Wallbox für E-Autos – Hintergründe und Bauanleitung

Eines vorweg: obwohl es sich hinsichtlich der anstehenden Kosten und des Aufwands kaum lohnt, eine Wallbox, also eine Ladestation für E-Autos, selbst zu bauen, bin ich dieses Projekt dennoch angegangen. Auf dem Weg zur eigenen Wallbox konnte ich immerhin jede Menge Erfahrungen sammeln. Dieser Artikel gibt viel Hintergrundwissen zum Thema „Wallbox“ und dem ganzen Drumherum. Da die E-Mobilität zu überzeugen weiß und ihr die Zukunft gehört, muss man sich früher oder später damit auseinandersetzen.

Unabhängig von der Anschaffung eines E-Autos gibt es verschiedene Aufgaben, die umgesetzt werden müssen. Dies will ich am Beispiel eines Eigenheimbesitzers verdeutlichen.

Brauche ich überhaupt eine Wallbox?

Laden eines E-Autos

Ich gehe von einen Durchschnittsverbrauch von 20 kWh pro 100 km aus (20 kWh im Winter mit dem Tesla Model 3, beim VW ID.3 sind es eher 30% mehr).

Ein Blick in die Tabelle zeigt, dass in vielen Fällen eine einfache Schuko-Steckdose ausreichen könnte. Da diese aber nicht für einen großen Dauerstrom geeignet ist, habe ich hier mit einer Ladeleistung von nur 1,3 kW gerechnet (ist im Auto einstellbar), anstelle von maximal 3 kW, was nur mit einer zusätzlichen Leitung sowie einer speziellen Schuko-Steckdose sicher und dauerhaft funktioniert.

Alle neu zugelassenen E-Autos in Europa folgen dem CCS-Standard (Combined Charging System), welcher für DC-Schnellladen (an Autobahnen bis 250 kW) sowie AC-Laden bis 43 kW geeignet ist. Die meisten Autos können bis maximal 11 kW geladen werden. Wer heute eine Wallbox plant, sollte aber bereits die technischen Voraussetzungen (Stichwort: Kabelquerschnitt) für höhere Ladeleistungen schaffen, z. B. 22 kW oder 2x 11 kW für zwei Ladepunkte.

Die Tabelle zeigt, dass ein Ladepunkt mit 11 kW Leistung ein Auto in 8 Stunden für über 400 km Fahrstrecke aufladen kann.

Wie lade ich ein E-Auto (20/80-Regel)?

Ein guter Tipp ist, ein E-Auto regelmäßig nur bis auf 20% des Batterieladestatus zu fahren und nur bis max. 80% zu laden. Ein weiterer Tipp ist, möglichst wenig am DC-Schnelllader zu laden und bevorzugt zuhause am AC-Ladepunkt. Diese beiden Maßnahmen schonen den Akku, da dieser keinen Stress hat. Damit hält die angegebenen Kapazität vermutlich über 20 Jahre.

Natürlich kann ein E-Auto auch mal auf 0% runter gefahren werden, dann aber bitte sofort wieder laden, damit der Akku nicht über einen längeren Zeitraum bei 0% verbleibt. Vollladen auf 100% ist auch kein Problem, sofern das Fahrzeug danach auch bewegt wird, um zu verhindern, dass der Akku nicht bei 100% über Tage/Wochen stehen bleibt.

Verschiedene Themen zur Installation einer Wallbox

1. Leistung am Hausanschlusskasten prüfen

Sowohl die Leitungen als auch die Absicherung am Hausanschlusskasten muss im Vorfeld dahin gehend überprüft werden, ob eine Ladestation für E-Autos überhaupt ohne neuen Hauptanschluss möglich ist bzw. wieviel Reserve vorhanden ist.

Ein Elektriker wird die Leistung am Hausanschlusskasten vor Ort in wenigen Minuten prüfen können. Dazu muss natürlich noch berechnet werden, welche größeren Verbraucher sonst noch am Hausanschluss hängen um zu sehen, wieviel Reserve für den E-Auto-Ladepunkt vorhanden ist. Auch ein kostenloser Anruf beim Netzbetreiber kann Aufschluss darüber geben, welche Anschlussgröße damals ins Haus gelegt wurde.

2. Kabel zum Ladepunkt verlegen

Es muss ein Kabel vom Strom-Hauptverteiler zum Ladepunkt (Garage, Carport bzw. Hofeinfahrt) gelegt werden. Bei uns war es ein Erdkabel vom Keller über den Hof zur Garage. Innerhalb des Gebäudes reicht auch eine NYM-Mantelleitung. Im Regelfall wird kein Starkstromkabel vom Zählerschrank zum Ladepunkt vorhanden sein. Solch ein Kabel kannst Du aber selbst verlegen bzw. die Verlegung vorbereiten, indem Du Bohrungen vornimmst und einen 70 cm tiefen Graben ausschachtest. Bei einem 10 mm² Erdkabel (ø 2 cm) muss das Bohrloch mit einem 32 mm Bohrer gebohrt werden, sonst passt das Kabel nicht durch die Außenwand. Auch ist eine Abdichtung der Bohrlöcher von außen sicherzustellen, damit die Wand auch langfristig keine Feuchtigkeit zieht.

Empfehlung für die Kabelstärke:

Bitte fangt hier nicht an zu überlegen, ob ein 1,5 oder 2,5 mm² Kabel ausreicht – das tut es definitiv nicht! Zum Laden wird ein Dauerstrom benötigt, und ein zu dünnes Kabel erwärmt sich deutlich, was zu einem Leitungsverlust führt.

Meine Tipps:

  1. Nehmt ein 10 mm² Kabel, dann ist auch noch Reserve für die Zukunft vorhanden
  2. Legt gleich ein zweites Kabel mit rein. Somit fallen bei einer zukünftigen Erweiterung keine Erdarbeiten mehr an
  3. Gleich ein Ethernet-Erdkabel mit zum Ladepunkt legen

E-Autos bekommen umfangreiche Software-Updates per WLAN, da ist ein Ethernet-Erdkabel mit WLAN-Access-Point sinnvoll. Es gibt auch Wallboxes mit Ladekarte, die benötigen auch Ethernet. Oder einfach mal YouTube oder Netflix per WLAN im Auto genießen, da alle E-Autos über eine Standheizung verfügen, ist das sogar ein Rückzugsort.

3. Kabel im Strom-Hauptverteiler installieren

Diese Aufgabe muss ein Elektriker erledigen. Hier kann es allerdings gleich mehrere Probleme geben.

  1. Verteilerschrank ist nicht auf dem neusten Stand
    Der Elektriker kann den Hals nicht voll kriegen und sagt, der Verteilerschrank entspricht nicht den neuesten Richtlinien und Normen (VDE). Wenn er erst mal anfängt und sagt, es müsse alles modernisiert werden, dann ist das blöd. Am besten zum nächsten Elektriker gehen und einfach nur sagen, dass Ihr lediglich eine CEE32 (22 kW) oder CEE16 (11 kW) Steckdose am Carport haben möchtet. Sagt nichts von einer Wallbox, sonst wird er noch gieriger!
  2. Sicherung & FI Schalter
    Es wird ein 3-fach B32 (22 kW) oder B16 (11 kW) Sicherungsautomat benötigt (ca. 30,- €). Zusätzlich wird ein Fehlerstromschutzschalter (Typ-A FI) benötigt (ebenfalls ca. 30,- €). Jetzt kommt es: sollte die Wallbox keinen DC-Fehlerschutz haben, wird ein FI-Typ-B Fehlerstromschutzschalter mit Gleichstromerkennung benötigt. Und solch ein Modul kostet auch locker mal 500,- € beim Elektriker (er verbaut nichts Günstiges/Unbekanntes). Ein Typ-B FI ist aber bereitsfür ca. 200,- € zu bekommen. Unten habe ich Links, mit dem Elektriker klären, ob sie auch diesen verbauen können.

4. Wallbox installieren

Eine fertige Wallbox kann einfach durch den Elektriker installiert werden. In der Wallbox ist es dann noch möglich, die maximale Ladeleistung zu begrenzen. Die Installation der Wallbox am bereits verlegten Kabel dauert keine 15 Minuten. Wallbox anbohren, Kabel anschließen, Ladeleistung per DIP-Schalter einstellen, fertig.

Wichtig: Prüfen, ob die Wallbox einen DC-Fehlerschutz hat, ansonsten muss im Hauptverteiler ein Typ-B FI rein (siehe §3)!

Meine Tipps:

  1. Alternativ eine CEE16- oder CEE32-Steckdose setzen und die Wallbox per Kabel dort anstecken. Das hat den Vorteil, dass auch mobile Wallboxes genutzt werden können. Außerdem kann so eine CEE-Drehstromsteckdose auch mal für eine größere Kreissäge oder Gartenhäcksler genutzt werden.
  2. Wetterschutz im Außenbereich
    Auch wenn fast alle Wallboxes für den Aussenbetrieb gedacht sind, kann es nicht schaden, eine Art „Vogelhausdach“ aus Holz mit Teerpappe als Wetterschutz von oben zu bauen.
  3. Schlüsselschalter im Außenbereich
    Damit keine Unbefugten die Wallbox benutzen können, kann ein einfacher Schlüsselschalter (12 V) installiert werden. In der Wallbox gibt es ein dünnes CP-Steuerkabel (Control Pilot). Das ist eine Steuerleitung, welche per Typ-2-Kabel zum Auto geht (+12 V/-12 V). Ganz einfach einen externen Schlüsselschalter mit Kabelschleife in die Wallbox führen. Wenn das CP-Signal unterbrochen ist, schaltet die Wallbox den Strom nicht frei.

5. Stromanbieter prüfen und ggf. wechseln (Ökostrom bevorzugen)

Damit ein E-Auto auch ökologisch fährt, empfehle ich – sofern nicht ohnehin schon geschehen – den Wechsel zu einem Stromanbieter mit Ökostrom. Somit produziert das E-Auto beim Fahren (inkl. Klimaanlage oder Heizung) keinen zusätzlichen CO2-Ausstoß. Natürlich hat die Produktion von E-Autos schon einen CO2-Rucksack, aber auch die Produktion von Windparks hat bereits einen CO2-Rucksack. Ich finde es konsequent, auf Ökostrom umzusteigen. Bei uns war der Ökostrom-Anbieter sogar 20% billiger als die Stadtwerke, über die wir vorher unseren Strom bezogen haben.

Wir sind auf den „Hourly“-Tarif von aWATTar umgestiegen, aber auch der „Yearly“-Tarif von aWATTar liegt bei unter 0,26 € pro kWh für Ökostrom. Mehr unter www.awattar.de.

Meine Tipps:

  1. Der „Hourly“-Tarif von aWATTar hat nachts immer den günstigsten Strom, daher lade ich bevorzugt nachts zwischen 1:00 und 5:00 Uhr.
  2. Wenn mehrere E-Auto-Ladestationen in einem Mehrfamilienhaus oder Betriebsgelände betrieben werden sollen, empfiehlt sich ein komplett neuer Stromanschluss bzw. ein weiterer Zähler. Dafür gibt es das sogenannte „netzdienliches Laden“ (§14a EnWG auch unter Wärmepumpenstrom bekannt), bei dem der Strom dann nur ca. 0,21 € kostet; allerdings kann der Netzanbieter bei Engpässen den Strom stundenweise abstellen. Das netzdienliche Laden ist trotzdem hochinteressant, da hier noch einmal 20% bei den Stromkosten eingespart werden.

Wallbox selbst bauen

Wie eingangs schon erwähnt, lohnt sich der Selbstbau einer Wallbox kaum, da die Einzelteile recht teuer sind. Es gibt Wallboxes (z. B. „Heidelberg Wallbox Home Eco“) schon ab 400,- €, die Tesla Wallbox ab 500,- €. Allein der Typ-2-Stecker mit Kabel kostet schon über 200,- €.

Funktion einer Wallbox

Die Funktion einer Wallbox ist es, sicherzustellen, dass nichts passieren kann. Selbst wenn ich den Typ-2-Stecker in einen Eimer Wasser lege, passiert überhaupt nichts (würde ich aber trotzdem nicht empfehlen). Die Wallbox schaltet erst frei, wenn der Typ-2-Stecker sicher im Auto steckt und dem zu ladenden Fahrzeug per CP-Signal (+12 V/-12 V PWM-Signal) mitteilt: „Ich kann Ladestrom zur Verfügung stellen“. Das Auto sagt dann dem CP-Signal per Lastwiderstand: „Bitte Ladestrom aktivieren“. Jetzt schaltet die Wallbox per Schütz den Strom frei (solange das Auto per CP-Lastwiderstand signalisiert: „Bitte Ladestrom aktivieren“). Wenn die Ladung beendet ist, nimmt das Auto den Lastwiderstand vom CP-Signal, und die Wallbox schaltet sich aus. Somit kann später der Typ-2-Stecker stromlos vom E-Auto entfernt werden. Eine Wallbox ist nicht sonderlich intelligent.

Hinweis: Der Typ-2-Stecker ist nach dem Einstecken im Auto blockiert, damit während der Ladung nicht jemand den Stecker unter Last abziehen kann. Es muss erst per Bedienung im Auto „Ladestecker freigeben“ gewählt werden. Auch beim Laden mit eigenem Typ-2-Kabel an einer fremden AC-Ladesäule ist die Verriegelung des Steckers nicht schlecht, damit das teure Ladekabel keinem Diebstahl zum Opfer fällt.

Typ-2-Stecker

Die Leitungen am Typ-2-Stecker

Hinweis: Ich empfehle Euch, ein fertiges Kabel mit Typ-2-Stecker („Mennekes-Stecker“) zu kaufen. Das Verlöten der dicken Kabel ist sehr schwierig. Überdies fehlte mir zum Einpressen das Spezialwerkzeug.

Der Ladecontroller

Ein Ladecontroller in der Wallbox liefert das CP-Signal und schaltet den Strom per Schütz frei. Ursprünglich wollte ich den Ladecontroller mit einem Arduino ESP32-Board auch selbst bauen, um dann PayPal zur Ladung sowie andere Funktionen zur Verfügung stellen zu können. In der ersten Ausbaustufe habe ich einen fertigen EVSE-Ladecontroller genommen.

Typ-B FI und Schütz

Am Eingang wäre an der Wallbox ein Typ-B FI danach ginge es dann auf das Schütz (4 Schließer L1, L2, L3 + N). Wenn in der Hauptverteilung der Typ-B FI bereits vorhanden ist, kann es direkt zum Schütz gehen. Der Ausgang vom Schütz (L1, L2, Ll3 + N) geht dann auf das Typ-2-Kabel, zusätzlich geht PE auf das Typ-2-Kabel. Das Schütz wird vom Ladekontroller gesteuert.

Stromzähler (optional)

In meiner Wallbox habe ich einen Drehstromzähler am Eingang eingebaut, damit wir am Jahresende einfach sehen können, wieviel der Stromrechnung gehört zum Auto. Wenn mal ein fremder Tankt, kann er uns so auch mitteilen, wieviel kWh er entnommen hat. Außerdem kann ich überprüfen, was geht Brutto an Strom ins Auto.
Der Stromzähler hat einen S0-Ausgang, welchen ich später an ein Arduino ESP32-Board anschließen möchte, um den Stromverbrauch weiterverarbeiten zu können.

E-Auto – Funktion beim Laden

Jetzt sollte klar sein: das Auto bekommt Wechselstrom (1 Phase) oder Drehstrom per Typ-2-Stecker von der Wallbox. Da die Autobatterie natürlich mit Gleichstrom geladen werden muss, wandelt das Auto den Strom in Gleichstrom um und steuert die Ladeleistung bis die Batterie voll ist. Das Auto fordert also Strom an und bekommt per Schütz alles freigeschaltet. Allerdings muss es selbst darauf achten, nur die erlaubte Leistung zu entnehmen.

Photovoltaik (PV): Überschussladen

Ich selbst habe leider keine PV-Anlage, die Wallbox lässt sich aber recht einfach so umbauen, dass der eigene Solarstrom „getankt“ werden kann. Hierfür würde ich mit Hilfe eines zweiten Relais L2 und L3 zu trennen, angenommen die PV-Anlage sitzt auf L1. Dem Ladecontroller müsste man dann mitteilen (funktioniert über Widerstände), wieviel Ladestrom maximal erlaubt ist. Dieser teilt dann per PWM-Signal über das CP-Signal mit, wieviel das E-Auto laden darf (z. B. 10% für 6 A/1,3 kW). Wenn nicht genügend Solarstrom vorhanden ist, kann das CP-Signal einfach so lange getrennt werden, bis wieder Solarstrom verfügbar ist. Notwendig ist es dabei, von der Solaranlage mitgeteilt zu bekommen, wieviel Strom produziert wird. Natürlich sollte man nicht man bei jeder Wolke das Laden unterbrechen; einfach den Ladevorgang unterbrechen, wenn 3 Minuten nichts mehr kommt bzw. erst dann laden, wenn der Solarstrom 3 Minuten stabil gekommen ist.

Meine Wallbox

Ich habe mich dazu entschlossen, meine Wallbox per CEE32-Stecker an die Stromversorgung anzuschließen. Somit bin ich flexibel und kann die ganze Wallbox auch mal ins Auto packen und mitnehmen. Außerdem ist eine CEE32-Steckdose auch für andere Zwecke zu gebrauchen.

Die Blockschaltbilder sollten ausreichen, um erfahrenden Makern zu helfen, die Lösung nachzubauen. Auf jeden Fall sollte vor Inbetriebnahme nochmal einen Elektriker draufschauen, handelt es sich immerhin um 22 kW Starkstrom mit 400 Volt, also absolut lebensgefährlich!

PS: Die zusätzliche Steckdose sowie das vorbereitete 5-V-Netzteil für mein „ECO Power“-Board (Arduino ESP32-kompatibel) ist im Blockschaltbild nicht vorhanden.

Und das E-Auto lädt

Die Ladeanzeige im Auto

Bei Tesla kann im Auto eingestellt werden, wann die geplante Abfahrtzeit ist. Hier habe ich inzwischen 5:00 Uhr morgens eingetragen, da der Strom („Hourly“-Tarif von aWATTar) in der Nacht bis morgens um 5:00 Uhr im Durchschnitt deutlich günstiger ist als tagsüber oder abends. Der Tesla startet die Ladung dann automatisch, sodass das Fahrzeug um 5:00 Uhr morgens geladen ist (bei uns auf 80%).

Tipp: Wenn bei Eurem E-Auto keine Ladezeit eingestellt werden kann, gibt es die Möglichkeit, per Zeitschaltuhr mit Relais die CP-Signalleitung nur zur gewünschten Zeit durchzuschalten. Kann auch bei einer beliebigen Wallbox leicht nachgerüstet werden (ähnlich wie beim Schlüsselschalter unter „Wallbox installieren“).

Zusammenfassung

Die Erdarbeiten waren umfangreich: Die Pflasterung musste aufgenommen werden uvm. Diese Arbeiten hat ein Garten- und Landschaftsbaubetrieb übernommen. Die Verlegung der Kabel, Leitungsdurchführung, Kabelkanäle, Abzweigdose in der Garage, CEE32-Buchse usw. habe ich komplett selbst gemacht. Der Anschluss in der Hauptverteilung war aus Platzgründen nicht einfach; hat ein Elektriker nach meinen Vorgaben gemacht.
Am schnellsten ging der Zusammenbau der eigenen Wallbox, das habe ich in 6 Stunden geschafft. Allerdings musste ich mir vorher sehr viel neues Wissen aneignen.
Ich bin mit der Lösung sehr zufrieden. Als nächster Schritt käme in eigener Arduino ESP32-Ladecontroller, was jedoch aktuell noch nicht erforderlich ist.
PS: Über das Laden per DC (mit noch mehr Leistung) habe ich mir auch schon Gedanken gemacht, aktuell ist der Bedarf jedoch noch nicht da. Der Stromanschluss bringt die dafür nötigen Voraussetzungen (Leistung) auch nicht mit. Die Technik einer DC-Ladestation wäre wohl eine größere Herausforderung.

Zukünftig – man darf noch Träumen

Super wäre es, wenn man den DC-Strom aus der Batterie wieder ins Netz speisen könnte, damit bei Stromengpässen 20-30% meiner Ladung wieder ins Netz fließen und bei Überkapazität im Netz das E-Auto wieder auf 80% voll geladen werden kann. Das wäre richtig netzdienlich. Aktuell kommt man bei Tesla nicht an den DC-Strom ran. Es würde mich aber nicht wundern, wenn Tesla seine Ladesteuerung verbessert, um so etwas ermöglichen, veröffentlicht das Unternehmen doch regelmäßig Hard- und Software-Updates mit vielen Verbesserungen.

Arduino Treffpunkt Hannover

Anregungen und Diskussionen zur Wallbox gerne unten im Kommentar oder persönlich bei unserem regelmäßigen Arduino-Treffpunkt in Hannover. Hiermit bedanke ich mich bei unseren Teilnehmern, welche mit Rat und Tat geholfen haben.

Weitere technische Details zur Typ-2-Signalisierung

https://www.goingelectric.de/wiki/Typ2-Signalisierung-und-Steckercodierung/
https://de.wikipedia.org/wiki/IEC_62196_Typ_2

Links

ABB S203-B32 Leitungsschutzschalter

https://www.elektroversand-schmidt.de/In-der-Verteilung/Leitungsschutzschalter/ABB/B-Charakteristik-3-polig/ABB-S203-B32-Leitungsschutzschalter-32A-3-polig.html

Typ-B FI-Schalter

https://www.ebay.de/itm/Fi-TYP-B-Fi-Schutzschalter-RCD-E-Auto-Wallbox-63A-Allstromsensitiv-Typ-A-EV/233680358436
https://www.aliexpress.com/item/33020060308.html

ABB FI-Schutzschalter F204A-40/0.03, 40 A – 30 mA

https://www.elektroversand-schmidt.de/In-der-Verteilung/FI-Schalter/ABB-FI-Schutzschalter/ABB-FI-Schutzschalter-F204A-40-0-03-40A-30mA-4polig.html

EATON Z-SCH230/40-40 – Installationsschütz, 230 VAC, 4S, 40 A

https://datasheet.eaton.com/datasheet.php?model=248852&locale=de_DE

Installationsschütz 32 A / 4 Schließer

https://www.evse-wifi.de/produkt/installationsschuetz-32a-4-schliesser-22kw-2te/

Heidelberg Wallbox

https://wallbox.heidelberg.com

EVSE-Ladecontroller

https://www.evse-wifi.de/produkt/evse-din-ladecontroller/

Stromzähler

https://www.ebay.de/itm/NEU-Wechselstromzähler-Digitaler-Stromzähler-GEEICHT-5-100-A-Für-DIN-Hutschiene/373279795455

Verteilerkasten

https://www.ebay.de/itm/Sicherungskasten-Feuchtraumverteiler-Verteilerkasten-UP-Aufputz-IP65-1000V/253847874917

Crimpzange mit Aderendhülsen

https://www.amazon.de/-/en/gp/product/B073TZ5BBG/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title

*Info: In diesem Beitrag verweisen orangefarbende Links auf Affiliates.

3 Gedanken zu „Wallbox für E-Autos – Hintergründe und Bauanleitung

  1. hallo Helmut,
    vielen Dank für diesen tollen Artikel in den du so funtiert Dein Praxiswissen mit uns teilst, man liest in jedem Satz den Praktiker heraus! Ich habe selbst zwei Elektroberufe und stehe an der Schwelle zur Elektromobilität :-).
    viele Grüße Stefan

  2. Vielen Dank für Deinen Bericht, wir bauen gerade hier in Hannover eine Zapfsäule zur Doppelwallbox für unsere e-Autos um und bei der Recherche zur Elektronik bin ich auf diesen gestoßen, die Erfahrung mit der Gier kann ich leider nur teilen.

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