Elektroautos setzen sich zunehmend mehr durch und werden unser Straßenbild in absehbarer Zeit sicherlich noch weiter beherrschen. Aber im Gegensatz zu den Autos mit Verbrennungsmotoren ist hinsichtlich der technischen Ausstattung von E-Autos nur wenig bekannt. Dieser Blogbeitrag informiert über die wichtigsten technischen Grundlagen und diejenigen Basics, die man als E-Mobil-Nutzer in jedem Fall kennen sollte. Aber auch für nicht mit E-Mobilität ausgestattete Leser dürfte dieser Artikel interessant sein und vielleicht als Anregung dafür dienen, sich mit dieser zukunftsweisenden Form der Fortbewegung näher auseinanderzusetzen.
Welche Möglichkeiten gibt es für die Versorgung von E-Autos mit Energie?
Will man sein E-Auto mit Strom aus dem Wechselstromnetz versorgen, gibt es mehrere Alternativen.
AC-Laden: Die Abkürzung AC steht für den englischen Begriff „alternating current“, was übersetzt „Wechselstrom“ heißt. Hier wird die elektrische Energie vom Wechselstromnetz erst einmal in das Fahrzeug geleitet. Ein im Auto integriertes Ladegerät übernimmt dann die Gleichrichterfunktion, wandelt also den Wechselstrom in Gleichstrom um und steuert gleichzeitig das Laden des Akkus. Die Übertragung der Energie zwischen Stromnetz und Fahrzeug kann sowohl durch ein entsprechendes Kabel erfolgen als auch kabellos durch Induktion, wobei die letztere Möglichkeit momentan noch in den Kinderschuhen steckt. In der Regel wird das Fahrzeug über eine AC-Wallbox oder eine AC-Ladestation mit dem Wechselstromnetz verbunden.
DC-Laden: Hierbei ist das Ladegerät mit der Gleichrichterfunktion in der Ladestation integriert und führt dem E-Auto den Gleichstrom („direct current“) via Ladekabel zu. Das Laden wird durch eine spezielle Schnittstelle für die Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug gesteuert. Das DC-Laden ermöglicht eine größere Leistung, dadurch kann sich die Ladezeit erheblich verringern.
Die verschiedenen Lademöglichkeiten
Hier wird in der Regel zwischen Normalladen und Schnelladen unterschieden. Die EU-Richtlinie 2014/94/EU mit der Bezeichnung „Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe“ beschreibt die beiden Lademöglichkeiten lediglich in Zusammenhang mit den beim Ladevorgang eingesetzten Ladeleistungen. Und hier werden sämtliche Ladevorgänge, deren Ladeleistung 22 kW nicht überschreitet, als Normalladen bezeichnet. Ladevorgänge mit Leistungen darüber stuft die EU-Richtlinie dagegen als Schnellladen ein.
Über die Ladebetriebsarten
Die Systemnorm DIN EN 61851-1 definiert die unterschiedlichen Ladebetriebsarten, die für das kabelgebundene Laden von E-Autos, aber auch von E-Bikes und Pedelecs, in Frage kommen.
Die Ladebetriebsart 1 bezieht sich auf das Laden an einer normalen Schutzkontaktsteckdose oder an einer ein- beziehungsweise dreiphasigen Industriesteckdose. Hier findet keine Kommunikation zwischen Infrastruktur und Fahrzeug statt. Eine Ladebetriebsart, die nur bei zweirädrigen Fahrzeugen in Frage kommt.
Die Ladebetriebsart 2 sieht ebenfalls das Laden über eine Haushaltssteckdose oder eine Industriesteckdose mit Wechselstrom vor. Der Unterschied zu Ladebetriebsart 1 besteht darin, dass in das Ladekabel des Fahrzeugs eine Schutzeinrichtung integriert ist, die vor Stromschlag schützen soll.
Die Ladebetriebsart 3 beschreibt das ein- bzw. dreiphasige Laden mit Wechselstrom (AC-Laden) an einer fest installierten Ladestation. Hier sind Mechanismen für die Sicherheit und Fehlerstrom-Schutzschalter in die Gesamtinstallation einbezogen. Häufig ist hier ein fest mit der Ladestation verbundenes Ladekabel im Einsatz, das über eine entsprechende Fahrzeugkupplung verfügt. Auf beiden Seiten des Ladekabels vom Typ 2 werden hierbei die Steckverbinder verriegelt.
Die Ladebetriebsart 4 sieht das Laden mit Gleichstrom (DC-Laden) an einer fest installierten Ladestation vor, wobei das Ladekabel immer an der Ladestationen angeschlossen ist. Hierbei ist – im Gegensatz zu den übrigen Ladebetriebsarten – das Ladegerät inklusiv diverser Sicherheitsfunktionen in die Ladestation integriert. Für die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation sorgt das Ladekabel.
„Demand Side Management“ oder auf Deutsch „Lastmanagement“
Dieser Begriff wird häufig in Zusammenhang mit der Ladetechnik von E-Autos verwendet. Grob gesagt versteht man darunter die gezielte Steuerung des Bezugs von Energie. Die Ladestationen beziehen bei Betrieb unter einem Lastmanagement nur dann Strom, wenn die Kapazitäten im Stromnetz für das Laden auch ausreichen. Durch das Lastmanagement können verschiedene Parameter, die beim Laden eine Rolle spielen, festgelegt werden. Zum Beispiel die Maximalleistung oder die Priorisierung. Dadurch können kostenintensive Lastspitzen vermieden oder reduziert werden. Falls mehrere E-Autos gleichzeitig geladen werden, sorgt das Lastmanagement dafür, dass die Elektroinstallation nicht überlastet wird. Dies geschieht durch eine optimale Verteilung der verfügbaren Ladeleistung auf alle Autos. Insbesondere bei Mehrfamilienhäusern sind die bestehenden Anschlussleitungen oft nicht auf das Laden von Elektroautos ausgelegt, vor allem dann, wenn mehrere Ladepunkte existieren. Dann regelt das Lastmanagement die Verteilung auf die verschiedenen Fahrzeuge. Und im schlimmsten Fall unterbricht das Lastmanagement auch den Zufluss an Strom, bevor möglicherweise Probleme im Stromnetz entstehen.
Steckertypen – ein Überblick
Da es unterschiedliche Stromnetze und Standardisierungen gibt, existieren auch verschiedene Steckertypen. Ganz allgemein bezeichnet man den Endpunkt eines Ladekabels, das Elektroauto und Ladestation miteinander verbindet, als Stecker.
Typ1 Stecker
Dieser Steckertyp ist in Europa nicht sehr gebräuchlich. Vielmehr weisen ihn Autos aus Nordamerika und dem asiatischen Raum auf, da er auf das in diesen Regionen verwendete 120/240 V Einphasen-Dreileiternetz ausgerichtet ist. Der Typ 1 Stecker ist ein einphasiger Ladestecker, für eine maximale Ladeleistung von 7,4 kW ausgelegt. Mehrere Automodelle wären mit diesem Steckertyp kompatibel, zum Beispiel Chevrolet, Kia, Ford, Citroën, Nissan, Mitsubishi, Peugeot, Opel und Toyota. Allerdings ist er in Deutschland eher nicht üblich.
Typ 2 Stecker
Es handelt sich hierbei um einen dreiphasigen Stecker, der sich inzwischen in Europa als Standard etabliert hat. Fast sämtliche öffentlichen Ladestationen besitzen eine Typ 2 Steckdose und erlauben hiermit eine Ladeleistung von bis zu 43 kW. An diese kann man jedes Mode 3-Ladekabel anschließen. Im privaten Bereich kann mit maximal 22 kW geladen werden, üblicherweise ebenfalls über einen Typ 2 Stecker. Auf der Seite der Ladestation haben alle Mode 3-Ladekabel den sogenannten Mennekes-Stecker (Typ 2), der nach seinem Entwickler, dem Unternehmen Mennekes-Gruppe, benannt wurde. Dieser Stecker hat sich durchgesetzt, da er sehr robust ist und sich ebenfalls leicht handhaben lässt.
CCS-Stecker / Combo 2
Der Typ 2 Stecker wurde durch das sogenannte Combined Charging System (CCS) durch zwei weitere Leistungskontakte erweitert. Dadurch wurde das Tempo für das Laden erheblich erhöht, denn nun konnte mit bis zu 170 kW geladen werden. Zumindest in der Theorie, praktisch liegt die Ladeleistung aber eher bei ca. 50 kW. Ein Vorteil dieses Steckers liegt darin, dass dadurch die Anschlüsse ebenfalls von einem mittlerweile sehr weit verbreiteten Typ 2 Stecker genutzt werden können.
Praktisch haben sämtliche DC-Ladesäulen in Europa – von wenigen Ausnahmen abgesehen – heute einen CCS-Anschluss.
CHAdeMO Stecker
Ein japanisches System für Schnellladungen mit Ladeleistungen von bis zu 100 kW. Allerdings werden an öffentlichen Ladesäulen in der Regel meist nur 50 kW ermöglicht. Fahrzeuge von Honda, Citroën, Mazda, Kia, Mitsubishi, Nissan, Toyota, Subaru und Tesla (m. Adapter) sind kompatibel mit diesem Steckertyp.
Tesla Supercharger
Tesla benutzt einen eigenen Standard für seine Ladestationen, den Tesla Supercharger. Hierbei handelt es sich um einen abgewandelten Typ 2 Stecker, der Ladeleistungen im Gleichstromnetz von maximal 120 kW erlaubt. Beispielsweise lässt sich der Akku des Modell S innerhalb einer halben Stunde zu 80 % laden. Allerdings ist dieser Steckertyp bisher nur für Tesla Modelle erhältlich.
Ladekabel – eine Übersicht
Nicht nur existieren verschiedene Stecker-Modelle, sondern ebenfalls ist das Ladekabel in verschiedenen Ausführungen erhältlich.
Mode 2-Ladekabel
Das Mode 2-Ladekabel erlaubt das Laden des Akkus direkt an der Haushaltssteckdose und findet sich meist im mitgelieferten Zubehör des E-Autos. Für Neulinge im Bereich eMobility ist dies sehr praktisch. Zur Kommunikation zwischen Ladeanschluss und E-Auto wird hierbei eine Box zwischengeschaltet, die Fahrzeugstecker und Anschlussstecker miteinander verbindet. Moderner ist allerdings diejenige Mode 2-Ladekabel Variante, die einen Anschluss für verschiedene CEE-Industriesteckdosen aufweist. Je nach CEE-Steckdose kann die Batterie hierüber mit bis zu 22 kW geladen werden.
Der CEE-Stecker - der Name ist abgeleitet von „Commission on the Rules for the Approval of the Electrical Equipment“ - weist verschiedene Bauarten auf. Als sogenannter Camping-Stecker (einphasig, blau) verfügt er über eine Ladeleistung von 3,7 kW. In der Ausführung für die Industrie-Steckdose (dreiphasig, rot) liefert er als kleiner Industriestecker (CEE 16) eine Ladeleistung von maximal 11 kW und als großer Industriestecker (CEE32) eine größtmögliche Ladeleistung von 22 kW.
Mode 3- Ladekabel
Hierbei handelt es sich um die empfohlene, gängige Lademethode. Das Mode 3-Ladekabel wird für die Verbindung der Ladestation mit dem E-Auto verwendet, und dies in Zusammenspiel mit dem Typ 2 Stecker. Mit diesem Kabel kann eine größtmögliche Ladeleistung von 43 kW erzielt werden. Da Ladestationen in der Regel mit einer Steckdose Typ 2 ausgestattet sind, kann mit diesem Kabel entweder von Typ 2 auf Typ 2 geladen werden, oder aber auch von Typ 2 auf Typ 1. Erstere Verbindung ist allerdings die übliche.
Schuko-Steckdose
Der Vollständigkeit halber sei hier auch die haushaltsübliche Steckdose erwähnt. Hier kann – mit entsprechender Absicherung – eine Ladeleistung von bis zu 3,7 kW erreicht werden. Allerdings sollte die Ladeleistung nicht höher als 2,3 kW eingestellt werden, wenn entsprechende Sicherungsmechanismen fehlen. Schuko-Steckdosen sind weit verbreitet und verlocken deshalb auch zum Laden des Akkus. Besser ist es allerdings, für die Ladetätigkeit die entsprechenden speziellen Ladestationen und Wallboxen zu verwenden. Und dies vor allem aus Gründen der Sicherheit und des Brandschutzes.
Ladeleistung – ein Begriff, der oft genannt wird
Doch was versteht man eigentlich darunter? Genau genommen bezeichnet der Begriff Ladeleistung die Menge an elektrischer Energie, welche innerhalb eines bestimmten Zeitraums von der Ladestation oder der Wallbox an das E-Auto übertragen wird.
Um die Ladeleistung berechnen zu können, benötigt man einige Daten:
1. die Zahl der Phasen, entweder ein- oder dreiphasig,
2. die Stromstärke des Stromanschlusses der Ladestation
3. und die Spannung des Stromanschlusses der Ladestation.
Weiterhin spielt bei der Berechnung über einen dreiphasigen Anschluss auch die Art und Weise, in der die Ladestation mit dem Netz verbunden ist, eine Rolle. Wenn beispielsweise eine Sternschaltung oder eine Dreieckschaltung vorliegt, beläuft sich die Spannung auf 230 bzw. 400 Volt.
Die Berechnung der Ladeleistung von E-Autos bei einphasigem Wechselstrom geschieht nun folgendermaßen:
Ladeleistung (kW) = Phasen x Spannung (V) x Stromstärke (A)
oder konkret:
Ladeleistung = 1 x 230 (V) x 16 (A)
Bei diesem Beispiel beträgt die Ladeleistung also 3,68 kW, oder aufgerundet 3,7 kW.
Die Ladeleistung bei dreiphasigem Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) mit Sternschaltung bei einer Stromstärke von 16 A berechnet man auf diese Weise:
Ladeleistung (kW) = Phasen x Spannung x Stromstärke
oder konkret:
Ladeleistung = 3 x 230 (V) x 16 (A)
Das Ergebnis dieser Berechnung: 11,04 kW (bzw. 11 kW). Dies entspricht derjenigen Ladeleistung, welche die meisten Wallboxen aufweisen.
Weitere Faktoren beeinflussen allerdings die Ladeleistung. Dazu gehört zum Beispiel die Temperatur der Batterie. Falls diese zu niedrig oder zu hoch ist, tritt das Batteriemanagementsystem in Aktion, das den Zustand der Batterie überwacht und eventuell die Ladeleistung zur Schonung des Akkus drosselt. Besonders im Winter bei Kälte ist dies der Fall. Daher ist empfehlenswert, die Batterie direkt nach längerem Fahren zu laden und nicht erst am nächsten Morgen, wenn die Batterie ausgekühlt ist.
Aber auch der Ladestand der Batterie spielt eine Rolle. Je voller sie ist, desto langsamer geschieht die weitere Ladung. Man geht üblicherweise davon aus, dass das Auto bis 80 % mit hoher Leistung lädt und erst über dieser Grenze die Stromzufuhr reduziert.
Ladezeiten
Wie lange dauert es, bis die Batterie geladen ist? Auch dies lässt sich berechnen. Die Dauer des Ladevorgangs ist abhängig von zwei Faktoren, von der maximalen Ladeleistung (kW) und von der Kapazität der Batterie (kWh). Will man die ungefähre Ladedauer berechnen, muss man die Kapazität durch die Ladeleistung teilen.
Eine Batterie mit einer Kapazität von 85 kWh benötigt für das Laden bei einer Ladeleistung von 22 kW also ungefähr vier Stunden. Da sich die Ladeleistung aber im Lauf des Ladevorgangs – wie vorher beschrieben – verringert, sollte man ein wenig mehr Zeit für das komplette Laden veranschlagen.
Reichweite – ein weiterer wichtiger Parameter
Oft entsteht auf einer längeren Fahrt die Befürchtung,das die Ladung des Akkus für die gewählte Distanz möglicherweise nicht reicht. Die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen von der Außentemperatur, weiterhin vom Betrieb anderer Stromverbraucher und natürlich in einem hohen Maß auch vom Fahrverhalten.
Sehr kalte Monate bringen – laut Tests des ADAC – Einbußen bezüglich der Reichweite von bis zu 30 % mit sich. Ebenfalls decken bestimmte elektrische Funktionen, wie zum Beispiel Heizung oder Klimaanlage, ihren Energiebedarf über das Gesamtvolumen des Akkus. Aber auch für die Reichweite existiert eine Formel, mit der sich dieser Wert ungefähr berechnen lässt:
Reichweite = Batteriekapazität (kWh) dividiert durch den Energieverbrauch pro 100 km.
Wenn dieser Wert mit 100 multipliziert wird, erhält man die ungefähre Reichweite.
Wenn also die Batteriekapazität 50 kWh beträgt und der Energieverbrauch bei 16 kWh liegt, dann kann man mit einer Reichweite von ca. 312 Kilometern rechnen.
Aber längst ist es nicht mehr so wie in früheren Jahren. Die Befürchtung, dass das Auto unterwegs mangels Ladung stehen bleibt ist heutzutage relativ unbegründet. Denn inzwischen existiert ein so dichtes Netz an Ladestationen, dass eigentlich stets eine Möglichkeit zum Laden der Batterie in der Nähe gefunden werden kann.
Die Vergrößerung der Reichweite
Grundsätzlich ist es also also eher nicht nötig, die Reichweite eines Elektroautos künstlich zu vergrößern. Dennoch existieren diesbezügliche Anstrengungen.
Dazu gehört der Hybridantrieb. Hierbei wird eine mit Kraftstoff betriebenes Aggregat für die Stromerzeugung im Fahrzeug mitgeführt. Ist dieser Stromerzeuger jedoch fest installiert und in die Steuertechnik integriert, so spricht man von einem seriellen Hybridantrieb. Oft wird der Hybridantrieb als eine Übergangsform zwischen E-Fahrzeug und Verbrennungsmotor angesehen. Dieses Kombinationsprinzip erlaubt eine vergrößerte Reichweite, deren Größe auch von der Kapazität das Stromaggregats abhängt. Versuche und Entwicklungen des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme drehen sich um das Ausstatten des Elektroautos mit Solarzellen. Hierbei werden auf dem Dach des Elektroautos Solarzellen installiert, die für zusätzliche Reichweite sorgen. Unter günstigen Bedingungen können auf diese Weise 2.000 bis 3.500 zusätzliche Kilometer an Reichweite pro Jahr gewonnen werden. Allerdings ist dieses System mit nicht geringen technischen Schwierigkeiten verbunden, die in erster Linie darin liegen, dass die durch die Solarzellen erzeugte Niedrigenergie in die Hochspannungsbatterie des Autos eingespeist werden muss.
Infolge dessen konnte sich dieses Konzept bisher auf dem Markt noch nicht durchsetzen. Besitzer eines Leichtfahrzeugs mit Elektroantrieb können sich über einen integrierten Tretantrieb (Pedale) zusätzliche Reichweiten verschaffen. Was angesichts der Hochtechnologie moderner E-Autos wie ein Witz klingt, ist Realität und wurde beispielsweise im Twike, ein dreirädriges Leichtelektroauto, in die Tat umgesetzt.
Der Akku – das energiereiche Kernstück des E-Autos
Ohne entsprechende Energiezufuhr geschieht nichts. Dies gilt sowohl für das Leben von Mensch und Tier als auch für alle technischen Bereiche. Und auch das Elektroauto muss mit einer Energiequelle versehen werden, damit es nicht zum Stillstand kommt. Und diese Energiequelle, also die Batterie oder der Akku, wurde im Lauf der letzten Jahre weiter optimiert. Und das Tempo der Innovationen im Energiebereich in Zusammenhang mit der E-Mobilität wächst synchron - und damit rasant - zur steigenden Nachfrage nach Elektroautos. Befürchtungen, die Batterien seien nicht sicher, könnten explodieren und in Brand geraten, gehören mittlerweile in den Bereich der Ammenmärchen. Und selbst dann, wenn man ganz selten einmal von einem in Brand geratenen E-Auto hört oder in den Medien liest, soll dies nicht darüber hinweg täuschen, dass die E-Technologie inzwischen ein bemerkenswertes Maß an Sicherheit gewonnen hat. Denn an der Sicherheit wird weiter geforscht und selbst die einst in Verruf geratenen Lithium-Ionen-Akkus können heutzutage mit gutem Gewissen als sicher bezeichnet werden.
Die wichtigsten Anforderungen an eine Batterie für das Elektroauto liegen neben der Sicherheit in der hohen Funktionalität sowie in der hohen Energie- und Leistungsdichte.
Fast alle E-Auto-Hersteller verwenden heute Lithium-Ionen-Akkus, da dieser Batterietyp den genannten Anforderungen am besten nachkommt und darüber hinaus noch weiteres Entwicklungspotential aufweist. Lithium-Ionen-Akkus besitzen eine hohe Zyklenfestigkeit. Sie lassen sich in der Regel bis zu 1.000 mal wieder zu 100 Prozent aufladen. Dies entspricht einer ungefähren Nutzungsdauer von acht Jahren. Das intelligente Thermomanagement der Batterie hilft effektiv dabei, die Lebensdauer der Akkus zu verlängern. Und um einem unnötigen Stress der Batterie weiterhin entgegen zu wirken, wird diese nicht vollständig geleert. Ein geringer Teil verbleibt immer als ungenutzter Puffer in der Batterie.
Der Elektromotor – gar nicht so neu wie man denkt
Man will es vielleicht nicht glauben, aber Elektromotoren wurden bereits in den Jahren 1837/38 patentiert. Die zeitgenössische Wirtschaft entdeckte sehr schnell den Vorteil, der von dieser modernen Antriebsart ausging und nutzte ihn bei Produktion, Handwerk, Verkehr und in der Industrie. Und die Eigenschaften waren damals prinzipiell die gleichen, die wir heute gegenüber dem Verbrennungsmotor als großen Vorteil werten: effizient im Energieverbrauch, zuverlässig, verschleißarm und annähernd vibrationsfrei und geräuschlos. Und bereits vom Start weg steht bei ihm nahezu das gesamte Drehmoment zur Verfügung, und dies bei einem Getriebe mit fester Übersetzung. Also bei nur einem Gang. Dass sich Elektromotoren im Bereich des Verkehrs allerdings früher nicht durchsetzen konnten, lag einzig und allein an der geringen Reichweite, die sich ja inzwischen zum Glück wesentlich vergrößert hat. Hiermit ist bezüglich des Fahrkomforts moderner Elektromotoren bereits alles gesagt. Autofahrer schätzen den Fahrspaß, der ohne lästiges Wechseln des Gangs und unter spontaner Entfaltung des Drehmoments nicht ausbleibt. Und da der Elektromotor einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % besitzt, weist er nur geringe Verluste in Form von Reibung oder Wärme auf. Die Rekuperation bezeichnet eine weitere sinnvolle Eigenschaft des Elektromotors. Nämlich seine Fähigkeiten, beim Bergabfahren und beim Bremsen Energie wieder zurück zu gewinnen.
Und auf eine weitere Besonderheit des Elektromotors sei hingewiesen. Er fährt nämlich geräuschlos und erst ab einer höheren Geschwindigkeit nimmt man als Verkehrsteilnehmer das Elektroauto überhaupt wahr. Allerdings nicht über den Motor, sondern über das Geräusch der Reifen. Diese Eigenschaft ist nicht ganz ungefährlich. Denn bei niedrigen Geschwindigkeiten lässt sich das Nahen eines E-Autos kaum bemerken. Und damit dadurch keine Unfälle riskiert werden, müssen E-Autos seit dem Jahr 2019 mit einem Soundgenerator versehen werden. Dieser erzeugt bei einem Tempo bis 20 km/h auf künstliche Weise ein Fahrgeräusch.
