Themen:
- Einführung
- Ladestecker und Anschlüsse
- Elektronische Fahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE)
- Lademöglichkeiten
- Ladezeiten
- Preise zum Laden
- Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug
- Annäherungspilot
- Kontrollpilot
- Stromnetz
Einführung:
Die Batterien von Elektrofahrzeugen oder Plug-in-Hybriden können mit externen Lademöglichkeiten aufgeladen werden. Sie können das Auto mit einem Ladekabel an eine öffentliche Ladestation, öffentliche Ladestation oder private Wallbox (an der Außenfassade oder in der Garage) anschließen, um die Batterie über das Stromnetz aufzuladen. Oftmals gibt es auch ein mobiles Ladegerät, mit dem man über die Steckdose aufladen kann, allerdings empfiehlt es sich, dieses Ladegerät nur für Notfälle zu verwenden.
Das folgende Bild zeigt das Laden eines Elektroautos. An der Seite des Fahrzeugs befindet sich eine Klappe, die der Tankklappe eines Autos mit Verbrennungsmotor sehr ähnlich sieht. Hinter der Klappe finden wir den Steckanschluss, in den der Ladestecker eingesteckt werden kann.
Der Aufkleber in der Klappe zeigt an, in welcher Farbe die LED neben dem Stecker in einem bestimmten Zustand leuchtet.
Ladestecker und Anschlüsse:
Die Ladestecker und Anschlüsse sind in Europa genormt. Für das AC-Laden (Wechselstrom) verwenden wir den Mennekes-Stecker (Typ 2) und für das DC-Laden (Gleichstrom) den CCS2-Stecker.
Das folgende Bild zeigt einen kombinierten Mennekes Typ 2 mit CSS2-Ladesteckern. Dieser Stecker ermöglicht das (schnelle) Laden mit Gleichstrom.
Das Bild unten zeigt die Stecker, die in anderen Teilen der Welt verwendet werden. Man unterscheidet zwischen AC und DC, wobei die DC-Variante häufig eine Erweiterung des AC-Steckers darstellt.
Elektronische Fahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE):
Öffentliche Ladeeinrichtungen sind grundsätzlich mit einer Schnittstelle zu EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment) ausgestattet. Dies gewährleistet Sicherheit und Kommunikation. Zu den Funktionen der EVSE gehören:
- Anschlüsse prüfen: Nachdem sichergestellt wurde, dass alle Stecker angeschlossen und verriegelt sind, startet der Lademodus;
- Selbstdiagnose: Bei erkannten Fehlern wird die Netzversorgung unterbrochen;
- Leckstromerkennung: Bei jedem Leckstrom wird die Netzversorgung unterbrochen;
- Stromregelung: kommuniziert über ein PWM-Signal mit dem Bordladegerät im Auto, um den Strom zu begrenzen.
Ladeoptionen:
Beim Laden mit Wechselstrom (AC) wird der Strom aus dem Stromnetz im Auto in Gleichstrom (DC) umgewandelt. Der Nachteil des AC-Ladens besteht darin, dass ein hohes Risiko von Induktionserscheinungen und Verlusten durch den Leiterwiderstand besteht. Auch im Auto findet eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom statt, bevor die Energie die Batterie erreicht, wodurch der Ladestrom begrenzt wird.
Das Laden mit Gleichstrom (DC) ermöglicht ein „superschnelles“ Laden. Die AC/DC-Wandlung erfolgt nicht mehr im Bordladegerät, sondern außerhalb des Fahrzeugs. Der Akku kann dadurch mit größerer Ladekapazität geladen werden und ist somit schneller voll. Dies ist ideal zum Aufladen während einer Kaffeepause auf der Autobahn für den Rest der Fahrt.
Die Arten und Geschwindigkeiten, mit denen ein Fahrzeug beladen werden kann, lassen sich in vier verschiedene Modi einteilen. Modus 1, 2, 3 und 4 geben an, wie das Fahrzeug mit der Steckdose verbunden ist.
- Modus 1: Das Laden erfolgt direkt über das Stromnetz eines Hausanschlusses. Im Fahrzeug wird die Spannung von AC (Wechselstrom) in DC (Gleichstrom) umgewandelt. Das Ladegerät bietet Sicherheit, da es keine Strombegrenzung oder Rückkopplung vom Fahrzeug zur Steckdose gibt. Diese Art der Verladung wird aufgrund der Gefahr von Gefahren und Mängeln nur selten angewendet und ist daher in vielen Ländern verboten.
- Modus 2: Genau wie im Modus 1 wird die Steckdose eines Hausanschlusses genutzt und der Ladestrom ist bei a auf 16 A begrenzt vermogen von 3,68 kW. Um jedoch eine Überlastung zu vermeiden, ist die Leistung über die Ladekabel in der Regel auf 2,3 kW (ca. 10 A) begrenzt. Mit dem Lademodus 2 ist die Ladestation als mobiles Ladegerät konzipiert, das mitgenommen werden kann. Im Fahrzeug wandelt das Bordladegerät Wechselstrom in Gleichstrom um.
- Modus 3: Das Laden erfolgt über eine feste Ladestation oder Wallbox, die wie im Modus 2 an das Stromnetz eines Gebäudes angeschlossen ist. Das Mode-3-Ladegerät ist für AC-Laden und für Leistungen von 3,68 bis 22 kW geeignet. Auch hier wird der Wechselstrom in der Leistungselektronik des Fahrzeugs in Gleichstrom umgewandelt.
- Modus 4: Während die Lademodi 1 bis 3 Wechselstrom nutzen und dieser im Fahrzeug in Gleichstrom umgewandelt werden muss, erfolgt beim Modus 4 Laden die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom in der Ladestation selbst. Der Gleichstrom wird direkt dem Akkupack zugeführt. Dies wird als DC-Laden oder Schnellladen bezeichnet. Eine DC-Ladestation für Mode-4-Laden benötigt eine Eingangsspannung von mindestens 480 Volt und liefert eine Leistung von 43 kW.
Ladezeiten:
Die Ladezeiten von Hybrid- und Elektrofahrzeugen können dadurch ermittelt werden Batteriekapazität durch die gelieferte Menge dividiert werden vermogen Van de Lader.
Die verfügbare Ladeleistung wird nicht nur durch die Art des Ladegeräts und des Ladekabels bestimmt, sondern auch durch die maximale Ladeleistung, für die die Leistungselektronik im Fahrzeug geeignet ist. Neue Luxusautos bekommen zunehmend größere Akkus mit mehr Kapazität für eine größere Reichweite, aber weil die Ladekapazität steigt, kann es sogar sein, dass die Ladezeit kürzer wird. Als Beispiel nehmen wir einen VW e-Golf (32 kWh) im Vergleich zu einem Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Nicht alle Fahrzeuge können bis zu 100 % mit Gleichstrom laden. Das DC-Laden stoppt bei 80 %. Die letzten 20 % gehen mit geringerer Ladeleistung über AC. Dies dient dem Schutz der HV-Batterie.
VW e-Golf (32 kWh)
AC-Laden:
Mit einem Typ-2-Ladestecker kann der Akkupack über Wechselstrom geladen werden. Die maximale Ladeleistung des Bordladers beträgt 3,7 kW. Wenn der Akku über eine Ladestation zu 20 % aufgeladen wird (Modus 3), dauert dies etwa 7 Stunden. Erklärung: 80 % (Laden) von 32 kWh = 25,6 kWh. Wir berechnen die Ladezeit, indem wir die benötigte Leistung durch die gelieferte Leistung dividieren: (25,6 / 3,68) = 6,96 Stunden (6 Stunden und 58 Minuten).
Beim Laden über die Steckdose (Modus 2) ist die Leistung auf 2,3 kW begrenzt und die Ladezeit beträgt 11,13 Stunden (11 Stunden und 8 Minuten).
DC-Laden:
Beim Schnellladen mit Gleichstrom mit einer Leistung von 44 kW ist der Akku nach 0,58 Stunden (35 Minuten) vollständig geladen.
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
AC-Laden:
Mit einem Typ-2-Ladestecker kann der Akkupack über Wechselstrom geladen werden. Die maximale Ladeleistung des Bordladers beträgt 11 kW. Auch hier gehen wir davon aus, dass wir ab 20 % berechnen werden. Die vom Ladegerät zu liefernde Leistung beträgt 86,72 kW. Beim Laden über die Ladestation beträgt die Ladezeit 7,88 Stunden (7 Stunden und 53 Minuten).
DC-Laden:
Mit Modus 4 ist das Laden mit bis zu 207 kW möglich. Die Ladezeit beträgt: (86,72 / 207) = 0,42 Stunden (25 Minuten).
Preise zum Laden:
Es gibt viele Anbieter von Ladekarten. Verschiedene Websites bieten Übersichten zu den Tarifen. In diesem Abschnitt gehen wir von den Energietarifen aus, die im März 2023 galten, und berücksichtigen keine Abonnementgebühren oder Starttarife pro Ladesitzung, sondern nur die Energiepreise.
- Niederlande AC 0,60 €/kWh
- Niederlande DC 0,85 €/kWh
- Belgien und Luxemburg 0,65 €/kWh
- Europa: AC 0,51 €/kWh
- Europa: DC 0,87 €/kWh
In den Beispielen VW e-Golf und Mercedes EQS berechnen wir die Ladepreise anhand der Ladekapazität und der Tatsache, dass wir ab einer Reichweite von 20 % laden.
- VW e-Golf: Basierend auf der Ladeleistung von 25,6 kW kostet er in den Niederlanden 15,36 Euro für das AC-Laden und 21,76 Euro für das DC-Laden. Gesamtreichweite: 190 km.
- Mercedes EQS: Mit der Ladeleistung von 86,72 kW kostet er in den Niederlanden 52 Euro für das AC-Laden und 73,70 Euro für das DC-Laden. Die Reichweite beträgt rund 485 km.
Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug:
Das Ladeschnittstellenmodul sorgt für die Kommunikation zwischen der Ladestation und dem Fahrzeug. Der sogenannte „Proximity Pilot“ und der „Control Pilot“, abgekürzt „PP“ und „CP“, zeigen an, dass ein Ladestecker angeschlossen ist und bestimmen, wie viel Ladestrom zulässig ist. In den nächsten beiden Absätzen wird die Funktionsweise des PP und des CP erläutert.
Im Bild sehen wir CP und PP im amerikanischen Mennekes-Stecker Typ 1 (links) und im europäischen Typ 2-Mennekes-Stecker (rechts), beide kombiniert mit dem DC-Ladestecker. Wir konzentrieren uns auf den richtigen Stecker mit dem CP, PP, den drei Phasen (L1 bis L3) mit Neutralleiter (N) und dem sogenannten Protective Earth (PE).
In diesem Abschnitt wird das folgende Diagramm verwendet, das auf der europäischen Norm (IEC 62196-2) basiert. Dabei handelt es sich um den Typ-2-Stecker, auch Mennekes genannt. Im Diagramm sehen wir (von links nach rechts) folgende Komponenten:
- EVSE-Controller: Dies ist das Modul, das in die Ladestation oder Wallbox eingebaut wird;
- Ladestecker: Zusätzlich zum Ladestrom erfolgt die Kommunikation zwischen dem EVSE-Controller und dem Fahrzeugcontroller über PP und CP;
- Fahrzeugsteuerung: Die Elektronik im Fahrzeug aktiviert den Ladevorgang, sobald mehrere Bedingungen erfüllt sind.
Annäherungspilot:
Der Proximity Pilot hat zwei Funktionen: Er registriert, ob ein Ladekabel angeschlossen ist und registriert, welcher Ladekabeltyp angeschlossen ist, sodass der maximale Ladestrom ermittelt werden kann.
Im Diagramm unten ist der PP-Kreis rot eingefärbt. Hier sehen wir einen Spannungsteiler zwischen R1 und R2, der mit 5 Volt versorgt wird. Das Steuergerät misst die Spannung zwischen R1 und R2 (diese wird der Übersichtlichkeit halber mit einem Voltmeter angezeigt). Widerstand R1 dient als Pull-up-Widerstand.
- Wenn kein Ladestecker angeschlossen ist, gibt es keinen Spannungsteiler. Der Widerstand R1 nimmt keine Spannung auf, daher beträgt die gemessene Spannung 5 Volt;
- Beim Anschließen des Ladesteckers entsteht eine Reihenschaltung. Bei den angegebenen Widerstandswerten misst das Steuergerät eine Spannung von 3,1 Volt.
Der Widerstandswert im Ladestecker gibt den maximalen Strom durch das Ladekabel an. Diese Widerstandswerte sind wie folgt:
- 100 Ohm: maximal 63 A;
- 220 Ohm: maximal 32A;
- 680 Ohm: maximal 20 A;
- 1500 Ohm: maximal 13A.
Der Widerstandswert beträgt im Beispiel 220 Ohm, was bedeutet, dass der Strom durch dieses Ladekabel maximal 32 A betragen darf. Ein höherer oder niedrigerer Widerstand sorgt für eine andere Spannungsaufteilung und damit für eine andere Eingangsspannung für den Regler.
Die nordamerikanischen Steckverbinder fallen unter den Standard: SAE J1772. Dieser Ladestecker vom Typ 1 unterscheidet sich von der europäischen Version:
- Einphasige Wechselspannung statt dreiphasiger Wechselspannung im europäischen Typ-2-Stecker;
- Manueller Verriegelungshaken. Der zusätzliche Spannungsteiler ermöglicht den Einbau zusätzlicher Sicherheit. Sobald erkannt wird, dass die Taste gedrückt wurde, schaltet sich das Ladesystem sofort ab.
Das Diagramm unten zeigt die US-Version.
Insbesondere der Verriegelungshaken erweitert die Proximity-Pilot-Schaltung.
- Im Stecker befindet sich ein Spannungsteiler;
- Schalter S3 liegt parallel zum Widerstand R7. Im Ruhezustand ist der Schalter geschlossen und der Widerstand R7 überbrückt;
- Beim Entfernen des Steckers muss der Fahrer den Verriegelungshaken betätigen, um den Stecker aus dem Fahrzeug zu ziehen. Beim Drücken dieses Hakens öffnet sich S3. Der Widerstand R7 ist Teil des Spannungsteilers.
ControlPilot:
Der CP überwacht den Ladevorgang von der Aufforderung zum Ladestart bis zum Ladeende, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Der CP ermöglicht die Kommunikation zwischen dem EVSE-Controller in der Ladeeinrichtung und dem Fahrzeug.
- Nach dem Anschließen des Ladekabels an die Ladestation legt der EVSE-Controller eine Spannung von 12 Volt an den Control Pilot-Anschluss des Ladesteckers an.
- Sobald der Ladestecker an das Fahrzeug angeschlossen wird, sinkt die Spannung durch den Spannungsteiler zwischen R9 und R3 auf ca. 4 Volt;
- Der Controller misst die eingehende Spannung über den ST2 (Schmitt-Trigger).
Der aktuelle Verlauf bei angeschlossenem Ladekabel ist rot markiert.
- Nach der Registrierung der 9 Volt aktiviert der EVSE-Controller das Relais K2. Anstelle der 12-Volt-Stromversorgung wird der Oszillator in die Schaltung einbezogen;
- der Oszillator erzeugt eine Rechteckspannung von -12 bis +12 Volt;
- die Diode sorgt dafür, dass sich die Spannung am CP-Anschluss zwischen +9 und -12 Volt ändert;
- Mit dem Tastverhältnis im PWM-Signal gibt der EVSE-Controller den maximalen Ladestrom an, den das Fahrzeug verbrauchen darf.
Nach dem Einrichten des PWM-Signals schaltet die Fahrzeugsteuerung das Relais K1 ein, wenn das Fahrzeug bereit ist, mit dem Laden zu beginnen.
- Relais K1 schaltet den Widerstand R5 auf Masse;
- Durch die Parallelschaltung zwischen R4 und R5 sinkt der positive Impuls des PWM-Signals auf 6 Volt;
- Die 6-Volt-Spannung wird vom EVSE-Controller im Ladegerät gemessen und verbindet nun das Netzteil mit dem Ladekabel, um den Akku zu laden.
Das Bild unten zeigt das Signal des Control Pilot und zeigt die Spannungsentwicklung über der Zeit. Dieser Spannungsverlauf kann im angeschlossenen Zustand am Control Pilot-Anschluss des Ladesteckers gemessen werden.
- Status A: Es besteht keine Verbindung zum Fahrzeug. Solange kein Ladekabel angeschlossen ist, bleibt die Spannung 12 Volt;
- Status B: Elektrofahrzeug ist angeschlossen. Relais K2 ist erregt. Durch die Diode im Stromkreis sinkt die Spannung auf 9 Volt;
- Status C: Relais K1 ist angezogen. Dies ist „das Signal“ für das Ladegerät, den Ladevorgang zu starten.
Status D und E zeigen an, wann eine Aktion zur Belüftung erforderlich ist oder der Ladevorgang aufgrund eines erkannten Fehlers beendet werden muss.
Stromnetz:
Im Bereich „Ladeoptionen“ wurden die Modi 1 bis 4 angezeigt. Sie haben die Wahl, das Fahrzeug zu Hause über das Home-Charger, die Wallbox, die Ladestation oder über ein Schnellladegerät an der Autobahn aufzuladen. Insbesondere das Laden zu Hause über die eigene Lademöglichkeit erfreut sich immer größerer Beliebtheit. Ein Heimladegerät kann einfach an eine Steckdose angeschlossen werden, aber um eine möglichst kurze Ladezeit mit mehr Ladestrom zu erreichen, kann man durch Anpassung der Verteilerbox eine eigene Wallbox anschließen. Zunächst schauen wir uns die Konzepte an: 1- und 3-Phasen-Wechselstrom.
Bei einem 1-Phasen-Anschluss sehen wir ein „normales“ Stromkabel mit drei Adern:
- braun: Phasendraht;
- blau: Neutralleiter;
- gelb/grün: Erdungskabel.
Bei einer 1-Phasen-Ladestation oder Wallbox fließt der Strom über zwei Drähte (den Phasenleiter und den Neutralleiter).
Eine 1-Phasen-Wallbox oder Ladestation nutzt den standardmäßigen 230-V-Anschluss der Heimelektronik. Die maximale Leistung beträgt 16 A, womit sich die maximale Ladeleistung eines 1-Phasen-Ladegeräts auf 3,7 kW erhöht. Ein 60-kW-Akkupack wird mit dieser Ladekapazität in etwa 16 Stunden geladen, was relativ lange dauert. Die meisten neuen Elektroautos haben eine höhere Kapazität.
Es besteht die Möglichkeit, den Maximalstrom im Verteilerkasten der Heimelektronik zu erhöhen, sodass mehr Kapazität für ein 32 A 1-Phasen-Ladegerät vorhanden ist. In diesem Fall kann mit maximal 7,4 kW geladen werden. Allerdings besteht bei einem 1-Phasen-Ladegerät die Gefahr, dass der Verteilerkasten überlastet wird und es zu einem Stromausfall kommt. Neben einer Ladestation gibt es weitere Elektrogeräte, die das Stromnetz nutzen, darunter Waschmaschine, Geschirrspüler, Kochfeld und Wärmepumpe. Mit Hilfe von Load Balancing kann die maximale Kapazität ausgenutzt werden:
- Tagsüber besteht eine gute Chance, dass mehrere Elektrogeräte genutzt werden. Der Ladestrom für das Fahrzeug wird reduziert;
- Die meisten Geräte werden nachts ausgeschaltet, damit das Fahrzeug über mehr Ladekapazität verfügt.
Um schneller zu laden, besteht die Möglichkeit, die Ladestation oder Wallbox über einen 3-Phasen-Anschluss an den Verteilerkasten anzuschließen. Dabei muss es sich nicht zwangsläufig um einen Kraftfluss handeln. Bei einem 3-Phasen-Anschluss sehen wir zwei zusätzliche Drähte:
- schwarz: zusätzlicher Phasendraht;
- grau: zusätzlicher Phasendraht.
Bei einer 3-Phasen-Ladestation fließt der Strom über vier Drähte (die drei Phasendrähte und den Neutralleiter).
Die Ladeleistung einer Ladestation oder Wallbox an einem 3-Phasen-Anschluss ist höher als bei einem 1-Phasen-Anschluss, wodurch das Fahrzeug schneller lädt. Der maximale Ladestrom des Fahrzeugs wird niemals überschritten. Manche Fahrzeuge sind nur zum Laden bis 3,7 kW geeignet. Es macht dann keinen Sinn, einen 3-Phasen-Anschluss herzustellen. Fahrzeuge können auch für 7,4 oder 11 kW geeignet sein: Es lohnt sich, die Kapazität (3 * 16 A) aus dem Verteilerkasten zu erhöhen.
In älteren Häusern sehen wir oft einen 1-Phasen-Anschluss (bis 35 A) im Verteilerkasten. Alle drei Phasen sind vorhanden, aber nur eine ist angeschlossen.
Der Verteilerkasten kann so umgebaut werden, dass alle drei Phasen genutzt werden. Neuere Häuser, deren Verteilerkasten für weitere elektrische Verbraucher (z. B. Solarpanel, Induktionskochfeld und Wärmepumpe) vorbereitet ist, können bereits ab Lieferung mit einem 3-Phasen-Anschluss ausgestattet werden. In diesem Fall zeigt der Stromzähler „3×220/230V oder 3×380/400 Volt“ an. Außerdem kommen insgesamt vier Drähte – die drei Phasendrähte und der Neutralleiter – von der Unterseite des Verteilerkastens. Je nach Verteilerkasten ist die Gruppe bis zu 1x25A, 1x30A oder 1,35A abgesichert. Je höher die angegebene Stromstärke, desto mehr Strom kann gleichzeitig genutzt werden.
Das Bild unten zeigt fünf Situationen von einem 1-Phasen- zu einem 3-Phasen-Anschluss im Verteilerkasten und der Verwendung eines 1-Phasen- oder 3-Phasen-Ladegeräts.
1 Phase: Mit dem Notladegerät können Sie das Fahrzeug über die Steckdose aufladen. Mit einer Wallbox kann eine 1-Phasen-Gruppe bis zu 16 A ohne Lastausgleich und 32 A mit Lastausgleich laden. Die 32A können nur erreicht werden, wenn keine anderen Verbraucher im Haus aktiv sind.
Für Leistungen bis 7,4 kW ist ein 1-Phasen-Netz mit Lastausgleich möglich. Bei der Verwendung mehrerer Elektrogeräte mit hohem Verbrauch im Haushalt, darunter Waschmaschine/Trockner, Geschirrspüler und Wärmepumpe, wird die Leistung zum Schutz vor Überlastung verringert. In der Praxis bedeutet dies, dass die Leistung um bis zu 50 % sinken kann. Der Wechsel von 1 auf 3 Phasen ist daher sinnvoll.
3 Phase: Wenn gleichzeitig zu viel Strom angefordert wird, kann dies zu einer Überlastung führen und den Schutz auslösen, was zu einem Stromausfall führt. Daher ist es wichtig, dass das Netz ausreichend Strom liefern kann. Bei einem 3-Phasen-Anschluss kann mehr Strom gleichzeitig geliefert werden. Die 3 Phasengruppen sind standardmäßig bis 25A abgesichert.
- 11 kW: Eine Verstärkung des Zählerschranks ist erforderlich. Die Umstellung von 1-phasig auf 3-phasig ist ausreichend;
- 22 kW: Zusätzlich zur Umstellung von 1-phasig auf 3-phasig ist eine Erhöhung um 35A erforderlich.
Für Privatpersonen ist die Umstellung auf 22 kW und 35A kaum interessant. Aufgrund der Erhöhung sind zusätzliche jährliche Grundgebühren in Höhe von 1000 € zu entrichten. Für jede schwerere Stufe (3x63A oder 3x80A) ist eine zusätzliche Gebühr zu zahlen. Zudem sind viele Elektrofahrzeuge (noch) nicht für das Laden mit so hohen Wechselströmen geeignet:
Es wird erwartet, dass die Zahl der Fahrzeuge, die mit Wechselstrom 22 kW laden können, in den kommenden Jahren zunehmen wird.
