Wie Smart East der Netzunterstützung von Elektroautos auf die Spur kommt

Wie die Netzunterstützung durch Elektroautos analysiert wird

Elektroautos sollen unser Stromnetz stabilisieren

Wenn es um die Energieversorgung von morgen geht, rücken Versorgungssicherheit und damit auch Systemstabilität, Resilienz und Adaptivität immer stärker in den Mittelpunkt. Für urbane Energiesysteme bedeutet das, dass Gebäude nicht nur Energie verbrauchen, sondern das Energiesystem aktiv mittragen. Im Reallabor Smart East in Karlsruhe wird im Rahmen des EU-Projekts WeForming untersucht, wie Elektromobilität unterstützend wirken kann. Ein aktueller Meilenstein ist die Installation von vier bidirektionalen Entratek Power Dot Fix BIDI-Ladestationen mit einer Ladeleistung von bis zu 22 kW. Bidirektional bedeutet, dass sie künftig nicht nur Elektroautos flexibel laden, sondern auch Strom in Gebäude oder ins Netz zurückspeisen können. Die Ladestationen unterstützen das lokale Stromsystem, indem sie ihre Ladeleistung flexibel anpassen und so auf Abweichungen zwischen Stromerzeugung und -verbrauch reagieren können. Zusätzlich kann bei Bedarf Energie aus Elektroautos wieder bereitgestellt werden, um Lastspitzen abzufedern und die Stabilität des Netzes vor Ort zu verbessern.

Technologie & Standardisierung

Grundlage dafür ist die standardisierte Kommunikation nach ISO 15118 20, die die bidirektionale Energieübertragung zwischen Fahrzeug und Ladeeinrichtung definiert und damit die technische Voraussetzung schafft, Strom nicht nur zu laden, sondern bei Bedarf auch wieder bereitzustellen. Der Standard regelt den digitalen Austausch zwischen Fahrzeug und Wallbox, etwa zur Steuerung von Lade- und Entladevorgängen sowie zur Übermittlung energierelevanter Informationen, und schafft damit eine wichtige Basis für die sichere und interoperable Einbindung von Elektroautos in intelligente Energiesysteme.

Wie untersucht das KIT die Funktionsweise der Ladestationen?

Bei der Inbetriebnahme der bidirektionalen Ladestationen zeigte sich schnell, dass es um mehr geht als nur um eine softwareseitig eingestellte Ladeleistung. Entscheidend ist, ob und wie Fahrzeuge diese Vorgaben tatsächlich umsetzen. Gerade bei der Erfassung schneller Änderungen stoßen marktübliche Ladestationen an ihre Grenzen, weil sie für den Alltagsbetrieb und nicht für hochaufgelöste Untersuchungen entwickelt wurden. Dem gegenüber ist es gerade bei ersten Tests und unerwarteten Messwerten essenziell, genau zu klären, ob die Ursache in der Ansteuerung, in der Konfiguration der Ladestation oder im Fahrzeug selbst liegt. Als Antwort auf diese Herausforderung wurde am KIT das EVMS (Electric Vehicle Measurement System) entwickelt. Es macht erstmals präzise sichtbar, was zwischen Sollvorgabe und tatsächlicher Fahrzeugreaktion beim Laden wirklich passiert.

Das EVMS erfasst sowohl die vom Ladepunkt vorgegebene Stromvorgabe als auch das tatsächliche elektrische Verhalten des Fahrzeugs. Aufgezeichnet werden Strom, Spannung, Wirk- und Blindleistung mit hoher zeitlicher Auflösung, sodass sowohl länger bestehende Betriebszustände als auch schnelle Übergangsvorgänge während des Ladevorgangs analysiert werden können. Dadurch lassen sich Soll-Ist-Abweichungen, Reaktionszeiten sowie die dynamischen Ladecharakteristika der Fahrzeuge präzise untersuchen.

Für die technisch tiefer Interessierten: Das EVMS zeichnet sowohl berechnete Effektivwerte wie Strom, Spannung, Wirk- und Blindleistung sowie den PWM-Duty-Cycle mit 50 Hz beziehungsweise 20 ms Zeitauflösung auf, als auch rohe Spannungs- und Stromverläufe aller drei Phasen mit bis zu 20 kHz, wodurch sowohl stationäre als auch schnelle transiente Vorgänge erfasst werden können.

Wie arbeiten die BiDi-Ladestationen in der Praxis?

Das erste Messprotokoll in der Abbildung auf der rechten Seite zeigt beispielhaft einen Messausschnitt aus der Inbetriebnahme der Entratek-Stationen an der Raumfabrik am 24.03.2026. Zu sehen ist ein dreiphasiger Ladevorgang mit einem Sollwertsprung von etwa 9 A auf 16 A. Dargestellt sind die drei Phasenströme des Fahrzeugs sowie der von der Ladestation vorgegebene Strom, der über das Kommunikationssignal im Ladekabel übertragen wird und vom EVMS ebenfalls erfasst wird. Diese Messung bestätigt, dass das Auto die Änderung der Sollwertvorgabe korrekt erhalten, unmittelbar darauf reagiert und innerhalb einer Sekunde umgesetzt hat.

Ein Beispiel für eine von uns identifizierte Soll-Ist-Wert-Abweichung ist in der zweiten Messgrafik dargestellt. Zum Kontext: Das Ziel der Sollwertvorgabe in diesem Beispiel war die dynamische Reaktion auf ein Ungleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch, also die Bereitstellung von Primärregelleistung (der Sollwert ist im unteren Teil der Grafik zu sehen). Dafür wird die Vorgabe alle paar Sekunden in Schritten von 0,1 A angepasst. Die besondere Beobachtung ist, dass die gemessene Umsetzung des Fahrzeugs um 1 A springt (im oberen Teil der Grafik zu sehen). Auch zu sehen ist, dass das Fahrzeug eine kaufmännische Rundung umsetzt. Im Beispiel ist eine Rundung der Werte im Bereich von 10 A bis 11 A zu sehen. Mit der relevanten Schwelle von 10,5 A: Über 10,5 A rundet es auf 11 A, darunter auf 10 A. Bei diesem Fahrzeug kann der Sollwert also nur in ganzen 1-A-Schritten vorgegeben werden. Das ist eine besondere Charakteristik. Andere von uns vermessene Fahrzeuge setzen die Vorgaben auch mit feineren Zwischenstufen um.

Die bisherigen Untersuchungen verdeutlichen, dass sich mit dem am KIT entwickelten EVMS reale Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen deutlich präziser analysieren lassen, als es mit marktüblichen Systemen allein möglich wäre. Im Rahmen der Inbetriebnahme der neuen bidirektionalen Entratek-Ladestationen konnte damit nicht nur die technische Funktion der gesamten Prozesskette überprüft, sondern auch sichtbar gemacht werden, wie Sollvorgaben tatsächlich im Fahrzeug ankommen und umgesetzt werden. Dadurch lassen sich Abweichungen und Reaktionszeiten eindeutig erfassen und Ursachen gezielter zuordnen, etwa ob sie im Fahrzeug selbst oder in vorgelagerten Systemen liegen. Zugleich entsteht so eine wertvolle Datengrundlage, um das Verhalten verschiedener Fahrzeuge besser zu verstehen und zukünftige netzdienliche Betriebsstrategien robuster zu entwickeln.

Weiterführende Informationen dazu, welche Forschungen mit dem EVMS und hochaufgelösten Daten möglich sind, bietet unser Preprint, der sich aktuell im Veröffentlichungsprozess befindet.