In einem Punkt unterscheidet sich der Einsatz eines Elektroautos im Alltag grundlegend von einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, nämlich in der Energieversorgung. Wie das Auto geladen wird hat unter Umständen nicht nur einen direkten Einfluss auf den Verbrauch, sondern auch auf die Lebensdauer der Batterie.
AC/DC
Ja, der Name der bekannten Rockband hat seinen Ursprung in der Elektrotechnik. Die beiden technischen Abkürzungen bezeichnen zwei unterschiedliche Arten der Übertragung von elektrischer Energie: Wechselstrom (AC, engl. für "Alternating Current") und Gleichstrom (DC, "Direct Current"). Als Fahrer und Nutzer eines E-Autos ist es sehr nützlich den Unterschied zwischen den beiden Arten verstanden zu haben - damit werden einige Besonderheiten im Umgang mit dem Fahrzeug klar.
Die Batterie eines jeden E-Autos ist eine Gleichstromquelle. Wie in dem Artikel DIE BATTERIE DES ELEKTROAUTOS bereits erwähnt, haben die Speicher der meisten E-Autos eine Systemspannung von etwa 400V bzw. 800V. Diese Spannung ist nicht immer gleich, sie hängt vom Aufbau des Speichers ab aber auch von seinem Ladezustand. Wie für jeden Akku im Haushalt, gilt auch für diesen: fürs Laden wird ein Ladegerät benötigt.
Lädt man das Fahrzeug über eine DC-Ladesäule (oft auch "Schnellladesäule" genannt), steckt das Ladegerät in der Ladesäule. Das Fahrzeug meldet über die Kabelverbindung seine technischen Daten (Spannung der Batterie, Ladestand etc.) und die Ladesäule passt den Ladestrom/-Spannung entsprechend an. Lädt man hingegen an einer AC-Stromquelle (zB, an einer normalen Schuko-Steckdose oder an einer AC-Ladesäule) kommt das im Fahrzeug verbaute Ladegerät zum Einsatz. Dieses wandelt den Wechselstrom (zB. 230V / 50Hz) in Gleichstrom um und lädt damit den Akku im Fahrzeug.
Sowohl für das DC- als auch für das AC-Laden existieren Normen und Standards für die verwendeten Komponenten - vor allem für die Stecker.
Die Ladeanschlüsse
Moderne Elektroautos in Europa können an DC-Ladesäulen über den s.g. CCS-Stecker geladen werden. An AC-Stroquellen wird gewöhnlich über einen Typ2-Stecker geladen. Einige Fabrikate, vor Allem aus Japan, verfügen über einen CHAdeMO-Ladeanschluss fürs DC-Laden. Allerdings werden neue Ladesäulen in Europa kaum noch mit diesem Stecker ausgestattet.
Den großen Vorteil des Kombinierten CCS-Steckers kann man leicht im Bild oben erkennen: er kombiniert eben den Typ2-AC-Steckplatz mit zwei zusätzlichen Pins für das DC-Laden. Über den CCS-Steckplatz kann also sowohl über DC als auch über AC geladen werden.
Ladeleistungen - wie schnell, wie lange?
Für den Anwender ist der wohl größte Unterschied zwischen AC und DC die Ladegeschwindigkeit. Zwar gilt das nicht so pauschal, aber die DC-Ladesäulen werden nicht ohne Grund "Schnellladesäulen" genannt. Während an einer gewöhnlichen Schuko-Steckdose mit etwa 2,3kW (230V/10A) und an einer Typ2-Ladesäule mit 22kW geladen werden kann, bieten die schnellsten DC-Ladeanschlüsse bis zu 350kW (800V/430A)!
Was heißt das aber in Ladezeit? In der folgenden Tabelle werden die (theoretischen) Ladezeiten je nach Stromquelle für ein fiktives Fahrzeug mit einer 60kWh-Batterie für eine Ladung von 0-100% berechnet:
| Ladeanschluss | Ladeleistung in [kW] | Ladezeit in [Stunden:Minuten] |
|---|---|---|
| Schuko 230V | 2,3 | 26:00 |
| CEE (Campingstecker) | 3,7 | 16:15 |
| Typ2 | 11 | 5:30 |
| CCS | 50 | 1:15 |
| CCS | 120 | 0:30 |
Die Zeiten dienen lediglich dem groben Vergleich. Praktisch wird der Akku eher im Bereich 20-80% geladen und die Ladekurve an Schnelladern verläuft bei den meisten Fahrzeugen nicht linear, dazu weiter unten mehr.
Tägliches, langsames Laden an AC
Die typische Ladung eines E-Autos findet in der heimischen Garage oder auf dem Firmenparkplatz statt. Dabei wird mit Ladeleistungen bis zu 22kW geladen. Ausschlaggebend für die Ladeleistung ist dabei die Technik des Wagens sowie der verfügbare Stromanschluss. Das Stromnetz in Deutschland ist grundsätzlich drei-phasig. Belastet man nun jede Phase mit den in Wohngebäuden maximal erlaubten 20A ergibt sich eine Ladeleistung von ca. 14kW. Da man aber, während das Auto lädt, noch genug Reserven im Haus haben möchte, wird typischerweise mit 16A/Phase geladen, also mit 11kW. In einer Stunde werden damit 11kWh geladen. Nimmt man einen Verbrauch von 20kWh/100km an, was zB. dem Verbrauch eines Tesla Model 3 entspricht, benötigt man an einem 11kW Ladeanschluss etwa 2h Ladezeit für 100km Fahrstrecke.
Die folgende Tabelle zeigt die Ladezeiten (ohne Verluste) für 100km Fahrstrecke an den üblichen AC-Lademöglichkeiten bei 20kWh/100km Verbrauch:
| Ladeanschluss | Stromstärke pro Phase [A] | Ladeleistung [kW] | Ladezeit für 100km Strecke [h:mm] |
|---|---|---|---|
| Einphasig, 230V | 10 | 2,3 | 8:42 |
| Einphasig, 230V | 16 | 3,7 | 5:24 |
| Dreiphasig, 400V | 16 | 11 | 1:48 |
| Dreiphasig, 400V | 32 | 22 | 0:54 |
Für die einphasige Ladung liegt den meisten E-Autos ein s.g. ICCB-Ladekabel (In-Cable-Control-Box) bei. Solche ICCBs lassen sich oft mit verschiedenen Adaptern bestücken um damit an unterschiedlichen Steckdosen in unterschiedlichen Ländern laden zu können. Meistens sind diese jedoch als einfache Schuko-Stecker ausgeführt. Zur Fahrzeugseite hin ist es immer ein Typ2-Stecker:
Die einphasige Ladung ist also sehr simpel - es genügt eine einfache Steckdose und das E-Auto kann geladen werden. Wie es aber oft so ist, ist einfach leider nicht immer gut. Neben der langen Ladezeit ist das langsame Laden auch mit höheren Verlusten behaftet. Warum ist das so? Nun, das Fahrzeug ist während des Ladevorgangs aktiv. Der Bordrechner und sonstige Elektronik arbeitet und benötigt bis zu 300W, oder pro Stunde 0,3kWh. Lädt man also für die o.g. 100km Fahrstrecke mit 2,3kW ca. 9h lang, werden zusätzliche 2,7kWh benötigt. Verkürzt man die Ladezeit mit 11kW auf etwa 2h beträgt die zusätzlich benötigte Energie nur 0,6kWh, also nur ein Viertel. Rechnet man diesen Wert auf den Verbrauch des Wagens um, den wir beispielhaft mit 20kWh/100km festgelegt haben, erhöht sich der Energieverbrauch alleine durch die langsame Ladeeinrichtung um über 13%!
Von daher ist es auch Zuhause sinnvoll, möglichst schnell zu laden. Möchte man das also mit den genannten 11kW tun, ist es sehr sinnvoll eine s.g. Wallbox einzusetzen. Die Wallbox ist einfach ein fest verbautes Ladekabel, welches 1-, 2- oder 3-phasig an die Hauselektrik angeschlossen werden kann. Die meisten Wallboxen verfügen über zusätzliche Sicherheitseinrichtungen (FI-Schutzschalter, Sicherungen) und können bezüglich des maximal möglichen Ladestroms konfiguriert werden. Möchte man also an seinem Hausanschluss nicht mit 16A/Phase, sondern zB. mit 14A/Phase laden, so lässt sich das in der Wallbox einrichten.
Grundsätzlich ist vor dem Einbau einer Ladeeinrichtung für E-Fahrzeuge ein Fachmann zu konsultieren. Es muss überprüft werden, mit welcher Leistung geladen werden kann. Eine Überlastung kann bis zum Brand des Gebäudes führen!
Schnelles Laden unterwegs an einer DC-Schnellladesäule
Im Gegensatz zum Laden Zuhause oder auf der Arbeit, wo das Fahrzeug längere Zeit geparkt verbleibt, kommt es beim Laden auf der Langstrecke gegebenenfalls auf jeden Minute an. Hier kommen die DC-Ladesäulen zum Einsatz.
Um aber unterwegs wirklich schnell laden zu können, müssen alle Komponenten gut aufeinander abgestimmt sein: das Fahrzeug muss die Schnellladung an sich beherrschen, die Ladesäule muss eine entsprechende Leistung abliefern und die Batterie muss entsprechend temperiert sein. Passen alle Voraussetzungen, können mit den hier beispielhaft ausgesuchten Fahrzeugen folgende Ladezeiten für eine weitere Autobahn-Fahrstrecke von 200km erreicht werden (bei Richtgeschwindigkeit):
| Fahrzeug | Verbrauch [kWh/100km] | Max. Ladeleistung [kW] | Zeit [min] |
|---|---|---|---|
| VW ID.3 Pro | 22 | 100 | 26 |
| Tesla Model 3 LR | 20 | 200 | 12 |
| Porsche Taycan Turbo S | 30 | 250 | 14 |
Wie man hier erkennen kann, ist für die Reduzierung der Ladezeiten nicht nur die maximale Ladeleistung von Bedeutung, sondern auch der Verbrauch des Fahrzeugs. Die errechneten Zeitwerte sind als theoretisches Minimum zu sehen, denn die oben angegebene Ladeleistung liegt nicht von der ersten bis zur letzten Minute konstant an - sie schwankt. Eine relativ leere Batterie kann noch die maximal mögliche Ladeleistung erreichen. Mit zunehmendem Ladestand reduziert sich diese jedoch:
Man erkennt in dem Diagramm auch den Grund, warum es zeitlich gesehen keinen Sinn macht, die Batterie bis 100% zu laden. Die letzten 20% dauern nämlich viel länger, als ein zusätzlicher Ladestopp bei einem niedrigeren Ladestand. Hier die Berechnung der Ladezeiten bis zum erreichen eines bestimmten Ladestandes der Batterie für das Tesla Model 3 (75kWh-Akku) an einem entsprechenden Schnelllader:
| Erreichter Ladestand | Geladene kWh | Benötigte Zeit in Minuten |
|---|---|---|
| 10% - 40% | 22,5 | 6,8 |
| 40% - 80% | 30 | 15 |
| 80% - 100% | 15 | 36 |
Das DC-Ladenetz und die Anbieter
Tesla hat als erster Hersteller angefangen ein Schnellladenetz für seine Kunden zu errichten - entsprechend groß ist dieses mittlerweile. Das Netz gibt es weltweit, die Abdeckung in Europa ist sehr engmaschig:
Eine spontane Reise quer durch Europa stellt niemanden mehr vor große Herausforderungen: einsteigen, Ziel eingeben und das Fahrzeug berechnet die benötigten Ladestopps automatisch. Abgerechnet wird direkt über das Konto und die Preise sind stabil und moderat.
Ist man mit einem Fahrzeug eines anderen Herstellers unterwegs, wird es ein wenig komplizierter. Hier bitten sich Ladekarten verschiedener Fahrstromanbieter an. Oft wird dazu eine App angeboten, welche die verfügbaren Ladesäulen auf der Karte anzeigt.
Aktuell versuchen mehrere Hersteller in einer Kooperation das IONITY-Ladenetz aufzubauen. Zukünftig soll dieses die Dichte und Leistung des Supercharger-Netzes von Tesla erreichen.
Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer der Batterie
Erfahrungen mit großen Laufleistungen im Bereich der Elektromobilität gibt es vor Allem mit dem Tesla Model S und dem Nissan Leaf der ersten Generation. Während die Teslas auch nach 500.000km noch über 80% der ursprünglichen Kapazität vorweisen können, bricht die Kapazität beim Nissan Leaf schon bei deutlich geringeren Laufleistungen auf 60% oder weniger ein. Der Grund dafür liegt in dem Aufbau des Akkus - beim Tesla wird dieser mit großem Aufwand klimatisiert, während Nissan den Akku im Winter extrem abkühlen lässt und im Sommer überhitzt. Einen solchen einfachen Aufbau zeigen jedoch heutzutage nur noch wenige Fahrzeuge am Markt.
Doch wie sieht es aus beim Schnellladen? Leidet der Akku dabei mehr, als beim langsamen Laden an AC-Stromquellen? Nun, Tesla erfasst im Fahrzeugspeicher die geladenen kWh nach Art der Ladung und reduziert automatisch die maximal mögliche Ladegeschwindigkeit, wenn diese sehr oft an Schnellladern hingen. Ob dabei vermutet wird, dass der Akku schneller altert oder ob dies für andere Komponenten, wie die Leistungselektronik gilt, bleibt Teslas Geheimnis. Fakt ist aber, dass das Schnellladen auf der Langstrecke für die meisten Autofahrer einen sehr geringen Anteil ausmachen wird. Die Vorteile der schnellen Ladung sollten daher klar überwiegen.
Grundsätzlich sollte man die folgenden Tipps befolgen um den Akku nicht unnötig zu stressen:
- Fahrzeug selten auf 100% Ladestand bringen (möglichst direkt vor Antritt einer längeren Fahrt, sonst 80%)
- Fahrzeug mit hohem Ladestand (über 80%) nicht bei hohen Temperaturen im Sommer lange Zeit stehen lassen
- Akku nicht komplett leer fahren (unter 5% Kapazität), vor Allem nicht bei winterlichen Temperaturen
- Kalten Akku nicht mit hohen Lade- oder Entladeleistungen quälen (dafür sorgt meist schon die Software im Wagen)
Insgesamt zeigen sich moderne Elektroautos sehr robust, was Technik und Lebensdauer angeht. Die Hersteller haben mittlerweile große Erfahrungen mit dem Einsatz der Akku-Technik und sorgen schon selbst konstruktiv dafür, dass diese möglichst lange halten. Das moderne E-Auto ist ein zuverlässiger Begleiter in jeder Situation und bei jedem Wetter!