Nutzfahrzeuge und Elektromobilität – Alles gut geladen?

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Kommunikation zwischen Ladesäule und Fahrzeug

Für die Umsetzung der in diesen Standards definierten Kommunikationsprotokolle wird Embedded Software benötigt. Vector verfügt über jahrelange Erfahrung bei der Realisierung der fahrzeuginternen Netzwerkkommunikation über beispielsweise CAN, LIN, FlexRay und Ethernet. Daher wurde MICROSAR – die AUTOSAR-Basissoftware von Vector – um Module für die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladeinfrastruktur ergänzt. Diese V2G (Vehicle to Grid) genannte Erweiterung (Bild 4) enthält unter anderem die Softwarekomponente vSCC: Vector Smart Charge Communication.

Darin realisiert ist der gesamte Protokollablauf des Smart Charging, wie in den oben genannten Standards definiert. Ebenso ist die Ansteuerung der Powerline-Transceiver bereits enthalten. Für alle Fahrzeughersteller wird das AC- und DC-Laden mit verschiedenen Profilen unterstützt, wie beispielsweise External Identification Means (EIM), Plug`n Charge (PnC) und Signal Level Attenuation Characterization (SLAC). Darauf basierend können kundenspezifische Funktionen wie Value Added Services (VAS) über HTTP und DNS realisiert werden, um eine parallel ablaufende, proprietäre Kommunikation zwischen der Ladesäule und dem Fahrzeug herzustellen und damit zusätzliche Informationen auszutauschen.

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Die Funktionen für diese Vehicle-to-Infrastructure-Kommunikation befinden sich oberhalb des Ethernet-Transport-Protokolls und können daher auch mit bestehenden, OEM-spezifischen Softwarearchitekturen, kombiniert werden. So kann die Komponente vSCC eingesetzt werden, ohne die komplette Kommunikation unbedingt auf AUTOSAR umstellen zu müssen. Die Protokolle für das Smart Charging sind vollumfänglich in der MICROSAR Implementierung enthalten. Sie werden über ein AUTOSAR-Werkzeug konfiguriert und mit weiteren erforderlichen Komponenten verknüpft.

Auf physikalischer Ebene sind für die Powerline-Kommunikation spezielle Transceiver notwendig. Diese übernehmen die Verarbeitung des High-Level-Signals, während parallel ein digitaler Eingang für die Low-Level-Kommunikation an den Mikrocontroller angebunden ist. Hier geben die Standards genaue Werte für die Flankensteilheit der Signale vor. Aufgrund der hochfrequenten Übertragungsrate auf dem Control Pilot muss bereits beim Design der Platine eines Ladesteuergerätes großer Wert auf die EMV-Abstrahlung gelegt werden.

Ladesteuergeräte für Nutzfahrzeuge

Erste Ladesteuergeräte für Nutzfahrzeuge sind bereits am Markt verfügbar. Das VC36PLC-24 von Vector (Bild 5) realisiert die Powerline-Kommunikation von Fahrzeugen mit der Ladesäule. Es eignet sich vor allem für Kleinserien sowie prototypische Aufbauten und Entwicklungen. Das Steuergerät übernimmt verschiedene Funktionen wie beispielsweise die Verriegelung des Steckers mit dem Inlet, die Temperaturüberwachung des Steckers sowie die Visualisierung des Ladezustandes mittels LEDs.

Die Hardware-Plattform des VC36PLC-24 ist unabhängig von einem Fahrzeughersteller einsetzbar und eignet sich für das kabelgebundene (konduktive) Laden über den CCS-2 Standard. Das Steuergerät kann entweder mit einer dem Fahrzeughersteller entsprechender Software-Architektur ausgeliefert werden, oder als generisches Steuergerät für Prototypen oder Entwicklungszwecke. In dieser Version ist sowohl die Low-Level- als auch die High-Level-Kommunikation realisiert. Daher kann das Steuergerät einfach in jedes Fahrzeug verbaut werden. Die offene, CAN-basierte J1939-Schnittstelle für die Anbindung an das Netzwerk steht den Nutzern uneingeschränkt zur Verfügung.

Laden über Pantographen – der bessere Stecker?

Der aktuelle Standard ISO/IEC 15118 fokussiert hauptsächlich auf das kabelgebundene Laden mit einer Ladesäule. Dabei muss der Fahrer Aktionen selber durchführen, um die Verbindung zwischen dem Fahrzeug und der Infrastruktur aufzubauen. Hierbei gibt es keinen Unterschied zwischen einem PKW und einem Nutzfahrzeug.

Auch das elektrische Laden über einen Pantographen, welcher sich auf dem Fahrzeug befindet, kann über diesen Standard realisiert werden. Dazu betätigt der Fahrer einen Schalter, um den Pantograph mit dem dafür vorgesehenen Lademast zu verbinden. Jedoch benötigt ein solcher Pantograph auf dem Bus Platz und muss von dem Fahrzeug mitgeführt werden, was zu einem höheren Gewicht und dadurch zu höherem Verbrauch führt. Abhilfe soll hier ein sogenannter invertierter Pantograph leisten, also ein System, bei welchem der Hauptanteil auf der festen Infrastruktur liegt und das Fahrzeug lediglich mit Kontakten ausgestattet ist. Genau dieser Anwendungsfall wird aktuell von der ISO/IEC 15118 im Teil 2, Edition 2 spezifiziert und soll Mitte 2018 als International Standard zur Verfügung stehen. In diesem Fall erfolgt der Verbindungsaufbau zwischen den beiden Partnern voll automatisiert über eine drahtlose Kommunikation. Hierzu kommt das WiFi-Protokoll 802.11n zum Einsatz.

Für den schnellen Erfolg der Elektromobilität ist neben der Emissionsminimierung die Interoperabilität aller Fahrzeuge mit den unterschiedlichen Anbietern von Ladeinfrastruktur ein wichtiger Baustein. Jedes Fahrzeug „tankt“ mit jeder verfügbaren Ladesäule Strom – genauso einfach, wie aktuell Kraftstoff an Tankstellen getankt wird. Ziel sollte es sein, dass Standards für das Laden den Wandel unterstützen und nicht ausbremsen. Die Standards sind mittlerweile definiert und von den Herstellern akzeptiert. Der Markt bietet schon heute die dazu passenden Lösungen. Die Industrie kann bedenkenlos zugreifen und die verfügbaren Komponenten nutzen.

* B.Eng. Jonas Leserer ist Business Development Manager im Bereich Embedded Software and Systems bei Vector Informatik.

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