ISO 15118

Was ist ISO 15118?

ISO 15118 ist ein internationaler Kommunikationsstandard für Elektrofahrzeuge, den die Internationale Organisation für Normung (ISO) und die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) entwickelt haben, um ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll für Elektrofahrzeuge (E-Autos), Ladepunkte (CPs) und Ladestationsmanagementsysteme (CPMS) zu schaffen. ISO 15118 legt fest, wie diese Geräte Authentifizierungs- und Autorisierungsdaten, Ladeparameter und Abrechnungsinformationen sicher und zuverlässig austauschen.

Was sind die Kernkomponenten von ISO 15118?

ISO 15118 stützt sich auf zwei zentrale Steuergeräte, die die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation steuern:

Kernkomponenten und Anforderungen

• EVCC (Electric Vehicle Communication Controller): Das Steuergerät im Fahrzeug, das die Kommunikation übernimmt.
• SECC (Supply Equipment Communication Controller): Das Steuergerät in der Ladestation, das die Kommunikation übernimmt.
• Protokoll: Nutzt IP-basierte Kommunikation über das Ladekabel oder drahtlos.
• Versionen: Wurde im Lauf der Zeit aktualisiert, wichtige Versionen sind -2 (2014) und -20.

Wie funktioniert ISO 15118? 

ISO 15118 definiert die Kommunikationsschnittstelle zwischen einem Elektrofahrzeug und einer Ladestation. Der Standard ersetzt einfache analoge Signale durch eine IP-basierte Verbindung, die einen verschlüsselten, bidirektionalen Datenaustausch zwischen beiden Endpunkten ermöglicht.

Wird ein Fahrzeug an eine kompatible Ladestation angeschlossen, startet das Protokoll eine strukturierte Sitzung: Das Fahrzeug liefert Fahrzeug- und Zahlungsautorisierungsdaten, die Ladestation fordert sie an und prüft sie, bevor der Ladevorgang beginnt. Anschließend stimmen beide Seiten die Ladeparameter auf Basis des Batteriezustands und der Netzbedingungen ab, und die Energieübertragung beginnt. Die gesamte Kommunikation ist per TLS verschlüsselt, sodass Abrechnungsdaten und Nutzerinformationen durchgehend geschützt bleiben.

Welche Anwendungsfälle und Funktionen bietet ISO 15118?

Wird ein Elektrofahrzeug an eine kompatible Ladestation angeschlossen, öffnen beide Geräte eine verschlüsselte Kommunikationssitzung. Das Fahrzeug übermittelt seine Identität und seinen Ladebedarf, die Ladestation prüft diese über das Backend-System und vereinbart nach erfolgreicher Autorisierung einen Ladeplan. Dieser Austausch ist die Grundlage für alles, von der reibungslosen Authentifizierung bis zur Interaktion mit dem Stromnetz in Echtzeit.

Kernfunktionen:

• Authentifizierung und Autorisierung: Ermöglicht die sichere Identifizierung von Fahrer und Fahrzeug, bevor ein Ladevorgang beginnt.
• Plug & Charge: Ermöglicht es, ein Auto beim Anschließen automatisch zu identifizieren, zu autorisieren und zu laden, mithilfe digitaler Zertifikate, die über eine Public-Key-Infrastruktur verwaltet werden.
• Smart Charging: Optimiert Ladegeschwindigkeit und Ladezeitpunkt anhand von Stromtarifen, Netzlast und der geplanten Abfahrtszeit des Fahrers.
• Vehicle-to-Grid (V2G): Unterstützt einen bidirektionalen Energiefluss, sodass Fahrzeuge Strom aus dem Netz beziehen und auch wieder ins Netz einspeisen können.

Anwendungsfälle

Authentifizierung, Autorisierung und Plug & Charge

Ladepunkte (CPs) mit ISO 15118 ermöglichen es Ladestationsbetreibern (CPO), EV-Fahrern ein reibungsloseres und sichereres Ladeerlebnis zu bieten. Das Protokoll schafft dafür eine zuverlässige Kommunikationsumgebung zwischen Fahrzeug, Ladepunkt und dem Ladestationsmanagementsystem (CPMS), einer zentralen Backend-Software zur Verwaltung von Ladestationen und Ladenetzwerken.

Im typischen Szenario können EV-Fahrer den Ladevorgang erst starten, nachdem sie sich und ihr Auto authentifiziert haben. Nach der Authentifizierung per App, RFID-Karte oder einer anderen Methode erlaubt oder verweigert das Backend-System das Laden anhand festgelegter Kriterien. 

Durch diesen Datenaustausch weiß das CPMS, welcher Fahrer welches Auto lädt, ob der Fahrer diese Ladestation nutzen darf und wer die Rechnung für den Ladevorgang erhält. Authentifizierung und Autorisierung dauern zwar nur Sekunden, doch dass Fahrer sich physisch authentifizieren müssen, ist ein zusätzlicher Aufwand.

ISO 15118 vereinfacht diesen Prozess mit der Plug & Charge-Funktion. Wie der Name sagt, stecken EV-Fahrer mit Plug & Charge einfach am Ladepunkt ein, und Autorisierung und Authentifizierung laufen automatisch ab. Das funktioniert, weil das Fahrzeug nach der Ersteinrichtung Informationen über den Fahrer speichert und diese automatisch an den Ladepunkt übermittelt, sodass das Laden sofort beginnen kann. 

Vereinfacht gesagt verwaltet eine Public-Key-Infrastruktur den Informationsaustausch. Dieses sichere System zur Verwaltung öffentlicher Schlüssel nutzt Hardware, Software und Verfahren, um sensible Daten zu erfassen, zu speichern und zu verwalten.

Smart Charging

ISO 15118 ermöglicht Smart Charging durch eine bidirektionale Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt, mit der Ladegeschwindigkeiten und Ladepläne festgelegt werden. Das Fahrzeug sendet Daten dazu, wie viel Strom es bis zu welchem Zeitpunkt benötigt. Der Ladepunkt berechnet dann, wie viel Energie er liefern muss, um die geforderte Zeit und den Ladezustand (SOC) effizient zu erreichen, und optimiert dabei nach Faktoren wie Stromtarifen und Netzlast.

Vehicle-to-Grid (V2G)

ISO 15118 ermöglicht auch Vehicle-to-Grid (V2G), also den bidirektionalen Energieaustausch zwischen dem Stromnetz und kompatiblen Elektrofahrzeugen. Normalerweise fließt Strom nur in eine Richtung: vom Netz über die Ladestation ins Fahrzeug. V2G kehrt diesen Fluss um, sodass Fahrzeuge die in ihren Batterien gespeicherte Energie an die Ladestation und das Netz zurückgeben können.

Diese Fähigkeit hilft dem Netz, Zeiten hoher Nachfrage zu bewältigen, ohne Spitzenlastkraftwerke wie Kohlekraftwerke zuzuschalten, und ermöglicht es Fahrzeugbatterien, als dezentraler Speicher für überschüssige erneuerbare Energie zu dienen. ISO 15118-20 hat die formale V2G-Unterstützung über Bidirectional Power Transfer (BPT) eingeführt, verfügbar für AC- und DC-Laden.

Eine V2G-Sitzung startet in vier Schritten:

Schritt 1: Verfügbare Ladedienste prüfen

Das Fahrzeug sendet eine ServiceDiscovery-Anfrage an die Ladestation, um zu erfahren, welche Ladedienste sie anbietet: AC, DC, kabellose Energieübertragung (WPT) oder automatische Verbindungsvorrichtung (ACD). Ist BPT verfügbar, kann das Fahrzeug es auswählen, um während der Sitzung sowohl zu laden als auch zu entladen.

Schritt 2: Ladegrenzen gegenseitig austauschen 

Fahrzeug und Ladestation tauschen über ein ChargeParameterDiscovery-Nachrichtenpaar ihre technischen Grenzen für den bidirektionalen Energiefluss aus. Das Fahrzeug übermittelt seine minimalen und maximalen Leistungs- und Stromgrenzen für Laden und Entladen sowie seinen Zielenergiebedarf, die maximale Energie für eine Vollladung und die minimale Energie, die es sofort benötigt. Die Ladestation antwortet mit ihrem verfügbaren Strom, ihrer Nennspannung und der Netzfrequenz. Dieser gegenseitige Austausch stellt sicher, dass beide Seiten innerhalb sicherer und kompatibler Parameter arbeiten.

Schritt 3: Leistungsprofil berechnen und an die Ladestation senden

Mit den ausgetauschten Grenzwerten berechnet das Fahrzeug ein Leistungsprofil: eine geordnete Folge von Zeit- und Leistungswerten, die zusammen eine Kurve für das geplante Laden und Entladen über die Zeit bilden. Positive Werte stehen für Ladezeiträume, negative für Entladezeiträume. So kann die Ladestation im Voraus planen, wie viel Leistung sie zu jedem Zeitpunkt der Sitzung liefern oder aufnehmen muss.

Schritt 4: Den Ladevorgang in der Ladeschleife steuern

Sobald der Energiefluss beginnt, tauschen Fahrzeug und Ladestation fortlaufend bidirektionale Steuernachrichten aus. Das Fahrzeug meldet seine aktuelle Wirk- und Blindleistung, die Ladestation gibt Sollwerte für Zielfrequenz, Wirkleistung und Blindleistung vor. Durch diese laufende Kommunikation kann die Ladestation in Echtzeit auf Netzbedingungen reagieren und bei Bedarf Systemdienstleistungen vom Fahrzeug anfordern, sodass sich das Fahrzeug während der gesamten Sitzung als netzdienliche dezentrale Energieressource verhält.

Datensicherheit

Datensicherheit ist beim EV-Laden ein zentrales Thema. Der Datenaustausch im EV-Ökosystem wird durch kryptografische Schichten geschützt, die auf Hardware- und Softwarelösungen aufsetzen. ISO 15118 hat dagegen integrierte Sicherheitsmaßnahmen, sodass bei diesem Protokoll keine zusätzliche Ad-hoc-Datensicherung nötig ist. Der Standard schützt Daten auf mehreren Ebenen: durch Authentifizierung, Autorisierung und Datenverschlüsselung.

Warum ist ISO 15118 für die E-Mobilität wichtig?

ISO 15118 gehört zu den wichtigen Standards für die weitere Entwicklung der Branche für das Laden von Elektrofahrzeugen (EV-Laden). Dieses Kommunikationsprotokoll ist ein sicheres, zuverlässiges und international anerkanntes Instrument, das mit vielen Hardware- und Softwarelösungen für Elektrofahrzeuge sowie mit verschiedenen Ladegeschwindigkeiten kompatibel ist. Hinzu kommt die Rolle, die das Protokoll spielen wird, wenn sich Technologien zur Netzstabilisierung weiter verbreiten.

Praxisbeispiele für ISO 15118

Hier einige Praxisbeispiele für den Einsatz von ISO 15118:

• Ein Elektrofahrzeug kommt an einer öffentlichen Ladestation an. Fahrzeug und Ladestation kommunizieren über ISO 15118. Das Fahrzeug sendet der Ladestation seinen SOC, also den verbleibenden Ladestand der Batterie in Prozent. 

Die Ladestation kommuniziert außerdem mit einem Backend-System, das die Ladeinfrastruktur verwaltet. Das Backend-System berücksichtigt die aktuelle Netzlast und legt die optimale Ladeleistung für das Fahrzeug fest.

Auf dieser Grundlage vereinbaren Ladestation und Fahrzeug einen Ladeplan. Die Ladestation kann sofort mit dem Laden beginnen oder es verschieben, bis das Netz weniger ausgelastet ist. Fahrzeug und Ladestation kommunizieren während des gesamten Ladevorgangs weiter. So können sie die Ladeleistung bei Bedarf anpassen, etwa wenn sich die Netzlast ändert oder der SOC des Fahrzeugs einen bestimmten Wert erreicht.

• Führen wir das Beispiel fort und sehen uns an, was mit Plug & Charge passiert. Das Fahrzeug wird an die Ladestation angeschlossen. 

Fahrzeug und Ladestation kommunizieren über ISO 15118. Das Fahrzeug sendet der Ladestation seine Identitätsdaten zur Autorisierung. Die Ladestation prüft die Identität des Fahrzeugs und gibt das Laden frei. Sie startet den Ladevorgang ohne jede Nutzerinteraktion. 

Damit dieser Prozess funktioniert, muss der EV-Fahrer einmalig eine Ersteinrichtung durchlaufen und seine persönlichen Daten und Abrechnungsdaten hinterlegen. Diese Informationen werden dann für jeden Ladevorgang mit Plug & Charge verwendet.

• Bei V2G können Energieversorger ihre Stromtarife verbessern, indem sie in Zeiten hoher Nachfrage die Batteriekapazität von Elektrofahrzeugen nutzen, statt auf zusätzliche Energiequellen zurückzugreifen. In manchen Fällen zahlen Energieversorger Nutzern sogar Geld für die Teilnahme an V2G-Ereignissen, zum Beispiel wenn EV-Fahrer bei Spitzenlast Strom ins Netz einspeisen oder ihre Fahrzeuge bei geringer Nachfrage laden.

Weitere Informationen zu ISO 15118

• ISO 15118 wird von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) und der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) entwickelt. Das Protokoll stützt sich damit auf die Expertise zweier der weltweit führenden Normungsorganisationen.
• Wegen der Skalierbarkeit und des hohen Zukunftspotenzials sind Anbieter von Software und Hardware für Elektrofahrzeuge daran interessiert, ihre Lösungen ISO-15118-konform zu machen.
• Die neueste Version ist ISO 15118-20. Sie bringt mehrere Verbesserungen, etwa V2G-Unterstützung, höhere Sicherheit und bessere Interoperabilität.