KEM Konstruktion Automobilkonstruktion 02.2019

ELEKTROMOBILITÄT

ELEKTROMOBILITÄT LADETECHNIK Schutz auch bei Gewitter: Ladeeinrichtungen müssen bei jedem Wetter sicher und zuverlässig funktionieren Bild: Phoenix Contact Ladeinfrastruktur vor transienten Überspannungen schützen Keine Angst vor Blitzeinschlägen Kurzzeitige Spannungsspitzen, sogenannte transiente Überspannungen, sind für einen nicht unerheblichen Teil der Ausfälle von Ladestationen verantwortlich. Hier helfen Überspannungs-Schutzeinrichtungen. Sie erhöhen die Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur und sichern zusätzlich die angeschlossenen Elektrofahrzeuge. Holger Heckler, Produktmarketing Blitz- und Überspannungsschutz Trabtech, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, und Axel Rüther, Vertriebsmarketing Elektronik, Phoenix Contact Deutschland GmbH; Blomberg Die Ausstattung von Ladeeinrichtungen hängt stark von der Ladeart ab. Für alle Ladearten wird ein Batterieladegerät benötigt. Das Ladegerät befindet sich beim AC-Laden im Fahrzeug und beim DC-Laden in der stationären Ladeeinrichtung. Alle Ladeeinrichtungen besitzen eine Ladesteuerung. Bei AC-Ladeeinrichtungen werden Fehlerstromschutzschalter (Residual Current Device, RCD) zum Erkennen von Fehlerströmen eingesetzt, bei DC-Ladeeinrichtungen werden Isolationsüberwachungsgeräte (Insulation Monitoring Device, IMD) genutzt. Ladesäulen im öffentlichen Raum verfügen im Regelfall zudem über Bedienterminals, Abrechnungssysteme und Kommunikationseinrichtungen. In Ladeparks sind zusätzliche Einrichtungen für die Lastverteilung oder für das Energiemanagement vorhanden. All diese Komponenten reagieren empfindlich gegenüber transiente Überspannungen und müssen davor ge- schützt werden. Phoenix Contact bietet für alle Anwendungsfälle beim AC- oder DC-Laden geeignete Lösungen – in den Bereichen elektrische Energietechnik, Mess-, Steuer- und Regelungstechnik sowie für daten- und informationstechnische Einrichtungen. Gefährdung durch Blitz und Schaltüberspannungen Bei Ladeeinrichtungen muss immer mit indirekten Blitzeinschlägen – das sind Blitzeinschläge in der näheren Umgebung – gerechnet werden. Bei der Planung von Ladeeinrichtungen müssen jedoch nicht nur durch Blitzeinwirkungen hervorgerufene Störungen berücksichtigt werden, sondern auch Schaltüberspannungen aus dem speisenden Niederspannungsnetz. Sie sind ein häufig auftretendes Phänomen, führen jedoch nicht zwangsläufig zu einer sofortigen Beschädigung von Betriebsmitteln. Treten Schaltüberspannungen aber häufiger auf, können elektrische und elektronische Betriebsmittel vorzeitig altern. Vereinzelt erreichen aber auch Schaltüberspannungen eine Amplitude oberhalb der Isolations- oder Stoßspannungsfestigkeit der Betriebsmittel. Beim Auftreten hoher Spannungsspit- 26 K|E|M Konstruktion Automobilkonstruktion 02 2019

LADETECHNIK ELEKTROMOBILITÄT Ladestation für AC-Laden im öffentlichen Bereich: Die sensiblen elektronischen Komponenten werden mit Überspannungsschutzgeräten unterschiedlichen Typs geschützt Bild: Phoenix Contact zen aufgrund von Blitzeinschlägen oder Schaltüberspannungen können also Ladeeinrichtungen und die dazugehörigen Hilfseinrichtungen, aber auch die Elektrofahrzeuge selbst beschädigt oder gar zerstört werden. Während der Ableitung von Kurzschlussströmen zur Erde (Erdschlussströmen) kann es an leitfähigen geerdeten Teilen zu berührgefährlichen Spannungen kommen. Auch an berührbaren leitfähigen Teilen von Ladesäulen oder an leitfähigen geerdeten Teilen von Elektrofahrzeugen können dann berührgefährliche Spannungen auftreten. Die Wahrscheinlichkeit von berührgefährlichen Spannungen, die durch Spannungsspitzen mit nachfolgenden Erdschlussströmen verursacht werden, kann durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten wirksam verringert werden. Meist reicht es, Ladeeinrichtungen und Elektrofahrzeuge so zu schützen, dass sie indirekte Blitzeinschläge und Schaltüberspannungen aus dem Stromnetz schadlos überstehen. Wirksamer Schutz durch Überspannungs- Schutzeinrichtungen PLUS Durch den Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen werden folgende Schutzwirkungen erzielt: • Blitzbedingte Stoßströme werden so „umgeleitet“, dass es nicht zu einer übermäßigen Erwärmung von Leitern kommt. • Blitzbedingte Überspannungen werden für nachgelagerte Stromkreise so begrenzt, dass die Isolations- und Spannungsfestigkeit von zu schützenden Betriebsmitteln nicht überschritten wird und es nicht zu gefährlicher Funkenbildung oder zu hierdurch hervorgerufenen Kurzschlüssen kommt. • Schaltüberspannungen werden so begrenzt, dass eine vorzeitige Alterung von elektronischen Geräten möglichst vermieden wird. Gefährdungsbewertung des Ladeparks Für jeden Ladepark sollte eine Gefährdungsbewertung durchgeführt werden. Nur so können geeignete Überspannungsschutzgeräte ausgewählt werden und die bestmöglichen Einbauorte gefunden werden. Ist mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen, sollten die energietechnischen Leitungen mit leistungsstarken Überspannungs-Schutzeinrichtungen Typ 1 – sogenannten Blitzstromableitern – in den Potentialausgleich eingebunden werden. Ist kein äußerer Blitzschutz vorhanden oder geplant, sind kostengünstigere Überspannungs-Schutzeinrichtungen Typ 2 – sogenannten Überspannungsableiter – die optimale Lösung. In den Ladesäulen werden außerdem zahlreiche Komponenten mit 24 V DC versorgt. Der Schutz der 24 V-Hilfsspannung kann zum Beispiel mit einer Überspannungs-Schutzeinrichtung Typ 3 erfolgen. In Ladeparks und bei Ladesäulen im öffentlichen Raum sind im Regelfall auch Komponenten für die Kommunikation mit einem Abrechnungs- oder Gebäudemanagementsystem vorhanden. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel eine Ethernet-Verbindung eingesetzt – zum Schutz dieser Verbindung wird dann eine Überspannungs- Schutzeinrichtung vom Typ D1 empfohlen. Bei der Risikobewertung müssen deshalb alle Leitungen und Betriebsmittel mit betrachtet werden, bei denen eine Gefährdung durch Überspannungen zu erwarten ist. Dazu gehören folgende Komponenten: • Ist ein eigener Trafo vorhanden, so gibt es immer eine Niederspannungs-Schaltanlage. • Bei komplexeren Ladeeinrichtungen und Ladeparks sind immer Steuerleitungen für das Energiemanagement vorhanden. • DC-Schnellladeeinrichtungen können mit zusätzlichen zentralen Kühleinrichtungen oder mit Kühleinrichtungen in Ladesäulen ausgestattet sein. • DC-Speicher mit Pufferbatterien und DC/DC- oder DC/AC-Wandlern Bei privaten Ladeeinrichtungen obliegt es dem Eigentümer, in welchem Umfang er die beschriebenen Schutzmaßnahmen umsetzt. Im öffentlichen und halböffentlichen Raum muss jedoch die VDE 0100–722 beachtet werden. Auch die deutschen Versicherer haben hierzu in ihrer Publikation VdS 3471 zur Schadensverhütung bei Ladestationen für Elektrostraßenfahrzeuge Stellung bezogen und leiten aus den normativen Anforderungen eine Empfehlung für den Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen ab. eve www.phoenixcontact-emobility.com/de Alle Überspannungs-Schutzeinrichtungen von Phoenix Contact im Überblick: t1p.de/8445 K|E|M Konstruktion Automobilkonstruktion 02 2019 27