Ladelust statt Wartefrust

Der eine oder andere erinnert sich sicherlich noch an die Autoquartettspiele aus Kinder- und Jugendzeiten: Ausgewählte technische Daten der Fahrzeuge wurden gegeneinandergestellt, Gewinner des Durchgangs war der Spieler, dessen Karte das schnellste oder stärkste Auto zeigte. Wer sogar einen Sportwagen mit Acht- oder Zwölfzylindermotor vorweisen konnte, hielt den Trumpf in den Händen.

Heute wäre das wahrscheinlich eher die Spielkarte des Elektrofahrzeugs mit der größten Batteriereichweite oder der kürzesten Ladezeit. Beide Parameter gelten als das neue Maß der Dinge in der Automobiltechnik. Batteriereichweiten von mehr als 400 Kilometern sind bei modernen Elektro­fahrzeugen keine Seltenheit mehr, und auch die Ladetechnik hat sich mit riesigen Schritten weiterentwickelt.

Abzulesen ist das am Begriff des Schnellladens: Zogen Fachleute noch vor wenigen Jahren die Grenze bei 50 Kilowatt Ladeleistung, sind es heute beim High Power Charging (HPC) bis zu 350 Kilowatt. Zwar ist dieser Wert reine Theorie, denn er wird als rechnerisches Produkt des maximalen Ladestroms und der maximalen Spannung gebildet, und bei Lithium-Ionen-Batterien liegt beides niemals gemeinsam an, aber auch die praktisch erzielbare Leistung zeigt ihre Wirkung: „Die Ladezeit für eine Fahrstrecke von 400 Kilometern lässt sich dank HPC, je nach Batteriegröße, auf unter 20 Minuten reduzieren. Damit wird die Schwelle unterschritten, die von vielen potenziellen Kunden für die Alltagstauglichkeit der Elektromobilität angesehen wird“, so Dr. Ralf Petri, Leiter des Geschäftsbereichs Mobility beim VDE. Neben der Senkung der Batteriekosten gilt HPC daher als einer der wichtigsten Faktoren für eine weitere Verbreitung von Elektroautos, ungeachtet der Frage, wie häufig Kunden ihr Elektroauto in der Praxis wirklich schnellladen müssen.

Lässt man die emotionale Komponente außen vor und nähert sich dem HPC technisch, erkennt man schnell, dass HPC-Ladekonzepte in dieser Größenordnung bei den heute üblichen Elektrofahrzeugen mit 400-Volt-Spannungsebene nicht sinnvoll umsetzbar sind. Bekanntlich steigt in einem elektrischen Leiter bei unveränderter Spannung die Stromstärke proportional zur Leistung an; beim HPC-Laden mit 350 Kilowatt Leistung würden in 400-Volt-Systemen Ströme von 875 Ampere entstehen. Abgesehen davon, dass heutige Ladesysteme ohnehin auf maximal 500 Ampere begrenzt sind, müssten die Leitungsquerschnitte extrem groß dimensioniert werden, um die Verlustleistung durch die hohen Ströme in vertretbarem Rahmen zu halten. „Speziell im Fahrzeug ist das kontraproduktiv, da Gewicht, Kosten und Bauraumbedarf massiv ansteigen würden“, so Dr. Thomas Becks, Leiter des Bereichs Neue Technologien und Services im VDE. In der Rea­lität ist daher bei 400-Volt-Elektrofahrzeugen mit 150 bis 200 Kilowatt Ladeleistungen die technisch sinnvolle Grenze erreicht. „Höhere Laderaten sind dann eigentlich nur noch durch höhere Spannungen realisierbar. In Hochleistungsanwendungen bietet eine 800-Volt-Spannungsebene im Vergleich zu 400 Volt mehr Leistungsreserven und eine wesentlich höhere Effizienz durch geringere Verluste. Das gilt sowohl beim Laden als auch beim Fahren.“

Porsche hat mit dem Taycan den Sprung in die Serienfertigung eines 800-Volt-Elektrofahrzeugs schon vor einigen Monaten vollzogen, Audi zieht mit dem E-Tron GT aktuell nach und auch andere Hersteller wie Hyundai mit dem Ioniq 5 sollen noch in diesem Jahr folgen. Die maximale Ladeleistung (Peak) für den Taycan gibt Porsche mit 270 Kilowatt an. Das Unternehmen verspricht eine Ladezeit von knapp über 22 Minuten für einen Hub von acht auf 80 Prozent Batterieladung an einer HPC-Ladesäule. Dazu musste das gesamte elektrische System auf die hohen Ströme und Spannungen ausgelegt sein. „Besonders wichtig sind in diesem Zusammenhang die Batteriezellen, die beim HPC-Laden in kürzester Zeit hohe Energiemengen aufnehmen müssen, und das über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs“, sagt Dr. Robert Meier, bei Porsche als Projektleiter für die Gesamtfahrzeugentwicklung des Taycan zuständig. „Grundsätzliches Entwicklungsziel war es, möglichst keine Wärme an die Umgebung abzuführen und so im Winter energetisch möglichst effizient unterwegs zu sein. Außerdem kann die Batterie die Abwärme der flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten speichern. Damit dient sie als Thermospeicher oder Energiepuffer.“ Zum Schnellladen muss sich die Batterietemperatur schon bei Beginn des Ladevorgangs im „Wohlfühlbereich“ von etwa 30 Grad Celsius befinden. Damit dies bei möglichst vielen Ladevorgängen der Fall ist, hat Porsche eine intelligente Vorkonditionierung ­umgesetzt: Das Fahrzeug
plant bei einer Langstreckenreise automatisch Ladestopps ein und kühlt beziehungsweise heizt die Batterie während der Fahrt so, dass sich beim Ladestopp eine hohe Ladeperformance erzielen lässt. Bei der Batterielebensdauer rechnet Porsche mit keinerlei Beeinträchtigungen durch das HPC-Laden. „Wir gehen davon aus, dass rund 80 Prozent der Ladevorgänge zu Hause stattfinden. Dennoch ist das Batteriesystem so ausgelegt, dass ein Kunde mit normalem Ladeverhalten durch HPC-Schnellladen keine größeren Auswirkungen auf die Batterielebensdauer erfahren wird“, erklärt Joachim Kramer, bei Porsche Projektleiter Antrieb Taycan.

Betreiber von HPC-Ladestationen in Europa sind unter anderem die Firmen EnBW, Allego und IONITY. Letzteres Unternehmen wurde 2017 als Joint Venture der Automobilhersteller BMW, Ford, Hyundai, Mercedes-Benz und Volkswagen mit den Marken Audi und Porsche gegründet und ist führend beim Ausbau des 350-Kilo­watt-Ladenetzes. Das selbstgesteckte Ziel von IONITY ist der Aufbau einer Schnellladeinfrastruktur entlang der europäischen Hauptverkehrsachsen. Der Betreiber bietet dabei volle Rückwärtskompatibilität, es können also auch Fahrzeuge mit 400-Volt-System und geringerer Ladeleistung an den 350-Kilowatt-Säulen geladen werden. „Interoperabilität spielt eine zentrale Rolle. Wir bauen ein Netzwerk, das mit allen Fahrzeugen kompatibel sein muss, die mit dem europäischen Ladestandard Combined Charging System (CCS) laden, ganz gleich welche Automarke. Das erhöht die Komplexität des Unterfangens erheblich. Wir haben daher in Unterschleißheim einen Testladepark aufgebaut, um die Entwicklungen weiter voranzutreiben und das Laden an unseren Standorten noch zuverlässiger und komfortabler zu machen“, sagt Dr. Susanne Koblitz, Head of Charging Technology bei IONITY. Das stetig wachsende IONITY-Ladenetzwerk umfasst derzeit mehr als 300 Stationen mit 1200 Ladesäulen, in der letzten Ausbaustufe sollen dann alle 150 Kilometer entlang europäischer Autobahnen HPC-Ladestellen verfügbar sein.

Der Aufbau und Betrieb eines pan­europäischen Schnellladenetzwerks bedeutet Koordination von und Abstimmung mit Partnern, Unternehmen und Behörden in 24 Ländern, sowohl auf nationaler als auch lokaler Ebene. Da die Beteiligten jeweils sehr unterschiedliche Anforderungen haben können, spricht sich IONITY für eine Bündelung der Kräfte aller relevanten Akteure – Hersteller, Regierungen, Regulierungsbehörden, Energieversorger und Branchenverbände – aus, um den Weg für die Schnellladeinfrastruktur zu ebnen.

Zwar wird es noch einige Jahre dauern, bis das HPC-Ladestationsnetz flächendeckend in Europa verfügbar sein wird und sich die 800-Volt-Technik bei Elektrofahrzeugen durchgesetzt hat, dennoch laufen schon jetzt die Arbeiten an nochmals gesteigerten Ladeleistungen. Das Ziel dabei ist vor allem, den batterieelektrischen Antrieb durch kurze Ladezeiten auch für den Warentransport auf der Straße attraktiv zu machen. „Um die Kohlendioxid-Emissionen auf dem Mobilitätssektor weiter zu reduzieren, werden künftig auch schwere Nutzfahrzeuge mit elektrischen Antrieben ausgestattet. Die Industrie hat entsprechende batterieelektrische Modelle in der Entwicklung“, sagt Egbert Fritzsche, Geschäftsführer des vom Verband der Automobilindustrie (VDA) getragenen Normenausschusses Automobiltechnik (VDA NA Automobil). Schon vor einiger Zeit gab beispielsweise der US-amerikanische Elektroauto-Pionier Tesla bekannt, Ladestationen mit einer Leistung von einem Megawatt errichten zu wollen. Damit soll der neue Elektro-­Sattelzug des Herstellers innerhalb von 30 Minuten für eine 600-Kilometer-Distanz laden können.

Statt auf eine Insellösung wie bei Tesla setzen VDE und VDA auf einen internationalen Standard, der die Inter­operabilität der Systeme im weltweiten Güterverkehr gewährleisten soll. Eckpunkte des gemeinsam verfolgten Konzepts sind Ladeleistungen von einem Megawatt und Ladespannungen bis zu 1200 Volt. „Soweit technisch möglich, wollen wir die Maximalanforderungen erfüllen, um sektorenübergreifende Stecker zu realisieren, beispielsweise für den maritimen Bereich, den elektrischen Luftverkehr oder Baumaschinen“, erläutert Petri. Neben der infrastruktur- und fahrzeugseitigen Kühlung geht es den Experten dabei auch um die Handhabungsaspekte des Stecksystems. „Sowohl beim manuellen wie auch automatischen konduktiven Laden müssen alle physikalischen, wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Randbedingungen erfüllt werden, insbesondere die Vorgaben der Berufsgenossenschaft sowie regional und international gültige Grenzwerte“, so Petri zu einigen der Hürden, die bei der Normung des neuen Schnellladesystems genommen werden müssen.

RICHARD BACKHAUS beschäftigt sich als Journalist und PR-Experte mit Themen rund um die Automobiltechnik.

Mehr zu den VDE Mobility-Produkten und -Services unter:

www.vde.com/mobility-de

www.vde.com/mobility