EV-Ladestandards

Im Jahr 2011 legte der Europäische Automobilherstellerverband (ACEA) die folgenden Definitionen fest:

• Anschluss: Bezieht sich auf den Anschluss an der Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge (EVSE), der für die Bereitstellung von Ladeleistung an das Fahrzeug verantwortlich ist.
• Stecker: Bezeichnet das Ende des flexiblen Kabels, das mit dem Anschluss an der EVSE verbunden wird. In Nordamerika werden der Anschluss und der Stecker aufgrund der festen Anbringung des Kabels nicht verwendet.
• Kabel: Beschreibt ein flexibles Bündel von Leitern, das die EVSE mit dem Elektrofahrzeug verbindet.
• Stecker: Repräsentiert das Ende des flexiblen Kabels, das eine Schnittstelle mit dem Eingang des Fahrzeugs bildet.
• Fahrzeugeingang: Bezieht sich auf den Anschluss am Elektrofahrzeug, der für die Aufnahme von Ladeleistung ausgelegt ist.

Die Begriffe Elektrofahrzeug-Stecker und Fahrzeugeingang wurden zuvor bereits in ähnlicher Weise in Artikel 625 des United States National Electric Code (NEC) von 1999 definiert. Der NEC-1999 beschrieb außerdem die Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge als die vollständige Einheit, die speziell zur Energielieferung von der Hausinstallation an das Elektrofahrzeug installiert wurde und Leiter, Elektrofahrzeug-Stecker, Anschlussstecker und alle anderen Armaturen, Geräte, Steckdosen oder Apparate umfasst.

Tesla, Inc. verwendet den Begriff Ladestation zur Beschreibung eines Standorts, an dem eine Gruppe von Ladegeräten untergebracht ist, während sie eine einzelne EVSE als Stecker bezeichnen.

Der National Electric Transportation Infrastructure Working Council (IWC) wurde 1991 vom Electric Power Research Institute gegründet und umfasste Mitglieder sowohl aus der Automobilherstellerbranche als auch aus der Elektrizitätswirtschaft, mit dem Ziel, Standards in den Vereinigten Staaten zu etablieren. Frühe Bemühungen des IWC führten zur Entwicklung von drei Ladestufen, wie sie im National Electric Code (NEC) Handbuch von 1999 dargelegt sind.

Gemäß NEC-1999 wurde die Ladeausrüstung der Stufe 1 (wie im NEC-Handbuch definiert, wenn auch nicht explizit im Code) über eine standardmäßige NEMA 5-20R 3-polige Steckdose mit Erdung an das Stromnetz angeschlossen. Des Weiteren war die Integration eines Fehlerstrom-Schutzschalters innerhalb von 300 mm vom Stecker vorgeschrieben. Der Versorgungskreis musste über eine Absicherung von 125 % des maximalen Nennstroms verfügen. Zum Beispiel erforderte eine Ladeausrüstung mit einem Dauerstrom von 16 Ampere einen Schutzschalter mit 20 A.

Ladeausrüstung der Stufe 2 (wie im Handbuch spezifiziert) war laut NEC-1999 fest verdrahtet und an einem festen Standort sicher positioniert. Sie erforderte zudem eine Erdung und einen Fehlerstromschutz sowie einen Verriegelungsmechanismus zur Verhinderung des Fahrzeugstarts während des Ladevorgangs und eine Sicherheits-Abreißvorrichtung für Kabel und Stecker. Ein 40-A-Schutzschalter (entspricht 125 % des maximalen Dauerstroms) war für die Absicherung des Abzweigstromkreises obligatorisch. Für höheren Komfort und schnelleres Laden bevorzugten viele frühe Elektrofahrzeuge (EVs) die Installation von Ladeausrüstung der Stufe 2, die über einen induktiven Paddelstecker (Magne Charge) oder einen leitungsgebundenen Stecker (Avcon) mit dem Elektrofahrzeug verbunden werden konnte.

Ladeausrüstung der Stufe 3 nutzte einen externen Gleichrichter, um den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, der dann dem Fahrzeug zugeführt wurde. Zum Zeitpunkt der Erstellung sah das NEC-1999 Handbuch vor, dass Ladeausrüstung der Stufe 3 eine Aufrüstung der Verteilungssysteme und Transformatoren durch die Energieversorger erforderlich machen würde.

Die Society of Automotive Engineers (SAE International) definiert die allgemeinen physikalischen, elektrischen, kommunikations- und leistungstechnischen Anforderungen für Ladesysteme von Elektrofahrzeugen (EV) in Nordamerika als Teil des Standards SAE J1772, der ursprünglich 2001 entwickelt wurde. SAE J1772 unterteilt vier Ladestufen, mit je zwei Stufen für Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC). Diese Unterscheidungen basieren auf der Art der Stromverteilung, den Standards und der maximalen Leistung.

AC-Ladestationen verbinden die fahrzeuginterne Ladeelektronik direkt mit der AC-Versorgung.

• AC Stufe 1: Diese Stufe wird direkt an eine nordamerikanische Standardsteckdose mit 120 V angeschlossen und kann je nach Kapazität eines dedizierten Stromkreises 6–16 A (0,7–1,92 kW) liefern.
• AC Stufe 2: Sie nutzt 240 V (einphasig) oder 208 V (dreiphasig), um zwischen 6 und 80 A (1,4–19,2 kW) zu liefern, was eine deutliche Steigerung der Ladegeschwindigkeit gegenüber AC Stufe 1 bietet.

Obwohl basierend auf der älteren Definition des NEC-1999 häufig, wenn auch inkorrekt, als „Stufe 3“-Laden bezeichnet, wird das DC-Laden im SAE-Standard separat kategorisiert. Beim DC-Schnellladen wird der Wechselstrom aus dem Netz in einer Station durch einen AC/DC-Wandler in Gleichstrom umgewandelt, bevor er die Batterie des Fahrzeugs erreicht, wodurch der fahrzeuginterne AC/DC-Wandler umgangen wird.

• DC Stufe 1: Diese Stufe liefert maximal 80 kW bei 50–1000 V.
• DC Stufe 2: Sie liefert maximal 400 kW bei 50–1000 V.

Zusätzliche von der SAE veröffentlichte Standards für das Laden umfassen SAE J3068, der sich auf das dreiphasige AC-Laden unter Verwendung des in IEC 62196-2 definierten Typ-2-Steckers bezieht, und SAE J3105, der sich mit der automatisierten Verbindung von DC-Ladegeräten befasst.

Im Jahr 2003 integrierte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) einen wesentlichen Teil des Standards SAE J1772 in die Norm IEC 62196-1.

IEC 62196-1 wurde anschließend überarbeitet und zu IEC 62196 erweitert, wodurch sie zu einem internationalen Standard wurde, der eine Vielzahl von Steckertypen und Lademodi für Elektrofahrzeuge umfasst. Dieser Standard ist in Deutschland als DIN-Norm DIN EN 62196, in Österreich als ÖVE/ÖNORM EN 62196 und in der Schweiz als SN EN 62196 anerkannt. Er umfasst mehrere Komponenten, die schrittweise verabschiedet wurden. Der dritte Teil wurde im Juni 2014 veröffentlicht, und die IEC TS 62196-4, die Stecker für leichte Elektrofahrzeuge abdeckt, wurde im Oktober 2022 publiziert. Teil 1 liegt seit 2022 in der vierten Ausgabe vor.

Der Standard folgt der Definition der IEC 61851 für einen Signalkontakt, der für das Schalten des Ladestroms verantwortlich ist. Bemerkenswert ist, dass die Ladestation spannungsfrei bleibt, bis ein Elektrofahrzeug angeschlossen ist, wodurch sichergestellt wird, dass das Fahrzeug während des Ladevorgangs nicht betrieben werden kann.

Die Definitionen für den Signalkontakt und die IEC-62196-1 Ladestecker aus Teil 1 wurden in verschiedene technische Vorschriften integriert. Neben den dreiphasigen IEC 60309 „CEE“-Anschlüssen wurden die Lademodi auch für den SAE J1772-Stecker in Nordamerika (entwickelt von Yazaki), den CHAdeMO-Stecker in Japan und den Mennekes-Stecker (VDE-AR-E 2623-2-2) in Europa übernommen. Jeder dieser Stecker dient als Grundlage für ein Netz öffentlicher Ladestationen, die von Energieversorgern bereitgestellt werden.

Die IEC kategorisiert das Laden in Modi (IEC 61851-1) wie folgt:

• Modus 1: Dies umfasst das langsame Laden an einer Standard-Steckdose, unabhängig davon, ob es sich um einphasigen oder dreiphasigen Wechselstrom handelt.
• Modus 2: Langsames Laden an einer herkömmlichen AC-Steckdose, jedoch mit spezifischen Schutzvorrichtungen für Elektrofahrzeuge, wie etwa den Park & Charge- oder PARVE-Systemen.
• Modus 3: Dies umfasst sowohl langsames als auch schnelles AC-Laden unter Verwendung einer speziellen EV-Mehrfachsteckdose mit Steuer- und Schutzfunktionen, wie z. B. SAE J1772 und IEC 62196-2.
• Modus 4: DC-Schnellladen über eine dedizierte Ladeschnittstelle, wie z. B. IEC 62196-3, wie beispielsweise CHAdeMO.

Die Verbindung zwischen dem Stromnetz und dem „Ladegerät“ (Stromversorgungseinrichtung für Elektrofahrzeuge) wird in drei Szenarien (IEC 61851-1) dargelegt:

• Fall A: Bezieht sich auf jedes Ladegerät, das an das Stromnetz angeschlossen ist, normalerweise mit einem Netzanschlusskabel, das am Ladegerät selbst befestigt ist; dies wird hauptsächlich den Modi 1 oder 2 zugeordnet.
• Fall B: Beschreibt ein fahrzeuginternes Ladegerät mit einem Netzanschlusskabel, das sowohl vom Netz als auch vom Fahrzeug gelöst werden kann; dies entspricht normalerweise Modus 3.
• Fall C: Bezieht sich auf dedizierte DC-Ladestationen, bei denen das Netzanschlusskabel permanent an der Ladestation angebracht sein kann, ähnlich wie bei Modus 4.

Der North American Charging Standard (NACS), auch bekannt als Tesla-Ladestandard, ist ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge (EV), das von Tesla, Inc. entwickelt wurde. Es wird seit 2012 bei allen Tesla-Fahrzeugen auf dem nordamerikanischen Markt eingesetzt. Im November 2022 öffnete Tesla diesen Standard für die Nutzung durch andere Hersteller.

Das NACS-Steckersystem, das derzeit als SAE J3400 standardisiert wird, ist sowohl für AC- als auch für DC-Laden konzipiert. Die aktuelle Version des NACS-Steckers, die bei Tesla Superchargern verwendet wird, kann bis zu 250 kW Leistung liefern. Bei Verwendung von Wechselstrom kann das NACS-System bis zu 80 Ampere bei 277 Volt liefern. In der gängigsten Konfiguration bietet es bis zu 48 Ampere Strom bei 240 Volt, was 11,5 kW entspricht, was für die private Nutzung in Nordamerika typisch ist.

Gängige Stecker sind Typ 1 (Yazaki), Typ 2 (Mennekes), Typ 3 (Scame), CCS Combo 1 und 2, CHAdeMO und Tesla. Viele Standard-Steckertypen sind in IEC 62196-2 (für AC-Versorgungsleistung) und 62196-3 (für DC-Versorgungsleistung) definiert:

• Typ 1: Einphasiger AC-Fahrzeugkuppler – Entspricht den Spezifikationen für Automobilstecker SAE J1772/2009.
• Typ 2: Ein- und dreiphasiger AC-Fahrzeugkuppler – Entspricht den Spezifikationen VDE-AR-E 2623-2-2, SAE J3068 und GB/T 20234.2.
• Typ 3: Ein- und dreiphasiger AC-Fahrzeugkuppler mit Sicherheitsblenden – Vorgeschlagen von der EV Plug Alliance.
• Typ 4: DC-Schnellladekuppler
  • Konfiguration AA: CHAdeMO
  • Konfiguration BB: GB/T 20234.3
  • Konfigurationen CC/DD: (reserviert)
  • Konfiguration EE: CCS Combo 1
  • Konfiguration FF: CCS Combo 2

Stecker-Designs gemäß IEC 62196-2 und -3
Stromversorgung	Vereinigte Staaten	Europäische Union	Japan	China
1-phasiger AC	Typ 1 (SAE J1772)	Typ 2 (DE, UK) Typ 3 (IT, FR; mittlerweile veraltet)	Typ 1 (SAE J1772)	Typ 2 (GB/T 20234.2)
3-phasiger AC	Typ 2 (SAE J3068)		-
DC	EE (CCS Combo 1)	FF (CCS Combo 2)	AA (CHAdeMO)	BB (GB/T 20234.3)
			ChaoJi (geplant)

In den späten 1990er und frühen 2000er Jahren wurden in den Vereinigten Staaten mehrere Elektrofahrzeuge (EVs) eingeführt, darunter der GM EV1, der Ford Ranger EV und der Chevrolet S-10 EV. Diese Fahrzeuge bevorzugten die Verwendung von EVSE der Stufe 2 (einphasiger Wechselstrom), wie durch NEC-1999 definiert, um eine akzeptable Ladegeschwindigkeit beizubehalten. Die EVSEs waren entweder mit einem induktiven Anschluss (Magne Charge) oder einem leitungsgebundenen Stecker (typischerweise AVCON) ausgestattet. GM, Nissan und Toyota unterstützten das induktive System, während DaimlerChrysler, Ford und Honda das leitungsgebundene System bevorzugten.

Magne Charge-Paddelstecker gab es in zwei Größen: ein älteres, größeres Paddel (verwendet für den EV1 und S-10 EV) und ein neueres, kleineres Paddel (verwendet für die erste Generation des Toyota RAV4 EV, jedoch über einen Adapter abwärtskompatibel mit Fahrzeugen für das große Paddel). Das größere Paddel, das 1994 eingeführt wurde, war für einen flüssigkeitsgekühlten Ladeeingang am Fahrzeug notwendig, während das kleinere Paddel, das 2000 eingeführt wurde, stattdessen an einen luftgekühlten Eingang angepasst war. Die SAE J1773, die die technischen Anforderungen für die induktive Paddel-Kopplung umreißt, wurde erstmals im Januar 1995 herausgegeben, mit einer Überarbeitung im November 1999.

Der AVCON-Stecker (links) neben seinem Nachfolger, dem SAE J1772-Stecker (rechts).

Am 28. Juni 2001 verabschiedete das einflussreiche California Air Resources Board den leitungsgebundenen Stecker als Standard, unter Berufung auf geringere Kosten und höhere Langlebigkeit. Infolgedessen wurde die Produktion des Magne Charge-Paddels bis zum darauffolgenden März eingestellt. Drei leitungsgebundene Stecker existierten zu dieser Zeit, jeweils benannt nach ihren Herstellern: Avcon (auch bekannt als „butt-and-pin“, verwendet von Ford, Solectria und Honda), Yazaki (auch bekannt als „pin-and-sleeve“, am RAV4 EV) und ODU (verwendet von DaimlerChrysler). Der Avcon-„butt-and-pin“-Stecker unterstützte sowohl das Laden der Stufe 2 als auch der Stufe 3 (DC) und wurde ursprünglich im Anhang der ersten Version (1996) der empfohlenen SAE J1772-Praxis beschrieben. Die Version von 2001 verschob die Steckerbeschreibung in den Hauptteil der Praxis und etablierte ihn als De-facto-Standard für die Vereinigten Staaten. Der IWC empfahl den Avcon-Stecker für Nordamerika basierend auf Umwelt- und Langlebigkeitstests. In der Anwendung nutzte der Avcon-Stecker vier Kontakte für Stufe 2 (L1, L2, Pilot, Erde) und fügte fünf weitere (drei für serielle Kommunikation und zwei für DC-Strom) für Stufe 3 hinzu (L1, L2, Pilot, Com1, Com2, Erde, saubere Daten-Erde, DC+, DC−). Bis 2009 hatte der J1772 jedoch den runden „pin-and-sleeve“-Stecker (Yazaki) als Standard-Implementierung übernommen, wodurch der rechteckige Avcon-Stecker obsolet wurde.