Standardisierte Integration von Elektrofahrzeugen in Smart-Home-Systeme

Serie Grundlagen der Technik, Teil 2

Elektrofahrzeuge – Standardisierte Integration in Smart-Home-Systeme

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Jede Komponente in einem Smart-Home ist in einem Home-Energy-Management-System als „Gerät“ eingetragen. Mit Hilfe international standardisierter Kommunikationsprotokolle lassen sich auch Elektrofahrzeuge darin integrieren. Dies ist zum Beispiel sinnvoll, wenn man das Elektrofahrzeug auch als Pufferspeicher für das Energiemanagement im Haus nutzen möchte.

Dipl.-Ing. (BA) Ursel Willrett, IAV GmbH, Sindelfingen

Inhaltsverzeichnis

1. Energiewende und Elektrofahrzeuge
2. Anforderungen für Smart Charging
3. Elektrofahrzeuge im Smart-Home-System
4. HEMS Protokollstack – Internationale Standards
5. Zu dieser Serie

 

Ein Home-Energy-Management-System (HEMS) verbindet die im Haus installierten Geräte mit einer intelligenten Energieeffizienz steigernden Steuerung. Ein E-Fahrzeug kann Teil dieses HEMS sein und mithilfe bidirektionalen, kooperativen Ladens und Entladens als Pufferbatterie zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen. Heute arbeiten die meisten erhältlichen HEMS mit proprietären Kommunikationsprotokollen. Damit ist die Integration von Geräten anderer Hersteller oder Erweiterungen durch neue Funktionen nur in sehr beschränktem Maß möglich. Die IAV GmbH stellt international standardisierte Kommunikationsprotokolle vor.

Energiewende und Elektrofahrzeuge

Die Einspeisevergütungen sind in den vergangenen Jahren stark gesunken. Dagegen sind die Preise pro kWh Energie, die aus dem Netz bezogen wird, gestiegen. Es wird somit zunehmend lukrativer für den Hausbesitzer, den auf dem eigenen Dach erzeugten Strom zu verbrauchen, statt ihn einzuspeisen. Für Energieversorger ist es eine Herausforderung, die vielen kleinen Anlagen mit bidirektionalem Energiefluss zu steuern und Netzstabilität zu gewährleisten. Die Schnittstelle zwischen Haus und Netzbetreiber wird in Zukunft mit einem Smart Meter abgedeckt.

Einerseits werden von Energieversorgern eine zentrale Energieerzeugung und unidirektionale Verteilung als volkswirtschaftlich beste Option gesehen. In diesem Fall würde eine Steuerung zentral durch die Energienetzbetreiber erfolgen. Andererseits ist insbesondere der Aufbau der Stromtrassen für den Energietransfer ein zeitaufwendiges und teures Projekt. Ohne die vielen dezentralen kleinen Anlagen ist die gesetzlich vorgeschriebene Versorgungssicherheit für die Verbraucher kurzfristig nur schwer umsetzbar.

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von erneuerbaren Energiequellen ist die begrenzte Speicherkapazität elektrischer Energie. Zunehmend gibt es in immer mehr Haushalten Elektrofahrzeuge, die einen eingebauten Batteriespeicher ( 25 kWh) enthalten. Elektrofahrzeuge kann man sowohl zum Fahren als auch als Pufferspeicher für das Energiemanagement im Haus nutzen, wenn sie an den Haushalt angeschlossen sind. Die Steuerung, das HEMS, innerhalb der sogenannten Smart-Home-Systeme ist entscheidend. Die wichtigsten Gruppen der Anforderungen für HEMS sind: Interoperabilität, Kommunikation ins Netz, Datensicherheit.

Anforderungen für Smart Charging

Elektrofahrzeuge können für bidirektionales Laden eingesetzt werden, das heißt, sie können geladen oder entladen werden. Ein Elektrofahrzeug ist damit in der Lage, überschüssigen Strom von der PV-Anlage eines Hauses in seiner Batterie zu speichern. Während Spitzenlastzeiten kann die Batterie die elektrische Energie an die Verbraucher im Haus abgeben, um das Netz im Haus zu stabilisieren. Strombezug aus dem externen Netz wird minimiert. Wichtige Funktionen für Smart Charging sind:

  • Übertragung von Tariftabellen
  • Einplanung von Ladezeiten kooperativ zwischen Energieversorger/HEMS und Elektrofahrzeug
  • Steuerung von Laden und Entladen auf Basis von Tariftabellen
  • Steuerung von Änderungen während des Ladevorgangs

Alle Funktionen werden lokal im Smart-Home-System eigenständig durch das HEMS abgedeckt. Ein Abgleich mit dem Energieversorger erfolgt über das Smart Meter.

Elektrofahrzeuge im Smart-Home-System

Die Anzahl von Elektrofahrzeugen in Haushalten steigt. Die Batteriekapazität eines Elektrofahrzeugs beträgt auch bei den schon länger im Markt erhältlichen Modellen 20 bis 25 kWh. Laut Statistik verbraucht ein durchschnittlicher Haushalt in Deutschland etwa 3500 kWh pro Jahr, etwa 10 kWh pro Tag. Privat genutzte Fahrzeuge stehen etwa 23 h pro Tag auf einem Stellplatz. In Spitzenlastzeiten wird Strombezug aus dem Netz in Zukunft teuer sein. Dann wird es lukrativ, den Energiebedarf im Haus durch die Fahrzeugbatterie in dieser Zeit zu decken. Das Nachladen der Batterie erfolgt entweder tagsüber durch die eigene PV-Anlage oder über das Netz in Zeiten mit günstigen Stromtarifen. Mit der HEMS-Steuerung kann die Optimierung auch täglich aktuell angepasst werden. Führt man eine Berechnung der Kosten für verschiedene Szenarien durch, so ergibt sich schon heute eine positive Bilanz für das Elektrofahrzeug, wenn man es für Mobilität und als Puffer zur Unterstützung des Lastmanagements im Haus einsetzt. Elektrofahrzeuge werden über das Ladekabel mit dem Ladepunkt verbunden. Das Kommunikationsprotokoll zwischen Elektrofahrzeug und Ladepunkt ist nach internationalem Standard ISO 15118 umgesetzt. Dieser Standard enthält alle Smart-Charging-Funktionen wie Einplanung von Ladeprozessen, Übertragung von Tariftabellen, Ladesteuerung einschließlich bi-direktionalem Laden. Im Ladepunkt ist ein Modul erforderlich, das als Gateway die Informationen aus dem HEMS zum Elektrofahrzeug weiterleitet und umgekehrt. Die Gateway-Funktion setzt die Informationen aus dem HEMS-Protokollen in die ISO 15118 um.

HEMS Protokollstack – Internationale Standards

Verfügbar sind drei internationale Standards. Sie enthalten die erforderlichen Funktionen für Smart Charging und können heute schon zur Implementierung von Anwendungen fürSmart-Home eingesetzt werden. Erweiterungen der Standards sind abwärts kompatibel, das heißt, neue Geräte oder Funktionen können problemlos in bestehende Smart-Home-Systeme integriert werden. Die Nachrichten und Parameter sind nach einem Baukastensystem spezifiziert. Neue Funktionen lassen sich daher einfach hinzuspezifizieren. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der drei internationalen Kommunikationsstandards für HEMS mit einigen Kriterien. Jede Komponente in einem Smart-Home- System ist in einem HEMS als „Gerät“ eingetragen. Geräte sind charakterisiert durch ihre Eigenschaften und verfügbare Funktionen. In allen drei internationalen Kommunikationsstandards gibt es bereits ein Gerät „Elektrofahrzeug“, das mit seinen Smart-Charging-Funktionen beschrieben ist. Neue Geräte können mit Plug-and-Play jederzeit in ein HEMS integriert werden. Die Adressierung erfolgt automatisch und ist innerhalb des HEMS eindeutig. In allen Standards sind zertifizierte Testfälle spezifiziert, die zum Nachweis von Interoperabilität für neu auf den Markt kommende Geräte eingesetzt werden können. Eine Erweiterung der bestehenden Standards durch neue Funktionen erfolgt kontinuierlich. eve

www.iav.com

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Zu dieser Serie

Zusammen mit der Technische Akademie Esslingen e.V. stellt die elektro AUTOMATION in dieser Grundlagenserie Hintergründe und praktische Einsatzszenarien in aktuellen Technikfeldern zusammen. Tipps zu passenden Seminarangeboten erleichtern die Planung einer praxisorientierten Weiterbildung.

Erschienen sind bereits:

Teil 1: Einsatz von hybriden CPU-FPGA-Chips in Embedded Systems: hier.pro/HMeEq

www.tae.de

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Details werden in Seminaren der Technischen Akademie Esslingen (TAE) vorgestellt.

Näheres und Anmeldung unter:
Kolloquium Future Mobility 02.07.2019

hier.pro/ApQ4P

Kommunikation Elektromobilität – Workshop 25.03.2019 hier.pro/8pvF3

Kommunikation Ladestation – Elektrofahrzeug 06.05.2019 bis 07.05.2019

hier.pro/qj2rR


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Erschienen sind bereits:

Teil 1: Einsatz von hybriden CPU-FPGA-Chips in Embedded Systems: hier.pro/HMeEq

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