Wenn man sich für ein Elektroauto interessiert, ist eine der Fragen, die sich stellt, wie man es aufladen kann. In diesem Artikel werden wir uns die Ladearten und -standards genauer ansehen.
Was muss man laden und warum kann es kompliziert sein?
“Wie lange dauert das Laden? Warum dauert es so lange? Kann ich zu Hause aufladen? Muss ich eine Schnellladestation zu Hause installieren?” – abgesehen von Fragen zur Reichweite, Kosten und Batterielebensdauer ist dies eine der Fragen, die bei Gesprächen über Elektroautos oft gestellt werden. Ich werde kurz die Prinzipien und Standards erklären und einige der beliebtesten Automodelle erwähnen. Das Zielpublikum sind Menschen ohne große Erfahrung beim Umgang mit Elektroautos, daher werden in diesem Artikel keine technischen Details zu den elektrochemischen Prozessen in den Batterien oder den Feinheiten der Elektroinstallation behandelt.
Jeder hat schon einmal ein Gerät benutzt, das aufgeladen werden muss – ein Mobiltelefon, ein Laptop, ein Epilierer oder ein Rasierer, eine Drohne oder der Akku eines herkömmlichen Autos. Die Technologien und Formate sind vielfältig, aber das Grundprinzip ist dasselbe – beim Aufladen des Akkus wird ihm Energie zugeführt, die später verwendet wird, um das Gerät zu betreiben.
Ein Akku erhält im Ladevorgang Wechselstrom und gibt im Betrieb Gleichstrom ab. Im Haushaltsstromnetz herrscht Wechselstrom, daher muss die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) gelöst werden.
Es gibt viele verschiedene Eigenschaften von Batterien, aber im Kontext von Elektroautos ist die Energiekapazität am wichtigsten. Diese wird in der Regel in Kilowattstunden (kWh) angegeben, obwohl es auch Ausnahmen gibt, wie z.B. bei BMW, das die Batteriekapazität in Amperestunden (Ah) angibt. Das Fahren eines Autos ist keine leichte Aufgabe, daher haben Elektroauto-Batterien im Vergleich zu den in anderen Bereichen verwendeten Batterien eine sehr hohe Kapazität. Zum Beispiel hat der Akku des iPhone X eine Kapazität von 10,35 Wh oder 0,01035 kWh, während der Akku des Nissan Leaf 40 kWh oder 3.864-mal mehr Energie speichert. Ein weiterer Vergleich – die gespeicherte Energie im Nissan Leaf entspricht der Menge, die benötigt wird, um Ihren elektrischen Wasserkocher 20 Stunden lang zu betreiben. Das ist eine große Menge an Energie, daher ist auch die Sicherheit wichtig.
Es gibt auch andere Faktoren (Batteriekühlung und -heizung, Ladesteuerung, interner Batteriewiderstand, Außentemperatur), die in diesem Artikel nicht behandelt werden. Aber wie funktioniert das Laden?
Ladearten
Es gibt vier Ladearten (Lade-Modus). Moderne Elektroautos verfügen über ein integriertes Ladegerät, das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und den Ladevorgang der Batterie steuert. Dies wird bei den ersten drei Ladearten verwendet. In der vierten Ladeart bezieht das Auto Gleichstrom von einer externen Ladestation.
Uzlādes režīmi. Quelle: World Electric Vehicle Journal / www.mdpi.com
Beachten Sie, dass in den USA von den Ladetypen Level 1, Level 2 (beide für langsames Laden) und Level 3 (Schnellladen) gesprochen wird, aber in diesem Artikel betrachten wir diese Klassifizierung nicht.
Modus 1 (wird nicht verwendet)
Das Kabel ist direkt mit dem integrierten Ladegerät des Autos verbunden. Es wird heutzutage aus Sicherheitsgründen nicht mehr verwendet, da das Ladekabel in dieser Lösung ständig unter Spannung steht.
Modus 2 (langsam)
Das Kabel wird an die Steckdose angeschlossen und an das integrierte Ladegerät des Autos angeschlossen. Am Kabel (bis zu 30 cm von der Steckdose entfernt) befindet sich ein Sicherheitsblock, der vom Autoladegerät gesteuert wird und den Stromfluss ein- und ausschaltet. Dieser Block unterbricht auch den Stromkreis im Fehlerfall (das Kabel wird durchtrennt, plötzlich aus dem Auto gerissen, keine Erdung usw.). Dieser Block sollte nicht als Ladegerät bezeichnet werden, da er keine Stromumwandlung oder Steuerung des Ladevorgangs durchführt. “An der Wand” wird Modus 2 normalerweise mit einer herkömmlichen Haushaltssteckdose mit Erdung realisiert, in einigen Fällen kann es jedoch auch eine dreiphasige Steckdose geben. Haushaltssteckdosen haben bestimmte Normen und Einschränkungen, daher liefert dieser Lademodus in der Regel 2,4 kW (1 Phase, 240 V, 10 A) oder 11-22 kW (3 Phasen, 400 V, 16-32 A). In der Praxis wird dies als langsames oder beschleunigtes Laden bezeichnet, wenn die Leistung über 11 kW liegt.
Mode 2 Ladevorgang aus Haushaltssteckdosen. Quelle: elbil.no
Es ist erwähnenswert, dass Hersteller von Elektroautos und Branchenspezialisten diesen Modus als Backup-Lösung empfehlen und für den täglichen Gebrauch eine Modus 3 Ladestation installiert werden sollte.
Modus 3 (mittelschnell)
Es wird eine stationäre (an der Wand, an einem Pfahl usw.) Ladestation verwendet, die oft als Wallbox bezeichnet wird. Es ist nicht ganz korrekt, dies als Ladegerät zu bezeichnen, da das eigentliche Ladegerät immer im Auto ist. Im Modus 3 übernimmt die Ladestation Sicherheitsfunktionen, ähnlich wie beim Modus 2 der “Kasten” am Kabel. Die Ladestation hat entweder eine Kupplung für das Kabel (normalerweise Typ 2) oder ein festes Kabel (mit entsprechendem Typ 1 oder Typ 2 Stecker auf der Autosenseite). Zusätzlich können Funktionen wie die Regelung des Ladestroms (manuell, per Software oder per Smart-House-Funktion), Autorisierung (z.B. mit RFID) oder Ladesteuerung über ein Smartphone möglich sein. Aufgrund der ernsthafteren Elektroinstallation (keine Haushaltssteckdose) kann diese Option eine Leistung von bis zu 7 kW im Fall von einphasigem Wechselstrom oder 43 kW im Fall von dreiphasigem Wechselstrom bieten. Nicht alle ETL-Ladegeräte können diese Leistung liefern. Modus 3 wird oft als mittelschnelles oder beschleunigtes Laden bezeichnet.
Modus 3 Laden. Quelle: www.rolecserv.com
Modus 4 (schnell)
Im Gegensatz zu den ersten drei Modi erhält das Auto in diesem Modus Gleichstrom. Das Ladegerät befindet sich außerhalb des Autos, wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und ermöglicht die Kommunikation mit dem Auto. Dies wird als Schnellladen bezeichnet und ist in der Regel mit einer Leistung von 50 kW verfügbar. Es wurden auch leistungsstärkere Standards entwickelt, die Leistungen von bis zu 200 kW…350 kW ermöglichen.
Modus 4 Schnellladung. Quelle: elbil.no
Die meisten modernen ETLs unterstützen das Schnellladen, und verschiedene Automodelle bieten unterschiedliche maximale Ladeleistungen. In Bezug auf Modus 4 ist es wichtig zu wissen, dass eine Entladung des Akkus schneller erfolgt, aber über 80% der Ladestufe wird die Ladegeschwindigkeit erheblich verringert, um die Lebensdauer der Batterie zu schonen. Daher wird die Ladezeit für das Schnellladen in der Regel von leer auf 80% gemessen. Dies ist in der folgenden Grafik gut zu sehen, in der die Ladedynamik eines bestimmten Modells mit Ladeleistungen von zwei unterschiedlichen Schnellladegeräten verglichen wird.
Modus 4 Ladedynamik. Quelle: Insideevs.com
Wenn die Batterietemperatur außerhalb des normalen Bereichs liegt, dauert das Schnellladen erheblich länger oder ist möglicherweise überhaupt nicht möglich. Diese Temperaturzone ist nicht besonders groß – der Unterschied wird bei Temperaturen unter +5°C in der kalten Jahreszeit oder deutlich über +25°C im Sommer spürbar, insbesondere nach intensivem Laden oder Fahren des ETL.
Ladeanschlüsse
Type 1 / SAE J1772
Type 1 ist der Verbindungsstandard für langsames Laden (Lademodi 2 und 3), der hauptsächlich in asiatischen und nordamerikanischen Automodellen verwendet wird. Beispiele dafür sind Mitsubishi i-Miev/C-Zero/iOn, erste Generation des Nissan Leaf, Kia Soul EV und der Plug-in-Hybrid Toyota Prius. Interessanterweise verwenden einige europäische Hersteller in den für den US-Markt erhältlichen Modellversionen ebenfalls den Type 1-Anschluss.
Type 1 Anschluss. Quelle: wikipedia.org
Type 2 / Mennekes
Type 2 oder Mennekes ist ein Verbindungsstandard, der sowohl verschiedene Modi unterstützt – Wechselstrom (einphasig und dreiphasig) als auch Gleichstromladen. Dies ist der offizielle Standard, den die Europäische Union auf ihrem Territorium gewählt hat, daher ist er in allen deutschen Automarken wie VW, BMW, Audi, Mercedes-Benz sowie dem französischen Renault anzutreffen. Interessanterweise ist der Type 2-Anschluss auch im europäischen Nissan Leaf erhältlich, während er in den USA und Japan immer noch mit Type 1 erhältlich ist.
Type 2 Ladevorrichtung. Quelle: electrocars.lt
CHAdeMO
CHAdeMO ist ein Schnellladeanschluss, der von einer Vereinigung entwickelt wurde, die führende japanische Automobilhersteller wie Nissan, Mitsubishi, Fuji Heavy Industries und Toyota vertritt. Ähnlich wie Type 1 ist er hauptsächlich in asiatischen Autos verbreitet, wie dem Nissan Leaf und e-NV200, dem Kia Soul EV und einigen europäischen Modellen wie dem Citroën Berlingo Electric und dem Peugeot Partner. Wenn der Nissan Leaf nicht das beliebteste Elektroauto wäre, könnte man von einem Minderheitsstandard sprechen, aber dieser japanische Standard hat sich nun weit verbreitet.
CHAdeMO Anschluss, Nissan Leaf. Quelle: thedriven.io
Der CHAdeMO Schnellladestandard ermöglicht eine Leistung von 62,5 kW (Gleichstrom, 125A x 500V), obwohl häufig 50 kW-Ladegeräte anzutreffen sind. Im Jahr 2018 wurde auch der CHAdeMO 2.0-Standard angekündigt, der eine Ladung von bis zu 400 kW (400A x 1000V) ermöglichen würde.
CCS / Combo
CCS oder Combo ergänzt den langsamen Ladeanschluss um zwei zusätzliche dicke Stifte für das Gleichstromladen. Wie auf dem Bild unten zu sehen ist, befindet sich oben der Type 2-Stecker für das langsame Laden, und wenn man die untere Klappe öffnet, kann man den Combo-Stecker für das Schnellladen anschließen. Der Vorteil dieser Variante im Vergleich zu CHAdeMO ist das kompaktere Design. Es gibt einen Trend, dass immer mehr Hersteller Combo-Anschlüsse in ihren ETL einbauen, und das neue europäische Lade-Netzwerk IONITY bietet nur CCS-Standardladung an.
Combo 2 oder CCS 2 Anschluss, zusammen mit Type 2 Stecker. Quelle: www.naf.no
Combo oder CCS wird in Autos wie dem Hyundai Ioniq und Kona EV, BMW i3, VW e-Golf, Opel Ampera-e, Audi e-tron und anderen verwendet.
Combo 2 / CCS2 Ladung
In Europa wird Combo 2 oder CCS2 verwendet, um den Type 2 Anschluss (oben aufgeführt) zu ergänzen.
Aber in Amerika, Korea und Taiwan gibt es Combo 1 oder CCS1, das den Type 1-Anschluss ergänzt. Dies ist wichtig zu beachten, wenn zum Beispiel ein ETL aus den USA importiert wird – der europäische CCS-Anschluss passt nicht und eine Anpassung muss durchgeführt werden.
Weitere Anschlüsse
Obwohl er bei uns praktisch nicht vorkommt, ist der chinesische GB/T-Standard erwähnenswert. Dieser ist nur in in China hergestellten ETLs erhältlich (und es gibt viele davon – SAIC, FAW, Geely, Dongfeng, BYD, BAIC, Chery etc.). Der GB/T-Schnellladeanschluss sieht CHAdeMO visuell ähnlich und hat in der Regel eine Leistung von 50 kW, es gibt aber auch weitverbreitete 125 kW-Varianten. Überraschend ist auch die Anzahl der Ladestationen – in verschiedenen Quellen werden 66.000 bis 127.000 Schnellladestationen genannt, während weltweit etwa 17.000 CHAdeMO- und 7.000 Combo-Schnellladestationen (Stand Januar 2018) vorhanden sind. Es wird diskutiert, dass CHAdeMO und GB/T in Zukunft einen gemeinsamen Schnelllade-Standard entwickeln könnten.
GB/T definiert auch das langsame Laden, bei dem Type 2-Stecker verwendet werden – nur in umgekehrter Richtung – der GB/T-Anschluss im Auto ist derselbe (weiblicher Stecker) wie der Type 2-Anschluss des Kabels in Europa.
Ladestecker Geely Emgrand EV: GB/T Schnell- und Langsamladebuchsen. Quelle: New Straits Times
Es gibt eine beträchtliche Anzahl von Ladeanschlüssen und -standards, die in frühen Elektroautos anzutreffen sind. Unten sind einige davon aufgeführt – der norwegische Think City mit seinem blauen Anschluss,
Think City Ladeanschluss. Quelle: fingers-welt.de
Was bedeutet das alles in der Praxis?
Nachdem man die oben genannten Informationen zu den Ladearten, Kabeln, Anschlüssen, Leistungen und Regionen gelesen hat, mag es sehr, sehr kompliziert erscheinen. Aber in Wirklichkeit ist es das nicht! Jedes Elektroauto hat in der Regel ein Kabel zum langsamen Laden im Kofferraum. Aufgrund der großen Batteriekapazität darf man nicht erwarten, dass man mit dem Aufladen von einer herkömmlichen Haushaltssteckdose in einer Stunde wesentlich weiter kommt als ein Dutzend Kilometer. Daher sollte ernsthaft darüber nachgedacht werden, eine sogenannte Wallbox oder Ladestation im Hof, in der Garage oder am Arbeitsplatz zu installieren. Wenn man eine Stunde an einer solchen Ladestation lädt, kann man mehr als 40 km fahren.
Auf der anderen Seite ermöglicht das Schnellladen, dass man nach einer 30-minütigen Ladung schon fast wieder mit einer vollen Batterie weiterfahren kann. Derzeit stehen in den verfügbaren Schnellladestationen in Lettland Anschlüsse für beide gängigen Standards zur Verfügung. In der folgenden Tabelle kann man die Ladezeiten und -modi vergleichen. Die angegebene Ladungsmenge (30 kW) entspricht in etwa der Ladung eines aktuellen Nissan Leaf von 0% auf 80%. Die berechnete Fahrstrecke geht von der Annahme aus, dass man mit 1 kWh etwa 5,5 km fahren kann.
Ladevergleich. Quelle: uzladets.lv
Hoffentlich vermittelt dies einen groben Überblick darüber, wie schnell (oder langsam) ein Elektroauto in verschiedenen Modi aufgeladen werden kann und wie weit man damit kommen kann. Und es wird nicht mehr lange dauern, bis das Aufladen eines Elektroautos genauso einfach ist wie das Tanken von Benzin, Diesel oder Gas in einem Auto.
