Technische Anforderungen an Elektroinstallationen für Ladeeinrichtungen
Bemessung
Wesentliche Parameter für die Bemessung der Ladestromkreise zum Anschluss von Ladeeinrichtungen sind:
- der Leistungsbedarf abhängig von der jeweiligen Ladebetriebsart
- mögliche Gleichzeitigkeitsfaktoren mit Blick auf die Versorgung von Ladeeinrichtungen mit mehreren Anschlusspunkten
- der Spannungsfall unter Berücksichtigung der Leitungslängen, Leiterquerschnitte und der Gleichzeitigkeitsfaktoren
- notwendige Reduktionsfaktoren für Strombelastbarkeiten von Steckvorrichtungen, Schaltern und Schutzeinrichtungen aufgrund von Dauerstrombelastung
Leistungsbedarf und Gleichzeitigkeitsfaktor
Die feste Elektroinstallation ist für den sofortigen oder zukünftigen Anschluss von Ladeeinrichtungen so zu planen, dass sie für die gleichzeitig benötigte Leistung der zu versorgenden Ladepunkte ausgelegt ist.
Ladeeinrichtungen erhalten prinzipiell einen eigenen Stromkreis. Ladeeinrichtungen mit einer Ladeleistung von mehr als 4,6 kW müssen 3-phasig angeschlossen werden. Damit sollen unsymmetrische Belastungen in den Niederspannungsverteilungsnetzen vermieden werden. Dieses fordern die Netzbetreiber in ihren Technischen Anschlussbedingungen. Der Anschluss von Ladeeinrichtungen mit einer Nennleistung von mehr als 12 kW verlangt die vorherigen Beurteilung und Zustimmung des Netzbetreibers.
Bei der Bemessung der Gesamtleistung eines Wohngebäudes mit Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge ist zu beachten, dass der in DIN 18015–1 festgelegte Leistungsbedarf für Wohngebäude die Ladeleistung für Elektrofahrzeuge nicht beinhaltet. Bei der Bemessung des Gesamtleistungsbedarfs ist deshalb die elektrische Ladeleistung dem allgemeinen Leistungsbedarf des Gebäudes nach DIN 18015–1 zuzurechnen. Hierbei muss auch berücksichtigt werden, dass die in der Tabelle 1 genannten Ladeleistungen für die verschiedenen Arten der Fahrzeuge im Allgemeinen über einen längeren Zeitraum, das heißt über mehrere Stunden, in voller Höhe benötigt werden. Das erfordert die Bemessung aller elektrischen Betriebsmittel in den Ladestromkreisen – wie Schutzeinrichtungen, Leitungen, Steckvorrichtungen, Verbindungen und Anschlüsse – für die Betriebsart „Dauerlast“. Darüber hinaus ist auch die Dauerstrombelastbarkeit (thermische Belastbarkeit) des Zählerplatzes zu beachten.
Sollen mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig geladen werden, ergibt sich die Gesamtladeleistung aus der Summe der einzelnen Ladeleistungen. Ist jedoch ein Auflademanagement vorhanden, kann gegebenenfalls mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von weniger als 1, das heißt mit einer geringeren Gesamtladeleistung, gerechnet werden.
Separaten Stromkreis vorsehen!
Ist die Ladebetriebsart bei Errichtung des Ladestromkreises noch nicht festgelegt, muss ein separater 3-phasiger Stromkreis nach DIN 18015-1 für den Anschluss einer Ladeeinrichtung mit einer Strombelastbarkeit von 32 A (für 22 kW) vorgesehen werden.
Leistungsbedarf und Gleichzeitigkeitsfaktor
Der Leistungsbedarf einer Verbraucheranlage, z. B. einer Wohnung, ist die Summe der gleichzeitig in Anspruch genommenen elektrischen Leistung. Um die Elektroinstallation zu planen, muss die elektrische Leistung aller in der Wohnung vorhandenen Elektrogeräte bekannt sein. Der Leistungsbedarf wird ermittelt aus dem Anschlusswert, der Summe der vorhandenen Geräteleistungen und aus einem Gleichzeitigkeitsfaktor, der berücksichtigt, dass alle Elektrogeräte gleichzeitig mit voller Leistung nicht über längere Zeit eingeschaltet sind. Der Gleichzeitigkeitsfaktor ist deshalb meistens kleiner als 1 und kann maximal den Wert 1 annehmen. In Einfamilienhäusern liegt der Wert etwa bei 0,4, in Wohnungen von Mehrfamilienhäusern etwa bei 0,6. Der Leistungsbedarf von Wohnungen in Mehrfamilienhäusern ist abhängig von der Anzahl der Wohnungen und ist in DIN 18015-1 angegeben.
Spannungsfall
Bei der Auslegung der Leitungen in der festen Installation ist der maximal auftretende Spannungsfall unter Berücksichtigung des Bemessungsstroms der jeweils vorgeschalteten Schutzeinrichtung (z. B. des Leitungsschutzschalters), der Leitertemperatur bei Dauerstrombelastung, der Leitungslänge sowie des Leiterquerschnittes und -materials zu ermitteln. Die Empfehlungen in DIN 18015–1 und DIN VDE 0100–520 zum Spannungsfall können berücksichtigt werden. Dabei ist zu beachten, dass auch in der Verbindungsleitung zwischen Ladeeinrichtung und Fahrzeug ein Spannungsfall auftritt.
Die Auswahl eines günstigeren Leiterquerschnitts reduziert den Spannungsfall und trägt aufgrund der vergleichsweise langen Ladebetriebszeiten auch zur Steigerung der Energieeffizienz der elektrischen Anlage bei.
Dauerbetrieb und reduzierter Ladestrom
Übliche 1-phasige Haushaltssteckdosen (Schutzkontaktsteckdosen) mit einem Bemessungsstrom von 16 A vertragen einen Dauerbetrieb nicht. Sie können sich bei länger andauerndem Stromfluss über mehrere Stunden stark erwärmen und unter ungünstigen Bedingungen einen Brand auslösen. Hersteller solcher Steckdosen raten deshalb bei Dauerbetrieb zu einer maximalen Belastung mit höchsten 80 % ihres Bemessungsstromes.
Ein reduzierter Ladestrom ist aber für das Aufladen von Elektrofahrzeugen mit größeren Batterien (Akkumulatoren) nicht praktikabel, weil sich die Aufladezeit bei kleinem Ladestrom erheblich verlängern kann. 1-phasige Haushaltssteckdosen, die in bestehenden Elektroinstallationen häufig für den Anschluss von Ladeeinrichtungen empfohlen werden, eignen sich deshalb im Allgemeinen nicht für das Laden von Elektrofahrzeugen. Ausgenommen hiervon ist das Laden von Pedelecs, E-Bikes oder Scootern.
Schutzmaßnahmen
Überlast- und Kurzschlussschutz
1-phasige Haushaltssteckdosen sind nur für eine begrenzte Dauerstrombelastung geeignet und sollten bei Neuinstallationen von Ladestromkreisen für Straßenfahrzeuge nicht verwendet werden. Hierfür sind Industriesteckvorrichtungen (CEE-Steckdosen) bei den Ladebetriebsarten 1 oder 2 vorzusehen.
Für jeden dieser neuen Ladepunkte (Steckdose) ist ein eigener Stromkreis mit entsprechender Absicherung vorzusehen. 1-phasige Haushaltssteckdosen für das Laden von Pedelecs, E-Bikes und Scootern sollten mit maximal 10 A abgesichert werden.
Es wird empfohlen, für den Überlastschutz Schutzeinrichtungen mit möglichst niedrigem thermischen Auslösestrom einzusetzen. Der Bemessungsstrom der Überstromschutzeinrichtung ist unter Berücksichtigung der niedrigsten Dauerstrombelastbarkeit aller Betriebsmittel des Ladestromkreises auszuwählen.
Die notwendige Strombelastbarkeit von Hauptleitungen in Gebäuden, die über Ladepunkte für Elektrofahrzeuge verfügen, wird nach DIN 18015–1 ermittelt. Ist ein Auflademanagement nicht vorhanden, muss hierbei mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor von 1 gerechnet werden.
Schutz gegen elektrischen Schlag
Für den Schutz gegen elektrischen Schlag dürfen alle in DIN VDE 0100–722 genannten Maßnahmen für den Basis- und Fehlerschutz angewendet werden, sofern nicht aufgrund besonderer Umgebungsbedingungen oder Netzsysteme die Auswahl dieser Schutzmaßnahmen eingeschränkt ist.
Zusätzlich ist jeder Ladepunkt unter dem Gesichtspunkt der Verfügbarkeit mit einem eigenen Fehlerstrom-Schutzschalter zu schützen. Sein Bemessungsstrom muss mindestens so groß sein wie der maximale Betriebsstrom des zu schützenden Ladepunktes.
Jeder Ladepunkt muss durch einen eigenen Fehlerstrom-Schutzschalter von mindestens Typ A mit einem Bemessungsdifferenzstrom nicht größer als 30 mA geschützt sein.
Falls der Ladepunkt mit einer Steckdose oder Fahrzeugkupplung nach DIN EN 62196 ausgestattet ist (betrifft alle Ladeeinrichtungen nach Betriebsart 3), müssen im versorgenden Stromkreis Schutzvorkehrungen gegen Gleichfehlerströme vorgesehen werden, es sei denn diese sind in die Ladeeinrichtung (z. B. Ladesäule oder Wandbox) integriert.
Geeignete Schutzvorkehrungen für jeden Ladepunkt sind:
- Fehlerstrom-Schutzschalter Typ B (Bild 10) oder
- Fehlerstrom-Schutzschalter Typ A in Verbindung mit einer geeigneten Einrichtung zur Abschaltung der Versorgung im Fall von Gleichfehlerströmen > 6 mA.
Alternativ zu Fehlerstrom-Schutzschaltern des Typs A können auch solche des Typs F eingesetzt werden. Diese erfassen zusätzlich Fehlerströme im Frequenzbereich bis 1 kHz, die beim Ladevorgang von E-Fahrzeugen durchaus auftreten können, und sie funktionieren bei maximalen Gleichfehlerströmen bis 10 mA zuverlässig.
Überspannungsschutz
Zum Schutz der Ladeeinrichtungen vor Überspannungen, die in der festen Elektroinstallation auftreten können, ist ein Überspannungsschutz nach DIN VDE 0100–443 vorzusehen. Die hierfür notwendigen Schutzeinrichtungen sind von der zuständigen Elektrofachkraft gemäß DIN VDE 0100–534 auszuwählen und müssen die Anforderungen der Isolationskoordination erfüllen.
In Gebäuden mit vorhandener Blitzschutzanlage ist zu prüfen, ob der innere Blitzschutz nach DIN EN 62305–3 und DIN EN 62305–4 ausgeführt wurde, bzw. welche Nachbesserungen erforderlich sind. Die Koordination der Überspannungsschutzeinrichtungen nach DIN EN 62305–4 in einem bestehenden Blitzschutzkonzept sollte überprüft werden.
Nach der gültigen Norm DIN VDE 0100-722 ist für öffentlich zugängigen Ladeanschlusspunkten ein Überspannungsschutz einzubauen. Dies gilt für den Last-und Kommunikations-Anschluss.
Empfohlen wird, wenn nicht andere Vorschriften und Regeln gelten, der Einbau eines Typ–2-Überspannungsableiters in den Stromkreisverteiler des Ladestromkreises, oder direkt in die Ladeeinrichtung.
Schutz gegen äußere Einflüsse
Ladeeinrichtungen müssen für die an ihrem Installationsort vorliegenden Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur, Feuchtigkeit, Staub, mechanische Belastung) geeignet sein.
Werden Anschlusspunkte im Freien installiert, müssen die Betriebsmittel zum Schutz gegen Spritzwasser sowie gegen das Eindringen von kleinen Fremdkörpern die Anforderungen der Schutzart IP 44 erfüllen. Es gelten die Anforderungen der DIN VDE 0100–722. Ladepunkte im Freien sollten daher zusätzlich mit einer Abdeckung (Regenschutz) ausgestattet sein, um die entsprechende Schutzart zu gewährleisten.
Montage der Ladeeinrichtung
Für die Montage der Ladeeinrichtung gelten die Vorgaben des jeweiligen Herstellers. Sind solche nicht vorhanden, wird empfohlen, wie folgt zu verfahren:
- Anbringungshöhe: min. 1100 mm und max. 1300 mm bezogen auf die Mitte des Ladepunktes (Ladesteckdose) über OKFF (Oberkante Fertigfußboden).
- Seitliche Ausrichtung: außermittig bezogen auf die vorgesehene Parkplatzfläche nach links oder rechts.
Bei der Montage von mehreren Ladeeinrichtungen (Wandboxen) in größeren Garagen oder auf größeren Parkplatzflächen muss die Zuordnung der jeweiligen Ladeeinrichtung zur vorgesehenen Parkplatzfläche eindeutig erkennbar sein. Ladeeinrichtungen sollen einen ausreichenden Abstand zu Seitenwänden haben, damit das Einstecken des Ladesteckers einfach möglich ist).
Elektromagnetische Verträglichkeit, Netzrückwirkungen
Durch den Betrieb der Ladegleichrichter in den Elektrofahrzeugen entstehen Oberschwingungsströme (Ströme mit Frequenzen, die dem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz 50 Hz entsprechen). Diese Ströme können die elektrische Versorgungsspannung von 230/400 V mit ihrem idealerweise sinusförmigen Verlauf verzerren. Andere empfindliche Elektrogeräte können dann unter Umständen nicht mehr einwandfrei an solcher Spannung betrieben werden.
Verteilungs- und Endstromkreise für die Versorgung von Ladeeinrichtungen im TN-System sind mit getrenntem Neutralleiter und Schutzleiter auszuführen.
Die von Ladegleichrichtern in Elektrofahrzeugen mit Bemessungsströmen bis 16 A eingespeisten Oberschwingungsströme sind nicht störend, sofern die in DIN EN 61000–3–2 festgelegten zulässigen Grenzwerte nicht überschritten werden. Für Ladegleichrichter mit Bemessungsströmen von mehr als 16 A gelten die Grenzwerte nach DIN EN 6100–3–12. Im Übrigen sind auch die Festlegungen der Technischen Anschlussbedingungen der Netzbetreiber zu beachten.
Nachweise aufbewahren!
Dem Betreiber des Elektrofahrzeugs wird empfohlen, die Nachweise des Herstellers über das Einhalten der zulässigen Netzrückwirkungen und die Angaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) aufzubewahren.