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Bild 1. Was mechanisch passt, erfüllt noch lange nicht die Anforderungen an eine zuverlässige und leistungsfähige Verbindung

Interoperabilität bei Steckverbindern ist eine Kontaktfrage

Bild 2. Kontakte können mit Silber (links) oder gar nicht (rechts) beschichtet werden – dann bildet das Messingmaterial gleichzeitig die Oberfläche

Eine flächendeckende Nutzung der Elektromobilität ist nur denkbar mit einer einheitlichen Ladeinfrastruktur. Genormte Ladesteckverbinder sorgen dabei für den zuverlässigen Ladevorgang. Damit der Ladestecker immer in den „Tankdeckel“ passt, sind einige Punkte zu beachten.

Um die elektrische Energie im Fahrzeug zu speichern, ist das konduktive Laden der am weitesten entwickelte Ansatz. Dabei wird elektrische Energie in Form von Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) mithilfe einer Ladeleitung zwischen der stationären Infrastruktur und dem Fahrzeug übertragen. Am Markt hat sich inzwischen das langsame Laden mit AC sowie Schnellladen mit DC etabliert. Für Europa hat die Europäische Kommission den Typ-2-Stecker als gemeinsamen Ladestecker für das AC- Laden und den hierauf aufbauenden DC Connector Typ 2 für das DC-Laden vorgeschlagen.

Von Konformität und Interoperabilität
Wünschenswert ist, dass ein eingesetzter Steckverbinder mit einem beliebigen Produkt gleicher genormter Bauform zusammen funktioniert und dabei immer die gleiche Leistungsfähigkeit aufweist. In der Industrie wird in diesem Kontext mit den Begriffen Konformität und Interoperabilität gearbeitet. Unter Konformität versteht man die Vereinbarkeit eines Produkts mit einer Beschreibung – etwa die geometrische Beschreibung und die zu absolvierenden Tests (Bild 1). Im Gegensatz hierzu beschreibt der Begriff der Interoperabilität die Fähigkeit verschiedener Produkte zur Zusammenarbeit. Hersteller führen Bauartprüfungen an ihren Produkten durch, damit diese mindestens den Anforderungen der Norm entsprechen. Hierzu wird eine Steckverbindung aus Produkten mit Stift- und Buchsen-Kontakten dieses Herstellers verwendet. Erfolgreiche Tests bewirken, dass die Konformität mit dieser Norm und die Interoperabilität untereinander festgestellt werden. Bei einer Steckverbindung mit Produkten unterschiedlicher Hersteller ist dies dank der geometrischen Spezifikationen in der Norm problemlos möglich – die elektrische Verbindung wird hergestellt.

Erhöhte Übergangswiderstände vermeiden
Jede Bauartnorm ist so gestaltet, dass viele Parameter vom Hersteller frei ausgelegt werden können. Materialien für die Kontakte, Isolierkörper und Gehäuse sind ebenso frei wählbar wie die Beschaffenheit der Kontaktoberflächen (Bild 2). Dies hat zur Folge, dass unterschiedliche Material- oder Oberflächen-Paarungen nicht zwangsläufig die erwartete Leistungsfähigkeit über den gewünschten Zeitraum erbringen. Beispielsweise werden die Andruckkräfte der Buchsenkontakte auf die Oberflächenmaterialien an den zu erreichenden Übergangswiderstand und an die gewünschten Steck- und Ziehkräfte angepasst. Motivation für die verschiedenen Kontaktausführungen sind oft unterschiedliche Annahmen zu den Einsatzbedingungen hinsichtlich Fremdkörper, Schadgase, Steck- und Ziehkräfte – aber auch wirtschaftliche Argumente. Ist die Konstellation mit verschiedenen Produkten auf der Stift- und Buchsenseite nicht stimmig, kann es zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes und damit dem Verlust der Interoperabilität kommen. Verantwortlich hierfür ist oft die Relaxation, also die Verringerung der Federkonstante der Buchsenkontakte, die aus einem elektrisch leitenden und federnden Material aufgebaut sind. Im entlasteten Zustand ist deren innerer Durchmesser geringer als der der Stiftkontakte. Im gesteckten Zustand bewirkt der Stiftkontakt also eine Bewegung der federnden Buchsenlamellen. Daraus resultiert eine Federkraft, die als Normalkraft senkrecht auf den Stiftkontakt wirkt. Die Relaxation führt primär durch höhere Temperaturen zu einer Abnahme der Federkraft bei gestecktem Stiftkontakt. Wird der Steckverbinder nun mit einem höheren Strom belastet, führt dies bei ungeeigneten Kontaktpaarungen zu einer Kontakterwärmung, welche wiederum die Relaxation begünstigt. Nimmt die Normalkraft ab, verringert sich die Berührfläche zwischen Buchsen- und Stiftkontakt, sodass der Übergangswiderstand ansteigt. Dann wird ein sich selbst verstärkender Mechanismus ausgelöst, der schnell zum Ausfall des gesamten Kontaktsystems führen kann.

Kontaktoberflächen aus Edelmetall
Auch die Reibkorrosion, welche durch eine geringe Relativbewegung an den Berührflächen von Stift- und Buchsenkontakt entsteht, kann zu einem erhöhten Übergangswiderstand führen. Die Relativbewegung bewirkt einen Abtrag des Materials an der Oberfläche sowie einen Transport dieser Partikel außerhalb der gasdichten Kontaktzone. Diese Partikel können hier Schadgasen ausgesetzt sein, und die ungeschützte Metalloberfläche der Partikel kann korrodieren. Die oxidierten Partikel sind üblicherweise härter als das Basismaterial, so dass sie wie ein Schleifmittel wirken und den Effekt verstärken. Die Folge ist, dass nun die Kontakte auch außerhalb der gasdichten Berührpunkte beschädigt werden und korrodieren. Daraufhin steigt der Übergangswiderstand zwischen Buchse und Stiftkontakt, was bei höheren Strömen zu einer unzulässigen Erwärmung führen und den Effekt der Relaxation verstärken kann. Um dies zu verhindern, werden die Kontaktoberflächen mit einer nicht korrodierenden Edelmetalloberfläche versehen. Fremde Partikel können so in die relativ weiche Oberfläche des Edelmetalls eingebettet werden, sodass sie wirkungslos sind und keine Angriffsflächen für Korrosion vorhanden sind. Bei höheren Ladeströmen, wie sie beim AC- und DC-Laden auftreten können, ist der Übergangswiderstand an den Kontakten zu betrachten. Hier entstehende Verlustleistungen können zur Erwärmung und im Extremfall auch zum Ausfall der Steckverbindung führen. Am einfachsten ist es, hier nur Produktpaarungen eines Herstellers zu nutzen, da diese von ihm gemeinsam getestet wurden. Damit ist dann neben der Konformität auch die Interoperabilität gegeben. Sollen dennoch Produkte verschiedener Hersteller miteinander kombiniert werden, sollte der Anwender Produkte mit edlen Kontaktoberflächen und hochwertigen Kunststoffmaterialien verwenden. Denn dann hat jede Produktkombination den geringsten Übergangswiderstand, die geringste Kontakterwärmung sowie die höchste Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleißeffekten.

Fazit
Ladesteckverbinder müssen vielfältigen Belastungen standhalten. Die Konformität dieser Produkte mit der Norm garantiert deren Steckbarkeit mit einem Produkt eines anderen Herstellers, sodass die elektrische Kontaktierung erfolgt und dass sicher verriegelt wird. Eine Interoperabilität unter allen Umständen ist hiermit jedoch nicht gegeben. Erst mit qualitativ hochwertigen Steckverbindern kann der Anwender von einer zuverlässigen Funktion ausgehen. Ladesteckverbinder von Phoenix Contact leisten stets mehr als normativ gefordert – und machen den Ladevorgang damit auf lange Sicht bequem und sicher. (no)

Die Lade-Standards sind inzwischen auch international etabliert: Die Übersicht zeigt die Steckgesichter für AC- und DC-Laden – das Symbol CCS steht dabei für das Combined Charging System

Anforderungen an Ladesteckverbinder
Die Norm DIN EN 62196-1 (VDE 0623- 5-1) beschreibt die grundlegenden Anforderungen an die Ladesteckverbinder und die zu bestehenden Tests. In der Norm DIN EN 62196-2 (VDE 0623-5-2) werden Ausführungen für AC-Ladesteckverbinder beschrieben ‒ wie der Typ 2. Die Norm DIN EN 62196-3 (VDE 0623-5-3) befasst sich mit DC-Ladesteckverbindern, dazu zählt der Connector vom Typ 2 des Combined Charging Systems. Phoenix Contact bietet mit der Produktlinie der Ladestecksysteme eine zuverlässige Anschlusstechnik für die Energieversorgung rund um die Elektromobilität. Ladestecksysteme von Phoenix Contact für AC und DC sind sicher, zuverlässig und benutzerfreundlich. Mit den Ausführungen Typ 1, Typ 2 und GB sowie mit dem DC-Connector Typ 1 und Typ 2 des Combined Charging Systems (CCS) steht ein komplettes Ladestecker-Sortiment aus einer Hand für alle gängigen Ladeverfahren zur Verfügung. Die komfortable Handhabung mit ergonomisch geformtem Griff erleichtert die Bedienbarkeit, und dank hochwertiger Materialien und stabiler Bauweise sind die Steckverbinder robust und langlebig. Durch ein mehrstufiges Verriegelungssystem zwischen Ladestecker und Fahrzeug ist der sichere Einsatz kein Problem.

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Autor:
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für Standardisierung bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.
bhorrmeyer@phoenixcontact.de