Steuerung einer Wallbox für Smart Charging Strategien

Abstract

Laut dem österreichischen Klimaschutzbericht 2015 stiegen im Sektor Verkehr die THGEmissionen zwischen den Jahren 1990 und 2013 um 61%. Die Einhaltung der verpflichtenden Ziele der EU-Klimaschutzpolitik ist daher nur durch konsequente Umsetzung von zusätzlichen Maßnahmen sichergestellt. Im Bereich Verkehr kann wesentlich durch Umstieg auf alternative Antriebskonzepte dazu beigetragen werden. Die Verwendung eines Elektrofahrzeugs in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen für das Aufladen der Batterie senkt den CO2-Ausstoß erheblich gegenüber dem Betrieb eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Eine hohe Marktdurchdringung der Elektromobilität hätte allerdings erhebliche Auswirkung auf das Stromversorgungsnetz und so müssen Elektroautos auf intelligente Weise in das Stromnetz integriert werden, um bei einer Vielzahl von gleichzeitig ungesteuerten Ladevorgängen das Netz nicht zu überlasten. Die vorliegende Arbeit untersucht die Steuerungsmöglichkeiten einer Wallbox mit dem Ziel, ein Elektrofahrzeug bestmöglich als flexibel steuerbaren Verbraucher zu nutzen und dadurch den Eigenverbrauch des Solarstroms einer hauseigenen PV-Anlage zu optimieren. Die Vorgabe des maximal erlaubten Ladestroms erfolgt durch eine Steuereinheit über eine UDP-Verbindung mit der Ladestation. Der gewünschte Ladestrom wird daraufhin über eine analoge Kommunikation zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation eingestellt. Diese Kommunikation erfolgt über den Control Pilot Pin des IEC 62196 Ladekabels mittels der sogenannten Pulsweitenmodulation. Die Abfrage der aktuellen PV-Einspeiseleistung erfolgt ebenfalls durch die Steuereinheit über eine HTTP-Verbindung mit einer zentralen Kommunikationsschnittstelle der Solarstromanlage. Damit wird der maximal erlaubte Ladestrom der Wallbox an die aktuelle Einspeiseleistung der PV-Module angepasst. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der praktischen Umsetzung einer derartigen Ladestromsteuerung: Dazu wurde ein Graphical User Interface in der Programmiersprache Python für die Interaktion mit dem Nutzer entwickelt, um eine einfache und übersichtliche Bedienung der Software zu ermöglichen. Mit Hilfe des Programms können alle relevanten Daten während eines Ladevorgangs für eine spätere Auswertung aufgezeichnet werden. Zudem wurden Ladevorgänge der Wallbox mit einem Elektrofahrzeug genauer untersucht und die Eigenschaften der Ladestation analysiert.

According to the Austrian climate protection report 2015 traffic caused a 61% increase of greenhouse gas emission between 1990 and 2013. It is therefore obvious that the objective of the EU climate protection policy cannot be achieved without adopting additional and more effective measures. In the field of traffic the changeover to alternative drive technologies may be an answer to this problem. Electric mobility in combination with renewable energy sources contribute to a significant reduction of carbon dioxide emissions. On the other hand a high penetration of the market with electric mobility will have a great impact on the national grid; therefore electric vehicles will have to be integrated in an intelligent way into the grid in order to avoid overloading caused by an uncontrolled quantity of simultaneous charging processes. The present study analyses the controlling function of a wallbox which should guarantee an economical use of the electric vehicle as a flexible controllable load, optimize the consumption of electric current produced by a private PV power plant. A controlling device connected with the charging station via User Datagram Protocol regulates the maximum allowed charging current whereas an analogue communication between the electric vehicle and the charging station provides the charging current which is needed. This communication is operated by the Control Pilot Pin of the IEC 62196 charging cable through the so-called pulse duration modulation. Through a HTTP connection the controller can register the state of the feed-in capacity of the PV plant at a specific moment. In this way it is possible to adapt the maximum allowable charging current of the wallbox during the charging of the vehicle to the feed-in capacity of the PV device thus optimizing private consumption. The main interest of this study lies in the practical operation of the charging control: A Graphical User Interface in the computer language Python has been developed for the communication with the user in order to render the application of the software more manageable. This program also allows the record of all relevant data collected during the charging process to be evaluated later. In addition, the charging processes of the wallbox in combination with an electric vehicle and the special characteristics of the charging station have also been studied.