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Eine Drei-Phasen-Wandladestation mit intelligentem Lademanagement versorgt ein Elektroauto mit Strom.

Bild: Schurter

Sicheres und effizientes Stromtanken E-Autos zuhause laden: Das müssen Sie beachten

01.10.2020

Wer mit dem Gedanken spielt, sich ein Elektroauto zu kaufen, sollte frühzeitig überlegen, woher das Fahrzeug seine Energie beziehen wird. In den allermeisten Fällen ist das Laden zuhause eine der Hauptstromquellen. Worauf Sie beim heimischen Stromtanken achten müssen.

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Elektrofahrzeuge beziehen ihre Energie aus Lithium-Ionen-Akkupacks. Diese sind – obwohl weltweit milliardenfach vom Auto bis zum Handy eingesetzt – durchaus sensible Konstruktionen. Wer beim Ladevorgang Sorgfalt walten lässt, kann die Lebensdauer seines Akkus sowie die Sicherheit deutlich erhöhen. Folgende Punkte gibt es dabei zu beachten:

Dauer des Ladevorgangs berechnen

Die Rechnung zur Ladedauer ist schnell gemacht. Man nehme die Batteriekapazität eines Fahrzeugs in kWh und teile diese durch die Leistung (kW) der Ladestation. So erhält man die Anzahl Stunden für eine Vollladung.

Schwächstes Kettenglied gibt den Takt vor

Man beachte beim Ladevorgang immer, dass dieser wie eine Kette aus dem Stromnetz, der Ladestation, dem Ladekabel sowie dem Ladegerät besteht. Das schwächste Glied einer solchen Kette gibt stets die maximale Ladeleistung vor.

Verkraftet das Ladegerät also nur 6,6 kW, so hilft es nichts, wenn man mit einer 22-kW-Ladestation Strom in die Akkus pumpt.

Schnelles Laden verkürzt die Lebensdauer

Schnelles Laden schadet jedem Lithium-Ionen-Akku. Das Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Zellen kann zu Lithium-Plating führen. Dabei lagern sich Lithium-Ionen auf der Anodenoberfläche ab, anstatt sich zwischen die Schichten des Graphits einzunisten.

Dieser Effekt führt zu signifikanten Einbußen an Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. In extremen Fällen kann das Lithium-Plating sogar zu einem Kurzschluss oder auch zu einem Brand führen.

Laden am Ein-Phasen-Netz

Die kleinsten verfügbaren Wandladestationen werden netzseitig an das 230-V-/16-A-Haushaltsnetz angeschlossen. An diesen Wandladestationen kann nur einphasig mit bis zu etwa 3,6 kW geladen werden.

Das ist nur in wenigen Fällen praktikabel. Etwa bei Fahrzeugen mit geringer Batteriekapazität für Kurzstrecken oder Plug-in-Hybriden, welche nicht ausschliesslich auf den Elektromotor angewiesen sind.

Laden am Drei-Phasen-Netz

Ein Großteil der Wandladestationen für den privaten Bereich wird an 400-V-/16-A-Drehstrom (11 kW maximale Ladeleistung) angeschlossen. Diese Möglichkeit bietet praktisch jeder Haushalt ohne zusätzliche Veränderungen am Stromnetz. Die Ladezeiten verringern sich dadurch bereits um rund den Faktor 3. Vorteilhaft ist insbesondere der einfache Aufbau dieser Wandladestationen, da neben dem dreiphasigen Laden auch die standardmäßigen Bordladegeräte mit 230 V (maximal 3,6 kW) ohne weitere Absicherung auf einer Phase betrieben werden können.

Wer mehr Leistung benötigt, muss bei der Stromversorgung aufrüsten. Etwa auf eine Wandladestation mit 400 V/32 A (22 kW) oder 400 V/63 A (44 kW). Dabei ist man allerdings auf die Hilfe eines Fachmanns angewiesen. Zwingend ist auch die Abklärung der technischen (bestehende elektrische Belastung) und rechtlichen (Mieter, Eigentümer) Realisierbarkeit.

Im Gegenzug erhält man mit solch leistungsstarken Ladegeräten deutlich kürzere Ladezeiten. Dabei bestimmt aber auch hier wieder die technische Leistungsfähigkeit des eingebauten Bordladers die letztlich realisierbare maximale Ladeleistung.

Leistung mit intelligentem Lademanagement steuern

Leistungsfähigkeit ist das eine. Mindestens ebenso wichtig ist es, diese Leistung intelligent und sicher einzusetzen. Hierfür ist Hochleistungselektronik zuständig. Dabei kommuniziert das Lademanagement der Wandladestation mit dem Battery Management System (BMS) des Fahrzeugs.

BMS sind verantwortlich für die Steuerung und Kontrolle des Lade- und Entladevorgangs. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, dafür zu sorgen, dass jede einzelne Zelle sowohl beim Laden als auch Entladen einen für die Anwendung definierten Grenzwert des Ladezustands (SoC = State of Charge) weder unter- noch überschreitet. Der SoC-Wert bezeichnet die noch verfügbare Kapazität eines Akkus im Verhältnis zum Nominalwert.

Elektromagnetische Verträglichkeit beachten

Hochleistungselektronik bedeutet heute stets hoch getaktete Schaltungen. Und hoch getaktete Schaltungen bergen immer das Risiko von zu hohen Emissionen elektromagnetischer Störsignale. Diese müssen zwingend minimiert werden.

Mit EMV-Filtern hoher Dämpfung und einem cleveren Platinen-Layout – im Ein-Phasen-Bereich meist gar mit diskreten Komponenten – lässt sich dieses Problem in den Griff bekommen. Unter anderem Schurter bietet solche Einbaufilter für Ein- und Drei-Phasen-Systeme an. Ob ein- oder zweistufige Filter zum Einsatz kommen (müssen), hängt von der Stärke der Störsignale ab, welche vorab ausgemessen werden sollten. Für annähernd jedes Störsignal und jede Leistungsklasse lässt sich so das EMV-Problem auf kompakte Weise beheben.

Vor Bränden und anderen Schäden absichern

Last but not least: Ladestationen verrichten den Löwenanteil Ihres Dienstes unbeaufsichtigt. Eine großzügige dimensionierte Absicherung mit hochwertigen passiven Bauteilen (Sicherungen, Sicherungsclips) hilft, größere Schäden wie etwa einen Brandfall im Vorhinein zu vermeiden.

Ein Beispiel hierfür wäre etwa der Hochleistungsclip CSO für 10,3-x-38-mm-Sicherungen. Aufgrund des Einsatzes einer speziellen Kupferlegierung besitzt er eine besonders hohe Klemmkraft. Dies führt zu minimaler Verlustleistung, was insbesondere bei Anwendungen mit hohen Strömen unerlässlich ist. Mit einem typischen Kontaktwiderstand von ≤ 1 mΩ eignet sich der Sicherungsclip für den Einsatz in sowohl AC- als auch DC-Ladestationen.

Bildergalerie

  • Der Drei-Phasen-Filter FMAC Neo minimiert elektromagnetische Störsignale.

    Bild: Schurter

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