Ladetechnik

Es gibt drei verschiedene Systemansätze zum Laden eines Elektrofahrzeugs: Das konduktive Laden, das induktive Laden und den Batteriewechsel.

Beim kabellosen (induktiven) Laden wird die Energie berührungslos auf das Elektrofahrzeug übertragen. Praxiserprobte Installationen dieses Konzeptes gibt es allerdings nur bei Elektrobussen und im Industriebereich, daher hat diese Technik noch keine Relevanz für den Ladeverbund Franken+.

Das gilt auch für den direkten Batteriewechsel. Theoretisch könnten auf diese Weise vergleichbar schnelle Ladevorgänge erreicht werden wie bei der Betankung eines konventionellen Fahrzeugs. Momentan gibt es aber noch kein Konzept, das betriebswirtschaftlich erfolgreich umgesetzt werden konnte.

Das konduktive Laden ist die am meisten verbreitete Ladetechnologie. Deshalb wird diese im Folgenden besonders ausführlich thematisiert.

Quantitativ betrachtet ist das kabelgebundene Laden die wichtigste Ladetechnologie.

In den letzten Jahren haben sich viele Formen des konduktiven Ladens entwickelt, was dazu geführt hat, dass sich die Ladevorgänge in einigen Merkmalen unterscheiden. Neben einer Ladeleistungsspanne von 3,7 bis 100 kW existieren auch noch Ladesäulen mit unterschiedlichen Steckvorrichtungen. Zumindest hat sich in Europa für das Wechselstromladen der Typ-2-Stecker als Standard durchgesetzt.

Zur besseren Übersicht definiert die Norm IEC 6185112 vier Lademodi, die sich in Bezug auf die Steckdose, die maximale Ladeleistung und die Kommunikationsmöglichkeiten unterscheiden.

Die Lademodi 1 bis 3 sind für das Laden mit Wechselstrom (AC) und der Mode 4 für das Laden mit Gleichstrom (DC) vorgesehen.

Die Lademodi 1 bis 3 sind für das Laden mit Wechselstrom (AC) und der Mode 4 für das Laden mit Gleichstrom (DC) vorgesehen.

Mode 1

Der Lademodus 1 beschreibt die AC-Aufladung mit einer handelsüblichen, genormten Steckvorrichtung, beispielweise einem SchuKo-Stecker. Im einphasigen Betrieb sind Ladeleistungen von bis zu 3,7 kW möglich. Aufgrund dieser geringen Leistung kommt es zu sehr langen Ladezeiten, weshalb sich der Lademodus 1 nur für die Heimladung eignet. Die fehlende Kommunikation zwischen Ladevorrichtung und Fahrzeug, die fahrzeugseitig fehlende Verriegelung der Steckvorrichtung und die Gefahr der Überhitzung der Zuleitungen bei einer Dauerbelastung führten dazu, dass die europäischen Automobilhersteller die Mode-1-Ladung nicht mehr unterstützen.

Mode 2

Ist bei der Ladung zu Hause keine Mode-3-Ladevorrichtung - wie zum Beispiel eine Wandladestation oder eine Ladesäule - vorhanden, kann die Aufladung mit dem Mode 2 erfolgen. In diesem Fall existiert zwischen Ladepunkt und Elektroauto eine kabelintegrierte Schutz- und Steuereinrichtung. Die Ladesteckvorrichtung kann als Typ-2-Stecker erfolgen. Dadurch sind maximale Leistungen von 22 kW im dreiphasigen Drehstrom-Betrieb möglich.

Mode 3

Der Mode 3 ist der aktuelle Standard für Wechselstrom-Ladesäulen in Deutschland und demnach auch im Ladeverbund Franken+. Für Mode 3 ist eine Ladeeinheit mit einer genormten Ladeeinrichtung nach IEC 61851 vorgeschrieben. Die Aufgabe der Einrichtung ist die Kommunikation, der Fehler- und Überstromschutz sowie die Abschaltung bei einem Netzausfall. Außerdem sind eine neue spezifische Ladesteckdose und ein Ladekabel notwendig, die die erwähnten Spezifikationen und die hohen Ladeströme unterstützen. Für Elektrofahrzeuge wurden die drei Steckertypen Typ 1, Typ 2 und Typ 3 für das Laden mit Wechselstrom entwickelt, wobei der Typ-3-Stecker keine Relevanz besitzt.

Mode 4

Unter Mode 4 versteht man das Schnellladen mit Gleichstrom. Im Gegensatz zum AC-Laden befindet sich das Ladegerät nicht im Fahrzeug, sondern ist ein Bestandteil der Ladesäule. Auf dem deutschen Markt existieren mit dem CCS-Stecker und ChAdeMO-Stecker zwei Steckervarianten, die das Schnellladen unterstützen aber untereinander nicht kompatibel sind. Bei einer CCS-Ladesäule sind Ladeleistungen von deutlich über 100 kW möglich. Dennoch ist die Verbreitung beider Schnelllade-Technologien in Deutschland gering. Einerseits liegt das an den hohen Investitionskosten, anderseits an der Ungewissheit, welcher der in Konkurrenz stehenden Standards sich auf lange Sicht durchsetzt.

Die Traktionsbatterie im Elektrofahrzeug wird immer mit Gleichstrom geladen. Üblicherweise wird von der Ladesäule aber Wechselstrom zur Verfügung gestellt, da die Säulen am deutschen Drehstromnetz angeschlossen werden. Das Ladegerät im Auto wandelt in diesem Fall den Strom in für die Akkus verträglichen Gleichstrom um.

Die AC-Ladung hat sich mittlerweile als Standard-Ladeart im privaten und öffentlichen Bereich etabliert. Sie bietet zwar im Vergleich zur DC-Aufladung tendenziell eine geringere Leistung, dennoch existieren auch im Wechselstrombereich leistungsfähige Ladetechniken, die weitaus schneller laden als Haushaltssteckdosen. Solche leistungsfähigen AC-Säulen geben - je nach Fahrzeug - entweder einen 1-phasigen Wechselstrom oder einen 3-phasigen Drehstrom ab. Von einer AC-Schnellladung spricht man ab einer Ladeleistung von 44 -22 kW. Um solche Leistungen auch nutzbar zu machen, wurden neue Ladestecker konzipiert. In Deutschland hat sich der Typ-2-Stecker als Standard etabliert.

Die Tabelle zeigt die gängigsten AC-Ladeleistungen und die daraus resultierenden Ladezeiten einer 22 kWh-Batterie.

Wechselstrom
Ladeleistung in kW 3,7 11 22 44
Spannung in V 230 400 400 400
Stromstärke in A 16 16 32 63
Ladedauer von 22 kWh 7,3 h 2,5 h 1,3 h 0,6 h

Ladesäule

AC-Ladesäulen werden hauptsächlich im öffentlichen Raum installiert. Mit einem Typ-2-Stecker, welcher auf eine Stromstärke von 63 A ausgelegt ist, sind im dreiphasigen Betrieb Ladeleistungen von bis zu 44 kW möglich. Durch die verbauten Sicherheits- und Kommunikationskomponenten entsprechen diese Ladestationen dem Mode 3. Meistens haben die Ladesäulen zwei Ladepunkte, jeweils einen auf jeder Seite. Bei älteren Ausführungen kann es durchaus vorkommen, dass ein Ladepunkt über zwei unterschiedlichen Steckertypen verfügt, beispielsweise einem Typ-2-Stecker und einem SchuKo-Stecker. Eine gleichzeitige Nutzung eines Ladepunktes mit beiden Steckern ist aber nicht möglich. Der detaillierte Aufbau der Ladesäulen im Ladeverbund Franken+ ist hier beschrieben.

Wallbox

Der überwiegende Anteil der Ladevorgänge läuft im privaten Rahmen ab. Dort kommen sogenannte Wandladestationen zum Einsatz, die meistens an der Wand befestigt werden. Im Fachjargon werden diese Stationen als Wallboxen bezeichnet.

Weitere Einsatzorte können gewerbliche Parkplätze von Kommunen, Energieversorgern, Hotels oder Firmen sein. Auch in Parkhäusern finden sich Wallboxen immer häufiger wieder.

Die Wand-Ladestation dient als Schnittstelle zum vorgelagerten Stromnetz. In der einfachsten Variante geben die Boxen eine Leistung von 3,7 kW bei einem Ladestrom von 16 A aus. Technisch ist aber auch eine Leistung von bis zu 22 kW mit einem Typ-2-Anschluss möglich.

Die Zusatzfunktionen der Wallbox sind:

  • Integration eines Backend-Systems
  • Schutzschalter
  • Zugangsbeschränkung
  • Lastmanagement

Haushaltssteckdose

Noch gibt es viele Elektroautos, die mit einem SchuKo-Stecker aufgeladen werden können. Letzterer ermöglicht ein Aufladen direkt an einer Haushaltssteckdose. Dieser Vorgang entspricht dem Lademodus 1. Bei einer Ladeleistung von etwa 2,3 kW nimmt das komplette Aufladen eines Akkus mehrere Stunden in Anspruch. Das Elektroauto reizt zudem die maximale Leistung der Haushaltssteckdose aus. Die Zuleitungen sind auf diese hohen Dauerströme häufig nicht ausgelegt. Setzt die Sicherung nicht ein, kann es zu Kabelbränden und weiteren Folgeschäden kommen. Zwar kann von einem Elektriker geprüft werden, inwiefern der vorhandene Anschluss für die direkte Aufladung geeignet ist. Dennoch wird dazu geraten, eine kabelintegrierte Schutz- und Steuereinrichtung zu verwenden, sollte das Aufladen mit einer gesicherten und leistungsfähigen Ladeeinrichtung nicht möglich sein.