Simulationen und Tests zum Laden von Elektrofahrzeugen Tests eine netzfähige Ladeinfrastruktur

Wichtigste Erkenntnisse

• Kopplungsmodelle liefern Ihnen die elektrischen Daten, die sowohl Energieversorger als auch Ladestationsbetreiber für die Einhaltung der Netzvorschriften benötigen.
• Zeitliche Details, das Verhalten der Batterie und Fehler bei schwachen Netzen entscheiden darüber, ob ein Ladegerät die Validierung besteht oder erst spät durchfällt.
• Ein stufenweiser Testablauf verknüpft Studien, Prüferprüfungen und Laborfreigaben mit demselben ausführbaren Fall.

Eine netzfähige EV-Ladeinfrastruktur beginnt mit einer Simulation, bei der Ladegerät, Fahrzeug und Zuleitung in einem Testkreis miteinander verknüpft werden.

Der weltweite Bestand an öffentlichen Ladestationen stieg im Jahr 2023 um mehr als 40 % im Jahr 2023, was bedeutet, dass immer mehr Standorte mit Lastblöcken im Multi-Megawatt-Bereich geplant werden, die die Energieversorger vor der Inbetriebnahme prüfen müssen. Ein Ladegerätemodell allein liefert keine verlässliche Antwort, da Spannungsabfall in der Zuleitung, Steuerungsabläufe, Batteriegrenzen und das Energiemanagement am Standort innerhalb von Sekunden miteinander interagieren. Effektive Simulationen zum Laden von Elektrofahrzeugen und Tests Elektrofahrzeugen Tests die Ladestation als geschlossenes elektrisches System und belasten dieses System dann unter genau den Netzbedingungen, denen es ausgesetzt sein wird. Dieser Ansatz liefert Ihnen Ergebnisse, die Sie tatsächlich für die Netzanbindungsprüfung und die Laborvalidierung nutzen können. Sie benötigen diese ganzheitliche Sichtweise frühzeitig, da Studien der Energieversorger und die Validierung der Ladegeräte voneinander abweichen werden, wenn sie von unterschiedlichen Annahmen ausgehen.

Die Netzkonformität beginnt mit einem gekoppelten Ladesystemmodell

Die Netzkompatibilität beginnt damit, dass Fahrzeug, Ladegerät, Standortsteuerung und Zuleitung als ein einziges elektrisches System simuliert werden. Dieses Modell zeigt, wie Strombedarf, Spannungsgrenzen und Standortsteuerungen im selben Zeitfenster zusammenwirken. Bei einer getrennten Untersuchung wird diese Kopplung nicht berücksichtigt.

„Eine gekoppelte Studie deckt das Problem auf, noch bevor hardware .“

Eine Raststätte mit acht Hochleistungs-Ladestationen verdeutlicht das Problem. Zwei Autos können fast gleichzeitig an die Ladestationen angeschlossen werden, der Standortcontroller kann den Stromausgleich wiederherstellen, und der vorgelagerte Transformator verzeichnet einen sprunghaften Anstieg der Belastung. Diese Abfolge ist nicht zu beobachten, wenn die Zuleitung außerhalb des Modells liegt. Sie wird jedoch sichtbar, wenn das Ladegerät und das Netz in einem Regelkreis modelliert werden. Genau diese Abfolge ist für die Energieversorger von Bedeutung, wenn eine Leistungserweiterung noch geprüft wird.

Diese Kopplung bietet Ihnen zudem bessere Validierungsziele. Sie können die Versorgungsspannung an den Ladegerätklemmen, den Strom am Eingang des Gleichrichters und die Leistungsaufteilung am Standortcontroller unter denselben Bedingungen überprüfen. Anhand dieser Signale lässt sich feststellen, welche Komponente zuerst ausgefallen ist. Ihre Elektrofahrzeugsimulation wird so nicht nur für die Produktoptimierung, sondern auch für die Überprüfung der Netzanbindung nützlich.

Bei der Simulation von Elektrofahrzeugen muss der zeitliche Ablauf der Ladegerätesteuerung berücksichtigt werden

Bei der Simulation von Elektrofahrzeugen muss der zeitliche Ablauf der Ladegerätesteuerung bis hin zu den Vorgängen, die den Stromanstieg, die Vorladung, das Schließen des Schützes und die Abflachung bestimmen, genau nachgebildet werden. Diese Vorgänge laufen so schnell ab, dass grobe Zeitschritte Instabilitäten verschleiern. Eine stabile Durchschnittskurve reicht nicht aus. Sie benötigen die Abfolge, die der Regler tatsächlich ausführt.

Ein häufiger Fehler tritt auf, wenn ein Ladegerät eine Spannungseinbruchsituation einen Zyklus zu spät erkennt. Die Batterie fordert mehr Strom an, der netzseitige Begrenzer drosselt diesen, und der Regler schwankt mehrere Sekunden lang um den Sollwert herum. Die Fahrer würden lediglich eine ins Stocken geratene Ladesitzung bemerken, doch die eigentliche Ursache liegt in der zeitlichen Auflösung. Deshalb ist eine Genauigkeit im Millisekundenbereich bei der Simulation des Ladens von Elektrofahrzeugen so wichtig. Sie zeigt Ihnen, ob sich der Regler sauber einpendelt oder weiterhin einem Ziel nachjagt, das er nicht halten kann.

Sie sollten außerdem die Zeitabläufe während des gesamten Ladevorgangs erfassen. Stromanstieg, Stromanfall, Neustart nach einer kurzen Unterbrechung und die Wiederherstellung nach einer Schutzabschaltung testen jeweils unterschiedliche Regelpfade. Grobe Modelle glätten diese Pfade zu einer einzigen sauberen Kurve. Anhand detaillierter Zeitdaten können Sie Schwankungen, Fehlauslösungen und eine langsame Wiederherstellung erkennen, noch bevor die Feldtests beginnen.

Studien zu Einspeiseleitungen sollten sich auf die Spitzenladeleistung konzentrieren

Bei Studien zu Zuleitungen sollte der Schwerpunkt auf der höchsten gleichzeitigen Standortbelastung liegen, da die Grenzwerte der Energieversorger in dem Moment auf die Probe gestellt werden, in dem mehrere Ladegeräte gleichzeitig Strom anfordern. Der durchschnittliche Energieverbrauch reicht nicht aus, um einen Transformator oder eine Kabeltrasse zu schützen. Die Spitzenbelastung bestimmt das Risiko. Darin liegt der Nutzen der Simulation der Stromaufnahme beim Schnellladen von Elektrofahrzeugen auf Standortebene.

Gleichstrom-Schnellladegeräte decken üblicherweise einen Leistungsbereich von 50 kW bis 350 kW ab, sodass selbst ein kleiner Standort innerhalb einer einzigen Parkreihe eine Last im Umspannwerksmaßstab erreichen kann. Ein Standort in einem Korridor mit vier Ladestationen mag im Stundendurchschnitt überschaubar erscheinen, kann aber dennoch beim Anschließen eine erhebliche Sprunglast erzeugen. Warteschlangen, eine schrittweise Reduzierung der Ladeleistung und die gemeinsame Stromnutzung am Standort werden diese Spitzenlast beeinflussen. Ihre Zuleitungsanalyse sollte sich zunächst an diesem kurzen Zeitfenster orientieren. Dies ist besonders an Standorten wichtig, an denen die Hausanschlussleistung auf dem Papier ausreichend erscheint, die Spannung jedoch in den ersten Minuten des gleichzeitigen Ladevorgangs stärker absinkt als erwartet.

Modelle mit Schnellladefunktion erfordern ein zuverlässiges Akkuverhalten

Modelle mit Schnellladefunktion erfordern ein Akkuverhalten, das Temperatur, Ladezustand und die Schutzgrenzwerte des Akkupakets berücksichtigt. Diese Grenzwerte bestimmen, wie viel Leistung das Ladegerät während jeder Minute eines Ladevorgangs tatsächlich liefern kann. Eine flache Akkukurve führt zu falschen Schlussfolgerungen. Gute Ergebnisse vor Ort beginnen mit verlässlichen fahrzeugseitigen Grenzwerten.

Ein Winter-Ladekoffer verdeutlicht dies. Ein gekühlter Akku kann bei Ankunft zunächst keine volle Ladeleistung annehmen und erst nach einer kurzen Aufwärmphase mehr Strom aufnehmen. Das Ladegerät scheint zunächst nicht voll ausgelastet zu sein, rückt dann aber später in der Warteschlange nach vorne. Diese Verschiebung beeinflusst die Auslastung der Ladestation und die Wartezeit stärker, als es ein Modell mit festem Akku vermuten lässt. Diese Verschiebung kann zudem die Stromverteilung an der Ladestation beeinträchtigen, wenn mehrere Fahrzeuge hinter dem betreffenden Fahrzeug in der Warteschlange stehen.

Die Abnahme ist ebenso wichtig. Ein Fahrzeug, das einen Ladezustand von 55 % erreicht, kann bereits weniger Strom beziehen, obwohl das Ladegerät weiterhin seine volle Leistung angibt. Dieses Verhalten senkt die Spitzenlast für ein Fahrzeug und verlängert die Nutzungsdauer für ein anderes Fahrzeug, das dahinter wartet. Die Berücksichtigung der Batterieeigenschaften ist bei der Simulation von Elektrofahrzeugen keine reine Dekoration. Sie macht den Unterschied zwischen einer glaubwürdigen Standortstudie und einem hübschen Diagramm aus. Außerdem hilft sie Ihnen dabei, Warteschlangenmodelle so zu dimensionieren, dass die Auslastung widerspiegelt, wie Fahrzeuge tatsächlich laden, und nicht, wie die Ladestation ausgelegt ist.

Tests zur Netzkonformität Tests hardware im geschlossenen Regelkreis

Tests zur Netzkonformität Tests hardware im geschlossenen Regelkreis, da der Laderegler, die Sensorkette und das Anlagenmodell in Echtzeit aufeinander reagieren müssen. Bei einer Offline-Wiedergabe werden Race-Conditions und fehlerhafte Schwellenwerte übersehen. Ein konformes Design muss die Interaktion im Live-Betrieb bestehen. Genau hier Tests an Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle Tests .

Ein nützlicher Teststand verbindet die tatsächlichen I/O des Reglers I/O einem Echtzeitmodell des Laders und der Einspeiseleitung und speist dann dieselben Fehler und Spannungsgrenzen ein, die auch in der Vor-Ort-Studie verwendet wurden. Teams, die in dieser Phase mit OPAL-RT arbeiten, können das Modell lauffähig halten, während sie den Reglercode, die Schutzeinstellungen oder die Kommunikationszeiten austauschen. Das verkürzt die Wiederholungszyklen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Sie erhalten Erkenntnisse aus demselben Regelkreis, die Auslösungen, Rücksetzungen und instabile Stromregelung aufdecken. Diese Konfiguration zeigt zudem, ob sich der Regelstapel auch dann noch korrekt verhält, wenn Timing, Messung und Schutzfunktionen unter Belastung zusammenwirken.

Auch die Compliance-Arbeit profitiert davon, wenn hardware frühzeitig erkannt werden. Sensorrauschen, Quantisierungsfehler und Rückkopplungsverzögerungen bei Schützen können dazu führen, dass aus einem „Bestanden“ ein „Nicht bestanden“ wird, selbst wenn das mathematische Modell einwandfrei aussah. Diese kleinen Effekte spielen gerade in der Nähe der Schutzschwellenwerte die größte Rolle. Durch die Validierung im geschlossenen Regelkreis werden sie zu messbaren Problemen, die Sie noch vor den offiziellen Zeugenprüfungen beheben können.

Prüfstände sollten die Bedingungen bei Schwachnetzfehlern nachbilden

Prüfstände sollten Fehlerzustände bei schwacher Netzversorgung simulieren, da Ladegerätesteuerungen bei einer starken Stromquelle selten ausfallen. Sie fallen aus, wenn Spannungseinbrüche auftreten, sich der Phasenwinkel verschiebt oder die Quellenimpedanz so stark ansteigt, dass die Stromregelung gestört wird. Fälle mit schwacher Netzversorgung decken Steuerungsfehler auf, die bei einem Modell mit starker Netzversorgung verborgen bleiben. Das ist der Sinn dieser Phase.

Ein gutes Beispiel hierfür ist eine ländliche Zuleitung mit einer langen Kabelstrecke. Das Ladegerät startet normal, doch dann verursacht ein nahegelegener Lastschalter einen kurzen Spannungsabfall, und der Gleichrichterstrom steigt stärker an, als es die Schutzlogik erwartet. Die Sitzung bricht ab, obwohl die stationären Berechnungen akzeptabel aussahen. Die Fehlernachstellung zeigt Ihnen die genaue Marge zwischen stabiler Wiederherstellung und Fehlauslösung.

Sie sollten außerdem Asymmetrien und wiederholte Störungen testen, anstatt nur einen einzelnen, idealisierten Spannungsabfall. Eine Phase kann stärker abfallen als die anderen, oder die Spannung kann sich nicht gleichmäßig, sondern schrittweise wieder erholen. Diese Details beeinflussen Phasenregelkreise, Stromregler und Schutzzeitgeber. Eine Validierung vor Ort schafft nur dann Vertrauen, wenn die ungünstigen Fälle ebenso detailliert beschrieben werden wie die günstigen. Diese Testläufe zeigen auch, bei welchen Fehlern strengere Ride-Through-Einstellungen erforderlich sind und bei welchen eine Neugestaltung der Stromregelung notwendig ist.

„Fälle mit schwachen Netzen decken Steuerungsfehler auf, die bei einem robusten Versorgungsmodell verborgen bleiben.“

Ein stufenweiser Arbeitsablauf verkürzt den Weg zur Laborfreigabe

Ein stufenweiser Arbeitsablauf verkürzt den Weg bis zur Freigabe durch das Labor, da jede Testphase eine andere Art von Unsicherheit beseitigt, bevor die nächste beginnt. Man beginnt mit einem Systemmodell, präzisiert dann den Zeitablauf und bindet anschließend hardware den Regelkreis ein. Diese Reihenfolge verhindert Überraschungen in der Endphase. Außerdem gewährleistet sie die Rückverfolgbarkeit der Nachweise zur Netzkonformität.

• Beginnen Sie mit einem Modell, das Netzteil, Transformator, Kabel und die Leistungsstufe des Ladegeräts in einem einzigen ausführbaren Modell vereint.
• Legen Sie die Batteriegrenzen und die Sitzungsdauer fest, bevor Sie die Spitzenauslastung der Website abschätzen.
• Führen Sie Tests unter normalen Verkehrsbedingungen sowie unter den ungünstigsten Bedingungen mit gleichzeitigen Plug-in-Ereignissen durch.
• software vor den offiziellen Konformitätsprüfungen software den geschlossenen Regelkreis überführen.
• Wiederholen Sie die Schwachgitter-Fehler, bis die Ergebnisse über alle Durchläufe hinweg konsistent bleiben.

Diese Abfolge ist wichtig, da in jeder Phase die Ergebnisse der vorherigen Phase wiederverwendet werden. Ein im ersten Modell festgestelltes Problem mit der Datenzuführung wird in der nächsten Phase zu einem Test der Steuerungszeitsteuerung und zu einer Schutzfunktion, sobald hardware den Regelkreis hardware . Man fängt nicht jedes Mal von vorne an. Man verfeinert denselben Fall so lange, bis die Freigabe auf fundierten Erkenntnissen beruht. Diese Kontinuität spart Zeit, da Ihr Team jedes Laborergebnis mit einem früheren Systemfall vergleichen kann, anstatt das Szenario neu aufzubauen.

Eine disziplinierte Umsetzung ist entscheidend dafür, dass die Ladeinfrastruktur netzfähig ist. Man weiß, dass ein Standort bereit ist, wenn das gekoppelte Modell, der Controller-Prüfstand und die Fehlerfälle hinsichtlich des Verhaltens unter Belastung übereinstimmen. OPAL-RT fügt sich nahtlos in diese Beurteilung ein, da dasselbe Echtzeit-Framework eine Ladeuntersuchung von der frühen Modellierung bis zur Laborvalidierung begleiten kann. Diese Kontinuität macht die Simulation des Ladens von Elektrofahrzeugen zu einem Testprogramm, auf das man sich verlassen kann. Genau diesen Standard benötigt man, bevor ein Standort von der Entwurfsprüfung zur Inbetriebnahme der Anlagen übergeht.