Reichweite & Ladung von Elektroautos in der täglichen Nutzung
Der Automobilmarkt erfährt derzeit eine starke Dynamik und die Modellvielfalt von teil- und voll-elektrischen Modellen steigt rasant an. Die heute verfügbaren Elektro-Fahrzeuge haben unterschiedliche Ladeleistungen und Akkukapazitäten. In der täglichen Nutzung ergeben sich dadurch unterschiedliche Anforderungen an bzw. Möglichkeiten für das Laden. Im Folgenden werden Elektroautos (BEV) und Plug-in-Hybride (PHEV) betrachtet.
BEV haben bisher in der Regel eine AC-Ladeleistung von 3,7 kW bis 22 kW. Neuere Fahrzeugmodelle unterstützen auch zunehmend höhere DC-Ladeleistungen, die sich je nach Hersteller und Modell deutlich unterscheiden. An manchen Ladestationen sind inzwischen Ladeleistungen von bis zu 350 kW möglich, die aber bisher noch von keinem Elektrofahrzeug vollständig ausgereizt werden.
PHEV haben sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor. Die Ladeleistung variiert je nach Modell, aber in der Regel liegt sie zwischen 3,7 kW und 7,4 kW. Generell wird die Ladeleistung im Kontext der verfügbaren Ladeinfrastruktur betrachtet.
Reichweite & Akkuleistung sind für Käufer von E-Fahrzeugen besonders wichtig
Laut einer aktuellen ADAC-Befragung von 1.048 Autofahrerinnen und Autofahrern möchte jeder Dritte bei einem Fahrzeugwechsel ein E-Fahrzeug kaufen. Auf die Frage, was dabei besonders wichtig wäre, nannten neben einem günstigen Kaufpreis 68 Prozent der Befragten eine hohe Reichweite und 57 Prozent Schnelles Laden.
Diente das E-Auto in der jüngeren Vergangenheit eher als Stadt- oder Kurzstreckenauto, erreichen aktuelle Modelle auch attraktive Reichweiten für die Langstreckennutzung. Dafür sollten sie vor allem für längere Fahrten schnell aufladbar sein. Diesbezüglich hat sich bei der Batterie-/Akku-Leistung von Elektroautos inzwischen viel getan. Die Wichtigkeit des Akkus zeigt sich auch in der in der Bereitschaft der befragten Autofahrer zum Abschluss eines Versicherungsschutzes für den Akku. 63 Prozent der Befragten antwortete hierauf mit „Sehr wichtig“.
Die Lademöglichkeiten: AC- oder DC-Laden
Die Ladeleistung für E-Fahrzeuge hängt maßgeblich von der Ladeart bzw. der genutzten Ladeinfrastruktur ab. Dabei wird zwischen AC- und DC-Laden unterschieden:
- AC-Laden steht für „Alternating Current“ (Laden mit Wechselstrom) und wird auch als Normalladen bezeichnet. Diese Ladeart steht in der Regel im eigenen Haus, am Arbeitsplatz oder im städtischen Raum zur Verfügung. Das Laden erfolgt mit Wechselstrom mit Ladegeschwindigkeiten von in der Regel 11 kW oder 22 kW. Abweichungen sind aufgrund der verfügbaren Netzanschlüsse sowie in Abhängigkeit der gleichzeitig ladenden Fahrzeuge an einem Netzanschluss möglich. Vorteile des AC-Ladens sind ein relativ gut ausgebautes Ladenetz, die Eignung für jedes E-Fahrzeug und die Lademöglichkeit zu Hause. Nachteile ist, dass aufgrund der langen Ladezeiten kein kurzes Zwischenladen auf Langstrecken möglich ist.
- DC-Laden steht für „Direct Current“ und wird auch als Schnellladen bezeichnet. Das Laden erfolgt mit Gleichstrom. Der Laden an einer DC-Ladesäule spart viel Zeit für den Ladevorgang. Der Stromdurchsatz beträgt hier derzeit bis zu 350 kW – Stationen mit entsprechend hohen Ladeleistungen werden auch als HPC (High Power Charging) Ladestationen bezeichnet. Die öffentliche Ladeinfrastruktur mit DC-Ladesäulen wird zunehmend erweitert und ermöglicht das Laden z. B. an Raststätten oder öffentlichen Parkplätzen. Vorteile des Schnellladens sind kurze Ladezeiten und somit die Eignung für das Zwischenladen auf Langstrecken. Nachteil ist der im Vergleich zum AC-Laden zumeist teurere Ladetarife. Zudem sind nicht alle Fahrzeugmodelle darauf ausgelegt.
Leistungsberechnung für E-Mobilität
Alle in Europa zugelassenen Modelle verfügen über den genormten Typ 2 Anschluss zum AC-Laden mit Wechselstrom. Viele Modelle verfügen darüber hinaus über die Möglichkeit der Schnellladung mittels Gleichstroms, über den ebenfalls genormten DC-Ladestandard CCS. Für das Laden im privaten Umfeld, zu Hause oder am Arbeitsplatz, ist das AC-Laden aufgrund der meist langen Standzeiten sowie unter Effizienz- und ökonomischen Gesichtspunkten die präferierte Lademethode.
Die Ladegeschwindigkeit hängt dabei von der internen Onboard Ladetechnologie des Fahrzeugs (modellabhängig) sowie der Batteriekapazität und dem Ladezustand der Batterie ab. Bei vollelektrischen Fahrzeugen reicht die Batteriekapazität bis über 100 kWh und die durchschnittliche Ladeleistung beträgt 11 kW. Auch an Ladestationen, die höhere Ladeleistungen ermöglichen, gibt das Fahrzeug mittels des im Fahrzeug verbauten Ladegerätes die maximale Ladeleistung vor. Jedoch benötigen Elektrofahrzeuge auch einen Mindestladestrom, um die Ladung starten zu können (bspw. Renault Zoe mit einer einphasigen Ladeleistung von 2,3 kW).
Beispiele für die Leistungsberechnung von E-Fahrzeugen
Die nachfolgenden Übersichten und Berechnungen zeigen die geladenen Strommengen bei unterschiedlich langer Ladezeit und in den verschiedenen Ladeleistungsklassen.
Im Beispiel des Modell 1 Plug-in-Hybridfahrzeug gehen wir davon aus, dass täglich eine vollständige Ladung über Nacht erfolgt, da die Speicherkapazität und dementsprechend die elektrische Reichweite der Fahrzeuge geringer ist im Vergleich zu einem Elektrofahrzeug.
Das Fazit: Innerhalb von ca. 7 Stunden ist eine vollständige Ladung mit der Mindestladeleistung von 2,3 kW möglich.
Im Beispiel des Modell 2 Elektrofahrzeug gehen wir davon aus, dass täglich eine Ladung über Nacht erfolgt. Auf Basis von Erfahrungswerten ergibt sich für eine Langstrecke von 300 km das nachstehende Szenario.
Das Fazit: Innerhalb von 4,5 Stunden ist das Aufladen von 300 km elektrischer Reichweite möglich. Die vollständige Ladung ist in ca. 8-9 Stunden je nach Fahrzeug und Batteriekapazität realistisch.
Gerade in Ein- oder Mehrfamilienhäusern sowie am Arbeitsplatz haben E-Fahrzeuge häufig eine Standzeit von mehr als 8 Stunden. Hinzu kommt, dass Pendler in Deutschland durchschnittlich nur rund 17 km zur Arbeit fahren, also ca. 34 km am Tag. Das Nachladen ist für die täglichen Fahrten also unabhängig von der Ladeleistung in der Regel möglich.
Eine Übersicht der Ladezeiten aktueller E-Fahrzeuge ist u.a. bei carwow veröffentlicht:
Lastmanagement für die gleichzeitige Ladung mehrerer E-Fahrzeuge
Der Mindestladestrom bildet die Grundlage für die Berechnung, aus der hervorgeht wie viele Fahrzeuge gleichzeitig mittels der minimal zur Verfügung stehenden Leistungsreserve zu Spitzenlastzeiten am bestehenden Hausanschluss geladen werden können. Ebenso wird die maximal mögliche Ladeleistung je Fahrzeug bei gleichzeitiger Ladung aller Fahrzeuge unter Berücksichtigung der maximalen Reserve zu Schwachlastzeiten am bestehenden Hausanschluss berechnet.
Die Berechnung der Ladeleistung erfolgt dabei auf Basis freier Kapazitäten. Auf Grundlage der minimalen und maximalen Leistungsreserven wird die Ladeleistung auf die Anzahl der Stellplätze berechnet. Die tatsächlich bezogene Leistung hängt dabei auch von folgenden Faktoren ab:
- Anzahl der installierten Ladepunkte
- Nutzer- bzw. Fahrverhalten
- Anzahl der gleichzeitig ladenden Fahrzeuge
- Fahrzeugtyp und Ladeleistung des Fahrzeugs
- Ladezustand der Fahrzeugbatterie
Die berechneten Ladeleistungen setzen eine 100-prozentige gleichzeitige Auslastung aller Ladepunkte und damit vollständige Besetzung aller Stellplätze voraus. Dieser Fall gilt als derzeit sehr unwahrscheinlich, da sowohl die Nachfrage nach Ladepunkten sukzessive über mehrere Jahre ansteigt und in den seltensten Fällen die 100 % erreicht.
Welche Faktoren beeinflussen die Ladedauer eines Elektroautos?
Neben dem Ladegerät ist die maximal mögliche Ladeleistung vom aktuellen Ladezustand (SOC) der Batterie anhängig. Im Ladezustand unterhalb 20% und oberhalb von 80% drosselt das Fahrzeug die Leistung, um Batteriezellen zu schonen. Da sich während der Fahrt einige Zellen schneller bzw. tiefer entladen als andere, führen die hochentwickelten Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen zum Ende des Ladevorgangs ein sogenanntes Balancing durch. Dabei werden einzelne Zellen gezielt angesteuert und wieder an die Spannung der anderen Zellen angeglichen, sodass eine wesentlich längere Lebensdauer des gesamten Batteriepacks erreichet werden kann. Zudem beeinflusst die Temperatur die Ladeleistung. Ist sie zu niedrig oder zu hoch, drosselt das Fahrzeug die Ladeleistung zur Schonung des Akkus. Dies tritt besonders an kalten Wintertagen auf.
Wie kann die Ladezeit von Elektroautos berechnet werden?
Wie lange ein bestimmtes E-Modell zum Laden braucht, steht in den technischen Daten des jeweiligen Herstellers. Die Ladezeit eines E-Autos hängt in erster Linie von der Akkukapazität und der Ladeleistung ab. Ein größerer Akku braucht mehr Zeit, bis seine volle Kapazität wieder zur Verfügung steht. Zudem kommt es darauf an, ob der Ladevorgang an einer Schnellladesäule, einer Wallbox oder an der Steckdose zu Hause erfolgt.
Jedoch kann die Ladezeit grob ermittelt werden, indem die Batteriekapazität durch die Ladeleistung des Elektroautos geteilt wird. Das bedeutet am Beispiel des Tesla Model 3: 75 kWh / 11 kW = 7 h. Die Ladeleistung ist jedoch – je nach Ladezustand des Akkus – während des Ladevorgangs nicht konstant (siehe oben).
Die Systemlösung von TankE
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