Pimp My Wallbox – Phasenumschaltung nachrüsten, aber wie?

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In den letzten Monaten habe ich ausgiebig an der bereits hier vorgestellten Ladeinfrastruktur herumgebastelt, um mithilfe der Software TWCManager und eigener Loxone-Logik die PV-Überschussladung fürs E-Auto zu optimieren. Neben der nachgerüsteten Leistungssteuerung über die integrierte RS485-Schnittstelle des Tesla Wall Connector wollte ich aber unbedingt auch eine automatische Phasenumschaltung – wie bei der OpenWB – realisieren, um den kompletten Leistungsbereich von 1,4 kW (einphasig) bis 11 kW (dreiphasig) stufenweise „abgrasen“ zu können.

Bei meinen zahlreichen Tests, der Konzeption samt anschließender hard- und softwaretechnischer Realisierung konnte ich viele Erfahrungen sammeln, die ich an dieser Stelle zusammentragen möchte. In diesem ersten Beitrag geht es darum, was ich getan habe, um bei der von Werk aus ziemlich dämlichen Ladesäule von Tesla (Gen2) die Leistungssteuerung samt automatischer Phasenumschaltung nachzurüsten.

Tesla Wall Connector Gen2 – Dämliche Ladesäule?

Als der Tesla Wall Connector Gen2 gegen Ende 2019 in Betrieb genommen wurde, um das damals taufrische Model 3 mit Strom zu versorgen, konnte die Wallbox zuverlässig 11 kW bereitstellen, lieferte darüber hinaus aber keinerlei zusätzliche Funktionen.

Per Drehschalter konnte die Ladesäule lediglich mit einer fixen Stromstärke versehen werden – also 16A (=11 kW bei dreiphasigem Anschluss) eingestellt und fertig. Kein Lan-Anschluss, keine Webschnittstelle oder Ähnliches. Aber immerhin eine RS485-Schnittstelle (Anschlüsse rechts im Bild), zu der wir gleich noch kommen werden…

Maximal unflexibel, insbesondere vor dem Hintergrund des kurz darauf in Betrieb genommenen PV-Carports (hier vorgestellt).

Denn bei diesem Setup möchte man den gerade anliegenden PV-Überschuss – also die Leistung der Photovoltaikanlage, die den aktuellen Hausverbrauch übersteigt und der in diesem Moment für wenige Cent je kWh ins Netz eingespeist werden würde – ins E-Auto laden. Dann entgeht einem zwar die Einspeisevergütung (in meinem Fall knapp 9 Ct/kWh), im Gegenzug spart man jedoch die mittlerweile 30+ Ct/kWh, die für den Ladevorgang sonst aus dem Stromnetz bezogen werden müssten.

Lohnt sich PV-Überschussladen überhaupt?

Nur ein kurzes Rechenbeispiel: Wir brauchen im Schnitt 18-19 kWh/100km – inklusive Ladeverluste ca. 20 kWh. Komplett über die PV-Anlage geladen, entspricht das Kosten in Höhe von 1,80 Euro/100km (9 Ct/kWh entgangene Einspeisevergütung x 20 kWh). Komplett übers Stromnetz bezogen, landet man im Vergleich bei 6,00Euro. Könnte unsere Fahrleistung von jährlich 25t km komplett über die PV-Anlage abgedeckt werden, entspräche dies einer Ersparnis von 1.050 Euro/Jahr. Und der Strombezugspreis wird die kommenden Jahre mit ziemlicher Sicherheit weiter steigen, was die Kostenersparnis dann weiter erhöht. Eine Auswertung mit Realdaten werde ich nachliefern, sobald ein komplettes Jahr mitgetrackt wurde.

Aber auch abseits des monetären Anreizes fand ich es recht unbefriedigend keinen Einfluss auf die Ladeleistung nehmen zu können. Ok, man konnte damals bereits die Ladestromstärke über das Display im Auto zwischen 5A und 16A anpassen – mittlerweile auch aus der Ferne über die Tesla App. Von einer automatischen bzw. regelbasierten Anpassung, also einem smarten Lademanagement, weit entfernt.

Ladesäule steuert die Ladegeschwindigkeit, aber wie?

Einen großen Schritt nach vorne kam ich dann mit der Software TWCManager (GitHub-Link), welche auf einem Raspberry Pi (Affiliate-Link) installiert wird. Über einen RS485-USB-Adapter (Affiliate-Link) war es damit möglich die Ladestromstärke des Tesla Wall Connector über die dort verbaute Schnittstelle im Bereich 6-16A zu steuern. Dazu musste lediglich ein http-Request mit dem gewünschten Ampere-Wert in Richtung TWCManager-Software abgesetzt werden. Eine externe Steuerung – in meinem Fall über Loxone – war also technisch relativ einfach möglich. Mehr Infos dazu in diesem Blogpost.

Viel Zeit habe ich daraufhin in eine möglichst geschickte Logik zur automatisierten Ladesteuerung in Loxone gesteckt. Long story short – nach knapp zwei Jahren habe ich jetzt eine brauchbare Lösung erarbeitet – mit zig ineinandergreifenden Regeln. Dazu aber später an anderer Stelle mehr Details. Anfangs dachte ich jedenfalls es wäre trivial – äh naja – NEIN…

Nachfolgende Abbildung zeigt, wie komplex das Ganze geworden ist. Details folgend wie gesagt zu einem späteren Zeitpunkt.

Die Lösung war damals schon „ok“, aber auf den zweite Blick noch lange nicht perfekt. Denn man musste sich immer bereits vor dem Verbinden des Ladekabels mit dem Auto entscheiden, ob der Ladevorgang ein- oder dreiphasig erfolgen soll und entsprechend die der Ladesäule vorgelagerten KNX-Relais ein- bzw. ausschalten. Bei einphasiger Ladung bedeutet das eine mögliche Ladeleistung zwischen 1,4 und 4,6 kW (6-20A x 230V). Technisch wären beim Tesla einphasig auch bis zu 32A möglich, da der interne Ladecontroller die anliegende Leistung aufteilen kann, aber das ist aufgrund der Schieflastverordnung in Deutschland nicht erlaubt. Bei dreiphasiger Ladung dann entsprechend die Spanne zwischen 4,2 und 11,0 kW (6-16A x 3 x 230V).

Erfahrungen hinsichtlich Laderegelung sammeln…

Technisch hatte ich die Phasenzu- und -abschaltung (von Phase 2 und 3) ursprünglich über einen vor der Ladesäule installierten KNX-Mehrfachschaltaktor mit Wirkleistungsmessung umgesetzt.

Aus Sicherheitsgründen habe ich dazu noch eine Logik gebaut, sodass lediglich dann eine Umschaltung stattfinden kann, wenn gerade keine Leistung abgenommen wird. DENN: Eine Zu- bzw. Abschaltung einzelner Phasen kann während des Ladevorgangs im schlimmsten Fall zum Defekt der Ladeelektronik führen. Vielleicht nicht beim ersten Mal, aber das möchte man ja besser nicht ausprobieren. In jedem Fall quittiert das Fahrzeug und/oder die Ladesäule bei einem solchen „Manöver“ den aktuellen Ladevorgang mit einem Fehler. Dann ist ein Abstecken des Ladekabels notwendig und ggf. sogar ein Restart der Ladesäule per seitlich verbautem „RESET“-Button.

Also keine brauchbare Dauerlösung. Beginnt man bspw. morgens den Ladevorgang einphasig, kann man zwar super kleine Überschussleistungen zwischen 1,4 (6A) und 4,6 kW (20A) in 230W-Schritten abgreifen. Sobald jedoch die Sonne über den Tag mehr Power liefert, wird max. 6,4 kW (11,0 kW-4,6 kW) verschenkt bzw. eben ins Netz eingespeist – was man sinnvollerweise auch ins Auto laden könnte.

Dazu kam zusätzlich die Einschränkung, dass der Ladevorgang mit dem „original“ TWCManager trotz der in der Ladesäule verbauten Schütze nicht pausiert werden konnte. Das heisst, dass der Ladevorgang immer durch das Auto – je nach gewünschtem Ladestand – gestoppt bzw. gestartet werden musste. D.h. das Auto lädt nach dem Einstecken immer auf mindestens 50% SoC, da dies – im Fall eines Teslas – das Minimum darstellt.

Tesla-API als führende Steuerungsinstanz praktikabel?

Zuerst hatte ich mir damit beholfen den Wunsch-SoC über die Tesla-API zu setzen, inkl. der Möglichkeit die Ladung zu starten bzw. zu stoppen. Aber die Web-API ist auf Dauer einfach keine gute Lösung – zumindest nicht als führende Steuerinstanz. Manchmal wacht das Auto einfach nicht auf oder nur zeitverzögert, die API ist gerade mal nicht erreichbar, die API hat ein Update erhalten und die Authentifizierung muss nachgezogen werden oder der Token wurde einfach mal nicht rechtzeitig erneuert und sofort geht erstmal gar nichts mehr. Versteht mich nicht falsch, ich bin ein Fan der API, insbesondere um den Wunsch-SoC-Wert zu setzen und den aktuellen Ladestand abzufragen, aber im obigen Kontext wird man damit einfach nicht auf Dauer glücklich.

Außerdem ist es zwingend notwendig, dass der Ladevorgang direkt vor einer Phasenumschaltung – und natürlich auch unterhalb eines SoC von 50% – absolut zuverlässig von der Ladesäule gestoppt werden kann.

Logik der Phasenumschaltung

Der Ablauf, der bei mir jetzt 100%ig funktioniert, sieht dabei folgendermaßen aus:

  • Einphasiger Ladevorgang aktiv
  • Logik erkennt, dass auf dreiphasig umgeschaltet werden soll (PV-Überschuss > 5 kW für 60s)
  • Optional: Ladeleistung auf 6A drosseln, um die Schütze der Ladesäule bei der bevorstehenden Trennung nicht unnötig zu belasten
  • Optional: Warten bis 6A erreicht wurde bzw. max. 10s
  • Ladevorgang durch das Trennen der Schütze der Ladesäule stoppen
  • Warten bis die Leistung auf <10W sinkt (dauert 1-2s)
  • Phasen 2 und 3 durch vorgelagerten Schütz (vor der Ladesäule installiert) aktivieren
  • 1s warten
  • Ladevorgang durch die Ladesäule starten – Schütze der Ladesäule stellen die Verbindung her

Der gesamte Vorgang dauert ca. 20-25s, egal ob von 1- auf 3-phasig oder umgekehrt geschaltet wird. Damit das alles klappt, muss darauf geachtet werden, dass der Tesla Wall Connector beim „Hochfahren“ (also beim initialen Versorgen der ersten Phase mit Strom) die ersten 10s lediglich einphasig versorgt wird. Dann ignoriert sie einfach die Phasen 2-3 und prüft dann auch nicht deren Spannung. Das ist wichtig, da sie anderenfalls in einen permanenten Fehler läuft, sobald von 3- auf 1-phasig umgeschaltet wird und die Spannung von den Phasen 2 und 3 wegfällt.

Der Tesla Wall Connector trackt dann zwar nur noch einphasig mit, wieviel kWh insgesamt geladen wurden (da die Phasen 2 und 3 eben ignoriert werden), aber das errechne ich sowieso über einen Energiemengen-Baustein in Loxone unter Einbeziehung der Netzspannung (Phase 1) mal Ampere mal Anzahl der Phasen.

Bleibt noch das Problem mit dem Stoppen bzw. Starten des Ladevorgangs über die Ladesäule…

Ladesäule stoppt / startet den Ladevorgang, aber wie?

Aus Spaß hab ich etwas weiter recherchiert und bin auf die TWCManager-Version von ngardiner (GitHub-Link) gestoßen, welche die original TWCM-Softwareversion als Grundlage nutzt und um viele Features erweitert. Eigentlich hatte ich nicht viel erwartet, habe es aber dann doch einfach mal ausprobiert.

Dann die Überraschung: Unter „Settings“ -> „Stop Charging Method“ fand ich die Möglichkeit auf „Send Stop Command“ (Details dazu hier) umzustellen, was soviel bedeutet, dass die Ladesäule den Ladevorgang aktiv stoppen kann – durch ein hartes Trennen des integrierten Schützes, welcher alle drei Phasen des Ladesteckers gemeinsam schaltet.

Eine Funktion, die viele andere Ladesäulen auch unterstützen, mit der jedoch anscheinend nicht wenige E-Autos (vorwiegend mit älteren Softwareständen) Probleme zu haben scheinen.

In meinem Fall lief aber alles sofort absolut reibungslos, auch nach zig Stop- und Startvorgängen lief die Ladung ohne jegliche Fehler. Ich war geflasht. Selbst nach längerer Wartedauer wacht das Model 3 zuverlässig aus dem Tiefschlaf/Standby auf und fährt sofort mit dem Ladevorgang fort.

Hardwareseitige Nachrüstung

Nach einigen Monaten des vorsichtigen Herantastens verschiedener Parameter, machte ich mich daran, alle notwendigen Hardwarekomponenten zu ermitteln, die schlussendlich an nur einem wartungsfreundlichen Ort in der Nähe der Ladesäulen installiert werden sollten.

Nachfolgend ein kurzer Einblick in die installierte Lösung, die am Ende doch etwas mehr Platz in Anspruch nimmt. Die meisten Komponenten sind dabei jedoch doppelt vorhanden, um eben zwei Ladesäulen getrennt voneinander versorgen bzw. ansteuern zu können.

Dabei habe ich mich bewusst dazu entschlossen jede Ladesäule per separatem RS485-Adapter samt TWCManager-Instanz (auf einem RPI) anzubinden, um diese komplett individuell steuern zu können.

Für die Phasenzu- und -abschaltung habe ich mich für bistabile Schütze vom Typ 30.070.025 von Iskra (Anbieter-Link) entschieden, die max. 32A vertragenp. Zwecks Auswertung der Schaltzustände sind sogenannte Hilfsschütze vom Typ 38.070.013 von Iskra (Anbieter-Link) montiert. Die insgesamt vier Schütze werden über ein 4x Relais-Modul (Affiliate-Link) angesteuert. Die GPIO-Pins des Raspberry Pi dienen schlussendlich als digitale Ein- bzw. Ausgänge, um die Hilfsschütze auszulesen bzw. die Relais zu schalten.

Jedem Tesla Wall Connector sind zwei Schütze vorgeschaltet. Der erste Schütz steuert die erste Phase, wodurch die Ladesäule bei Bedarf komplett stromlos geschaltet werden kann. Der zweite Schütz steuert die zweite und dritte Phase der Ladesäule und kümmert sich damit um die Phasenzu- und abschaltung.

Wie das alles im Detail aufgebaut bzw. angesteuert wird, folgt in späteren Blogposts.

Aus meinem täglichen Leben

Nach einer gefühlten Ewigkeit konnte ich nun alles erfolgreich in Betrieb nehmen. Viele kleine Details haben sehr viel Zeit gekostet, was man bei der fertigen Lösung so auf Anhieb gar nicht sieht. Jedenfalls bin ich mega froh, dass es mit der über Monate optimierten Softwarelogik zu 100% zuverlässig läuft.

Tausend Dank an dieser Stelle auch nochmal an Matthias von haus-automatisierung.com (externer Link), der mich bei der Einrichtung der beiden Docker-Container für die TWCManager-Instanzen unter Raspberry Pi OS supportet hat. Das hat mir viel Zeit gespart, die ich anderweitig investieren konnte.

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Jörg

hat meintechblog.de ins Leben gerufen, um seine Technikbegeisterung und Erkenntnisse zu teilen. Er veröffentlicht regelmäßig Howtos in den Bereichen Smart Home und Home Entertainment. Mehr Infos

7 Gedanken zu „Pimp My Wallbox – Phasenumschaltung nachrüsten, aber wie?“

  1. Schönes Projekt, gratuliere zur erfolgreichen Umsetzung!
    Ich persönlich hätte keine Zeit dafür bzw. würde andere Vorhaben höher gewichten. Der Nutzen von einphasigem Laden sehe ich nicht ein, ist auch nicht wirklich effizient und dafür noch Aufwand treiben?
    Wenn ich mit 4.2kW (Minimum bei meiner Keba Wallbox) 3-phasig lade und deswegen noch etwas vom Netz beziehe finde ich das voll in Ordnung. Plane aber auch demnächst ein Ausbau bei der PV, dann ist das Thema noch viel weniger relevant.
    Ein Auto mit 70kWh+ einphasig Laden ist mehr eine ideologische Sache – meine Meinung.
    Wieso hast du das gemacht, obwohl du (etwas später) einen Batteriespeicher realisiert hast?

    1. Hi Reto,
      danke für die Blumen!

      Hatte mich aus Interesse länger in die Thematik Überschussladung eingearbeitet und dachte mir dann, dass ich die technische Umsetzung der automatischen Phasenumschaltung auch noch schaffe. Das hat natürlich viel Zeit „gefressen“, keine Frage. Muss man in diesem Kontext vermutlich am ehesten als Hobby sehen, welches – im Vergleich zu den meisten anderen – sogar das Potenzial zur Kostenreduzierung im Alltag mitbringt. Manche schauen Fußball, ich beschäftige mich mit Technik-Nerd-Themen – war schon immer so. :D

      Mein Ziel war es von Anfang an irgendwann mal jede erzeugte Wattstunde der PV-Anlage – insbesondere in der sonnenarmen Zeit – bestmöglich selbst zu nutzen und möglichst (teuren) Netzbezug zu vermeiden. Jetzt mit der PV-Anlagenerweiterung und insbesondere dem Hausspeicher ist dieses Thema in der Tat nicht mehr ganz so „kritisch“, aber dennoch bleibt der ideologische Gedanke dahinter bestehen.

      Und ja, die Ladeverluste sind bei einphasiger Beladung etwas größer, da der Ladevorgang einfach länger dauert und das Fahrzeug während dieser Zeit nicht „einschläft“. Aber das hält sich in Grenzen, sofern man nicht konstant nur mit 1,4kW lädt. Das Model 3 verballert dafür bspw. ca. 1kWh während eines siebenstündigen Ladevorgangs – geschenkt. Das hatte ich auch schon mal am Rande im Artikel Wie hoch ist der AC-Ladewirkungsgrad beim Tesla Model 3 wirklich? angesprochen.

      Meist reicht es in unserem Anwendungsfall auch aus nur 15-20kWh nachzuladen, um den Arbeitsweg am nächsten Tag zu schaffen. Da reicht mir dann auch einphasig < 4,3kW, wenn ich im Gegenzug auf Netzstrom und Entnahme aus dem Hausakku verzichten kann. Und der Tesla wird jährlich 30tkm+ bewegt und zu 98% Zuhause geladen - da summiert sich jede kleine Kostenersparnis schnell auf. Dazu gibt es vermutlich auch nochmal einen separaten Blogpost, sobald ich alle Daten lange genug mitgetrackt habe. Insgesamt ist für mich das Thema Überschussladung erst dann konsequent zu Ende gedacht, sobald die Ladesäule die Phasenumschaltung auch tatsächlich technisch beherrscht. Ob sich der ganze Aufwand irgendwann monetär auszahlt? Keine Ahnung. Hat mich jedenfalls um Erfahrung bereichert. Viele Grüße Jörg

  2. Interessantes Projekt. Ich selbst habe die Keba P30c wegen der einfachen Loxone Integration. Diese kann ja auch nicht umschalten, ich lade daher immer dreiphasig was für mich aber i.O. ist.
    Ich glaube die Eeeasy Wallbox kann das umschalten von Haus aus.
    Meine Logik sieht etwas einfacher aus. Ich lade ab einem einstellbaren PV Überschusswert und dann dem Überschuss nachgeführt.
    Zusätzlich bekomme ich noch über IOBroker vom Fahrzeug bzw. bald den Fahrzeugen SoC und Position so das ich in der Keba automatisch das Profil auswählen kann um mein Geschäftsfahrzeug und das Privatfahrzeug auseinanderhalten zu können.
    Wegen steuerlichen Gründen (und weil es mich interessiert) halte ich dann noch über getrennte Loxone Energiezähler auseinander wieviel PV und wieviel Bezugsstrom in die Fahrzeuge fliesst.
    Wegen Awattar Hourly Cap Tarif dann noch „Nachtladung“ aktivierbar wo ich in den günstigsten Stunden nachladen kann.

    Ich jedenfalls bin gespannt wieviel PV Anteil ich realisieren kann

    1. Das einphasige Laden bedeutet, dass auf einer Phase der volle Strom gezogen wird. Der PV Wechselrichter liefert dreiphasig, also ist das genau genommen kein Eigenverbrauch wenn du < 4.2kW einphasig laden würdest sondern du beziehst den Strom vom Netz. Man sieht das nicht in der Abrechnung, weil die Gesamtleistung abgerechnet wird. Trotzdem macht man durch das einphasige Laden eine Asymmetrie im Netz, was ich nicht sinnvoll finde.
      Ich habe auch die Keba und die Regelung mit Loxone realisiert und bin sehr zufrieden. Idealerweise ist die PV Anlage 10kWp oder grösser, dann macht das richtig Spass :)
      Liebe Grüsse, Reto

  3. Hey Jörg,
    Toller Artikel – ich hab ne Frage zu deiner ersten Variante mit dem MDT Aktor. Gab es da Probleme mit der Last oder hat das der Aktor problemlos bewältigt?

    Ich würde gerne die Variante umsetzen.

    Viele Grüße
    Markus

    1. Hi Markus,
      das lief ohne jegliche Probleme. Man muss dabei eben beachten, dass der Aktor pro Relais „nur“ max. 20A verträgt. Und ich hatte etwas Probleme die 6mm2-Leistungen in die Anschlussklemmen zu quetschen – aber ging dann auch…

      Viele Grüße
      Jörg

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