Mit Open-Source-Lademanager Schnittstellen zu Wallbox und Photovoltaik-Anlage meistern

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Was ist der Vorteil eines Open Source Lademanagementsystems wie EVCC im Vergleich zu den bisher erhältliche kommerziellen Lösungen?

Andreas Linde: EVCC wird von Anwendern für Anwender entwickelt, das heißt alle Beteiligten fahren selbst ein Elektroautos und haben eine Photovoltaik-Anlage. Dabei hat auch jeder von uns unterschiedlichste Systeme von verschiedenen Herstellern. Und genau hier zeigen sich die Stärken von EVCC. Es ist nicht auf bestimmte Hardware eingeschränkt, und ermöglicht damit vielen Anwendern die Nutzung ihrer vorhandenen Geräte um den eigenen Strom in ihr Elektroauto zu laden.

Was muss man bei einer App eingeben können, um die wesentlichen Funktionen zu steuern und Regelstrategien zu wählen?

Tjarko Tjaden: Im Modus „Sofort“ funktioniert die Wallbox wie ohne ein Energiemanagement, also mit voller Leistung. Im Modus „Minimum + PV“ wird mit einer fest eingestellten, niedrigen Leistung geladen. Bei überschüssigem Solarstrom wird die Ladeleistung soweit erhöht, dass die Netzeinspeisung auf Null geregelt wird. Im Modus „PV“ wird ausschließlich geladen, wenn genügend Überschüsse aus Solarstrom zur Verfügung stehen. Darüber hinaus gibt es noch die Möglichkeit den maximalen Ladezustand des Fahrzeugs für jeden Ladevorgang anzupassen sowie einen Mindest-Ladezustand für eine bestimme Uhrzeit zu definieren. EVCC versucht dann den gewünschten Ladezustand so günstig wie möglich zu erreichen, auch unter Berücksichtigung variabler Strompreise, wie Tibber oder Avatar.

Wenn man einen Batteriespeicher hat, sollte man dann nicht einfach die Wallbox des Batterieherstellers kaufen? Oder vielleicht die des Autoherstellers?
Andreas Linde:
Einige Hersteller bieten auf ihr System zugeschnittene Lösungen, das heißt anschließen lassen und loslegen. Eigentlich genau das was man sich als Anwender wünscht. Es soll einfach funktionieren und ich muss mich um möglichst wenig selbst kümmern. Das bezahlt man in der Regel mit einem höheren Preis für die Wallbox und oft erfüllt der Funktionsumfang am Ende dennoch nicht die Erwartungen. EVCC hat den Vorteil, nicht auf einen Hersteller eingeschränkt zu sein und dabei auch komplexere Szenarien abbilden zu können, aber auch spezifischere Anwenderwünsche erfüllen zu können. Sei es den Hausspeicher gezielt zu nutzen, oder das Elektroauto nur bis zu einem gewissen Ladestand zu laden. EVCC erfordert vom Anwender stand heute noch deutlich mehr Eigeninitiative und Engagement für die Einrichtung und den Betrieb. Da es Open Source ist, bietet es aber volle Transparenz, meist deutlich mehr Funktionsumfang und wird auch immer weiter entwickelt.

Andreas Linde ist selbstständiger Informatiker und beschäftigt sich mit Energie­management und Energieverbrauch. Er war u. a. bei Bosch in der Steuergeräteentwicklung tätig, selbstständig in der Entwicklung von mobilen Apps, Entwicklungswerkzeugen und zuletzt Program Manager bei Microsoft USA. Seit April 2020 ist er einer der Haupt­entwickler von EVCC, um die eigenen Elektroautos auch mit eigenem Solarstrom zu versorgen.

 

Tjarko Tjaden ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe Regenerative Energien der Hochschule Emden/Leer. Er beschäftigt sich mit solaren Gebäudeenergiesystemen auf Basis von Photo­voltaik und Speichern und berät bei Wall­boxen. Sein privates Energiesystem besteht aus: Fronius Symo Gen24 Wechselrichter, BYD HVM Speicher, 2 x go-e charger und einem Renault Zoe.

Die wesentliche Aufgabe für Euch ist, die Schnittstellen zu den einzelnen Geräten zum Laufen zu bekommen, mit denen sich über die Wallboxen auch die Ladeleistung kontrollieren lässt. Was ist diesbezüglich Euer Wunsch an die Hersteller?

Andreas Linde: Die KFW 440 Förderung hat unter anderem zur Bedingung, dass die geförderte Wallbox eine „intelligente Steuerung” bieten soll. Dies bedeutet laut der KFW Webseite: „Eine intelligent gesteuerte Ladestation kann mit anderen Komponenten des Stromnetzes kommunizieren – zum Beispiel, um die Ladeleistung zu begrenzen oder zeitlich zu verschieben.” Wir würden uns hier von den Herstellern zumindest eine öffentlich verfügbare Dokumentation der verwendeten Schnittstelle, und besser noch die Unterstützung unseres Projektes auch mit Testgeräten wünschen. Bisher sind wir auf die Unterstützung einzelner interessierter Anwender für einen Testzugang angewiesen und müssen dann in der Regel durch aufwändige Analyse die Kommunikation erst einmal entziffern.

Derzeit nutzt Ihr Modbus-Schnittstellen. Warum nicht OCPP 1.6? Wie ist es mit EEBus?

Andreas Linde: Beide Standards bauen auf einer Netzwerkverbindung auf, das heißt die Endgeräte sind entweder über WLAN oder ein Netzwerkkabel zum Beispiel mit dem Heimnetzwerk verbunden. Darüber laufen dann die entsprechenden Kommunikationsprotokolle. Herstellerspezifische Lösungen nutzen alternativ dazu entweder eigene HTTP oder Modbus basierte Protokolle. Bei Modbus geht die Kommunikation entweder auch über eine Netzwerkverbindung, oder über ein serielles Kabel. All diese Varianten werden jedoch unterschiedlich umgesetzt, das heißt jeder Hersteller macht das anders.

Für eine Steuerung der Wallboxen braucht man nun eine zentrale Softwareinstallation. Zum Beispiel ein Home Energy Management System, kurz HEMS, welches über diese Protokolle mit den Endgeräten kommunizieren kann. Und dieses System muss nun die verschiedenen Kommunikationsarten verstehen. EEBus ist noch sehr wenig verbreitet, OCPP findet man öfter, jedoch wird das meist, zum Beispiel bei VW, exklusiv für die Anbindung der App-basierten Steuerung verwendet.

EVCC unterstützt heute mangels für uns verfügbarer Wallboxen noch keine Kommunikation über OCPP, kann also nicht als OCPP-Server auftreten. Aber wir haben die erste offene Implementierung der notwendigen Teile des EEBus-Standards am Markt und können daher mit EEBus kompatiblen Wallboxen kommunizieren. Ansonsten arbeiten wir mit der jeweils verfügbaren Schnittstelle.

Viele Wallboxen unterstützen bereits OCPP 1.6. Was wird OCPP 2.0 für zusätzliche Funktionen bringen?

Andreas Linde: OCPP 2.0.1 bietet eine bessere Sicherheitsarchitektur und viele technische Verbesserungen. Aber für Endkunden eher von Interesse ist die Unterstützung von ISO 15118 und damit auch Unterstützung für intelligentes Laden. So kann das Elektroauto den genauen Strombedarf zurückmelden, inklusive einer eingestellten Zeit wann dies erreicht sein soll.

pv magazine Marktübersicht Elektroauto-Ladelösungen

pv magazine hat im November 2021 die Marktübersicht Elektroauto-Ladelösungen für Wohngebäude und Gewerbe mit aktuellen Wallboxen und Ladesäulen veröffentlicht. Die Online-Datenbank der Marktübersicht Elektroauto-Ladelösungen mit Detailinformation zu mehr als 115 Produkten finden Sie hier.

Die Begleitberichterstattung mit einem Schwerpunkt zu Elektroauto-Ladelösungen für Wohngebäude und Gewerbe finden sie in der aktuellen pv magazine Ausgabe mit Beiträgen unter anderem zu (Premium Content, zum Shop, mit dem Code „Abo10“ erhalten Sie einen Rabatt von zehn Prozent auf ihre Bestellung):

Was außer der Ladeleistung wollt Ihr über die Schnittstelle mit der Wallbox kommunizieren?

Andreas Linde: Beim bisher verbreiteten IEC 61851 Standard tauschen die Wallbox und das Elektroauto nur recht wenige Informationen aus. Dazu gehören ein Status von A bis F (Auto angeschlossen, Laden möglich, Fehler, und so weiter) und die möglichen Ladeströme. Minimal sind das immer 6 Ampere und dann je nach Wallbox Anschluss und Ladegerät im Elektroauto bis zu 16 oder 32 Ampere. EVCC nutzt diese zur Regelung der maximal erlaubten Stromstärke. Manche Wallboxen ermöglichen eine Regelung in groben 1 Ampere Schritten, andere können quasi stufenlos angesteuert werden.

Bei der Photovoltaik gesteuerten Ladung wechselt die Leistung teilweise nahezu sekündlich, weil zum Beispiel eine Wolke über dem Dach vorbeizieht. Abhängig von der installierten Solarleistung hat das auch Konsequenzen für die mögliche Ladeleistung. Der IEC 61851 Standard erlaubt dabei nicht, einzelne Phasen dynamisch hinzuzufügen oder zu entfernen. Daher bieten nun einige Wallboxen die Möglichkeit einer Umschaltung von drei Phasen auf eine Phase. Dabei “simulieren” diese das Abstecken des Kabels, schalten dann weitere Phasen dazu oder weg, und lassen das Elektroauto wissen, wann es wieder angesteckt ist und damit Laden kann. Diese Umschaltungen dürfen jedoch nicht zu oft geschehen, da dabei der Ladevorgangs aus Sicherheitsgründen bis zu zwei Minuten unterbrochen werden muss und in dieser Zeit natürlich keine Energie in die Fahrzeugbatterie fließt und sich zusätzlich die Überschusssituation in dieser Zeit wieder deutlich geändert haben kann.

Mit ISO 15118-2 erweitert sich das um die Möglichkeit die Stromstärke dynamisch auch phasengenau zu regeln, beginnend ab zwei Ampere pro Phase. Aber auch hier gibt es eine minimal erforderliche Mindestleistung von meist etwa 1,4 Kilowatt, da auch die Fahrzeugelektronik selbst einen Energiebedarf hat. Damit ist bei ISO15118-2 keine Phasenumschaltung der Wallbox mehr notwendig und es kann lückenlos und nahezu stufenlos genau geregelt werden. Für Photovoltaik geführtes Laden ist das ein großer Vorteil.

Tjarko Tjaden: In Bezug auf ein einfaches Energiemanagement wäre es wünschwenswert, wenn der Ladezustand der Fahrzeuge über die Wallbox-Anbindung abgefragt werden könnte. Dies erfolgt in EVCC bisher aufwändig, in dem die App-Schnittstellen der Fahrzeughersteller identifiziert und implementiert werden. Mit ISO15118-20 wäre diese nicht mehr notwendig.

Was muss eine Wallbox können, damit Autos erkannt werden können (Plug&Charge) und was muss der Lademanager können? Könnt Ihr das?

Andreas Linde: Momentan können das Wallboxen hauptsächlich über eine RFID Kennung. Das heißt man erkennt nicht wirklich das Auto selbst, aber die Karte und kann dadurch zumindest den Fahrer “erkennen” und daraus auf das Auto schlussfolgern.

Um das Auto direkt zu erkennen müssen die Wallbox und das Auto die ISO 15118-2 unterstützen. Hier wird beim Verbindungsaufbau eine MAC Adresse des On-Board-Chargers (OBC) im Elektroauto an die Wallbox geschickt. Dies wird auch von einigen DC-Ladenetzbetreibern genutzt, zum Beispiel von Fastned. Leider funktioniert das nicht bei jedem Elektroauto, da Audi und VW zum Beispiel diese MAC Adresse quasi täglich zufällig neu erstellen.

Nun wird aber in einem weiteren Schritt beim Verbindungsaufbau auch ein Zertifikat (sofern im On-Board-Charger vorhanden) an die Ladesäule geschickt. Bei DC-Ladesäulen, die Plug & Charge unterstützen, ist das ein Zertifikat vom Ladekartenanbieter. Dieses kann bei Wallboxen aber nicht verwendet werden, beziehungsweise macht auch gar keinen Sinn. Daher gibt es für die AC-Verbindung ein weiteres Zertifikat im On-Board-Charger das fest dem Elektroauto zugeordnet ist und unabhängig vom Ladekartenanbieter ist. Dieses Zertifikat kann nun die Wallbox zur Identifikation des Elektroautos nutzen und zum Beispiel den Ladevorgang direkt freigeben. EVCC unterstützt alle 3 Methoden, abhängig davon, was die Wallbox an Kommunikation mit dem Auto mitbringt, und dass wir herausgefunden haben wie man darauf zugreift.

Was bedeutet die ISO15118-2 und die ISO15118-20 und welche Vorteile hat man, wenn die Wallbox die „-20“ implementiert hat?

Andreas Linde: Der heute verbreitete Standard für das DC-Laden ist ISO15118-2, welcher auch Szenarien für das AC-Laden definiert hat und damit die Übermittlung des Energiebedarfs mit einer Ziel-Uhrzeit und Datum und die Identifikation des Elektroautos ermöglicht.

Die ISO15118-20, die momentan wohl in den letzten Zügen der Fertigstellung ist, erweitert dies unter Anderem um alles, was für das Bidirektionale Laden notwendig ist. Damit wird es dann möglich sein die Batterie im Elektroauto auch für Vehicle 2 Home (V2H), Vehicle 2 Grid (V2G) und weitere Szenarien zu verwenden. Die Batterie also auch für den Heimbedarf zu nutzen. Um das zu ermöglichen muss das Batteriespeichersystem in der Hausinstallation auch wissen, wie viel Energie sich noch in der Batterie befindet und bis zu welchem Ladestand (SoC) es Energie anfordern darf.

Ihr löst das Problem auf andere Weise. Wie?

Andreas Linde: Ja, denn die meisten Elektrofahrzeuge verfügen über eine App um zum Beispiel den aktuellen Ladezustand einsehen können. Also haben wir uns angeschaut, wie das die Hersteller gemacht haben und haben das nachgebaut. Sofern das Auto am Ladestandort über Mobilfunkempfang verfügt, rufen wir beim Ladevorgang über diesen Weg den aktuellen Ladestand und andere relevanten Daten wie zum Beispiel die Reichweitenprognose ab. Damit kann der Anwender in EVCC die Ladung so begrenzen wie er es gerne haben möchte und eingeben, bis zu welchem Batteriestand geladen werden soll.

Um solaroptimiertes Laden umzusetzen, müsst Ihr auch den Überschussstrom kennen. Noch besser, EVCC weiß auch, ob gerade der Batteriespeicher geladen wird. Wie geht Ihr da vor?

Andreas Linde: Der beste Weg dazu ist dass wir Zugriff auf einen Zähler haben, der direkt hinter dem Zähler des Messstellenbetreibers hängt. Einige Photovolaik-Installationen bringen dies schon mit, vor allem wenn auch eine Hausbatterie installiert ist, denn dort besteht der gleiche Bedarf. Dann können wir von diesen die Daten abfragen.

Tjarko Tjaden: Zu den gängigen Systemen (SMA, Fronius, Kostal, E3/DC, RCT, Senec, Sonnen, Solarwatt, Varta, Tesla) sind die Schnittstellen implementiert. Darüber hinaus gibt es weitere Schnittstellen (Discovergy, Solarlog, PowerDog und einige mehr) Mit der Information zum Batteriespeicher lässt sich dann in EVCC zum Beispiel berücksichtigen, dass dieser zunächst Vorrang bis zu einem bestimmen Ladezustand hat, bevor anschließend die Wallbox Priorität bekommt. Weiterhin lässt sich auch einstellen, dass die Wallbox den Batteriespeicher nur bis zu einem bestimmten Wert entlädt.

Open Source Lademanager EVCC

Der Electric Vehicle Charge Controller, kurz EVCC, ist eine kostenlose Open-Source-Software mit Bedienung über eine Web-Oberfläche, mit dem sich ein Lademanagementsystem für den Heimbereich umsetzen lässt, das unter anderem auch solaroptimiertes Laden mit einer Reihe von Wallboxen erlaubt. https://evcc.io/

Viele dürften zurückschrecken, EVCC Lösung zu implementieren, da man vermutlich doch basteln muss. Man muss zum Beispiel local einen Computer haben, auf dem man das Programm laufen lässt. Wie geht man da vor?

Andreas Linde: Momentan ist sicher noch etwas Leidensfähigkeit, je nach vorhandenen IT-Kenntnissen, notwendig. Denn der größte Aufwand ist die Einrichtung, und die ist auch sehr stark abhängig von den vorhandenen Geräten. Hat man es einmal installiert und eingerichtet, läuft es in der Regel unauffällig im Hintergrund und man benutzt es einfach nur noch. Üblicherweise wird EVCC heute auf einem vorhandenen NAS System (Netzwerkspeichergerät) oder einem kleinen Mini-Computer wie einem Raspberry Pi installiert. EVCC ist sehr genügsam. Auf unserer Webseite https://evcc.io geht man auf die Download Seite und folgt den Anweisungen der Readme Datei. Dort steht auch ein Forum zur Verfügung wo man sich bei Fragen oder Problemen Rat holen kann. Da heute die Einrichtung der mit Abstand größte Aufwand für den Anwender ist, versuchen wir gerade auch einen Fokus auf diesen Bereich in der Entwicklung zu legen und dies zu vereinfachen.

Seht Ihr das als eine Lösung, die Installateure anbieten können? Oder ist das Risiko zu groß, dass nach einem Update von Komponenten das System plötzlich nicht mehr funktioniert?

Andreas Linde: Perspektivisch ist das sicher eine Möglichkeit. Aber auch hier hängt es stark von den gewählten Geräten ab, ob es in der Zukunft Probleme beim Betrieb geben könnte. Hier könnten die Gerätehersteller (Wechselrichter, Batterie, Wallboxen, Fahrzeuge) uns sicher unterstützen, indem wir dokumentierte Spezifikationen erhalten würden, oder die Entwicklung für ihre Geräte bei uns unterstützen würden. EVCC ist für alle Beteiligten ein Hobby, aber man kann uns auch auf Github sponsern und unterstützen.

Tjarko Tjaden: Wenn es erstmal läuft, sehe ich für die meisten Konfigurationen keine Probleme. Geräte-Updates bei Wechselrichtern oder Batteriespeichern sind ja eher selten und betreffen auch eher selten die Änderung der Kommunikationsschnittstellen.

Muss man Bedenken haben, dass die Software plötzlich nicht mehr gepflegt wird?

Andreas Linde: Dass die Software plötzlich nicht mehr gepflegt wird, sehen wir momentan nicht. Es gibt natürlich immer wieder Phasen, in denen wir weniger Zeit zur Verfügung haben. Das heißt, es wird mal schneller und mal langsamer weiter gehen. Sofern man die Software aber im Betrieb hat, kann es ja sowieso nur noch besser werden. Wir sind überzeugt, dass es bereits heute für viele einen deutlichen Mehrwert bietet.

Wer steht hinter EVCC und was motiviert Euch, Zeit zu investieren? Habt Ihr auch beruflich mit solchen Systemen zu tun?

Andreas Linde: Wir sind im Kern vier Technik Begeisterte mit unterschiedlichen Hintergründen. Keiner von uns arbeitet beruflich im Umfeld von Elektroautos, Wallboxen oder Photovoltaik. Uns treibt alle die Neugierde am Thema, den eigenen Bedarf, und das Wissen, dass nicht nur wir hier nach Lösungen suchen. Wenn auch im Kleinen, möchten wir hiermit unseren Teil an einer erfolgreichen Energiewende beitragen.

Auch mit Wallboxen kann man ein Blackout verursachen, wenn genug Autos dranhängen. Wie steht es mit der IT-Sicherheit?

Tjarko Tjaden: Genau hier ist ja EVCC erstmal im Vorteil, weil es in der Regel ja nicht in der Cloud, sondern im lokalen Netzwerk der Anwender läuft. Daher ist ein flächiger Angriff auf das System sehr unwahrscheinlich.

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