Safe Auto­ma­tion unter­stützt „Zero Emis­sion Mobility“

Schnell laden ist Ziel und Heraus­for­de­rung

Elek­tro­fahr­zeuge (kurz: E‑Fahrzeuge) prägen heute das Stra­ßen­bild mit, Lade­sta­tionen findet man inzwi­schen z. B. häufiger auf Firmen­ge­länden und bei Shop­ping­cen­tern. Und auch bei Lkw-Flotten ist das elek­tri­sche Laden grüne Zukunfts­vi­sion. Das gemein­same Ziel: Emis­sionen sollen redu­ziert werden. Die gemein­same Heraus­for­de­rung: Wie kann ein modernes Park­platz­system inklu­sive Lade­sta­tionen sicher und effi­zient für alle Betei­ligten umge­setzt werden? Und welche Auto­ma­ti­sie­rungs- und auch Sicher­heits­technik muss dahin­ter­stehen?

Um E‑Fahrzeuge laden zu können, braucht man – logisch – Strom. Bei der Frage jedoch, ob Wech­sel­strom (AC) oder Gleich­strom (DC), scheiden sich die tech­ni­schen Geister. Wobei eines grund­sätz­lich klar ist: Es funk­tio­niert beides. Dennoch hat DC-Laden gegen­über dem AC-Laden entschei­dende Vorteile. Das Haupt­ar­gu­ment: das schnel­lere Laden in höheren Leis­tungs­be­rei­chen. Voraus­set­zung ist, dass ein sicherer Strom­kreis bzw. die Berück­sich­ti­gung aller Sicher­heits­kom­po­nenten sowie eine moderne Steue­rungs­technik vorhanden ist. Zudem muss das Sicher­heits­kon­zept dabei alle mögli­chen Sicher­heits­aspekte einschließen und die Sicher­heits­an­for­de­rungen müssen sich sowohl auf das Gleich­strom­netz als auch auf das Wech­sel­strom­netz beziehen.

DC-Laden hat Konse­quenzen für die Sicher­heit

An diesem Punkt kam Pilz als Experte für Auto­ma­ti­sie­rungs- und Sicher­heits­technik, bereits seit vielen Jahren Partner für W.E.B., ins Spiel. In deren Demo-Anlage „MADELAINE“ (Multi-Adap­tives DC-Elek­tro­fahr­zeug-Lade-Infra­struktur-Netz) sorgt die SPS-Steue­rung PSSuni­versal PLC des Auto­ma­ti­sie­rungs­sys­tems PSS 4000 als zentrale Instanz für die Sicher­heit. Ein Haupt­ar­gu­ment für deren Einsatz war die Möglich­keit, mit ihr die Program­mier­sprache Struc­tured Text im Sicher­heits­teil verwenden zu können. Zwei grund­le­gende Funk­tionen bietet PSSuni­versal PLC zudem: Sie mini­miert die Wahr­schein­lich­keit, dass Fehler im System auftreten, und sorgt im Störungs­fall dafür, dass das System in einen sicheren Zustand gebracht wird. Beides sind wesent­liche Aspekte beim Laden von E‑Fahrzeugen. Dieses Sicher­heits­kon­zept sorgt zuver­lässig dafür, dass die Sicher­heits­ein­rich­tungen die Lade­mo­dule sowohl auf der Wech­sel­strom­netz­seite als auch auf der Gleich­strom­seite berück­sich­tigen.

Steue­rungs-Allrounder sorgt für die Sicher­heit

PSSuni­versal PLC über­wacht im Park­la­de­system MADELAINE auch den Netz­ver­teiler: Das ist hier notwendig, um die Schalt­ma­trix so zu verschalten, dass die defi­nierten, ausge­wählten Lade­mo­dule fürs Laden auf die rich­tigen Lade­punkte laufen. Neben der Herstel­lung dieser rich­tigen Leis­tungs­ver­bin­dungen muss die Sicher­heits-SPS auch die anderen Sicher­heits­ein­rich­tungen managen, wie z. B. auch die Not-Halt-Schalt­kreise.

Denn das Ziel des Park­la­de­sys­tems ist es, als Lade­lö­sung in Zukunft das Laden möglichst flexibel über eine Viel­zahl von Abga­be­punkten, sprich Lade­sta­tionen, zu ermög­li­chen. Das sichere Durch­schalten der DC-Verbin­dungen ist dabei ein Herz­stück des MADE­LAINE-Projekts. Das Beson­dere ist, dass die fünf sich im Einsatz befin­denden Lade­mo­dule des Park­la­de­sys­tems parallel geschaltet werden und die jewei­ligen Lade­mo­dule einzeln betrieben werden können. Das bedeutet, dass fünf Park­plätze mit jeweils 10 kW geladen werden können. Zu bedenken war, dass hinter jedem Lade­modul, das parallel geschaltet wird, ein DC-Schütz vorhanden sein musste. PSSuni­versal PLC ist genau dafür mit an Bord: Die Schalter können mit ihr sicher ange­steuert werden.

Schritt für Schritt Rich­tung „Grün“

MADELAINE hatte mehrere Projekt­schritte: Im ersten wurde die gesamte Netz­ar­chi­tektur und die damit verbun­dene Verdrah­tung entwi­ckelt sowie das opti­male Verhältnis zwischen der Anzahl an Lade­mo­dulen und Stell­plätzen analy­siert. Eine Demons­tra­ti­ons­an­lage mit fünf Lade­mo­dulen und zehn Lade­punkten auf dem Gelände der W.E.B war der nächste Schritt, wobei die Plan­größe eines Lade­mo­duls auf einer DC-Ausgangs­leis­tung von 10 kW basierte. Durch die Paral­le­li­sie­rung von fünf Lade­mo­dulen können bis zu 50 kW auf einem einzelnen Stell­platz bereit­ge­stellt werden. Der Demobe­trieb hatte das Last­ma­nage­ment und die Opti­mie­rung des Eigen­be­darfs am Standort im Fokus. Für das Park­system war dann 2023 eine ausgie­bige Test­phase unter Labor­be­din­gungen ange­setzt. Dabei wurde zum einen ohne Leis­tung, d. h. ausschließ­lich die Soft­ware, getestet, zum anderen die Schalt­frei­gaben gegeben und die Paral­le­li­sie­rung unter Leis­tung unter­sucht. Die Doku­men­ta­tion der Daten im Proto­koll und Analyse fand im Rahmen der Projekt­an­for­de­rungen statt. Ende September 2023 schließ­lich konnte dann der erste Lade­be­trieb mit den Fahr­zeugen durch­ge­führt werden.

Was in dem Zusam­men­hang auch nicht fehlen durfte, ist eine eigene Lade-App: Hier konnte das Auto­ma­ti­sie­rungs­system PSS 4000 als Lösung eben­falls punkten, denn die Steue­rung PSSuni­versal PLC ist in den genormten IEC/IN 61131-Spra­chen der Auto­ma­ti­sie­rungs­technik program­mierbar, sodass der Anwender keine neue Sprache dazu­lernen muss. Eine echte Arbeits­er­leich­te­rung, wie das Projekt­team bei W.E.B. bestä­tigt.