E-Auto richtig laden – auf diese Faktoren kommt es an
Aktualisiert: 28.06.2023 | Lesedauer: 11 Minuten
Immer mehr Autofahrer und Autofahrerinnen liebäugeln mit einem Elektroauto. Das zeigt sich auch ganz deutlich in den aktuellen Statistiken des Kraftfahrt-Bundesamtes. Während die Zulassungszahlen für Neufahrzeuge mit Verbrennungmotor im Jahr 2021 mit -11,4 % gegenüber dem Jahr 2020 eindeutig rückläufig waren, können E-Autos mit 394.940 Neuzulassungen einen Zuwachs von 103,5 % verzeichnen und setzen damit den Trend vom Vorjahr weiter fort. Vergleicht man die Zahlen mit den Neuzulassungen in Deutschland insgesamt, machen Elektroautos einen Anteil von 11,4 % aus.
Doch auch wenn die Beliebtheit von elektrischen Autos nachweislich stetig wächst, haben viele Autokäufer nach wie vor Bedenken, auf ein Fahrzeug mit Elektroantrieb umzusteigen.
Neben dem Verweis auf die oft höheren Anschaffungskosten und Bedenken bezüglich der möglichen Reichweite, ist einer der Hauptgründe das Laden. Eine Befürchtung ist, dass die vorhandene Ladeinfrastruktur noch nicht ausreichend ist, zum anderen winken viele auf Grund der als eher sehr lang empfundenen Ladezeiten ab und entscheiden sich lieber für einen Neuwagen mit Verbrennungsmotor. Schließlich dauert das Tanken von Kraftstoff in der Regel nur wenige Minuten..
Doch wie lange müssen Elektroautos eigentlich an der Ladestation angeschlossen bleiben? Wir verraten Ihnen, welche Faktoren für die Ladedauer des Fahrzeugakkus entscheidend sind.
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Während im englischen Sprachgebrauch vorwiegend das Wort „Battery“ benutzt wird, wird im Deutschen in der Regel zwischen Batterien und Akkus differenziert. Beide Begriffe bezeichnen im Prinzip einen Stromspeicher und werden von Laien wie auch Experten im Alltag oft synonym verwendet. Allerdings gibt es genau genommen einen bedeutenden Unterschied:
Batterie
Eine Batterie (auch Primärzelle genannt) funktioniert nach dem Prinzip der sogenannten "Galvanischen Zelle". Sie besteht in der Regel aus zwei oder mehr elektrochemischen Zellen, die durch eine chemische Reaktion elektrische Energie erzeugen. Diese kann nur entladen werden, fließt also quasi nur in eine Richtung – aus der Batterie heraus. Die Batterie ist als Einweg-Stromspeicher ausgelegt. Heißt: Wenn die chemische Reaktion abgesschlossen ist, wird keine Energie mehr erzeugt. Die Batterie ist leer und muss umweltschonend entsorgt werden.
Akku
Ein Akku (kurz für Akkumulator) ist ebenfalls ein galvanisches Element, bestehend aus zwei Elektroden und einem Elektrolyt.
Im Gegensatz zur Batterie, können die elektrochemischen Zellen durch Anlegen einer elektrischen Spannung aber immer wieder aufgeladen werden. Die Stromspeicherung erfolgt auf elektrochemischer Basis.
Der Akku wird daher auch als Mehrwegstromspeicher oder Sekundärzelle bezeichnet.
Wie schon gesagt, werden 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". In Wirklichkeit handelt es sich aber um einen 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.
Bei dem bereits oben erwähnten Beispiel einer Starterbatterie handelt es sich technisch gesehen um einen Blei-Akku mit Elektroden 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.
Lithium-Ionen-Akkus derzeit am leistungsstärksten
Da Lithium-Ionen-Akkus derzeit die höchste Energiedichte aufweisen, werden sie gerne in Smartphones, Tablets, Notebooks, bei Akkuwerkzeugen oder auch – in unterschiedlichen Ausprägungen – in Elektro-Kraftfahrzeugen 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.
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.
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.
Strombegrenzung zum Schutz der Ladestation
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.
Schnellladen bis 80 % Akkuleistung
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 beispielsweise das Tanken von nur 50 Liter Benzin oder Diesel. Wie lange die tatsächliche Ladedauer bei einem E-Auto ist, hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab:
Kapazität des Fahrzeugakkus
Die Kapazität des Fahrzeugakkus kann mit dem Volumen eines Kraftstofftanks verglichen werden. Je höher die Kapazität in Kilowattstunden (kWh) ist, desto größer ist das Fassungsvermögen des Akkus. Und erfahrungsgemäß dauert das Befüllen eines großen Tanks deutlich länger, als das bei einem kleinen Tank der Fall wäre.
Restladung des Akkus
Je höher die Restladung des Akkus ist, desto weniger elektrische Energie muss nachgeladen werden, bis der Akku wieder voll ist. Zeitlich macht sich das in erster Linie nur im Bereich bis ca. 80 % Ladezustand bemerkbar. Die fehlende Restladung auf 100 % dauert immer gleich lange, egal wie leer der Akku vorher war.
Leistungsfähigkeit der Ladestation
Augenscheinlich liefert eine 230 Netzsteckdose im Haus recht viel Energie. Dies könnte man meinen, wenn man sieht, wie schnell ein Wasserkocher für heißes Wasser sorgt oder der Toaster blasse Weißbrotscheiben goldbraun röstet. Für das schnelle Aufladen eines E-Autos ist das Leistungsangebot einer Schutzkontakt-Netzsteckdose aber gänzlich ungeeignet. Deshalb haben wir die gängigsten Steckdosen bzw. Stromanschlüsse für Ladestationen einmal aufgelistet und miteinander verglichen.
Schutzkontaktsteckdose mit einer Phase
Bei einer Spannung von 230 V und einem zulässigen Strom von max. 16 A ergibt das eine Leistung von rund 3,7 Kilowatt (kW).
Eine CEE-Steckdose mit einer Phase
Wird eine einphasige CEE-Steckdose verwendet, die max. 32 A liefert, beträgt die Anschlussleistung rund 7,4 kW.
Eine CEE-Steckdose mit drei Phasen
Können die drei Phasen mit 16 A belastet werden, beträgt die Anschlussleistung rund 11 kW und bei 32 A pro Phase stolze 22 kW.
Maximaler Ladestrom des Fahrzeugs
Bei älteren Elektro-Fahrzeugen, die nur über eine Phase geladen werden, wurde oftmals eine Strombegrenzung eingebaut. Man wollte dadurch vermeiden, dass das dreiphasige Stromnetz einseitig zu sehr belastet wird. Anstelle der möglichen 32 A können dann lediglich 20 A genutzt werden.
Wenn das Fahrzeug auch eine Ladung mit Gleichspannung zulässt, wie zum Beispiel beim Tesla Supercharger, sind Ladeleistungen von derzeit max. 150 kW möglich.
Umgebungstemperatur
Lithium-Akkus mögen es weder heiß noch besonders kalt. Die Akkus fühlen sich bei moderaten Temperaturen am wohlsten. Besonders die niedrigen Temperaturen im Winter machen den Akkus richtig zu schaffen. Darum sollten e-Autos in der kalten Jahreszeit einen Garagenstellplatz haben. Aber auch dann ist mit längeren Ladezeiten zu rechnen.
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 deutlich länger dauert.
Ladezeit einfach berechnen
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.
Leistung der Ladestation berücksichtigen
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 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 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 haben 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.