Zertifizierung von AC-Ladepfählen nach amerikanischem Standard (III) – Konstruktionsdetails von AC-Pfählen (vorderes Ende der Eingangsleitung und Ausgangskanonenkopf)

Aus produkttechnischer Sicht unterscheiden sich amerikanische Standard-Wechselstrom-Ladestationen nicht von nationalen und europäischen Standards – sie fungieren beide als große elektrische Schalter, die Wechselstrom aus dem Netz zum Onboard-Ladegerät (OBC) im Fahrzeug leiten, welches den Wechselstrom dann in Gleichstrom umwandelt, um die Antriebsbatterie zu laden.

Obwohl sie im Allgemeinen gleich sind, bestehen in vielen Details dennoch erhebliche Unterschiede zu nationalen und europäischen Normen. Andernfalls wäre es zu einfach, sie ohne jegliche Anpassungen direkt in den Vereinigten Staaten zu verkaufen.

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Bevor wir auf die Eingangsleitungen nordamerikanischer Wechselstrom-Ladestationen eingehen, wollen wir zunächst das Spannungssystem des Wechselstromnetzes in den Vereinigten Staaten vorstellen.

Die Stromnetze der meisten Länder weltweit orientieren sich an den europäischen Netzen (bedingt durch Kolonialismus und Kriege). Das heißt, die übliche Haushaltsspannung beträgt 220–230 V Wechselstrom bei 50 Hz, während die industrielle Drehstromspannung 380–400 V Wechselstrom bei 50 Hz beträgt. Die Spannung im Industriebereich entspricht dem Dreifachen der Wurzel aus der Haushaltsspannung – der Differenz zwischen Leiterspannung und Phasenspannung.

Das Stromnetz in den Vereinigten Staaten ist einzigartig. Die gängige Haushaltsspannung beträgt 120 V/240 V bei 60 Hz, während die gängige Industriespannung für industrielle Anwendungen 480 V/277 V bei 60 Hz beträgt. Gewerbliche Betriebe und Haushalte mit hoher Bevölkerungsdichte nutzen 120 V/208 V bei 60 Hz, während in einigen großen Industrieanlagen 347 V/600 V bei 60 Hz zum Einsatz kommen.

Sind Sie auch überrascht, warum das Stromsystem in den Vereinigten Staaten so chaotisch ist?

Die Verwendung von 110-V-Spannung geht auf Edison zurück. Er ist bekannt für die Erfindung der Glühbirne. Nach zahlreichen Experimenten und Vergleichen stellte er fest, dass die Glühbirne bei einer Spannung von 110 V die höchste Lichtausbeute und die längste Lebensdauer aufwies. Daher führte Edison 1882 im Pearl Street Power Station, dem ersten kommerziellen Gleichstromkraftwerk in den Vereinigten Staaten, offiziell 110-V-Gleichstrom ein.

Wir alle wissen jedoch, dass Gleichstrom einen großen Nachteil hat: die starken Wärmeverluste bei der Übertragung über lange Strecken, wodurch viel elektrische Energie verschwendet wird. Um diese Energieverluste zu vermeiden, entwickelte Nikola Tesla sein Wechselstromsystem. Obwohl sich Wechselstrom schließlich durchsetzte, waren zu dieser Zeit bereits Tausende von Geräten und Anlagen, die für 110 V ausgelegt waren, in amerikanischen Haushalten und Fabriken installiert.

Um einen reibungslosen Übergang zum Wechselstromzeitalter zu ermöglichen, ging Tesla einen Kompromiss ein: Er legte die Haushaltsspannung für Wechselstrom auf 110 V fest. Dies schützte nicht nur die Investitionen der bestehenden Nutzer in ihre Geräte, sondern beseitigte auch die Angst der Bevölkerung vor Hochspannungswechselstrom (von dem man damals allgemein annahm, er sei gesundheitsschädlicher).

Die Einführung von 110-V-Wechselstrom in den Vereinigten Staaten ist daher ein Ergebnis der Anpassung an 110-V-Gleichstrom.

Mit dem Aufkommen des elektrischen Zeitalters erkannten Ingenieure allmählich, dass das 110-V-System in den USA im Vergleich zur späteren Einführung der 220-V-/240-V-Spannung in Europa bei der Übertragung hoher Leistungen größere Verluste aufwies und dickere Kupferleitungen zur Vermeidung von Überhitzung benötigte. Eine flächendeckende Umstellung auf 220 V Wechselstrom wäre jedoch zu teuer. Haushaltsgeräte, Steckdosen, Sicherungen und sogar das gesamte Stromverteilungsnetz in Millionen von Haushalten in den USA sind nach wie vor für 110 V ausgelegt.

Aus diesem Grund haben Elektrotechniker in den Vereinigten Staaten eine hochintelligente „Bodenmethode“ erfunden – die Split-Phase-Technologie.

Zwischen dem stromführenden Leiter und dem Neutralleiter in der Mitte entsteht eine Spannung von 110 V/120 V, die speziell für kleine Haushaltsgeräte wie Mobiltelefone, Fernseher und Glühbirnen ausgelegt ist (sicher und nicht heiß zu berühren).

Wenn zwei stromführende Drähte zusammengeschaltet werden, erzeugen sie sofort eine Spannung von 220 V/240 V, die speziell für „elektrische Tiger“ wie Klimaanlagen, elektrische Warmwasserbereiter und Wäschetrockner (mit hoher Effizienz und geringem Drahtverbrauch) ausgelegt ist.

Nachdem man die Ursprünge von 120 V Wechselspannung und 240 V Wechselspannung verstanden hat, ist auch der Ursprung von 208 V Wechselspannung leicht nachzuvollziehen. 208 V ist die Netzspannung von 120 V (das Dreifache der Wurzel).

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Nachdem wir das Spannungssystem in den Vereinigten Staaten verstanden haben, schauen wir uns nun die Eingangsspannung der amerikanischen Wechselstromanlage an.

In den USA werden üblicherweise drei Spannungsarten für Wechselstrom-Ladestationen verwendet: 120 V, 208 V und 240 V. Die Vermarktung von Ladestationen basiert im Wesentlichen auf den von ihnen unterstützten Spannungsbereichen: 110–120 V oder 200–240 V.

Es ist zu beachten, dass die Ladestation mit 208-V-Eingang ebenfalls einphasig ist und nicht, wie wir annehmen, 16 kW oder 22 kW liefert, was dem europäischen Drehstromanschluss mit fünf Leitern entsprechen würde. Allerdings gibt es in den USA nur sehr wenige dreiphasige Ladestationen, die bisher auf dem Markt gesucht, aber noch nicht gefunden wurden.

Unter ihnen ist 110~120Vac ein regulärer Steckeranschluss, der einen maximalen Eingangsstrom von 16A unterstützt.

Bei Wechselstrom-Ladestationen mit einem Eingangsspannungsbereich von 200–240 V (208 V oder 240 V) kann der Eingangsanschluss als Stecker oder Kabelklemme ausgeführt sein. Die in den USA übliche Hochspannungssteckdose mit 240-V-Eingang (bestehend aus vier Adern: zwei Außenleitern, einem Neutralleiter und einem Schutzleiter) muss von einem Elektriker installiert werden.

Die Steckdose für den Netzstecker der 240-V-Wechselstrom-Ladestation muss der Norm NEMA 14-50 entsprechen. Ihre maximale Strombelastbarkeit beträgt 50 A. Gemäß der amerikanischen Norm NFPA 70 für elektrische Installationen darf der von elektrischen Geräten aufgenommene Strom 80 % der Nennstromstärke der Steckdose nicht überschreiten. Daher beträgt die maximale Stromstärke einer 240-V-Wechselstrom-Ladestation mit Netzstecker nur 40 A bei einer Leistung von 9,6 kW.

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Nachdem wir die Anforderungen an die Eingangsseite der amerikanischen Standard-Wechselstromladestation besprochen haben, lassen wir das Gehäuse außer Acht und schauen uns direkt die Ausgangsseite an.

Die Ausgangsseite der Kommunikationsladestation ist sehr einfach aufgebaut und besteht lediglich aus dem Pistolenhalter und dem dazugehörigen Pistolenkabel.

Wenn Sie die Website der Kommunikationsstation in den Vereinigten Staaten besuchen, werden Sie feststellen, dass jede Ladestation zwei Arten von Steckdosen für Schusswaffen bietet, nämlich die TYPE1-Schnittstelle, die dem SAE J1772-Standard entspricht, und die NACS-Schnittstelle, die dem Tesla SAE J3400-Standard entspricht.

Die genauen Konstruktions- und Größenangaben des Pistolenkopfes und des Pistolenhalters mit zwei Schnittstellen sind den entsprechenden Normen zu entnehmen.

Intern gibt es keinen Unterschied zwischen Teslas NACS-Schnittstelle und der TYPE1-Schnittstelle nach SAE J 1772; beide bestehen aus fünf Drähten – L/N/PE/CP/PP. Teslas Design ist natürlich sehr clever, da sowohl die DC- als auch die AC-Schnittstelle identisch sind.

Im nordamerikanischen Markt für Kommunikations-Ladestationen vollzieht sich ein Übergang von der veralteten TYPE1-Schnittstelle zur NACS-Schnittstelle. Zukünftig werden immer mehr Fahrzeuge Tesla-Schnittstellen unterstützen. Ältere Wechselstrom-Ladestationen mit TYPE1-Schnittstelle konnten die neue NACS-Schnittstelle nicht laden.

Natürlich besteht kein Grund zur großen Sorge, es gibt zahlreiche Adapter auf dem Markt, die Ihnen weiterhelfen können.

Die Verwendung von Pistolenkopfadaptern ist in der europäischen Norm IEC 61851-1:2017 strengstens verboten, in der US-amerikanischen Norm UL 2594 findet sich jedoch keine entsprechende Bestimmung. Daher ist die Verwendung nicht gesetzlich untersagt.

Das war alles zu den Ein- und Ausgängen der amerikanischen Standard-Wechselstromladestation. Im nächsten Artikel stellen wir die Konstruktionsdetails des Gehäuses vor.