Das Laden von Elektrofahrzeugen

Es gibt viele verschiedene Ladesäulen, aber worin liegen deren Unterschiede?                                                                                                                 Einordnung der Begriffe wie Wechselstrom, Gleichstrom, Schnell- und Normalladesäulen und viele mehr.

Elektrofahrzeuge werden in der Regel über Ladestationen mit Strom versorgt. Eine Ladestation lässt sich mit einer Zapfsäule herkömmlicher Kraftstoffe vergleichen, weshalb sie auch als Stromtankstelle bezeichnet wird. Sie stellen den Ankerpunkt in der Mobilitäts- und Verkehrswende dar, weshalb sie als überaus relevant angesehen werden können. Hinsichtlich des Ladens gibt es diverse Unterschiede bezüglich des Stroms und der Steckertypen.

1. Stromart

Zu europäischen Elektrofahrzeugen lassen sich zwei verschiedene Ladesäulenmodellen zuordnen. Dabei kann zwischen zwei Ladearten unterschieden werden, wobei diese als AC (Normalladesäulen mit Wechselstrom) bzw. DC (Schnellladesäulen mit Gleichstrom) bezeichnet werden. Die in den Elektrofahrzeugen verwendeten Akkumulatoren funktionieren nur mit Gleichstrom, weshalb sie sich auch nur mit Gleichstrom aufladen lassen. Für das Laden mit Wechselstrom, die Stromart welche im Spannungsnetz am meisten auftritt, ist eine Umwandlung notwendig. Diese erfolgt mit einem Gleichrichter, welcher als On-Board Charger bezeichnet wird und im Fahrzeug integriert ist. Der Unterschied zwischen den beiden Ladearten (AC und DC) liegt darin, wo im Ladeprozess die Umwandlung erfolgt. Sollte die Umwandlung im Auto selbst erfolgen, wird vom AC-Laden gesprochen. Findet die Umwandlung hingegen in der Ladesäule statt, wird dies dem DC-Laden zugeordnet. Das bedeutet, dass im Fahrzeug kein zusätzlicher Gleichrichter benötigt wird. Die Gleichrichter in einer Ladestation können deutlich größer dimensioniert werden und somit mehr Strom umwandeln als die im Fahrzeug verbauten On-Board-Charger. Abhängig davon mit welcher Stromart geladen wird, kann eine andere maximal mögliche Ladeleistung erzielt werden. Diese und viele weitere Unterschiede zwischen den zwei Stromarten müssen bei der Wahl einer Ladesäule berücksichtigt werden.

Der Wechselstrom, welcher auch als „Alternating Current" bezeichnet wird, ist die haushaltsübliche Stromart, welche typischerweise in Europa in Niederspannungsnetzen zu finden ist. Zudem kann dieser Strom zum Laden von Elektrofahrzeugen genutzt werden. Der Wechselstrom kann im Auto allerdings nicht direkt in der Batterie gespeichert werden, weshalb ein On-Board-Charger den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umwandelt. Durch die Umwandlung kann der Strom in den Fahrzeugbatterien gespeichert und genutzt werden. Je nach eingebauten On-Board-Charger ist die Ladeleistung hierbei auf max. 43 kW begrenzt, weshalb überwiegend AC-Ladesäulen als Wallbox im privaten Gebrauch Anwendung finden. Aufgrund der geringen Ladeleistung muss über einen längeren Zeitraum geladen werden, weshalb Kunden zu Hause flexibler sind hinsichtlich des Ladevorgangs. Wegen des finanziellen Rahmens und der Baugröße des im E-Fahrzeug verbauten On-Board-Chargers, stellt hierbei die maximal mögliche Stromumwandlung im Auto den limitierenden Faktor dar.

1.2 DC-Strom

Die zweite Stromart ist der DC-Strom, wobei dies für „Direct Current“ und übersetzt für Gleichstrom steht. Im Gegensatz zum AC-Laden wechselt hier der Strom bei der Übertragung nicht die Richtung, da kein Wechsel der Polarität auftritt. Dies ist möglich, da die Transformation von Wechselstrom in Gleichstrom nicht im Auto, sondern direkt in der Ladesäule vorgenommen wird. Dadurch wird der geladene Strom direkt an die Batterien des Fahrzeuges weitergegeben. Diese schnellere Alternative zum AC-Laden ermöglicht hohe Ladeleistungen von bis zu 300 kW, weshalb der Ladevorgang in nur wenigen Minuten abgeschlossen ist. Aus diesem Grund sind DC-Schnellladesäulen dort zu finden, wo lediglich eine kurze Standzeit besteht, beispielsweise bei Tankstellen. Für den privaten Gebrauch sind DC-Ladesäulen allerdings keine wirtschaftlich relevante Alternative, da die Investition und die anschließende Installation mit hohen Kosten verbunden sind. Zudem wird eine erhebliche Stromleistung von bis zu 500 Ampere benötigt, weshalb der Ladevorgang gut abgesichert sein muss. Bei einer beispielsweise unsachgemäßen Verwendung kann es zu einer Überhitzung der Batterie oder zu einem Kabelbrand führen. Darüber hinaus können Privathaushalte diese Ladeleistung nicht aufbringen, da meist nur 63 Ampere zu Verfügung stehen. Aufgrund dieser Aspekte werden Schnellladesäulen tendenziell eher im öffentlichen Raum errichtet.

2. Steckertypen

Da es keinen einheitlichen Stecker für Elektroautos gibt, ist auf dem Markt eine Vielzahl an verschiedenen Steckertypen vorhanden. Diese variieren hinsichtlich der Ladedauer und der Ladeleistung. Da bei einer höheren Ladeleistung das Auto schneller geladen ist, hat der Stecker einen unmittelbaren Einfluss auf die Ladedauer. Nur durch die Betrachtung aller verschiedenen Steckertypen kann eine fundierte Entscheidung getroffen werden, welches Elektroauto bzw. Ladesäule die geeignetste ist, da nicht die Kompatibilität mit allen Steckern gegeben ist. Im Folgenden wird ein Überblick über alle relevanten Steckertypen geschaffen.

2.1 SchuKo

Mit einem SchuKo-Stecker, wobei dies für Schutz-Kontakt-Stecker steht, kann eine Not-Ladung von zu Hause aus vorgenommen werden. Für diese Ladung wird das Not-Kabel genutzt, welches mit einem Typ-2-Anschluss an das Auto und an eine haushaltsübliche Steckdose angeschlossen wird. In diesem Fall übernimmt die Steuerung und die Kommunikation die „In-Kabel-Kontrollbox“ (ICCB). Mit diesem System aus Steckern (CEE 7/4) und Steckdosen (CEE 7/3) kann mit einer Standard-Steckdose, welche in Deutschland und Europa verbreitet ist, eine kurzfristige Ladeleistung vorgenommen werden. In der Theorie könnte eine Haushaltssteckdose mit 230 Volt Spannung ein Wechselstrom mit bis zu 3,7 kW übertragen. Um die Betriebsmittel wie Kabel vor einer Überlastung und Zerstörung (z. B. Kabelbrand) zu schützen wird die Ladeleistung auf ca. 2,3 – 2,6 kW gedrosselt, was eine längere Ladezeit zur Folge hat. Diese Ladeleistung ist allerdings vollkommend ausreichend, wenn das E-Fahrzeug beispielsweise über Nacht geladen wird. Dadurch können im Schnitt innerhalb von 10 Stunden eine Reichweite von 100-150 km nachgeladen werden.

2.2 CEE-Stecker

Der blaue, einphasige CEE-Stecker wird vor allem für den Anschluss von Wohnmobilien auf Campingplätzen genutzt, weshalb er auch Campingstecker genannt wird. Bei diesem Stecker besteht, im Gegensatz zum SchuKo-Stecker, keine Gefahr eines Kabelbrands, sodass längere Ladezeiten kein Problem darstellen. Dadurch kann mit 230 V und 3,7 kW geladen werden, bis die Batterie komplett aufgeladen ist. In der Regel wird allerdings eine Wallbox mit einer anderen leistungsfähigeren Stecker-Version angeschlossen, weshalb die Relevanz des CEE-Steckers als nicht sehr hoch angesehen werden kann.

2.3 Typ-1-Stecker

Der Typ-1-Stecker ist ein einphasiger Stecker für Wechselstrom, bei dem die Ladeleistung auf max. 7,4 kW begrenzt ist. Dieser Stecker ist überwiegend in Nordamerika und Asien verbreitet, weshalb dieser für den europäischen Markt nicht überaus relevant ist. Aufgrund der geringen Nachfrage in Deutschland nach Ladesäulen mit Typ-1-Steckern, werden bei Autos von asiatischen Herstellern automatisch Adapter mitgeliefert. Dadurch kann trotz abweichende Steckertypen an üblichen Ladesäulen geladen werden. Diese Form ist jedoch nicht zukunftsfähig, da neben der geringen Ladeleistung auch keine Verriegelung möglich ist.

2.4 Typ-2-Stecker

Der Typ-2-Stecker ist ein dreiphasiger für Wechselstrom, wodurch der Strom schneller fließen kann als beim einphasigen Stecker (Typ-1-Stecker). Der Typ-2-Stecker wurde im Jahr 2013 von der Europäischen Kommission als Standard für die Ladung von E-Fahrzeugen an Ladesäulen festgelegt. Aus diesem Grund ist der passende Anschluss bei nahezu allen großen, europäischen Herstellern verbaut. Abhängig von der Größe des On-Board-Chargers und der Ladestation kann mit verschiedenen Leistungen geladen werden. Beispielsweise ist im privaten Bereich mit einer Wallbox eine maximale Ladeleistung von 11 bzw. 22 kW (32 Ampere) möglich. Dies ist sehr vorteilhaft, da kein großer technischer Aufwand nötig ist, um das E-Fahrzeug mit einem Typ-2-Stecker zu laden. Bei öffentlich zugänglichen Ladesäulen kann sogar mit einer Leistung von bis zu 43 kW (63 Ampere) geladen werden. Allerdings stellt dies nicht den Regelfall dar, weil neben dem Kabel auch der im Auto verbaute On-Board-Charger einen limitierenden Faktor darstellt.

2.5 ​CCS-Stecker

Der CCS-Stecker (Combined Charging System) ist eine Erweiterung des Typ-2-Steckers um zwei zusätzliche Stromkontakte, weshalb er auch unter der Bezeichnung „Combo-2-Stecker“ bekannt ist. Dieser Stecker entspricht dem europäischen Standard, wobei das Ladeverfahren und die Steckervarianten genormt sind. Mit diesem Kombinationsstecker kann mit Gleich- oder Wechselstrom geladen werden, da der Anschluss in zwei Bereiche unterteilt ist. Der obere Bereich ist ein Typ-2-Anschluss, welcher für das Laden mit Wechselstrom genutzt werden kann, und der untere Bereich wird beim Laden mit Gleichstrom verwendet. Aufgrund dieses Aufbaus kann ein CCS-Anschluss mit zwei verschiedenen Steckertypen (DC- oder AC-Kabel) genutzt werden, wenn der Anschluss im Auto ist. Wenn jedoch der CCS-Stecker in der Ladesäule verbaut ist, kann nur mit dem dazugehörigen Kabel geladen werden. Die Maximalleistung wird durch die Bauform und den Eigenschaften der Batterie bestimmt, welche einen limitierenden Faktor darstellt. Zudem hat der Ladestand und die Temperatur einen Einfluss auf die Ladeleistung, welche gegebenenfalls dadurch verringert wird. Die höchstmögliche Leistung an Ladesäulen liegt aktuell bei 450 kW, Tendenz steigend. Da jedoch der limitierende Faktor die Autobatterien darstellen, sind in der Praxis Normalladepunkte mit 50 kW und Schnellladepunkte mit bis zu 160 kW zu finden.

2.6 CHAdeMO-Stecker

Die Bezeichnung des CHAdeMO-Steckers kommt von „CHArge de Move“. Der Stecker wurde von Tepco, einem japanischen Energiekonzern, zusammen mit diversen japanischen Fahrzeugherstellern entwickelt. Dieses Gleichstrom-Schnellladesystem ermöglicht eine Ladeleistung von bis zu 100 kW, wobei in der Praxis nur eine Leistung von 50 kW an den Ladesäulen vorzufinden ist. Es sind überwiegend japanische Autos und ältere Modelle mit einem CHAdeMO-Anschluss ausgestattet. Der Stecker ist ebenfalls kompatibel mit einigen Tesla-Modellen, wobei ein zusätzlicher Adapter benötigt wird. Allerdings unterstützen europäische Ladesäulen immer seltener diesen Stecker-Anschluss, da die aktuelle Entwicklung zeigt, dass der CSS-Stecker auf Dauer den CHAdeMO-Stecker verdrängen wird.

2.7 Tesla Supercharger

Tesla-Fahrzeuge, welche aus den Vorgängermodellen stammen und für den europäischen Markt vorgesehen waren, verfügen über einen eigenen Steckertyp. Dieser Supercharger von Tesla ähnelt dem Typ-2-Stecker, allerdings ist die Anordnung der Pins leicht verändert. Mit diesem Stecker kann an den Tesla-Ladesäulen mit bis zu 145 kW Gleichstrom geladen werden. An dem neuen Ladesäulenmodell „Supercharger V3“ kann sogar die Fahrzeugreihe „Model 3“ von Tesla bis zu 250 kW laden. Allerdings können nur Fahrzeuge der Marke Tesla Motors diese Ladesäulen nutzen. Aufgrund einer intern verbauten Umschaltung der Steckerbelegung im Fahrzeug kann hingegen nicht nur an Typ-2-Säulen, sondern auch an DC-Schnellladesäulen geladen werden.

3. Zusammenfassung

Die Ladestation und die Batterie beim DC-Laden bzw. die maximal mögliche zu liefernde Leistung und der On-Board-Charger beim AC-Laden, stellen die jeweils zwei limitierenden Faktoren bei dem Laden von Elektrofahrzeugen dar. Daraus lässt sich schließen, dass die maximal mögliche Ladeleistung zudem von dem Steckertyp und der Stromart abhängt. Darüber hinaus muss bei der Entscheidungsfindung auch die jeweilige Ladesituation des Kunden berücksichtigt werden. Je länger die Ladedauer, desto sinnvoller ist eine AC-Ladesäule, obwohl dessen Ladeleistung im Vergleich zu einer DC-Ladesäule viel geringer ausfällt. Allerdings sind die Kosten für die Installation und den Betrieb deutlich geringer, weshalb sie vor allem bei Privatpersonen in der Garage vorzufinden ist. Die DC-Ladesäulen sind hingegen bei kürzeren Standzeiten sinnvoller. Aufgrund der hohen Ladeleistung sind diese Ladesäulen häufig an Autobahnen, Tankstellen, Supermärkten und Restaurants zu finden.

Zudem subventioniert der Staat im Rahmen von diversen Förderungen die Erweiterung der Ladeinfrastruktur, um die Verkehrswende durch eine Elektrifizierung des Verkehrssektors und die Reduzierung des CO₂ Ausstoßes voranzutreiben. Dies ist ebenfalls ein Grund, weshalb die Relevanz an Schnellladesäulen stetig zunimmt.

Bei Fragen rund um die Themen AC- und DC-Laden sowie die verschiedenen Steckertypen stehen wir Ihnen gerne zu Verfügung.