851-1 (VDE 0122-1) definiert sind. Die Ladebetriebsart 4 ist für das Laden mit Gleichstrom (DC Laden) an fest installierten Ladestationen definiert. Diese spezielle DC Ladeinfrastruktur bietet ein hohes Maß an elektrischer Sicherheit und Schutz der Installation vor Überlastung z.B. Brandschutz. Ein weiterer Schutz vor Berührung und Manipulation bietet die Verriegelung der Ladesteckverbindung während des Ladevorgangs. Die Kommunikation und die Steuerung des Ladens erfolgt über eine spezielle Kommunikationsschnittstelle. Die Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladepunkt ist ein entscheidendes Kriterium für eine sichere und komfortable Nutzung der Ladeinfrastruktur.

Unterschiedliche Standards beim Schnellladen

Bis heute sind viele verschiedene und untereinander inkompatible Ladestecker und Kupplungsvarianten auf dem Markt. Weltweit haben sich für die Schnellladung fünf Standards durchgesetzt.

• CCS (Combo 2) – Combined Charging System vorzugsweise in Europa und USA
• CCS (Combo 1) – Combined Charging System einphasig vorzugsweise in den USA
• CHAdeMO – „CHArge DE MOve“ Standard vorzugweise in Japan
• Tesla Supercharger
• GB/T Standard vorzugsweise in China

In Deutschland sind hauptsächlich 3 DC-Schnellladesysteme vertreten. CCS (Combo 2), CHAdeMo und Tesla Supercharger.

CCS (Combo 2)

Das Combined Charging System (CCS) ist ein offenes, universelles Ladesystem für EV, das auf den internationalen Standards der IEC 61851-1, IEC 61851-23, Annex CC und der IEC 61851-24 für die Ladeeinrichtung basiert.

Die Standards für Ladesteckverbinder sind nach IEC 62196 (nur Konfiguration EE und -EF) definiert. Der Fahrzeugseitige CCS-Anschluss vereint dreiphasiges Wechselstromladen mit der Möglichkeit zum schnellen Gleichstromladen.

Als System beinhaltet das CCS sowohl die Stecker als auch die Kontrollfunktionen und die Kommunikation zwischen EV und Infrastruktur.

Die für das Gleichstromladen mit CCS vorgesehene erweiterte Kommunikation basiert auf der DIN SPEC 70121 bzw. der ISO 15118. Fahrzeugseitig wird die elektrische Sicherheit durch die ISO 17409 spezifiziert.

CHAdeMO

CHAdeMO ist ein in Japan entwickeltes Stecksystem für das Laden von Elektroautos und Plug-in-Hybriden. „CHAdeMO“ ist eine Abkürzung für „CHArge de MOve,“ äquivalent zu „Ladung für Bewegung“, und ist ein Wortspiel für „O cha demo ikaga desuka.“ auf Japanisch, was bedeutet „Lasst uns eine Tasse Tee beim Aufladen haben.“

Der CHAdeMO-Stecker etablierte sich als erster Standard für das Laden von E-Fahrzeugen mit Gleichstrom (DC). Automarken, die den Stecker serienmäßig an Bord haben, sind Toyota, Kia, Mitsubishi und Nissan. Tesla bietet für mehrere Modelle einen Adapter zum Anschluss an eine CHAdeMO-Ladestation an.

Funktionelle Prüfung und Messung von Ladesystemen

Die Ladeeinrichtung ist eine laienbedienbare ortsfeste elektrische Anlage die an öffentlich zugänglichen sowie gewerblich genutzten Plätzen normgerecht geprüft werden sollte. (Erstprüfung) Die Prüfung auf Funktionalität und elektrischer Sicherheit erfolgt durch eine Elektrofachkraft. Die zu prüfende Person sollte über Basiswissen zur Beurteilung der Messwerte und Prüfungen von DC Schnellladesystemen verfügen.

Die Inhalte der Prüfungen und die Prüffristen ergeben sich aus den Normen u.a. der DIN EN 61851-1/22/23/24 (VDE 0122-1/2-2/2-3/2-4), ISO 15118-1, DIN SPEC 70121, IEC 60364-6 / DIN VDE 0100-600, EN 50110-1 / DIN VDE 0105-100, Hersteller- und Errichterhinweisen und je nach Installationsort und Nutzungsart auch aus gesetzlichen Vorgaben.

Weitergehende Informationen bieten das Arbeitsschutzgesetz, die Betriebssicherheitsverordnung, Richtlinien vom ZVEH sowie die Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften.

Warum wird geprüft?

Gemäß Grundgesetz Artikel 2 (2) hat jeder das Recht auf Leben und körperliche Unversehrtheit. Beim Ladevorgang kommt der Anwender direkt mit der Ladestationstechnik in Berührung. Somit müssen Sicherheitsanforderungen bei Normalbedingungen (auch bei verschiedenen klimatischen Bedingungen) unter besonderer Berücksichtigung der vorhersehbaren Fehlbedienung und Missbrauch, bei Unfall und bei Vandalismus erfüllt sein.

Die zu erfolgende Prüfung ermittelt den aktuellen Istzustand und vergleicht bzw. bewertet diesen mit dem Sollzustand. Bei Abweichungen außerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen erfolgt eine Instantsetzung sowie eine wiederholte Prüfung.

Neben der Gesetzgebung, das Interesse des Auftraggebers besteht mittlerweile ein großes Geschäftsinteresse des Prüfers, denn laut BNetzA sind neben den öffentlich 38.876 Normalladepunkte auch 6.493 Schnellladepunkte amtlich zum 01.07 2021 in Deutschland gemeldet worden.

Die richtige Auswahl der Mess- / Prüfgeräte

Bei der Prüfung steht die Sicherheit der prüfenden Person, Elektrofachkraft im Mittelpunkt. Deshalb ist die richtige Auswahl eines geeigneten Mess- /Prüfgerätes besonders wichtig. Diese müssen den einschlägigen Hersteller- und Gerätenormen entsprechen. Insbesondere die einzelnen Prüfverfahren sollen normgerecht sein. Die entsprechende Norm ist die DIN EN 61557 (VDE 0413) Elektrische Sicherheit in Niederspannungsnetzen bis AC 1 000 V und DC 1 500 V – Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen. Weiterhin ist die richtige Messkategorie von großer Bedeutung. Diese gibt die zulässigen Anwendungsbereiche von Mess- und Prüfgeräten für elektrische Betriebsmittel und Anlagen für die Anwendung im Bereich von Niederspannungsnetzen an. Die Einstufung der Messkategorie wird durch die IEC 61010-1 (Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte) festgelegt.

Die Prüfung von DC Ladepunkten mit dem PROFiTEST H+E XTRA C

Die normgerechte Prüfung von DC Ladepunkten umfasst alle Maßnahmen, mit denen die Übereinstimmung der elektrischen Anlage und der Kommunikation mit den Anforderungen überprüft wird.

Die Prüfung umfasst Besichtigen, Erproben und Messen sowie Erstellen eines Prüfberichtes.

Besichtigen

Vor der funktionellen Überprüfung, u.a. der Kommunikation, erfolgt die Besichtigung der DC Schnelladestation nach definierten Vorgaben. Hierbei ist zu beachten das es sich um eine laienbedienbare ortsfeste elektrische Anlage handelt! Die Sichtprüfung ist zu dokumentieren und kann zusätzlich durch entsprechendes Bildmaterial ergänzt werden.

Funktionelle Überprüfung der DC-CCS Kommunikation (nach ISO 15118-1 / DIN SPEC 70121)

Für die Überprüfung der Kommunikation ist es wichtig, dass alle erforderlichen Sicherheitshinweise eingehalten werden. Das Diagnosegerät PROFiTEST H+E XTRA C muss mit dem DC-Ladepunkt verbunden und die entsprechende Norm / Normenreihenfolge ISO 15118-1 bzw. DIN SPEC 70121 vorausgewählt sein. Nach dem Start erfolgt die Authentifizierung u.a. mittels Telefon-Hotline, Barzahlung, Geldkarte, Debitkarte, RFID-Karte, NFC-Gerät, Handy-SMS, Smartphone-App, Internet, Plug & Charge. Der Diagnosetester simuliert ein EV mit DC-Last und DC-Quelle. Während des Tests werden die nachfolgenden Schritte des Testprozederes und Informationen darüber angezeigt.

Testaufbau im PDF ersichtlich.

Ist das Ergebnis in Ordnung können folgende Aussagen getroffen werden:

• Die Last hatte während des ChargeLoop (Ladevorgang) mehr als 3 A
• Die Ladestation funktioniert, das EV kann grundsätzlich mit Strom versorgt werden
• Kommunikation normativ nach ISO 15118-1 / DIN SPEC 70121 in Ordnung

Funktionelle Überprüfung der CHAdeMo Kommunikation

Während des Tests werden die nachfolgenden Schritte des Testprozederes und Informationen darüber angezeigt. Auch hier ist bei der Überprüfung der Kommunikation wichtig, dass alle erforderlichen Sicherheitshinweise eingehalten werden. Das Diagnosegerät PROFiTEST H+E XTRA C muss mit dem DC-Ladepunkt CHAdeMO verbunden sein. Nach dem Start erfolgt die Authentifizierung u.a. mittels Telefon-Hotline, Barzahlung, Geldkarte, Debitkarte, RFID-Karte, NFC-Gerät, Handy-SMS, Smartphone-App, Internet, Plug & Charge. Der Diagnosetester simuliert ein EV mit DC-Last und DC-Quelle.

Nachfolgender Testablauf wird gestartet:

Normgerechte Prüfung der elektrischen Sicherheit am DC-Ladepunkt

Die Prüfung der elektrischen Sicherheit erfolgt mit PROFITEST H+E XTRA oder PROFITEST H+E XTRA C in Kombination mit dem PROFITEST PRIME. Die Prüfungen müssen mit normgerechten Messgeräten durch eine Elektrofachkraft durchgeführt werden.

• Messung niederohmige Durchgängigkeit des Schutzleiters
• Messung des Schleifenwiderstandes zwischen DC+ und DC-
• Überprüfung der Isolationsüberwachung im CCS System
• Messung des Isolationswiderstandes
• Messung der Restspannung
• Messung Berührungstrom
• Prüfen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung

Die Besonderheit bei der Überprüfung von DC Ladepunkten ist, dass die meisten Messungen bzw. Prüfungen nur bei zugeschalteter Last mit Quelle erfolgen müssen! (u.a. Schleifenmessung)

Einsatz zur Überprüfung der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen von Ladepunkten

Für elektrische Anlagen muss der Schutz gegen elektrischen Schlag sichergestellt sein. In der DC-Installation müssen zudem spezifische Anforderungen gemäß DIN VDE 0100 erfüllt werden, da eine erhöhte Brandgefahr durch Isolationsfehler besteht, die einen nichtverlöschenden Lichtbogen verursachen können.

Die Beurteilung der Wirksamkeit des Schutzes gegen elektrischen Schlag und bei Überstrom durch automatische Abschaltung an AC/DC-Ladepunkten kann mit den Geräten PROFITEST H+E XTRA oder PROFITEST H+E XTRA C in Kombination mit dem Gerät PROFITEST PRIME nachgewiesen werden.

Die eigentliche Messung wird in diesem Fall mit dem Prüfgerät PROFITEST PRIME durchgeführt. Die Geräte PROFITEST H+E XTRA oder PROFITEST H+E XTRA C fungieren in diesem Fall als Adapter.

Messung des DC Schleifenwiderstandes

Auf Grund, dass schon geringe Kontaktwiderstande sehr gefährlich sein können, sollte diese Messung mit dem PROFiTEST PRIME empfehlungsgemäß durchgeführt werden.

Bei Strömen von bis zu 400 Ampere verursachen selbst geringe Kontaktwiderstände am Stecker hohe Wärmeverluste. Schon ein Widerstand von 0,15 Milliohm reicht aus, um aus dem Stecker einen 25-Watt-Lötkolben zu machen.

Der bisherige kompakte Kunststoffstecker vom Typ CCS 2 (Combinded Charge System) soll jedoch beibehalten werden. Wärme kann dort schlecht entweichen. Da die Stecker offene Systeme sind und die Kontaktoberflächen durch Staub oder andere Umwelteinflüsse verschmutzt oder beschädigt werden können, könnten noch höhere Kontaktwiderstände schnell die Stecker durchschmoren lassen. Mit möglicherweise fatalen Folgen. (Quelle: Matthias Kübel, VW)

Messverfahren DC

Der PROFITEST PRIME ermöglicht je nach Kontaktierungsart die Messung der Schleifenimpedanz DC+ – DC-, DC+ – PE, DC- – PE. Die Schleifenimpedanz Z wird gemessen und der Kurzschlussstrom IK wird ermittelt, um zu prüfen, ob die Abschaltbedingungen der Schutzeinrichtungen eingehalten werden. Im Fall des DC Ladepunktes ist die Messung ausschließlich für die Ermittlung der Schleifenimpedanz sowie der Kontaktwiderstände des Stecker Systems relevant.

Wissenswertes

Die Schleifenimpedanz sollte je Stromkreis an der entferntesten Stelle gemessen werden, um die maximale Schleifenimpedanz der Anlage zu erfassen.

Überprüfung der Isolationsüberwachung im CCS System

Die Überprüfung der Isolationsüberwachung erfolgt durch Simulation von fest definierten Isolationswiderständen und stellt ein Sicherheitstest der EVSE zur Überprüfung der Erkennung von Isolationsfehlern dar. Diese Überprüfung erfolgt nur bei DC-CCS.

Der PROFiTEST XTRA C simuliert ein EV mit DC-Last und DC-Quelle. Der Ladevorgang stoppt automatisch nach einigen Sekunden. Der getestete ISO-Wert wird auf dem Bildschirm des Diagnosegerätes angezeigt.

Hinweis! Während des Testverfahrens wird die Ladepistole automatisch verriegelt und kann nicht herausgezogen werden.

Technische Kennwerte:
HDC+: Hoher Isolationswiderstandswert zwischen DC+ und PE 475 kΩ
LDC+: Niedriger Isolationswiderstandswert zwischen DC+ und PE 95 kΩ
HDC-: Hoher Isolationswiderstandswert zwischen DC- und PE 475 kΩ
LDC-: Niedriger Isolationswiderstandswert zwischen DC- und PE 95 kΩ

Messung Restspannung

Die Messung der Restspannung wird empfohlen, um Sicherzustellen das beim Berühren von gefährlichen aktiven Teilen keine Gefahr ausgeht. Das gilt insbesondere für Fahrzeugkupplungen, wenn die Spannung während des Ladens zwischen beliebigen Kontakten 60 V Gleichspannung oder 30 V Wechselspannung (Effektivwert) überschreitet.

Nach der Trennung der Fahrzeugkupplung aus dem Fahrzeugstecker sollten 2 Anforderungen erfüllt sein, vorausgesetzt die Kontakte der Fahrzeugkupplung erfüllen nicht die IPXXB nach IEC 60529:

1. Die Ladung zwischen sämtlichen Kontakten muss innerhalb von 1 s unter 50 μC liegen, d.h. die Spannung darf innerhalb von 1 s nach Trennung 60 V DC und 30 V AC (Effektivwert) nicht überschreiten.
2. Die Energie zwischen sämtlichen Kontakten muss innerhalb von 10 s unter 0,2 J liegen, d.h. die Spannung darf innerhalb von 10 s nach Trennung 60 V DC und 30 V AC (Effektivwert) nicht überschreiten.

Mit dem PROFiTEST PRIME erfolgt die Prüfung auf Spannungsfreiheit durch eine Spannungsmessung, bei der die Entladezeit tu gemessen wird.

Prüfen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung

Gemäß einschlägigen Normen sollten Gleichstromladestationen über spezielle Schutzmaßnahmen verfügen. DC Ladepunkte für Elektrofahrzeuge mit fest angeschlagener Ladeleitung sollten mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD an der Leitung oder in der Stromversorgungseinrichtung ausgestattet sein. Weitergehende Informationen über Schutzmaßnahmen gegen Fehlerströme in ortsfesten Anlagen können der IEC 60364-7-722 entnommen werden. Kompatibilität zu einer vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD des Typs A kann auch durch eine doppelte oder verstärkte Isolierung des Kreises, der einen Ableitgleichstrom an einen anderen Kreis und Schutzleiter verursacht erreicht werden oder durch Einsatz spezieller Sensorik zur Erkennung von 6 mA Gleichfehlerströme.

Wissenwertes

• Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) werden zum Schutz durch automatische Abschaltung der Strom- versorgung bei indirektem Berühren eingesetzt. Die Wirksamkeit dieser Maßnahme ist durch Besichtigen und Messen zu überprüfen. Dabei ist nachzuweisen, dass eine Abschaltung spätestens bei Erreichen des Bemessungsdifferenzstroms I∆N erfolgt und der vereinbarte Grenzwert der zulässigen Berührungsspannung nicht überschritten.
• Der PROFiTEST PRIME bietet die Möglichkeit, wechsel-, puls- und gleichstromsensitive Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen mit unverzögerter (Typ allgemein), kurzzeitverzögerter (Typ G) oder zeitverzögerter Auslösung (Typ S) zu überprüfen.

Spezielles Messverfahren PROFiTEST PRIME

Zur Ermittlung der bei Nennfehlerstrom auftretenden Berührungsspannung U∆N misst das Prüfgerät mit einem Strom, der nur ca. 1/3 des Nennfehlerstromes beträgt. Dadurch wird verhindert, dass dabei die Fehlerstrom- Schutzeinrichtung RCD auslöst. Der besondere Vorteil dieses Messverfahrens liegt darin, dass Sie an jeder Steckdose die Berührungsspannung einfach und schnell messen können, ohne dass die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD auslöst. Die sonst übliche und umständliche Messmethode, die Wirksamkeit einer Stelle zu prüfen und nachzuweisen, dass alle anderen zu schützenden Anlagenteile über den PE-Leiter mit dieser Messstelle niederohmig und zuverlässig verbunden sind, kann entfallen.

Neu – Prüfen von 6 mA Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen RDC-DD / RCMB

Die DIN VDE 0100-722 (Errichtungsbestimmung für Ladeeinrichtungen der Elektromobilität) sieht vor, dass jede Steckdose zum Laden eines E-Fahrzeuges mit einer separaten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD abgesichert werden muss. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Schutz bei mehrphasigem Laden von glatten Gleichfehlerströmen vorgeschrieben. Dieser kann entweder mit einem RCD vom Typ B, einem RDC-DD (Residual Direct Current – Detecting Device) oder einem RCMB (Residual Current Monitoring Module) ausgeführt werden. Die RDC-DD werden entsprecht der IEC 62955 und RCMB gemäß der IEC 62752 geprüft. Nachfolgend die geforderten Auslösezeiten:

Messung des Isolationswiderstands

Zur Vermeidung von Gefahren und Schäden durch Fehler- und Kriechströme, die auf Grund fehlerhafter Leitungs- isolationen entstehen können, ist eine Überprüfung des Isolationswiderstands zwischen den aktiven Leitern und dem mit der Erde verbundenen Schutzleiter gefordert.

Die Isolationswiderstandsmessung erfolgt durch Ausgabe einer konstanten Gleichspannung und einem Prüfstrom der gemäß DIN EN 61557-2 mindestens 1 mA beträgt.

Die Prüfung wird beim Gleichstromladestationen ohne Isolationsüberwachungssystem durchgeführt.

Hat die Gleichstromladestation für Elektrofahrzeuge mehrere Gleichstromausgänge, die für den gleichzeitigen Betrieb vorgesehen sind, dann muss zusätzlich jeder Ausgangskreis von allen anderen Ausgangskreisen durch Basisisolierung, doppelte Isolierung oder verstärkte Isolierung getrennt sein. Empfohlen wird hier eine zusätzliche Messung des Isolationswiderstands zwischen den DC Ladepunkten.

Wissenwertes

• Isolationswiderstände dürfen nur an spannungsfreien Objekten gemessen werden
• Berühren Sie während der Messung nicht die Messspitzen. Es droht Verletzungsgefahr!
• Kapazitive Messobjekte werden bei dieser Messung Erfolgt anschließend keine korrekte Entladung, droht Lebensgefahr. Die Verbindung zwischen Prüfgerät und Messobjekt ist deshalb erst zu trennen, wenn die aktuelle Prüfspitzenspannung „< 10 V“ beträgt.
• Vor der Isolationsmessung sollte durch Kurzschließen der Messleitungen an den Prüfspitzen überprüft werden, ob das Gerät < 1 kΩ anzeigt. Hierdurch kann ein falscher Anschluss vermieden oder eine Unterbrechung bei den Messleitungen festgestellt werden.

Messung Berührungsstrom

Die Messung des Berührungsstroms erfolgt während des Ladebetriebes eines Elektroautos an einer Gleichstromladestation unter bestimmten Bedingungen. Der Effektivwert des Berührungsstroms ist 3,5 mA. Wird dieser überschritten müssen Anforderungen gemäß DIN EN 61851-23 für eine Gleichstromladestation für Elektrofahrzeuge der Schutzklasse I erfüllt werden.

Wissenswertes

• Das zu messende Teil muss spannungsfrei sein! Im Zweifelsfall erfolgt eine Überprüfung auf Spannungsfreiheit, bevor mit der Messung begonnen wird.
• Vor der Prüfung sollten Schaltungsteile, die durch einen Festwiderstand oder Bezug zum Schutzleiter verbunden sind (z. B. Überprüfung der Verbindung des EV), getrennt werden.

Resümee

Gesetzliche Regelungen erhöhen den Druck auf die Automobilhersteller weltweit, den Kohlendioxid-Ausstoß ihrer Fahr- zeuge zu reduzieren. Somit wächst auch der Bedarf an Lademöglichkeiten und deren unterschiedliche Konzepte zum Aufladen. Allerdings führt die fehlende Infrastruktur dazu, dass viele Nutzer sich genötigt sehen, das Fahrzeug momentan noch zu Hause aufzuladen. Bei längeren Fahrten erwarten diese allerdings einen möglichst schnellen Ladevorgang.

Auf Grund diesen Anforderungen wird die DC Ladeinfrastruktur weiter ausgebaut und muss demzufolge geprüft werden.

Die Überprüfung von Schnelladestationen, sprich DC Ladepunkten stellt die versierte Elektrofachkraft vor immer neue Herausforderungen. Mit Basiswissen zur Kommunikation der unterschiedlichen Ladesysteme sowie Grundwissen zu Messverfahren und deren Anwendung ist eine Durchführung sowie Beurteilung der Prüfung möglich.

Beispiel eines Prüfberichts.