Benutzer-Werkzeuge

Webseiten-Werkzeuge


lastmanagement

Allgemeines

Das Dynamische-LastManagement (D-LM) von Bender und ebee bietet die Möglichkeit die Ladeströme von mehreren Ladepunkten optimal an den verfügbaren Strom auszurichten. Der Hausanschluss, die Zuleitung oder der Abzweig einer Unterverteilung können limitierende Faktoren des Ladestromes an Ladepunkten sein. Diese Limitierung stellt zunächst die Obergrenze des zu verteilenden Ladestroms dar. Somit könnten in einer Unterverteilung an einem Parkplatz, der zum Beispiel 3 x 35 Ampere zur Verfügung stehen, folgende Installationen mit nicht gemanagten Ladepunkten umgesetzt werden:

  1. Beipiel: Ein Ladepunkt mit 3 x 32 Ampere (22 kW).
    • 3 Ampere Puffer zum maximal verfügbaren Strom.
  2. Zwei Ladepunkte (typischerweise eine Ladesäule) mit je 3 x 16 Ampere (2 x 11 kW = 22 kW).
    • 3 Ampere Puffer zum maximal verfügbaren Strom.
  3. Neun Ladepunkte mit je 1 x 11 Ampere (3 x 3 x 2,53 kW = 22,77 kW). Je Phase drei Ladepunkte. 3 x 11 Ampere = 33 Ampere.
    • 2 Ampere Puffer zum maximal verfügbaren Strom.

Ohne ein Lastmanagement dürften die Ladepunkte, in den drei oben gezeigten Beispielen den jeweiligen maximalen Ladestrom immer signalisieren. Das bedeutet, jedes elektrische Fahrzeug wird garantiert über die gesamte Zeit des Ladevorgangs mit dem Maximalstrom geladen. Der Maximalstrom wird also für den Ladepunkt dauerhaft reserviert.

Durch die ständige Reservation des Ladestroms, kann im 1. Beispiel nur ein Ladepunkt an die Unterverteilung angeschlossen werden. Falls der Bedarf an Ladeinfrastruktur steigen sollte, müsste die Zuleitung ertüchtigt, ausgebaut oder erneuert werden. Im 3. Beispiel können die Ladepunkte, an denen gerade Fahrzeuge angesteckt sind nicht von den Reserven der Ladepunkte profitieren, an denen gerade kein Fahrzeug angesteckt ist.

Im ersten Fall wird der Parkplatz evtl. nicht hinreichend mit Ladepunkten versorgt und im zweiten Fall wird die Unterverteilung nicht optimal ausgenutzt. In beiden Fällen kann den Ladegast nicht die schnellste Ladegeschwindigkeit angeboten werden, da der Ladepunkt evtl. besetzt ist und somit gänzlich nicht zur Verfügung steht oder die verfügbaren Ströme, aufgrund von festen Obergrenzen, nicht optimal ausgenutzt werden können1).

Mithilfe des Lastmanagements können die beschriebenen Schwierigkeiten gelöst werden. Das Lastmanagement kann die Reserven von nicht genutzten Ladepunkten an andere Ladepunkte verteilen und ermöglicht die Installation von Ladepunkten, deren Ladeströme in Summe den tatsächlich zur Verfügung stehenden Strom übersteigt.

Die Überwachung der Ströme erfolgt phasengenau. Das bedeutet, dass nicht nur der Signalisierte Ladestrom nach IEC 61851, der für alle drei Phasen gilt, berücksichtigt wird, sondern auch ob das Fahrzeug auf einer oder mehren Phasen lädt. Ebenfalls wird die Phasenrotation der Ladepunkte zueinander berücksichtigt. Diese besonderen Details ermöglichen die zur Verfügung stehenden Ströme optimal zu verteilen.

Lastmanagement Betriebsarten

Das Lastmanagement hat verschiedene Betriebsarten und Optionen um den verfügbaren Strom zu optimalisieren. Je nachdem wie ein System aufgebaut ist, gibt es macnhmal neben den Ladepunkten auch Verbraucher die nicht steuerbar sind (wie zum Beispiel Verbraucher in einem Haus) und Einfluss haben auf der Gesamtmenge an verfügbaren Strom.

Die meist vorkommende Konfigurationen sind daher die folgende:

  • Ein Lastmanagement ohne zusätzlichen Verbraucher (und deswegen ohne externe Messung)
  • Ein Lastmanagement mit zusätzlichen Verbrauchern und externe Messung

Beide Typen haben die Aufgabe die Ladeströme optimal zu verteilen und die Leitungssicherungen der Verteilung nicht zum auslösen zu bringen. Also soll eine Überlast vermieden werden.

Das Lastmanagement ohne externe Messung

ist auf eine feste Obergrenze des zu verteilenden Stroms eingestellt. Das LM kennt lediglich die momentanen Ladeströme der Ladepunkte. Es wird ein fester Wert des Stromes (zum Beispiel 3 x 63 Ampere) der Gruppe von Ladepunkten zugeordnet. Die 3 x 63 Ampere werden Phasenindividuell auf die Ladepunkte aufgeteilt. Die 3 x 63 Ampere werden somit von dem Hausanschluss fest für die Ladepunkte reserviert. Folgende zwei Szenarien sollen veranschaulichen wie ein solches Lastmanagement genutzt werden kann:

  1. Ein Hausanschluss mit 3 x 100 Ampere
    1. Die Verteilung des Hauses hat insgesamt 3 x 100 Ampere zur Verfügung.
      3 x 63 Ampere werden für das LM reserviert.
      Die restlichen Verbraucher dürfen somit höchstens 3 x (100 – 63) = 3 x 37 Ampere verbrauchen.
  2. Ein Hausanschluss mit 3 x 63 Ampere
    1. Der Parkplatz oder das Parkhaus verfügt für die Ladepunkte über einen eigenen dezidierten Hausanschluss.
      Es gibt keine weiteren Verbraucher an diesen Hausanschluss neben den Ladepunkten.

Das Lastmanagement mit externer Messung

kennt den maximal verfügbaren Strom des Hausanschlusses, die aktuellen Ladeströme der Ladepunkte und den Strom, der gerade durch Verbraucher neben den Ladepunkten verbraucht wird. Das Bedeutet, dass die Obergrenze des zu verteilenden Stroms dynamisch angepasst werden kann. Die Verbraucher in einen Haus, wie z.B. Toaster, Kühlschrank, Waschmaschine oder Sauna sind weder vorhersehbare noch regelbare Lasten. Die Lasten tauchen somit spontan auf. Auf diese spontanen Lasten müssen die Ladepunkte, bzw. das DLM reagieren. Der Ladestrom eines elektrischen Fahrzeuges ist eine regelbare Last. Der maximum Ladestrom wird vom Ladepunkt vorgegeben, Unter berücksichtigung dieser Vorgabe bestimmt das Fahrzeug jedoch selbst wie viel Strom es tatsächlich benötigt. Je nach Akkufüllstand wird die maximal mögliche Leistung daher vielleicht nicht ausgeschöpft. Das Lastmanagement berücksichtigt dies und kann daher den Überschuss weiter verwenden für eine Optimalisierung.

Die Information über den Verbrauch neben den Ladepunkte(n) wird über einen separaten Stromzähler (second Meter) eingeholt. Dieser Zähler kann entweder ein bereits vorhandener Zähler sein, beispielsweise der Zähler des Netzbetreibers, oder ein zusätzlicher Zähler. Der zusätzliche Zähler kann direkt hinter den Zähler des Netzbetreibers eingebaut werden (Including EVSE Sub-Distribution) oder in die Unterverteilung hinter den Abzweig der Ladepunkte (Excluding EVSE Sub-Distribution). Somit kann der Strom an den Ladepunkten inklusiv zusätzlichen Verbraucher gemessen werden oder exklusiv der zusätzlichen Verbraucher.

Folgende Bilder 2) sollen den Aufbau anschaulich machen:

Lastmanagement mit External Meter Support (DLM)

Excluding EVSE Sub-Distribution (Empfohlene Variante)

Including EVSE Sub-Distribution

Phasenindividuelles Lastmanagement

Was bedeutet Phasenindividuell?

Ein aufladbares elektrischen Fahrzeug verfügt in der Regel über einen sogenannten „on-board charger“. Dieses Ladegerät, welches fest im Auto verbaut ist, wird mithilfe eines Kabels an eine geeigneten Ladepunkt angeschlossen. Der on-board charger wird meistens als ein-phasig oder drei-phasig ausgeführt. Somit werden in einen dreileiternetz (Drehstrom oder Kraftstrom) entweder eine Phase (Außenleiter) oder drei Phasen belastet.

Der vom Ladepunkt kommunizierte Ladestrom gilt stets für alle Phasen, egal ob das Fahrzeug nur eine oder mehrere Phasen belastet.

Lastmanagementsysteme von Mitbewerbern gehen häufiger davon aus, dass immer alle Phasen belastet werden, ungeachtet der tatsächlich auftretenden Last. Somit wird an einen Ladepunkt, an dem ein Fahrzeug mit 1 x 16 Ampere lädt, die übrigen 2 x 16 Ampere ebenfalls reserviert, obwohl die zweite und dritte Phase in Realität nicht belastet wird. Das DLM verfügt über eine Erkennung, ob das angeschlossene Fahrzeug einphasig oder dreiphasig das Netz belastet. Falls es ein Fahrzeug mit einphasigem Ladegerät ist, wird die Last nur an der entsprechenden Phase reserviert, der Rest bleibt für andere Ladegäste verfügbar. Hierbei wird eine eventuelle Phasenrotation mitberücksichtigt. Näheres hierzu im Kapitel „Phase rotation of the ChargePoint“.

Schieflast

Was bedeutet Schieflast und Schieflastvermeidung?

Von vielen Netzbetreibern in Deutschland wird durch deren Technische Anschlussbedingungen (TAB) verlangt, die Scheinleitung eines Außenleiters (Phase) nicht über mehr als 4,6 kVA steigen zu lassen im Vergleich zu den benachbarten Außenleitern. Das Bedeutet; einphasige Lasten dürfen in Summe einen maximalen Strom von 20 Ampere aufnehmen, wenn die beiden anderen Phasen nicht belastetet werden.
Eine Schieflast tritt also auf, wenn in einen Dreileiternetz ein Außenleiter um mehr als 20 Ampere belastet wird als die anderen Außenleiter.

Beispiel 1 L1⇒10 A L2⇒15 A L3⇒20 A
Kein unterschied auf allen Außenleitern um mehr als 20 Ampere. Keine Verletzung der maximal erlaubten Unsymmetrie.
Beispiel 1 L1⇒10 A L2⇒15 A L3⇒36 A
L3 wird um 21 Ampere mehr belastet als L2 und um 26 Ampere mehr belastet als L1. Verletzung der maximal erlaubten Unsymmetrie.

Vor allem durch unterschiedliches Aufladeverhalten von elektrischen Fahrzeugen, kann beispielsweise an einen 3 x 32 Ampere Ladepunkt ein einphasiges Auto mit mehr als 20 Ampere laden. Der vom Ladepunkt signalisierte Strom gilt zwar für alle Phasen, jedoch wird keine Information zwischen der Phasenanzahl des on-board chargers vom Fahrzeug und der Phasenanzahl des Ladepunktes ausgetauscht. Somit kann es zu einer unerlaubten Schieflast kommen. Außerdem können auch keine Ladepunkte aufgebaut werden, die einphasig über 20 Ampere Ladestrom anbieten. Beispielsweise ein Ladepunkt mit 1 x 32 Ampere ≈ 7,4 kW der eine schnellere Ladegeschwindigkeit für Autos mit stärkeren einphasigen on-board charger möglich machen würde; beispielsweise Opel Ampera-e, Nissan e-NV200 und teilweise BMW i3.
Das Lastmanagement von Bender / ebee hat hierfür eine Lösung.
Im Rahmen des Lastmanagements kann die „Current Imbalance Prevention“ aktiviert werden. Dieses Feature prüft, ob die Unsymmetrie nicht zu hoch wird. Die maximale Unsymmetrie kann in Ampere Schritten angegeben werden.

Die Grenze des Systems ist dabei alle in das Lastmanagement eingebundenen Ladepunkte. Da die Unsymmetrie am Hausanschluss bzw. Netzübergabepunkt eigehalten werden muss, können einphasige Lasten > 20 Ampere durchaus zulässig sein.
Beispielsweise können drei Fahrzeuge, mit einen einphasigen 32 Ampere on-board charger ohne Verletzung der maximalen Schieflast laden, indem jedes Fahrzeug auf einer anderen Phase lädt. Welches Fahrzeug auf welcher Phase lädt erkennt das Lastmanagement und kann somit den erlaubten Ladestrom anpassen.
In einem solchen System sind Ladepunkte mit 1 x 32 Ampere möglich bzw. wird bei 3 x 32 Ampere Ladepunkten die Schieflast begrenzt.


Phasenrotation

Was bedeutet Phase rotation of the ChargePoint?

Ladepunkte sind in der Regel als ein oder dreiphasig ausgelegt. Das bedeutet; ein Auto kann an solchen Ladepunkten über den Außenleiter L1 (einphasig) laden oder über die Außenleiter L1 L2 L3 (dreiphasig). Die Phasenlage ist zueinander immer 120°. Damit das Lastmanagement den Ladestrom optimal verteilen und Schieflast vermeiden kann, muss die Information der Phasenlage oder Phasenrotation je ladepunkt eingestellt bzw. mitgeteilt werden. Um Lasten besser verteilen zu können, werden Unterverteilungsseitig die Phasen rotiert. Beispiel:

Ladepunkt 1

LadepunktNetz
L1 ⇒ L1
L2 ⇒ L2
L3 ⇒ L3

Ladepunkt 2

LadepunktNetz
L1 ⇒ L2
L2 ⇒ L3
L3 ⇒ L1

Ladepunkt 3

LadepunktNetz
L1 ⇒ L3
L2 ⇒ L1
L3 ⇒ L2

Diese Rotation wird gemacht, um die Last, die durch einphasig ladende Autos entsteht, auf alle Phasen möglichst gleichmäßig zu verteilen.
Der Parameter “Phase rotation of the ChargePoint” wird im Ladepunkt selbst so eingestellt, wie es der Installateur für diesen Ladepunkt vorgesehen hat.

Beispielhaft können Sie im verlinkten Dokument folgend lesen, wie die Phasenrotation für den Ladepunkt „Berlin“ empfohlen wird.

Phasenrotation

Zeitabhängiges Lastmanagement

Die Funktion "Maximum Current Scheduler"

Beispiel "Time Profile" Neben der Funktion des Lastmanagements ohne bzw. mit einer externen Zählung auszustatten, gibt es eine weitere Funktion, das Lastmanagement ohne externen Zählung (semi-)dynamisch zu regeln.
Die Funktion Maximum Current Scheduler ermöglicht es über eine Zeit-Tabelle die Parameter des Operator EVSE Sub-Distribution Limit in Abhängigkeit der Zeit zu verändern.
Bei bekannten und wiederkehrenden Lastprofil können somit zu Zeiten, zu denen immer hinreichend Reserven verfügbar sind, die Ladeströme erhöht bzw. gesenkt werden. Beispielsweise könnte in einen Familienhaus, in dem nachts immer 60% Reserve am Hausanschluss verfügbar ist, genau zu jenen Zeiten die Verfügbaren Ladeströme hochfahren.
Das 24h Time Profile (UTC) lässt sich mit einen klick auf „Configure“ (Beispiel Konfiguration) Es sind mindestes zwei Einträge notwendig. Die eingestellten Ströme sind immer ab dem eingestellten Zeitpunkt gültig. Heißt: Ab dem eingetragenen Zeitpunkt bis zum nächst folgenden Zeitpunkt gilt dieser Ladestrom für das DLM. Dies gilt auch wenn die Uhrzeiten nicht in der chronologischen Reihenfolge dargestellt werden. Im Beispiel rechts bedeutet das, dass von 1 Uhr bis 4 Uhr kein Ladestrom zur verfügung steht. Hier ist es nicht von belang, dass der Zeitpunkt 1 Uhr ganz oben und der Zeitpunkt 4 Uhr ganz unten steht.
Die Zeitpunkte werde nach Coordinated Universal Time (UTC) eingegeben. Die Zeit in Deutschland ist daher im Winter eine Stunde später UTC + 1 = CET – Central European Time und im Sommer zwei Stunden später UTC + 2 = CEST – Central European Summer Time.
Das vollständig aufgelöste und chronologisch geordnete (Beispiel "Time Profile") würde sich in folgende Tabelle übersetzen:

Zeit:
von - bis
DLM Strom Limit
(L1/L2/L3)
01:00 - 04:00 0/0/0
04:00 - 18:00 90/90/90
18:00 - 23:00 100/100/100
23:00 - 01:00 150/150/150

Beispiel Konfiguration

Fehlerfälle

Ausfall des DLM Masters

Am wahrscheinlichsten tritt eine Havarie des DLM Master auf durch:

  • Spannungsabfall am Laderegler der die DLM Master Software beherbergt.
  • Verbindungsausfall zum Netzwerk (LAN, WLAN, GSM, USB) am Ladepunkt der den DLM Master beherbergt.

Das eintreten der oben genannten Ereignisse kann umgangen werden, indem die DLM Master Software auf einen Laderegler betrieben wird, der zusätzlich in einen Verteilerschrank oder Netzwerkinstallation betrieben wird. Dieser Laderegler wird dann als Stand-Alone Variante betrieben und steuert keinen Ladepunkt. Durch die Spannungsversorgung über die Installation der Niederspannungsunterverteilung oder der Netzwerkinstallation, minimiert sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Spannung und der Verbindung zum Netzwerk.

Bei Spannungsabfall

Falls die Spannungsversorgung des Ladereglers der die DLM Master Software beherbergt ausfällt, werden die DLM Slaves auf ihr individuell eingestelltes Disconnected Limit [A] zurückfallen. Die Ladeströme sind dann statisch.
In Summe sollten die Disconnected Limits der DLM Slaves nicht den Wert des maximal verfügbaren Stroms übersteigen.

Ein Spannungsabfall an jenen Ladepunkt, der die DLM Master Software beherbergt, kann bei Eichrechtskonformen Ladepunkten in der Regel nicht durch ein Fehler am Fahrzeug oder durch mangelhafte Bedienung des Ladegast auftreten. Dies ist dahingehend zu begründen, dass der Laderegler hier über eine separate Spannungsversorgung verfügen. Somit kann die DLM Master Software auch weiterhin betrieben werden, wenn durch das Fahrzeug ein RCD/MCB (FI/LS) ausgelöst wurde.

Bei Verbindungsausfall

Bei einer Unterbrechung der Netzwerkverbindung am Ladereglers der die DLM Master Software beherbergt, werden sich die DLM Slaves analog zum Spannungsabfall verhalten.
Sobald die Netzwerkverbindung wieder aufgebaut wurde, erholt sich das System automatisch und wird wieder vom LM geregelt.

Ausfall des DHCP Server

Bei einen Ausfall des DHCP Servers funktioniert das Netzwerk zunächst weiter. Bis zum Ablauf des Gültigkeitszeitraumes [leasetime] werden alle Ladepunkte weiterhin kommunizieren.

Version 4.63
Die Gültigkeitsdauer [leasetime] beträgt 12 Stunden.

Version 5.11
Die Gültigkeitsdauer [leasetime] beträgt 7 Tage (168 Stunden).

Nach dem Ablauf kann es zum Rückfall auf den Disconnection Limit Ladestrom kommen.

Falls der DHCP Server auf dem Laderegler aktiviert worden ist, der ebenfalls den DLM Master beherbergt, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der DLM Master ebenfalls ausgefallen ist. Dahingehend ist der Ausfall des DHCP Servers zweitranig, da der Ausfall des DLM Master den schwerwiegenderen Ausfall darstellt. Durch die Behebung des DLM Master Ausfalls wird höchstwahrscheinlich auch der Ausfall des DHCP Servers behoben.

Empfehlung zur Positionierung des DLM Master, des DHCP Server, WAN Router

Wie bereits unter Ausfall des DLM Masters beschrieben wurde, kann es sinnvoll sein, den DLM Master, den WAN Router oder den DHCP Server nicht auf einen Laderegler zu betrieben, der selbst ein Ladepunkt ist.
Am einfachsten kann ein zusätzlicher Laderegler außerhalb des Parkplatzes betrieben werden. Beispielsweise in der Netzwerk- oder Elektro-Verteilung der Ladepunkte.
Falls dies aber nicht möglich sein sollte, stellt sich die Frage nach dem optimalen Ladepunkt, der die Dienste ausführen soll. Je nach Topologie des Parkplatzes, welcher über mehrere Ladepunkte verfügt, ist der Ladepunkt mit der kürzesten Zuleitung ideal, da hier die Stecker der Leitung, welche schaden nehmen könnte, am geringsten ist. Dies gilt jedoch für Verteilungen die im Stern aufgebaut sind. Falls die Ladepunkte nach dem „Daisy-Chain“ Prinzip miteinander verbunden sind, ist die kürzeste Zuleitung nicht zwangsweise ein Garant für Ausfallsicherheit.
Hier könnte je nach Aufbau der „mittlere“ Ladepunkt im Fehlerfall noch mehrere Ladepunkte mit seinen Diensten versorgen als der „erste“ oder der „letzte“ Ladepunkt in der Kette.
Des Weiteren kann es sinnvoll sein die Dienste DHCP Server, DLM Master und WAN Router auf unterschiedlichen Ladereglern zu betreiben.

1)
Die Einhaltung der evtl. einzuhaltenden Schieflastregelung wird hier zunächst nicht weiter beachtet. In den genannten Beispielen wird von der Einhaltung der evtl. maximalen Schieflast ausgegangen. Das Thema Schieflastvermeidung wird im Kapitel Schieflast näher betrachtet.
2)
HAK: Hausanschlusskasten; UV: Unterverteilung; VNB: Verteilnetz Betrieber
lastmanagement.txt · Zuletzt geändert: 2020/07/10 15:20 von mni