Elektroautos laden: das Gesamtsystem

Das Laden eines Elektroautos ist ein koordiniertes System zur Energieübertragung und nicht nur ein Kabel zwischen Steckdose und Batterie. Fahrzeug, Versorgungseinrichtung, Elektroinstallation, Steckverbinder, Kommunikation, Zahlungsdienst und Batteriesteuerung müssen sich abstimmen, bevor Energie fließt.

Ein System, mehrere Systemgrenzen

Das Wort Ladegerät wird oft ungenau verwendet. Werden die Komponenten getrennt betrachtet, lässt sich der Ladevorgang leichter verstehen:

Die Stromversorgung liefert Wechselstrom aus einem Haus-, Gebäude- oder Netzanschluss.
Die Elektrofahrzeug-Versorgungseinrichtung (EVSE) übernimmt Schaltung, Schutz, Signalisierung und die sichere Verbindung zum Fahrzeug.
Das Onboard-Ladegerät wandelt beim AC-Laden Wechselstrom in Gleichstrom um.
Eine DC-Ladestation führt die wesentliche Umwandlung von AC in DC außerhalb des Fahrzeugs durch und versorgt das Hochvoltsystem mit geregeltem Gleichstrom.
Die Ladesteuerung des Fahrzeugs und das Batteriemanagementsystem bestimmen, welche Spannung und welchen Strom das Fahrzeug anfordern darf.
Ein Ladenetzwerk kann Authentifizierung, Tarife, Bezahlung, Überwachung und Fernbetrieb übernehmen.

Die EVSE zwingt dem Fahrzeug ihre beworbene Leistung nicht auf. Sie teilt mit, was verfügbar ist; das Fahrzeug fordert einen Wert innerhalb der sicheren Grenzen des Gesamtsystems an.

Die vier entscheidenden Größen

In Diskussionen über das Laden werden Leistung, Energie, Spannung und Strom häufig vermischt:

Die Leistung, gemessen in Kilowatt (kW), ist die momentane Rate der Energieübertragung.
Die Energie, gemessen in Kilowattstunden (kWh), ist die gelieferte oder gespeicherte Menge.
Die Spannung, gemessen in Volt (V), ist die elektrische Potenzialdifferenz.
Der Strom, gemessen in Ampere (A), ist die Flussrate elektrischer Ladung.

Für eine ideale DC-Verbindung gilt:

Power = Voltage × Current

Eine Station, die 700 V bei 400 A liefert, stellt in diesem Moment 280 kW bereit. Weder die Angabe auf ihrem Schaltschrank noch der für das Fahrzeug genannte Spitzenwert beweisen, dass diese Kombination erreicht wird. Kabeltemperatur, Leistungsverteilung am Standort, Spannungsbereich der Station, zulässiger Strom des Steckverbinders, Batteriezustand und Fahrzeuggrenzen können die Leistung verringern.

Die Ladezeit ergibt sich nicht einfach aus der Batteriekapazität geteilt durch die Spitzenleistung. Die Spitzenleistung wird möglicherweise nur kurz gehalten, Nebenverbraucher benötigen Energie und die zulässige Leistung verändert sich während einer Sitzung. Die batterieseitige Physik, C-Rate, Temperatur, Ladekurve und die Auswirkungen des Ladezustands werden unter How an EV Battery Charges behandelt.

AC und DC folgen unterschiedlichen Leistungspfaden

Beim AC-Laden liefert die Station geregelten Wechselstrom, den das Onboard-Ladegerät des Fahrzeugs in Gleichstrom umwandelt. Die nutzbare Leistung wird daher durch den niedrigsten Grenzwert von Gebäudeversorgung, Stromkreis, EVSE, Kabel und Onboard-Ladegerät begrenzt. AC-Laden eignet sich für Orte, an denen ein Fahrzeug mehrere Stunden steht: zu Hause, am Arbeitsplatz, im Hotel oder am Zielort.

Beim DC-Laden wandelt Leistungselektronik außerhalb des Fahrzeugs den Wechselstrom des Netzes in geregelten Gleichstrom um. Station und Fahrzeug stellen eine sichere Spannung her, schließen ihre Schütze und handeln den Strom fortlaufend aus. DC-Ausrüstung ist größer und teurer, kann aber wesentlich mehr Leistung übertragen, weil sie nicht vom AC-Onboard-Ladegerät des Fahrzeugs abhängt. Sie wird hauptsächlich für das Laden auf Reisen, die schnelle Wiederverfügbarkeit von Flotten und Fahrzeuge ohne zuverlässige Lademöglichkeit über Nacht eingesetzt.

Der praktische Unterschied ist die Standzeit. Ein Anschluss mit geringer Leistung kann die beste Lösung sein, wenn das Fahrzeug zehn Stunden stehen bleibt; ein Anschluss mit hoher Leistung zählt, wenn jede Minute die Reise verzögert.

Ladestufen, Modi und Marketingbegriffe

Die Begriffswelt des Ladens unterscheidet sich je nach Region. In Nordamerika sind AC Level 1, AC Level 2 und DC fast charging gängige Kategorien. Auf IEC-basierten Märkten werden außerdem die Modes 1–4 verwendet, um die Anschluss- und Steuerungsanordnung zu beschreiben. „Level 3“ wird häufig informell für DC-Laden gebraucht, ist jedoch kein weltweit gültiger Standard für Pkw.

Begriffe wie schnell, rapid, ultraschnell und High-Power Charging haben keinen einheitlichen globalen Schwellenwert. Eine präzise Beschreibung nennt Stromart, verfügbare Leistung, Spannungs- und Strombereich, Steckverbinder und das relevante Ladefenster.

Die physische Kompatibilität ist nur die erste Ebene. Der Stecker muss passen, doch Fahrzeug und Station müssen auch kompatible Spannung, Signalisierung, digitale Kommunikation, Autorisierung und Sicherheitsabläufe unterstützen. EV Charging Connectors and Inlets erklärt die wichtigsten regionalen Schnittstellen und die Grenzen von Adaptern.

Was die tatsächliche Leistung bestimmt

Die nutzbare Ladeleistung wird zu jedem Zeitpunkt durch die restriktivste aktive Grenze beschränkt:

Actual power ≤ the lowest limit imposed by
site, station, cable, connector, vehicle hardware, and battery controls

Beispiele:

Ein Ladepunkt mit 350 kW an einem Schaltschrank mit geteilter Leistung kann weniger Leistung erhalten, wenn ein weiteres Fahrzeug lädt.
Eine strombegrenzte Station erreicht bei einer Batterie mit niedrigerer Spannung möglicherweise nicht ihre beworbene Leistung.
Ein Hochvoltfahrzeug kann einen Spannungswandler oder eine umkonfigurierbare Batterie benötigen, um eine DC-Station mit niedrigerer Spannung zu nutzen.
Eine dreiphasige EVSE mit 11 kW kann ein Fahrzeug mit einem einphasigen Onboard-Ladegerät für 7.4 kW nicht dazu bringen, 11 kW aufzunehmen.
Eine kalte, heiße, fast volle oder thermisch ausgelastete Batterie kann deutlich weniger Leistung anfordern, als die Station liefern kann.

Die hervorgehobene Zahl ist somit eine Kompatibilitätsobergrenze und keine Prognose. Beim DC-Laden sind die durchschnittliche Leistung über ein angegebenes Ladezustandsfenster und die hinzugefügte Energie meist aussagekräftiger als die Spitzenleistung allein.

Übersicht der Ladeserie

Die weiteren Beiträge dieser Reihe folgen den Systemgrenzen, anstatt die Batterietheorie zu wiederholen:

EV Charging Connectors and Inlets behandelt Stecker, Fahrzeuganschlüsse, regionale Standards, Adapter und die Position des Ladeanschlusses.
Home EV Charging behandelt die Dimensionierung des Stromkreises, Installationssicherheit, Lastmanagement, Tarife und den täglichen Energiebedarf.
DC Fast Charging behandelt den Leistungspfad des öffentlichen Ladens, den Ablauf einer Sitzung, Leistungsteilung, Bezahlung, Zuverlässigkeit und Routenplanung.
Bidirectional EV Charging unterscheidet V2L, V2H, V2B und V2G und erklärt die erforderliche Umwandlungs- und Netztrennausrüstung.
Battery Swapping untersucht den automatisierten Akkutausch, den Bestand der Station, Standardisierung, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.

Konduktives Laden dominiert bei heutigen Straßenfahrzeugen, ist aber nicht die einzige Methode zur Energieübertragung. Kabelloses Laden nutzt magnetische Kopplung über einen Luftspalt, während automatische konduktive Systeme die manuelle Handhabung des Kabels überflüssig machen. Beide benötigen weiterhin kompatible Fahrzeughardware, korrekte Ausrichtung, Kommunikation, Schutzvorrichtungen und eine geeignete Elektroinstallation.

Der Batterietausch verlagert die Zeit für die Energiezufuhr weg vom Fahrer: Die Station baut einen geladenen Pack ein und lädt den entnommenen Pack später wieder auf.

Was Käufer eines Elektroautos prüfen sollten

Eine nützliche Ladespezifikation beantwortet praktische Fragen, anstatt nur die größte Zahl aufzuführen:

Welche AC- und DC-Steckverbinder sind auf dem vorgesehenen Markt verbaut?
Wie hoch sind maximale AC-Leistung, Phasenanzahl und Stromstärke?
Welche DC-Spannungs- und Strombereiche kann das Fahrzeug nutzen?
Wie viel Energie wird in einem klar angegebenen Ladefenster hinzugefügt, und wie hoch ist die Durchschnittsleistung?
Konditioniert die Navigation die Batterie vor einem geplanten DC-Ladestopp automatisch vor?
Kann das Fahrzeug ältere Stationen oder solche mit niedrigerer Spannung ohne erhebliche Leistungseinbußen nutzen?
Werden Plug & Charge, Roaming und spontane Bezahlung in den vom Fahrer genutzten Netzwerken unterstützt?
Ist die bidirektionale Funktion für den benötigten Anwendungsfall bereits verfügbar oder nur als zukunftsfähig beschrieben?
Wo befindet sich der Ladeanschluss, und reichen übliche Kabellängen beim Anhängerbetrieb oder mit Heckträgern aus?

Keine einzelne Ladespezifikation beantwortet jeden Anwendungsfall. Das Laden zu Hause ist eine Frage der Energieplanung; das Laden auf Reisen eine Frage von Zeit und Netzwerk; die Leistungsaufnahme der Batterie eine elektrochemische und thermische Frage. Klare Systemgrenzen ermöglichen faire Vergleiche.