Normgerechte Errichtung von Ladeinfrastruktur

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Dieser Artikel soll einen Überblick über die notwendigen Vorkehrungen und Sicherheitsmaßnahmen für Ladepunkte von Elektrofahrzeuge geben.

Grundsätzlich gilt: Ladepunkte für Elektrofahrzeuge müssen normgerecht von einem Elektroinstallateur errichtet werden.

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD / FI)

Hintergrund

Beim üblichen Netzanschluss (TN-Netz) übernimmt für jeden Stromkreis ein Leitungsschutzschalter (LS), umgangssprachlich Sicherungsautomat oder kurz Sicherung genannt, den Schutz der Leitungen vor Überlast und Kurzschluss sowie den Schutz vor Isolationsfehlern.
(laut VDE 0100-410:2007-06 – Die Sicherheitsgrundnorm hinsichtlich des Schutzes gegen elektrischen Schlag für die Erarbeitung von Errichtungsnormen)

Beim Laden wird das Auto mit dem Stromnetz verbunden, als Schutz vor Isolationsfehlern wird dann ein Schutzleiter verwendet welcher mit der leitfähigen Karosserie verbunden ist. (Siehe „Schutzklasse I“) Zusätzlich kommuniziert jedes Elektroauto mit dem Ladekontroller (=EVSE). Dadurch wird das Ladekabel erst nach dem Anstecken und nach einer Schutzleiterüberprüfung unter Spannung gesetzt. Umgekehrt wird bei einer Schutzleiterunterbrechung das Ladekabel spannungsfrei geschaltet. Elektroautos und Ladelösungen müssen diese international geltenden Normen erfüllen bevor sie zugelassen werden.

Fehlerstrom-Schutzschalter bieten eine Schutzpegelerhöhung (Brandschutz, Personenschutz bei direktem Berühren eines spannungsführenden Leiters), indem sie bei gefährlich hohen Fehlerströme gegen Erde den Stromkreis abschalten.
Häufig werden die englischen Abkürzungen RCD (Residual Current Device) oder RCCB (Residual Current operated Circuit-Breaker) verwendet. Oft ist auch von FI-Schaltern die Rede, wobei das F für Fehler steht und das I Formelzeichen des elektrischen Stroms ist. Es gibt verschiedene Typen von Fehlerstrom-Schutzschaltern je nach Art der Fehlerstromform, den sie erfassen können:

  • 30mA FI Typ A: Erfasst sinusförmige Wechselfehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme, jeweils ab 30 mA. Dieser Typ wird üblicherweise für alle Steckdosen-Stromkreise (z.B. in Haushalten) verwendet.


In Europa wird für laienbedienbare Steckdosen-Stromkreise in vielen Ländern als Zusatzschutz ein "30mA Typ A" gefordert.
Laut EN-Norm wird sogar für jeden einzelnen Ladepunkt ein eigener "30mA FI TypA" empfohlen.
Laut der aktuellen DIN-Norm (welche üblicherweise später von der EN-Norm übernommen wird) wird sogar ein zusätzlicher (unnötiger) Gleichfehlerstromschutz gefordert.
Ist der Gleichfehlerstromschutz in die Ladelösung (Wallbox oder mobile Ladelösung) eingebaut, so muss dieser laut DIN-Norm einen Auslösestrom von 6mA DC haben.
Da nahezu alle neuen Ladelösungen (Wallboxen und mobile Ladelösungen) einen solchen Gleichfehlerstromschutz bereits eingebaut haben, braucht man zum normgerechten Fehlerstromschutz nur einen netzseitigen "30mA FI Typ A" den aber sowieso jeder Elektriker bei einem Steckdosenstromkreis einbaut.

Achtung: Das Laden an einer Steckdose mit optischen Mängeln (verschmorter Kontakt, gebrochenes Gehäuse) sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Bei einer alten Steckdosen (welche nicht mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter Typ A abgesichert sein muss) und einer abgebrochenen Dosenisolierung kann beim Steckvorgang das Berühren eines spannungsführenden Leiters zu einem lebensgefährlichen Stromschlag führen.

Gleichfehlerstrom-Schutzeinrichtungen nachrüsten

Die meisten aktuellen Ladelösungen (Wallboxen und mobilen Ladelösungen) bieten eine integrierte 6mA Gleichfehlerstrom-Überwachung. In diesem Fall muss nur der sowieso übliche Fehlerstrom-Schutzschalter "30mA Typ A" (um 30-50€) Netzseitig installiert werden.
Hat die Ladelösung noch keinen Gleichfehlerstromschutz eingebaut, und möchte man diesen (unnötigen) Zusatzschutz nachrüsten, so kann man hier nachlesen wie man dies bewerkstelligt.
Bemerkung: Die aktuellen Normen sehen auch für das einphasige Laden einen Schutz vor glatten Gleichfehlerströmen gegen Erde vor, obwohl ein solcher Fehler physikalisch unmöglich ist!

  • Typ A-EV: Spezieller Fehlerstrom-Schutzschalter für Elektroauto-Ladeinfrastruktur des Herstellers Doepke (um ca. 250€). Erfasst zusätzlich zur Funktionalität des 30mA Typ A glatte Gleichfehlerströme bereits ab 6 mA.
  • 30mA Typ B: Allstromsensitiver Fehlerstrom-Schutzschalter (auf ebay um 200€). Erfasst zusätzlich zur Funktionalität des 30mA Typ A ein Gemisch von Fehlerströmen unterschiedlicher Frequenzen sowie glatte Gleichfehlerströme ab 30 mA. Laut DIN VDE darf dem 30mA FI TypB netzseitig kein 30mA FI TypA vorgeschaltet werden da ansonsten der FI TypA "erblinden" könnte. (Laut dem Funktionsprinzip eines 30mA FI TypA und laut unabhängigen Messungen schaltet ein 30mA FI TypB jedoch aus bevor es zu einer Beeinträchtigung des 30mA FI TypA kommt!)



Gleichfehlerstromschutz bei Wechselstrom-Ladestationen.jpg

Dauerbelastbarkeit von Schukosteckverbindungen

Schukosteckdosen und -stecker tragen üblicherweise die Aufschrift 16A (Stromstärke 16 Ampere). Tragen sie das ÖVE- oder DVE-Prüfsymbol, sind sie auf 16A Dauerstrom geprüft (Prüfungsdauer = 1 Stunde, weil nach spätestens ½ Stunde die Endtemperatur erreicht ist). Hierbei wird jedoch mit 2,5 mm² Anschlussleitungen geprüft und die Verbindung darf sich um 45°C (Raumtemperatur + 45°C !) erwärmen! Siehe Prüfnorm.

Googelt man "verschmorter Schuko", so findet man viele Bilder von verschmorten Schukodosen und -steckern, welche teilweise schon bei Dauerströmen kleiner 5A verschmorten!
Die Ursachen sind vielfältig:

  • Schlechte Kontaktierung bei den Anschlussklemmen
  • Versagen der Zugentlastung
  • Ladeziegel ohne Aufhängung (Gewicht des Ladeziegels belastet Dosenkontakte unzulässig)
  • Im Laufe der Jahre verschmutzen bzw. korrodieren die Steckdosenkontakte. Dadurch steigt der Übergangswiderstand und der Kontakt erwärmt sich bei Stromfluss unzulässig. Die Halteklammern verlieren dadurch ihre Klemmkraft, wodurch der Übergangswiderstand weiter steigt.


Laut Wiki erlauben Ladekabel von Markenherstellern mit Schukostecker max. 10A. Original-Ladekabel mit max. 12A (BMW i3, Smart fortwo ed) neigen laut Forenberichten nach mehrjährigem Gebrauch zum Verschmoren. Ladekabel von Mennekes und Siemens mit max. 13A haben eine Temperaturüberwachung im Stecker. Beim Ladekabel der Renault ZOE und bei den neueren Ladekabeln des "Drillings" (Mitsubishi i-MiEV / Peugeot iOn / Citroen C-Zero) muss eine spezielle Schukosteckdose verwendet werden, damit 14A (ZOE) bzw. 12A (Drilling) freigeschaltet werden (im Stecker befindet sich ein Reed-Kontakt welcher durch einen Magneten in der Dose betätigt wird).

Laut Wikipedia sind für Dauerströme bis 16 A die blauen, umgangssprachlich „Camping- oder Caravanverbinder“ genannten Steckverbinder besser geeignet. Dort sind nicht nur die Kontakte deutlich größer ausgeführt, die Steckverbinder sind auch für Außeneinsatz spezifiziert. Der Kontaktdruck und damit verbunden die Steckkräfte können durch die mechanische Ausführung größer gewählt werden.

Dimensionierung von Leitungsquerschnitten

Die Verlegung eines Kabels sollte man einem Elektriker überlassen, welcher das Kabel auch richtig dimensioniert. Nichtsdestotrotz findet man im Internet auch gute "Kabelrechner".

Um die Leitungsverluste zu senken, wird oft empfohlen, den Leiterquerschnitt größer zu wählen als notwendig. Dadurch wird jedoch nicht nur das Kabel teurer, sondern auch die Verlegung erschwert bzw. ein mobiles Ladekabel wird unhandlicher.

Formel zur Berechnung der Leitungsverluste in €. Leitungsverluste Formel.jpg

1. Beispiel: Ein Elektroauto wird ausschließlich zu Hause geladen, wobei um 20.000km pro Jahr zu fahren ca. 3.5000 kWh geladen werden müssen. Bei einem Strompreis von 0,25€/kWh ergeben sich daher Stromkosten von 3500*0,25=875€.
Es soll einphasig mit 16 Ampere geladen werden.

Leiterquerschnitt Leitungsverluste pro Meter und Jahr
1,5 mm² 1,45 € /(m*a)
2,5 mm² 1,45*1,5/2,5 = 0,87 €/(m*a)
4 mm² 1,45*1,5/4 = 0,54 €/(m*a)

2. Beispiel: Wie vorher.
Nur soll jetzt dreiphasig mit 32 Ampere geladen werden.

Leiterquerschnitt Leitungsverluste pro Meter und Jahr
4 mm² 0,54 € /(m*a)
6 mm² 0,54*4/6 = 0,36 €/(m*a)
10 mm² 0,54*4/10 = 0,22 €/(m*a)