Alles, was du schon immer über Schnellladen wissen wolltest

1. Die Grundlagen

Was ist Schnellladen? Und wie unterscheidet es sich vom „regulären“ Laden? Alle Akkus — die in elektrischen Autos inbegriffen — nutzen Gleichstrom (DC) zum Laden und Entladen. Das Stromnetz liefert jedoch Wechselstrom (AC). Deswegen muss der AC aus dem Stromnetz in DC umgewandelt werden, damit er zum Aufladen des Akkus verwendet werden kann. Dies geschieht mittels eines AC/DC-Wandlers.

Dieser AC/DC-Wandler ist ein Teil dessen, was wir Ladegerät nennen. Ladegeräte können entweder in das Fahrzeug als On-Board-Ladegerät integriert werden, oder sich außerhalb des Fahrzeugs befinden (zum Beispiel ein Schnellladegerät). Heutzutage hat praktisch jedes elektrische Fahrzeug ein kleines On-Board-Ladegerät. Du kannst ein Kabel für die Verbindung des On-Board-Ladegeräts mit einer normalen AC-Steckdose in deiner Garage oder zum Einstecken in eine Ladestelle benutzen. Diese Ladestelle liefert den benötigten AC für das On-Board-Ladegerät zum Aufladen deines Akkus. Eine Ladestelle ist also in Wirklichkeit kein Ladegerät, sondern eine intelligente Steckdose zum Einstecken deines Ladekabels.

Wenn du schneller laden möchtest, muss der AC/DC-Wandler und deshalb das Ladegerät größer sein. Ein größeres Ladegerät ist jedoch schwerer, nimmt mehr Platz im Auto ein und bringt zusätzliche Komplexität sowie Kosten für das Fahrzeug mit sich. Darüber hinaus muss jede Komponente in einem Fahrzeug automobil klassifiziert sein, um einen zuverlässigen Betrieb für die Lebensdauer des Fahrzeugs zu gewährleisten. Deswegen entscheiden sich viele Fahrzeughersteller zur Optimierung zwischen diesen Faktoren für ein relative kleines— und deshalb langsames— On-Board-Ladegerät.

Schnellladen ist anders 

Ein externes Ladegerät, das die AC/DC-Umwandlung durchführt, kann sehr viel größer, schwerer und teurer als ein On-Board-Ladegerät sein. Aber es ist auch viel schneller. Das ist der Grund, warum sie normalerweise als „DC-Schnellladegeräte” oder einfach nur als „Schnellladegeräte“ bezeichnet werden. Ein ganz normales Schnellladegerät liefert 50 kW, mit dem ein Fahrzeug ungefähr 5- bis 15-mal schneller als mit einem On-Board-Ladegerät aufgeladen wird. Eine neue Generation von Schnellladegeräten wurde Anfang 2018 eingeführt und liefert 175 kW und kann später sogar bis zu 350 kW aufgerüstet werden. Weiteres zu der Auswirkung, die dies mit sich bringt, später. 

2. Wie Schnellladen funktioniert

Ein Fahrzeug-Akku enthält viele „Zellen”. Eine einzige Zelle ist einem aufladbaren Akku, den du zu Hause hast, sehr ähnlich, nur größer. Ein Tesla Modell S mit einem 85 kWh Akkupaket enthält 7.104 einzelne Zellen. Ein BMW i3 mit einem 21,6 kWh Akkupaket hat nur 96 Zellen, dessen Zellen sind jedoch größer, als die, die bei Tesla verwendet werden. Gemeinsam mit der gesamten Verkabelung und Umhüllung, bilden die Zellen ein Akkupaket, wie unten abgebildet.

BMW i3 Akkupaket

Heutzutage sind Akkupakete mit Schnellladefähigkeit konzipiert. Zum Beispiel ist der Antriebsstrang des BMW i3 mit einer Höchstleistung von 125 kW und 75 kW Dauerstrom bemessen, während Schnellladen mit 50 kW geschieht.

Akkulaufzeit

Das Akkupaket eines Autos wird niemals zu 100 % genutzt. Die normale Kapazität des 21,6 kWh i3 Akkupakets ist beträgt ungefähr 19 kWh oder etwa 90 % der Gesamtkapazität. Der Unterschied von 2,6 kWh wird als eine Reserve zur „Eindämmung” der Auswirkung des Ladens und Entladens genutzt. Das Akkupaket zirkuliert automatisch zwischen ungefähr 5 % und 95 % des Akkupakets. Dies wird alles vom Battery Management System (BMS) geregelt und vollständig vom Fahrer verborgen.

Es gibt viele Faktoren, die die Akkulaufzeit beeinflussen, inklusive Temperatur, Alter des Akkus, Größe des Akkus, Chemie, die Dauer ein Akku vollständig aufgeladen zu lassen und die Zahl der Lade- — Entladezyklen. Beim Testen des Nissan Leaf MY2012, eines der ersten vollständigen elektrischen Fahrzeuge, hat sich herausgestellt, dass eine exklusive Nutzung von Schnellladegeräten die Akkulaufzeit kaum beeinträchtigt. Und weitere Untersuchungen zeigen, dass Schnellladen für die Akkulaufzeit tatsächlich besser ist. Die Akku-Technologie wird sich auch weiterhin damit befassen, was bedeutet, dass sich Eigenschaften wie Ladegeschwindigkeit und Akkulaufzeit ebenfalls verbessern werden.

Als Grundregel, ein Akku wird länger halten, wenn dessen Größe zunimmt, weil häufigere Lade- — Entladezyklen für die gleiche Kilometerleistung erforderlich sind.

Die Daten, gesammelt von Merijn, beinhalten neben anderen Details, wie viele Supercharger Besuche gemacht wurden (Daten, erfasst im Mai 2018).

Ladegeschwindigkeit

Während des Schnellladens besteht eine kontinuierliche Kommunikation zwischen dem BMS und dem Schnellladegerät. Das BMS instruiert das Schnellladegerät, die Ladegeschwindigkeit einzustellen. Diese Geschwindigkeit wird für gewöhnlich in Kilowatt (kW) ausgedrückt. Ein Auto 1 Stunde lang mit 50 kW zu laden, bringt 50 kWh in das Akkupaket. Ein elektrisches Fahrzeug benötigt durchschnittlich 1 kWh, um 5 km zu fahren. Einige Fahrzeuge wie Tesla drücken außerdem die Ladegeschwindigkeit in Kilometer oder Reichweite aus, die während einer Stunde des Ladens gewonnen wurden. Das heißt 50 kW entsprechen ungefähr 250 km/Stunde („250 km Reichweite, in 1 Stunde geladen“).

Warum Ampere und Volt von Bedeutung sind

Leistung (ausgedrückt in Watt) ist das Produkt von Spannung (Volt) und Strom (Ampere). Wenn mit 50 kW geladen wird, geschieht dies im Allgemeinen bei 400 V und 125 A (400 * 125 = 50.000 W = 50 kW). Man beachte, dass dies bedeutet, dass die Ladegeschwindigkeit gleichermaßen von Spannung und Strom beeinflusst wird. Man kann das Laden von Elektrizität mit dem Laufen des Wassers aus einem Wasserhahn vergleichen. Stell dir Spannung (V) als den Wasserdruck und den Strom (A) als die Größe des Wasserhahns vor. Wenn man den Druck erhöht, wird mehr Wasser fließen und das Gleiche gilt auch, wenn die Größe des Wasserhahns zunimmt.

Die Spannung ist ein Merkmal eines Akkus. Die meisten Akkupakete für Autos laufen bei ungefähr 400 V, wenn sie vollständig aufgeladen sind. Wenn allerdings ein Akkupaket nicht vollständig aufgeladen ist, wird die Spannung niedriger – z. B. 325 V. Die Spannung wird während des Ladens stufenweise steigen, was bedeutet, dass dies einen positiven Effekt auf die effektive Ladegeschwindigkeit hat (siehe die blaue Linie in der Grafik unten, die einen Schnellladevorgang eines 30 kWh Nissan Leaf darstellt).

Der Strom kann durch ein Schnellladegerät zunehmen oder abnehmen, basierend auf den Instruktionen des BMS (siehe die gelbe Linie in der Grafik unten). Die meisten 50 kW Schnellladegeräte können einen maximalen Strom von 125 A liefern, unsere 175 kW CCS Ladegeräte jedoch können bis zu 375 A liefern.

0–90 % Laden eines 30 kWh Nissan Leaf

Was beeinflusst die Ladegeschwindigkeit? 

Betrachten wir jetzt einmal alle Faktoren, außer der Spannung, die einen Effekt auf die Ladegeschwindigkeit haben. Es gibt vier Hauptaspekte:

1. Akkupaket Kapazität: Im Allgemeinen kann ein größeres Akkupaket schneller geladen werden. Das heißt, ein Tesla Model S mit einem großen 100 kWh Akku kann mit mehr Leistung geladen werden als ein BMW i3 mit einem 21 kWh Akku. Dies ist auch der Hauptgrund, warum die gegenwärtige Menge an Plug-in-Hybrid elektrischen Fahrzeuge (PHEVs) nicht schnell laden können: Ihre Akkupakete sind ganz einfach zu klein. Die meisten PHEV Hersteller nehmen die zusätzliche Hardware (z. B. zusätzlicher Eingang und zusätzliche Verkabelung) nicht mit in die Autos auf.
2. State of Charge (SoC) (Ladezustand): Wenn ein Akku beinahe vollständig aufgeladen ist, sinkt die Ladegeschwindigkeit, um eine Überhitzung der Akkuzellen zu verhindern. Die Geschwindigkeit sinkt normalerweise bei 80-90 % SoC und verlangsamt sich weiter, je näher 100 % SoC kommt. Das ist der Grund, warum Schnellladen am effektivsten zwischen 0 % und 80-90 % SoC ist.
3. Temperatur des Akkus : Akkuzellen laufen am effektivsten zwischen 20-25 Grad Celsius (68-77 Grad Fahrenheit). Wenn die Temperatur des Akkus zu niedrig oder zu hoch ist, verringert das BMS den angeforderten Strom, um die Gesundheit der Akkuzellen zu gewährleisten. Wenn das Akkupaket mit einem Heiz- oder Kühlungssystem ausgestattet ist (z. B. der BMW i3), wird das BMS dieses System aktivieren, um die Temperatur der Zellen zu kontrollieren. Man beachte, dass die Temperatur des Akkus nicht nur von der Temperatur von außen beeinflusst wird, sondern auch vom (Autobahn) Fahren und (Schnell-)Laden, weil dies generell die Temperatur des Akkus steigen lässt.
4. Akku-Chemie: Bei der Konstruktion eines Akkus müssen die Hersteller Entscheidungen bezüglich der Größe, des Gewichts, der Kosten, Lebensdauer und der Leistung des Akkus treffen. Abhängig von der Zielgruppe des Fahrzeugs könnten sie beispielsweise hinsichtlich der Leistung des Akkus bei den Kosten sowie beim Gewicht einen Kompromiss eingehen. Alternativ wird ein High-End-Fahrzeug eine bessere Leistung haben und kann eine Temperaturregulierung enthalten, das bedeutet jedoch gleichzeitig ein größeres Preisschild.

Die Grafik oben zeigt die Ladekurven von 2 Generationen BMW i3 Akkus (22 kWh und 33 kWh). Die Ladekurve ist bei jeder Fahrzeugmarke und jedem Fahrzeugmodell unterschiedlich. Ladekurven für die beliebtesten Fahrzeuge sind auf unserer Support-Seite zu finden.

Auswirkung der Schnellladegeräte auf die Ladegeschwindigkeit 

Ladegeräte könnten selbst die Höchstgeschwindigkeit, mit der ein Fahrzeug geladen werden kann, beschränken. Wenn ein Ladegerät mit 50 kW bemessen wird, wird es niemals mehr Leistung liefern, auch wenn das Fahrzeug in der Lage wäre, schneller zu laden.

Es können außerdem Beschränkungen der Netzanschlüsse vorkommen oder mehrere Ladegeräte an einem einzigen Standort können sich die Leistung teilen, was zu einer Situation führen könnte, in der ein Schnellladegerät nicht die volle Leistung liefern kann. Bei einem Tesla Supercharger beispielsweise, teilen sich normalerweise zwei Ladesäulen die Kapazität. Wenn also ein Auto mit voller Leistung lädt, ist nur begrenzte Leistung für das andere Auto übrig. Bei Fastned können alle Ladegeräte in der Regel mit voller Leistung arbeiten, ungeachtet der Anzahl der Fahrzeuge, die am selben Standort laden.

3. Laden mit Höchstleistung

Aktuell gibt es nur zwei offene Schnelllade-Standards: „CCS” und „CHAdeMO”.

Combined Charging System (CCS) (kombiniertes Ladesystem) wurde von sieben Autoherstellern entwickelt und ursprünglich für das Laden bis zu ~80 kW (bei 400 V) konzipiert. Der Standard wird von CharIN gefördert und von einer großen Anzahl von Autoherstellen und Herstellern von Ladegeräten weltweit unterstützt.

CHAdeMO wurde bereits 2010 von der CHAdeMO Association entwickelt und ist eine Initiative japanischer Autohersteller. Der anfängliche Entwurf ermöglichte ein Aufladen von bis zu ~50 kW (bei 400 V).

Fastned ist Mitglied beider Organisationen und wir bieten diese Standards bei allen unseren Stationen an. Es ist zu beachten, dass Tesla ein geschütztes Ladeabkommen für seine Supercharger hat, die bis zu 130 kW schnellladen können. Weil das Tesla Abkommen geschützt und deswegen nicht zugänglich ist, können Hersteller von Schnellladegeräten keine Tesla Stecker in ihre Ladegeräte mit aufnehmen. Um dieses Problem zu umgehen, installierte Fastned Tesla CHAdeMO Adapter bei all seinen Stationen in den Niederlanden.

Die meisten Schnellladegeräte die bis Ende 2017 installiert wurden, können bis zu 50 kW liefern und praktisch alle elektrischen Fahrzeuge sind ebenfalls auf 50 kW beschränkt. Während des Schreibens ist die einzige Ausnahme – außer Tesla – ist der Hyundai Ioniq, der bis zu 70 kW laden kann. Wenn allerdings ein Hyundai Ioniq bei einem 50 kW Schnelllader lädt, ist die Ladegeschwindigkeit natürlich auf 50 kW begrenzt.

Die neue Generation Schnellladegeräte 

Deutsche Autohersteller wie Volkswagen, Audi und Porsche scheinen beizupflichten, das Ultraschnellladen für die Übernahme elektrischer Autos unerlässlich ist. 2017 veröffentlichte CharIN, die Spezifikationen eines erweiterten CCS Standards, der ein Laden von bis zu 350 kW ermöglicht. Das ist bis zu sieben Mal schneller als ein 50 kW Ladegerät, und die Zeit des Ladens von 250 Kilometer Reichweite wird von einer Stunde auf weniger als 10 Minuten reduziert!

Zunahme der zusätzlichen Reichweite pro 20 Minuten des Ladens 

Bei der Frankfurt Auto Show in 2015, macht Audi das Q6 e-tron quattro Konzept bekannt. Dieser vollständig elektrische Audi ist in der Lage, mit 150 kW zu laden und wird Ende 2018 in Produktion gehen. Auf der gleichen Show präsentierte Porsche seinen Mission-E, der für 2019 geplant ist und ein Laden bei 300+ kW unterstützt. Beide Autos zeichnen sich durch einen großen Akku von mindestens 90 kWh und einer praktischen Reichweite von 500 km aus.

Mittlerweile kündigten viele Autohersteller elektrische Fahrzeuge an, die 2018-2020 auf den Markt kommen und sich diese Hochleistungs-Ladegeräte zu Nutzen machen können. Der Jaguar I-Pace wird Ende 2018 unter den ersten Verfügbaren sein, dies das Laden bei 100+ kW unterstützen.

Diese Ankündigungen zeigen, dass der Wettlauf für schnelles Laden begonnen hat. Außerdem wird jetzt deutlich, dass ein Netzwerk mit ultraschnellen Ladestationen zur Unterstützung der Einführung dieser elektrischen Fahrzeuge der nächsten Generation erforderlich ist.

Mittlerweile arbeiten die japanischen Autohersteller ebenfalls an schnelleren Ladegeschwindigkeiten. Die CHAdeMO Association stellte die Spezifikationen für das Laden mit bis zu 200 kW zur Verfügung, jedoch wurden – zumindest in Europa – keine Fahrzeuge angekündigt, die das CHAdeMO Laden mit mehr als 50 kW unterstützen. Es bleibt abzuwarten, wie CHAdeMO sich in Europa entwickeln wird, da der Marktanteil des CCS Standards äußerst schnell anwächst.

Bereitstellung der Infrastruktur für das Laden der nächsten Generation 

Viele Stationen sind bereits für die 175 kW Ladegeräte vorbereitet. Fastned hat Netzanschlüsse, die ein Laden von 4-8 Autos mit bis zu 175 kW gleichzeitig unterstützen. Andere Fastned Stationen können ebenfalls auf einfache Weise mit einem größeren Netzanschluss nachgerüstet werden. Es kann durch Einführung einer Akkupufferung vor Ort in der Zukunft mehr Kapazität hinzugefügt werden und/oder durch ein weiteres Anwachsen der Kapazität der Netzanschlüsse. Das Entwurf unserer Stationen ist bereits für einen maximalen Durchlauf an Autos konzipiert.

Wir haben unsere ersten 175 kW Ladegeräte im Februar 2018 installiert und werden mit der Entwicklung von 175 kW Ladegeräten in den kommenden Jahren fortfahren. Diese Ladegeräte sind außerdem vollständig auf ein 350 kW Laden vorbereitet, wenn die Fahrzeuge erscheinen, die für diese hohe Ladegeschwindigkeit befähigt sind.

Der Hyundai Ioniq kann bereits unsere 175 kW Ladegeräte nutzen, mit einem Ladevorgang von bis zu 70 kW, was 50 % schneller ist, als bei einem 50 kW Ladegerät. Dies reduziert die Ladezeit von 30 Minuten auf ungefähr 20 Minuten. Wir haben festgestellt, dass zum Beispiel Taxifahrer diese Reduzierung der Ladezeit sehr zu schätzen wissen, weil es ihnen ermöglicht, mehr Fahrten am Tag zu machen und sie ganz einfach mehr Geld verdienen.

4. Schnellladen, Kapazität der Station und Skaleneffekte

Schnellladestationen werden der Schlüssel dazu sein, eine große Anzahl an elektrischen Fahrzeugen zu laden. Ein elektrisches Auto zu laden, wird eine Mischung aus zu Hause-Laden, Laden am Bestimmungsort (bei der Arbeit, einem Supermarkt, Hotels etc.), öffentlichem, langsamem Laden und öffentlichem, schnellem Laden sein.

Wenn wir uns in Richtung auf einen größeren Anteil reiner EVs auf der Straße zubewegen, ist es zunehmend wichtig, über die „Gesamtkosten der Infrastruktur” nachzudenken, um diese Autos zu laden, einschließlich der Kosten von Netzanschlüssen, Erweiterungen von Stromnetzen und Flächennutzung. Skaleneffekte können die Kosten für den Betrieb eines Netzwerks von Ladestationen drastisch senken und demzufolge niedrigere Preise für den Verbraucher. Neben den Skaleneffekten gibt es andere, eindeutige Vorteile, Schnellladegeräte an einem einzigen Standort zu gruppieren. Schnellladestationen mit mehreren Ladegeräten und einem Schutzdach können eine großartige Markensichtbarkeit liefern und somit das Wachstum bei Stationen mit hohem Verkehrsaufkommen vorantreiben. Stationen mit einem Dach bieten Schutz (und können Elektrizität über Sonnenkollektoren generieren) und erleichtern die Versorgung mit zusätzlichem Service in der Zukunft.

Kapazität der Schnellladestationen 

Stationen mit zwei üblichen 50 kW Schnellladegeräten können ein — vorsichtig geschätzt — Maximum von 560 kWh pro Tag liefern. Dies ermöglicht 2.800 km elektrische Kilometer pro Tag. Ich basiere dies auf den Daten aus der Vergangenheit, die wir bereits vom Schnelllade-Verhalten unserer Kunden haben:

1. Schnellladestationen werden hauptsächlich zwischen 07:00 und 23:00 genutzt — 16 Stunden Nutzung pro Tag.
2. Ein Maximum von 50 % Nutzung während der Stunden im Einsatz (die Hälfte der Ladegeräte sind während dieser 16 Stunden im Gebrauch).
3. Ein EV lädt durchschnittlich 70 % des Maximums, das ein Schnellladegerät liefern kann (nicht alle EVs sind in der Lage, während des gesamten Ladevorgangs in der Höchstgeschwindigkeit zu laden).

In den kommenden Jahren werden mehr Fahrzeuge in der Lage sein, mit der Höchstgeschwindigkeit zu laden. Mit mehr leistungsstarken Ladegeräten kann eine einzige Station mehreren Fahrzeugen dienen. Schauen wir jetzt einmal, was passiert, wenn wir eine 2x 50 kW Station auf 4x 175 kW oder 8x 175 kW upgraden:

Eine bestehende Station hat eine Kapazität von 204.000 kWh jährlich und eine upgegradete Station mehr als 1,4 Millionen kWh. Ein Station der neuen Generation liefert somit 7X mehr Kapazität auf der gleichen Landfläche und 14X mehr Kapazität mit 8 Ladegeräten. Das ist eine Verbesserung von Ausmaß.

Die Wirtschaftlichkeit der SchnellladestationenDie Kapazität einer Station 2.0 ist sieben bis vierzehn Mal die einer aktuellen Schnellladestation. Die Investitionsausgaben (CAPEX) wie Genehmigungen, Netzanschlüsse, Ausstattung, Konstruktion, Installation und Project Management einer Station, die mit vier 175 kW Ladegeräten ausgestattet ist, liegen weit unter denen für die Konstruktion von sechs bis dreizehn zusätzlichen Stationen. Die betrieblichen Aufwendungen (OPEX) wie technische Wartung und Reinigung sind für die 2.0 Station nur leicht höher. Die Kapazität steigt somit (viel) schneller, als es die Kosten tun. Deswegen verringern sich die Kosten pro gelieferte kWh (solange, wie eine Station eine bestimmte Anzahl von Kunden pro Tag hat).

Ein weiterer Vorteil liegt in der maximalen Nutzung eines einzigen Netzanschlusses. In vielen Ländern sind die Strompreise hoch besteuert. Viele dieser Steuern sind regressiv: Je mehr man pro Netzanschluss verbraucht, desto weniger Steuern bezahlt man pro kWh.Kann das Netz das bewältigen? Solange Schnellladestationen mit einem durchschnittlichen Stromkreis (10 kV oder 20 kV) verbunden sind, kann die Leistung der Station im Einklang mit den erwarteten exponentiellen Take-offs elektrischer Fahrzeuge erhöht werden. Supermärkte, Bürohochhäuser und große Warenhäuser sind üblicherweise mit einem Mittelspannungsnetz mit Anschlüssen von 1 oder 2 MW verbunden. Schnelladestationen sind in der Leistungsaufnahme vergleichbar und liegen also innerhalb der Limits der Kapazität eines Mittelspannungsnetzes.

Mehr Ladegeräte, weniger Wartezeit Der andere fundamentale Vorteil von Schnellladestationen ist die Verkürzung der Wartezeit. Wenn wir von durchschnittlich 30 Minuten Ladezeit pro Fahrzeug ausgehen, resultiert eine besetzte Säule im Durchschnitt in einer Wartezeit von 15 Minuten für den nächsten EV Fahrer. Mit zwei Ladegeräten wird dies auf 7,5 Minuten reduziert und mit 4 Ladegeräten auf weniger als 4 Minuten. Das heißt, eine Station, die mit mehreren Ladegeräten ausgestattet ist, verkürzt die Wartezeiten erheblich. Mehr Ladegeräte verbessern außerdem die Redundanz einer Station. EV Fahrer müssen in der Lage sein, sich auf Schnellladestationen verlassen zu können. Sogar, wenn ein einziges Schnellladegerät eine Betriebszeit von 99 % hat, steht es immer noch für 3,6 Tage pro Jahr nicht zur Verfügung. Bei einer Station, die mit zwei Schnellladegeräten mit jeweils Betriebszeiten von 99 % ausgestattet ist, wird die Zeit, zu der beide Ladegeräte gleichzeitig nicht zur Verfügung stehen, auf weniger als 1 Stunde pro Jahr reduziert, da beide Schnellladegeräte unabhängig voneinander in Betrieb sind.

Für aktuelle Neuigkeiten folge @fastned oder mir, @rolandvanderput.

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