AnalogEVSE

Eine einfache analoge Ladesteuerung nach SAE J1772

Letzte Aktualisierung: 2019-01-01
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AnalogEVSE PCB
AnalogEVSE
                  case Charge box
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

AnalogEVSE ist eine einfache Ladesteuerung für Elektrofahrzeuge nach SAE J1772. Der Ladestrom kann von 8A bis ca. 62A mit einem Widerstand oder einer Steuerspannung eingestellt werden.

Die gesamte Schaltung (Netzteil und Pilotsignal-Management) ist auf einer einzigen Platine von ca. 10.2 cm x 8.4 cm untergebracht, die genau in das abgebildete Hutschienengehäuse passt. Das Platinenmaß kann ohne Probleme auf 10 cm x 8 cm verringert werden, so dass aus einer Europakarte genau zwei Platinen hergestellt werden können. Die Steuerung erzeugt das Pilotsignal, misst die Signalpegel und bedient das Relais, das das Schütz schaltet.

Ich habe Wert auf die Verwendung von gängigen Allerweltskomponenten gelegt. Verwendet werden 2 LM2901 oder LM239 4-fach Komparatoren (LM339 mit erweitertem Temperaturbereich), ein paar Transistoren und eine handvoll Dioden. Alles ist analog und es gibt keine Firmware. Bei den Transistoren können praktisch alle Typen der richtigen Sorte (NPN/PNP) verwendet werden. Die Kosten für alle Bauteile der einbaufertigen Steuerung sollten im Bereich von 50€ liegen. Die Platine ist einseitig mit ausreichend breiten Leiterbahnen und kann auch von Hobbybastlern produziert werden.

Die Platine hat folgende Anschlüsse:
Die meisten anderen mir bekannten analogen Ladesteuerung erzeugen nur die positive Halbwelle des Pilotsignals. Da viele Autos die negative Halbwelle nicht auswerten, funktioniert dieses Verfahren bei diesen Fahrzeugen, obwohl es nicht dem J1772 Standard entspricht. Der negative Teil des Pilotsignals wird allerdings für den Diodentest benötigt, der das wichtigste Sicherheitsfeature des Standards darstellt. AnalogEVSE erzeugt ein standardkonformes -12V/+12V Pilotsignal und unterstützt den Diodentest. Regenwasser, Schlamm oder Kinderfinger können somit den Ladestrom nicht einschalten. Solange kein Fahrzeug angeschlossen ist, liegt das Pilotsignal auf 12V DC.

Das Schütz wird
auch eingeschaltet, wenn das Fahrzeug anzeigt, dass es Lüftung benötigt ("ventilation required"). Einen zusätzlichen Ausgang zum Schalten eines Lüfters gibt es nicht, daher darf die Schaltung bei Fahrzeugen mit Bleibatterien nur im Freien verwendet werden.

Der Ladevorgang beginnt automatisch, wenn der Stecker am Auto eingesteckt ist. Es gibt keinen extra Knopf zum Starten der Ladung.

2. Warum noch eine Ladesteuerung?

Drei Dinge haben mich motiviert: Neugier, Kosten und Einfachheit. Kommerzielle Ladesteuerungen (z.B. Phoenix Contact, Wago..) sind relativ teuer und bieten einen Funktionsumfang, den ich nicht brauche. Ich schalte die Stromstärke selten um und würde dies am liebsten mit einem einfachen Drehschalter tun, anstatt mich durch ein Menü zu tasten. Außerdem möchte ich eine einfache Statusanzeige, bei der ich mit einem Blick den Zustand sehen kann und nicht erst das Display lesen muss. Dinge wie Echtzeituhr, Netzwerkanschluss, Ladestatistiken, WLAN oder komplexe Zungangskontrollfeatures brauche ich nicht.

OpenEVSE funktioniert zwar prinzipiell gut (ich habe zwei Ladeboxen basierend auf OpenEVSE), aber eigentlich passen die Hard- und Firmware nicht optimal nach Deutschland. Service Detection (l1/l2) macht bei 3-phasigem Wechselstrom keinen Sinn und die Erdungsprüfung wird damit hinfällig. Die Fehlerstromerkennung innerhalb des Gerätes ist in weiten Teilen Europas sogar unzulässig. Da ich nur ein fest angebrachtes Typ 2 Ladekabel verwende, brauche ich auch die Proximity-Schaltung nicht. Wenn man alle diese Extrafunktionen abzieht, ist das was von OpenEVSE übrig bleibt eigentlich zu kompliziert und zu teuer. Und zu guter letzt hängen sich bei mir beide Ladeboxen sporadisch auf und brauchen einen Aus-An Reset. Den Grund für dieses Verhalten habe ich bis jetzt nicht verstanden, aber andere scheinen diesen Effekt ebenfalls zu beobachten. Vielleicht hängt es mit Strom- oder Spannungsspitzen zusammen, die beim Ein- und Ausschalten des Schützes entstehen.

Also habe ich den SAE J1772 Standard mal genauer untersucht. Eine einfache Ladesteuerung ist mit einer analogen Schaltung ohne großen Aufwand zu realisieren. Es gibt ein paar analoge Ladesteuerungen im Internet aber sie sind entweder zu minimalistisch/unsicher (BareEVSE), ignorieren Teile des Standards (kein Diodentest) oder veröffentlichen keinen Schaltplan. Aus diesem Grund habe ich beschlossen, eine einfache analoge Ladesteuerung zu entwerfen, die bestmöglich dem J1772 Standard entspricht, ein +/-12V Pilotsignal liefert und den Diodentest als wichtigstes Sicherheitsfeature unterstützt.

3. Schaltungszustände & LEDs

Die folgende Tabelle zeigt, welche LEDs bei welchen Zuständen leuchten. Hierbei ist zu beachten, dass sich das Verhalten der LEDs auf der Platine von den externen LEDs unterscheidet. Da diese LEDs nur beim Testen helfen sollen, wurden sie nicht miteinander gekoppelt, um die Schaltung zu vereinfachen. Bei einigen Zuständen leuchten daher mehrere LEDs, während bei den externen LEDs immer nur eine leuchtet.


Externe
LED grün
Connected
Externe
LED blau
Charging
Externe
LED rot
Error
Onboard
LED gelb
Connected
Onboard
LED grün
Charging
Onboard
LED rot
Error
Pilotsignal
Relais
Kein Fahrzeug
aus
aus
aus
aus aus
an +12V
aus
Fahrzeug angeschlossen
an
an
aus
1 kHz
Rechteck
Fahrzeug lädt
aus an
an
an
Fahrzeug verlangt Lüftung
Pilotsignal Kurzschluss
aus
an
aus
an
1 kHz
Rechteck3
aus
Diodentest Fehler
an1
aus2

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

Hinweis: statt einzelner externer LEDs kann auch eine RGB LED mit gemeinsamer Anode verwendet werden.

4. Ladestromwahl

Der Ladestrom kann mit einem externen Widerstand anhand der folgenden Tabelle eingestellt werden. Zwischenwerte oder ein Potentiometer für stufenlose Einstellung sind selbstverständlich möglich, da die Schaltung analog arbeitet. Zwei Dinge sind hierbei zu bedenken:

Rext
Ladestrom
--
8A
47k
11A
33k
13A
27k
14A
22k
16A
15k
18A
10k
23A
6k8 28A
5k6
30A

Rext
Ladestrom
4k7 32A
3k9 35A
3k3 37A
2k7 40A
2k2 43A
1k5
47A
1k2
50A
1k 56A
820
63A

5. Schaltungsbeschreibung

Netzteil

Das Netzteil ist eine einfache stabilisierte +/-12V Versorgung, aufgebaut mit je einem 7812/7912. Der Strombedarf der Schaltung ist so gering, dass eine Halbwellengleichrichtung ausreicht, die Leistungsaufnahme liegt insgesamt bei ca. 4W. Die positive Versorgungsspannung wird durch eine Diode um etwa 0.8V angehoben, um Spannungsverluste bei der Pilotsignalerzeugung auszugleichen.

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

Rechtecksignal

Ein Komparator erzeugt ein Dreiecksignal, 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 -11V 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 einem Transistor niederohmig verstärkt. Ist kein Auto verbunden, liegt es auf +12V DC.

Relaistreiber

Der Relaistreiber hat einen 4.7μF Kondensator, um das Einschalten des Relais geringfügig zu verzögern. Bei einem Kurzschluss des Pilotsignals fällt die gesiebte Spitzenspannung relativ langsam ab und durchquert dabei für einen Moment den Spannungsbereich, der den Ladewunsch des Fahrzeugs anzeigt. Dies ergibt ein sehr kurzes unerwünschtes Anziehen des Relais. Der Kondensator verzögert daher das Signal gerade lange genug, um diesen Klick zu unterdrücken.

LED Treiber

Die LED Treiberschaltung besitzt zwei Transistoren, die in bestimmen Situationen das Leuchten von LEDs unterdrücken. Die rote "Error" LED und die blaue "EV Charging" LED schalten die grüne "EV Connected" LED aus, so dass immer nur eine LED brennt.

6. Not-Aus

Ein Not-Aus Knopf ist nicht Bestandteil der Schaltung, lässt sich aber leicht realisieren. Er kann so angeschlossen werden, dass er bei Betätigung die Netzspannung zur Platine unterbricht. Damit wird die Steuerung stromlos, schaltet das Schütz aus und trennt das Auto vom Netz. Im Interesse der Sicherheit ist diese Notabschaltung empfehlenswert. Sie sollte aber nur im Notfall verwendet werden, da das Auto es vorzieht, den Ladevorgang kontrolliert zu beenden.

Hinweis: diese Art von Not-Aus genügt möglicherweise nicht den gesetzlichen Vorschriften.

7. Zugangskontrolle

Eine einfache (mechanische) Zugangskontrolle lässt sich auf mehrere Arten realisieren:

8. Einschränkungen


9. Hinweise & Modding


10. Bauanleitung

10.1 Allgemeine Hinweise

Der Bausatz enthält alle Bauteile, die für den Bau und Test der AnalogEVSE Ladesteuerung benötigt werden. Das Bestücken der Platine erfordert ein gewisses Maß an Erfahrung im Umgang mit dem Lötkolben. Falsch eingelötete Bauteile oder Lötzinnrückstände auf der Platine führen zu Fehl- oder Nichtfunktion und können im schlimmsten Fall gefährliche Folgen haben. Sauberes und sorgfältiges Arbeiten ist daher sehr wichtig. Bitte lesen Sie diese Anleitung durch, bevor Sie mit dem Zusammenbau beginnen.

10.2 Sicherheitshinweis

Bei dieser Schaltung befinden sich 230V Netzspannung und Niederspannung auf der selben Platine. Ist die Schaltung mit dem Stromnetz verbunden, ist daher beim Hantieren mit der Platine äußerste Vorsicht geboten.

10.3 Werkzeug

Folgende Werkzeuge und Geräte werden benötigt:


10.4 Vorbereitung

Prüfen Sie anhand der Stückliste die Vollständigkeit der Bauteile und identifizieren Sie die einzelnen Komponenten.

Hinweis für den Bausatz: R9 (1k/1W) hat einen grünen Körper, D9 hat Klebestreifen an den Beinchen

10.5 Zusammenbau

10.5.1 Allgemeine Hinweise

Grundsätzlich empfiehlt sich beim Zusammenbau der Steuerung folgendes Vorgehen:
Alle Bauteile sollten so eingelötet werden, dass sie möglichst fest auf der Platine aufliegen und kein Spiel haben. Eine Ausnahme bilden die Transistoren und Spannungsregler. Ihre Beinchen sollten in eingelötetem Zustand etwa 7mm lang sein.

10.5.2 Bestücken und Test des Netzteils

Bauteile: P1, P3, F1, T1, D1, D2, D3, D10, C3, C4, C6, C7, C10, R28, U2, U3

Die Platine besitzt Löcher für verschiedene Trafotypen. Zuerst wird der Trafo in die passenden Löcher eingesetzt und verlötet. Bei Dioden und Elkos muss die Polarität beachtet werden. Die Spannungsregler U2 und U3 zeigen mit der Vorderseite in Richtung Netzanschluss (P3).
Sind alle o.g. Teile eingelötet, wird die Sicherung eingesetzt und die Platine mit 230V~ verbunden. Die Power LED leuchtet und zwischen 0V (P1 Gnd) und Pin 3 der IC Sockel müssen jetzt +12,8V messbar sein, zwischen 0V und Pin 12 der Sockel -12V. Ist dies nicht der Fall, sofort ausschalten und den Fehler suchen.


10.5.3 Bestücken und Inbetriebnahme

Zuerst werden die Dioden D4 und D5 bestückt. Die abgeschnittenen Anschlussdrähte werden für die beiden Drahtbrücken verwendet und die IC Sockel darüber eingelötet. Danach werden die Anschlussklemmen und das Relais eingesetzt. Die Anschlussklemmen P5 und P6 müssen so eingesetzt werden, dass beim Bestücken die seitlichen Führungen ineinander greifen und die Klemmen nahtlos verbinden. Die beiden Teile können auch vor dem Bestücken zusammengeschoben werden. Gleiches gilt für die P4 und P7. Es folgen alle Widerstände, die Kondensatoren, die restlichen Dioden, das Trimmpoti und zuletzt die Transistoren. Das Trimmpoti sollte auf einen Wert von ca. 32kΩ voreingestellt werden. Sind alle Teile verlötet, werden U1 und U4 in die Sockel gesteckt. Hierzu müssen die Beinchen ein wenig nach innen gebogen werden.

Zuletzt wird C11 huckepack auf D7 aufgelötet. Hierbei bitte die Polarität beachten! Diese Änderung hat sich leider als notwendig erwiesen, nachdem die Platinen schon produziert waren.

Hinweis für die Platinen 1v8r2 (ab 2017-04-19): das Layout wurde verändert, so dass C11 jetzt einen Platz auf der Platine hat.

Nach einer sorgfältigen Kontrolle wird die Steuerung mit dem Stromnetz verbunden. Jetzt sollten nur die Power und die Error LED auf der Platine leuchten. Leuchten auch andere LEDs, liegt ein Fehler vor.


10.5.4 Stückliste

Folgende Bauteile werden beim Bestücken der Steuerung benötigt:

Wert

Bauteile

Anzahl

5,6nF (NP0 temperaturstabil)

C1

1

100nF

C2,C5,C6,C8

4

1uF

C10

1

220nF

C7

1

4,7uF/16V

C9

1

220uF/16V

C11

1

330uF/35V

C3,C4

2

1k

R10,R18

2

1k/1W

R9

1

1k5

R3

1

2k2

R22

1

3k3

R15

1

4k7

R14,R23,R24,R25,R28,R29,R30

7

5k6

R1,R16

2

10k

R2,R6,R7,R8,R11,R21

6

15k

R17

1

47k

R19,R27

2

100k

R4,R5,R20,R26

4

1M

R12,R13

2

Trimmer 100k

RV1

1

Trimmer 10k

RV2 (optional)

1

Feinsicherung 100mA - 160mA

F1

1

Sicherungshalter

F1

1

Relais

K1

1

Anschlussklemme 2 Pin

P1,P2,P3,P4,P6

5

Anschlussklemme 3 Pin

P5,P7

2

Trafo 12V

T1

1

DIP 14 Sockel

U1,U4

2

1n4002

D1,D2

2

1n4148

D3,D4,D5,D6,D7

5

SD101C

D9

1

BC337-40

Q1,Q2,Q4

3

BC557

Q3

1

LM2901

U1,U4

2

LM7812

U2

1

LM7912

U3

1

LED 3mm gelb

D10,D11

2

LED 3mm rot

D12

1

LED 3mm grün

D8

1


10.6 Abgleich des Oszillators

Bedingt durch Bauteiltoleranzen ist es leider nicht möglich, die Frequenz des Oszillators mit ausreichender Genauigkeit auf 1kHz voreinzustellen. Daher muss mit Hilfe des Trimmpotis RV1 der Oszillator auf 1kHz abgeglichen werden. Mit einem Oszilloskop oder einem Frequenzzähler wird an Pin 2 von U1 das Signal abgegriffen und RV1 so lange verstellt, bis die Frequenz bei 1kHz liegt.
speaker
Stehen die benötigten Messgeräte nicht zur Verfügung, kann der Abgleich akustisch durchgeführt werden. Hierzu werden eine Diode und ein Lautsprecher wie unten abgebildet an die Pilotsignal-Anschlussklemmen angeschlossen. Wird die Ladesteuerung eingeschaltet, ist im Lautsprecher ein Pfeifton hörbar. Dieser Ton kann nun mit einem Instrument (z.B. Klavier) verglichen werden und muss zwischen h'' und c''' liegen. Ein Stimmgerät kann hierbei hilfreich sein. Alternativ kann die Frequenz auch mit einer Oszilloskop oder Spectrum Analyzer App kontrolliert werden.

Ist die Frequenz nicht korrekt eingestellt, reagiert das Auto evtl. nicht oder nicht richtig auf das Pilotsignal.

11. Testen

Wenn die Platine fertig geätzt und fertig bestückt ist, stellt sich die spannende Frage, ob die Schaltung auch wirklich funktioniert. Hierzu benötigt man einen Fahrzeugsimulator und - wenn vorhanden - ein Oszilloskop. Bei einer funktionierenden Schaltung geht es auch ohne Oszilloskop, aber zur Fehlersuche ist es meistens unersetzlich.

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.

EV simulator 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:

SW1
SW2
SW3
SW4
Zustand
LED
Conn
LED
Charge
LED
Error
Relais
aus
aus
aus
aus

Kein Fahrzeug
aus
aus
an
aus
an
Fahrzeug erkannt
an
aus
an
Fahrzeug lädt
an
an
egal
an
Pilotsignal Kurzschluss
aus
an
aus
SW1 und/oder SW2 an
an
Diodenfehler


12. Downloads

AnalogEVSE wurde mit KiCad 4.0.2 erstellt. KiCad ist eine freie Software zum Erstellen von Platinen, die für Windows, Linux und Mac OS X verfügbar ist. Auf Github sind die neuesten Stände der KiCad Projektdateien erhältlich. Diese sind allerdings mit Vorsicht zu genießen, da sie nicht immer unbedingt funktionsfähig sind.


Github: https://github.com/helmutheinz2002/analogevse

Aktueller Stand der Projektdateien, mit Vorsicht zu genießen, da nicht immer unbedingt funktionsfähig

Zip-Archiv:
analogevse-1v8r2-2017-04-19.zip

Archiv der Version 1v8r2, zu der diese Dokumentation passt und von der die aktuelle Charge Platinen hergestellt wurde

analogevse-1v8-2016-09-20.zip

Archiv der Version 1v8, zu der diese Dokumentation passt und von der die bisherigen Platinen hergestellt wurde

KiCad:
Downloads

KiCad Software Download

Verdrahtungsplan:
AnalogEVSE-1v8-Wiring.pdf

Verdrahtungsplan für eine komplette Ladebox mit AnalogEVSE Ladesteuerung


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. Für Versand ins Ausland bitte vorher anfragen, damit ich die Portokosten in Erfahrung bringen kann.

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. der Trafo) müssen in die Löcher der Platine passen, können also nicht beliebig gewählt werden, zudem ist die Größe der Platine genau auf das Gehäuse zugeschnitten. Der Bausatz hingegen enthält ein komplettes Paket passender Teile und ein Gehäuse, in das die Platine genau hineinpasst.

Platine

Professionell gefertigte einseitige Platine mit
Lötstoplack und Bestückungsaufdruck
Order PCB
Nicht mehr verfügbar
Bausatz

Alle Komponenten für eine vollständige Ladesteuerung:
Platine, Bauteile, Trafo, passendes Hutschienengehäuse

Ohne Ladestrom-Kodierwiderstand Rext
Kit

Nicht mehr verfügbar


14. Disclaimer

(C) 2015 Bernhard Walter

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.

Vorsicht beim Umgang mit Netzspannung! Fehler können tödlich sein.

Ich distanziere mich ausdrücklich vom Inhalt verlinkter Webseiten.

Kontakt: analogevse@web.de


Changelog:

2015-11-19: Fehlerkorrektur im Platinenlayout, Version von 1.3 auf 1.4 erhöht
2015-11-22: PCB redesign für einen gängigen Transformator
2016-09-10: Version 1.8
2016-09-20: C11 hinzugefügt
2016-11-04: Ladestromtabelle korrigiert

2016-11-07: C10 in BOM korrigiert
2017-04-19: Neue Platinen Rev. 2, neue Email Adresse
2018-09-25: Kleine Korrekturen: C1 NP0, LED Zustände beim Testen
2019-01-01: Keine Platinen und Bausätze mehr verfügbar