Wie unterscheidet sich AC von DC?

Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) unterscheiden sich grundlegend in ihrer Flussrichtung und Polarität, was wiederum grosse Auswirkungen auf das Laden von Elektrofahrzeugen hat.

Hier sind die Hauptunterschiede:

Definition und Eigenschaften.

Gleichstrom (DC - Direct Current): Hat einen gleichmässigen, konstanten Verlauf und fliesst immer in eine Richtung. Die Spannung bleibt konstant.

Wechselstrom (AC - Alternating Current): Ändert seine Richtung und Polarität regelmässig (sinusförmiger Verlauf).

Verwendung und Vorkommen.

Gleichstrom (DC): Die Batterie eines Elektroautos kann nur Gleichstrom aufnehmen. Daher ist DC die Form, in der die Energie letztendlich im Akku gespeichert wird. Um mit hohen Leistungen laden zu können, sind oft kostenintensive Installationen von Transformatorstationen nötig, wie sie meist an Raststätten oder in Autobahnnähe zu finden sind.

Wechselstrom (AC): Das öffentliche Stromnetz basiert auf Wechselstrom und stellt diesen bereit. Er steht sozusagen an jeder Haushaltssteckdose zur Verfügung.

Umwandlung (Gleichrichtung):

Da das öffentliche Stromnetz Wechselstrom bereitstellt, die Fahrzeugbatterie aber Gleichstrom benötigt, muss der Wechselstrom auf dem Weg zum Akku gleichgerichtet (von AC in DC umgewandelt) werden.

Beim AC-Laden erfolgt diese AC/DC-Wandlung durch einen fahrzeugeigenen Laderegler (Onboard Charger), der im Elektroauto verbaut ist. Das Fahrzeug kommuniziert mit der Ladesäule oder Wallbox, um die Stromstärke festzulegen.

Beim DC-Laden erfolgt die AC/DC-Wandlung bereits in der externen Ladeeinheit (Off-Board Charger) der Ladesäule mit Hilfe eines Gleichrichters, und der Gleichstrom wird dann direkt in die Batterie eingespeist.

Ladeleistung und Geschwindigkeit.

AC-Laden: Ist in der Regel langsamer. Ladeleistungen reichen von 3,7 kW (einphasig) über 11 kW (dreiphasig) bis zu maximal 22 kW an einer Wallbox zu Hause oder 43 kW an öffentlichen Ladesäulen. Die tatsächlich nutzbare Leistung hängt vom Onboard Charger des Fahrzeugs ab; viele Fahrzeuge können z.B. nur 11 kW aufnehmen, selbst wenn eine 22 kW Wallbox vorhanden ist.

Welche technischen Komponenten und Standards sind für AC- und DC-Laden entscheidend?

Für das Laden von Elektroautos sind sowohl beim Wechselstrom- (AC) als auch beim Gleichstromladen (DC) spezifische technische Komponenten und Standards entscheidend:

Technische Komponenten und Standards für das AC-Laden (Wechselstromladen).

Das AC-Laden ist die gängigste Methode für das Laden zu Hause oder an öffentlichen Ladesäulen, bei der geringere Leistungen als beim DC-Laden zum Tragen kommen.

Wechselstrom (AC): Das öffentliche Stromnetz stellt Wechselstrom bereit. AC hat einen sinusförmigen Verlauf, bei dem die Stromrichtung und Polarität regelmässig wechseln.

Onboard-Charger (fahrzeugeigener Laderegler): Da die Hochvoltbatterie eines Elektroautos nur Gleichstrom aufnehmen kann, muss der aus dem Netz kommende Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Diese Umwandlung, die sogenannte "Gleichrichtung", wird beim AC-Laden durch ein im Fahrzeug verbautes elektronisches Gerät, den Onboard-Charger, vorgenommen. Die maximale Ladeleistung, die ein Fahrzeug über AC aufnehmen kann, wird massgeblich von der Leistungsfähigkeit dieses Onboard-Chargers bestimmt.

Steckertyp -Typ 2 Stecker (Mennekes-Stecker) - dies ist der verbreitetste AC-Ladestecker in Europa:

Pins: Ein Typ 2 Stecker verfügt über bis zu drei Phasen-Pins für den Stromfluss, einen Neutralleiter, einen Schutzleiter (PE-Leiter) zur Erdung der Fahrzeugkarosserie sowie zwei Kommunikations-Pins.

Kommunikation: Die Kommunikations-Pins ermöglichen es dem Fahrzeug und der Ladesäule, Informationen auszutauschen, z.B. wie viel Strom zur Verfügung steht und welche Stromstärke über das Ladekabel gegeben werden darf.

Ladeleistung (AC):

Die Ladeleistung variiert stark: 3,7 kW bei einphasiger Belegung, 11 kW bei dreiphasiger Belegung (Standard für Wallboxen), bis zu 22 kW an einer Wallbox (benötigt 32 Ampere Absicherung und dickere Kabel). An öffentlichen AC-Ladesäulen sind sogar bis zu 43 kW möglich, was jedoch selten genutzt wird.

Die tatsächliche Ladeleistung wird durch das "schwächste Glied in der Kette" (Onboard-Charger oder Ladekabel) bestimmt.

Nicht alle Fahrzeuge können 22 kW AC laden; dies ist meist grösseren SUVs, Luxusfahrzeugen oder bestimmten Modellen von Audi, Porsche, Mercedes, Smart und Renault vorbehalten. Für die meisten anderen E-Autos ist eine 11-kW-Wallbox ausreichend, da deren Onboard-Charger nicht mehr verarbeiten können.

Ladekabel (AC):

Mode 3 Ladekabel: Wird für Wallboxen oder öffentliche AC-Ladesäulen verwendet. Hier kommuniziert das Fahrzeug direkt mit der Ladestation, eine separate "In Cable Control Box" (ICCB) ist nicht erforderlich.

Mode 2 Ladekabel: Wird für das Laden an einer normalen Haushaltssteckdose benötigt und enthält eine ICCB, die die Kommunikation und Stromstärke regelt.

Kabellänge: Eine Länge von 5 bis 6 Metern wird empfohlen, um Flexibilität bei verschiedenen Anschlusspositionen des Fahrzeugs zu gewährleisten. Längere Kabel können jedoch zu mehr Ladeverlusten führen.

Ladeinfrastruktur (AC): Häufig an Wallboxen zu Hause oder an öffentlichen Ladesäulen in Städten und Gemeinden.

Technische Komponenten und Standards für das DC-Laden (Gleichstromladen).

Das DC-Laden ermöglicht erheblich schnellere Ladevorgänge und findet typischerweise an Schnellladestationen statt.

Gleichstrom (DC): DC hat einen gleichmässigen, konstanten Verlauf und fliesst immer in eine Richtung. Die Batterie des Elektroautos kann ausschliesslich Gleichstrom aufnehmen.

Off-Board-Charger (externer Laderegler): Beim DC-Laden wird der aus dem öffentlichen AC-Netz kommende Strom bereits in der Ladesäule (extern) gleichgerichtet. Diese Ladeeinheit wird als Off-Board-Charger bezeichnet. Da diese Einheit ausserhalb des Fahrzeugs liegt, spielen Grösse und Gewicht keine Rolle, was deutlich höhere Ladeleistungen ermöglicht.

Steckertypen (DC):

CCS Stecker (Combined Charging System): Dies ist der am weitesten verbreitete Schnellladestecker in Europa und gilt als Standard.

Design: Er kombiniert den oberen Teil eines Typ 2 Steckers (für Kommunikation und Schutzleiter) mit zwei zusätzlichen, dicken Pins im unteren Bereich (HV+ und HV-) für den direkten Gleichstromfluss. Die DC-Pins sind berührungsgeschützt.

Vorteil: Da CCS sowohl AC- als auch DC-Laden ermöglicht, benötigt das Fahrzeug nur eine einzige Ladedose.

CHAdeMO Stecker: Ein japanisches DC-Schnelllademodell, das jedoch in Europa nicht mehr weit verbreitet ist. Es ist klobiger und seine Ladeleistung ist auf maximal 50 kW begrenzt, was für moderne Elektrofahrzeuge oft zu wenig ist.

Ladeleistung (DC):

DC-Laden beginnt bei 50 kW und kann an grossen Schnellladestationen bis zu 350 kW und mehr erreichen.

Die tatsächliche Ladeleistung hängt auch von der Ladesäule selbst und ihrer Auslastung ab.

Ladekabel (DC): DC-Schnellladestationen verfügen in der Regel über fest installierte, dicke Ladekabel.

Aktive Kühlung: Für hohe Ladeleistungen (ab 150 kW) sind die Ladekabel und die Ladesäulen aktiv wassergekühlt, um Überhitzung durch den starken Stromfluss zu vermeiden und einen ausreichenden Stromdurchfluss zu gewährleisten. Ohne Wasserkühlung sind Ladesäulen auf etwa 150 kW begrenzt.

Ladeinfrastruktur (DC): 

Hauptsächlich an Schnellladestationen, oft an Autobahnen oder gut frequentierten Orten. Diese Standorte erfordern oft eine kostenintensive Installation von Transformatorstationen, da das Netz auf Wechselstrom basiert.

Spannungssysteme (für DC-Schnellladen besonders relevant):

400-Volt-Systeme: Viele aktuelle Elektrofahrzeuge nutzen diese Technik. Sie können bereits Ladeleistungen von über 200 kW erreichen, stossen aber an ihre Grenzen hinsichtlich Effizienz und Wärmeentwicklung.

800-Volt-Systeme: Neuere Modelle wie der Porsche Taycan oder Audi e-tron GT nutzen diese Technologie. Durch die Verdopplung der Spannung bei gleicher Ladeleistung halbiert sich der benötigte Strom (P = U * I). 

Dies bietet erhebliche Vorteile:

Dünnere Kabel: Weniger Stromfluss ermöglicht dünnere Ladekabel, was Bauraum spart und weniger seltene Metalle benötigt.

Reduzierter Wärmefluss & höhere Effizienz: Ein geringerer Stromfluss reduziert den Wärmefluss und damit die Verlustleistung. Ein höherer Anteil der bezahlten Energie gelangt tatsächlich in den Fahrzeugakku.

Höhere Ladeleistungen: 800-Volt-Systeme können bereits Ladeleistungen von über 270 kW erreichen und gelten als zukunftssicherer. Allerdings werden diese maximalen Leistungen im Alltag oft nicht erreicht, da Ladesäulenbetreiber die Leistung bei hoher Auslastung reduzieren können.

Batteriemanagementsystem (BMS): Unabhängig von der Stromart ist das BMS des Fahrzeugs entscheidend. Es reguliert die Ladeleistung, um den Akku zu schützen, insbesondere wenn der Ladezustand (SoC) über 80% steigt, da die Ladung dann verlangsamt wird, um die Zellen nicht zu schädigen.

Batteriekonditionierung: Die Batterietemperatur beeinflusst die Ladegeschwindigkeit; ideale Temperaturen liegen um 20 Grad Celsius. Die meisten neuen Elektroautos können ihre Akkus kühlen oder erwärmen, um die Zellen gesund zu halten und die Ladeleistung zu optimieren.

Ladeverluste: entstehen in der Elektroinstallation, im Ladegerät und in der Batterie selbst durch elektrischen Widerstand, wobei Energie in Form von Wärme verloren geht. Faktoren wie Kabeldurchmesser, -länge, Temperatur, Akkufüllstand und abgerufene Ladeleistung spielen eine Rolle. Schnelles Laden mit hoher Leistung ist oft weniger effizient als langsames Laden über mehrere Stunden.

Was ist das CCS-System?

Das CCS-System steht für Combined Charging System. Es ist der im Schnellladebereich am weitesten verbreitete Stecker in Europa und gilt als Standard.

Funktionsweise und Design.

Das CCS-System ist, wie der Name "Combined Charging System" andeutet, dafür ausgelegt, sowohl mit Wechselstrom (AC) als auch mit Gleichstrom (DC) zu laden.

Der obere Teil des CCS-Steckers ist identisch mit einem Typ 2 Stecker. Dies hat den Vorteil, dass am Fahrzeug nur eine einzige Ladedose benötigt wird.

Zusätzlich zu den Pins des Typ 2 Steckers für die Kommunikation und den Schutzleiter verfügt der CCS-Stecker über zwei zusätzliche, dicke Pins im unteren Bereich. Diese dicken Pins sind die Plus- und Minus-Anschlüsse für den direkten Gleichstromfluss in die Hochvoltbatterie des Fahrzeugs.

Diese unteren DC-Pins sind berührungsgeschützt, um sicherzustellen, dass keine stromführenden Bauteile berührt werden können.

Ladeleistung:

Das DC-Laden über CCS ermöglicht erheblich höhere Ladeleistungen als das AC-Laden.

Die Ladeleistungen beginnen bei 50 Kilowatt (kW) und können bei starken CCS-Schnellladern bis zu 350 kW und mehr erreichen. Die Quellen erwähnen auch Ladesäulen, die 300 kW DC-Ladeleistung anbieten.

Für sehr hohe Ladeleistungen (ab 150 kW) sind die Ladekabel des CCS-Systems aktiv wassergekühlt, um eine Überhitzung zu verhindern und einen ausreichenden Stromfluss zu gewährleisten. Diese gekühlten Kabel sind entsprechend dick und massiv.

Ladesäulen ohne aktive Wasserkühlung sind auf eine maximale Ladeleistung von etwa 150 kW begrenzt.

Verbreitung und Standardisierung:

CCS ist der verbreitetste Stecker im Schnellladebereich in Europa und hat sich als Standard etabliert.

Moderne Elektroautos für den europäischen Markt, einschliesslich neuerer Tesla-Modelle, verwenden mittlerweile den CCS-Stecker. Dies ist ein Vorteil, da eine Dose für beide Ladearten ausreicht.

Der CHAdeMO-Stecker, ein japanisches DC-Schnelllademodell, ist aufgrund seiner Grösse und der auf 50 kW begrenzten Ladeleistung nicht mehr weit verbreitet und wird von modernen Ladesäulen kaum noch angeboten.

Wie beeinflusst Spannung das Laden?

Spannung (Volt) hat einen direkten und signifikanten Einfluss auf den Ladevorgang eines Elektroautos, insbesondere im Zusammenhang mit der Ladeleistung (kW) und der Effizienz.

Grundlegende Beziehung: 

Leistung, Spannung und Strom Die Ladeleistung (gemessen in Kilowatt, kW), die für uns am wichtigsten ist, um zu beurteilen, wie schnell ein Elektroauto lädt, hängt direkt von der Spannung (Volt, V) und dem Strom (Ampere, A) ab. Die Formel lautet: Leistung (P) = Spannung (U) × Strom (I).

400-Volt- vs. 800-Volt-Systeme:

400-Volt-Systeme: Viele aktuelle Elektrofahrzeuge (z.B. Audi e-tron Q4, ID.3, ID.4) nutzen bisher eine 400-Volt-Ladetechnik. Diese Systeme können bereits Ladeleistungen von 200 kW und mehr erreichen, stossen jedoch allmählich an ihre Grenzen hinsichtlich Effizienz und Wärmeentwicklung.

800-Volt-Systeme: Neuere Modelle wie der Porsche Taycan und der Audi e-tron GT, die auf der gleichen Plattform basieren, verwenden die 800-Volt-Ladetechnik. Dies bedeutet eine Verdopplung der Spannung im Vergleich zu 400-Volt-Systemen.

Vorteile höherer Spannung (800 Volt).

Durch die Verdopplung der Spannung bei gleichbleibender Ladeleistung kann der Strom (Ampere) halbiert werden (P = U * I). Dies bringt mehrere Vorteile mit sich:

Dünnere Kabel: Ein geringerer Stromfluss ermöglicht die Verwendung dünnerer Ladekabel, was Bauraum spart und weniger seltene Metalle erfordert.

Reduzierter Wärmefluss: Ein geringerer Stromfluss führt zu einem reduzierten Wärmefluss. Dies ist entscheidend, da weniger Energie in Form von Wärme verloren geht und somit die Verlustleistung sinkt.

Höhere Effizienz: Weniger Verlustleistung bedeutet, dass ein höherer Anteil der aus der Ladesäule kommenden und bezahlten Energie tatsächlich im Fahrzeugakku ankommt.

Zukunftssicherheit und höhere Ladeleistungen: Die 800-Volt-Technologie gilt als zukunftssicherer, da sie bereits jetzt Ladeleistungen von über 270 kW (z.B. beim Porsche Taycan und Audi e-tron GT) ermöglichen kann, während die 400-Volt-Technologie langsam an das Ende ihres Potenzials stösst.

^Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass im Alltag die maximalen Ladeleistungen von 800-Volt-Systemen oft nicht erreicht werden, da Ladesäulenbetreiber Kosten senken und die Ladeleistung bei voller Auslastung reduzieren können.

Bedarf an Kühlung bei hohem Stromfluss.

Die Reduzierung des Stromflusses durch höhere Spannung ist auch relevant für die Kühlung. Bei sehr hohen Ladeleistungen (ab 150 kW) sind Ladekabel und Ladesäulen aktiv wassergekühlt, um eine Überhitzung durch den starken Stromfluss zu vermeiden und einen ausreichenden Stromdurchfluss zu gewährleisten.

Zellspannung der Batterie.

Auch die interne Zellspannung der Batterie spielt eine Rolle. Neuere LG-Batterien in unteren Ladezustandsbereichen haben eine Zellspannung von etwa 360 Volt, während neue Model S und X im niedrigen Bereich sogar 403-405 Volt aufweisen können. Diese Spannungseigenschaften der Batterie beeinflussen, wie viel Strom bei einer bestimmten Leistung in den Akku geleitet werden kann.

Übersicht E-Autos.

E-Autos, Trends, Entwicklung, Technologien, Batterien, Märkte, Robotik, KI, FSD (autonomes Fahren), Ladezeit, Reichweite: Ausblicke in die dynamische Entwicklung des Elektroautomarktes: Technologien und globale Skalierung.

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