AnalogEVSE Eine einfache analoge Ladesteuerung nach SAE J1772 Letzte Aktualisierung: 2023-08-31

Bestückte Platine	Platine im Hutschienengehäuse	Fertige Ladebox
Inhalt
1. Überblick 2. Warum noch eine Ladesteuerung? 3. Schaltungszustände & LEDs 4. Ladestromwahl 5. Schaltungsbeschreibung	6. Not-Aus 7. Zugangskontrolle 8. Einschränkungen 9. Hinweise & Modding 10. Bauanleitung	11. Testen 12. Downloads 13. Bestellen 14. Disclaimer

1. Überblick

• 230V Netzspannung
  
• Relais (isoliert) 250V/500mA max. 1x Schließer, 1x Umschalter
  
• Pilotsignal
• Widerstand zum Einstellen des Ladestroms (Impulsbreite)
  
• LEDs
• Idle (weiss/gelb)
  
• EV connected (grün)
  
• Charging (blau)
  
• Error (rot)
  

• Renault ZOE (alle Modelle)
  
• Hyundai IONIQ electro
• Mercedes B-Klasse ED
• BMW i3
• BMW i8
• BMW eDrive
  
• Tesla Model S und X
• Smart ED (altes und neues Modell)
  
• Toyota Prius Plugin
• Kia Soul EV
• VW Passat GTE
• VW Golf GTE
  
• VW E-Up!
• VW E-Golf
• Nissan Leaf
• Audi A3 e-tron
• Opel Ampera-e
  

2. Warum noch eine Ladesteuerung?

3. Schaltungszustände & LEDs

Die folgende Tabelle zeigt, welche LEDs bei welchen Zuständen leuchten.

¹ nur bei verbundenem Fahrzeug
² J1772 schreibt -12V DC vor. Siehe Kapitel Einschränkungen.

4. Ladestromwahl

• das Verhältnis von Widerstand zu Ladestrom ist nicht linear
• die Ladeströme sind Richtwerte, die ich mit dem Oszilloskop errechnet habe. Im wahren Leben können sie durch Bauteiltoleranzen und Umgebungsfaktoren (z.B. Temperatur) leicht abweichen.
  

5. Schaltungsbeschreibung

Netzteil

Das Netzteil ist eine einfache stabilisierte +/-12V Versorgung, aufgebaut mit je einem 78L12/79L12. Der Strombedarf der Schaltung ist so gering, dass eine Halbwellengleichrichtung ausreicht, die Leistungsaufnahme liegt insgesamt bei ca. 1W.

Wichtig: die negative Spannungsversorgung ist nur stabil, wenn sie mit ein paar mA belastet wird, daher darf die on-board Idle LED nicht weggelassen werden.

Rechtecksignal

Ein Quarzoszillator erzeugt über ein RC-Glied ein dreieckartiges Signal, das von einem zweiten Komparator in ein Rechtecksignal umgewandelt wird. Die Referenzspannung dieses zweiten Komparators legt die Impulsbreite fest und kann mit einem externen Widerstand eingestellt werden. Ohne externen Widerstand beträgt der Ladestrom 8A.

Spannungsfenstererkennung

Das Rechtecksignal wird in die positive und die negative Halbwelle gesplittet. Beide werden gleichgerichtet und zu einer glatten Spitzen-Gleichspannung gesiebt. Die negative Spitzenspannung muss jederzeit unter ca. -8V liegen, sonst spricht der Diodentest an und die Schaltung geht in den Fehlerzustand.

Liegt die positive Spitzenspannung unter ca. 10V, hat die Steuerung das Auto erkannt und die grüne "EV connected" LED leuchtet. Liegt sie zwischen ca. 7V und 2V, zieht das Relais und die blaue "EV charging" LED geht an. Bei einer positiven Spannung unter 2V (Kurzschluss) geht die Schaltung in den Fehlerzustand und die rote LED leuchtet. Die verschiedenen Referenzspannungen werden durch eine einfache Kette von Widerständen erzeugt.

Pilotsignal

Das Pilotsignal wird von zwei Komparatoren erzeugt und von einer Transistor-Komplementärstufe niederohmig verstärkt. Ist kein Auto verbunden, liegt es auf +12V DC.

Relaistreiber

Parallel zum Relais liegt ein 47μF Kondensator, der ein Prellen des Relais verhindert. Bei manchen E-Auto Modellen (z.B. Renault ZOE) kann ein prellendes Relais in der Steuerung bei 3-phasiger Ladung zur Zerstörung des Ladegerätes führen.

LED Treiber

6. Not-Aus

7. Zugangskontrolle

• Es wird ein abschließbarer Not-Aus Knopf verwendet, so dass nur mit Schlüssel der Strom eingeschaltet werden kann
• Ein netzspannungsfähiger Schlüsselschalter wird in Reihe zum Not-Aus Knopf geschaltet, so dass die Steuerung nur aktiv ist, wenn der Schlüsselschalter an und Not-Aus nicht gedrückt ist.
  
• Ein Niederspannungsschalter wird ins Pilotsignal eingeschleift. Ist der Schalter offen, sieht die Ladesteuerung das Auto nicht. Somit bleibt die Schaltung inaktiv und das Schütz wird auch nie eingeschaltet.

8. Einschränkungen

• Die Schaltung ist für Ladeströme bis ca. 64A konzipiert. Da ich nur maximal 32A bereitstellen kann, habe ich die Funktion für höhere Ströme bis jetzt nicht verifizieren können.
  
• Fahrzeuge, die eine Lüftung anfordern (Bleibatterien) dürfen mit AnalogEVSE nur im Freien laden, da kein Schaltausgang für einen Lüfter zur Verfügung steht. Dies scheint bei aktuellen Fahrzeugen aber eher ein akademisches Problem zu sein, da diese Art von Akkus praktisch nicht verwendet werden.
  
• Im Fehlerzustand führt das Pilotsignal ein Rechtecksignal, während der J1772 Standard -12V DC vorschreibt. Das Relais ist jedoch bei Fehlern immer offen, d.h. am Fahrzeug liegt keine Spannung an. Obwohl dies dem Standard widerspricht, kann ich darin kein Problem erkennen. Selbst wenn das Auto zu laden versucht, ist es ohne Spannung.
  
• AnalogEVSE wurde zwar schon an einer Reihe von Fahrzeugtypen getestet, eine Garantie für das Zusammenspiel mit mir unbekannten Modellen kann ich aber nicht geben. Trotzdem sehe ich keinen Grund, warum die Steuerung mit anderen Fahrzeugen nicht funktionieren sollte. Ich selbst lade meinen ZOE seit etwa 3 Jahren ausschließlich an AnalogEVSE Steuerungen.
  
• LM339 sind nur für den Temperaturbereich 0 - 70°C spezifiziert. Bei Montage im Außenbereich ist es sinnvoll, stattdessen LM2901 oder LM239 zu verwenden. Diese besitzen einen stark erweiterten Temperaturbereich und werden im Bausatz verwendet.
  

9. Hinweise & Modding

9.1 Lastverteilung

Die Werte von R1 und R2 sind voneinander abhängig und müssen sorgfältig gewählt werden, um unter allen Umständen eine Überlastung des Stromanschlusses zu vermeiden. Um die Werte der Widerstände zu bestimmen, muss zuerst der Strom festgelegt werden, der einem Fahrzeug alleine (Vollast) zur Verfügung gestellt werden soll. Der hierfür erforderliche Codierwiderstand R_ext1 wird aus der Tabelle ermittelt. Dann wird der Codierwiderstand R_ext2 für den halben Strom ermittelt. Nun können die Widerstände berechnet werden:

R1 = R_ext2 / 2

R2 = 1 / (2 / R_ext1 - 1 / R1)

Beispiel:
Ein Fahrzeug alleine soll mit 32A laden können, zwei Fahrzeuge gleichzeitig mit je 16A. Anhand der Tabelle ergeben sich hieraus:

R_ext1 = 10k (Codierwiderstand für 32A)
R_ext2 = 56k

9.3 Weitere Hinweise

• Soll die Ladebox ohne Wahlmöglichkeit auf eine feste Stromstärke eingestellt werden, können der Anschlussblock P6 und der Widerstand R13 weggelassen werden. Stattdessen wird das Poti RV1 eingesetzt, mit dem auf der Platine die Stromstärke stufenlos gewählt werden kann. Der Widerstandswert am Poti kann aus der Parallelschaltung von R13 (56k) und dem Codierwiderstand R_ext anhand der Tabelle berechnet werden.
  
• Soll die Ladebox verschiedene Stromstärken unterstützen, können an R_ext mit einem Drehschalter verschiedene Widerstände geschaltet werden. Alternativ ist die Verwendung eines externen Potis zur stufenlosen Einstellung möglich, wegen der schlechten Feinabstimmung bei großen Stromstärken aber nicht zu empfehlen.
  
• Wird die Ladebox im Freien montiert, muss ein passendes Gehäuse (IP64 oder besser) verwendet werden. Wasser und Strom vertragen sich nicht.
  
• Bei der Verdrahtung sollte darauf geachtet werden, dass die Aderfarben den nationalen oder firmenspezifischen Vorschriften entsprechen.

10. Bauanleitung

10.1 Allgemeine Hinweise

10.2 Sicherheitshinweis

10.3 Werkzeug

• ein feiner Lötkolben und dünnes Lötzinn
• ein Seitenschneider
• evtl. eine kleine Zange zum Zurechtbiegen von Anschlussdrähten
• ein Multimeter
• ein Oszilloskop oder Frequenzzähler, alternativ eine Oszilloskop-App, Instrument oder Stimmgerät

10.4 Vorbereitung

10.5 Zusammenbau

10.5.1 Allgemeine Hinweise

• Bestücken und Test des Netzteils
• Bestücken und Test der Steuerung
• Einbau ins Hutschienengehäuse

10.5.2 Bestücken und Test des Netzteils

• Gibt es Lötzinnbrücken auf der Platine?
• Ist die Sicherung eingesetzt und noch ganz?
• Ist an der Sekundärseite des Trafos eine Wechselspannung messbar?
• Sind die Dioden und die Elkos richtig herum eingesetzt?
• Ist an den Pins der Elkos eine Gleichspannung messbar?
• Sind die Spannungsregler vertauscht?

10.5.3 Bestücken und Inbetriebnahme

• Gibt es Lötzinnbrücken auf der Platine?
• Liegt die Versorgungsspannung an?
• Sind die Dioden an der richtigen Stelle und richtig herum eingesetzt?
• Sind die Transistoren an der richtigen Stelle?
• Sind die ICs richtig herum eingesetzt?

10.5.4 Einbau in das Hutschienengehäuse

Das mitgelieferte Hutschienengehäuse hat an der vorderen und hinteren Aussparung je einen Mittelsteg, der leider beim Anschluss der LEDs bzw. des externen Widerstands im Weg ist. Daher muss dieser Steg mit einem scharfen Messer oder einem Seitenschneider entfernt werden. Mit einer Feile können die Reste dann so abgefeilt werden, dass der Eingriff nicht mehr sichtbar ist.

10.5.5 Stückliste

Alle benötigten Teile sind in der Stückliste zusammengefasst.

11. Testen

Der Fahrzeugsimulator ist eine einfache Schaltung, die das ordnungsgemäße Verhalten des Autos sowie zwei Fehlerzustände simulieren kann. Den Simulator gibt es bei OpenEVSE als Bausatz, aber die Schaltung ist so einfach, dass sie auch leicht frei verdrahtet werden kann.

	SW1	EV verbunden
	SW2	EV Ladeanforderung (wenn SW1 eingeschaltet)
	SW3	CP Kurzschluss
	SW4	Diodenfehler

Wird das Pilotsignal von der AnalogEVSE Platine an den Simulator angeschlossen, zeigen damit die Kontroll-LEDs auf der Platine folgende Zustände an:

12. Downloads

AnalogEVSE wurde mit KiCAD 5.0.1 erstellt und bis auf KiCAD 7.0.6 aktualisiert. KiCAD ist eine freie Software zum Erstellen von Platinen, die für Windows, Linux und Mac OS X verfügbar ist. Die KiCAD Projektdateien waren auf Github erhältlich. Da ich mit den neuen Zugangsregelungen zu Github (2FA) nicht einverstanden bin, werde ich Guthub nicht länger nutzen. Die Projektdateien sind daher ab jetzt hier erhältlich. Diese sind allerdings mit Vorsicht zu genießen, da sie nicht immer unbedingt funktionsfähig sind.

13. Bestellen

Unter der u.g. Email-Adresse können bei mir entweder die Platine alleine oder ein vollständiger Bausatz inclusive Hutschienengehäuse bestellt werden. Versandkosten sind bei Versand innerhalb Deutschlands im Preis eingeschlossen. Bei Bestellung von mehreren Teilen wird natürlich nur einmal Porto fällig. Bitte entnehmen Sie das ungefähre Porto der Tabelle unten und fragen Sie für Ihren speziellen Fall an.

Bei Bestellung eines Bausatzes muss ich die teuren Teile erst besorgen. Die Lieferzeit beträgt daher etwa eine Woche. Platinen habe ich vorrätig und kann sie sofort versenden, solange der Vorrat reicht.

Bitte beachten: wer nur die Platine bestellt, muss alle Bauteile selbst besorgen. Einige Bauteile (z.B. Trafo, Kondensatoren, Klemmen) müssen in die Löcher der Platine passen und dürfen eine bestimmte Größe nicht überschreiten, können also nicht beliebig gewählt werden. Zudem ist die Größe der Platine genau auf dieses spezielle Gehäuse zugeschnitten. Der Bausatz hingegen enthält ein komplettes Paket passender Teile und ein Gehäuse, in das die Platine genau hineinpasst.

		Preis	Deutschland	EU	Weltweit
Platine Professionell gefertigte einseitige Platine mit Lötstoplack und Bestückungsaufdruck		10€	kein Porto	+ 4€ Porto	+ 8€ Porto
Bausatz Alle Komponenten für eine vollständige Ladesteuerung: Platine, Bauteile, Trafo, passendes Hutschienengehäuse Ohne Ladestrom-Kodierwiderstand Rext		50€	kein Porto	+ 4€ Porto	+ 12€ Porto

14. Disclaimer

AnalogEVSE ist Open Source Hardware. Ich habe sie für meine Zwecke entwickelt und obwohl ich mir die größte Mühe gegeben habe, kann ich nicht garantieren, dass das Design fehlerfrei ist. Nachbau und Verwendung erfolgen auf eigenes Risiko.
Die Schaltung und die Dokumentation dürfen ohne Einschränkungen nachgebaut, kopiert und verändert werden, solange das originale Copyright und dieser Disclaimer erhalten bleiben.