E-Auto richtig laden – auf diese Faktoren kommt es an
Immer mehr Autofahrer liebäugeln mit einem Elektroauto. Das zeigt sich auch ganz deutlich in den aktuellen Statistiken des Kraftfahrt-Bundesamtes. Während die Zulassungszahlen für Neufahrzeuge im Jahr 2020 mit -19,1% gegenüber dem Jahr 2019 deutlich rückläufig waren, haben die E-Autos mit einem Zuwachs von 207% den Trend vom Vorjahr weiter fortgesetzt. Mit 194.163 Neuzulassungen hatten Elektroautos im Jahr 2020 einen Anteil von 6,7%.
Auch wenn die Beliebtheit von elektrischen Autos stetig wächst, haben viele Autokäufer nach wie vor Bedenken auf ein Fahrzeug mit Elektroantrieb umzusteigen.
Mit dem Verweis auf die sehr langen Ladezeiten winken sie oft ab und entscheiden sich dann doch für einen Neuwagen mit Verbrennungsmotor. Schliesslich dauert das Tanken von Kraftstoff bei Weitem nicht so lange, wie das Aufladen des Fahrzeugakkus. Doch wie lange müssen Elektroautos nun wirklich an der Ladestation angeschlossen bleiben? Wir verraten Ihnen, welche Faktoren dafür entscheidend sind.
Um die Frage nach der Ladezeit konkret beantworten zu können, sollte zunächst das Thema „Akkus und Batterien“ etwas genauer betrachtet werden.
Während im englischen Sprachgebrauch vorwiegend das Wort „Battery“ benutzt wird, gibt es im deutschen Sprachgebrauch feine Unterschiede. Hier wird genau zwischen Batterien und Akkus unterschieden. Im Prinzip werden beide Begriffe für Stromspeicher verwendet.
Eine Batterie ist jedoch als Einwegstromspeicher ausgelegt und kann nur entladen werden. Wenn sie leer ist, muss sie umweltverträglich entsorgt werden. Batterien werden auch als Primärzellen bezeichnet.
Ein Akku hingegen kann immer wieder aufgeladen werden und ist somit ein Mehrwegstromspeicher, der auch als Sekundärzelle bezeichnet wird.
Leider werden auch im deutschen Sprachgebrauch die Begriffe Batterie und Akku nicht immer sauber getrennt. Wenn bei Minusgraden der Verbrennungsmotor nicht anspringt, weil der Anlasser zu wenig Strom erhält, sprechen selbst Fachleute von einer altersschwachen Autobatterie. Die besagte Autobatterie ist jedoch in Wirklichkeit ein Blei-Akku, der beim Fahren von der Lichtmaschine wieder aufgeladen wird.
Auch in einem Elektroauto wird von Haus aus ein Akku für die Stromversorgung des Antriebs genutzt. Trotzdem liest man aber immer wieder das Wort Batterie, wenn vom Akku eines modernen E-Autos gesprochen wird.
Akkus sind galvanische Elemente, die aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt bestehen. Die Stromspeicherung erfolgt auf elektrochemischer Basis. Bei dem bereits oben erwähnten Beispiel einer Starterbatterie handelt es sich technisch gesehen um einen Bleiakku. Die Elektroden bestehen aus Blei und Bleidioxid. Als Elektrolyt dient mit Wasser verdünnte Schwefelsäure. Es gibt aber auch noch viele andere Akku-Technologien, wobei Nickel-Cadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus oder auch Lithium-Ionen-Akkus am weitesten verbreitet sind.
Da Lithium-Ionen-Akkus derzeit die höchste Energiedichte aufweisen, werden sie in Smartphones, Tablets, Notebooks und auch bei Akkuwerkzeugen gerne verwendet. Selbst im Hobby-Bereich werden Lithium-Akkus mittlerweile verstärkt genutzt. Wenn der Elektrolyt als feste bzw. gelartige Folie auf Polymerbasis vorliegt, werden die Akkus auch als Lithium Polymer-Akkus (LiPo) bezeichnet.
Die negative Elektrode (Anode) besteht aus Graphit oder auch Lithiumtitanspinell.
Die positive Elektrode (Kathode) wird aus Lithium-Cobalt (III)-oxid hergestellt. Neben Lithium-Cobaltdioxid werden aber noch weitere Verbindungen wie Lithium-Mangan, Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium oder Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial genutzt.
Derzeit werden vorwiegend Lithium-Akkus in unterschiedlichen Ausprägungen in Elektro-Kraftfahrzeugen verwendet.
Bei einem Lithium-Akku wandern beim Laden und Entladen Lithium-Ionen innerhalb des Akkus von einer Elektrode zur anderen. Dabei durchdringen sie den Separator, der die beiden Elektroden trennt. Der Separator ist so aufgebaut, dass er Ionen problemlos passieren lässt aber Elektronen blockiert.
Ladevorgang
Beim Ladevorgang werden durch die angelegte Ladespannung über den äusseren Stromkreis Elektronen von der Kathode abgezogen und an der Anode zur Verfügung gestellt. Dadurch wandern freie Lithium-Ionen von der Kathode durch den Separator zur Anode. Dort nehmen sie die Elektronen auf und werden in die Graphit-Struktur eingelagert. Wenn sich alle Lithium-Ionen auf der Anodenseite befinden, ist der Akku voll aufgeladen.
Entladevorgang
Beim Entladevorgang wandern die Elektronen über den äusseren Stromkreis von der Anode über den Verbraucher zurück zur Kathode. Die positiv geladenen Lithium-Ionen, die an der Anode ihr Elektron abgegeben haben, wandern nun durch den Separator zurück zur Kathode.
Dadurch ist die Kathode in der Lage, die vom Verbraucher kommenden Elektronen wieder aufzunehmen.
In unserem Ratgeber zu den Lithium-Ionen-Akkus haben wir die Abläufe beim Landen und entladen noch einmal genauer und anschaulicher beschrieben.
Die leistungsstarke Lithium-Akkutechnik bietet viele Vorteile. Die Akkus sind klein, leicht und unglaublich leistungsstark. Um diese Vorteile über einen längeren Zeitraum nutzen zu können, sind einige wichtige Punkte zu beachten. Denn die Akkus sind extrem empfindlich gegen Tiefentladung und auch Überladung. Deshalb werden Lithium-Akkus beim Laden aber auch später beim Betrieb kontinuierlich von einer Elektronik überwacht.
Um den Akku nicht zu tief zu entladen, wird der Fahrer eines E-Autos ständig über die aktuelle Restreichweite informiert. Somit hat er ausreichend Zeit, passende Nachlademöglichkeiten für sein Elektrofahrzeug zu finden.
Da der entladene Akku in der Lage ist einen sehr hohen Ladestrom aufzunehmen, muss dieser mehr oder weniger stark begrenzt werden. Dies ist erforderlich, um den Stromanschluss der Ladeeinrichtung nicht zu überlasten.
Die Strombegrenzung wird über die Regelung der Ladespannung (U) realisiert. Diese wird automatisch so hoch gewählt, dass der maximal zulässige Ladestrom (I) fliesst. Allerdings ist dies nur bis zu einen bestimmten Punkt möglich. Denn die Ladespannung darf einem vorgegebenen Höchstwert pro Akkuzelle nicht übersteigen.
Wenn dieser Wert erreicht ist, wird die Spannung nicht mehr höher geregelt. Der Ladestrom wird dann mit zunehmender Restladung immer weiter zurückgehen. Erst wenn der Ladestrom den minimalsten Wert erreicht hat, ist der Akku voll aufgeladen. Dies ist auch der Grund, warum Schnellladevorgänge einen Lithium-Akku nie ganz voll aufladen. In der Praxis werden so um die 80% in kurzer Zeit erreicht.
Ab dem Zeitpunkt (t1) wird die Ladespannung (U) begrenzt, damit nicht zuviel Ladestrom (I) fliesst. Je nach Ladezustand muss die Spannung langsam höher geregelt werden, damit zwischen (t1) und (t2) der maximale Ladestrom fliesst.
Am Zeitpunkt (t2) ist die maximale Ladespannung pro Zelle erreicht. Die Ladespannung wird nun auf einem konstanten Wert gehalten. Am Zeitpunkt (t3) hat der Ladestrom seinen minimalsten Wert erreicht und der Akku ist zu 100% aufgeladen.
Der Ladevorgang bei einem E-Auto dauert deutlich länger, als wenn man nur 50 Liter Benzin oder Diesel tanken würde. Wie lange die tatsächliche Ladedauer bei einem E-Auto ist, hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab.
Nachdem nun feststeht, welche Kriterien für das Aufladen eines elektrisch angetriebenen Autos eine wichtige Rolle spielen, kann die Ladezeit verhältnismässig einfach berechnet werden. Bei der Berechnung wird ein angestrebter Ladezustand von 80% zugrunde gelegt, da eine weitere Aufladung bis zu 100% wegen dem stetig geringer werdenden Ladestrom ja deutlich länger dauert.
Ziehen Sie vom angestrebten Ladezustand von 80% die aktuelle Restladung von z.B. 20% ab. Sie erhalten dann einen Differenzwert, der beschreibt, wieviel nachgeladen werden muss. In unserem Rechenbeispiel beträgt der Unterschied 60%.
Wenn der Fahrzeugakku eine Kapazität von 36 Kilowattstunden (kWh) aufweist, entsprechen die 60% ca. 21,6 kWh, die nachgeladen werden müssen. Um die durch den Ladevorgang auftretenden Verluste auszugleichen, sollten 10% hinzugerechnet werden, wodurch sich der Wert auf 23,8 kWh erhöht.
Nun hängt es davon ab, wieviel Leistung der Ladeanschluss zur Verfügung stellt. Dazu muss der nachzuladende Wert von 23,8 kWh durch die Leistung des Ladeanschlusses geteilt werden.
Bei einer Ladestation mit 3,7 kW beträgt die Ladezeit 6,43 Stunden.
Bei einer Ladestation mit 7,4 kW beträgt die Ladezeit 3,21 Stunden.
Bei einer Ladestation mit 11 kW beträgt die Ladezeit 2,16 Stunden.
Bei einer Ladestation mit 22 kW beträgt die Ladezeit 1,08 Stunden.
Besonders wenn man länger unterwegs ist, sollte man einen konkreten Überblick darüber haben, wie lange das "Nachtanken mit Strom" dauern wird. Bei entsprechend hohen Ladeleistungen sind die Zeiten dann deutlich kürzer, als man im ersten Moment denkt.
Ist langsames oder schnelles Laden besser für den Akku?
Die Praxis hat gezeigt, dass es schonender ist, den Akku lieber langsam als schnell zu laden. Dies ist kein Problem, wenn das Fahrzeug z.B. über Nacht geladen wird. Auf längeren Fahrten lässt sich eine Schnellladung zwischendurch aber nicht vermeiden. Aber auch bei der Entladung spielt die Stromstärke eine Rolle. Je geringer der Entladestrom, desto schonender ist es für den Akku. Darum sollten unnötig starke Beschleunigungen nach Möglichkeit vermieden werden. Ein vorsichtiger Umgang mit dem Gaspedal wirkt sich zudem auch positiv auf die Reichweite aus.
Wie erkennt das Fahrzeug wann langsam oder schnell geladen werden kann?
Das eigentliche Ladegerät ist fest im Fahrzeug verbaut. Beim Anschluss an die Ladestation bekommt das Ladegerät von der Elektronik der Ladesäule die Information, wie hoch der Strom sein darf. Wenn man unterwegs ist und lediglich eine Netztsteckdose zum Laden zur Verfügung steht, muss ein Ladekabel mit integrierter Kontrollbox verwendet werden. Über die jeweiligen Stecker-Adapter weiss die Kontrollbox, welche Netzansteckdose verwendet wird und wie hoch diese im Regelfall belastet werden darf. Zudem stellen Kontrollboxen und Ladesäulen sicher, dass erst wenn der Stecker des Ladekabels am Fahrzeug angeschlossen ist, die Ladespannung freigeschaltet wird.
Muss nach jeder Fahrt gleich wieder nachgeladen werden?
Lithium-Akkus mögen keine Tiefentladung. Aber auch das ständige Laden auf 100% tut den Akkus nicht gut. Das ideale Ladefenster liegt zwischen 10 und 90 %. Wenn ein Fahrzeug lediglich für kurze Stecken mit einigen wenigen Kilometern genutzt wird, ist es günstiger den Akku nicht nach jeder Fahrt gleich wieder zu laden. Bei längeren Fahrten ist es sinnvoll den Ladevorgang zeitlich so zu planen, dass er kurz vor Fahrtantritt zu 100% geladen ist.
Was ist der Unterschied zwischen einer Wallbox im Haus und einer öffentlichen Ladesäule?
Die Wallbox im Haus oder besser in der Garage arbeitet mit Wechselspannung. Das Ladegerät im Fahrzeug muss daraus Gleichspannung machen, um den Akku laden zu können. Die Ladeleistung bei den meisten Wallboxen liegt bei max. 22 Kilowattstunden (kWh).
Öffentliche Ladestationen an Parklätzen, bei denen die Fahrzeuge länger stehen bleiben können, arbeiten ebenfalls mit Wechselspannung. Also nach dem gleichen Prinzip wie die Wallbox zu Hause. Allerdings habe sie deutlich höhere Ladeleistungen. Schnellladestationen, die z.B. an Autobahnraststätten stehen, laden zum Teil mit Gleichspannung. In diesem Fall ist das Ladegerät in der Ladesäule integriert und der Strom wird direkt zum Fahrzeugakku geleitet.