E-Mobility Lösungen
Intelligente Ladung des E-Autos mit Photovoltaik Strom im Eigenheim.
Application Guide
© Fronius International GmbH
Version 6.0 07/2020
TT MR
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Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeine Information .................................................................................................................. 4
1.1 Fronius Lösungen ............................................................................................................................. 4
1.2 E-Auto Heim-Lademöglichkeiten ...................................................................................................... 4
1.3 Information zur Ladeleistung ............................................................................................................ 5
1.4 Nutzerverhalten & Komfort (Die Angst vor langen Ladezeiten) ....................................................... 6
2. Energiemanagement mit Fronius ................................................................................................. 7
2.1 Allgemein .......................................................................................................................................... 7
2.2 Erforderliche Ausstattung bzw. Material ........................................................................................... 7
2.3 Funktionsweise bei Anbindung an den digitalen Ausgang ............................................................... 7
2.4 Schritte zur Umsetzung .................................................................................................................... 8
2.4.1 Möglichkeit 1 - Anschluss des externen Relais zur Steuerung der Ladesteckdose ......................... 9
2.4.2 Möglichkeit 2 - Anschluss über Freigabeeingang der Keba KeContact P30 Wallbox...................... 9
2.4.3 Möglichkeit 3: Anschluss über Freigabekontakt von eCharge cPμ1 Wallbox ................................ 11
2.4.4 Möglichkeit 4: Anschluss über Freigabekontakte der ENOMICS Wallbox ..................................... 11
2.4.5 Möglichkeit 5: Anschluss über Freigabekontakte der Mennekes Amtron Wallbox ........................ 13
2.4.6 Schritt 2: Verbindung mit dem Wechselrichter herstellen .............................................................. 14
2.4.7 Schritt 3: Lastmanagement Einstellungen am Webinterface vornehmen ...................................... 14
2.5 Vor- und Nachteile der Lösung ....................................................................................................... 17
3. Die Fronius & eCharge cPH1 Lösung ......................................................................................... 18
3.1 Allgemein ........................................................................................................................................ 18
3.2 Erforderliche Komponenten ............................................................................................................ 18
3.3 Schritte zur Umsetzung .................................................................................................................. 19
3.3.1 Schritt 1: Installationen und Anschluss ........................................................................................... 19
3.3.2 Schritt 2: Verbindung mit dem Wechselrichter herstellen .............................................................. 19
3.3.3 Schritt 3: Einstellungen am Fronius Wechselrichter ....................................................................... 19
3.3.4 Schritt 4: Einstellungen an der cPH1 Wallbox ................................................................................ 21
4. Die Fronius & Loxone & Keba Lösung ....................................................................................... 22
4.1 Allgemein ........................................................................................................................................ 22
4.2 Erforderliche Komponenten ............................................................................................................ 22
4.3 Schritte zur Umsetzung .................................................................................................................. 22
4.3.1 Schritt 1: Installationen und Anschluss ........................................................................................... 22
4.3.2 Schritt 2: Verbindung mit dem Wechselrichter herstellen .............................................................. 23
4.3.3 Schritt 3: Einstellungen am Fronius Wechselrichter ....................................................................... 23
4.3.4 Schritt 4: Einstellungen an der Keba KeContact P30 Wallbox ....................................................... 24
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4.3.5 Schritt 5: Einstellungen am Loxone Miniserver .............................................................................. 24
5. Anhang .......................................................................................................................................... 25
5.1 E-Mobility Lösungen in Kombination mit einem Fronius Hybrid Wechselrichter ............................ 25
5.2 E-Mobility Lösungen in Kombination mit dem Fronius Ohmpilot .................................................... 26
5.3 Fronius Datamanager 2.0 Software Version 3.2.2 (oder älter) ...................................................... 27
5.4 Remote Steuerung ......................................................................................................................... 27
5.5 Beispiele für Relaistypen ................................................................................................................ 27
5.6 Weiterführende Informationen ........................................................................................................ 27
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1. ALLGEMEINE INFORMATION
„Die eigene Treibstoff-Produktion für das eigene Auto“, klingt nach Zukunftsmusik, ist aber bei Fronius bereits
Realität. Möglich macht es die Kombination aus Elektroauto (E-Auto), PV-Anlage und intelligenter
Ladeansteuerung.
Dieses Paper setzt den Fokus auf die intelligente Ladeansteuerung. Es werden neben Grundlagen zur E-Auto
Ladung im Eigenheim konkrete Lösungen für die intelligente Ladung von E-Autos mit Photovoltaik Strom
beschrieben.
1.1 Fronius Lösungen
Je nach Anforderung und Kundenwunsch bietet Fronius verschiedene Lösungen für die intelligente Ladung von
E-Autos in Kombination mit einer Photovoltaik Anlage an. Im Wesentlichen kann zwischen der einfachen
Ladeansteuerung inkl. Lademanagement und der stufenlosen Ladeansteuerung inkl. Lademanagement
unterschieden werden.
Einfache Lösungen:
Energiemanagement mit Fronius Energiemanagement
/ Ansteuerung einer Steckdose
/ Ansteuerung Keba Wallbox
/ Ansteuerung eCharge Wallbox
/ Ansteuerung ENOMICS Wallbox
/ Ansteuerung Mennekes Amtron Wallbox
Stufenlose Lösungen:
Die Fronius & eCharge cPH1 Lösung
Die Fronius & Loxone & Keba Lösung
Die einfache Lösung punktet durch geringe Investitionskosten mit schneller Amortisation und ist in den meisten
Fällen, insbesondere bei kleinen PV-Anlagen (≤ 5 kW) beziehungsweise auch bei kleinen Ladekapazitäten (wie
E-Rasenmäher, E-Bike, etc.) zu empfehlen (siehe Kapitel „2. Energiemanagement mit Fronius“).
Die stufenlosen Lösungen ermöglichen speziell bei größeren PV-Anlagen eine höhere Eigenverbrauchsquote
durch bessere Ausnutzung des PV-Überschusses (siehe Kapitel „3. Die Fronius & eCharge cPH1 Lösung“ und
Kapitel „4. Die Fronius & Loxone & Keba Lösung“).
1.2 E-Auto Heim-Lademöglichkeiten
Zurzeit beschränkt sich die Heimladung auf die AC Ladung. Die DC Ladung wird aktuell nur bei Ladestationen
mit hohen Ladeleistungen verwendet, die im Eigenheim weder wirtschaftlich noch notwendig sind. Bei der AC
Ladung wird zwischen Ladung mit ICCB-Kabel (In Cable Control Box) und Wallbox unterschieden.
Beim ICCB-Kabel (siehe Abbildung 1) sind Schutzfunktionen und Kommunikation mit dem E-Auto in einer Box
im Kabel integriert (siehe Abbildung 1). Das ICCB-Kabel stellt die Verbindung zwischen Steckdose am
Hausanschluss und E-Auto her. Je nach Stecker am Hausanschluss kann 1-phasig oder 3-phasig geladen
werden. Bei 1-phasiger Ladung (bis max. 3,7 kW) wird eine CEE Cara Steckdose empfohlen, da eine SchukoSteckdose für die hohe Dauerbelastung nicht geeignet ist. Im 3-phasigen Bereich sind CEE 16 A und CEE 32 A
Steckdosen üblich.
Alternativ zum ICCB-Kabel kann eine Wallbox als Ladeeinrichtung verwendet werden (siehe Abbildung 2 und
Abbildung 3). Wallboxen werden fix installiert. Schutzfunktionen und Kommunikation sind in der Wallbox selbst
integriert. Durch Funktionen wie RFID (zur Authentifizierung) und Kommunikationsstandards wie OCPP (z.B. zur
Abrechnung) bieten Wallboxen den zusätzlichen Vorteil, dass sie auch im halb-öffentlich bzw. öffentlichen
Bereich einsetzbar sind. Je nach Ausführungen sind Wallboxen mit einem fix verbundenem Kabel oder einem
Stecker erhältlich.
Beim Stecker E-Auto-seitig wird zwischen Typ 1 und Typ 2 unterschieden. Beim Kauf der Wallboxen bzw. des
ICCB-Kabels sollte darauf geachtet werden, dass der richtige Stecker passend zum E-Auto gewählt wird.
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Abbildung 1: Ladekabel (ICCB)
Quelle: www.nrgkick.com
Abbildung 2: Keba KeConteact P30
Wallbox; Quelle: www.keba.com
Abbildung 3: eCharge cPH1 Wallbox
Quelle: www.eCharge.de
1.3 Information zur Ladeleistung
Die Kommunikation zwischen Wallbox bzw. ICCB-Kabel und E-Auto ist in der Norm IEC 61851 geregelt. Die
Norm lässt nur eine sehr rudimentäre Kommunikation zwischen den Komponenten zu. Es werden neben dem
Status der Ladung, die Möglichkeit die Ladung zu starten oder zu stoppen und die Vorgabe eines maximalen
Ladestroms, keine weiteren Information ausgetauscht.
Um die Ladeleistung des E-Autos zu regeln, nützt die Wallbox die Vorgabe des maximalen Ladestroms. Das EAuto empfängt diese Vorgabe von der Wallbox und stellt den tatsächlichen Ladestrom entsprechend ein. Wie
schnell und wie exakt die Soll-Vorgabe der Wallbox vom Elektroauto erfüllt wird, ist autoherstellabhängig.
Ausregelungszeiten bewegen sich jedoch meist im wenigen Sekundenbereich und Sollwertabweichungen im
100W-Bereich.
Die Soll-Vorgabe des Ladestroms ist zudem auf einen Bereich zwischen 6 und 80 A beschränkt (normativ so
festgelegt). Zwischen 0 und 6A gibt es keine Regelmöglichkeit. Die Ladung ist entweder gestoppt oder wird mit
mindestens 6 A vorgegeben. Rechnet man den Strom auf die Leistung um, ergibt sich für die 1-phasige Ladung
eine minimale Ladeleistung von 1,38 kW. Bei der 3-phasigen Ladung liegt die minimale Ladeleistung bei 4,14 kW.
Diese unteren Grenzen der Ladeleistung erschweren die Regelung einer E-Auto Ladung nach PV Überschuss
speziell bei kleinen PV Anlagen. Die Problematik soll mithilfe einer 5 kWp PV Anlage in Kombination mit einer 3phasigen E-Autoladung verdeutlicht werden:
Die maximale Überschussleistung von 5 kWp Anlagen liegt in der Regel unter anderem aufgrund von anderen
Verbräuchen im Haus meist nicht über 4 kW. Eine stufenlose E-Auto Ladung nach Überschuss würde sich also
im Regelbereich zwischen 0 und 4 kW abspielen müssen. Die 3-phasige Ladung kann allerdings erst mit 4,14 kW
starten, weshalb eine stufenlose Regelung keinen Sinn macht. Für 3-phasige Ladevorrichtungen mit kleinen PVAnlagen (~5 kW) empfehlen wir deshalb das Energiemanagement mit dem Fronius Datamanager 2.0, bei dem
die Ladung rein ein- und ausgeschaltet wird.
Bei 1-phasig angeschlossenen Ladevorrichtungen beginnt der Regelbereich ab 1,38 kW, das für kleinere PV
Anlagen auch die stufenlose Regelung attraktiv macht. Die 1-phasige Ladung hat jedoch den Nachteil, dass die
max. Ladeleistung deutlich niedriger als bei der 3-phasigen Ladung ausfällt (z. B. 3,7 kW bei 16 A). Für
Schnellladungen ist diese Ladeleistung zu gering, weshalb Wallboxen meist 3-phasig angeschlossen werden.
Anmerkung: Es gibt vor allem ältere E-Autos, die höhere minimale Ströme benötigen (z. B. 12 A). Dadurch
beginnt der Regelbereich für die Ladeleistung bei höheren Werten (z. B. 1-phasig: bei 2,76 kW). Nicht jedes EAuto unterstützt 3-phasiges Laden. Tatsächlich sind alle Lade-Varianten am Markt zu finden. Es gibt E-Autos die
die Möglichkeit bieten 1-, 2- oder 3-phasig zu laden.
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Ladeoption
Ort
Ladeleistung
AC Ladung - Eigenverbrauchsoptimierte Ladung
im Eigenheim
1,4 bis 4,6 kW*
AC Ladung - Schnellladung
im Eigenheim
Bis 11 kW**
Akute DC Ladung
Tankstelle
50 bis 350 kW***
Ladestrom
Ladeleistung
Geladene km pro
Stunde
Ladedauer für 80 %
Ladung (40 kWh
Akku)
Ladedauer für 100 km
6 A / 1P
1,4 kW
8 km
22:48 h
12:08 h
8 A / 1P
1,8 kW
11 km
17:42 h
9:26 h
10 A / 1P
2,3 kW
14 km
13:54 h
7:23 h
13 A / 1P
3 kW
18 km
10:36 h
5:40 h
16 A / 1P
3,7 kW
22 km
8:36 h
4:35 h
20 A / 1P
4,6 kW
27 km
6:54 h
3:41 h
32 A / 1P
7,4 kW
43 km
4:18 h
2:17 h
16 A / 3P
11 kW
65 km
2:54 h
1:32 h
32 A / 3P
22 kW
130 km
1:24 h
0:46 h
1.4 Nutzerverhalten & Komfort (Die Angst vor langen Ladezeiten)
Die Erfahrung von E-Auto- und Photovoltaikanlagen-Besitzer zeigt, dass niedrige Ladeleistungen im Eigenheim
meist völlig ausreichen und sogar viele Vorteile bieten. Im Wesentlichen können die Lademöglichkeiten für die
private Nutzung auf drei Optionen reduziert werden, ohne den Komfort und die Priorität „ausreichend geladenes
E-Auto am Morgen“ zu beinträchtigen:
Tabelle 1: Vorschlag von drei Lademöglichkeiten für die private Nutzung
*bei 5 kWp PV Anlagengröße
**je nach Anforderungen kann dieser Wert auch höher liegen
***abhängig von Auto und Ladestation
Neue E-Autos mit relativ hohen Reichweiten (z.B.: >250 km) bieten selbst bei weiten Arbeitstrecken (z.B.:
100 km) noch immer genügend Reserve, um eine Ausfahrt am Abend problemlos zu ermöglichen. Eine akute
Schnellladung ist also im Normalfall nicht notwendig. Das E-Auto kann mit niedrigen Ladeleistungen über Nacht
oder auf die Überschussleistung optimiert geladen werden.
In wirklich dringenden Fällen gibt es bereits heute (je nach Region) ein relativ dichtes Netz an DCSchnellladetankstellen, bei denen innerhalb von kurzer Zeit hohe Energiemengen übertragen werden können.
Der E-Auto Besitzer fährt dabei ähnlich wie beim Tanken von fossilen Energieträgern zur Tankstelle und lädt dort
das E-Auto innerhalb von Minuten auf.
Niedrige Ladeleistungen mit verhältnismäßig langen Ladezeiten bieten den Vorteil, dass der PV Eigenverbrauch
besser genutzt werden kann und die gesamte Ladeinfrastruktur (Netz, Hausanschluss, Ladeeinrichtung, E-Auto)
nicht so stark belastet wird. Die Autobatterie wird dadurch geschont und die Lebenszeit verlängert.
Stromkosten können in erster Linie durch die Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils reduziert werden. Zukünftig
werden Netztarife im Haushaltsbereich auch leistungsabhängig gestaltet werden. Das zur Folge hat, dass hohe
Ladeleistungen zu merklich höheren Stromkosten führen werden. Zudem kann bei der Verwendung von variablen
Stromtarifen, das E-Auto bewusst zu Zeiten mit günstigem Stromtarif geladen werden (realisierbar über die
Sollzeitvorgabe am Wechselrichter (siehe Kapitel 2)). In Tabelle 2 sind Ladeleistung und Ladezeiten angegeben.
Tabelle 2: Abschätzung der Reichweitenerhöhung pro Stunde und Ladezeiten bei einem Verbrauch von 17 kWh/100 km.
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 kW
2 kW
4 kW
00:00:00 03:00:00 06:00:00 09:00:00 12:00:00 15:00:00 18:00:00 21:00:00 00:00:00
PV-Erzeugung [kW]
E-Auto Ladung [kW]
Batterie E-Auto [%]
Ladung zur Sicherstellung
einer bestimmten Reichweite
automatischer Ladestart
z.B. mit Nachtstromttarif
Abendladung
Ankunft zuhause
ausreichend Überschuss vorhanden
Ladung beginnt
100% volles E-Auto am Morgen
Automatischer Ladestopp durch Unterschreiten
des Ausschaltschwellwertes
60% Ladezustand bei Ankunft
2. ENERGIEMANAGEMENT MIT FRONIUS
2.1 Allgemein
Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs ergibt sich durch die
intelligente Ansteuerung einer Ladesteckdose oder einer Wallbox durch einen Fronius Wechselrichter
(Energiemanagement-Funktion). Hierzu schaltet der digitale Ausgang des Wechselrichters bei Erreichen eines
voreingestellten PV-Leistungs- bzw. PV-Überschussschwellwertes eine Steckdose/Wallbox und gibt somit die
Ladung tagsüber frei. Durch eine Sicherheitsladung, die über eine Sollzeitvorgabe am Wechselrichter eingestellt
werden kann, wird eine ausreichende Ladung des E-Autos auch bei Schlechtwettertagen oder spätem Ladestart
sichergestellt. Diese Ladung zur Sicherstellung einer bestimmten Reichweite kann außerdem dazu verwendet
werden, die E-Auto Ladung speziell bei günstigen Stromtarifzeiten zu aktivieren: Ein Beispiel wie eine E-Auto
Ladung mithilfe des Fronius Energiemanagements aussehen kann, ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Beispiel für eine Abendladung (ab 16 Uhr) mit dem Fronius Energiemanagement. Lademenge gesamt: 10 kWh (ca. 60km). PV
Größe: 6kWp. E-Auto Batteriekapazität: 30 kWh. Wolkiger Tag.
Es besteht die Möglichkeit, die Ansteuerung der Ladesteckdose/Wallbox über die PV Leistung, oder über die PVÜberschussleistung zu aktivieren. Für die Ansteuerung nach PV-Überschussleistung muss ein Fronius
Smart Meter an den Wechselrichter angeschlossen sein.
2.2 Erforderliche Ausstattung bzw. Material
- Fronius Wechselrichter (Fronius IG, IG Plus, IG TL, Galvo, Primo, Symo) mit integriertem
Fronius Datamanager 2.0 (ist Voraussetzung!) oder Fronius GEN24
- Fronius Smart Meter (63 A-3, 63 A-1, 50 k-3) für PV-Überschusserkennung
- 12 V Relais (max. 3,2 W Spulenleistung) zur Potentialtrennung (technische Daten siehe Anhang)
- Entsprechende Steckdose mit ICCB-Ladekabel oder Wallbox mit Ladefreigabeeingang
2.3 Funktionsweise bei Anbindung an den digitalen Ausgang
Die Ansteuerung der Ladesteckdose wird mittels digitalem Energiemanagement-Ausgang des Wechselrichters
(am Fronius Datamanager 2.0 oder an der Kommunikationsschnittstelle des GEN24) angesteuert.
Analog zur Steckdose (Möglichkeit 1) können auch Wallboxen, die einen entsprechenden Eingang
(Freigabeeingang) besitzen, mit dem Fronius Lastmanagement angesteuert werden. Im Detail werden die Keba
KeContact P30 Wallbox, die eCharge cPμ1 Wallbox, die ENOMICS Wallbox und die Mennekes Amtron Wallbox
beschrieben (Möglichkeit 2, 3, 4 und 5).
Das Lastmanagement wird bei allen drei Möglichkeiten am Webinterface des Fronius Wechselrichters durch die
Schwellwerte und Solllaufzeiten eingestellt (siehe Schritt 3).
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V+
M0+
SHIELD
M1+
V+
GND
M0-
SHIELD
M1-
GND
V+
V+
IO0
IO2
IO4/RG0
IN6/1/5
IN8/3/7
IN10
GND
GND
IO1
IO3
IO5/CL0
IN7/2/6
IN9/4/8
IN11
Gnd -
2.4 Schritte zur Umsetzung
Die Umsetzung der „Fronius Energiemanagement“ Lösung erfolgt in drei Schritten. Bei Schritt 1 kann zwischen
drei verschiedenen Möglichkeiten gewählt werden:
Möglichkeit 1: Steckdose
Möglichkeit 2: Keba KeContact P30 Wallbox
Möglichkeit 3: eCharge cPµ1 Wallbox
Möglichkeit 4: ENOMICS Wallbox
Möglichkeit 5: Mennekes Amtron Wallbox
Der Anschluss an den Fronius Datamanager 2.0 erfolgt bei allen Varianten gleich. Es wird „IO 1“ und „Gnd -“ der
Hardware-Schnittstelle des Fronius Datamanager 2.0 benötigt (siehe Abbildung 5).
Abbildung 5: Anschluss am Fronius Datamanager 2.0 für das Energiemanagement.
Ähnlich wie beim Datamanager 2.0 kann auch der GEN24 Kommunikationsanschluss genutzt werden um eine
Verbindung herzustellen. Der Anschlussbereich ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Fronius GEN24 bietet einige
zusätzliche Funktionen wie z.B. zwei Modbus RTU (RS 485) Anbindungen zum Fronius Smart Meter (M-, M+,
Gnd) oder der Batterie (10-poliger oranger Stecker). Auf dem 16-poligen Stecker daneben befinden sich die
digitalen Ein-Ausgänge.
Abbildung 6: Anschluss an der Kommunikationsschnittstelle des Fronius GEN24
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L1 N PE
Relais
Schalter für
Schnellladung
12 V
L1 L3 N PE
Relais
Schalter für
Schnellladung
L2
12 V
2.4.1 Möglichkeit 1 - Anschluss des externen Relais zur Steuerung der Ladesteckdose
Abbildung 7: Anschlussschema des externen Relais für die Ansteuerung einer Ladesteckdose. Darstellung eines 1-phasigen Steckers (auch
3-phasig möglich).
Für die Ansteuerung einer Steckdose wird zwischen IO 1 und Gnd ein externes 12 V Relais geschalten, welches
die Ladesteckdose in der Garage ein- bzw. ausschaltet (für Relais Auswahl siehe Anhang 5.5). Für eine
Schnellladefunktion direkt in der Garage wird ein Schalter parallel zum Relais empfohlen (siehe Abbildung 7). Als
Ladesteckdose kann ein CEE Cara Stecker (16 A, 1-phasig) verwendet werden, aber auch eine 3-phasige
Ausführung mit einem CEE Drehstromstecker ist möglich.
Anm.: Die Position des Schalters für die Schnellladung kann alternativ zwischen Wechselrichter und Relais
erfolgen. Dabei wird parallel zum „IO 1“ Kabel der Schalter zwischen „+“ und Relais positioniert. Diese
Verschaltung bietet den Vorteil, dass der Schalter nicht die Ladeleistung des E-Autos schalten muss, kann aber
je nach Gegebenheit zu mehr Verkabelungsaufwand führen.
2.4.2 Möglichkeit 2 - Anschluss über Freigabeeingang der Keba KeContact P30 Wallbox
Abbildung 8: Anschlussschema des externen Relais für die Ansteuerung des Freigabeeingangs an der Keba Wallbox. Darstellung einer 3phasig angeschlossenen Wallbox (auch 1-phasig möglich).
Ähnlich wie eine Steckdose kann die Keba Wallbox über den Freigabeeingang über das Energiemanagement
des Fronius Datamanagers gesteuert werden. Auch hier wird für eine Schnellladefunktion direkt in der Garage
ein Schalter parallel zum Relais empfohlen. Die Ladeleistung wird über DIP-Switches bei der Installation der
Wallbox festgelegt und bleibt beim Umschalten zwischen Schnellladung und PV-Ladung unverändert.
Im Gegensatz zur Steckdose wird nicht die Phase sondern der Freigabeeingang gesperrt oder betriebsbereit
geschaltet. Mit dem Vorteil, dass oftmaliges Ein- und Ausschalten keine Fehlermeldungen beim Elektroauto
hervorruft (vgl. Kap. 2.5). Die Zustände des Ladefreigabeeingangs sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Verwendung
des Freigabeeingangs muss mit einer DIP-Schalter-Einstellung aktiviert werden. Dabei wird der DSW1.1 auf ON
gestellt. DIP-Schalter und Anschlussklemmen für den Ladefreigabeeingang sind in Abbildung 9 dargestellt.
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