Connected e-Roadtrip: Komponenten eines E-Autos - Teil 2

Connected e-Roadtrip: Komponenten eines E-Autos - Teil 2

Wie angekündigt, folgt nun der zweite Teil der Übersicht zu Komponenten eines E-Autos. Den ersten Teil findet Ihr hier.
Einer der größten Diskussionspunkte bei einem batteriebetriebenen E-Auto ist das Laden.  Im Folgenden widme ich mich den Bauteilen, die beim Laden eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs eine Rolle spielen, sowie den Nebenaggregaten, die ebenfalls Auswirkungen auf die verfügbare Reichweite haben.

E-Auto-Komponenten

Laden

Die Steuerung zwischen Ladeeinheit (oder auch „Bordlader“ genannt) und Inverter übernimmt die sogenannte Leistungselektronik.

  • Bordlader (oder im Schaubild Ladeeinheit genannt): Dieses Bauteil bestimmt, wie viel Kilowatt das E-Auto von einer Lademöglichkeit aufnehmen kann. Je nachdem, wie viel Kilowatt das Ladegerät verarbeiten kann, lädt das E-Auto schneller oder langsamer an einer Ladesäule. Je mehr Kilowatt der On-Bord-Lader verarbeiten kann, desto teurer ist das Bauteil. Hierbei kann Wechselstrom (AC) entweder nur als einphasiger Strom oder dreiphasig aufgenommen werden. Dreiphasiger Strom sorgt für schnelleres Laden an einer öffentlichen Ladesäule. Zudem legt der integrierte Lader fest, wie viel Kilowatt maximal an einer Schnellladesäule, die immer mit Gleichstrom (DC) betrieben wird, aufgenommen werden kann. Aktuell haben die meisten E-Autos nur einen Bordlader für einphasigen Wechselstrom an Bord, beispielsweise der BMW i3, Hyundai Ioniq, der VW e-Golf und noch einige mehr. Es gibt aber auch Fahrzeuge, die schon mit dreiphasigem Wechselstrom an öffentlichen Ladesäulen schneller laden können. Dazu zählt beispielsweise der Renault Zoe und alle Tesla-Modelle. Unabhängig von der maximalen Aufnahme von Wechselstrom, können viele Elektroautos auch an Schnellladesäulen mit Gleichstrom laden. Voraussetzung dafür ist ein kompatibler Ladeanschluss.
  • Jedes batteriebetriebene E-Auto besitzt einen Ladeanschluss. Derzeit gibt es unterschiedliche Steckertypen. In Europa wurde der CCS (Combined Charging System)-Anschluss entwickelt. Die meisten in Europa verkauften batterieelektrischen Vehikel (kurz: BEV) besitzen diesen Port. Vor allem in Asien gängig ist der Chademo-Anschluss. Dieser Port erlaubt bidirektionales Laden (auch „Vehicle-to-Grid“ genannt), also auch das Zurückspeisen von Strom in einen Speicher. CCS und Chademo können auch an Schnellladesäulen Strom aufnehmen. Tesla hat einen eigenen, proprietären Ladeanschluss. Mit Adaptern kann ein Tesla auch an anderen Ladesäulen, als den Tesla-eigenen Superchargern, laden.
  • Thermomanagement. Da die Batteriezellen sich während der Nutzung erwärmen, ist es von Vorteil, wenn das Hochvolt-Batteriepaket auch aktiv gekühlt wird. Der optimale Temperaturbereich liegt zwischen 25 und 35 Grad Celsius. Passt die Temperatur nicht, dann muss entweder die Aufnahme von Strom reduziert werden (und damit einhergehend längere Ladezeiten in Kauf genommen werden) oder aber die Leistung des E-Motors wird kurzzeitig gedrosselt. Um das zu verhindern, haben manche E-Autos ein Thermomanagement-System mit aktiver Kühlung für die Batterie. Hierzu wird entweder ein Lüfter samt der Klimaanlage oder aber eine Flüssigkeitskühlung verwendet. In Fahrzeugen mit aktivem Thermomanagement (vor allem mit Flüssigkühlung) wird das Batteriepaket länger halten und somit auch mehr Ladezyklen verkraften.

Eine Übersicht über die verschiedenen Ladeoptionen, habe ich Euch nachfolgend zusammengefasst:

Lademöglichkeiten für E-Autos

Eine Ladung an der heimischen Steckdose dauert locker zehn Stunden und länger. Es ist daher wirklich nur als „Notlader“ gedacht. Wenn man hingegen eine öffentlichen Ladesäule (bzw. Wallbox) mit Drehstrom, also mehrphasigem Wechselstrom aufsucht, kann das Batteriepaket schon schneller, also in ein paar Stunden, vollständig geladen werden. Immer noch ein vergleichsweise langsames Ladetempo. Verhältnismäßig schnell wird an sogenannten Schnellladesäulen geladen. An diesen mit Gleichstrom bespeisten Ladepunkten wird ein E-Auto in Minuten wieder voll. An vielen aktuell verfügbaren Schnellladern wird mit maximal 50 Kilowatt geladen. Doch es geht noch schneller. Derzeit bietet unter anderem das Münchner Unternehmen Ionity neue High-Power-Charging-Ladesäulen an. Diese Schnellladesäulen setzen ausschließlich auf den CCS-Stecker und können deutlich mehr als 50 Kilowatt abgeben. Aktuell sind – je nach Anbieter – bis zu 350 Kilowatt drin. Wenn ein entsprechender On-Board-Lader im Fahrzeug verbaut ist, dann soll damit das Nachladen für 100 Kilometern in unter 4 Minuten möglich sein. Solche HPC-Schnellladesäulen werden von Ionity in 19 verschiedenen europäischen Ländern errichtet. Hinter dem Unternehmen stehen BMW, Daimler, die VW AG und Ford. Dazu kommen noch weitere Kooperationspartner, wie zum Beispiel Tank & Rast. Besonders bei den HPC-Schnellladesäulen ist, dass auch das Ladekabel aktiv gekühlt wird. Erste E-Automobile, die die HPC-Säulen dank neuer Bordlader voll ausreizen können, kommen allerdings erst in den nächsten zwei Jahren auf den Markt. Unabhängig davon sind folgende Einflussfaktoren wichtig beim Laden:

  • State of Health (kurz: SoH). Damit wird der Gesundheitszustand des Hochvolt-Batteriepakets angegeben. Bei Neuwagen beträgt er 100%. Über die Jahre verringert er sich, je nachdem, wie der Akku „behandelt“ wird. Zertifizierte Werkstätten können den SoH-Wert auslesen. Dabei wird die aktuell bei einer Vollladung verfügbare Kapazität in Kilowattstunden mit der vom Hersteller angegebenen Netto-Kapazität bei Auslieferung des Wagens verglichen. Beträgt der maximale erreichbare kWh-Wert weniger als 80% vom Wert bei Erstauslieferung des E-Autos, so spricht man vom „Lebensende“ der Batterie. Dann sollte das Akkupaket ausgebaut werden und kann als Zwischenspeicher für Strom aus zum Beispiel Solaranlagen dienen.
  • State of Charge (kurz: SoC). Hiermit wird der Akkustand bezeichnet. Wenn man nicht auf den letzten Tropfen zum Nachtanken kommt, dann geht der Ladevorgang erheblich schneller.
  • On-Bord-Lader (oder auch Ladeeinheit im Fahrzeug genannt). Dieses Bauteil bestimmt, wie viel Strom das Auto aufnehmen kann. Um möglichst die maximale Ladeleistung der Ladesäule nutzen zu können, ist eine Unterstützung für Drehstrom, also mehrphasigem Wechselstrom, notwendig. Ebenfalls sollte eine möglichst hoher Wert an Kilowatt unterstützt werden, wenn man mit Gleichstrom an einer Schnellladesäule laden will.
  • Temperatur-Überwachung. Beim Laden heizen sich Komponenten des E-Autos auf. Wenn die Sensoren melden, dass es zu warm ist, wird die Ladeleistung, die aufgenommen werden kann, reduziert. Idealerweise hat das E-Auto ein Thermomanagement verbaut und kann das Hochvolt-Batteriepaket kühlen bzw. im optimalen Wirkungsbereich halten.

Viele Schnellladesäulen sind sogenannte „Triple-Charger“, das bedeutet, dass an einer Schnellladesäule drei verschiedene Ladekabel zur Verfügung stehen. Das sind ein CCS-Stecker, der Chademo-Stecker und ein Wechselstrom (AC)-Ladekabel. Pro Schnellladesäule kann immer nur ein Fahrzeug laden. Im Gegensatz dazu können sowohl bei Teslas Supercharger, als auch bei (einigen) öffentlichen Ladesäulen (mit Wechselstrom) auch zwei E-Autos gleichzeitig mit Strom versorgt werden. Dann wird allerdings die Ladeleistung aufgeteilt, so dass der Ladevorgang länger dauert.

Da durch die hohen Temperaturen beim Schnellladen die Akkuzellen schneller altern, empfiehlt es sich, nicht ständig auf quick charge zu setzen. Vor allem dann, wenn das E-Auto kein Thermomanagement mit Kühlsystem besitzt. Vielmehr sollte eine Schnellladesäule dann genutzt werden, wenn man eh eine längere Strecke auf der Autobahn fährt und somit einfach schnell Strom braucht. Ab und zu nachladen an einem Schnelllader ist kein großes Problem. Für das tägliche Laden sollte man eher auf das langsame Laden an einer öffentlichen Ladesäule bzw. Wallbox setzen. So gilt, wie auch bei anderen elektronischen Geräten, wie dem Smartphone: Langsam und kontinuierlich laden mag der Akku. Einen „Memory-Effekt“ gibt es nicht mehr und die Ladesteuerung kappt den Strom, wenn der Akku voll ist. Eine Möglichkeit ist, immer mal wieder eine Zwischenladung zu machen. So sollte verhindert werden, dass man ohne Saft da steht. Zugleich kann man bei einem kurzen Zwischenstopp auch eventuell auf das langsamere und damit Akku-schonendere Laden mit Drehstrom setzen. Eine empfehlenswerte Übersicht zu Ladesäulen bietet goingelectric.de an.

Nebenaggregate

Da in Elektroautos keine Lichtmaschine oder Ähnliches verbaut ist, müssen alle Nebenaggregate elektrisch betrieben werden. So genehmigen sich Licht, Radio, Klima/Heizung und sämtliche Assistenzsysteme Strom aus dem großen Akkupaket, welches ja auch zum Fahren benötigt wird. Die Elektronik samt Assistenzsystemen ist dabei genügsam, mit Werten zwischen 0,8 kW und 1,2 kW. Der größte Stromfresser ist die Klimatisierung des Innenraums. Hierbei können gut und gerne bis zu 6 kW verbraucht werden. Es gibt folgende zwei Möglichkeiten, den Fahrgastraum zu temperieren:

  • PTC-Zuheizer und E-Klimakompressor.
  • Wärmepumpe als Ergänzung zum PTC-Zuheizer und dem E-Klimakompressor. Um während der Fahrt den Zuheizer möglichst selten aktivieren zu müssen, ist in manchen Elektroautos eine sogenannte Wärmepumpe verbaut. Die Klimaautomatik übernimmt die Steuerung und den Wechsel zwischen Wärmepumpe und PTC-Heizung selbständig. Der Verbrauchsvorteil kann – je nach Außentemperatur und Gebläseeinstellung – sehr hoch sein. So benötigt eine Temperierung des Innenraums mittels Wärmepumpe nur zwischen 0,25 und 0,8 kW. Wenn dagegen nur der PTC-Zuheizer aktiv ist, kann es schon mal bis zu 6 kW sein. Die Wärmepumpe sorgt also für einen großen Vorteil in Sachen Reichweite.

Hier ein Video zur Funktionsweise einer Wärmepumpe:

Um die Reichweite zu verlängern, sind intelligente Lösungen gefragt. Gerade, was die Versorgung der Nebenaggregate angeht, wird es immer wichtiger werden, neue Ansätze zu entwickeln. Denn kaum jemand wird ein Fahrzeug ohne Klimaanlage, Radio und Licht fahren wollen, wenn all das vorhanden ist.

Eine Einigung, auf einen gemeinsamen Steckertyp würde auch viel Mühe ersparen. Ob es aber dazu kommt, darf durchaus bezweifelt werden.Generell wünschenswert ist auch, dass mehr E-Autos stärkere Bordlader bekommen, damit man auch die volle Power der jeweiligen Ladesäule nutzen kann. Vor allem die schnelle Verarbeitung von dreiphasigem Wechselstrom und Unterstützung für die HPC-Schnellladesäulen sollte zukünftig möglich sein. An drahtlosen Ladepads, die auf die Fahrbahn gelegt werden, wird ebenfalls fleißig entwickelt.

 

Wer noch mehr zum Thema Laden und zu elektronisch betriebenen Nebenaggregaten in Elektroautos wissen will, hier noch ein paar weiterführende Links:

Chademo: Technology overview. 
Ghazel, Adel / Murnane, Martin: A closer look at State of Charge and State of Health Estimation Techniques for Batteries.
Goingelectric: Erster 350 kW Standort bei Brohtal Ost geht in Betrieb.
Golem: Das Kühlsystem des Audi e-tron.
Greis, Friedhelm: Ein Akku-Doppelbett für die Jagd auf Tesla.
Ionity: Wer wir sind.
Kunde, Dirk: Stecker fürs Elektroauto.
Reichenbach, Michael: Behr – Thermomanagement ist der Schlüssel zum Elektroauto.
Schmidt, Torsten: Innenraumheizung per Wärmepumpe.
The Mobility House: Vehicle-to-Grid.
Vollmer, Alfred: Standardisierung von Hochvolt-Ladesystemen. HPC.
Wikipedia: Chademo.
Wikipedia: Zuheizer.

Über den Autor
Claus Ludewig
Ich bin mit Windows 98 aufgewachsen und habe seitdem jede Windows- und Office-Version genutzt. Zum Entspannen dient die Xbox. Neben der engen Verbundenheit zu Microsoft-Produkten, schaue ich auch gerne mal über den Tellerrand hinaus in die weite Welt. Ich interessiere mich für alles, was vier Räder hat. In diesem Sinne nehme ich Euch gerne zu einer Spritztour mit.

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Kommentare
  1. Ein richtig gut gemachter und vor allem realitätsnaher Artikel über den einen der beiden entscheidenden Alltags-Tauglichkeitspunkte eines EVs, das Laden. (der andere ist die Reichweite)
    Bevor hier im Forum gleich der übliche Glaubenskrieg zwischen Lovern und Hatern ausbricht, wollte ich zwei Anmerkungen hinzufügen, gespeist aus der Erfahrung mit über 3 Jahren begeisterter und alltagstauglicher Elektromobilität:
    1. Für das übliche Alltagsladen reicht eine niedrige Ladeleistung an einer normalen Schukosteckdose über Nacht im Carport/Garage/Tiefgaragenstellplatz völlig aus. Allerdings sind die Ladeverluste (wieviel kommt aus der Steckdose, wieviel kommt im Akku an) bei einer Schukosteckdose deutlich höher, als bei einer z.B. 11kW Wallbox (mobil oder stationär) mit Typ 2 Stecker. Die meisten EV-Fahrer oder Fahrerinnen gönnen sich daher auf lange Sicht doch eine extra Ladebox.
    2. Auch wenn der CCS-Ausbau inzwischen vorankommt und gerade an den Autobahnen viele Triple-Charger stehen, so ist doch der Typ 2 Stecker in Deutschland der de-facto-Standard mit der weitesten Verbreitung. Zur Zeit gibt es in Deutschland etwa 10.000 Typ 2 Ladesäulen und etwa 900 CCS Ladesäulen (je nach Verzeichnis). Wünschenswert ist daher ein EV, was beide Standards beherrscht.
    Wer sich mehr Informationen zum Thema EVs holen möchte, der sei an die goingelectric Webseite verwiesen, mit guten Übersichtsartikeln, Foren, praktischen Tipps etc.
    Herzlichen Dank für diesen informativen und ausführlichen Bericht. Allein die technischen Änderungen am Fahrzeug und Bedienung sind doch beachtlich. Vermutlich muss ich und jeder andere Führerscheininhaber erst Elektrozusatzprüfung ablegen, bevor man E-Autos erwerben kann.
    Da wird der Verbraucher erst mal umschulen müssen.
    ... Vermutlich muss ich und jeder andere Führerscheininhaber erst Elektrozusatzprüfung ablegen, bevor man E-Autos erwerben kann.
    Da wird der Verbraucher erst mal umschulen müssen.

    Da kann ich dich beruhigen. Die Elektroautos fahren und verhalten sich im wesentlichen genauso wie ein herkömmliches Fahrzeug. Was das angeht muss man sicher keine Zusatzausbildung machen. Das "Mäusekino" im Armaturenbrett ist ein anderes, aber da versuchen die Hersteller einfach zu zeigen wie gut und toll man gerade fährt.
    Eine kleine Umgewöhnung ist das Laden beim Bremsen und Rollen, der diese sehr viel Vorschub aus dem Fahrzeug weg nimmt und man somit anders Bremsen kann (und sollte) bzw. mit dem Gaspedal spielen, um möglichst viel Energie zurück zu gewinnen. Mit deutlich weiteren vorausschauendem Fahren ist da einiges möglich.
    Hier wäre es immer wieder hilfreich, wenn die anderen Verkehrsteilnehmer mal mehr Ruhe und Gelassenheit an den Tag legen würden, denn am Ende kommt man doch meist zur selben Zeit an.
    Sehr schöner Bericht, nur solang ich keine eTanksäule in meiner Garage einrichten darf (bei 60 Mitglieder braucht nur einer dagegen sein) kommt für uns kein e Auto ins Haus, schade das die Politik es garnicht möchte
    Sehr schöner Bericht, nur solang ich keine eTanksäule in meiner Garage einrichten darf (bei 60 Mitglieder braucht nur einer dagegen sein) kommt für uns kein e Auto ins Haus, schade das die Politik es garnicht möchte

    +1 dazu der höhere Preis plus Liegebleibrisiko.
    +1 dazu der höhere Preis plus Liegebleibrisiko.

    Wenn man unbedingt ein E-Auto eines deutschen Herstellers will oder eines Tesla stimmt das.
    Aber es gibt auch Hersteller, die das Auto "ohne" Akku anbieten, dann ists gleich billiger, und die zu zahlende Miete für den Stromspeicher kann sich durchaus rechnen, je nach Fahrleistung, wobei am Ende des Lebenszyklusses des Akkus auch so Sachen wie Entsorgung und teure Neuanschaffung wegfallen.
    Guter und interessanter Artikel!
    Leider ist die Firma BetterPlace zu früh pleite gegangen um hier erwähnt zu werden.
    Deren mit Renault entwickeltes Konzept der "Akkutankstellen" war interessant, ist aber letztlich daran gescheitert, dass sich u.a. die deutschen Hersteller (die damals noch nichtmal eine E-Auto-Skizze auf dem Papier hatten) weigerten, am System der standardisierten und austauschbaren Akkus mitzumachen
    Guter und interessanter Artikel!
    Leider ist die Firma BetterPlace zu früh pleite gegangen um hier erwähnt zu werden.
    Deren mit Renault entwickeltes Konzept der "Akkutankstellen" war interessant, ist aber letztlich daran gescheitert, dass sich u.a. die deutschen Hersteller (die damals noch nichtmal eine E-Auto-Skizze auf dem Papier hatten) weigerten, am System der standardisierten und austauschbaren Akkus mitzumachen

    Vielen Dank für das Lob!
    Ja, BetterPlace hatte eine interessante Idee! Letztendlich waren es natürlich mehrere Faktoren, warum "Akku-wechsel-Stationen" nicht in großer Zahl errichtet wurden.
    Ein Problem ist sicherlich auch gewesen, wo und wie ich die ausgebauten Akkus lagere und wie ich für die verschiedenen Größen der Automodelle "Platz" schaffe...Zumal beim - jetzt - eingeschlagenen Weg das Akkupaket zu schwer ist, um es einfach so austauschen zu können. Aktuell kann ein großes Akkupaket mit 95 kWh schon mal 700 kg wiegen! Das ist ne ganze Menge. Durch die Lage im Auto, ist es kein großes Problem, denn es "drückt" das E-Auto so nach unten. Umkippen praktisch ausgeschlossen und die Gewichtsverteilung ist so auch ganz gut. Warum sonst gibt es Mittelmotorsportwagen? ;-)
    Und auch etwas mehr Gewicht fällt nicht so stark auf, wie bei einem Verbrenner.
    Viel mehr sind Dinge, wie der Luftwiderstand (CW-Wert) entscheidend, zumal er im "realen" Leben viel bringt. Wenn die Luft besser ums Auto strömen kann, dann muss sich das Fahrzeug nicht so "anstrengen", um vorwärts fahren zu können.
    Danke herzlichst für diesen Teil der Serie.
    Im schönen und nicht so ganz armen Ba-Wü ist die Sache (wie üblich) immer etwas anders was die E-Tankstellen betrifft. Selbst in (m)einer sog. großen Kreisstadt (> 40.000 Einwohner, enorm viel Durchgangsverkehr - A81 nicht mal 3 km entfernt, gibt es gerade mal 3 Tanken lt. goingelectric.de)
    Der nächste Knackpunkt sind die Kosten für eine Ladebox in der Garage sowie die kW-Preise von ENBW.
    Dem sogenannten Steuervorteil beim Erwerb für Privat stehen de facto Mehrkosten und Beschränkungen ohne Ende entgegen.
    @Claus007
    Ja, im Endeffekt waren es natürlich mehrere Ursachen, die zur Insolvenz von BetterPlace geführt haben, aber in Israel lief das Pilotprojekt scheinbar relativ gut.
    Und das Problem der Akkugrößen war in deren Konzept keines, da, grob gesagt, nur zwei bis drei Akkutypen mit einer Reichweite von etwa 150km vorgesehen waren, soweit ich mich erinnere.
    Anders sieht das natürlich mit der Positionierung des Akkus aus, da wäre den Autoherstellern Gestaltungsfreiheit verloren gegangen.
    Ändert aber nichts an meiner Meinung dass die Beitragsreihe recht informativ und ausführlich ist :)
    Also an dem E-Auto Goupil G5 das ich beruflich fahre hat einen Mennekes 373 CEE Stecker 16 A 4 polig Aufbaustecker. 40% bis 50% kann ich da in einer Stunde den Akku aufladen. Eine Ladesäule haben wir nicht auf dem Bauhof da ist nur auch so eine 4 Polige 220V 16A Steckdose wie am E-Auto.
    In dem Goupil G5 ist ein 14,4 kWh Blei Akku-Pack verbaut. Reichweite ca. 130km (Herstellerangabe) oder bei sehr sparsamer Fahrweise 1,5 Tage (Ist das Maximum was ich bis jetzt geschafft habe). Auf 1,5 Tage komme ich aber nur wenn ich wirklich darauf achte das ich sparsam fahre. Normal reicht der Akku sonst bei mir nur 1 Arbeitstag was eigentlich die Regel ist. An einem Durchschnittlichen Arbeitstag fahre ich ca. 60 bis 70km. Das ich mir sicher sein kann das die Akkuladung bis zum Feierabend reicht wird in der 1 Stündigen Mittagspause als der Goupil G5 noch an die Steckdose gehängt. Wenn ich am Mittag den G5 als Zwischenlade hab ich meist eine Restladung von 30% bis 40% am Feierabend.
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