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16 Januar 2013

SAE J1772 bzw IEC61851 Signale auswerten

So, jetzt wirds langsam ernst! Im Rahmen eines Charger-Projekts gilt es,
Steuersignale zu generieren und auszuwerten wie sie auch im Falle von SAE J1772
und IEC 61851 benutzt werden. In diesem ganz besonderen Fall ist es gar nicht das Ziel,
später zu 100% kompatibel mit diesen Normen zu sein, aber wenn man schon so was ähnliches baut,
dann sollte man es so machen, dass man es später auch noch entsprechend anpassen kann.

Diese Signale hat sich jemand sehr schlau ausgedacht und es ist so herrlich analog in seiner
Grundstruktur.Es hat was geniales in seiner Einfachheit, auch wenn es letztendlich nicht
ausreicht umfassende Steuerfunktionen zu übernehmen wie sie mittlerweile benötigt werden
Ich glaube nicht, dass das heute auch noch so festgelegt werden würde,
sondern inzwischen irgendwas in der Art von CAN oder gleich was Drahtloses genommen
würde, so wie das auch schon bei den diversen Erweiterungen dieser Systeme geschehen ist.
Ich will mich hier aber auf die Steuer-Signale beschränken, da gibt es schon genug zu erzählen.

Wer das alles noch ausführlicher lesen will kann hier nachschauen:
http://de.wikipedia.org/wiki/SAE_J1772#Signalisierung
http://de.wikipedia.org/wiki/IEC_62196
....... oder einfach mal SAE J1772  oder  IEC 62196 in einer Suchmaschine eingeben.

grundsätzlich ist der SAE J1772 Stecker in den USA verbreitet und für einphasigen
bzw den in den USA weit verbreiteten 2-phasigen 110/220V Wechselstrom ausgelegt,
während der Stecker nach IEC 62196 Stecker ( bekannt als "Mennekes Stecker")
in Deutschland und Europa üblich ist und für 220/380V Drehstrom ausgelegt ist.
Die Steuersignale sind aber elektrisch die Gleichen, so dass die beiden Systeme zumindest
per Steckeradapter für einen einphasigen Betrieb miteinander kompatibel sind.

Zunächst mal der "Standardfall" die Fahrzeugerkennung am Pilotkontakt CP

Kernstück dieses Steuersignals ist ein Rechtecksignal mit 1kHz und einer Amplitude von
+ und - 12V gegenüber GND, das in der stationären Ladestation generiert wird
Das 1kHz-Signal geht über einen Vorwiderstand von 1kOhm zum Ladestecker.
In der Ladestation wird nun ausgewertet, wie hoch die maximale Spannung der positiven und
negativen Halbwelle ist. (getrennt voneinander)

Wenn nichts angeschlossen ist, ist die Amplitude natürlich jeweils 12V
(oder einfach nur +12V wenn der Rechteckgenerator abgestellt wird. Mehr dazu später)

Fahrzeugseitig befinden sich eine Diode und ein Widerstand von 2,74kOhm (offizieller Wert)
sowie ein weiterer Widerstand von 1,3kOhm der per Relais dem 2,74kOhm-Widerstand
parallelgeschaltet werden kann. (hier gäbe es noch einen Sonderfall wo 270Ohm anstelle des
1,3kOhm Widerstandes parallelgeschaltet werden, aber das erkläre ich ebenfalls später.

Wenn nun das Fahrzeug angesteckt wird, dann belastet der Widerstand von 2,7kOhm
das Signal von 12V an 1kOhm so dass es auf +9V absinkt. Spätestens jetzt
wird der Rechteckgenerator gestartet und es liegt dann ein Rechtecksignal von
+9V und-12V auf der Leitung. -12Vdeshalb, weil durch die Diode nur die positive
Halbwelle belastet wird. Dies hat in erster Linie den Zweck unterscheiden zu können
ob tatsächlich ein Elektrofahrzeug angeschlossen ist oder nur eine ohmsche Last
(z.B. ein Kind mit Schraubendreher bzw ein defektes Gerät oder sonst was).

Aus dem Signal erkennt die Ladestation, dass ein Auto angesteckt wurde,
und das Auto erkennt daraan, dass eine Ladestation angesteckt ist.
Zu diesem Zeitpunkt gehen beide Seiten in Bereitschaft, alle Sicherheitssyseme und dergleichen
können jetzt die Arbeit aufnehmen und alles checken. Erst dann wird im Fahrzeug
ein Relais angesteuert, das  den 1,3kOhm Widerstand dazuschaltet. (macht ca.880 Ohm)
Nun bricht die Positive Spannung ein auf 6V und die Ladestation erkennt, dass das Fahrzeug
bereit ist und schaltet den Ausgang ein. Der zuvor erwähnte Sonderfall mit 270 Ohm
lässt die Spannung auf 3V zusammenbrechen. Das Signalisiert, dass eine Zwangsbelüftung
eingeschaltet werden muss. (nur bei gasenden Akkus, kaum noch gebräuchlich)

Dies ist das einfache Verfahren an Standard-Ladestationen. Eine Art Grundfunktion.
Damit kann man mit max 16A laden bei 120 oder 220V je nach Land und Stromnetz
Hier gilt gewissermaßen die gleiche Begrenzung wie bei normalen Haushaltssteckdosen
Wenn der Ladevorgang beendet ist, dann öffnet das Relais im Auto wieder und die
Ladestation schaltet ab.

Was ich aber hier noch nicht erwähnt habe ist das Puls-Pausenverhältnis der
Rechteckspannung.
Damit signalisiert die Ladestation dem Ladegerät, wieviel Strom maximal entnommen
werden darf.
Je 10% PWM sind das 6A, so dass ein Puls-Pausenverhältnis von je 50%
eine maximale Stromstärke von 30A bedeutet und 80% entsprechend 48A signalisieren.
So kann auch ein wesentlich leistungsfähigeres Ladegerät an einem 16A-Anschluss
betrieben werden ohne dass es zu Problemen kommt und im einfachsten Fall die
Sicherung durchbrennt.
Ein Sonderfall ist ein Verhältnis von 90%PWM. Damit signalisiert die Ladestation,
dass sie für DC-Hochstrom-Laden eingerichtet ist, und dann gelten völlig andere
Regeln und Signale als hier erklärt werden sollen

Damit sind alle Möglichkeiten ausgeschöpft möchte man meinen, aber da gibts noch etwas:
Den "Proximity-Kontakt" Das war ursprünglich nur ein vorauseilender Kontakt zur
Erkennung dass ein Stecker angesteckt wurde. mittlerweile wird aber auch der
Widerstandswert dieser Verbindung zur Masse des angeschlossenen Fahrzeugs
ausgewertet, weil damit das Fahrzeug bzw das Anschlusskabel die maximal zulässige
Stromstärke an die Ladestation melden können. Das ist z.B. bei Verlängerungskabeln
eine äusserst wichtige Funktion, weil die anderen Signale darauf nicht reagieren.
Soweit zu den Signalen...... weiter gehts mit der Hardware!




Kommentare:

  1. Noch mal sehr gut erklärt. Danke.
    Sag mal ich habe da noch mal einen elektronik Einsteiger Frage.
    Das Symbol auf einer Diode beschreibt die technische Flussrichtung. In Wirklichkeit sperrt sie den Elektronenfluss aber genau andersrum...??
    Ahoi
    Mathieu

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  2. Das hat einen ganz einfachen Grund.......
    als man die Flußrichtung des Stroms festlegte
    hat man das ziemlich willkürlich entschieden,
    weil die Elektronen als solche damals
    noch überhaupt nicht entdeckt waren.

    (und wie Murphy schon gesagt haben könnte ist
    die Wahrscheinlichkeit bei zwei Möglichkeiten
    die falsche zu wählen bei etwa 75%)

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