Die Prüfung von Ladesäulen und Wallboxen VDE 0105-100/A1 + VDE 0122-1

Prüfung von E-Ladestation nach der aktuellen Norm!

Eine E-Ladestation oder Wallbox für Elektrofahrzeuge ist eine ortsfeste elektrische Anlage. Überprüfbare Komponente sind hier ins besonders die Steckvorrichtung, der Leitungsschutz, die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD), der Leistungsschalter und eine Sicherheitskommunikationseinrichtung (PWM).

Sowohl Erst- als auch Wiederholungsprüfungen müssen hier in regelmäßigen Abständen von Elektrofachkräften mit nachweislichen Kenntnissen durchgeführt werden. Die Prüfung besteht aus Besichtigung, Messung und Erprobung bezüglich der Anforderungen nach DIN VDE 0105-100/A unter Bezugnahme der technischen Dokumentation und aus dem Erstellen des Prüfberichts.

Betreiberpflichten der Ladesäulenverordnung erfüllen und umsetzten

Mit der Ladesäulenverordnung (LSV) wurden deutschlandweit die technische Mindestanforderungen an den sicheren und interoperablen Aufbau und Betrieb von öffentlich zugänglichen Ladepunkten für elektrisch betriebene Fahrzeuge geregelt. Die Verordnung beinhaltet z. B. Anforderungen an die Anmeldeverfahren, die Prüfung vor Inbetriebnahme und die Genehmigungsverfahren von Ladesäulen und Ladepunkten. Als Betreiber müssen Sie für den sicheren Betrieb Ihrer Ladesäulen durch regelmäßig wiederkehrende Prüfungen nach BetrSichV oder der Unfallverhütungsvorschrift Sorge tragen. Nach der Ladesäulenverordnung müssen Energieladesäulen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik, hier insb. der Vorgaben der DIN VDE 0100-722 errichtet werden. Vor der Inbetriebnahme ist die Erstprüfung nach DIN VDE 0100-600 durch den Errichter durchzuführen und zu dokumentieren. Wiederkehrend ist zusätzlich die technische Sicherheit durch Prüfungen nach DIN VDE 0105-100/A1 in regelmäßigen Abständen zu gewährleisten. Ladekabel werden nach Din VDE 0701 und DIN VDE 0702 mittels Prüfadapter geprüft.

Die Prüfung von E-Ladestationen

Laut Gesetzgeber müssen Prüfzyklen elektrischer Anlagen und Geräte anhand einer Gefährdungsbeurteilung ermittelt werden. Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin hat dazu als Empfehlung die  TRBS 1201 (technische Richtlinie für Betriebssicherheit) herausgegeben.

Für rechtssichere Gefährdungsbeurteilungen gibt es einige Voraussetzungen, für mehr Informationen hier…

1. Sichtprüfung

Bei der Sichtprüfung müssen der Berührungsschutz, die Schutzarten und die Umgebungseinflüsse beachtet werden. Bei den Wiederholungsprüfungen ist es infolge der starken mechanischen Belastungen besonders wichtig, die Kabel und Stecksysteme auf Beschädigungen zu kontrollieren.

2. Durchgangsprüfung

Die Durchgängigkeit des Schutzleiters wird mit Hilfe eines Installationstesters geprüft, hier dürfen die Kontrolle des Gehäuses und der Schutzleiter an der Steckvorrichtung nicht vergessen werden.

3. Isolationswiderstand

Der Isolationswiderstand wird zwischen den aktiven Leitern und dem Schutzleiter gemessen.  Bei der Messung müssen die Überstromunterbrecher ausgeschaltet und der Neutralleiter getrennt werden und auf der Eingangs- und Ausgangsseite der Ladestation gemessen werden.

4. Automatische Abschaltung der Ladestation

Bei der Überprüfung der automatischen Abschaltung muss an der Ladestation ein Elektrofahrzeug simuliert werden. Die notwendigen Prüfungen werden mit einem Adapter zur Fahrzeugsimulation (CP) nach VDE 0122-1 (DIN EN 61851-1), an dem der entsprechende Fahrzeugstatus simuliert werden kann, durchgeführt.

5. Funktionsprüfung

Bei der Funktionsprüfung werden die Spannungen gemessen um anschließend mit dem Adapter zur Fahrzeugsimulation (CP) nach VDE 0122-1 (DIN EN 61851-1) simulieren zu können ob das Fahrzeug eingesteckt ist und/oder ob es für die Ladung bereit ist. Zusätzlich können auch Fehler simuliert werden.

Prüfung der Funktionalität von Ladestationen
Die Funktionsprüfung mit einem Fahrzeug durchzuführen ist eher eine Stichprobe als eine belastbare Methode. Der Fehlerfall kann hier nicht klar eingegrenzt werden und daher ist eine Prüfung der unterschiedlichen Ladephasen mit einem entsprechenden Adapter zu empfehlen. Bereits mit den ganz einfachen Testgeräten können die einzelnen Ladefreigaben Stück für Stück auslösen und untersuchen werden. Zudem bieten die Messgeräte die Möglichkeit zum Anschluss weiterer Testgeräte an, z. B. Schutzleiterprüfung und RCD-Auslöseverhalten. Die Nutzung von Testgeräten ist somit eindeutig besser als die stichprobenartige Prüfung mit einem einzelnen Fahrzeug.
Eine Wallbox oder Ladesäule (gemäß VDE 0122 – Ladebetriebsart 3) können Ladeströme bis zu 63 A möglich sein. Auch bei 11 kw oder 22 kw Ladeleistung ergeben sich Ströme von jeweils dreiphasig 16 A oder 32 A. Aufgrund dieser hohen Ladeströme ist ein kontrolliert gestarteter Ladevorgang unabdinglich.
Wesentliche Anforderung sind hierbei:
  • Überprüfung, ob das Fahrzeug ordnungsgemäß angeschlossen ist
  • Auswahl der Ladestromstärke
  • Sperren / Freigeben der Steckvorrichtung
  • Bestimmung von Lüftungsanforderungen im Ladebereich
  • Koordination von Start und Ende des Ladevorgangs
  • Ständige Überwachung der Durchgängigkeit des Schutzleiters
  • Überwachung/Steuerung von Ladespannung und -stromstärke während des Ladevorgangs
  • Überwachung auf Abbruch durch den Nutzer
Ablauf des Ladevorgangs

Zunächst signalisiert die Ladestation die grundsätzliche Betriebsbereitschaft über eine anliegenden 12 V DC Spannung zwischen den Kontakten CP (Control Pilot) und PE. Es liegt die Ladfreigabe A (Kein Fahrzeug bzw. Ladestation in Stand-by) vor.

Sobald nun ein Fahrzeug an die Ladestation angeschlossen wird, schließt ein Widerstand von 2 700 Ω zwischen diesen Kontakten, was zur Folge hat, dass die Spannung von 12V auf 9 V sinkt. Die Ladesäule hat somit ein Fahrzeug erkannt und es liegt die Ladefreigabe B vor. In diesem Zustand verriegeln beide Stecker beidseitig.

Die Gleichspannung zwischen CP und PE werden nun in ein Rechtecksignal mit 1 kHz Frequenz umgewandelt. Über die Pulsweite teilt die Ladestation dem Fahrzeug die maximal mögliche Stromstärke mit.  Für eine Stromstärke zwischen 6A und 48 A gilt hierfür die folgende Formel:

Verfügbare Stromstärke (in A) = Duty cycle (in%) · 0,6 A

bzw.

Duty cycle (in%) = Verfügbare Stromstärke (in A) ÷ 0,6 A

Hier einige Beispiele:

  • Pulsweite 50% → Ladestrom max. 32 A
  • Pulsweite 27% → Ladestrom max. 16 A
  • Pulsweite 16% → Ladestrom max. 10 A

Durch den 1 kΩ Widerstand in der Ladebox, die Diode und den 2,7 kΩ Widerstand im Elektroauto pendelt das Rechtecksignal an CP zwischen +9 V und −12 V.

Über den PP-Kontakt können sowohl Ladestation als auch Elektroauto erkennen, wie stark das angeschlossene Ladekabel belastet werden darf. In beiden Typ2-Steckern ist hierzu ein fester Widerstand zwischen PP und dem Schutzleiter eingebaut, dessen Wert angibt, welchen Querschnitt die Leitungen des Ladekabels haben. Folgende Widerstandswerte sind möglich:

Widerstand Leitungsquerschnitt max. Ladestrom
1,5 kΩ 1,5 mm² 13 A
680 Ω 2,5 mm² 20 A
220 Ω 4–6 mm² 32 A
100 Ω 10–16 mm² 63 A

Nachdem die Ladestation weiß, welcher Ladestrom maximal zur Verfügung steht und welchen maximalen Ladestrom das Ladekabel verkraftet, wird diese den entsprechenden Wert über eine Pulsweitenmodulation (PWM) dem Fahrzeug mitteilen.

Nun kann das Fahrzeug den Widerstand zwischen CP und PE weiter verringern. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Falls das Fahrzeug keine Lüftungsanforderung hat (das ist der Normalfall), reduziert das Fahrzeug den Widerstand auf 880 Ω. Das führt wiederum dazu, dass die Ladestation das Ladeschütz schließt und ein Ladestrom fließen kann. Es liegt damit die Ladefreigabe C vor (Fahrzeug lädt).
  • Falls das Fahrzeug mit gasenden Batterien ausgestattet ist, legt es einen Widerstand von 240 Ω zwischen die Kontakte CP und PE. Dies signalisiert der Ladestation eine Lüftungsanforderung. Falls es zum Ladevorgang kommt, spricht man von der Ladefreigabe D (Lüftungsanforderung).

Sollte es während des Ladevorgangs zu ­einem Fehler auf der Fahrzeugseite kommen, dann schließt das Fahrzeug die Kontakte CP und PE kurz. Dies führt auf der Seite der ­Ladestation zur Ladefreigabe E (Fehlerfall) und sinnvollerweise zu einem Abbruch.

Ansonsten wird der Ladevorgang schrittweise in umgekehrter Reihenfolge aufge­hoben. D. h. der Widerstand zwischen CP und PE wird zunächst auf 2 700 Ω erhöht. Dies bewirkt, dass das Ladeschütz wieder öffnet, und die Station wechselt in die Ladefreigabe B. Die Stecker bleiben noch verriegelt. Der Hintergrund für den Wechsel kann immerhin auch sein, dass der Ladevorgang nur kurz pausieren soll. Erst wenn das Fahrzeug den Widerstand zwischen CP und PE aufhebt, wird der Ladestation der Wunsch nach Abbruch signalisiert. Dies führt zur Entriegelung der Ladestecker und den Rückfall in die Ladefreigabe A.

Zusammenfassung des Signalverlaufs

Ladefreigabe A

  • Kein Fahrzeug angeschlossen
  • Spannung zwischen CP und PE 12 V DC

Ladefreigabe B

  • Fahrzeug angeschlossen
  • Widerstand 2 700 Ω zwischen CP und PE
  • Spannung zwischen CP und PE 9 V
  • Stecker werden verriegelt
  • Die Ladestation startet mit der Erzeugung eines 1-kHz-Signals

Ladefreigabe C

  • Das Fahrzeug reduziert den Widerstand zwischen CP und PE auf 880 Ω (bzw. im Falle von Lüftungsbedarf auf 240 Ω)
  • Die Spannung CP-PE sinkt auf 6 V (bzw. 3 V)
  • Die Ladestation schließt das Ladeschütz und startet damit den Ladevorgang

Ladefreigabe D

  • Die Ladestation signalisiert das dem Fahrzeug durch eine veränderte Pulsweite
  • Die Steuerung im Fahrzeug reduziert oder erhöht den Ladestrom

Ende des Ladevorgangs

  • Das Fahrzeug erhöht den Widerstand zwischen CP und PE auf 2 700 Ω
  • Die Spannung CP-PE steigt auf 9 V
  • Die Ladestation öffnet das Ladeschütz und beendet damit den Ladevorgang (zurück zu Ladefreigabe B)

Entriegelung

  • Das Fahrzeug trennt den Widerstand zwischen CP und PE
  • Die Spannung CP-PE steigt auf 12 V
  • Die Stecker werden entriegelt und das Fahrzeug kann abgetrennt werden (zurück zu Ladefreigabe A)