Die steigende Anzahl von Elektrofahrzeugen auf unseren Straßen hat eine ebenso plötzliche Entwicklung ihrer Ladeinfrastruktur erforderlich gemacht. Es ist erst eine anfängliche Entwicklungsphase eines neuen Segments, das in den meisten Ländern der Welt den bisher dominierenden Sektor der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen wird.  

Unabhängig von der verwendeten Technologie gilt die Sicherheit im Straßenverkehr seit jeher als ein hoch relevantes Thema. Bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen spielen neben der eigentlichen Verkehrssicherheit auch Faktoren eine Rolle, die mit der angemessenen Nutzung des für den Antrieb benötigten Stroms zusammenhängen. Das Aufladen eines E-Fahrzeugs ist eine Reise von der Energieerzeugung in einem Kraftwerk oder aus erneuerbaren Energien über die Übertragung und Verteilung bis hin zu den Ladestationen. Erst dort wird der Fahrzeugakku aufgeladen. Die Sicherheit sollte in jeder dieser Phasen gewährleistet sein. Ein Bestandteil dieser Garantie sind die elektrischen Prüfungen und Messungen, die bei der Inbetriebnahme und in regelmäßigen Intervallen gemäß den geltenden elektrischen Normen durchgeführt werden.

Ladestationen können an verschiedenen Stellen, wie z. B. an Tankstellen, in Parkhäusern, Tiefgaragen oder einfach neben Einfamilienhäusern, installiert werden. Ganz allgemein lassen sie sich in Wechselstrom- und Gleichstromstationen unterteilen. Wechselstromstationen weisen sich in der Regel durch eine geringere Leistung, im Bereich von 3,7 kW bis 22 kW, aus. Gleichstromstationen, die oft auch als Schnellladestationen bezeichnet werden, können bereits mit einer Leistung von bis zu 350 kW laden. Sie werden sich daher je nach Bedarf und Anschlussbedingungen, die leider oft ein großes Hindernis darstellen, voneinander unterscheiden. Unabhängig von der Station, für die der Anschluss vorbereitet wird, sollten jedoch bereits zu diesem Zeitpunkt entsprechende elektrische Messungen vorgenommen werden. Der Anschluss selbst definiert nämlich auch die Sicherheit des Nutzers und der angeschlossenen Geräte.

Die Art der Messungen an den Ladestationen wird je nach ihrer Funktionsweise und Bauweise unterschiedlich sein. Wir werden uns hauptsächlich auf Wechselstromstationen konzentrieren, obwohl viele dieser Messungen auch für Gleichstromstationen geeignet sind.

 

Foto 1: Sicherheitsmessungen an Fahrzeugladestationen

 

Normen und Rechtsvorschriften

Die ordnungsgemäß durchgeführten Prüfungen und Tests sollten sich auf geltenden Normen und Rechtsvorschriften stützen. Sie garantieren den Einsatz bewährter und modernster technischer Kenntnisse in einem bestimmten Bereich, in unserem Fall im Bereich von Elektromobilität und Elektroinstallation. Zu den wichtigsten Normen, auf denen wir uns derzeit stützen können, gehören:

• DIN EN IEC 61851 – Konduktive Ladesysteme für Elektrofahrzeuge
• DIN IEC 60364 – Errichten von Niederspannungsanlagen

Insbesondere:

• Teil 6: Prüfungen
• Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag
• Teil 7-722: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Stromversorgung von Elektrofahrzeugen

Eine großartige Ergänzung dazu stellen folgende Normen dar:

• DIN EN 62196 – Stecker, Steckdosen, Fahrzeugkupplungen und Fahrzeugstecker – Konduktives Laden von Elektrofahrzeugen
• DIN EN 62752 – Ladeleitungsintegrierte Steuer- und Schutzeinrichtungen für die Ladebetriebsart 2 von Elektro-Straßenfahrzeugen (IC-CPD)
• DIN EN 50620 – Kabel und Leitungen – Ladeleitung für Elektrofahrzeuge
• BS IEC 62955 – Residual direct current detecting device (RDC-DD) to be used for mode 3 charging of electric vehicles
• DIN EN ISO 15118 – Straßenfahrzeuge – Kommunikationsschnittstelle zwischen Fahrzeug und Ladestation

Messungen an Ladestationen für Elektrofahrzeuge

Zu den wichtigsten Messungen und Kontrolltätigkeiten an der Ladestation gehören daher die folgenden.

1. Sichtkontrolle

Dabei handelt es sich noch nicht um Messungen, sondern um eine Reihe von Maßnahmen und zu prüfenden Dingen, die noch vor den Prüfungen durchführt werden sollten. Hierzu gehört unter anderem die Verifizierung:

• der Art der Schutzvorrichtungen gegen elektrischen Schlag (Berührungsschutz);
• der Art des baulichen Brandschutzes
• der Auswahl von Kabeln im Hinblick auf Strombelastbarkeit und Spannungsabfall;
• der Auswahl und Einstellung der Sicherheits- und Meldeeinrichtungen;
• der korrekten Kennzeichnung der Neutral- und Schutzleiter;
• des Vorhandenseins von Schaltplänen, Warnhinweisen oder anderen ähnlichen Informationen;
• der Kennzeichnung von Stromkreisen, Überstromschutzeinrichtungen, Schaltern, Klemmen usw.;
• der korrekten Kabelverbindungen;
• des Vorhandenseins und der Kontinuität von Schutzleitern,
• der Zugänglichkeit von Geräten, die eine bequeme Bedienung, Identifizierung und Wartung ermöglichen
• des Zustands und der Vollständigkeit des Stationsgehäuses

2. Messung des Widerstands von Schutz- und Ausgleichsleitern (Durchgang)

Um einen entsprechenden Stromschlagschutz und die Sicherheit von Benutzern und Geräten zu gewährleisten, muss die Korrektheit der Schutzanschlüsse an zugänglichen leitenden Teilen und deren ordnungsgemäße Erdung überprüft werden. Dies ist eine der wichtigsten Prüfungen. In der Praxis wird dabei der Widerstand zwischen dem PE-Bus und den einzelnen zugänglichen leitenden Teilen der Station gemessen.

3. Erdungsmessungen

Sollten Betriebserdungen vorhanden sein, muss ihr Widerstand gemessen werden. Die Qualität der Erdung hat einen direkten Einfluss auf die Nutzungssicherheit des Geräts, vor allem auf die Wirksamkeit des Schutzes gegen elektrischen Schlag und des Blitzschutzes. Auf Grundlage des gemessenen Widerstands kann der Wert der Berührungsspannung ermittelt werden, die zwischen verschiedenen leitenden Elementen am Schutzleiter entstehen kann. Heutzutage bieten die Hersteller von Messgeräten die Möglichkeit, mit verschiedenen Methoden zu messen, die technische Methode gehört jedoch immer noch zu den beliebtesten. Im Falle typisch urbaner Bedingungen und der Unmöglichkeit, Messsonden in den Boden zu treiben, können wir auf Zangenmethoden zurückgreifen.

4. Messung des Isolationswiderstandes

Durch die Isolierung der aktiven Stromkreiselemente wird ein grundlegender Berührungsschutz erreicht. Dies verhindert nicht nur, dass der Benutzer der Anlage bei direkter Berührung eines leitenden Teils einen Stromschlag erleidet, sondern schützt auch die Anlage selbst vor einem Kurzschluss zwischen einzelnen Kabeln oder zwischen einer Phase und dem Gehäuse eines an das Stromnetz angeschlossenen Geräts.

Bei Ladestationen ist zu beachten, dass bei der Messung des ladekabelseitigen Isolationswiderstandes nur ein kurzer Abschnitt – zum „Inneren der Station“ – gemessen wird.

Es ist zu beachten, dass es je nach Bauart und verwendeten Komponenten beim Anlegen von Spannung an die Stromkreise der Station im Extremfall zur Beschädigung oder Auslösung von Schutzeinrichtungen kommen kann. Daher ist es notwendig, über ausreichende technische Kenntnisse zu verfügen und sich mit dem zu untersuchenden Objekt auszukennen. Wir sollten die Kabel der Ladestation natürlich auch selbst überprüfen. Gemäß den Normen ist die Nennspannung der Station für die Definition der Prüfspannung zuständig.

5. Impedanzmessung der Kurzschlussschleife

Als Bestandteil des Berührungsschutzes gilt die Verwendung eines Überstromschutzes in Stromkreisen. Eine ausreichend niedrige Impedanz der Kurzschlussschleife stellt eine Voraussetzung für die korrekte Auslösung innerhalb der von der Norm geforderten Zeit dar. Dieser Wert wirkt sich wiederum direkt auf den zu erwartenden Kurzschlussstrom aus. Das Ergebnis der Messung müssen wird also mit den an den Stromkreis angelegten Schutzvorrichtungen in Beziehung setzen. Etliche Messgeräte auf dem Markt verfügen bereits über eine betriebsfertige, integrierte Sicherheitsdatenbank. Durch die Auswahl des in unserem Stromkreis vorhandenen Schutzes berechnet und bewertet das Messgerät automatisch, ob die Impedanz der Kurzschlussschleife auch wirklich korrekt ist.

Zur Durchführung des Tests müssen die Ladestationen in den Modus C oder D geschaltet werden, d. h. in den Lademodus des Fahrzeugs, bei dem die Nennspannung am Stecker aufkommt.
Deshalb brauchen wir die richtige Messausrüstung, um die Betriebsart der Station zu ändern.

6. Messung der Parameter von Fehlerstromschutzschaltern

Die Leistungsprüfung der Fehlerstrom-Schutzschalter zielt darauf ab, dass festgestellt werden kann, ob sie in der Lage sind, den Stromkreis im Falle eines Ableitstroms im Stromkreis rechtzeitig abzuschalten. Die Prüfung besteht hauptsächlich aus einer Messung des Auslösestroms und der Auslösezeit des Leistungsschalters. Je nach Typ des Fehlerstrom-Schutzschalters und seines Fehlerstroms vergleichen wir diese Werte mit den in den Normen enthaltenen Grenzwerten. Bei Ladestationen ist der Fehlerstrom-Schutzschalter ein wesentliches, von den Normen zwingend vorgeschriebenes Schutzelement. Verfügt die Station über mehr als einen Ladepunkt, sollte jeder einzelne Punkt durch einen solchen Schalter geschützt werden. Außerdem ist aufgrund des Vorhandenseins von Gleichstrom in dem aus einem Auto und einer Ladestation bestehenden System ein Schutz mit einer DC-Leckstromermittlung von mehr als 6 mA erforderlich. In der Praxis wird diese Bedingung von Fehlerstrom-Schutzschaltern des Typs B oder einer speziellen Version von Fehlerstrom-Schutzschaltern des Typs A mit einer zusätzlichen EV-Kennzeichnung erfüllt. Eine alternative Lösung, die uns in der Station begegnen kann, ist ein DC-Leckstrom-Überwachungsmodul, das sogenannte RCM (Residual Current Monitoring).

 

Foto 2: Stationstests können mit dem Sonel MPI-540 Multifunktionsmessgerät zusammen mit dem Sonel EVSE-01 Adapter durchgeführt werden

 

Messgeräte

Für die Durchführung einer vollständigen Reihe von Prüfungen sind natürlich entsprechende Messgeräte erforderlich. Sie müssen den Anforderungen der mehrteiligen Norm EN 61557 entsprechen. Es wird daher empfohlen, Messgeräte von weltweit anerkannten Herstellern professioneller Prüf- und Messgeräte zu verwenden. Sonel kann zweifellos zu dieser Gruppe gezählt werden. Seit mehr als 25 Jahren stellt das Unternehmen professionelle Geräte zur Überwachung der Sicherheit, des technischen Zustands, der Parameter und der Qualität von Stromversorgungsnetzen her. 

Das Unternehmen bietet Messgeräte an, die wir erfolgreich für die oben genannten Messungen an der Ladestation einsetzen können:

• Sonel MRU – Erdungswiderstandsmessungen
• Sonel MIC – Isolationswiderstandsmessungen
• Sonel MZC – Kurzschlussschleifenmessungen
• Sonel MPI – Multifunktionsmessgeräte für elektrische Installationsparameter
• Sonel EVSE-01 und AC-Typ Ladestation Messadapter für den Betrieb mit ausgewählten Messgeräten der Reihe Sonel MPI
• Sonel LXP – Beleuchtungsstärkemessungen
• Sonel PQM – Netzqualitätsanalyse

 

Autor: 
Tomasz Gorzelańczyk, Produktmanager, SONEL S.A.