E-Fahrzeuge aufladen

Allen modernen E-Fahrzeugen ist gemein, dass sie einen der oben genannten Ladestandards (Typ 1, Typ 2, CHAdeMO, Combo 2/CCS) verwenden.

Es muss daher zunächst unterschieden werden, dass Ladungen mit Typ 1 (einphasig) oder Typ 2 (einphasig, mehrphasig) immer Wechelstrom-Ladungen sind (proprietäre Systeme wie Tesla Supercharger ausgenommen).

Mit Ausnahme des Renault ZOE, einem Fahrzeug, das zur Ladung auch Antriebskomponenten als Ladegerät verwendet, ist allen Fahrzeugen gemein, dass ein dezidiertes, internes Ladegerät verbaut ist, dessen Aufgabe es ist, den aus dem Stromnetz zugeführten Wechselstrom (AC), in Gleichstrom (DC) für die Batterie, umzuwandeln – dies deshalb, da die Batterie ausschließlich Gleichstrom (DC) speichern kann.

Dadurch sind die Fahrzeuge durch die für die Wechselstromladung notwendigen Komponenten, in ihrer Ladeleistung begrenzt.
Es werden – je nach Fahrzeugmodell und Ladertype – Ladeleistungen zwischen 3,7 kW (16A, einphasig) und 43 kW (63A, dreiphasig) realisiert.

Nicht zuletzt benötigen diese Ladegeräte Platz und es entsteht ein (meist im einstelligen Prozentbereich) Wandlungsverlust. Dies wiederum bedeutet auch Abwärme, weshalb der Platzierung und der thermischen Belastung im Fahrzeug ebenfalls eine konstruktionsbedingte Bedeutung zukommt.

Fast alle modernen E-Fahrzeuge, mit Ausnahme der Renault ZOE, sind in der Lage, ebenfalls Gleichstrom (DC) zu laden.
Hierfür kommen die Ladestandards CCS (Combo 2) oder CHAdeMO zum Einsatz.

Dadurch, dass hierbei das im Fahrzeug befindliche Ladegerät umgangen und der Ladestrom direkt der Batterie zugeführt wird, lassen sich – in der Regel – höhere Ladeleistungen realisieren (z.B. 50 kW DC).
Die Batterie gibt bei Ladungen mit Gleichstrom (DC) vor, welche Spannung und Stromstärke benötigt wird. Sie ist quasi der „Chef“ und sagt der Säule, wie zu laden ist (Master / Slave).

Auch die Temperatur der in der Batterie befindlichen Zellen hat direkte Auswirkung auf die Ladeleistung.
So wird bei besonders hoher Zellentemperatur oder auch bei besonders niedriger Zellentemperatur, die Ladeleistung womöglich gedrosselt (zum Schutz der Batterie).

Die meisten Hersteller verwenden daher ein so genanntes Thermalmanagementsystem (TMS) zur Regulierung der Zellentemperatur im Sommer wie im Winter.

So verfügen Fahrzeuge wie das Tesla Model S oder X über ein Flüssig-Thermalmanagement-System, das Wärme besonders gut zuführen oder abführen kann. Andere Fahrzeuge wie z.B. Hyundai IONIQ Elektro oder Renault ZOE, nutzen ein Luft-Thermalmanagement-System, das durch Zuführung von frischer Luft, Luft aus dem Innenraum oder auch durch Nutzung der Klimaanlage, die Temperatur regulieren kann – und im Winter mittels eigenen PTC-Heizelementen auch die Zellentemperatur unterstützend erhöht (z.B. während der Vorkonditionierung des Fahrzeuges).

Fahrzeuge wie der VW eGolf oder der Nissan Leaf (24-40 kWh) nutzen ein passives System (Fahrtwind, Regulierung des Ladestroms), um die vom Hersteller vorgegebenen Zellentemperaturen nicht zu überschreiten.

Je höher die zu erreichende Ladeleistung liegen soll, desto mehr wirken sich Faktoren wie Batteriegröße, Zellchemie, Zellentemperatur und Thermalmanagement auf die Ladung insgesamt aus.

Im Winter empfiehlt sich daher, eine Schnellladung vor dem Abstellen des Fahrzeuges über Nacht durchzuführen, oder eine langsamere Ladung während der Nachtstunden (z.B. zuhause) durchzuführen – im Sommer hingegen kann es sein, dass zu hohe Zellentemperaturen zu einer Drosselung der Schnellladeleistung führen.

Diese Spezifika sind von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich und es kommt vor allem auf den individuellen Einsatz des Fahrzeuges (Reichweitenbedarf, Ladeverhalten, etc.) an.

Typ 1 (AC)

Typ 2 (AC)

CCS-Combo 2 (DC)

CHAdeMO (DC)

Mit welcher Ladeleistung dein E-Fahrzeug lädt, ergibt sich immer aus folgenden Punkten:

– Anzahl der Phasen
– Spannung
– Stromstärke

Bei den Phasen unterscheidet man im Regelfall zwischen einphasigen und dreiphasigen (Drehstrom) Ladungen.

Während eine Schuko-Steckdose nur über eine Phase (L1) verfügt, so sind an einer CEE-Steckdose (oft auch als Kraftstromsteckdose oder Drehstromsteckdose bezeichnet) normalerweise drei Phasen verfügbar (L1, L2, L3).

Jede Phase liefert eine bestimmte Stromstärke (Ampere).

Eine gewöhnliche Haushaltssteckdose bietet überlicherweise Stromstärken zwischen 8A und 12A, wobei eine Dauerlast über mehrere Stunden nicht vorgesehen ist und darum für den Ladebetrieb eines E-Fahrzeuges nur über kurze Zeit und als „Notladung“ vorzusehen sein sollte.

Eine rote 5-polige CEE-Steckdose (Drehstromsdose/Kraftstromsteckdose) bietet meist eine Stromstärke von 16A bis 32A (5-polig, 3 Phasen + Nullleiter (N) + Erde (PE)), wobei es hier bauartbedingt unterschiedliche Größen zwischen 16A und 25A/32A Drehstromsteckdosen gibt, bei denen entsprechend auch der Zuleitungsquerschnitt und die anschlussseitige Absicherung (FI, LS) entsprechend zu dimensionieren sind.

Nun liegt zwischen den Phasen immer eine bestimmte Spannung an. Bei uns im Regelfall 230V.

Multipliziert man die Stromstärke der Phase mit der Spannung, ergibt dies die Leistung (den Ladestrom) mit der pro Phase geladen wird –
sie wird in Watt bzw. kiloWatt angegeben (kW).

An einer Schuko-Steckdose mit 10A Stromstärke bei 230V Spannung ergäbe dies 2,3 kW (2300 Watt) an Ladestrom.
An einer (roten/blauen) CEE-Steckdose mit 16A Stromstärke bei 230V Spannung ergäbe dies 3,7 kW (3700 Watt) an Ladestrom – pro Phase.
Da bei CEE rot (5-polig) drei Phasen vorhanden sind, stehen insgesamt 3 x 3,7 kW also 11 kW Ladestrom zur Verfügung.

Lassen Sie Ihre Installation (Steckdose, Zuleitung, Absicherung) daher stets von einem hierfür fachlich geeigneten und konzessionierten Fachbetrieb überprüfen und regelmäßig warten, um Defekte, Kabelbrände oder Schlimmeres zu vermeiden.

E-Fahrzeuge sind mit modernen Lithium-Ionen Antriebsbatterien ausgestattet.

Diese sind mitunter auch temperaturempfindlich, weshalb die Fahrzeughersteller über das Batteriemanagementsystem (BMS), also der Überwachungssoftware der Batterie, bestimmte Parameter so konservativ auslegen, dass das Laden für den Benutzer unter normalen Bedingungen problemlos möglich ist.

Große Temperaturunterschiede zB. Hitze im Sommer und Kälte im Winter, sorgen dafür, dass die Zellen in der Batterie, die ja in der Regel ein massereiches Objekt ist, diese Umgebungstemperaturen annehmen und sich diese Zellentemperaturen im Betrieb durch das Fahren und Laden des Fahrzeugs verändern.

Operieren die Batteriezellen nun in einem für sie ungünstigeren Temperaturfenster, werden durch das BMS des Fahrzeugs Maßnahmen zum Schutz der Batterie getroffen. Diese Maßnahmen können beispielsweise eine Reduzierung der Ladeleistung mit sich bringen, was unter Umständen längere Ladezeiten mit sich bringt.

Darum verbauen die Fahrzeughersteller so genannte Thermalmanagementsysteme, also technische Einrichtungen, zur Temperierung der Batteriezellen. Dies kann eine einfache Ablüftung bzw. Kühlung über die Klimaanlage (Luft) sein oder ein Flüssigthermalmanagement geführtes System, bei dem ein spezielles Gemisch die Zellen sowohl heizen als auch kühlen kann.
Damit ist gewährleistet, dass die Zellen optimal temperiert sind und das Laden für den Benutzer ohne Komfortverlust von Statten geht.

Manche Fahrzeuge (Nissan Leaf, VW eGolf, VW eUp) verfügen über kein “aktives” Thermalmanagement sondern kühlen nur passiv (Fahrtwind).

Sind die Zellen im Winter nun “kalt”, reduziert das BMS ggf. die Ladeleistung, um die Zellen nicht zu sehr “zu stressen”. Umgekehrt wird die Ladeleistung (oder auch Antriebsleistung) zum Schutz der Zelle vor übermäßigem Verschleiß (Alterung), der so genannten Degradation, bei zu hoher Zellentemperatur gedrosselt.

Darum ist es sinnvoll, das E-Fahrzeug direkt nach Ankunft zu laden (Winter), wenn die Zellen auf einem angenehmen Temperaturniveau sind (Auskühlen der Zellen über Nacht).